Прокатка листового металла. Технологическое обеспечение процесса прокатки. Новое поколение высокоэффективных систем очистки больших объемов водных технологических жидкостей и стоков. Часть 1: Учебное пособие

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ульяновский государственный технический университет»

Е. М. Булыжев, В. Н. Кокорин, Ю. А. Титов, А. А. Григорьев

ПРОКАТКА ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА

Технологическое обеспечение процесса прокатки. Новое поколение высокоэффективных систем очистки больших объемов водных технологических жидкостей и стоков Часть 1 Техника и технология холодной (горячей) прокатки листового металла. Концепция и методология расчета и проектирования ресурсосберегающих и экологизированных систем очистки

Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 15020165

Ульяновск 2009

УДК 621.771 + 621.892 + 661.185 (075) ББК 34.62 я7 П80 Рецензенты: д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ОПМ УлГТУ И. Ф. Дьяков; канд. техн. наук, зам. ген. директора по науке ОАО «Ульяновский НИАТ» В. А. Марковцев.

П 80

Прокатка листового металла. Технологическое обеспечение процесса прокатки. Новое поколение высокоэффективных систем очистки больших объемов водных технологических жидкостей и стоков. Часть 1: Техника и технология холодной (горячей) прокатки листового металла. Концепция и методология расчета и проектирования ресурсосберегающих и экологизированных систем очистки: учебное пособие / Е. М. Булыжев, В. Н. Кокорин, Ю. А. Титов, А. А. Григорьев. - Ульяновск : УлГТУ, 2009. - 186 с. ISBN 978-5-9795-0591-6 В учебном пособии с современных позиций показаны технологии прокатного производства листовой стали. Описаны технологические схемы, изложены рекомендации по повышению эффективности процесса прокатки, улучшению качества продукции. Обобщен отечественный и зарубежный опыт по применению масел и смазочно-охлаждающих жидкостей для прокатки. Рассмотрены вопросы технологии прокатки, связанные с применением смазки и охлаждения, технологические свойства и особенности различных типов СОТС. Приведены материалы эксплуатации СОТС в различных системах, способы подачи, очистки и восстановления их в процессе эксплуатации, а также методы регенерации и утилизации технологических отходов. Представлена универсальная периодическая система средств очистки, которая формализует формирование массива альтернативных вариантов технологических схем систем очистки больших объемов водных технологических жидкостей от многокомпонентных гетерофазных загрязнений и выбор оптимального с одновременной фиксацией информации об эффективности выбранных средств очистки. Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности «Машины и технология обработки металлов давлением», может быть использовано при изучении курса «Прокатка», «Промышленная экология», а также может быть полезно научным и инженерно-техническим работникам металлургических и машиностроительных предприятий. УДК 621.771 + 621.892 + 661.185 (075) ББК34.62 я7

ISBN 978-5-9795-0591-6

© Булыжев Е. М., Кокорин В. Н., Титов Ю. А., Григорьев А. А., 2009. © Оформление. УлГТУ, 2009.

ОГЛАВЛЕНИЕ

5

ВВЕДЕНИЕ Интенсификация производственных процессов, повышение требований к качеству готовой продукции, рост мощности агрегатов приводят к необходимости отвода большого количества тепла и обеспечения минимальных потерь на трение. Процесс трения непосредственно определяет состояние и качество обрабатываемых поверхностей. Все эти требования обеспечиваются применением различных смазок и охлаждающих средств или жидкостей, совмещающих эти функции. Особенно большой интерес к технологическим смазочно-охлаждающим средствам проявляется в области процессов обработки металлов давлением и в первую очередь при прокатке. Одновременно с увеличением объема производства существенно повысились требования к качеству готовой продукции. Современные высокопроизводительные агрегаты в машиностроении рассчитаны на использование металла, обладающего строго постоянными свойствами и бездефектной поверхностью. Рост объема производства и повышение требований к качеству листа вызвали необходимость пуска новых непрерывных скоростных прокатных станов. Системы технологической смазки и охлаждения этих станов характеризуются не только большой мощностью и значительным объемом используемых жидкостей, но и гибкостью в управлении, универсальностью, совершенством средств очистки. Анализ основного уравнения эффективности очистного средства как математической основы классификации позволяет выявить основные классификационные признаки, с помощью которых разрабатывается системная классификация средств очистки водных технологических жидкостей. Разработанная периодическая системная классификация средств очистки водных технологических жидкостей отображает в числовой форме взаимосвязь конкретных загрязнений, их размера и свойств с выбираемыми средствами очистки и их физической сущностью. При этом учитываются механизмы очистки («ад дитивный» - независимое осаждение частиц и «синергетический» взаимосвязанное осаждение частиц) и физико-химические аспекты процессов очистки (гидратация частиц), особенно важные при тонкой очистке больших объемов водных технологических жидкостей. Периодическая системная классификация средств очистки позволяет решать вопросы оптимизации структуры систем и параметров систем и средств очистки. Этой же цели служит системное моделирование объекта исследований (средств и систем очистки) и концепция ресурсосбережения и экологизации при проектировании систем очистки водных технологических жидкостей от механических примесей.

6

1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ ПРОКАТКИ По способу образования поверхности процессы деформации обычно подразделяют на две группы: деформация без непосредственного контакта поверхностей инструмента и металла - «свободная» деформация; деформация при наличии силового контакта между поверхностями инструмента и металла «связанная» деформация. К первой группе следует отнести деформацию листового металла при растяжении, испытании на штампуемость по методу Эриксена, свободной гибке, отдельных видах формовки и др.; ко второй - процессы прокатки и дрессировки листовой стали и штамповки деталей с точно определенными формой и размерами. Такое разделение условно, поскольку в большинстве реальных процессов обработки металлов давлением «свободные» и «связанные» поверхности образуются либо одновременно, либо поверхности, вначале «свободные», становятся «связанными», и наоборот. 14. ОБРАЗОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ МЕТАЛЛА ПРИ ПРОКАТКЕ БЕЗ СМАЗКИ При гладкой поверхности полосы и шероховатой поверхности рабочего инструмента формообразование микрорельефа проката происходит путем заполнения микроуглублений на поверхности валка деформируемым металлом. Глубина затекания металла в микровпадины поверхности валка при прохождении полосой очага деформации определяет величину и форму ее шероховатости после прокатки. При малых обжатиях микровыступы поверхности валка, проникая в поверхность полосы, создают на ней углубления (рис. 1.1, а). Шероховатость поверхности листовой стали характеризуется тупыми микровыступами и заостренными микровпадинами (рис. 1.1, б). С увеличением обжатия прокатываемый металл затекает в микроуглубления поверхности валков, вследствие чего профиль поверхности полосы все больше принимает форму микропрофиля валков (рис. 1.1, в). Непрерывно меняется шероховатость - микровыступы все более заостряются, и постепенно поверхность листового металла становится негативом поверхности валка (рис. 1.1, г).

Рис. 1.1. Схема процесса образования микрорельефа поверхности при прокатке гладкой полосы в шероховатых валках

7

При прохождении шероховатой полосы между гладкими валками механизм формирования микрорельефа иной - в очаге деформации происходит смятие микровыступов исходной поверхности металла. Принятая упрощенная схема анализа не учитывает деформации сдвига металла, неоднородность деформации, возможность появления застойных («мертвых») зон металла, влияния соседних микроуглублений и ряд других факторов. В частности, из-за значительных локальных деформаций в тонком контактном слое прокатываемого металла, возникающих при взаимодействии микронеровностей поверхностей валков и полосы, степень упрочнения этого поверхностного слоя значительно выше, чем упрочнения металла во всем объеме [1], Необходимо иметь в виду, что пластическая деформация микронеров- ностей обусловливает дополнительное приращение температуры поверхностного слоя по сравнению со среднеобъемной температурой металла. Этот эффект должен проявляться заметнее при прокатке с малыми обжатиями (дрессировке). В свою очередь, изменение температуры поверхностного слоя металла влияет на его сопротивление деформации. Поэтому физико-механическое состояние поверхностных слоев деформируемого металла требуется описывать с помощью модели, имитирующей их реальные свойства. В производственных условиях при прокатке тонких полос и листов их микрорельеф формируется, как правило, по схеме, сочетающей в себе процессы вдавливания микровыступов (клиньев) поверхности валков и смятия неровностей поверхности деформируемого металла - на первой стадии (на начальном участке очага деформации) (рис. 1.2) и истечения металла в микроуглубления поверхности валка - на втором этапе.

а

б

Рис. 1.2. Контактирование поверхностей валков и полосы на начальной стадии процесса деформации: а - внедрение микровыступа валка в гладкую поверхность полосы; б — смятие гладким валком микронеровностей полосы

Переходя от рассмотрения формоизменений отдельных микронеровностей к рассмотрению закономерностей деформирования всей совокупности неровностей, следует отметить эффект взаимного влияния смежных микровыступов и микровпадин через «фундамент», на котором они расположены [2]. При значительных деформациях увеличиваются размеры основания сминаемых микровыступов, а мелкие микроуглубления, расположенные рядом с выступом, заполняются металлом. В результате наблюдается подъем материала на неконтактирующей части профиля, прилегающей к деформируемым микронеровно-

8

стям. Следовательно, взаимное влияние близлежащих микронеровностей при их совместном деформировании проявляется в том, что практически выдавливаемый материал изменяет исходный профиль поверхности. 1.2. ГЕНЕЗИС И МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА, ПРОКАТЫВАЕМОГО СО СМАЗКОЙ Результирующее состояние поверхности листового металла, прокатываемого со смазкой, зависит от его свойств и структуры, степени деформации, количества смазки в очаге деформации, контактного давления, касательных напряжений и других факторов. Выше было показано, что при растяжении листовой стали с повышением степени деформации шероховатость поверхности, не стесненной рабочей поверхностью инструмента, возрастает. Можно считать, что в случаях, когда при прокатке с увеличением толщины слоя смазки в зоне контакта валков и полосы увеличивается площадь участков поверхности, деформируемой в «свободном» состоянии, шероховатость первоначально гладкой поверхности прокатываемого металла повышается. Подобная картина наблюдается при величинах шероховатости поверхностей валков и полосы, соизмеримых с толщиной смазочной пленки в очаге деформации (рис. 1.3, а). При этом для одинаковых толщин слоя смазки приращение величины шероховатости поверхности полосы будет тем большим, чем выше степень деформации прокатываемого металла. Прокатка с полным разделением поверхностей валков и полосы слоем смазки на практике наблюдается редко. Поэтому при гладких валках шероховатость металла после прокатки обычно меньше, чем при свободно деформируемой поверхности. При прокатке в условиях, когда высота микронеровностей поверхности валков или полосы существенно больше толщины смазочной пленки в очаге деформации, механизм образования шероховатости прокатываемого металла иной. Здесь решающую роль играют крупные микровыступы валков или полосы, которые «прошивают» слой смазки (рис. 1.3, б, в). Поэтому при грубошероховатой поверхности валков (рис. 1.3, б) с увеличением количества смазки, поступающей в очаг деформации, глубина внедрения крупных микронеровностей валков в гладкую поверхность полосы уменьшается и, как следствие, величина шероховатости поверхности металла после прокатки получается меньшей. Если же шероховатая полоса деформируется гладким валком, то смазка препятствует сглаживанию начальной шероховатости поверхности металла (рис. 1.3, в). В рассматриваемых случаях смазочная прослойка предохраняет поверхность прокатываемого металла от воздействия поверхности валков, и чем больше смазки в очаге деформации, тем меньшие изменения претерпевает поверхность полосы. Микрогеометрические изменения «свободной» поверхности деформируемого металла при прокатке со смазкой и при растяжении не идентичны. В отличие от деформации растяжением при прокатке на «свободной» поверхности контакта прокатываемого металла со смазкой действуют нормальные и

9

касательные напряжения. Кроме того, прокатка листов и полос проходит, как правило, без изменения их ширины. Эти факторы ограничивают свободное перемещение зерен поверхностных слоев металла, что отражается на его микрорельефе. Поэтому шероховатость поверхности деформируемого металла в поперечном направлении изменяется меньше, чем в направлении прокатки.

Рис. 1.3. Механизм образования микрорельефа поверхности металла при прокатке со смазкой: а - шероховатость валков и полосы соизмерима с толщиной слоя смазки в очаге деформации; б, в - толщина слоя смазки меньше высоты микронеровностей поверхности валка (б) или полосы (в); 1 - поверхность валка, 2 - поверхность полосы, 3 - смазка

В соответствии со схемой на рис. 1.3, в рельеф поверхности полосы после прокатки со смазкой в гладких валках представляет совокупность микроуглублений, в которых замыкалась смазка, и плоских, сдавленных поверхностью валка микровыступов. В процессе деформации смазка, «запертая» в микроуглублениях поверхности, затрудняет смятие микровыступов. Следует отметить, что под давлением микрообъемы смазки во впадинах поверхности деформируемого металла стремятся принять форму, которой отвечает наименьшая поверхность. Вместе с тем, в процессе деформирования шероховатого слоя смазка из микроуглублений выжимается на поверхность раздела валков и полосы. По мнению автора работы [31, при прокатке полос даже в абсолютно гладких где валках шероховатость поверхности металла Ra не может быть менее - толщина слоя смазки в очаге деформации. Влияние вязкости смазки на микрорельеф поверхности прокатываемых полос впервые было рассмотрено И. М. Павловым и Я. С. Галлаем. Результаты их исследований подробно изложены в книге А. П. Грудева и В. Т. Тилика [5]. В литературе [6] описаны случаи, когда под влиянием технологической смазки, вдавливаемой в поверхность прокатываемого металла, может наступить даже его разрушение. Этот эффект наряду с поверхностной активностью и гидростатическим расклинивающим действием смазки связывают с «растягивающим действием» в очаге деформации толстых смазочных слоев.

10

Поскольку в процессе пластической деформации микрорельеф свободной поверхности поликристалла, формируемый в результате выхода на поверхность пачек линий скольжения, поворота и перемещения зерен, зависит от строения металла и степени деформации, то при прокатке с толстыми слоями смазки характер шероховатости поверхности полосы, при прочих равных условиях, взаимосвязан со структурой и природой деформируемого металла и, в первую очередь, с размером зерен. На рис. 1.4 представлена схема образования микрорельефа поверхности полос из металлов с различной структурой путем вдавливания смазки в поверхность прокатываемых полос. Как видно, для одинакового количества смазки 2 в очаге деформации шероховатость поверхности полосы и фактическая площадь контакта 1 поверхностей валков и металла больше при крупнозернистой структуре металла. Размеры (шаг) образующихся микронеровностей близки к размерам зерен в поверхностных слоях прокатываемого металла. При грубой шероховатости поверхности валков или полосы структура металла в формировании его микрорельефа имеет второстепенное значение.

Рис. 1.4. Схема формирования микрорельефа поверхности полос из металлов с различной структурой при прокатке с обильной смазкой: а - крупнозернистый металл; б - мелкозернистый

Возникновение микронеровностей на первоначально гладкой поверхности полос при прокатке в относительно гладких валках и наличии в очаге деформации толстой разделительной смазочной прослойки обусловлено, во-первых, неодинаковой пластичностью зерен различных структурных составляющих поверхностного слоя металла, а во-вторых, разной кристаллографической ориентировкой зерен по отношению к направлению деформирующих усилий. Микровыступы образуются на тех участках поверхности, где расположены зерна более твердой и менее пластичной структурной составляющей и кристаллиты с менее благоприятной для деформации ориентировкой. В структуре малоуглеродистых сталей, например, частицы цементита и зерна перлита имеют пониженную пластичность по сравнению с зернами феррита. На рис. 1.5 представлена разработанная японскими исследователями модель граничной поверхности металла в очаге деформации при прокатке, позволяющая достаточно четко объяснить механизм влияния смазки на формой изменения поверхности полосы.

11

Рис. 1.5. Модель граничной поверхности между валком и прокатываемым металлом, предложенная Т. Мидзуно: VR, VBX, Увых - скорости валков и полосы на входе и выходе из очага деформации

В точке А входной области очага деформации гидродинамическое давление в слое смазки достигает величины предела текучести металла и вызывает его пластическую деформацию. В результате шероховатость поверхности прокатываемого металла возрастает, что приводит к разрыву смазочной пленки и возникновению непосредственного контакта между валками и полосой. Протяженность участка АС по сравнению с общей длиной дуги контакта, как правило, невелика, однако, геометрией, этой области в значительной степени определяется количество смазки, поступающей в очаг деформации. Со своей стороны, объем смазки, внедряющейся на поверхность раздела валков, и прокатываемого металла зависит от исходного микрорельефа валков и полосы и гидродинамических условий течения смазки на входе в очаг деформации. Если смазка поступает в небольшом количестве, достаточном лишь для заполнения впадин исходного микропрофиля, и не внедряется в поверхность прокатываемого металла, непосредственный контакт валка и полосы наступает в точке В. За точкой непосредственного контакта валков и металла (за точкой С или точкой В) микрорельеф полосы формируется в условиях, аналогичных технологическим условиям при других процессах обработки давлением (например, осадке): вследствие увеличения площади поверхности металла толщина разделительного слоя смазки уменьшается, размеры и форма микровпадин непрерывно изменяются при монотонном понижении величины микронеровностей. Очевидно, что по этой схеме, так же как и по схеме на рис. 1.3, а, в случаях, когда в очаг деформации при прокатке металла с крупнозернистой структурой попадает большое количество смазки, конечная шероховатость поверхности полосы выше исходной. С ростом толщины слоя смазки в очаге деформации шероховатость металла возрастает и, если смазочная пленка будет почти полностью разделять поверхности валков и полосы, достигнет примерно такой же величины, как и при деформации растяжением. Таким образом, при анализе характера формоизменения рельефа поверхности прокатываемого металла, а также влияния на шероховатость поверхности полосы различных параметров процесса прокатки необходимо рассматривать условия поступления смазки в очаг деформации, определять влияние этих параметров на количество смазки в зазоре между поверхностями валков и

12 полосы. Для этой цели можно использовать решения, полученные из рассмотрения гидродинамики течения смазки во входной области очага деформации [5] . С ростом скорости прокатки й вязкости смазки толщина ее слоя в очаге деформации возрастает, а, следовательно, в условиях, соответствующих случаю на рис. 1.3, а, будет увеличиваться шероховатость поверхности полос (рис. 1.6), Применительно к прокатке на промышленных станах зависимость шероховатости поверхности металла от скорости более сложная, поскольку здесь дополнительно накладываются тепловые эффекты. Температура прокатываемых полос увеличивается прямо пропорционально скорости прокатки.

Рис. 1.6. Влияние скорости прокатки и вязкости смазки на шероховатость поверхности полос из углеродистой (1 % С) и нержавеющей (18 % CrNi) стали (шероховатость валков 0,03 мкм): a — Ra в поперечном направлении; б-Ra в направлении прокатки. Цифры у кривых - вязкость смазки, °Е

Зависимость шероховатости поверхности и отражательной способности от скорости прокатки в пятой клети на непрерывном пятиклетевом стане (рис. 1.7) определяли при следующих условиях: толщина полосы перед пятой клетью 0,27-0,29 мм, относительное обжатие в пятой клети 30-35 %; смазка на основе пальмового масла (25 %), температура 90 °С; подкат - холоднокатаная полоса с глянцевой поверхностью; валки полированные. Отражательную способность (блеск) оценивали по интенсивности отражения света, направленного к поверхности под углом 45°. Интенсивность отражения света от зеркальной поверхности принимали за 10 единиц. Согласно графикам (рис. 1.7), с ростом скорости прокатки шероховатость поверхности полосы вначале возрастает, при скорости, равной примерно 10-15 м/с, достигает максимума, а затем - уменьшается. Такую зависимость авторы рассматриваемых исследований объясняют следующими соображениями. Прокатка со скоростями до 10-15 м/с проходит в режиме полужидкостного (смешанного) трения, причем с ростом скорости в этом интервале количество смазки, вовлекаемой в очаг деформации, возрастает, и протяженность участков

13 с жидкостным трением увеличивается. В итоге растет шероховатость поверхности проката. При дальнейшем повышении скорости существенную роль начинает играть температура в очаге деформации. Из-за ее повышения вязкость смазки уменьшается и, как следствие, уменьшается объем смазки, поступающей в контактную зону. Это приводит к понижению шероховатости прокатываемого металла.

