Разработка и внедрение устройств для термоупрочнения проката

В 1972 г. была создана лаборатории теплотехники регламентированного охлаждения проката, преобразованная в 2003 г. в Центр новых систем охлаждения и технологий термоупрочнения металлов ОАО «ВНИИМТ».

За этот более чем 30-летний период своего существования Центр принял участие в создании, реконструкции и освоении более 30 различных агрегатов регулируемого охлаждения различных видов металлопроката, в первую очередь толстолистового, от опытных устройств до промышленных агрегатов. Результаты работы Центра использовались ведущими технологическими институтами СССР как для оптимизации существующих режимов термоупрочнения, так и в процессе освоения новых, высокопрочных видов проката.

Данная проблематика потребовала решение комплекса взаимосвязанных научно-технических вопросов:

• определения закономерностей внутреннего и внешнего теплообмена для различных технологических процессов термоупрочнения проката, обеспечение их оптимального сочетания. Внутренняя задача – это определение рациональной динамики изменения температуры по сечению проката различной массивности, химического состава и для разных технологий термообработки. При этом необходимо учитывать закономерности структурообразования и переменность теплофизических свойств в процессе охлаждения. Внешняя задача – это определение параметров системы охлаждения, которая должна обеспечивать требуемую динамику изменения температуры в условиях, когда температура поверхности раскатов в процессе охлаждения может меняться от 1000-1100 °С до температуры окружающей среды, в процессе чего на поверхности охлаждаемого изделия могут одновременно существовать режимы пленочного, пузырькового кипения и конвективного теплообмена. Интенсивность теплоотдачи на этих режимах может отличаться на порядок;
• создания конструкции охлаждающих устройств, которые должны обеспечивать необходимую гидродинамику формирования и течения струй воды и равномерность раздачи их по поверхности проката, оптимальные условия натекания и взаимодействия потоков воды на различно ориентированных поверхностях. Обеспечивать возможность гибкого управления расходом и давлением воды (интенсивностью охлаждения) при сохранении стабильности гидродинамических характеристик;
• разработки математических моделей, адекватно описывающих сочетание внешнего и внутреннего теплообмена в условиях большой нестационарности процессов (скорости охлаждения могут достигать тысяч градусов в секунду);
• разработки параметров экономичных автономных систем водоснабжения, позволяющих при минимизации капитальных и эксплуатационных затрат обеспечить эффективную работу устройств термоупрочнения.

Для решения вышеуказанных вопросов постоянно выполняется комплекс экспериментальных исследовательских работ на стендовых и промышленных агрегатах по изучению закономерностей теплообмена при струйном охлаждении и установлению зависимостей теплоотдачи от режимных и конструктивных параметров для различного сортамента проката и возможных технологий термоупрочнения. В результате выполнения этих работ:

• установлены закономерности теплообмена при использовании различного типа охладителя (вода, воздух, водовоздушная смесь) и подачи его на изделия в виде определенным образом организованных струй, потоков;
• определены основные закономерности и особенности изменения температуры проката различной массивности при ускоренном охлаждении в широких пределах изменения его интенсивности. Установлено, что практически все технологии термоупрочнения и все технологические требования по скоростям охлаждения возможно удовлетворить в одном устройстве при условии его разбиения на зоны – интенсивного и малоинтенсивного охлаждения. В свою очередь, для обеспечения более тонкого регулирования оптимальных режимов охлаждения для различных технологий термоупрочнения необходимо разбиение каждой зоны на отдельно регулируемые секции. Для зоны интенсивного охлаждения, имеющей важное значение для технологии закалки и закалки с самоотпуском, определены пределы целесообразной интенсивности и длительности охлаждения листов для различных технологий термоупрочнения;
• получены данные по аэро-гидродинамике истечения и формирования струй различной формы (осесимметричных, плоских и др.), по их натеканию, растеканию и взаимодействию с поверхностью тел различной формы. На основе исследований разработаны рациональные конструкции раздающих коллекторов, форсунок, определены их рациональные компоновки в устройствах регулируемого охлаждения для различных видов проката;
• разработаны математические модели, описывающие процессы ускоренного охлаждения при различных технологиях термоупрочнения и сортамента, основанные на решении уравнения теплопроводности с переменными теплофизическими свойствами для тел произвольной формы. В качестве граничных условий используются зависимости по теплоотдаче, установленные в экспериментальных исследованиях.

Проведенный комплекс работ позволил разработать методологию обоснованного выбора параметров систем охлаждения, определения количества, размеров секции, расходов и давления воды на них для различного марочного и размерного сортамента, с учетом производительности и конкретного типа технологической линии.

С участием ВНИИМТ проведена реконструкция систем охлаждения роликовых закалочных машин (РЗМ) МЗ «Амурсталь» и ЧерМК, разработаны рациональные режи-мы охлаждения для данных РЗМ. Разработаны системы регулируемого охлаждения для термоупрочнения различных видов проката листа из стальных, титановых, алюминие-вых сплавов, том числе три устройства ускоренного охлаждения после нормализа-ционных печей стана 3600 МК «Азовсталь», устройство регулируемого охлаждения полосы перед смоткой на стане 1700 МЗ «Амурсталь», арматуры, труб, рельсов, железнодорожных колес, рельсовых подкладок и т.д. и изделий машиностроения. Всего для различных отраслей промышленности при участии или непосредственно ВНИИМТом было создано свыше 30 различных устройств для термоупрочнения проката со специального и прокатного нагрева. С участием ВНИИМТ проведена реконструкция систем охлаждения роликовых закалочных машин (РЗМ) МЗ «Амурсталь» и ЧерМК, разработаны рациональные режимы охлаждения для данных РЗМ.

Результаты работы Центра использовались ведущими технологическими институтами (ЦНИИЧМ, ИЧМ, ЦНИИКМ «Прометей» и пр.) как для оптимизации существующих режимов термоупрочнения, так и в процессе освоения новых, высокопрочных видов проката.

Переход к современным формам хозяйственных взаимоотношений позволил существенно изменить процесс создания охлаждающих устройств. В настоящее время ВНИИМТ выступает в роли генподрядчика, привлекая к работам специализированные конструкторские и проектные организации, машиностроительные предприятия. Примерами такого удачного сотрудничества являются:

• устройство контролируемого охлаждения (УКО) для термоупрочнения стальных листов в потоке стана «5000» ОАО «Северсталь»;
• устройство термоупрочнения арматуры в потоке стана 280 ГУП «Литейно-прокатный завод» (г. Ярцево Смоленской обл.);
• участок производства рельсовых накладок Нижне-Салдинского металлургического завода – филиала ОАО «ЕВРАЗ НТМК».

Управление технологическими режимами охлаждения в данных устройствах осуществляется по математическим моделям, разработанной во ВНИИМТ. В исходных данных для конкретного марочного и размерного сортамента задается технология термообработки. Использование собственных математических моделей для алгоритмов в АСУ в промышленных условиях позволило обеспечить точность прогноза температуры конца охлаждения - 4÷5 % до адаптации модели, 2,5÷3,5 % после адаптации.

Рассмотрим устройства, разработанные и введенные в эксплуатацию нами в последние годы для термоупрочнения различных видов проката в черной металлургии. Термоупрочнение проката в потоке стана – это кардинальное решение проблемы массового производства качественного проката.