Использование принципа эквивалентности при пересмотре режимов термомеханического упрочнения проката

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.78, 621.771.2

Использование принципа эквивалентности при пересмотре режимов термомеханического упрочнения проката

И.А. Гунькин,

Рассмотрен принцип теплотехнических расчетов, который используется на КГГМК “Криворожсталь” в течении 10 лет, и за это время зарекомендовал себя хорошим инструментом разработки и анализа технологии термомеханического упрочнения арматурного проката.

Рассмотрим случай ускоренного охлаждения проката в потоке мелкосортного или проволочного стана в устройстве проводкового типа (рис. 1). Раскат, движущийся со скоростью v_пр и имеющий температуру равную температуре конца прокатки tє_кп охлаждается в зоне активного охлаждения длиной L_ЗАО. Время охлаждения составляет ф = L_ЗАО/v_пр. Температура по сечению раската на выходе из линии неравномерная, но после выравнивания становится равной температуре самоотпуска t_со. Средняя по сечению раската температура конца ускоренного охлаждения и температура самоотпуска, как показано в [1] немного отличаются, но в практических расчетах можно считать, что это одно и то же.

Рис. 1. Схема ускоренного охлаждения проката в устройстве проводкового типа

Существуют несколько методов расчета линий ускоренного охлаждения, которые опираются либо на аналитический подход, либо на численный. Без сомнения, численные методы являются более гибкими. Усложняя задачу и вводя новые зависимости, можно учесть практически все особенности ускоренного охлаждения. К этому следует добавить, что современное развитие вычислительных средств привело к такой ситуации, когда для постановки и решения большого количества задач достаточно просто хорошего инженерного образования. Однако, все преимущества численных методов сводятся на нет, упираясь в отсутствие экспериментальных данных об учитываемых процессах. В итоге разрабатываемые модели либо опираются на данные шестидесятых _ восьмидесятых годов прошедшего века, либо адаптируются, т.е. подгоняются по имеющийся ответ. Полученная в результате модель в лучшем случае объясняет явление, но не прогнозирует его. Исходя из вышесказанного, авторы, не отрицая перспективность численных методов считают, что в настоящее время аналитические методы [2, 3, стр. 62] в большинстве случаев остаются более надежными. арматурный прокат термомеханический

Аналитические методы решения приведенной на рис. 1 задачи [4] приводят к некоторой зависимости

, (1)

где tє_кп и tє_со _ начальная и конечная температура раската; Ц_Ф,К _ некоторая функция, зависящая от формы (именно формы, а не размеров) охлаждаемого раската и от краевых условий; Fo _ число Фурье, характеризующее размеры тела, продолжительность охлаждения и теплофизические свойства материала; К _ краевые условия.

Рассмотрим два случая охлаждения проката в одинаковых устройствах (рис. 2). Случаи могут отличаться тем, что прокат движется с различной скоростью или имеет различные размеры (но не форму). В обоих случаях должно быть выполнено условие, что форма тела остается неизменной, температуры начала ускоренного охлаждения и самоотпуска должны быть одинаковыми:

tє_{со 1} = Ф_{Ф,К 1}(tє_{кп 1}, Fo₁, К₁),

tє_{со 2} = Ф_{Ф,К 2}(tє_{кп 2}, Fo₂, К₂), (2)

tє_{кп 1} = tє_{кп 2}, tє_{со 1} = tє_{со 2}.

Рис. 2. Два случая одинакового охлаждения проката

Введем основное предположение, на котором базируется разрабатываемый принцип: краевые условия охлаждения в обоих случаях должны быть одинаковыми. В этом случае систему (2) можно дополнить:

К₁ = К₂, Ф_{Ф,К 1} ? Ф_{Ф,К 2}. (3)

Из (2) и (3) вытекает

. (4)

где a _ коэффициент температуропроводности, характеризующий теплофизические свойства стали; ф _ продолжительность охлаждения, R _ размеры изделия.