Рис. 1.7. Зависимость шероховатости и отражательной способности поверхности полос от скорости прокатки в пятой клети непрерывного пятиклетевого стана при измерениях шероховатости в поперечном направлении (1); вдоль оси прокатки (2); отражательной способности (блеска) (3)

Шероховатость поверхности полос, прокатываемых с высоковязкими смазками (машинное и турбинное масла), вначале при увеличении обжатия возрастает до определенного значения, а затем при дальнейшем повышении степени деформации начинает уменьшаться (рис. 1.8). Параметр шероховатости Rt на рисунке представляет расстояние между линиями выступов и впадин микропрофиля. Такой характер зависимости шероховатости полос от обжатия объясняется следующим. При небольших обжатиях, когда угол захвата мал и, следовательно, в очаг деформации вовлекается значительный объем смазки, шероховатость «свободной» поверхности полосы увеличивается пропорционально степени деформации. Однако с увеличением обжатия и угла контакта уменьшается толщина слоя смазки [5] и в итоге уменьшается площадь участков «свободной» поверхности. Увеличивающийся непосредственный контакт поверхности валков с прокатываемой полосой приводит к более гладкому микрорельефу. Уменьшение средней толщины смазочной прослойки при увеличении относительного обжатия связано не только с увеличением угла захвата, но и с ростом площади поверхности проката (протяженности очага деформации). В случаях прокатки со смазкой низкой вязкости даже при малых обжатиях и углах захвата количество смазки в очаге деформации не может быть большим. Поэтому участки «свободной» поверхности практически отсутствуют и гладкие валки выравнивают микрорельеф полосы. Отметим, что при употреблении здесь и ранее выражения «толщина слоя смазки в очаге деформации» не предполагается наличие обязательно сплошной разделительной прослойки между

14

поверхностями валков и полосы, которая имеет место при прокатке в режиме жидкостного трения. Имеется в виду объем, количество смазки, попадающей в пластическую зону очага деформации. Характер же трения, обусловленного этой смазкой, может быть различным. Рис. 1.8. Зависимость шероховатости поверхности полое Rt от степени деформации при прокатке и вязкости смазки (диаметр валков 300 мм; шероховатость валков Rmax = 0,45 мкм; прокатываемый материал - алюминий, толщина 1,6 мм; скорость прокатки 0,6 м/с; измерения шероховатости выполнены в направлении, перпендикулярном к оси прокатки): 1 - машинное масло 120,2 - без смазки, 3 - веретенное масло 60,4 - прокатная смазка, 5 - турбинное масло 90, 6 - турбинное масло 180

Можно утверждать, что шероховатость поверхности прокатываемого металла зависит по крайней мере от двух его характеристик ^ сопротивления деформации, так как количество смазки, поступающей в зону контакта валков и полосы, определяется величиной предела текучести металла во входном сечении очага деформации, а также структуры и текстуры поверхностных слоев. На шероховатость поверхности полос может влиять показатель упрочнения металла, поскольку прокатка более склонного к упрочнению металла проходит при более высоком контактном давлении. Исследования, например, твердости и микротвердости поверхности толщиной 0,8 мм, меди образцов отожженной стали 08кп толщиной толщиной 2 и 0,9 мм, латуни 0,96 мм и стали XI8Н10Т толщиной 2,0 мм показали значительный разброс величин этого показателя свойств при измерении его в различных точках поверхности образцов. Так, микротвердость поверхности стали 08кп изменялась от 108 до 132 ед. при среднем значении, равном примерно 120 ед., микротвердость латуни- в пределах 143-179 ед., меди толщиной 0,9 мм - от 74 до 98 ед., толщиной 2 мм - от 87 до 105 ед. Как видно, размах колебаний микротвердости составлял 19-28 % от средних значений. Микротвердость образцов стали 08 кп в наклепанном состоянии после холодной прокатки с суммарным обжатием 65-70 % (перед отжигом) составляла 190-235 ед., т. е. относительный размах микротвердости, равный 21 %, был того же порядка, что и у отожженного металла. Приведенные данные позволяют заключить, что шероховатость поверхности металла после прокатки со смазкой зависит не только от среднего значения его предела текучести, но также от начальной неоднородности пластических свойств и от изменения этой неоднородности в процессе деформации. Степень начальной неравномерности предела текучести металла определяет величину шероховатости, возникающей в окрестности входного сечения очага

15

деформации. Изменения же неравномерности свойств металла по мере упрочнения определяют трансформацию микрорельефа при движении полосы к выходному сечению. Если с увеличением обжатия неравномерность свойств металла уменьшается, то наибольшая высота микронеровностей должна наблюдаться во входной области очага деформации (см. рис. 1.5). В противном случае шероховатость металла будет непрерывно возрастать по мере продвижения его к выходу из валков, т. е. в зависимости от того, увеличивается или уменьшается разброс предела текучести металла под влиянием упрочнения и температуры в очаге деформации, шероховатость поверхности полосы от входа к выходу пластической области может не только возрастать, но и понижаться. Формоизменение поверхности прокатываемого металла происходит также вследствие флуктуаций давления в смазке из-за начальной шероховатости поверхности полосы и валков. В местах, соответствующих пикам давления, следует ожидать появления микроуглублений в поверхности. Развитию микрорельефа поверхности способствуют и явления кавитации, которые могут наблюдаться в смазочном слое. Строгая математическая постановка и теоретическое решение задачи возникновения шероховатости поверхности металла, деформируемого при гидродинамическом режиме смазки, связаны со значительными трудностями из-за большой сложности механизма этого процесса. Рассматриваемая задача в конечном счете сводится к решению системы дифференциальных уравнений, описывающих нестационарное течение вязкой жидкости (смазки) в зазоре между валками и полосой, баланс энергии и термодинамическое состояние смазки и деформируемого металла, характер контактных напряжений в очаге деформации при определенных граничных и начальных условиях. Особая трудность состоит в необходимости учета вероятностных характеристик случайного закона изменения пластичности прокатываемого металла при переходе от зерна к зерну и стохастической природы исходной шероховатости поверхности полосы и микрорельефа валков. В общем* необходимо найти совместное решение гидродинамической, контактной и тепловой задач применительно к тонколистовой прокатке, в котором для описания предела текучести и микрорельефа поверхностей валков и полосы использован вероятностный подход. Роль смазки в формировании микрорельефа прокатываемого металла проявляется двумя путями. С одной стороны, смазка прямо воздействует на микрорельеф полос посредством разделительной прослойки между поверхностями валков и деформируемого металла, с другой, - изменяя коэффициент трения в очаге деформации, смазка влияет на величину контактных напряжений, на усилие прокатки. По этой причине на промышленных станах при прокатке и дрессировке полос с применением смазки в виде эмульсии, когда с ростом скорости увеличивается толщина смазочной пленки и понижается коэффициент прения, а значит, уменьшается коэффициент подпора, перенос шероховатости поверхности валков на поверхность листовой стали ухудшается пропорционально повышению скорости.

16

В условиях, когда смазки в очаге деформации крайне мало и она не может прямо воздействовать на поверхность проката, формирование шероховатости поверхности металла подчиняется тем же закономерностям, что и при прокатке без смазочной среды: высокая исходная шероховатость поверхности полосы при прокатке в гладких валках уменьшается и тем интенсивнее, чем больше ее отличие от шероховатости поверхности валков. Если же отделка поверхности валков более грубая, чем у исходной полосы, то шероховатость поверхности прокатанного металла возрастает. Относительное скольжение поверхностей валков и полосы в очаге деформации при прокатке со смазкой приводит к дополнительному изменению формы микронеровностей прокатываемого металла. В зоне отставания, вследствие давления смазки и более высокой скорости валков, создаются условия для выпучивания (смещения, искривления) микровыступов поверхности полосы в направлении прокатки. В зоне опережения микронеровности поверхности деформируемого металла изгибаются в обратном направлении. Асимметрия формы микронеровностей поверхности прокатанных полос обусловлена именно этими явлениями. Таким образом, из сказанного следует, что, регулируя количество смазки в очаге деформации путем подбора вязкостных свойств смазки и условий прокатки, можно в широких пределах изменять шероховатость поверхности полос, в частности, достигать высокой чистоты поверхности металла, и тем самым улучшать качество листовой продукции. На практике высокой гладкости поверхности листового металла достигают, применяя маловязкие смазки. Например, при прокатке алюминия, где требуется блестящая шероховатость, в качестве смазочной среды используют маловязкие минеральные масла и керосин с противозадирными добавками. Для получения гладкой поверхности нержавеющей стали при прокатке в очаге деформации желательно иметь смазочную пленку небольшой толщины, чтобы исключить возможность развития шероховатости путем «свободного» движения зерен поверхностного слоя металла. В то же время толщина и антифрикционная способность смазочной пленки должны быть достаточными, чтобы не допустить высокого трения между поверхностями валков и полосы, которое приводит к отделению микрочастиц с поверхности прокатываемого металла и ухудшению ее блеска. Таким образом, верхний предел толщины слоя смазки в очаге деформации должен определяться требованиями к шероховатости полосы, нижний — исходя из условия предупреждения чрезмерно высокого трения. Следует отметить, что при прокатке нержавеющей стали легкие штрихи фрикционного происхождения на поверхности полос появляются из-за разрушения смазочной пленки в очаге деформации при повышении температуры. При этом, согласно результатам работы, при использовании полированных до зеркального блеска валков создаются более благоприятные условия для «катастрофического разрушения» смазочной пленки и образования указанных поверхностных дефектов, чем в случае применения грубо шлифованных валков.

17

Изменение шероховатости поверхности валков изменяет их теплообмен с охлаждающей жидкостью (эмульсией). Результирующий эффект здесь будет определяться конкретными условиями. На стане холодной прокатки 1680 завода «Запорожсталь», например, замечено, что при использовании в четвертой клети насеченных дробью валков тепло от них отводится эмульсией лучше, чем в случае более гладких шлифованных валков. Новые валки (после перевалки) с грубошероховатой поверхностью прогреваются медленнее, чем валки с гладкой поверхностью, несмотря на то, что усилие прокатки в первом случае выше. 1.3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ В РЕЖИМЕ ПОЛУЖИДКОСТНОГО ТРЕНИЯ В общем случае процесс прокатки с технологической смазкой проходит в режиме смешанного (полужидкостного) трения, при котором величина результирующей силы трения Т определяется относительной протяженностью участков граничного и жидкостного трения, а также участков, на которых микровыступы поверхности валка «пропахивают» поверхность деформируемого металла [5]. Предельными состояниями обобщенного закона полужидкостного трения при прокатке являются, с одной стороны, граничное трение, когда участки с полным разделением поверхностей валков и деформируемого металла слоем смазки отсутствуют, и чисто жидкостное (гидродинамическое) трение - с другой стороны. Теория процесса прокатки при граничном трении широко применяется в практике. При построении моделей и алгоритмов управления процессами прокатки на промышленных станах, как правило, используют детально разработанные решения различных задач прокатки для этого предельного случая трения даже в тех случаях, когда применяется технологическая смазка и процесс проявляет гидродинамические свойства (с увеличением скорости коэффициент трения в очаге деформации уменьшается и др.). При строгом подходе к построению теории процесса прокатки в режиме полужидкостного трения на первом этапе необходимо путем рассмотрения течения смазки во входной зоне очага деформации, с учетом влияния шероховатости поверхностей валков и полосы, определить количество смазки, поступающей в пластическую зону. Далее, зная величину и характер микрорельефа поверхностей валков и полосы, а также объем смазки в очаге деформации, установить протяженность в нем участков граничного и гидродинамического трения. Величина коэффициента трения на участках граничного трения может быть принята на основании литературных данных [5] или же найдена обратным пересчетом по интегральным параметрам процесса прокатки. Подобным образом должны конкретизироваться и показатели свойств смазки. При прокатке в рассмотренных условиях влияние технологической смазки на трение проявляется двумя путями - ограничением площади фактического контакта поверхностей инструмента и деформируемого металла и изменением касательного напряжения на участках истинного контакта. Фактическая пло-

18

щадь контакта поверхности определяется средней толщиной смазочной пленки в очаге деформации и шероховатостью поверхности металла, сформированной в процессе его обжатия. Шероховатость же поверхности зависит от структуры металла и степени деформации. Трение тем выше, чем крупнее зерно в структуре металла, и эта тенденция усиливается при возрастании обжатия. При давлениях, меньших критического значения, соответствующего началу разрушения граничной смазочной пленки, касательные напряжения на участках действительного контакта для конкретной смазки не зависят от величины нормального давления и определяются лишь фрикционными характеристиками граничной смазочной пленки. При нормальном давлении, большем критической величины, вследствие разрушений граничной смазочной пленки и появления участков сухого трения коэффициент трения начинает возрастать. Поскольку напряжение, необходимое для наступления пластического течения микровыступов поверхности, зависит от их формы, этот показатель, как и в случаях прокатки без смазки, также оказывает влияние на коэффициент трения. Форма микронеровностей и, в первую очередь, углы их склонов по отношению к общему направлению поверхности влияют на утечку смазки из микроуглублений, а следовательно, и на фактическую площадь контакта и усилие трения. При анизотропной шероховатости поверхности вследствие того, что угол наклона микровыступов неодинаковый в различных направлениях, сила и коэффициент трения изменяются в зависимости от ориентации микропрофиля по отношению к направлению скольжения. При прокатке все рассмотренные явления неразрывно связаны с условиями поступления смазки в очаг деформации. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Г. Схема формирования микрорельефа поверхности полосы при прокатке в шероховатых валках. 2. Механизм образования микрорельефа поверхности металла при прокатке со смазкой. 3. Влияние структуры металла на механизм образования микрорельефа поверхности полосы. 4. Влияние толщины слоя смазки на шероховатость поверхности прокатанной полосы. 5. Влияние вязкости смазки на шероховатость поверхности прокатанной полосы. 6. Влияние скорости прокатки на шероховатость поверхности прокатанной полосы. 7. Влияние степени обжатия и угла захвата на шероховатость поверхности прокатанной полосы. 8. Очаг деформации при прокатке полос в режиме полужидкостного трения.

19

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА 2.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРОКАТНОЙ ПРОДУКЦИИ В связи с быстрым ростом автотракторостроения, сооружением газонефтепроводов, расширением производства гнутых профилей и приборов домашнего обихода в настоящее время интенсивно увеличивается выпуск листовой стали с доведением его до 60-65 % по отношению ко всему объему производимого проката (сейчас эта цифра составляет около 40 %). То же направление преимущественного развития листопрокатного производства видно и в большинстве промышленно развитых зарубежных стран. Весь сортамент прокатной продукции подразделяют на следующие пять групп: I - сортовая сталь простых геометрических форм (круглая, квадратная, шестиугольная, полосовая и другие простые профили); II - фасонные профили (двутавровые балки, швеллеры, рельсы, угловая, тавровая, зетовая сталь); III - листовая сталь всех профилеразмеров, в том числе и со специальными покрытиями; I V - специальные профили; V - трубы (стальные бесшовные гладкие, нарезные, свайные, профильные и с покрытием). Под профилем понимают геометрическую форму поперечного сечения раската, выходящего из чистовой клети прокатного стана. В отличие от промежуточных (переходных) сечений по клетям стана готовый профиль должен отвечать требованиям государственных и отраслевых стандартов. Сортовая сталь характеризуется размерами своих элементов, массой 1 м, площадью сечения, моментами инерции и сопротивления. Полосовая и листовая стали характеризуются в основном толщиной и шириной. Специальные профили могут иметь ряд дополнительных характеристик, отражающих их специфику. Рост и развитие техники требуют постоянного совершенствования сортамента проката. Ежегодно наш сортамент увеличивается на 20-50 новых профилей. Усовершенствование применяемых профилеразмеров осуществляется с целью повышения их экономической эффективности без снижения эксплуатационных характеристик. При прокатке профилей должны соблюдаться определенные допуски по размерам их элементов согласно соответствующим стандартамам. В настоящее время в стране проводятся широкие мероприятия по сужению полей допусков на размеры профилей и прокатке профилей с минусовыми допусками, дающими большую экономию металла.

20 2.2. СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ Высокий технический уровень прокатного производства является следствием его специализации. Именно специализация обеспечивает высокие производительность и качество продукции. Благодаря специализации в настоящее время прокатное производство подразделяется по видам выпускаемой продукции на следующие производства: полупродукта (блюмов, слябов, заготовок); рельсо-балочной продукции; крупносортной стали; среднесортной стали; мелкосортной стали; катанки; тонколистовой стали горячей прокаткой; тонколистовой стали; тонколистовой стали холодной прокаткой; труб; специальных профилей. Соответственно подразделяются по назначению и прокатные станы. Состав их оборудования многообразен, он зависит от технологических процессов, которые осуществляются на станах. Наряду со специализацией прокатного производства внутри страны в настоящее время проводится большая работа по международной специализации производства в черной металлургии. Основными технологическими операциями при горячей прокатке профилей являются следующие: 1) подготовка исходных слитков или заготовок к прокатке; 2) нагрев металла перед прокаткой; 3) собственно прокатка; 4) охлаждение, термическая обработка и отделка готовой продукции. В результате проведения технологических операций происходит изменение свойств металла, геометрической формы и размеров. Однако не всегда осуществляются все перечисленные технологические операции. Их перечень зависит от вида производства. Совместное рассмотрение технологических операций и оборудования, на котором или при помощи которого эти операции осуществляются, и составляет предмет курса технологии прокатки. 2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ И ОБЩИЕ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА Прокатные станы классифицируют по назначению и расположению рабочих клетей. По назначению прокатные станы делятся на: - блюминги и слябинги - обжимные станы с диаметром валков 800-1500 мм, которые служат для прокатки из слитков большой массы и сечения полупродукта - блюмов и слябов; - заготовочные - станы с диаметром валков 500-900 мм, предназначенные для прокатки заготовок для сортовых, проволочных и трубных станов;

21

- рельсобалочные - станы с диаметром валков 750-950 мм, предназначенные для прокатки железнодорожных рельсов нормальной колеи, балок и швеллеров № 18-20 и больше и других профилей больших размеров; - сортовые - крупносортные станы с диаметром валков 500-750 мм, служащие для прокатки продукции диаметром 80-150 мм (по круглой стали); среднесортные с диаметром валков 300-500 мм, на которых прокатывают продукцию диаметром 20-80 мм; мелкосортные, с диаметром валков 250-290 мм для прокатки продукции диаметром 8-20 мм; - проволочные — станы с диаметром валков обычно 250 мм, предназначенные для прокатки катанки (заготовки для проволоки) диаметром 5-9 мм; - листопрокатные - горячей прокатки, прокатывающие листы толщиной 1,2-Д60 мм, шириной до 3200 мм; холодной прокатки, прокатывающие листы толщиной 0,2-4 мм, шириной до 1850 мм; - трубные - станы, предназначенные для производства бесшовных и сварных труб разного диаметра и с различной толщиной стенки; - станы специальной конструкции - колесопрокатные, бандажепрокатные, кольцепрокатные, шаропрокатные, станы для прокатки профилей переменного сечения. За основной размер, характеризующий сортовые станы, обычно принимают номинальный диаметр (расстояние между осями не переточенных валков с учетом нормального зазора) рабочих валков чистовой клети или диаметр начальной окружности шестеренных валков. Например, стан 500 означает, что номинальный диаметр рабочих или расстояние между осями по диаметру шестеренных валков чистовой клети равен 500 мм. Основным размером, характеризующим листовые станы, является длина бочки рабочих валков, по которой определяется максимальная ширина прокатываемых на стане листов. Например, стан 2000 означает, что длина бочки рабочих валков равна 2000 мм и на них можно прокатывать листы шириной около 1700-1750 мм. Трубные станы характеризуются размерами диаметров выпускаемых труб. Однако они также характеризуются составом основного оборудования и способом производства труб. В зависимости от расположения рабочих клетей прокатные станы разделяются на следующие группы: одноклетевые, линейные многоклетевые, последовательные, полунепрерывные, непрерывные. Наиболее простыми являются одноклетевые станы. К этой группе относятся блюминги, слябинги, толстолистовые двухвалковые, трехвалковые и четырехвалковые станы, универсальные станы. Многие профилеразмеры по ряду причин невозможно получить в валках одной клети. Поэтому гораздо чаще применяются многоклетевые станы, которые строят с последовательным, а иногда и с линейным расположением клетей. Рабочие клети линейных станов располагают в одну, две, три и более линий, каждая из которых обычно приводится от отдельного электродвигателя. Линейные станы нереверсивные, их применяют как заготовочные, рельсоба-

22

лочные, сортовые и проволочные; Существенным недостатком этих станов является одинаковая частота вращения валков во всех клетях отдельной линии, что препятствует увеличению скорости прокатки по мере роста длины раскатов. Это приводит к потере температуры металла, ограничивает массу заготовки и производительность станов. Значительного увеличения производительности прокатных станов можно достичь при последовательном расположении клетей, число которых равно числу проходов при обжатии заготовки с доведением ее до готового профиля. С целью сокращения длины цеха и лучшего использования его площади клети располагают в несколько параллельных линий. На станах с последовательным расположением клетей раскат одновременно находится только в одной клети. В связи с этим расстояние между клетями увеличивается от первой к последней, так как длина раската увеличивается. Соответственно увеличивается и частота вращения валков. Станы данной группы широко применяют для прокатки сортовых профилей. Полунепрерывные станы состоят из двух групп клетей: непрерывной и линейной. Полунепрерывные станы применяют для: прокатки мелкосортной стали и катанки (черновая группа клетей - непрерывная, чистовая — линейного типа и прокатка в ней может осуществляться только при наличии петли между клетями); прокатки широких полос (черновая клеть - реверсивная, чистовая группа клетей - непрерывная). Непрерывные станы являются дальнейшим развитием полунепрерывных станов и отличаются высокими технико-экономическими показателями. На этих станах клети расположены последовательно, в каждой клети осуществляется один проход и раскат одновременно находится в нескольких клетях. Непрерывные станы применяют как заготовочные, листовые (горячей и холодной прокатки), сортовые и проволочные. Привод валков непрерывных станов может быть групповым или индивидуальным, что значительно лучше. Общие схемы производства в современных прокатных цехах предусматривают прокатку слитков в полупродукт, а затем полупродукта в готовые профили. Там, где нет разливки слитков по изложницам, полупродукт получают на машинах непрерывного литья заготовок (MHЛ3). Соответственно последовательность обработки и состав оборудования прокатных цехов по заводам могут быть следующими: а) блюминг - рельсобалочный стан, крупносортный стан, толстолистовой стан; б) блюминг - непрерывный заготовочный стан - сортопрокатные станы; в) слябинг - листопрокатные станы; г) MHЛ3 - станы окончательной прокатки.

23

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Сортамент прокатной продукции. Схема реализации прокатного производства. Основные технологические операции прокатки. Классификация прокатных станов. Одно- и многоклетьевые прокатные станы. Основные сведения. Полу- и непрерывные прокатные станы. Основные сведения. Общие схемы прокатного производства.

24

3. ПРОИЗВОДСТВО ЛИСТОВОЙ СТАЛИ Листовой прокат, особенно холоднокатаный, является одним из самых экономичных видов металлопродукции. Из него можно изготовлять разнообразные штампованные и сварные конструкции и изделия, отличающиеся меньшей массой по сравнению с литыми. Так, сварные трубы для газонефтепроводов и другие профили, изготовляемые из листового проката, имеют стенки тоньше, чем горячекатаные, и поэтому их использование снижает расход металла на 10-15 %. Доля листового проката в общем объеме прокатного производства в промышленно развитых странах постоянно возрастает, что объясняется быстрым развитием капитального строительства, автомобильной, авиационной, электротехнической, консервной и других отраслей промышленности. В настоящее время доля листового проката в общем производстве проката составляет несколько более 40 %. Производство листа в общем выпуске проката будет неуклонно возрастать, в связи с чем будет продолжено строительство новых высокопроизводительных листопрокатных станов. Листовая сталь подразделяется на толстолистовую, тонколистовую горячей и холодной прокатки и универсальную. Определяющей в этой классификации является толщина. Так, по отечественным стандартам листы толщиной от 4 до 160 мм относят к толстым; листы толщиной до 3,9 мм (включительно) относят к тонким. Универсальная сталь - горячекатаная сталь прямоугольного сечения шириной от 160 до 1050 мм и толщиной от 4 до 60 мм - прокатывается на универсальных станах, клети которых имеют вертикальные валки, обрабатывающие боковые кромки. При этом кромки получаются после прокатки готовыми. У толсто- и тонколистовой стали боковые кромки в большинстве случаев получаются готовыми только после резки на ножницах. Деление листов на толстые и тонкие является условным. Эта условность становится все большей по мере развития непрерывной прокатки, так как на современных непрерывных листовых станах прокатывают широкий сортамент, включающий как тонкие, так и толстые листы. 3.1. ГОРЯЧАЯ ПРОКАТКА ЛИСТОВОЙ СТАЛИ 3.1.1. СОРТАМЕНТ Как уже отмечалось, повышение доли листовой продукции в выпуске проката является одним из основных направлений в развитии современного отечественного и зарубежного прокатного производства. В связи с этим за последние годы резко возросли объем и сортамент горячекатаной листовой стали. Приведем в качестве примера некоторые размеры горячекатаной листовой стали: - по ГОСТ 1577-70 производится горячекатаная толстолистовая качественная углеродистая и легированная конструкционная сталь толщиной от 4 до

25

160 мм. Ширина толстых листов 600-3800 мм, длина 2-12 м. Сталь, прокатанная на непрерывных станах, может поставляться в рулонах; согласно ГОСТ 5520-69 производится толстолистовая горячекатаная углеродистая и низколегированная сталь, пригодная для сварки и предназначенная для изготовления деталей и частей паровых котлов и сосудов, работающих под давлением при нормальной, повышенной и минусовой температурах. Размеры листов: толщина 4-60 и ширина 600-3800 мм, длина 2-12 м. Сталь, прокатанная на непрерывных станах, может поставляться в рулонах; - по ГОСТ 5521-76 производится свариваемая углеродистая и низколегированная толстолистовая и тонколистовая сталь, предназначенная для изготовления сварных конструкций для судостроения. Размеры толстых листов: толщина 4-160 и ширина 600-3800 мм, длина 2-12 м. Размеры тонких листов: толщина 0,5-3,9 (4,0) и ширина 600-1400 мм длина 1,2-4 м. Толсто- и тонколистовая сталь, прокатанная на непрерывных станах, может поставляться в рулонах; - ГОСТ 82-70 распространяется на горячекатаную сталь прямоугольного сечения (полосовую) шириной от 160 до 1050 и толщиной от 4 до 60 мм, прокатываемую на универсальных станах. Полосы поставляются длиной от 5 до 18 м; - сталь листовая горячекатаная по ГОСТ 19903-74 изготовляется в листах и рулонах толщиной от 0,5 до 160 и от 1,2 до 12 мм соответственно. Длина листов при ширине 600-3800 мм составляет 1,2-12 м. Ширина стали, поставляемой в рулонах, равна 500-2200 мм; согласно ГОСТ 6009-74, имеет толщину 1,2-5,0 и ширину 20-220 мм. Лента получается горячей прокаткой или продольной резкой горячекатаной листовой рулонной стали и поставляется в рулонах. - Согласно ГОСТ 16523-70, горячекатаную и холоднокатаную углеродистую сталь толщиной до 3,9 мм включительно и шириной не менее 500 мм классифицируют по: 1) видам продукции при поставке (на листы и рулоны); 2) нормируемым характеристикам (на категории 1-5); 3) качеству отделки поверхности (на группы: I - особо высокой отделки, II - высокой отделки; III - повышенной отделки, IV - обычной отделки); 4) способности к вытяжке (сталь категорий 1 и 5, на глубокую Г, кроме стали марки ВСт1, и нормальнуюН); 5) методам испытаний (с контролем механических свойств, вытяжки и микроструктуры или без контроля). 3.1.2. ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОДГОТОВКИ МЕТАЛЛА ПЕРЕД ПРОКАТКОЙ Исходным материалом для производства горячекатаной листовой стали на современных станах, как правило, являются слябы. Однако в ряде случаев применяются и слитки, если нет возможности обеспечить стан слябами или требуется прокатка листов специального назначения: большой ширины, толщины и длины. Технологические операции при применении слитков нами в общем виде рассмотрены.

26

На отечественных толстолистовых станах используют слитки прямоугольного сечения массой от 6-8 до 120 т. Однако основной объем проката получают из слитков массой 22-25 т, большая их масса определяется уже специальным назначением листа. Размеры и соотношение сторон слитков, предназначенных для производства слябов и профилей толстолистовой стали, приведены в разделе о производстве полупродукта. Однако следует указать, что при определении толщины слитка надо исходить не только из условий кристаллизации жидкой стали, структуры зерен литой стали и последующих условий ее деформации, но и учитывать такое суммарное обжатие, которое обеспечило бы получение готовой листовой стали требуемого качества. В зависимости от толщины h прокатываемого листа минимальную толщину Н слитка рекомендуется принимать в следующих пределах: Толщина листа h, мм 8-20, 20-40, 50-100, 120-205. Минимальная толщина слитка Н, мм (18-20)/z, (12-18)h, (7-12)h, (4-7)h Как правило, слитки большой массы, предназначенные для производства листовой стали, отливают в изложницы, уширенные кверху и снабженные утепляющими надставками. Конусность слитков должна быть минимальной. В настоящее время конусность слитка на одну сторону принята 1,5-2,5 %; чем больше масса слитка, тем больше конусность. Качество поверхности слитков и слябов определяет и качество готовой листовой стали. Поэтому их подготовке к нагреву и прокатке уделяют особое внимание. Поверхностными дефектами и признаками неподготовленности слитка к нагреву и прокатке являются плены, продольные и поперечные трещины, наличие прибыльной части, усадочной раковины и выступов на нижней части от выработки поддонов. Происхождение этих дефектов рассмотрено в первой части - при производстве полупродукта. Прокатка толстолистовой стали из слитков требует особой и обязательной подготовки по следующим основным технологическим положениям. Необходимо осуществить обрез верхней и нижней частей слитка перед посадкой в печь. В усадочной раковине концентрируются различные ликваты, легкоплавкие соединения, которые при нагреве в печи превращаются в жидкую фазу и заливают подину печи или проникают на подину зон нижнего подогрева. Но удаление прибыльной (верхней) части слитка приводит к преждевременному, в ряде случаев довольно часто повторяющемуся выходу нагревательной печи из строя, что связано с ее остановками, ремонтом и потерей производительности стана. Кроме того, ненужные верхнюю и нижнюю части слитка, составляющие почти 20 % от его общей массы, нагревать в печи, расходуя для этого топливо, нерационально. Кроме того, после обрези верхней и нижней частей слиток оформляется в более удобную и рациональную форму, что благоприятно отражается на его продвижении вдоль подины печи и на собственно процессе прокатки. Поверхностные трещины и плены удаляются с помощью огневой пневматической или наждачной зачистки.

27

На поверхности сляба могут проявляться следующие дефекты: продольные и поперечные трещины, плены. Возможно, что все эти дефекты наследственные и образовываются при прокатке слитков на слябинге. Происхождение продольных и поперечных трещин на поверхности сляба также бывает связано с температурным режимом нагрева или охлаждения. Поверхностные плены образовываются еще при прокатке слитка, подкорковые пузыри которого располагаются близко к поверхности (малая толщина внешней стенки слитка до подкорковых пузырей) и при высотной деформации смещаются к ней, проявляясь в виде дефекта. На современных листовых станах имеются механизированные установки для удаления поверхностных дефектов. Слябы, получаемые на современных блюмингах или слябингах в настоящее время, как правило, обрабатываются в потоке на машинах огневой зачистки и на станы подаются качественными. Прокатка листовой стали из слябов более рациональна, так как при этом повышается качество листовой стали и расходный коэффициент металла получается минимальным. Размеры и массу слябов при прокатке толстых листов на линейных станах принимают в зависимости от размеров листов. В этом случае более подходящими являются те слябы, которые имеют наименьшую толщину и наибольшую ширину, что уменьшает число проходов, тем самым оптимизируя технологические операции и увеличивая производительность стана. Длина слябов при прокатке листов на линейных станах часто ограничивается длиной бочки валков, так как слябы больше этой длины не могут прокатываться в поперечном направлении для получения необходимой ширины (увеличения ширины листа). Что же касается применения слябов на непрерывных тонколистовых станах, то следует отметить, чем меньше их толщина, тем меньше требуется клетей и времени прокатки. Однако при определении размеров слябов следует учитывать, что одним из главных факторов, повышающих производительность непрерывных листовых станов, является возрастание массы слябов. Это достигается за счет увеличения их толщины, ширины и длины. На действующих непрерывных станах длина слябов ограничивается размерами нагревательных печей, скоростью прокатки, расстоянием между черновыми клетями и может достигать 10-12 м. Слябы являются исходным материалом и при прокатке универсальной стали. Ширина слябов в этом случае принимается больше ширины готовой полосы (листа) на 30-50 мм, а толщина и длина определяются исходя из длины прокатываемой полосы, а также размеров нагревательных печей. Универсальная листовая сталь прокатывается на одноклетевых универсальных станах и поэтому чем меньше толщина слябов, тем больше производительность станов. Для нагрева слябов и слитков в настоящее время применяют главным образом устройства двух типов: методические печи и нагревательные колодцы. Методические печи используют для нагрева слябов и слитков сравнительно небольшой массы (обычно не более 6 т), колодцы - для нагрева слитков больших размеров и массы.

21

Нагрев слябов осуществляется в методических многозонных печах с торцовой посадкой и выдачей, двусторонним подогревом, работающих на газовом топливе. Подогрев газа и воздуха осуществляется примерно до 800 и 400 °С соответственно. Как правило, методические печи отапливаются смесью доменного и коксового газов или природным газом. Часовая производительность методических печей, установленных на современных высокопроизводительных станах, при холодном всаде - до 150 т, при горячем - до 250 т. При горячей прокатке листовой стали происходит значительное снижение температуры металла. Чтобы заканчивать прокатку при необходимой температуре, обеспечивающей структуру металла готового листа, давление его на валки и др., слябы надо нагревать как можно больше. Однако при этом следует учитывать недопустимость чрезмерного роста зерна, перегрев, пережог, поверхностное обезуглероживание и большое окисление металла. Температура нагрева слябов определяется химическим составом стали и допускается в пределах 1150-1250 °С; максимальной величиной следует считать 1280 °С, так как выше этой температуры будет происходить нежелательный процесс перегрева металла, способствующий появлению пережога. Продолжительность нагрева металла зависит от температуры слябов при посаде, их толщины и главным образом химического состава. При прокатке листовой стали на непрерывных станах широко применяется горячий всад слябов в нагревательные печи. Слябы, прошедшие через машину огневой зачистки в потоке обжимных станов и резку на мерные длины, сразу же поступают в нагревательные печи листопрокатных станов. Количество горячих слябов обычной стали поступающих в нагревательные печи листопрокатных станов достигает 90 % и выше от общего объема проката. При этом на склады полупродукта поступает лишь небольшое количество слябов, требующих охлаждения и дополнительной зачистки поверхностных дефектов. Благодаря большой поточности горячего металла на участках слябинг - листопрокатные станы значительно сокращаются площади складов полупродукта, увеличивается производительность нагревательных печей, снижается расход топлива. 3.2. ХОЛОДНАЯ ПРОКАТКА ЛИСТОВОЙ СТАЛИ Прокатку металлов осуществляют преимущественно при высоких температурах, используя при этом снижение сопротивления деформации. Вместе с тем необходима прокатка и в холодном состоянии, которая целесообразна при малой толщине прокатываемого продукта, когда из-за большого отношения поверхности к объему быстрое охлаждение металла не дает возможность обеспечить высокую температуру в деформационной зоне (прокатка тонких листов). Холодная прокатка придает изделиям высокие точность размеров и качество поверхности, что невозможно при горячей прокатке, а также особые физические, в частности магнитные свойства. В последние годы производство холоднокатаного листа, жести и ленты все более увеличивается. Это связано с тем, что во многих отраслях народного хозяйства постоянно растет потребность в тонколистовой стали с высокими

29

механическими свойствами, точными размерами, хорошим качеством поверхности. Холодная прокатка в сочетании с термической обработкой дает возможность изготовлять тонколистовую сталь, удовлетворяющую этим требованиям. Современным способом холодной прокатки листовой стали является рулонный, при котором металл в виде длинных полос сматывается в рулоны большой массы. Для прокатки тонколистовой стали в рулонах применяются главным образом непрерывные станы, а при небольшом объеме производства одноклетевые реверсивные станы с четырехвалковой клетью и многовалковые. Рулонная прокатка на непрерывных и одноклетевых станах происходит с натяжением полосы. Значительно реже используют полистную холодную прокатку на одноклетевых реверсивных станах (без натяжения). - Совершенствование технологии холодной прокатки идет по пути повышения точности готовой продукции за счет: жесткости рабочих клетей; применения средств упругого противоизгиба прокатных валков; повышения качества валков и оснащения станов системами автоматического регулирования толщины листа в процессе прокатки. Жесткость рабочих клетей определяется в основном упругой деформацией валков и станин. Увеличение диаметра рабочих и опорных валков снижает их износ, повышает точность проката за счет уменьшения прогиба и увеличивает теплоотдачу. Упругая деформация станины в вертикальном направлении на современных станах холодной прокатки составляет 0,3-0,5 мм; уменьшение этой деформации достигается увеличением сечения стоек и поперечин. 3.2.1. ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ И ПОДГОТОВКА ЕГО К ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ Исходным материалом для холодной прокатки являются горячекатаные листы толщиной 1,5-5,0 мм. Первой операцией в цехе холодной прокатки является очистка поверхности листов от окалины, чтобы она не вдавливалась при холодной прокатке в металл и валки. Применяют химический и механический способы удаления окалины. Химический способ наиболее распространен, так как он способствует получению чистой поверхности листов, пригодной в дальнейшем для качественного нанесения защитных покрытий. При химическом способе применяют агрегаты непрерывного и периодического действия для травления углеродистой стали в растворах серной или соляной кислот. Непрерывное травление обеспечивает высокую производительность, максимальную автоматизацию процесса и минимальный расход кислоты. Для обеспечения непрерывности травления задний конец предыдущего рулона сваривают стыкосварочной машиной с передним концом последующего. При этом увеличивается масса рулона, что значительно повышает производительность станов холодной прокатки. Когда стали плохо свариваются, для осуществления непрерывного травления устанавливают машины механической сшивки концов рулонов. Места механической сшивки (двойной толщины) не прокатываются, а после травления вырезаются, что увеличивает отходы металла.

30

Большое положительное значение для повышения производительности травильных агрегатов имеет разрушение поверхностной окалины перед травильными ваннами в дрессировочных двухвалковых или четырехвалковых клетях, обеспечивающих обжатие до 5 %. Способ травления - каскадный. Концентрация свежего раствора серной кислоты достигает 20-22 %; температура кислотного раствора составляет 60-80 °С; скорость движения полосы через травильные ванны 3-5 м/с. Длина травильных агрегатов достигает нескольких десятков метров. После травления полоса промывается в ваннах с холодной и горячей водой и сушится горячим воздухом. Затем на дисковых ножницах обрезаются боковые кромки, а для предотвращения коррозии при хранении полоса промасливается и свертывается в рулоны требуемой массы. В последнее время для травления горячекатаных полос углеродистой стали вместо раствора серной кислоты стали применять раствор соляной кислоты. Травление в горячем растворе соляной кислоты концентрацией около 20 % обеспечивает одинаковое удаление всех окислов железа (высших и низших), в то время как сернокислотный раствор хорошо травит только низшие окислы. Продукты соляно-кислотного травления лучше растворяются в воде, а само травление происходит примерно в два раза быстрее, чем сернокислотное; поверхность листов при соляно-кислотном травлении получается более ровной, что способствует их качественному покрытию другими металлами и составами. Для очистки от окалины горячекатаных полос из легированных сталей используют дробеметную обработку. Этот вид механической обработки вместо травления применяют при очистке сталей, окалина которых очень тверда. Чугунная или стальная дробь, ударяясь о лист с большой скоростью, разрыхляет и разбивает окалину. К подготовительным операциям перед холодной прокаткой для удаления поверхностных дефектов на горячекатаных рулонах некоторых специальных сталей относится шлифовка. 3.2.2. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ХОЛОДНОЙ ПРОКА ТКИ НА СВОЙСТВА СТАЛИ При холодной прокатке стали с увеличением степени деформации повышаются все характеристики прочности: предел текучести, предел прочности, твердость. Прочность особенно возрастает на начальных стадиях деформации (до 20-30 %), при дальнейшем повышении степени деформаций интенсивность упрочнения уменьшается. Способность металлов упрочняться зависит от типа их кристаллической решетки. Известно, что металлы и сплавы с гранецентрированной кубической решеткой обычно упрочняются сильнее, чем с объемноцентрированной кубической. При холодной прокатке происходят межзеренные и внутризеренные разрушения, появляются микроскопические трещины, которые с ростом степени деформации увеличиваются, что приводит к понижению пластичности металла. Наибольшее понижение пластичности происходит на начальных стадиях холодной деформации, т.е. когда резко возрастает упрочнение. По мере роста деформации (до 50-70 %) металл становится очень прочным и хрупким. Дальнейшая его прокатка без промежуточного отжига затрудни-

31

тельна. При холодной прокатке форма зерна металла изменяется в соответствии с общей схемой деформации; они вытягиваются в направлении прокатки и уменьшают свои размеры по высоте (сжимаются). Металл получает волокнистое строение, что приводит к неодинаковым свойствам его в разных направлениях. Разница в свойствах наклепанного металла, обусловленная волокнистым строением, называется механической анизотропией. При холодной прокатке металла вместе с изменением формы зерен происходит изменение ориентировки их пространственной кристаллической решетки в результате направленности скольжения (сдвигов) по определенным плоскостям и направлениям в этих плоскостях; образуется текстура деформации (при обжатиях примерно 50 %), что играет важную роль в холодной прокатку тонких листов, где степень деформации достигает больших значений. Тип текстуры определяется главным образом типом кристаллической решетки металла и схемой деформации и почти не зависит от схемы напряженного состояния. Металлы, у которых большинство зерен имеют одинаковую ориентировку, приобретают свойства, близкие к свойствам монокристалла, становятся кристаллически анизотропными. Это обстоятельство имеет весьма важное значение, например, при производстве трансформаторной стали. Таким образом, необходимо различать кристаллическую и механическую анизотропии, первая обусловлена структурой, вторая - внешней формой зерен. При относительно малых обжатиях преобладает механическая анизотропия, при больших оба вида. Механическая анизотропия обычно устраняется при рекристаллизации; кристаллическая анизотропия (текстура) может сохраняться, изменяться или исчезать, что зависит от температуры отжига. Плотность металла при холодной прокатке обычно уменьшается. Это объясняется тем, что при деформации образуются межзеренные пустоты и трещины, уменьшающие плотность и увеличивающие объем металла. Однако эти изменения весьма невелики (максимум 0,1-0,2 %), что позволяет использовать условие постоянства объема в расчетах технологических параметров холодной прокатки. При холодной прокатке металла обычно понижаются его электропроводность и коррозионная стойкость. Наклеп углеродистой стали приводит к уменьшению ее магнитной проницаемости и повышению коэрцитивной силы, так как в результате внутризеренных искажений и остаточных напряжений затрудняются намагничивание и размагничивание. Большое значение при холодной прокатке имеет повышение температуры деформируемого металла, доходящее в отдельных случаях до сотен градусов. Чем ниже температура прокатываемого металла и выше его сопротивление деформации, тем больше выход тепла. Разогрев деформируемого металла снижает его жесткость, повышает пластичность и может способствовать протеканию фазовых превращений (выделению новых фаз). При нагревании наклепанного металла до сравнительно невысокой температуры (примерно до 0,3 Тпл) происходит его частичное разупрочнение, снижается прочность и повышается пластичность, но текстура и другие свойства,

25

характерные для деформированного состояния, остаются неизменными. При дальнейшем повышении температуры наклепанного металла наступает рекристаллизация. Температура начала рекристаллизации зависит от степени предшествующей деформации. Чем больше деформация и искажение кристаллической решетки, тем легче и при более низких температурах происходит рекристаллизация. Обычно температура начала рекристаллизации металлов, по данным А. А. Бочвара, составляет 0,4 Тпл, где Тпл - абсолютная температура плавления стали. При рекристаллизации наклепанный металл полностью разупрочняется, его пластичность повышается до значений, соответствующих ненаклепанному состоянию. Теория дислокаций объясняет разупрочнение наклепанного металла исчезновением дислокаций, вызванных холодной прокаткой. При рекристаллизации происходит зарождение и рост новых равноосных зерен; волокнистое строение и связанная с ним механическая анизотропия исчезают. Размер зерен ко времени окончания рекристаллизации зависит от ее температуры и длительности, а также от степени предшествующей деформации и величины зерен до холодной прокатки. Чем выше температура и больше длительность отжига, тем крупнее зерна. Большое влияние на величину зерен в рекристаллизационном металле оказывает степень предварительной деформации. Так, при критической степени деформации (5-15 %) в процессе рекристаллизации наклепанного металла возникают аномально крупные зерна. Чем крупнее зерна в исходном состоянии до холодной прокатки, тем они крупнее и после рекристаллизации. Общее обжатие на современных станах холодной прокатки составляет 70-90 %, что способствует повышению механических свойств и обеспечивает лучшее качество поверхности листовой стали. Величина общего обжатия зависит от химического состава стали и может ограничиваться прочностью валков, мощностью двигателей и невысокой пластичностью металла. С ростом упрочнения стали сопротивление деформации значительно увеличивается и может достичь такого значения, что дальнейшая прокатка станет затруднительной, тогда применяется промежуточный отжиг. Величина обжатия может ограничиваться также твердостью валков. При недостаточной твердости валков прокатка сильно наклепанной стали вызывает их большое упругое смятие. Обжатия также зависят от натяжения раската между клетями и от качества смазки поверхности листа, т. е. ее способности не выдавливаться в зоне деформации. Обжатие за проход обычно не превышает 40-50 %. При больших обжатиях возникает значительная упругая деформация клети и, как следствие, значительная неравномерность деформации полосы. Заметим, что рост удельного и полного давления металла на валки по проходам увеличивается не только вследствие наклепа, но и в связи с уменьшением толщины полосы.

33 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5.

Характеристика производства листового проката. Сортамент горячекатаной стали. Классификация исходного материала при горячей прокатке листа. Классификация исходного материала при холодной прокатке листа. Основные технологические схемы подготовки металла перед горячей прокаткой листа. 6. Основные технологические схемы подготовки металла перед холодной прокаткой листа. 7. Влияние процесса холодной прокатки на физико-механические свойства стали.

34

4. ОБОРУДОВАНИЕ ЛИСТОВОЙ ПРОКАТКИ 4.1. СТАНЫ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ 4.1.1. НЕПРЕРЫВНЫЕ И ПОЛУНЕПРЕРЫВНЫЕ СТАНЫ Большинство непрерывных и полунепрерывных станов первого поколения предназначалось для прокатки широкого сортамента сталей, включая нержавеющие, легированные и высокопрочные. Современные тенденции конструирования таких станов основаны на необходимости строгой специализации по сортаменту. В связи с этим в станах второго, третьего и особенно четвертого поколений широко применяют клети с предварительно напряженными станинами, системы противоизгиба валков, автоматическое регулирование и программное управление процессом прокатки, непрерывную подачу смазки и т. д. Станы старой конструкции подвергают коренной реконструкции с целью обеспечения высокого качества готовой продукции и максимальной производительности. На рис. 4.1 приведена схема расположения оборудования непрерывного широкополосного стана горячей прокатки.