В работе [1] показано, что коэффициент температуропроводности низкоуглеродистой стали при частном случае краевых условий первого рода зависит от температуры начала и конца ускоренного охлаждения и не зависит от размеров тела. Там же высказано предположение, что величина коэффициента температуропроводности не зависит от условий охлаждения. Если руководствоваться выводами и предположениями этой работы, тогда в (4) a₁ = a₂, и окончательно принцип эквивалентности можно сформулировать в следующей форме:

Если форма, начальная температура и условия охлаждения раската не изменяются, то при соблюдении требования ф/R² = const, где ф _ продолжительность охлаждения, а R _ размер раската, не изменится и температура самоотпуска.

Рассмотрим два примера использования принципа эквивалентности.

Пример 1:

На непрерывном мелкосортном стане 205_5 КГГМК “Криворожсталь” производство арматурного проката диаметром 22 мм и выше происходит при постоянном секундном объеме, т.е. увеличение диаметра проката D приводит к уменьшению скорости прокатки v_пр так, что v_пр•D² = const. Следствием принципа эквивалентности является то, что температура самоотпуска зависит от секундного объема и длины зоны активного охлаждения. Если секундный объем остается постоянным, то температура самоотпуска также не изменяется. В результате действия этого правила режимы термомеханического упрочнения проката одинакового класса для профилей диаметром 22, 25, 28 и 32 мм на МС 250_5 однотипны.

Пример 2:

Четвертый мелкосортный стан КГГМК “Криворожсталь” осваивал производство термомеханически упрочненного арматурного проката класса А500С диаметром 14 мм. Прокат производили методом разделения [5]. До этого МС 250_4 производил аналогичный прокат диаметром 12 мм. Используемая сталь и технология производства оставались неизменными. Был поставлен вопрос _ при какой максимальной скорости прокатки существующая линия ускоренного охлаждения обеспечит требуемый уровень прочностных свойств?

При производстве арматурного проката диаметром 12 мм длина зоны активного охлаждения составляла L_{ЗАО 12} = 6.2 м, скорость прокатки v_{пр 12} = 13.5 м/с. Длину зоны активного охлаждения без коренной переделки установки можно было увеличить на 1.9 м (L_{ЗАО 14 max} = 8.1 м). Использование принципа эквивалентности дает:

Таким образом, существующие размеры линии ускоренного охлаждения могли обеспечить производство арматурного проката диаметром 14 мм при максимальной скорости прокатки 13 м/с. Следует еще раз отметить, что принцип эквивалентности применим лишь в том случае, если условия охлаждения не изменяются. Возможны случаи, когда на первый план выходят термодинамические аспекты _ перегрев охлаждающей воды, образование вокруг раската “паровой рубашки” и т.д. На МС 250_4, например, была проведена серия мероприятий по изменению размеров некоторых узлов линии ускоренного охлаждения.

Рассмотренный принцип используется на КГГМК “Криворожсталь” в течении 10 лет, и за это время зарекомендовал себя хорошим инструментом разработки и анализа технологии термомеханического упрочнения арматурного проката. Важно учесть следующий факт: если предложенный принцип не работает, значит изменились условия охлаждения и необходимо пересмотреть используемую схему: изменить давление перед нагнетающей форсункой, диаметр камеры охлаждения или ввести дополнительный источник подачи воды.

Литература

1. Приведенный коэффициент температуропроводности при прерванном охлаждении / А.В.Кекух, И.А.Гунькин, Н.П.Жильцов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 22, Часть II. _ Днепропетровск: ПГСиА, 2003. _ с. 114-117.

2. Расчет длины устройств для охлаждения проката сплошным потоком воды. Худик В.Т., Черненко В.Т., Сиухин А.Ф., Литовченко Ю.К. _ Металлургия и коксохимия, вып. 36. Киев: Технiка, 1973, с. 68_72.

3. Высокопрочная арматурная сталь. Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В. и др. _ М.: Металлургия, 1986. _ 272 с.

4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967. 600 с.

5. Шеремет В.А. Научные основы технологии термоупрочнения продольно разделенной арматуры. Автореф. канд. дис. Днепропетровск, 2003.

Размещено на Allbest.ru