Рис. 4Л. Схемарасположения оборудования непрерывного тонколистового стана 1680: 1 - загрузочное устройство, 2 — нагревательные печи, 3 - черновой окалиноломатель, 4 - черновые четырехвалковые клети, 5 - клеть с вертикальными валками, 6 - летучие ножницы для обрезки концов полосы, 7 - чистовой окалиноломатель, 8 - чистовые четырехвалковые клети, 9 - устройство для измерения толщины и ширины, 10—моталки, 11 - конвейер для горячекатаных рулонов, 12 - правильная машина, 13 - вальцешлифовальная мастерская, 14 - летучие ножницы: 15 - правильная машина; 16 - непрерывная нормализационная машина, 17 - травильная машина, 18 - дрессировочная машина, 19 - закалочная печь, 20 - линия периодического травления листов, 21 - моечный агрегат, 22 - мостовой кран

Основное оборудование размещено в центральном становом пролете, двигатели - в параллельном становому пролете. Во вспомогательных пролетах размещаются термические печи, разделочные агрегаты, дрессировочный стан, травильные установки и мастерские. В состав стана входят компрессорная, насосная высокого давления, установка для подогрева валков токами промышленной частоты (рис. 4.2) и другие вспомогательные установки.

35

Рис. 4.2. Индуктор (а) и схема установки (б) для подогрева валков токами промышленной частоты: 1 - станина, 2 - нижние индукторы, 3 - валки, 4 - верхний индуктор

Склад слябов с оборудованием для стружки и правки слябов расположен перпендикулярно становому пролету. Холодные слябы со склада подают на загрузочный рольганг методических печей сталкивателем, горячие слябы поступают на стан прямо с отводящего рольганга ножниц слябинга. Четырехвалковые рабочие клети обеспечивают прокатку с минимальной разнотолщинностью. Все клети выполняют одного размера для унификации узлов и деталей. Валки имеют привод через универсальные шпиндели или непосредственно от двигателей (безредукторный). Валки черновой группы приводятся от двигателей переменного, а валки чистовой группы - от двигателей постоянного тока, что обеспечивает регулировку скоростей в широких пределах. Уравновешивание верхних рабочего и опорного валков - гидравлическое, установку их осуществляют электрическими нажимными механизмами, этими же механизмами настраивают и регулируют валки. Для бокового обжатия в черновой группе устанавливают клети с вертикальными валками, которые могут размещаться на одной станине с горизонтальными или самостоятельно с приводом через редуктор. Постоянное натяжение между клетями обеспечивают электрическими, гидравлическими или пневматическими петледержателями, которые поддерживают петлю и предотвращают ее складывание. С передней и задней сторон клетей устанавливают проводки для центрирования полосы относительно оси прокатки. Линейки с передней стороны клети облегчают вход полосы в валки. Смотку в рулон производят многороликовыми моталками (3-6 шт.), располагаемыми ниже уровня пола на продолжении центрального рольганга. Многороликовая моталка подпольного типа (рис. 4.3) позволяет вести смотку горячекатаной полосы в рулон массой 15-30 т при температуре 500-800 °С. Толщина сматываемой полосы 1,5-6 мм, наиболее мощные моталки могут сматывать полосу толщиной 8-11 мм. Перед моталкой устанавливают два подающих ролика (рис. 4.3), верхний из которых имеет значительно больший диаметр, поэтому полоса все время стремится загибаться вниз, благодаря чему обеспечивается высокое качество смотки.

36

Рис. 4.3. Многороликовая моталка подпольного типа: 1 и 2 - задающие ролики, 3 - направляющая проводка, 4 - барабан, 5 - прижимные ролики, 6-8 - тяги

Широко применяют в мировой практике полунепрерывные станы с реверсивной черновой четырехвалковой клетью или с черновой группой из автоматизированной реверсивной клети и одной-двух нереверсивных. Полунепрерывные станы (рис. 4.4) более удобны для прокатки качественных сталей, что определяется температурными условиями прокатки этих сталей и высокими прочностными характеристиками, и при достаточно высокой производительности занимают меньшую площадь и требуют меньших капиталовложений.

Рис. 4.4. Схема полунепрерывного стана с подогревательной роликовой печью: 1 - методические печи, 2 — окалиноломатель, 3 - гидросбив окалины, 4 - пирометры, 5 - вертикальная клеть, 6 - реверсивная черновая клеть, 7 - подогревательная печь, 8-ножницы, 9 - чистовая группа клетей, 10-толщиномер, 11 -моталка

37

В составе стана между реверсивной клетью и чистовой группой устанавливают подогревательную роликовую печь, что дает возможность прокатывать на полунепрерывных станах стали с повышенным сопротивлением деформации (аустенитные, феррито-мартенситные и т. д.), а также обеспечить равномерность температуры по поверхности и сечению раската и расширить сортамент проката. Производительность полунепрерывных станов ниже непрерывных, так как для многих профилей время прокатки в реверсивной черновой клети больше, чем при прокатке в черновой непрерывной группе. Качество поверхности готовой полосы также ниже, так как на одних и тех же валках реверсивной черновой клети производят несколько проходов. Черновые клети полунепрерывного стана могут быть двухвалковые реверсивные, двухвалковые универсальные, трехвалковые и четырехвалковые универсальные. Перед черновой реверсивной клетью обычно стоит черновой двухвалковый окалиноломатель. Чистовые группы полунепрерывного и непрерывного станов практически не отличаются ни по составу, ни по конструкции оборудования и арматуры. Основные направления технического прогресса в строительстве непрерывных и полунепрерывных станов следующие: 1) увеличение производительности и выхода годного за счет увеличения массы и размеров слябов и скорости прокатки; 2) увеличение суммарных обжатий и в связи с этим мощности прокатных двигателей; 3) внедрение частичной и полной автоматизации и программного управления процессом прокатки; 4) увеличение числа вертикальных клетей, частных и суммарных вертикальных обжатий; 5) применение безредукторного привода валков чистовой группы; 6) увеличение жесткости клетей путем внедрения предварительно напряженных конструкций; 7) внедрение систем противоизгиба валков и электрогидравлических систем привода нажимных винтов. 4.1.2. СТАНЫ С МОТАЛКАМИ В ПЕЧАХ Станы с моталками в печах применяют для прокатки труднодеформируемых сталей на заводах с небольшим объемом производства. Стоимость этих станов ниже непрерывных, масса оборудования меньше. Наличие подогрева полосы позволяет вести прокатку сталей с высоким сопротивлением деформации, имеющих узкий температурный интервал прокатки. Схема расположения стана 1200 с моталками в печах приведена на рис. 4.5. Черновая универсальная клеть состоит из горизонтальной двухвалковой клети (диаметр валков 850 мм, длина бочки 1200 мм) и вертикальной клети с валками диаметром 600 мм при длине бочки 900 км. Окалину удаляют непосредственно за черновой клетью водой высокого давления [8-10 МН/м2 (0,8-1,0 кгс/мм2)].

38

Рис. 4.5. Схема стана 1200 с моталками в печах НЛМЗ: I - пролет колодцев, II - пролет стана, Ш - машинный зал, IV - пролет склада и подготовки слябов к прокатке, 1 - нагревательные колодцы, 2 - слитковоз, 3 - нагревательная печь, 4 - черновая универсальная клеть, 5 —ножницы, 6 - чистовая реверсивная четырехвалковая клеть с моталками в печах, 7 - концевая моталка, 8 - транспортер для слябов, 9 - штабелирующее устройство, 10 - стеллажи для слябов, 11 - кантователь, 12 - колодцы замедленного охлаждения, 13 - стеллажи для зачистки слябов, 14 - мостовой кран

В состав чистовой реверсивной четырехвалковой клети (рис. 4.6) входят чугунные рабочие валки диаметром 620 мм и стальные опорные диаметром 1250 мм. Привод клети безредукторный от электродвигателя постоянного тока мощностью 3200 кВт. Максимальная скорость прокатки 7 м/с.

Рис. 4.6. Схема реверсивной четырехвалковой клети с моталками в печах

Используются печные моталки барабанного типа с водяным охлаждением. Печи - муфели, футерованные огнеупорным кирпичом, прямоугольного или круглого сечения. Температура в печи 950-1100 °С, размеры камеры печи 1740 x 1970 x 1250 мм. Концевая моталка с барабаном консольного типа из четырех секторов, что дает возможность уменьшать диаметр барабана в момент снятия с него рулона. Номинальный диаметр барабана 700 мм. Над барабаном печной мотал-

39

ки установлен полый водоохлаждаемый направляющий ролик. Тянущие ролики между рабочей клетью и моталками создают натяжение полосы на барабане моталки после выхода конца полосы из валков и направляют полосу в валки. 4.1.3. ПЛАНЕТАРНЫЕ СТАНЫ Планетарные станы удобны при производстве широкого сортамента специальных и высокопрочных сталей небольшими партиями, так как их конструкция позволяет быстро изменить режим прокатки. Большинство действующих планетарных станов предназначено для прокатки узкой полосы, но за последние годы введены в эксплуатацию и широкополосные станы. Планетарный стан типа Сендзимир представляет собой систему из двух опорных валков, окруженных большим числом рабочих валков малого диаметра. Кинематическая схема планетарных валков аналогична схеме роликовых подшипников со снятыми наружными кольцами. При вращении опорных валков в направлении, соответствующем направлению вращения рабочих валков при обычной прокатке, рабочие валки планетарного стана, вращаясь под действием сил трения от опорных валков вокруг собственной оси, одновременно вращаются вокруг опорных валков навстречу прокатываемому металлу. Задают сляб в планетарные валки одной или двумя парами рифленых заталкивающих роликов. Планетарный узел состоит из опорных валков диаметром 1400 мм и рабочих валков диаметром 200 км, длина бочки 1200 мм. Опорные валки установлены в подушках на двухрядных конических роликоподшипниках, рабочие - в специальных сепараторах, вращающихся на подшипниках качения. Опорные и рабочие валки изготавливают из кованой легированной стали, обладающей повышенной прочностью, вязкостью и износоустойчивостью. Нажимные механизмы планетарной клети аналогичны применяющимся в рабочих клетях листовых станов. Планетарный стан Круппа-Платцера (рис. 4.7) отличается наличием промежуточных валков. Каждый рабочий валок опирается на промежуточный, который в свою очередь перекатывается вокруг своей оси и неподвижного опорного валка. Число промежуточных и рабочих валков по 24, диаметр 100 мм, длина бочки 500 мм. Диаметр опорных валков 500 мм, длина бочки 500 мм. Скорость вращения кассеты вокруг неподвижной опоры 120 об/мин. Мощность привода планетарной клети 800 кВт. Рабочие валки изготавливают из кованной закаленной стали. Соотношение скоростей входа и{ и выхода и2 полосы из планетарного стана приведено на рис. 4.7. Сущность конструкции стана Круппа-Платцера состоит в том, что рабочие и промежуточные валки, обкатываясь вокруг опорного вала, проходят плоский участок износостойкого сегмента этого вала. Так как этот участок расположен в конце зоны деформации, верхние и нижние валки движутся здесь параллельно друг другу и на выходящей полосе нет поперечных гребней, снижающих качество полосы, прокатанной на планетарном стане типа Сендзимир.

40

Рис. 4.7. Схема валков планетарного стана типа Круппа-Платцера: 1 - рабочий валок, 2 - промежуточный валок, 3 - неподвижный опорный валок, 4 - заменяемая изнашиваемая вставка, 5- задающая двухвалковая клеть

Слябы задают в планетарные валки двухвалковой клетью, смонтированной на одной станине с планетарной. Перевалку узла планетарных и задающих валков производят комплектно за 40-45 мин. Стан с одним планетарным валком разработан в Японии. Верхний валок обычного типа (возможна проводка), нижний - планетарный. Окружная скорость планетарного комплекта 200 об/мин, а верхнего валка - в несколько раз меньше. Сляб задают принудительно задающими валками со скоростью 4 м/мин. Стан обеспечивает более высокие обжатия за проход, чем реверсивный, но меньшие, чем при прокатке на станах с двумя планетарными валками. 4.2. СТАНЫ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ 4.2.1. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ И КОНСТРУКЦИЯ Для современных станов холодной прокатки характерен рулонный способ производства, обеспечивающий высокие производительность и качество готового листа и максимальную степень автоматизации и механизации технологического процесса. При рулонном способе производства в состав стана холодной прокатки должны входить машины и механизмы, обеспечивающие накопление горячекатаных рулонов перед станом, установку рулона в разматывателе и

41

отгибание переднего конца полосы, разматывание полосы с натяжением, прокатку с требуемым обжатием, смотку полосы в рулон с натяжением, транспортировку рулона на склад, смазку и охлаждение полосы в процессе прокатки. Соответственно в состав стана входят: загрузочные, задающие и уборочные устройства, конвейеры, разматыватели и моталки, системы охлаждения и смазки. В зависимости от размеров и механических свойств обрабатываемой полосы, диаметра и массы исходного и готового рулонов выбирают тип и конструкцию машин, мощность главных приводов и приводов вспомогательных механизмов. В практике наиболее распространены реверсивные, непрерывные, многовалковые и дрессировочные станы холодной прокатки. Загрузочные и уборочные устройства представляют собой систему конвейеров, оборудованных подъемно-поворотными столами. Исходный рулон укладывают краном на конвейер в положении «лежа» перпендикулярно оси конвейера. По мере надобности рулоны транспортируют к разматывателю, поднимают и разворачивают подъемно-поворотным столом в положение, удобное для задачи в разматыватель. Уборку рулонов производят аналогичным устройством в обратном порядке. Задающие устройства отгибают конец полосы и задают его в стан. Чаще всего это система роликов или правильно-тянущая машина с магнитными или скребковыми отгибателями. Укрепленный в разматывателе рулон поворачивается им, а скребковый отгибатель, предварительно поднятый в верхнее положение, опускается до соприкосновения скребка с поверхностью рулона. При вращении рулона скребок отгибает конец полосы и подает его в задающие ролики. Вместо скребка можно устанавливать магнит. Разматыватели могут быть двухконусными или с консольным барабаном. В двухконусных разматывателях рулон зажимается двумя разводящимися конусными головками, двигатель разматывателя при установившемся процессе прокатки работает в генераторном режиме, создавая требуемое натяжение полосы. Консольный барабан - пустотелый вал, на котором укреплены сегменты, перемещающиеся в радиальном направлении. После надевания рулона сегменты, раздвигаясь, увеличивают диаметр барабана и силой трения зажимают рулон. Моталки всегда выполняются консольными барабанного типа. Барабаны могут быть разной конструкции, но принцип зажатия рулона на них такой же, как у разматывателя. Моталки могут быть стационарными и плавающими, последние обеспечивают плотную смотку полос в рулоны с ровными торцами. Рабочие клети станов холодной прокатки включают следующие основные узлы: станины, рабочие и опорные валки с подушками, механизмы установки и уравновешивания опорных валков, проводковые столы, откидные опоры, натяжные устройства. Станины воспринимают усилия прокатки и служат соединительным элементом для всех деталей клети. Узел станин состоит из двух стальных литых станин закрытого типа, двух плитовин, траверс, установочных планок и соединительных шпилек.

42

Рабочие валки определяют качество поверхности прокатываемой полосы. В станах холодной прокатки они работают в условиях высоких контактных давлений. Их изготавливают из хромистой стали, легированной вольфрамом (типа 9Х2В) или молибденом и ванадием (типа 9Х2МФ). Поверхность валков шлифуют до 7-11 классов чистоты. Для передачи крутящих моментов шейку рабочего валка выполняют в виде трефа или лопаты. Валки устанавливают в подушках на подшипниках качения или четырехрядных конических подшипниках. Опорные валки изготавливают бандажированными, цельноковаными и литыми. Их обычно устанавливают в подшипниках жидкостного трения или в подшипниках качения. Для опорных валков важно правильно выбрать оптимальную твердость, обеспечивающую их высокую стойкость. Подушки предназначены для установки валков. Опорный узел рабочих валков состоит из четырех подушек (двух верхних и двух нижних). Подушку рабочих валков изготавливают обычно из стали 40Х. Подушки имеют расточку под подшипник. В нижних подушках рабочих валков устанавливают гидроцилиндры уравновешивания верхних рабочего и опорного валков. Подушки опорных валков литые, в расточках которых устанавливают подшипники. Подушки нижнего опорного валка неподвижны, подушки верхнего опорного валка могут перемещаться в вертикальной плоскости. Механизм установки валков (нажимной механизм) предназначен для установки зазора между рабочими валками при настройке и в процессе прокатки. Привод этого механизма может быть механическим, гидравлическим и гидромеханическим. В состав механизма входят два нажимных винта, два цилиндроглобоидальных редуктора, электромагнитная муфта, два кинематических редуктора с сельсинами и командоаппаратами. На некоторых современных станах установлено устройство электрической синхронизации винтов нажимного устройства, которое резко снижает время воздействия на нажимной винт и позволяет исключить из состава оборудования электромагнитную муфту. Проводковые столы направляют полосу в валки и создают натяжение при выходе конца полосы. Они представляют собой конструкцию из неподвижной рамы и верхнего подвижного стола, прижимаемого гидроцилиндрами. Стол движется возвратно-поступательно. Откидная опора - комплекс узлов (опорный ролик, рамы, проводка с цилиндром передвижения, поворотная опора), обеспечивающий выравнивание полосы перед смоткой и правильное направление полос в процессе смотки, подачу переднего конца полосы к зеву моталки, а также воспринимающий усилия от массы рулона и натяжения при смотке. Натяжное устройство — система двух валков с приводом от гидроцилиндров, предназначенная для создания дополнительного натяжения перед и за клетью стана. Обычно устанавливается в дрессировочных станах.

43

4.2.2. ПРОКАТКА ЛИСТОВ НА НЕПРЕРЫВНЫХ СТАНАХ Для холодной прокатки листовой стали наибольшее применение получили непрерывные многоклетевые (2-6 клетей) станы, являющиеся наиболее производительными. Основную долю в сортаменте холоднокатаной углеродистой стали составляет конструкционная листовая сталь толщиной 0,5-2,5 мм. Подкатом для непрерывных станов холодной прокатки являются горячекатаные травленые рулоны со смазанной поверхностью. Толщина подката составляет в зависимости от толщины готовой продукции 2-5 мм при прокатке листов и 1,5-3 мм при прокатке жести. Современный цех для производства тонких холоднокатаных листов и полос, кроме непрерывного стана с четырехвалковыми клетями, включает агрегаты травления, термической обработки, дрессировки, поперечной и продольной резки, сортировки листов, нанесения защитных покрытий и другое оборудование. На непрерывных станах холодной прокатки диаметр рабочих валков, изготовляемых из высоколегированных сталей (типа 9Х2МФ) и имеющих твердость поверхности бочки до 100 ед. по Шору, достигает 660 мм. Диаметр опорных валков равен 1300-1600 мм. Эти валки изготовляют или составными (внутренние валы из кованой стали типа 9Х), или цельнолитыми. Шейки рабочих валков устанавливают обычно на роликовых подшипниках качения, опорных - на подшипниках жидкостного трения. Скорость перемещения нажимных винтов до 15-20 мм/мин с точностью их останова ±0,01 мм. Уравновешивание верхних рабочего и опорного валков гидравлическое. Рабочие валки приводятся от индивидуальных электродвигателей (одного или двух) постоянного тока мощностью до 4800 кВт каждый с регулированием скорости вращения в больших пределах через шестеренную клеть и универсальные шпиндели. Расстояние между рабочими клетями определяется исходя из технологических параметров стана и составляет примерно 4 м. Холодная прокатка рулонной листовой стали производится со значительным натяжением полосы между клетями и между последней клетью и моталкой, для чего установлены пресспроводки. Прокатка без натяжения невозможна, так как полоса теряет устойчивость в валках. Кроме того, натяжение обеспечивает значительное уменьшение давления металла на валки, что позволяет прокатывать полосу с высокими обжатиями за каждый проход (заметим, что заднее натяжение снижает величину давления металла на валки больше, чем переднее) и способствует плотному сматыванию листовой стали. Удельное натяжение при холодной прокатке обычно не превосходит 50-60 % предела текучести прокатываемого металла в данном состоянии. Моталки станов холодной прокатки делают раздвижными с консольным расположением барабана, а при прокатке широких полос - с использованием второй откидной опоры. Исключительно большое значение при холодной прокатке имеет технологическая смазка поверхности прокатываемого листа. Смазка снижает коэффициент трения между валками и прокатываемым металлом, что уменьшает давление металла на валки, упругий прогиб валков и общую деформацию клетей.

44

Таким образом, прокатка со смазкой при прочих равных условиях обусловливает большие обжатия. Смазка снижает расход энергии, уменьшает износ прокатных валков, повышает качество поверхности проката, способствуя равномерному распределению обжатия по ширине листа. Значение смазки тем больше, чем меньше толщина прокатываемого листа и выше обжатия. Качество смазки определяется ее способностью прочно удерживаться на скользящих друг по другу поверхностях и не выдавливаться при возникающих больших давлениях металла на валки. Это свойство смазки обусловливается присадкой поверхностно активных веществ, в частности жирных высокомолекулярных кислот (например, стеариновой). Применяемые для смазки в больших количествах эмульсии играют также роль охлаждающей среды, значительно удлиняя срок службы валков. В то же время, смазка должна легко удаляться с поверхности готовых листов, так как при последующем отжиге в отдельных местах на ней могут оставаться трудно удаляемые пятна. На станах холодной прокатки имеются установки для охлаждения и очистки технологической смазки. После охлаждения и очистки смазка вновь может использоваться по назначению. Бочку валков станов холодной прокатки тщательно обрабатывают на вальцешлифовальных станках; она не должна иметь каких-либо дефектов. Глубина закаленного поверхностного слоя должна составлять не менее 6 % диаметра валков, так как его уменьшение за все перешлифовки не превосходит 5 %. Рабочие валки первой и последней клетей станов холодной прокатки выполняется шероховатыми для лучшего захвата и для предотвращения сваривания листов при отжиге. Шероховатость создается в специальной дробеструйной установке с помощью чугунной дроби. Важным фактором при формировании горячекатаных рулонов большой массы является качество сварных швов; при хорошем качестве швов скорость холодной прокатки можно не снижать. Холодная прокатка на непрерывных станах происходит с переменной скоростью. Заправочная скорость составляет около 1 м/с. После заправки переднего конца полосы в моталку происходит возрастание скорости прокатки до рабочей, при этом ускорение (разгон стана) составляет 1,5-2,5 м/с2. Рабочая скорость остается постоянной в течение почти всего времени прокатки рулона и снижается до заправочной только при проходе заднего конца полосы. Готовый холоднокатаный рулон снимается с моталки и отправляется на склад, а в разматыватель перед станом подается новый горячекатаный рулон. С увеличением скорости прокатки уменьшаются: коэффициент трения металла на валки; полное давление металла на валки; упругая деформация клетей; толщина выходящей полосы. Чем больше скорость прокатки, тем большая длина полосы будет прокатываться при ускорении и замедлении стана, что увеличивает отходы металла в обрезь из-за изменения толщины листа в эти периоды. Отсюда экономически целесообразно прокатывать рулоны большой массы при соответствующей автоматизации процесса прокатки в целом.

45

4.2.3. ПРОКАТКА ЛИСТА НА РЕВЕРСИВНЫХ И ЛЕНТОЧНЫХ СТАНАХ Поскольку станы холодной прокатки предназначены для передела сортамента листовой стали, получаемой на станах горячей прокатки, то и длины бочек валков на них аналогичны. На металлургических заводах получили развитие станы холодной прокатки с длиной бочки валков 1200,1450,1700, 2000 и 2500 мм. По числу клетей станы холодной прокатки классифицируются на одно-, двух-, трех-, четырех- и пятиклетевые. Как правило, за исключением однокпетевых станов, на всех остальных установлены четырехвалковые клети. Одноклетевые станы могут иметь четырех-, шести- и многовалковые клети самой различной конструкции. Они устанавливаются в тех случаях, когда определена величина производительности, ограниченная технологическими особенностями прокатки определенной стали (обычно высоколегированной). Одноклетевые четырех- или шестивалковые реверсивные станы применяют при сравнительно небольшом объеме производства, когда строительство непрерывного стана экономически невыгодно. Впереди и сзади такого стана устанавливают моталки, приводимые отдельными двигателями, обеспечивающие постоянное натяжение прокатываемого металла со стороны входа и выхода полосы из стана, благодаря чему уменьшается давление металла на валки и достигается большее обжатие. В большинстве случаев они имеют длину бочки валков 1200-2030 мм и обеспечивают прокатку листов с отношением минимальной толщины к максимальной ширине 1:6000. Скорость прокатки на реверсивных одноклетевых четырехвалковых станах составляет 10-20 м/с, а масса рулонов - до 30-45 т. Подкатом для реверсивных одноклетевых станов являются травленые горячекатаные полосы с промасленной поверхностью и отожженные холоднокатаные полосы, поставляемые в рулонах. Суммарное обжатие на этих станах при холодной прокатке малоуглеродистых сталей без промежуточного отжига достигает 10-15%, для нержавеющих сталей - не превышает 50-60 %. Например, реверсивный листовой стан с четырехвалковой клетью 1200 конструкции УЗТМ предназначен для холодной прокатки листов толщиной 0,2-2,5 и шириной 500-1050 мм из горячекатаных листов толщиной 2-4 и шириной до 1050 мм в рулонах массой до 15 т при скорости прокатки до 15 м/с. Диаметры барабанов передней и задней моталок 500 мм, мощность электродвигателей моталок 850 кВт. Реверсивные станы часто применяют для прокатки листов из труднодеформируемых сталей (трансформаторной, нержавеющей и др.), так как число проходов на этих станах не ограничено. Так, например, на Магнитогорском металлургическом комбинате установлен одноклетевой шестивалковый реверсивный стан холодной прокатки (рис. 4.8), имеющий в своем составе две моталки 1 и 3, расположенные с каждой стороны клети. Прокатная клеть имеет валки диаметром: рабочих 185-175, опорных 575-525 мм. Рабочие валки приводятся от электродвигателя мощностью 885 кВт с частотой вращения 384-800 об/мин;

46

привод безредукториый. Скорость прокатки 2,64-4,0 м/с. Стан 2 рассчитан на прокатку высоколегированной и специальной сталей из подката толщиной 2-3,5 мм на толщину готового листа 0,5-1,7 мм. Ширина готового листа 630-750 мм.

Разновидностью реверсивных станов холодной прокатки являются многовалковые станы, преимущество которых состоит в том, что благодаря применению рабочих валков малого диаметра за один проход достигаются значительно большие обжатия, чем на одноклетевых четырехвалковых станах. Многовалковые станы отличаются небольшими габаритами и массой и дают возможность прокатьюать листы и ленту с отношением толщины к ширине 1:40 000 с более жесткими допусками, чем на одноклетевых четырехвалковых станах. Многовалковые станы работают с большим натяжением листов и ленты (до 300-400 кН), что позволяет прокатывать их с малыми допусками по толщине. На рис. 4.9 приведена рабочая клеть 20-валкового стана 1200, предназначенного для прокатки электротехнической ленты размером 0,1x1000 мм из листов толщиной 3,5 мм со скоростью 5—10 м/с в рулонах массой до 15 т. Клеть имеет рабочие валки диаметром 55 и три ряда опорных валков диаметром 100, 175 и 300 мм. Приводными являются четыре опорных валка диаметром 175 мм. На стане имеются две моталки, каждая с тремя электродвигателями общей мощностью 852 кВт, в результате значительно снижен маховой момент и облегчено регулирование натяжения ленты в разных периодах прокатки. Подача технологической смазки на стане автоматизирована.

47

Рис. 4.9. Рабочая клеть 20-валкового стана 1200 холодной прокатки ленты: 1 - станина, 2 - опорные валки, 3 - проводка; 4 - рабочие валки, 5 - нажимной механизм

Таблица 4.1 Режимы обжатий и напряжений, применяемых при прокатке полос толщиной 0,13 мм из подкатов толщиной 0,5-1,5 мм

41

Окончание табл. 4.1

4.2.4.

ЧЕТЫРЕХКЛЕТЕВЫЕ СТАНЫ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ЛИСТОВ И ЛЕНТ Как отмечено ранее, получение качественного профиля листовой стали и ленты обусловило необходимость увеличения числа клетей на стане. Поэтому на отечественных заводах большое распространение получили четырехклетевые станы 1700, успешно работающие при высоких скоростях прокатки. Поскольку состав и расположение основного оборудования на четырехклетевых станах примерно одинаковы, рассмотрим план и технологический процесс прокатки холодного листа на одном из них. На Магнитогорском металлургическом комбинате установлен стан холодной прокатки листа - непрерывный четырехклетевой стан 2500 (рис. 4.10). Он предназначен для производства холоднокатаных листов из углеродистых сталей толщиной 0,6-2,5 и шириной 1050-2350 мм в рулонах массой до 25 т. Скорость прокатки до 21 м/с. Диаметр рабочих валков 500, опорных 1500 мм; длина бочки валков 2500 мм. Мощность электродвигателя каждой клети 2x2800 кВт, частота вращения 300-500 об/мин.

Рис. 4.10. Стан холодной прокатки листа 2500 Магнитогорского металлургического комбината: 1 - конвейер горячекатаных рулонов, 2 - стыкосварочный агрегат, 3,4 - непрерывные травильные агрегаты № 1 и 2,5 - агрегат поперечной резки 1,5-2350,6 - четырехклетевой стан 2500, 7-отжигательные колпаковые печи, 8 - дрессировочный стан 2500,9 - дрессировочный стан 1700,10,11 - агрегаты поперечной резки № 1 и 2,12 - агрегат продольной резки, 13 - сортировщик листов, 14 - линия раскроя листов, 15 - передаточное устройство для рулонов

Поступающие из цеха горячей прокатки рулоны предварительно свариваются на стыкосварочном агрегате с тщательной обработкой шва и передаются на два непрерывных травильных агрегата, где осуществляется удаление

49

поверхностной окалины. Затем поверхность листа смазывается, и он сматывается в рулоны, которые уже прокатываются на стане от исходной до заданной толщины. Четыре прокатных клети стана - четырехвалковые; перед станом установлен разматыватель рулонов, на выходе — моталка для сматывания раската готового профиля в рулон. Далее рулоны подвергаются отжигу в колпаковых печах и после охлаждения прокатываются на дрессировочных станах 2500 и 1700. Представляет интерес и четырехклетевой стан 400 холодной прокатки листа и ленты, установленный на Магнитогорском калибровочном заводе. Все клети стана - четырехвалковые; стан рассчитан на прокатку ленты толщиной 0,2 и шириной 180-300 мм из исходной полосы толщиной 2,0-3,0 мм. Рабочая скорость прокатки от 7,5 до 15 м/с, максимальная 20 м/с. Наибольшая масса рулона 3,7 т. Диаметр барабана разматывателя 450-520 мм, моталки 500 мм. Наибольший наружный диаметр рулона 1500 мм. Стан достаточно механизирован и автоматизирован. Рабочие валки приводятся через индивидуальные электродвигатели мощностью 2x325 кВт и частотой вращения 700-1500 об/мин. Диаметр рабочих валков 150-200, опорных 500 мм; длина бочки валков 400 мм. Стан оборудован жесткими клетями; максимальное давление металла на валки 2000 кН. Прокатываемые марки стали: 08кп, Юкп, 08пс, Юпс, 08 и 10. Рулон устанавливается на одном из разматывателей, передний конец полосы задается в первую прокатную и последующие клети на заправочной скорости. Затем скорость повышается до рабочей и готовый профиль получается за четыре прохода. Прокатка осуществляется с передним и задним натяжением полосы между клетями в зависимости от размеров полосы в пределах 25-60 кН; натяжение со стороны разматывателя и моталок 20 кН. Суммарное относительное обжатие также определяется размерами толщины заготовки и готовой ленты и составляет 45-75 %. Величина относительного обжатия также зависит от того, что принято в качестве исходной заготовки: горячекатаный подкат в рулонах (максимальное относительное обжатие) или отожженный подкат в рулонах. 4.2.5. ПЯТИКЛЕТЕВЫЕ СТАНЫ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ЛИСТОВ Опыт эксплуатации трех- и четырехклетевых станов холодной прокатки листа показал, что для получения листов малой толщины (порядка 0,2 мм) из подката толщиной 2,2-2,5 мм необходимо увеличить число клетей, что обеспечит также минимальную разнотолщинность по ширине раската. А это означает, что первая и последняя прокатные клети должны выполнять подготовительную и заключительную, чистовую операции, условиями обжатий которых устраняется разнотолщинность по ширине готового листа, а основную долю высотной деформации должны осуществлять промежуточные клети.

50

Рис. 4.11. Тонколистовой стан 1250 холодной прокатки (ММК): 1 - размыватель рулонов, 2 - рабочие клети, 3 - моталка

Экспериментальные исследования показали, что при ограниченных сортаментах подката и готового листа приемлемым является пятиклетевой стан холодной прокатки, состоящий из четырехвалковых клетей. Такие станы способны прокатывать лист из малоуглеродистой стали толщиной менее 0,2 мм (жесть). Рассмотрим технологический процесс холодной прокатки тонких листов (жести) на конкретных станах. Пятиклетевой непрерывный стан холодной прокатки листа 1200 Магнитогорского металлургического комбината (рис. 4.11) предназначен в основном для производства холоднокатаной жести толщиной 0,2-0,36 и шириной до 1050 мм в рулонах массой 15 т. Толщина исходного листа, подаваемого в виде горячекатаных рулонов, равна 2,2-3,0 мм. Рабочая скорость валков в чистовой клети при диаметре 500 и длине бочки 1200 мм составляет 17,3-28,2 м/с. Диаметр опорных валков 1220-1340 мм. Мощности электродвигателей первой и последней клети 2200 и 2x2000 соответственно, промежуточных по 2x1600 кВт с частотой вращения 125-780 об/мин. Проектная производительность стана 700 тыс. т в год. Материал рабочих валков - сталь 9Х2МФ и 9X2, опорных - сталь 9ХФ и 9X2. Подшипники рабочих валков - роликовые, опорных - жидкостного трения. Для данного стана применяются следующие толщины подкатов: Толщина подката листа, мм: 0,2-0,36 0,35-0,6 0,5-0,63 0,5-1,25 2,2 2,4-2,7 2,7 2,2-3,0 Основные операции технологического процесса прокатки жести из холоднокатаной полосы следующие: - удаление окалины с поверхности исходного раската с последующим промасливанием; - прокатка полос (рулонов) на стане в холодном состоянии; - обезжиривание; - отжиг; - дрессировка; - резка рулонов на мерные листы; - чистовое травление перед покрытием; - нанесение покрытия; - контроль качества жести с покрытием; - упаковка. В зависимости от назначения прокатываемого профиля отдельные технологические операции могут быть исключены.

51

При прокатке осуществляется тщательный контроль температуры рабочих валков, чтобы исключить изменение профилировки их бочки. Обычно валки охлаждают водой, а прокатываемую полосу - эмульсией; смесью пальмового масла с водой. Подача на поверхность полосы пальмовой эмульсии наряду с ее охлаждением обеспечивает равномерность слоя смазки, это способствует уменьшению контактного трения полосы с валками, а также удельного и полного давления металла на валки. Поэтому обращается особое внимание на контроль за технологией подготовки эмульсии любого заданного состава и ее температуру. Технологический процесс прокатки полосы начинается с задачи переднего конца рулона и его прохождения по всем клетям стана с заправочной скорость^; рабочая скорость устанавливается после снятия одного-двух витков раската с моталки при отсутствии каких-либо признаков искажения профиля или неустойчивого его положения в клетях. Устойчивость полосы в валках каждой клети обеспечивается тогда, когда деформация по ширине полосы одинакова, температура поверхности бочки рабочих валков не превышает 80 °С, а опорных 50 °С, подача охлаждающей воды по всей длине бочки валков стабильная, эмульсия распределяется по ширине полосы равномерно. При прокатке различных полос настройка стана осуществляется по особым, дополнительным инструкциям. Прокатка рулонов производится с натяжением полосы между клетями; величина натяжения после клетей определяется размерами полосы и находится в пределах (в числителе - для полосы толщиной 0,2-0,4, в знаменателе - 0,45-0,6 мм). Рулон готового листа подается далее на осуществление последующих операций: -обезжиривание, отжиг, дрессировку и т. д. 4.2.6. МНОГОВАЛКОВЫЕ СТАНЫ В зависимости от числа валков многовалковые станы делят на 12-валковые и 20-валковые. Станины станов бывают открытыми и закрытыми. В первом случае станины с одной стороны крепятся шарнирно, с другой - винтами, что снижает жесткость конструкции и уменьшает точность прокатки. С этой точки зрения рациональней закрытые станины, в которых все валки монтируются в литой жесткой станине. В 12-валковых станах каждый из двух рабочих валков малого диаметра опирается на два промежуточных валка большого диаметра, которые в свою очередь опираются на три опорных валка большого диаметра. Приводными являются четыре промежуточных валка. В 20-валковых станах каждый рабочий валок опирается на два первых промежуточных валка, которые в свою очередь опираются на три вторых промежуточных валка (из которых два приводные), а вторые промежуточные валки опираются на четыре опорных валка. Опорные валки представляют собой вал, на который по всей длине посажены роликовые подшипники. Наружные кольца подшипников соприкасаются со вторыми промежуточными валками. На центральный вал эксцентрически насажены диски. При повороте вала диски, опирающиеся на небольшие цилин-

45

дрические ролики, смещают центральный вал, вследствие чего промежуточные и рабочие валки смещаются вверх или вниз. Для работы с высокими натяжениями на многовалковых станах требуются моталки особой конструкции, одна из которых, разработанная фирмой «Инноченти» (Италия), показана на рис. 4.12. В центре барабана моталки имеется сердечник из нескольких пирамид, составляющих одно целое с валом. Барабан выполнен из четырех сплошных сегментов, образующих наружную цилиндрическую поверхность. С помощью нарезной муфты сегменты разводятся или сводятся, изменяя диаметр барабана. Моталка обеспечивает натяжение до 400 кН (40 тс).

Рис. 4.12. Моталка многовалкового стана конструкции фирмы «Innocenti»

Внешний вцд 20-валкового стана фирмы «Инноченти» показан на рис. 4.12. 20-валковые станы широко распространены, они обеспечивают точную прокатку с минимальной разнотолщинностью и хорошим качеством поверхности полос, в том числе широких и сверхтонких полос из труднодеформируемых сталей. В современных станах принимают меры для устранения основных недостатков конструкции: значительных осевых усилий, большой инерционности гидравлического нажимного устройства, несовершенства проводковой системы клети и т. д. Так, в 20-валковом стане 700, установленном на ММК, рабочая клеть бескассетная. Опорные валки установлены непосредственно в расточках станины, рабочие и промежуточные валки уравновешены и имеют осевую фиксацию. Рабочая клеть такой конструкции благодаря своим жесткостным характеристикам обеспечивает хорошую планшетность полосы. На стане установлены моталки со съемными жесткими барабанами, обеспечивающие минимальное изменение натяжения по длине и ширине полосы.

53

Рис. 4.13. Внешний вид 20-валкового стана фирмы «Innocenti»

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Схемы расположения оборудования непрерывного стана горячей прокатки. Конструкция и схемы установки индуктора подогрева валков ТВЧ. Назначение и конструкция многороликовых моталок. Схема стана с подогреваемой роликовой печью. Назначение и схемы станов с моталками в печах. Назначение планетарного стана горячей штамповки. Состав оборудования станов холодной прокатки листа. Схема холодной прокатки листа на непрерывных станах. Схема холодной прокатки листа на реверсивных станах. 10.Схема холодной прокатки листа на ленточных станах. 11 .Четырех- и пятиклетьевые станы холодной прокатки. Схемы. 12. Многовалковые станы холодной прокатки. Схемы.

54

5. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОДАЧИ СМАЗОК И СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД (СОТС) 5.1. СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОДАЧИ СМАЗОК И СОЖ ПРИ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ В зависимости от функционального назначения технологической смазки, ее вида, конструкции стана и его сортамента для подачи технологической смазки используют системы прямого действия, циркуляционные системы, а также системы смешанного типа, включающие одновременно элементы системы прямого действия и циркуляционных. Системы прямого действия характеризуются однократным использованием технологической смазки, подаваемой на валки (на полосу) отдельно от охлаждающей среды. Они обеспечивают лучшее охлаждение валков, так как при относительно высокой температуре смазочной среды (50-70 °С) температура охлаждающей воды может быть значительно ниже (4-20 °С), подачу более чистой по составу смазки для прокатки, позволяют сравнительно быстро изменять концентрацию смазки, требуют небольших капитальных затрат. Особенностью циркуляционных систем является многократное использование технологической смазки, которая выполняет одновременно функцию смазочной и охлаждающей среды. Они отличаются более низким расходом смазки и более равномерным ее нанесением по ширине полосы, проще в эксплуатации. Конструкция циркуляционных систем должна обеспечить надежное нанесение смазочно-охлаждающей жидкости на металл и валки, достаточный отвод тепла при прокатке, сохранение химической стабильности и высокой чистоты смазочно-охлаждающей жидкости в процессе длительной эксплуатации. Циркуляционные системы в большинстве случаев используют при холодной прокатке листовой стали на многоклетевых и реверсивных станах и станах полистной прокатки. Новые многоклетевые прокатные станы оборудуются двумя-тремя отдельными циркуляционными системами. При оборудовании стана тремя системами первая клеть оборудуется отдельной системой, что предотвращает загрязнение остальных систем травильным шламом и промасливающей смазкой. Валки первой клети могут охлаждаться водой при наличии промасливающей смазки. Средние клети имеют отдельную систему для подачи основной смазочно-охлаждающей жидкости, применяемой для прокатки. Последняя клеть также оборудуется отдельной системой для подачи эмульсии (небольшой концентрации), воды или моющего раствора. При наличии двух систем одна подает эмульсию на первые клети, а вторая эмульсию, воду или моющий раствор на одну или две последние клети. Раздельные системы повышают чистоту эмульсии и качество поверхности листов/

55

Для интенсивного отвода тепла и обеспечения надежной смазки в новых системах подается смазочно-охлаждающей жидкости от 3,6 до 11 м3/мин и более на одну клеть. При использовании стабильных эмульсий их очистка осуществляется отстаиванием и фильтрацией. Емкость баков для отстаивания эмульсии должна быть в 10-40 раз больше циркуляционного потока в 1 мин, при этом расход смазочно-охлаждающей жидкости должен быть таким, чтобы повышение температуры жидкости при прохождении через клеть было не больше 5-8 °С. Для поддержания рабочей температуры эмульсии в циркуляционной системе устанавливают теплообменники трубчатого или пластинчатого типа с водным охлаждением, снижающие температуру эмульсии на 3-5 °С. Для метастабильных и нестабильных эмульсий устанавливают вблизи стана баки сравнительно небольшой емкости, оборудованные мешалками и рассчитанные на время нахождения в них эмульсии 7-8 и 5-6 мин соответственно, с тем, чтобы циркуляция способствовала поддержанию требуемой дисперсности масла. Баки для эмульсии имеют обычно прямоугольную форму с наклонным полом и затворами в верхней и нижней частях боковой стенки и оборудуются паровым обогревом с внешней стороны. Выпускное отверстие находится в нижней части днища. Эмульсию к стану подают центробежными насосами под давлением 0,6-1,2 МПа. На валки и полосу эмульсию подают при помощи сопел или специальных коллекторов с отверстиями (рис. 5.1). Давление в коллекторах должно составлять 0,5-0,7 МПа. Типовая эмульсионная установка приведена на рис 5.2. Она состоит из двух систем, из которых одна подает эмульсию на первые три клети (или две при подаче на первую клеть воды), а вторая - на четвертую клеть. Производительность первой системы 20 000 л/мин, второй 9000 л/мин. Емкость рабочего и резервного баков-отстойников по 230 м3. Каждый бак имеет два отсека, которые соединены соответственно с первой и второй системами. Очистка эмульсии производится с помощью сетчатых или дисковых фильтров и магнитных сепараторов. Эмульсионные системы, оборудованные сетчатыми или дисковыми фильтрами, магнитными сепараторами, не обеспечивают достаточной чистоты эмульсии. Для обеспечения эффективной очистки эмульсии в установку стана 2500 включен корпус очистки (рис. 5.3). Работа эмульсионной системы совместно с корпусом очистки заключается в следующем. Эмульсия из обоих картеров стана направляется в отстойники одной из систем, например, в баки системы Э-1 (1-3-я клети), откуда ее по трубопроводу подают в горизонтальные отстойники корпуса очистки, где производится грубая очистка эмульсии от крупных частиц и неэмульгированного масла. Горизонтальные отстойники (4 рабочих и 2 резервных вместимостью по 250 м3) прямоугольной формы имеют наклонное днище, изготовлены из бетона, оборудованы скребковыми транспортерами. Всплывающее масло или

49

пена скребками направляется в сливной желоб, из которого попадает в маслосборник, затем насосами РПН-1-30 перекачивается в отделение огневого обезвреживания.

Рис. 5.1. Схема установки и конструкция коллекторов охлаждения валков: а - стан 1680, б - стан 2500, в - стан 1500, г - стан 2030; 1,2 - для охлаждения опорных, 3 - 6 рабочих валков, 7, 8 - для охлаждения полосы, 9 - для дополнительной смазки полосы

57

Рис. 5.2. Типовая схема циркуляционной установки для стабильных эмульсий непрерывного четырехклетевого стана 1700:1 - рабочие клети, 2 - сборники эмульсии, 3 - магнитные сепараторы, 4 - бакиотстойники, 5 - насосы давлением 0,94 МПа, 6 - то же, 0,67 МПа, 7 - фильтры, 8 - холодильники

I) II) Рис. 5.3. Схема эмульсионной системы (I) и корпуса очистки (II) непрерывного четырехклетевого стана 2500: 1 - магнитные сепараторы, 2 - резервуары, 3 - сетчатые фильтры, 4 - холодильники, 5 - отстойники, 6 - сборный лоток, 7 - промежуточный приемный бак, 8 , 9 - напорные баки, 10 — флотатор, 11 - бак очищенной эмульсии, 12 - ленточный бумажный фильтр, 13 - насос, 14 - бак для пенного продукта

58

Из горизонтальных отстойников эмульсия самотеком по трубопроводу сливается в промежуточный приемный бак, откуда насосами подается в напорные емкости. В насосной системе с помощью эжекторов воздух подается в эмульсию. Обогащенная воздухом эмульсия из напорных баков по трубопроводу подается во флотатор (1 - рабочий, 2 - резервный, по 450 м3) - круглый железобетонный резервуар со ступенчатым днищем. Образующаяся пена (в состав которой входит грязное масло, воздух, эмульсия) снимается радиальным пеногоном, сливается в маслоприемники, откуда поступает в маслосборник. Во флотаторах эмульсия очищается в основном от свободных неэмульгированных масел (средняя ступень очистки). Очищенная эмульсия переливом по трубопроводу (самотеком) поступает в бак для очищенной эмульсии, откуда насосами подается на стан или на ленточные бумажные фильтры (три фильтра с площадью фильтрации 5 м2 каждый) для очистки от механических примесей (тонкая очистка) с последующей подачей на стан. Общая емкость циркуляционной системы (вместе с корпусом очистки) около 2000 м3. При часовом расходе 1200 м3 продолжительность пребывания эмульсии в отстойниках составляет 50-60 мин и в аппарате напорной флотации 20-25 мин. В состав оборудования эмульсионной системы пятиклетевого стана бесконечной прокатки 2030 НЛМЗ входит (рис. 5.4): два бака 1 вместимостью по 300 м3 и два бака 2 по 150 м3 для стабильной эмульсии и один бак 3 (150 м8) для моющей жидкости, каждый бак оснащен входным шлемом с сетчатыми корзинами, потокоуравнительной стенкой, подачей сжатого воздуха низкой перегородкой на стороне всасывания, плавающим отделителем постороннего масла с поверхности эмульсии, нагревательными паровыми змеевиками с автоматическим поддержанием заданной температуры, контактными и поплавковым выключателями, автоматически поддерживающими постоянный уровень эмульсии и обеспечивающими компенсацию потерь на выпаривание; два бака 60 и 40 м3 соответственно для эмульсола и технологической смазки с нагревателями и контролем уровня; один бак емкостью 50 м3 для конденсата, получаемого при обогреве всех баков (конденсат подается во все баки для компенсации испарения); один бак емкостью 5 м3 для приема концентрата дитергента; семь насосов 4 (в том числе два запасных, производительность по 7400 л/мин, давление 1,2 МПа) для подачи эмульсии к клетям; шесть насосов 5 (в том числе один запасной, производительность по 8140 л/мин, давление 0,25 МПа) для подачи эмульсии от сборников клетей к бакам; четыре насоса 6 (в том числе один запасной, производительность по 7000 л/мин, давление 0,2 МПа) для подачи эмульсии через магнитные фильтры; шесть насосов (в том числе три запасных, производительность по 150 л/мин, давление 0,12 МПа) для подачи очищенной эмульсии с ленточных фильтров в эмульсионные баки; пять автоматических сетчатых фильтров 7 производительностью по 7400 л/мин с обратной продувкой воздухом, установленных в линии прямого потока за главными насосами, тонкость фильтрации 0,08 мм. Фильтр имеет семь камер (одна постоянно

59

находится на очистке). Три секции магнитных фильтров 7 во вспомогательном потоке (примерно 50 % общей системы циркуляции) обеспечивают снижение содержания железа в эмульсии и нагрузки на фильтры обратной промывки. Производительность одной секции 7400 л/мин. Каждая секция состоит из четырех автоматических магнитных фильтров, одной грязесушильной установки с магнитным валиком и ленточным фильтром.

Рис. 5.4. Схема эмульсионной системы непрерывного пятиклетевого стана бесконечной прокатки 2030 НЛМЗ

В состав системы входит также пять холодильников 9 (один на клеть) и два насоса (один запасной, производительность по 150 л/мин, давление 0,6 МПа) для подачи моющего раствора (эмульсии) к дрессировочному стану. Эмульсия из баков 1-3 с помощью насосов 4 через сетчатые фильтры 7 и холодильники 9 подается к клетям става. Отработанная эмульсия со сборных камер 10 насосами 5 возвращается в баки. Для поддержания допустимого уровня мехпримесей (не более 0,05 %) постоянно должны работать насосы 6, подающие эмульсию из бака через магнитные фильтры 8 снова в бак. На каждой питающей и отводящей линии имеются трехходовые краны для подачи эмульсии к клетям и перепускания в картер при остановке стана, а также для поддержания минимального уровня эмульсии в картере. Для поддержания постоянного давления при переменном расходе эмульсии на коллекторах служит специальное регулирующее устройство, которое отводит избыточное количество эмульсии через клапан в картер клети. Расход эмульсии на каждую клеть задается датчиками (для отдельных зон коллекторов), управляющими

60

мембранными клапанами, и измеряется расходомерами. Приток эмульсии к 1-4-й клетям - 7724 л/мин (на каждую клеть), к 5-й клети - 6451 л/мин. Для регулирования теплового профиля валков подача эмульсии в коллекторы на 1-й и 2-й клетях по длине бочки разделена на три зоны, на 3-й и 4-й клетях — на 5 зон, а на 5-й клети - на 9 зон (рис. 5.1). Система может работать по одной из 10 программ: с подачей эмульсии из двух баков по 150 м3, двух баков по 300 м3, из всех баков и т. д. На стане 2030 завода фирмы «Мидуэст стил» система позволяет подводить к 1-й и 5-й клетям воду, ко всем пяти клетям технологическую смазку. При необходимости к 1-3-й клетям можно подавать смазку одного типа, а к 3-5-й клетям - другого. К 4-й и 5-й клетям можно подавать моющие растворы. Подача жидкости в коллекторы на 1-3-й клетях по длине бочки разделена на три, а в 4-й и 5-й клетях - на пять зон. Регулирование подачи жидкости в каждую зону осуществляется дистанционно управляемым клапаном. На стане 2030 завода фирмы «Инленд стил» имеется возможность подавать на каждую из пяти клетей из любого из четырех баков необходимую жидкость (технологическую смазку, воду, моющий раствор). Два бака по 227 м3 оборудованы мешалками для метастабильных эмульсий, пеноснимателями для удаления пены и масла и устройством для удаления паров. Для очистки эмульсии через нее барботируют углекислый газ (вместо воздуха), что предотвращает интенсивное окисление масла. Из каждого бака жидкость фильтруется под давлением через плоские фильтры с пропускной способностью каждого 26 000 л/мин, 20 % всего объема подаваемой на стан жидкости фильтруют через барабанные магнитные фильтры, отделяющие мелкие металлические частицы. Отвод жидкости от каждой клети производится раздельно в сборники, разделенные для различных жидкостей на пять секций. Подача жидкости (воды, эмульсии) в 1-4-й клетях производится между рабочими и опорными валками с выходной стороны и между рабочими валками с входной стороны, а в 5-й клети между рабочими и опорными, а также между рабочими валками с входной стороны. На стане 2185 завода фирмы «Армко стил» имеются два аналогичных контура для подачи 7560 л/мин эмульсии. Первый в 1-3-ю клети, второй в 4-ю клеть, а при необходимости - в 3-ю и 5-ю клети. Для охлаждения валков 5-й клети служит отфильтрованная и умягченная вода. В 1-ю клеть можно также подавать воду для охлаждения из отдельного контура. На стане 1730 завода фирмы «Сумитомо киндзоку коче» эмульсионная система имеет четыре контура: в одном используют эмульсию на жировой основе, в двух других - стабильную на основе растворимых масел, четвертый контур служит для подачи моющих растворов в 5-ю клеть. Каждый контур оборудован вакуумным ленточным фильтром. Эмульсионные системы фирмы «Wean-United», установленные на пятиклетевых станах, имеют два бака вместимостью 320 м3 - для 2-й и 3-й клетей и 200 м3 для 4-й и 5-й клетей. Над каждым баком расположен ленточный фильтр (производительностью 17 м3/мин) с двумя насосами (один резервный). Подача

61

очищенной эмульсии на стан производится с помощью циркуляционного насоса производительностью 7600 л/мин через холодильник. К 1-й клети подают воду, к 5-й - эмульсию или моющий раствор. Системы прямого типа в основном применяют при холодной прокатке жести на многоклетевых станах. Однократно используемая технологическая смазка наносится на валки и на полосу в чистом виде (относительно редко) или в виде механической смеси с водой; валки охлаждаются водой из отдельной системы. Охлаждающая вода может использоваться однократно или применяться в циркуляции. При однократном использовании вода вместе со смазкой сбрасывается во внешние отстойники, при циркуляции вода со смазкой направляется на очистительные сооружения, где после очистки от масла и механических примесей вода возвращается на стан, а масло поступает на регенерацию. При однократном способе нанесения технологической смазки максимально используется смазочная способность технологических смазок и достигается высокая чистота поверхности жести. В типовой системе прямого нанесения смазки (рис. 5.5) свежая смазка подается в баки 1, где она подогревается до 50-70 °С. Из бака дозирующими насосами (типа РПН-1-30) 2 через фильтр 3 смазка подается в смесительный бак 4. Одновременно в смеситель подается подогретая до 60-70 °С вода из бака 5 через фильтр 3 и мембранно-пружинный клапан 6. Смеситель оборудован мешалкой 7 с приводом от воздушной турбины 8, датчиком уровня 9 и терморегулятором 10. Подготовленная механическая смесь масла с водой циркуляционными насосами (типа КСМ-30) 11 подается в магистраль 12: давление и температура смеси контролируется приборами 13. Из магистрали 12 смазка через распределительные клапаны 14 поступает в коллектор 15 и через форсунки 16 подается на полосу (или на валки). Оставшаяся смазка поступает через золотниковый распределитель 14 по магистрали 17 назад в смеситель. Включение подачи смазки на полосу контролируется с поста управления станом посредством воздушных цилиндров 18 и золотникового устройства 14. Давление контролируется манометрами 19 и регулируется посредством запорной арматуры 10. Количество поступающих в смеситель воды и масла регулируется соответственно дистрибутором 21 и дозирующим насосом 2. Распыление водомасляной смеси производится с помощью безвоздушных форсунок (рис. 5.6) с диаметром отверстия 1,2 мм. Вода для охлаждения стана, подогретая до 40-45 °С, при помощи циркуляционных насосов через сетчатые фильтры подается в коллекторы охлаждения прокатных валков. Вода с валков и остатки технологической смазки попадают в общий сборник, сливаются в грязевой бак, откуда насосами перекачиваются в горизонтальные отстойники системы очистки.

62

Рис. 5.5. Типичная схема подачи технологической смазки прямого действия на непрерывном пятиклетевом стане 1200 ММК (на 1-ю клеть технологическая смазка не подается)

Рис. 5.6. Форсунка безвоздушного распыления технологической смазки: 1 - распылитель, 2 - червяк

Система очистки включает систему очистки вода, разложения эмульсии (воды после продувки оборотной системы), регенерации технологической смазки. Система очистки охлаждающей воды производительностью 800-1200 м/ч представлена на рис. 5.7. Загрязненная вода поступает в отстойники 1, где масло и легкие примеси всплывают, а тяжелые осаждаются. Всплывшее масло и донный осадок удаляются с помощью скребковых устройств. Из отстойников вода через сливную перегородку попадает в приемную камеру отстоенной воды 2, откуда насосами 3 подается на два автоматических ленточных фильтра 4. Очищенная вода, содержащая 30-50 мг/л механических примесей и до 100 мг/л свободных масел, направляется в приемники 5, откуда пятью центробежными насосами 6 подается через теплообменники 7 на каждую клеть стана. Всплывший пенный продукт собирается в сборных карманах, откуда самотеком поступает в сборный бак 8 и направляется на регенерацию. Количество воды в системе около 700 м3.

63

Рис. 5.7. Система очистки охлаждающей воды непрерывного пятиклетевош стана 1200

На пятиклетевом стане для прокатки жести на заводе «Йорквил Плант» фирмы «Уиллинг стал Корпорэйт» (США) применяется подобная система прямого действия. Масло из внецехового хранилища (температура 57 °С) перекачивается в бак маслоподвала (температура 71-74 °С). Отсюда масло дозировочным насосом подается в смеситель, а три других дозировочных насоса подают в смеситель горячую воду (82 °С). Масло и вода с помощью мешалки с лопастями постоянно перемешиваются, а также циркулируют по замкнутому циклу на стан и обратно. На каждой клети имеется разводка для подачи смазки на валки и полосу (рис. 5.8) форсунками с диаметром отверстия 0,025-0,05 мм.

Рис. 5.8. Схема подачи воды (штриховые) и смазки (сплошные линии) при прокатке и пятиклетевом стане

В 1-й клети, а иногда и во 2-й клети используется промасливающее масло из травильной линии. Концентрация масла в смеси может быть одинаковой для всех клетей (например, 20-25 %) или же различной для каждой группы клетей. При постоянной концентрации масла для всех клетей работает один смеситель, при дифференцированной подаче для каждой группы клетей устанавливается отдельный смеситель. Смесители обычно имеют вместимость около 1000 л.

64

В циркуляционной системе на пятиклетевом стане в Берне Харборе (США), прокатывающем листовую сталь и жесть, баки для эмульсии оборудованы мешалками, работающими в двух диапазонах скоростей. При прокатке жести применяется высокая скорость перемешивания раствора, что позволяет диспергировать все масло, находящееся в баке. При прокатке листовой стали скорость перемешивания снижается, что приводит к уменьшению концентрации масла в смеси. Клети современных многоклетевых станов оснащают устройствами для дифференцированной подачи технологической смазки вдоль бочки валков. Такие устройства обеспечивают тепловое профилирование валков. Системы смешанного типа применяются на некоторых многоклетевых непрерывных станах, прокатывающих, кроме жести, и листовую сталь или лист толщиной от 0,3 до 2,5 мм. Такие станы оборудуют системой прямого действия (для прокатки жести) и циркуляционной (для прокатки листовой стали). При прокатке тонких полос могут работать комбинировано обе системы технологической смазки. Система нанесения смазки на стане 2030 HЛM3 (рис. 5.9) является составной частью системы смешанного типа (рис. 5.4). Дозирующим насосом 1 производительностью 120 л/мин смесь смазки с водой (из баков 2, 3 для смазки вместимостью 40 м3 и 4 - конденсата - 50 м3) в заданном соотношении 1:3 через подогреватель 5 подается в смеситель 6 вместимостью 2 м3, оборудованный мешалкой 7. Из смесителя насосом 8 (один рабочий, другой резервный, производительность по 65 л/мин, давление 0,7 МПа) смесь через двойной сетчатый фильтр 9 (тонкость фильтрации 0,15 мм) подается к коллекторам 10, установленным перед первой клетью и между клетями.

65 Регулирующее устройство и трехходовой кран обеспечивают постоянный сток избыточного количества смазки в смеситель. Регулятор расхода с дистанционным управлением распределяет смазку на отдельные коллекторы. Предусмотрена также индивидуальная регулировка для отдельных зон коллекторов. На дрессировочных станах, работающих с применением смазочно- или моюще-охлаждающих жидкостей, используются циркуляционные системы (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схема установки для подачи эмульсии на дрессировочном стане 1700 Череповецкого металлургического завода: 1 - бак для эмульсии вместимостью 10м3, 2 - насос вихревого типа, 3 - центрифуга для очистки эмульсии, 4 - коллектор с форсунками, 5 - картер стана

Рис. 5.11. Схема установки для нанесения эмульсии или обезжиривающего (а) и моющеохлаждающего (б) раствора на дрессировочном стане 2030: 1 - бак для эмульсии вместимостью 300 м 3 ,2 - бак для эмульсии 150 м3, 3 - бак для обезжиривающего раствора, 150 м, 4 - насос производительностью 150 л/мин, 5 - фильтр, 6 - коллектор с соплами, 7 - картер, 8 - приемный бак, 3 м3, 9 - насос производительностью 200 л/мин, 10 - дозировочный насос производительностью 50 л/мин, 11,12-емкости, 13 - бак для моющего раствора 2 м, 14 - циркуляционный насос производительностью 40 л/мин, 15 - фильтр, 1 6 - коллектор

66

Дрессировочный стан 2030 HЛM3 оборудован системой для нанесения эмульсии или обезжиривающего раствора непосредственно с эмульсионной системы пятиклетевого стана 2030 (рис. 5.11, а) и для нанесения моющеохлаждающего раствора из отдельной системы (рис. 5.11, б). Избыток эмульсии или моющего раствора стекает в картер и приемный бак 8, откуда насосом 9 возвращается в эмульсионные баки. Обе системы могут работать одновременно. 5.2. СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СМАЗКИ НА МНОГОВАЛКОВЫХ СТАНАХ На многовалковых станах применяются циркуляционные системы нанесения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) (маловязких минеральных масел или стабильных эмульсий минеральных масел). Конструкции систем различаются устройствами очистки масел и эмульсий, а также способом смазки подшипниковых опор валков. В системе для подачи масла последнее является и смазкой для подшипников валковых опор. Надежная автоматизированная система (рис. 5.12) включает резервуар для смазки 2 вместимостью 180 м3, разделенный перегородкой на две равные камеры для чистого и грязного масла. Обе камеры снабжены обогревом 8 и уровнемером с выключателем. Из камеры чистого масла смазка циркуляционными насосами 9 (два рабочих и один резервный, производительность по 5000 л/мин, давление 1,33 МПа) через трубчатые теплообменники 14 подается на стан 1 для смазки и охлаждения валков и полосы, а насосом 11 (один рабочий и один резервный, производительность по 2000 л/мин, давление 0,5 МПа) — для смазки и охлаждения подшипников опор. Рабочие, промежуточные и опорные валки и прокатываемая полоса охлаждаются смазкой с двух сторон стана. Перед станом вмонтированы трехходовые клапаны, с помощью которых можно вести подачу смазки к стану или обратно в резервуар. Отработанное масло со стана стекает в камеру грязного масла, откуда фильтрнасосами 10 (два рабочих и один резервный, производительность по 660 л/мин) подается на намывные фильтры 3 фирмы «Зак» с кизельгуром. Намыв нового слоя кизельгура на фильтровальные свечи осуществляется при помощи устройства, состоящего из намывного бака 5, дозировочного устройства с запасным баком для кизельгура 6, намывного 12 и дозирующего 13 насосов. Очищенное масло из фильтра подается в бак чистого масла через бумажно-патронные фильтры 7, служащие для очистки масла от возможных прорывов кизельгура. Полученная при регенерации фильтра смесь масла, грязи и кизельгура сепарируется в отстойном баке 4, после чего масло возвращается в бак грязного масла, а грязь с кизельгуром выгружается с помощью цепного транспортера из бака, отжимается в прессе и удаляется. Для повышения эффективности охлаждения жидкостей, кроме трубчатых холодильников, устанавливают трубокомпрессорные холодильники (типа фреон-вода), характеризующиеся высокой охлаждающей способностью.

67

Рис. 5.12. Система подачи смазки на 20-валковом стане 1700: ГС - технологическая смазка, СП - смазка подшипников

Типичная система подачи эмульсии (рис. 5.13) на многовалковых станах включает резервуар, имеющий три отсека: для грязной эмульсии, фильтрационную камеру и для чистой эмульсии. Отсек с грязной эмульсией оборудован флотационной установкой. Тонкая очистка эмульсии осуществляется с помощью вакуумных или напорных ленточных фильтров.

68

Рис. 5.13. Система подачи эмульсии на многовалковых станах: 1 - рабочая клеть, 2 - вакуумный ленточный фильтр, 3 - резервуар для эмульсии, 4 - насосы для подачи эмульсии на стан, 5 - насосы для подачи эмульсии на фильтр, 6 - холодильник, В - вода, П - пар, СВ - сжатый воздух

5.3. СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОМАСЛИВАНИЯ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ Промасливание поверхности полос и листов производится в непрерывных травильных линиях перед смоткой в рулон, на агрегатах поперечной резки готовых листов, реже в линии дрессировочных станов при смотке в рулон или при укладке листов, а также на отдельно стоящих агрегатах для промасливания листов. Промасливание полос жидкими маслами осуществляется с помощью форсунок в замкнутой камере либо переносом смазки тянущими роликами. На ролики смазка наносится через коллекторы или комбинированным способом - нижний приводной ролик погружен в масляную ванну, а на верхний неприводной смазка подается через коллектор. При использовании форсунок промасливание травленых полос производится через 4 форсунки (диаметр отверстия 0,4-0,8 мм), распыляющие смазку на обе поверхности полосы. Смазка в коллекторы с форсунками подается из обогреваемого бака лопастным насосом под давлением 6,5 МПа. Излишки смазки из приемного сборника самотеком возвращаются в бак. Узел промасливания помещен в специальную металлическую камеру. В другом случае масло из коллекторов подается в зев между полосой и верхним, а также нижним тянущими валками сверточной машины.

69

Установка для промасливання на травильных линиях (рис. 5.14) включает бак 1 вместимостью 12 м3, откуда эмульсия самотеком поступает в рабочие баки 2 по 3,7 м3, обогреваемые паровыми змеевиками, масло находится в баке. Из рабочих баков эмульсия насосами 4 производительностью 20 м/ч (по одному на каждую линию) подается к коллекторам с соплами, установленными перед тянущими роликами у петлевой ямы. Эмульсия наносится на верхнюю и нижнюю поверхности полосы и равномерно распределяется по ширине полосы тянущими роликами. Избыток масла и эмульсии отжимается в поддоны 5 и 9 и самотеком возвращается в бак. На выходе из тянущих роликов остатки эмульсии сдуваются с кромок полос сжатым воздухом. Промасливание поверхности полос минеральным маслом производится из бака 6 насосами 5 через коллекторы, установленные перед тянущими роликами у сверточной машины.

Рис. 5.14. Схема установки для подачи эмульсионных и масляных смазок для промасливання травленых полос в непрерывных травильных линиях 1 и 2

На заводе фирмы «British Steel Corp.» для промасливання полос в непрерывной травильной линии применяется система электростатического нанесения смазки с распылителями щелевого типа. Смазка наносится только на верхнюю сторону полосы, а при смотке в рулон эта смазка отпечатывается и на нижней. Распылители щелевого типа во избежание взаимодействия с электростатическим полем покрыты изолирующим материалом. Между полосой и распылителями создается разность потенциалов. Высокое напряжение постоянного тока (0-100 кВ) получают от кремниевого выпрямителя, подключенного к трансформатору с регулируемыми ступенями. Блок питания высоким напряжением помещен в стальной резервуар, наполненный маслом. Все элементы системы защищены кожухами. Средняя скорость движения полосы 245-365 м/мин. Число распылителей определяется скоростью прохождения полосы. Вязкость и электрическое сопротивление смазки поддерживается постоянными. Это дости-

70

гается применением нагревателей, установленных в зоне нанесения смазки и обеспечивающих постоянные температуру (27 °С) и вязкость (50-65 106 см3-с) смазки. Толщина слоя смазки может колебаться от 0,005 до 10 г/м2. Способ обеспечивает значительную экономию смазки (до 2273 л в неделю), уменьшение загрязнения окружающей среды, равномерность нанесения смазки. Экономия смазки является результатом точного контроля массы смазки и полного возврата ее из рециркуляционного контура. 5.4. СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СМАЗКИ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ СТАЛИ Для нанесения технологических смазок при горячей прокатке применяют, как правило, системы прямого типа, в которых смазка используется однократно. Это обусловлено подачей большого количества воды для охлаждения валков, особенно при листовой прокатке (до 800 м/ч на клеть). Смазка может подаваться на валки отдельно или вместе с охлаждающей водой. При автономной подаче смазку в большинстве случаев наносят в виде механической смеси с водой. Смеси могут готовиться непосредственно у клети (рис. 5.15, а); в специальной емкости (рис. 5.15, б), из которой смесь по трубопроводам транспортируют к узлу нанесения; в смесителях, установленных в транспортирующей коммуникации с использованием устройств, сохраняющих стабильность водомасляной смеси (рис. 5.15, в), что позволяет отказаться от специальных смешивающих емкостей.

в) Рис. 5.15. Основные типы систем технологической смазки с использованием водомасляных смесей (М - масло, В - вода, П - пар, Ф - фильтр, Н - насос, К - отсекающий клапан, Д - дозатор, СМ - смеситель, УД - устройство для поддержания смеси в дисперсном состоянии)

71

Схемы автономной подачи смазки на валки четырехвалковых клетей непрерывных тонколистовых станов (HTЛC) приведены на рис. 5.16. Во многих случаях предусматривают подачу смазки на опорные валки, при этом количество коллекторов для подачи смазки на нижние валки больше, чем на верхние.

Рис. 5.16. Схемы подачи технологической смазки на валки: а - стан 1725 в Питтсбурге (США), б - стан в Равенскрейге (Англия), в - стан 1725 фирмы «Шарон стил» (Англия), г - стан 1525 фирмы «Шарон стил» (Англия), д - подача смазки в очаг деформации, е - комбинированный способ подачи смазки (автономно на верхний опорный валок и совместно с охлаждающей водой на нижний рабочий валок), ж - подача смазки при одностороннем охлаждении валков

При подаче смазки в коллектор охлаждающей воды (рис. 5.17) смазку из бака 1 при температуре 60-80 °С, шестеренным насосом 2 производительностью 75 л/мин под давлением 0,8-1,0 МПа подают в кольцевую масляную магистраль стана 3 . Давление в магистрали устанавливают регулятором 4.

Рис. 5.17. Схема установки для подачи технологической смазки в коллектор охлаждающей воды на НТЛС 1680 (завод «Запорожсталь»)

От магистрали смазку подают в коллекторы охлаждающей воды 9 по отдельным маслопроводам для верхнего и нижнего рабочих валков со стороны

72

выхода металла из валков через электромагнитные клапаны 5, игольчатые вентили 6, запорные вентили 7 и обратные клапаны 8. Давление смазки на входе в коллектор охлаждающей воды устанавливают на 0,3-0,4 МПа выше, чем давление воды в системе охлаждения. Расход смазки регулируют игольчатым вентилем и контролируют вентилями 10. Бак 1 (емкостью 15 м3) заполняется смазкой из транспортных баков (емкостью по 2 м3) 12 с помощью шестеренного насоса 11 через фильтр 13. На HTЛC 2000 НЛМЗ применяют систему автономного нанесения смазки на валки с помощью специальных коллекторов (рис. 5.18). Масло из емкостей 1 и (или) 2 (емкостью 7,5 и 1,5 м3) насосами 6 производительностью по 35 л/мин подают в аппарат 3, где приготавливается водомасляная смесь.

При необходимости разная концентрация по клетям обеспечивается разбавлением смазки водой в смесителях 7. Пропеллерная мешалка аппарата 3 работает непрерывно и поддерживает водомасляную смесь в дисперсном состоянии. Оказанную смесь по подающей магистрали 8 центробежными насосами 4 (производительностью по 45 м3/ч под давлением 0,62 МПа) подают к клетям по закольцованной магистрали 9 через фильтр грубой очистки (типа ФПЖ-10) 5. Перед разводкой трубопроводов по клетям в магистрали 9 установлен общий отсечной клапан 10. Для дополнительного перемешивания водомасляной смеси и регулирования давления в напорной магистрали 9 предназначена короткая магистраль U. Водомасляную смесь наносят в зев между рабочими и

73

опорными валками на выходе металла из валков с помощью коллектора с паровоздушными форсунками, на нижний рабочий валок смазку дополнительно наносят со стороны входа. Для предупреждения смыва смазки охлаждающей водой зона нанесения ограждена специальными отсекателями воды (рис. 5.19). Реверсивный стан 1200 с моталками в печах НЛМЗ и листовой стан кварто 1500 Ашинского металлургического завода (АМЗ) оборудованы системами нанесения эмульсионной смазки на опорные или рабочие валки с помощью специальных войлочных прижимов (рис. 5.20, 5.21). Система технологической смазки состоит из двух емкостей, насосов, фильтров, электрогидравлического запорного клапана, расходомеров, контактных смазочных устройств и запорной арматуры. Обе емкости оборудованы паровыми змеевиками для разогрева смазки, подогрева воды и эмульсии, а также воздушными коллекторами для перемешивания эмульсола. Эмульсионный бак емкостью Рис. 5.19. Система автономного нанесения 15 м3 служит для приготовления и смазки на валки: 1 - проводковый стол, хранения эмульсии повышенной 2 - отбойники охлаждающей воды, 3 - форсунки для нанесения смазки, концентрации. В рабочем баке ем4 - коллекторы для подачи охлаждающей костью 3 м3 приготавливают воды эмульсию необходимой концентрации путем разбавления водой концентрированной эмульсии из эмульсионного бака. С помощью насоса через фильтр эмульсию подают в контактные устройства. В зарубежной практике подачу смазки на HTЛC осуществляют либо вводом масла в коллектор охлаждающей воды, либо в виде водомасляной смеси или в чистом виде с помощью автономных систем через отдельные коллекторы с форсунками.

74

Рис. 5.20. Система нанесения эмульсионной смазки с помощью прижимов: 1 — эмульсионный бак, 2 - рабочий бак, 3 - насосы подачи эмульсии, 4 - фильтр, 5 - электрогидравлический запорный клапан, 6 - расходомеры, 7 - контактные смазочно-подающие устройства, 8 — прокатные валки; В - вода, ВЗ - воздух, ОП — отбор проб, С - слив, К - конденсат, П - пар

Рис. 5.21. Схема подачи технологической смазки на рабочие валки стана 1500 AM3 (а) и на опорные ваши стана 1200 НЛМЗ (б): 1 - коллекторы водяного охлаждения рабочих валков, 2 - водоотражатели, 3 — коллекторы водяного охлаждения верхнего опорного валка, 4 - смазочно-подающие устройства, Э - эмульсия, В - вода В системе (рис. 5.22) смазку из бака 1 насосом 2 при температуре 37 °С и давлении 2Д МПа подают к рабочим клетям, где с помощью игольчатого клапана 3 она впрыскивается в коллекторы охлаждающей воды 4 для верхнего и нижнего рабочих валков. Воду в коллектор подают под давлением 1,4, М П а насосом 5 при температуре 25 °С. Трубопровод для воды 4 имеет диаметр 76 мм, а масляный трубопровод 6 - 12,7 мм. Датчик 7, соединенный с электро-

75

магнитным клапаном 8, контролирует подачу масла. Он фиксирует вход переднего конца полосы в последнюю (четвертую) клеть чистовой группы, на которую подают смазку. Подачу масла на все клети начинают с подачи импульса от датчика на последней клети. Перед первой клетью чистовой группы установлен пирометр 9, подающий импульс на отключение смазки. При закрытии клапана подачи масла 8 на валки подается только охлаждающая вода.

В системе для автономного нанесения смазки (рис. 5.23) насос 1 с помощью маслопровода 2 соединен с масляным резервуаром через тройник 4 и фильтр 3, а с помощью напорного маслопровода 5 с входным отверстием трехходового электромагнитного клапана 6, одно выпускное отверстие которого соединено с напорным маслопроводом 7, а другое - с циркуляционным маслопроводом 8, соединенным с маслопроводом 2. Масло по напорному маслопроводу 7 поступает к специальному четвернику 9 с манометром 10 и дальше по маслопроводу 11 к тройникам 12, а по маслопроводу 13 к задвижке 14 для регулирования давления. От тройников 12 по маслопроводам 15 масло поступает к задвижкам 16 и обратным клапанам 17, на которых укреплены насадкисмесители 18, направляющие масло в общий трубопровод 19, соединенный с водяным трубопроводом 20. Водяная магистраль снабжена задвижкой 21, фильтром 22, регулятором давления 23, манометром и электромагнитным клапаном 24, соединенным с управляющим блоком 25. Механическую смесь масла с водой, образующуюся в смесителях 18, по трубопроводу 19 через фильтр тонкой очистки 26 и тройник 27 подают в трубопроводы 28 и 29, откуда она поступает на коллекторы 30 соответствующих клетей. Электрическая цепь 31 от источника питания соединена с включателем 32 насоса и управляющим блоком 25. При отсутствии полосы электромагнитный клапан 6 закрыт и масло циркулирует по замкнутой цепи маслопроводов 8 и 2. Благодаря обратным клапанам 17, вода не может проникнуть в маслопровод. Когда полоса поступает в поле

69

действия детектора 33, подается сигнал в управляющий блок 25, который включает электромагнитный клапан 6 и масло по маслопроводу 7 (маслопровод 8 закрывается) поступает в маслопровод 11, при этом давление в них возрастает до величины, превышающей давление воды; это приводит к инжекции масла в общий трубопровод 19. Одновременно открывается клапан 24, в результате чего вода поступает в трубопровод 19, а также электромагнитный клапан 34, обеспечивающий поступление водомасляной смеси в трубопровод 28 на коллектор первой чистовой клети. Клапан 35 открывается по сигналу реле времени 36, которое настраивается с блока управления 25, и водомасляная смесь поступает во вторую клеть чистовой группы и т. д. При прокатке сортовой стали применяются в основном системы автономного нанесения смазки.

Масло

Рис. 5.23. Система автономного нанесения смазки, применяемая на зарубежных непрерывных листовых станах

77

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назначение систем подачи СОТС при холодной прокатке листа. 2. Основные конструктивные схемы систем подачи СОТС при холодной прокатке листа. 3. Системы технологической смазки на многовалковых станах. 4. Системы технологической смазки для промасливания листовой стали. 5. Системы технологической смазки станов горячей прокатки. 6. Схемы установки приготовления и подачи СОТС. 7. Контактное устройство нанесения смазки на валки.

78

6. СОТС В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛИСТОВОГО МАТЕРИАЛА 6.1. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ (СОТС) 6.1.1. ХОЛОДНАЯ ПРОКАТКА Важнейшей задачей прокатного производства на ближайшие годы является его реконструкция на основе новейших достижений науки и техники. Металлургия и машиностроение являются основой развития народного хозяйства, поэтому качественным изменениям в области создания и эксплуатации металлургических агрегатов уделяется первостепенное значение, при этом главная роль отводится расширению производства и повышению качества прогрессивных видов металлопродукции. Решение задачи дальнейшего развития производства листового проката при постоянном повышении его качества невозможно без использования последних достижений науки и техники, квалифицированных кадров. Применение технологических смазок и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при прокатке обеспечивает снижение трения между валками и полосой и их охлаждение. Прокатка является основным, но далеко не единственным местом их применения. Со смазкой в прокатном производстве связаны предварительное промасливание, отжиг, защитная смазка готовой продукции и т. д. По существу весь комплекс процессов, определяющих физико-химические явления на поверхности металла, обусловлен трением, смазкой и другими внешними средами, воздействующими на поверхность металла. Поэтому вопросы, связанные с эксплуатацией технологических смазок и смазочноохлаждающих жидкостей, следует рассматривать только в комплексе со всеми элементами производственного цикла холодной прокатки. Определяющим звеном в этой цепи является процесс в очаге деформации. Рассматривая трение при холодной прокатке, в первую очередь следует определить его место в теории процесса и технологии. Затем необходимо выявить основные закономерности и характер трения для рассматриваемого случая. После этого можно выбрать составы и способы применения технологических смазок и эмульсий. Рис. 6.1 иллюстрирует взаимосвязь процесса трения с технологическими факторами прокатки, а также качеством и сортаментом готовой продукции. Трение определяет силовые условия процесса, формирование микрогеометрии поверхности, износ и охлаждение валков. Силовые условия прокатки определяются фрикционными параметрами трения, от которых зависит толщина прокатываемой полосы, точность прокатки и требуемая мощность оборудования. Пока стан выпускает определенную продукцию, в большинстве случаев нет необходимости снижать трение, которое обеспечивается применяемой смазкой. Однако если улучшить характеристики трения, то на четырехклетевом стане мож-

79

но прокатывать лист, дня обжатия которого требуется пятиклетевой стан, или даже осуществить то же обжатие за три прохода на реверсивном стане [7]. Максимально возможное обжатие и минимально возможная толщина определяются для каждого стана применением той или иной смазки. Поэтому многоклетевые современные станы холодной прокатки, имеющие обычно диаметр рабочих валков около 500 мм, в зависимости от вида продукции (лист, жесть, высокопрочные стали) используют разные типы смазочно-охлаждающих жидкостей [8].

Рис. 6.1. Роль трения при прокатке

Точность прокатки по длине и ширине ленты зависит от постоянства условий трения наряду с такими факторами, как равномерность охлаждения, стабильность механических свойств полосы и т. д. Вид смазки должен быть учтен при расчете возможной разнотолщинности полосы; соответствующим подбором смазки можно добиться получения минимальной разнотолщинности полосы. Формирование поверхности полосы в самом широком смысле определяется смазкой и инструментом (валками) [9]. Микрогеометрия поверхности проката формируется совместным воздействием на полосу инструмента и смазки. В значительной мере смазка определяет те изменения, которые происходят на поверхности металла в процессе его отжига. Образование сажистых налетов, пятен, цветов побежалости определяется остатками смазки и продуктов износа на поверхности металла после прокатки. Образование многих дефектов поверхности связано с применением смазки, которая может как предотвращать, так и способствовать их появлению. Дефекты могут возникать собственно при прокатке (риски, царапины), после отжига (сажа, пятна) и до прокатки - в результате травмирования поверхности полосы при травлении, смотке и размотке рулонов, транспортировке. Эти дефекты тоже связаны со смазкой и трением, но не столь-

80

ко на самом прокатном стане, сколько при других производственных операциях, где тоже используются различные смазки (например, промасливание подката) и другие жидкости (моющие средства, вода с добавками ПАВ в петлевых ямах). Таким образом, качество поверхности металла определяется трением, смазкой и рядом поверхностных явлений на всех операциях производства холоднокатаного листа. К технологическим факторам производства, определяемым применяемой технологической смазкой или смазочно-охлаждающей жидкостью, относятся износ валков и их охлаждение. Необходимость охлаждения инструмента (валков) предопределяет широкое применение жидкостей, основной составляющей частью которых является вода, т. е. различного рода эмульсий. Требования к очистке и рециркуляции эмульсий, а иногда и масел приводят к созданию сложных систем технологической смазки и охлаждения прокатных станов, которые наряду с системами смазки агрегатов являются важнейшей составной частью прокатного оборудования. Эти системы включают в себя конструктивные элементы, общие для всего смазочного оборудования, а также ряд специфических узлов и деталей, требующих специальной разработки. От применения той или иной смазки (эмульсии) зависит конструкция системы ее подачи. В зависимости от выпускаемой продукции выбирают способ смазки. Сортамент (по толщине) и качество продукции (по крайней мере, по поверхности проката) определяются процессами, в числе которых трение является одним из ведущих, Цепь взаимосвязанных технологических операций, в которых трение и смазка играют немаловажную роль, требует полного учета всех факторов, влияющих на условия эксплуатации смазки. Требования, предъявляемые к технологической смазке, очень многосторонни, важнейшие из них: - обеспечение требуемой смазочной способности, т. е. определенной величины сил трения или коэффициента трения и предельной нагрузочной способности; - высокая охлаждающая способность; - чистота поверхности проката, минимальный износ, хорошее моющее действие, способность к очистке; - отсутствие коррозии; стабильность в эксплуатации и при хранении, биологическая стабильность; - удобство подачи, для масел - низкая температура застывания и малая вязкость; - отсутствие вредных воздействий на работающих, т. е. резкого запаха, токсикологического действия; - способность поддаваться разложению и регенерации. Требования к технологическим смазкам и смазочно-охлаждающим жидкостям в каждом отдельном случае зависят от вида продукции и оборудования (например, уровень смазочной способности) и наряду с общими показателями включают в себя дополнительные характеристики, специфичные для каждого вида продукции и типа стана [7, 8].

81

Выбор и правильная эксплуатация технологических смазок и смазочноохлаждающих средств и других вспомогательных жидкостей, применяемых в технологии прокатного производства, могут быть осуществлены только на строго научной основе, исходя из механизма их действия. Можно назвать несколько групп веществ, которые используются как вспомогательные технологические средства при прокатке. Это, прежде всего, вода, масла минеральные, жировые масла и различные поверхностно активные вещества (ПАВ). Изучение ПАВ началось в нашей стране еще в 30-х годах XX века/Широко известны труды П. А. Ребиндера и его школы. Вопросы трения и износа освещены в работах А. С. Ахматова, Б. В. Дерягина, И. В. Крагельского и др. Разработаны теория действия ПАВ, общая теория граничного и жидкостного трения. Технологические свойства смазочно-охлаждающих средств могут быть подробно рассмотрены с позиций молекулярного и химического их взаимодействия с поверхностью металла. В то же время вязкость смазок определяет такие важнейшие свойства, как охлаждающая способность, влияние на отделку поверхности. Применение технологических смазочно-охлаждающих средств в подавляющем числе случаев должно обеспечивать значительный теплоотвод. Практически все современные прокатные станы имеют системы технологической смазки и охлаждения, использующие различные эмульсии. Взаимодействие масел с водой в процессе трения, а затем при очистке смазочно-охлаждающей жидкости является важнейшим фактором их применения и эксплуатации. Роль воды и поверхностно активных веществ также должна рассматриваться с позиций физико-химического взаимодействия жидкостей между собой и с металлическими поверхностями. Требования к технологическим смазочно-охлаждающим жидкостям в каждом конкретном случае формулируются, исходя из требований всей технологии прокатного производства и качества готовой продукции, а не только условий собственно прокатки на стане. Обеспечение же этих требований наряду с конструктивными мероприятиями по системам технологической смазки и охлаждения производится путем выбора оптимального вида и конкретного состава смазки, причем в этом вопросе следует исходить из природы трения при прокатке и поверхностных физических явлений адсорбции, смачивания, химического взаимодействия и т. п. 6.1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СОТС ПРИ ПРОКАТКЕ 6.1.2.1. Требования, предъявляемые к технологическим смазкам и жидкостям Технологические смазки должны удовлетворять целому ряду требований технического, экономического и санитарно-гигиенического характера. В зависимости от назначения и конструкции прокатного стана перечень требований к

82

смазке может меняться. Однако имеются и общие, основные требования, которые указаны ниже: - снижение сил внешнего трения (коэффициента трения); - уменьшение износа и предотвращение налипания металла на валки; - обеспечение чистоты и оптимальной шероховатости поверхности проката; - высокая теплоемкость (для смазочно-охлаждающих жидкостей); - стабильность состава и свойств; - удобство подачи на валки и металл; - отсутствие вредного воздействия на металл и оборудование (коррозия и проч.); - нетоксичность, отсутствие неприятного запаха; - минимальное загрязнение и простота очистки сточных вод; - дешевизна и недефицитность (для смазок широкого применения). Некоторые из указанных требований нуждаются в дополнительном пояснении. Снижение сил трения на контактной поверхности в очаге деформации, как уже отмечалось, является одним из основных назначений технологической смазки. Под эффективностью смазки обычно понимают именно ее антифрикционную эффективность. Однако снижение сил трения сопровождается ухудшением захватывающей способности валков. Поэтому уменьшение коэффициента трения ограничено пределом, определяемым условиями захвата: - при подводе полосы к валкам

— при установившемся процессе прокатки

В случае нарушения соотношений (6.1) или (6.2) нормальный процесс прокатки прекращается, так как возникает буксование валков по металлу. Условия трения при прокатке являются оптимальными тогда, когда величина сил трения минимальна, но достаточна для надежного захвата полосы валками. При выборе технологической смазки необходимо учитывать это основное положение. Требования к чистоте поверхности металла особенно высоки при производстве холоднокатаных листов конструкционного назначения. Такие листы (полосы) поступают на отжиг без предварительной очистки. Смазка, остающаяся на поверхности металла, не должна быть причиной образования (при отжиге) черных пятен, сажи, пригаров и других поверхностных дефектов подобного характера. Хорошие результаты дают смазки, обладающие моющими свойствами. Они способствуют удалению с поверхности металла различных загрязнений, как

83

наносимых на предыдущих переделах, так и образующихся в процессе прокатки. Применение смазки с аналогичной целью при дрессировке отмечено выше. При производстве жести и других видов продукции с металлическими и неметаллическими покрытиями полосы перед поступлением на отжиг, как правило, подвергаются обезжириванию в чистильно-моющих агрегатах. В этом случае моющая способность смазки имеет меньшее значение. По своим физическим свойствам смазка должна быть удобной для подачи на валки и металл. В этом отношении явным преимуществом обладают маловязкие смазки и смазочно-охлаждающие жидкости. Применение высоковязких смазок в чистом виде, несмотря на их эффективность, практически трудно осуществимо. Температура плавления смазки не должна быть выше 35-40 оС. j На современных высокопроизводительных станах годовой расход смазки составляет сотни тонн. Поэтому желательно применять смазки, которые были бы дешевле или, по крайней мере, не дороже рядовых минеральных масел. Нельзя признать экономичным использование в качестве смазки жиров и масел, относящихся к категории пищевых продуктов. Лишь в случае производства особо ответственных изделий в относительно небольших количествах вопросы стоимости и дефицитности смазки отходят на второй план. Следует отметить, что не существует универсальных смазок, отвечающих в полной мере всем вышеуказанным требованиям и пригодных для любых условий прокатки. В связи с этим на станах разного типа и назначения применяют разные смазки. Они различаются как по химическому составу, так и по физическому (агрегатному) состоянию. Многообразие требований к технологическим смазкам обусловливает сложность и трудность задачи по изысканию новых смазок и внедрению их в производство. 6.1.2.2. Основные типы прокатных СОТС Смазки можно классифицировать по химическому составу, агрегатному состоянию, назначению и др. По агрегатному состоянию смазки, используемые в прокатном производстве, можно разделить на три основные группы: 1 - масла и водомасляные смеси; 2 - эмульсии; 3 - твердые смазки. Классификационная схема технологических смазок [7,10,24 и др.], включающая масла й эмульсии для прокатки, приведена на рис. 6.2. Эта схема дает перечень типовых составов и отражает связь между ними. На ее основе общая укрупненная классификация смазок для обработки металлов давлением состоит из следующих групп веществ и их сочетаний: минеральные масла, жиры, минеральные масла с добавками^ эмульсии без эмульгатора, эмульсии с эмульгатором. В конечном итоге ассортимент исходных продуктов, подлежащих изучению, включает углеводороды минеральных масел, жиры, жирные кислоты, мыла и изготовленные на их основе смазки и эмульсии.

84

Рис. 6.2. Классификационная схема состава смазок и смазочно-охлаждающих средств для прокатки

Масла и водомасляные смеси На прокатных станах применяют в основном жидкотекучие масла, удобные для нанесения на валки и металл. По химическому составу их подразделяют на следующие подгруппы: а) минеральные масла; б) растительные и животные жиры; в) масла на основе синтетических жирных кислот; г) смеси минеральных масел с растительными или синтетическими (компаунды); д) смазки на основе отходов производства растительных масел. Из минеральных масел при прокатке применяют трансформаторное, индустриальное 12 и 20 (веретенное 2 и 3), цилиндровое 11, цилиндровое 24 (вискозин), прокатное 28 (брайтсток) и др. Эти масла изготавливают из нефти. Указанные масла применяют при прокатке в чистом виде или с небольшими добавками антикоррозионных, моющих, противоокислительных и других присадок. Масла с присадками иногда называют легированными. К числу наиболее распространенных растительных масел, получивших применение в каче-

85

стве технологической смазки, относятся: пальмовое, касторовое, хлопковое, подсолнечное, кориандровое. Растительные масла (жиры), как и животные, представляют собой сложную смесь глицеридов, т. е. сложных эфиров глицерина (трехатомного спирта), и жирных кислот. Входящие в состав глицеридов жирные кислоты принадлежат к классу органических соединений, называемых карбоновыми кислотами. Они характеризуются наличием карбоксильной группы СООН и углеводородного радикала. Углеводородные радикалы СН3(СН2)п могут быть насыщенными (без двойных связей) и ненасыщенными (с одной или несколькими двойными связями). Различие в физико-химических свойствах жирных кислот обусловливается длиной и формой молекулярной цепи и степенью ненасыщенности углеводородного радикала. В животных жирах содержатся в значительном количестве насыщенные жирные кислоты типа стеариновой, в растительных - ненасыщенные кислоты типа олеиновой, линолевой. Животные жиры, из-за высокой температуры плавления и дороговизны, в качестве технологической смазки при прокатке применяются очень редко. Растительные масла используются как в натуральном виде (пальмовое, касторовое), так и после специальной обработки - гидрогенизации, полимеризации, поликонденсации, способствующей улучшению их смазочных свойств (гидрогенизированные масла: подсолнечное и кориандровое, полимеризованное хлопковое масло и др.). При прокатке растительные масла подаются на металл и валки в чистом виде либо в виде механической смеси с водой (дисперсии). Последнее осуществляется, например, на жестепрокатных станах, где в качестве смазки часто используется пальмовое масло в смеси с водой в соотношении от 1:3 до 1:8. Как известно, натуральные масла не растворяются в воде и не образуют с ней устойчивых систем, не подверженных расслоению. Поэтому при использований водомасляных смесей установки для подачи смазки должны иметь емкость для интенсивного перемешивания среды (механического или сжатым воздухом). В большинстве случаев растительные масла используются при прокатке без введения присадок. Иногда к более вязким маслам добавляют в небольших количествах моющие присадки. В настоящее время усилия исследователей направлены на то, чтобы изъять пищевые растительные жиры из сферы технологического потребления, заменив их синтетическими продуктами. Основными жирозаменителями, используемыми при прокатке, являются эфиры синтетических жирных кислот. Синтетические жирные кислоты (СЖК) получают жидкофазным окислением нефтяного парафина кислородом воздуха в присутствии катализатора [5]. Для приготовления прокатных смазок в основном используют синтетические жирные кислоты фракций С 1 7 - С20 и С10-С16. Известен ряд синтетических технологических смазок: триэтиленгликолевый эфир СЖК фракции С17- С20 (Л3-142), бутиловый эфир СЖК той же фракции (Л3-193), смазка СТП-1 (триэтиленгликолевый эфир СЖК с добавкой

86

20 %-ного триэтиленгликолевого эфира олеиновой кислоты) и другие. Однако эти смазки, за исключением СТП-1, широкого применения при прокатке черных металлов пока не получили из-за их высокой температуры плавления, большой испаряемости, а при снижении температуры плавления - недостаточной смазочной способности. В некоторых случаях для прокатки рекомендуются смеси минеральных масел с растительными или синтетическими продуктами в различных соотношениях (компаунды). Введение растительных масел или синтетических продуктов в минеральное масло преследует цель повышения эффективности смазки без значительного увеличения вязкости. Указанные добавки заметно изменяют физические и смазочные свойства основного компонента лишь тогда, когда они сравнительно велики (не менее 10 %). В качестве примера можно назвать смазки, известные под марками ТПС-К10 и ТПС-К30. Они представляют собой минеральное масло индустриальное 20 или 12 с добавкой, соответственно, 10 и 30 % продукта конденсации синтетических жирных кислот фракции C2i и выше с триэтаноламином. В последние годы в нашей стране ведутся работы по созданию смазок на основе отходов производства растительных масел и органических кислот. Эти смазки выгодно отличаются от натуральных растительных масел не только меньшей стоимостью, но часто также и лучшими смазочными свойствами. К этой категории смазок относятся: смазка ОПСК, представляющая собой продукт пиролиза касторового масла, получаемый при производстве себациновой кислоты [13]; касторин - жирные кислоты и жиры, выделенные из касторового соапстока; смазка «Металлургическая» полиэтирифицированные жирные кислоты, выделенные из отходов производства растительных масел, и другие. Эмульсии Эмульсией называется достаточно устойчивая система из двух жидких фаз, одна из которых распределена в виде мельчайших капелек в другой. Ту жидкость, которая образует капельки, называют дисперсной фазой. Остальная часть эмульсии - это дисперсионная (непрерывная) среда. Эмульсии нашли широкое применение во всех процессах прокатки. Они выгодно отличаются от масел высокой охлаждающей способностью, возможностью длительного использования в циркуляционных системах, сравнительно низким расходом смазки, а иногда и лучшими антифрикционными свойствами. Получение устойчивых эмульсий типа масло - вода возможно только при наличии в растворе третьего компонента - эмульгатора. В качестве последнего часто применяются натриевые и калиевые мыла - соли жирных и нафтеновых кислот. При попадании масла в воду из-за большого поверхностного натяжения на границе их раздела вода не смачивает масло, и поэтому последнее сосредоточивается на поверхности воды в виде отдельной фазы. Если в воду ввести мыло, то оно растворяется, уменьшая поверхностное натяжение воды. Мыльный раствор смачивает гидрофобные частицы масла. В результате на поверхно-

87

сти капелек масла образуется коллоидно-адсорбционная пленка мыл с достаточно высокой вязкостью и прочностью. Таким образом, капельки масла оказываются изолированными одна от другой и при механическом перемешивании равномерно распределяются в воде, образуя стабильную эмульсию. Кроме мыл, в качестве эмульгаторов могут применяться синтетические органические вещества, например, поверхностно активные вещества ОП-7 и ОП-Ю (продукты конденсации окиси этилена с фенолами или жирными спиртами), оксиэтилированные жирные кислоты (стеарокс 6, стеарокс 920) и др. На практике для приготовления эмульсий чаще всего используют эмульсолы-композиции, состоящие из масла и эмульгатора. Эмульсолы поставляются маслохимзаводами. Эмульсии из них готовят непосредственно в прокатных цехах. Смазочная способность и эксплуатационные свойства эмульсий зависят от типа диспергированного вещества (вида масла), его концентрации, типа и количества эмульгатора, жесткости воды, конструкции циркуляционных смазочных систем и других факторов. Так же, как и масла, эмульсии подразделяются на подгруппы в зависимости от химического состава основы, т. е. дисперсной фазы. Применяются эмульсии на основе: минеральных масел; растительных масел и животных жиров; синтетических продуктов; смесей минеральных и растительных масел или синтетических продуктов в различных соотношениях; отходов производства растительных масел; твердых веществ. В отечественной практике наибольшее распространение получили водные эмульсии на основе минеральных масел: эмульсия из эмульсола Э-2 (Б) по ГОСТ 1975-83 (около 80 % масла индустриального 20, остальное - омыленные нафтеновые кислоты), а также эмульсия из эмульсола Т (минеральное масло, заэмульгированное триэтаноламиновым мылом олеиновой кислоты). В зарубежной практике широко распространена эмульсия из эмульсола Прозойль-3 (минеральное масло, заэмульгированное мылами и неионогенными веществами). Эмульсии минеральных масел могут применяться с различными противозадирными, антикоррозионными, моющими, противобактерицидными и другими присадками. К числу обычных антикоррозионных присадок относится кальцинированная сода, которая также повышает стабильность эмульсии. В некоторых случаях кальцинированная сода может выполнять функцию эмульгатора (путем образования мыл). На практике применяются эмульсии на основе растительных масел. Можно отметить, например, высокоэффективную эмульсию полимеризованного хлопкового масла. Известны эмульсии пальмового и кориандрового масел [11]. К эмульсиям на основе синтетических продуктов относятся эмульсии смазок Л3-142 и Л3-205 (Л3-142+4-20 % триэтаноламинасидола), эмульсия так называемого мыльного клея (АНСК-50 - полупродукт, получаемый при производстве синтетических жирных кислот и представляющий собой мыла монокарбоновых кислот фракции С10-С16), эмульсии смазки А-20, эмульсии на основе окисленного петролатума и др.

81

Известны эмульсии на основе смесей минеральных масел с растительными или синтетическими продуктами, например, эмульсии смазок ТПС-К10 и ТПС-КЗО, эмульсия смеси масел полимеризованного хлопкового и идустриального 20 (в соотношении 1:1). К числу эмульсий, изготовленных на основе отходов производства растительных масел, относятся эмульсии смазки «Металлургическая», касторового соапстока, смазки ОПСК и др. Концентрация всех водо-масляных эмульсий, применяемых в прокатном производстве, в большинстве случаев находится в пределах от 1 до 10 %. В особую подгруппу следует выделить эмульсии, включающие твердую фазу. Известна эмульсионная смазка «United International Research» (США), в состав которой входят тонкодисперсный графит, водный раствор аминоамидного соединения, нитрид бора и антикоагулятор [11]. Твердые смазки К этой группе смазок можно отнести стеклосмазки, а также смазки на основе графита или воска, которые в настоящее время находятся в стадии промышленных испытаний при горячей прокатке листовой и сортовой стали. В водных растворах способностью адсорбироваться на поверхностях раздела фаз и понижать их поверхностную энергию в той или иной степени обладают многие органические соединения, молекулы которых содержат полярные гидрофильные группы и углеводородные радикалы. Однако к поверхностно активным веществам в обычно принятом в технике смысле относят только вещества с резко выраженной адсорбционной способностью. Так как поверхностная активность органических веществ растет с длиной углеводородных цепей молекул, то наиболее эффективными ПАВ являются более высокие члены гомологического ряда, содержащие 12-18 атомов углерода в молекуле. Работа адсорбции таких соединений велика, что позволяет при небольшой их концентрации в водном растворе резко снизить его поверхностное натяжение: на границе водный раствор - воздух при 20 °С с 72,8 МДж/м2 (72,8 эрг/см2) до 30 МДж/м2 (30 эрг/см2); на границе водный раствор - углеводород с 50 МДж/м2 (50 эрг/см2) до значений в несколько МДж/м2 (эрг/см2). Для многих ПАВ, молекулярно растворимых в воде (карбоновых кислот, аминов, спиртов жирного ряда, ароматических соединений и др.), эффективность действия ограничена малой растворимостью в воде, убывающей с удлинением цепей молекул. Гомологи жирного ряда от С14 и выше нерастворимы в воде. Поэтому ПАВ такого типа эффективно можно использовать или самостоятельно, или в неводных (масляных) средах. Наиболее важную для практических целей группу ПАВ составляют органические соединения, водные растворы которых имеют коллоидный характер. Типичными представителями их являются соли (мыла) жирных кислот С12 - С18. В водных растворах они диссоциируют. Наличие в молекулах ионизированных (выражено гидрофильных) групп повышает растворимость мыл по сравнению с соответствующими кислотами, что расширяет эффективный диа-

89

пазон их использования. В растворах мыл, начиная с критической концентрации мицеллообразования, поверхностно активные вещества находятся не только в виде молекул (ионов), но и в форме находящихся с ними в равновесии больших агрегативных скоплений - мицелл, являющихся носителем коллоидных свойств растворов. Мицеллы - частицы дисперсных фаз в коллоидных системах - сложные комплексные физико-химические соединения, составной частью которых являются атомы, молекулы, ионы. Мицеллы лиофильных коллоидов представляют собой комплексы молекул (или ионов) мыл, имеющих выраженную полярную асимметрию. Такие молекулы состоят из длинного углеводородного радикала и полярной группы. В водных растворах молекулы мыла вследствие молекулярного взаимодействия ориентируются таким образом, что углеводородные цепи образуют внутреннее гидрофобное ядро, а наружная поверхность состоит из гидрофильных групп. В растворах мыл мицеллы имеют сферическую форму размером 10-5-10-7 см. В углеводородных средах мицеллы мыла принимают обратное строение, т. е. гидрофобные группы образуют поверхность. Ядра мыльных мицелл могут поглощать значительное количество веществ, противоположных дисперсионной среде по полярности и потому нерастворимых в ней. Этим самым повышается их растворимость. Повышение растворимости малорастворимых или нерастворимых веществ называется солюбилизацией. Типичный пример этого явления - растворение минерального масла в воде под воздействием мыла с образованием эмульсии. Общие закономерности мицеллообразования можно сформулировать следующим образом [14]. Увеличение длины цепи в ряду парафинов способствует мицеллообразованию. Ионогенные группы оказывают на величину критической концентрации меньшее влияние, чем углеводородная цепь. При понижении температуры мицеллообразование понижается. При одинаковом числе атомов углерода полярные молекулы с разветвленными углеводородными цепями менее склонны к образованию мицелл, чем молекулы с прямыми цепями. Добавка электролитов в небольших количествах повышает, а в больших снижает устойчивость мицелл. Мицеллообразование неионогенных веществ отличается от мицеллообразования ионогенных веществ. Гидрофобная часть молекулы ионогенного вещества обычно значительно больше гидрофильной, тогда как у неионогенных веществ гидрофильная часть велика и может превышать гидрофобную. Кроме того, у неионогенных веществ отсутствует электрический заряд, что способствует мицеллообразованию. Поэтому критическая концентрация мицеллообразования у неионогенных веществ ниже, чем у ионогенных (например, у гексадецилсульфаната натрия 5,4-10-4, а у оксиэтилированного гексадеканола даже 5-10-5 моль/л). При увеличении длины оксиэтиленовой цепи в неионогенном соединении критическая концентрация мицеллообразования повышается. По своему действию на критическую концентрацию мицеллообразования двенадцать оксиэтиленовых групп соответствуют одной метиленовой группе в гидрофобной части.

90

Наибольшая эффективность действия ПАВ достигается при такой их молекулярной структуре, когда в ней сбалансированы свойства полярных групп и неполярных цепей. Характеристикой такого баланса является число ГЛБ (гидрофильно-лиофильного баланса) [4]. Чем больше сдвинуто соотношение гидрофобных и гидрофильных групп в молекуле в сторону гидрофильности, тем выше число ГЛБ. Ниже приведены числа ГЛБ некоторых эмульгаторов:

Представление о примерном значении чисел ГЛБ эмульгаторов дает их поведение в воде. При ГЛБ 1-4 вещество не диспергируется; при 5- 6 диспергируется слабо; при 7-10 образуется устойчивая эмульсия при тщательном размешивании; при 10-13 самопроизвольно образуется молочно-белая эмульсия; свыше 13 - образуется прозрачный раствор. По числам ГЛБ можно судить, является ли вещество эмульгатором. Однако его способность эмульгировать по этому числу определяется весьма косвенно, так как она зависит от химической природы эмульгатора и от гидрофобности - гидрофильности эмульгируемых веществ. Одним из классификационных признаков ПАВ может служить их способность растворяться в воде: нерастворимые или малорастворимые (карбоновые кислоты, амины, спирты жирного ряда, эфиры); коллоидно-растворимые (жировые мыла, мыла жирных кислот, синтетические мыла); растворимые. Поверхностно активные вещества классифицируются и по своему происхождению: естественные (растительные масла, животные жиры) и синтетические (алкилсульфонаты, синтезированные эфиры, оксиэтилированные соединения) и др. Наиболее характерной и в технологическом использовании наиболее важной является классификация ПАВ по степени диссоциации в воде: ионогенные и неионогенные вещества. Ионогенные соединения диссоциируют в воде и по характеру образующихся длинноцепочечных ионов подразделяются на анионоактивные и катионоактивные вещества. Неионогенные соединения не диссоциируют в водных растворах, однако, обладают значительной растворимостью вследствие присутствия в молекулах полярных групп. Большинство ПАВ анионоактивно. Однако, обладая большой эффективностью, они весьма чувствительны к действию электролитов, снижают свою эффективность в жесткой воде, дают слишком обильную пену. Исключение составляют синтетические анионоактивные вещества, которые, являясь силь-

91

ными органическими электролитами, не подвержены отрицательному действию солей жесткости воды. Синтетические анионоактивные ПАВ обладают также более широким диапазоном технологических свойств, чем обычные мыла. К катионоактивным веществам относятся соли длинноцепочечных аминов, четвертичные аммониевые основания и др. В практике прокатного производства катионоакгивные ПАВ практически не применяются из-за низких технологических свойств, кроме того, устойчивые эмульсии образуются в кислых средах, что связано с появлением коррозии. Среди неионогенных соединений наибольшее значение имеют продукты оксиэтилирования длинноцепочечных (Сю - С2о) жирных кислот, спиртов, аминов, алкилфенолов и др. К этим же веществам относятся простые и сложные эфиры многоатомных спиртов и жирных кислот С12 и выше). Среди неионогенных ПАВ в особую группу следует выделить так называемые защитные коллоиды, обладающие сильной стабилизирующей способностью (метил- и карбоксил-метилцеллюлоза, лигносульфоновые кислоты, глюкозиды). Благодаря своеобразным полуколлоидным свойствам на поверхности раздела они создают ориентированный адсорбционный слой (до 30 А), который существенно влияет на характер поверхностных взаимодействий. Неионогенные оксиэтилированные соединения получаются путем последовательного присоединения к молекуле жирной кислоты полярных групп окиси этилена. Все свойства таких соединений можно регулировать изменением количества молекул присоединяемой окиси этилена, составом органической (гидрофобной) части, а также структурой оксиэтилированного соединения (табл. 6.1). Таблица 6.1 Сравнительные значения моющей способности анионоактивных и неионогенных продуктов, % [41 Характеристика моющей Сталь Сталь Алюминий Медь способности углеродистая нержавеющая Способность удалять 26/46 25/38 12/34 11/33 загрязнения с поверхности Способность предотвращать 37/49 43/48 40/47 30/47 загрязненность поверхности после удаления загрязнений (предотвращать их оседание) Примечания: 1. В числителе указана моющая способность анионо-активных продуктов, в знаменателе неионоактивных продуктов. 2. 100—абсолютно чистая поверхность, 0—грязная поверхность до очистки.

Гидрофильная часть неионогенных ПАВ химически инертна, что дает возможность использовать их в смеси с различными компонентами для достижения комплексного эффекта.

92

Поверхностно активные вещества являются носителями разнообразных свойств (смачивающее, пенообразующее, эмульгирующее, диспергирующее, солюбилизирующее, моющее и др.). В основе этих свойств лежит смачивающая способность ПАВ. При смачивании следует различать два процесса: 1) проникновение жидкости в капилляры и вытеснение другой жидкости или газа; 2) протекающее во времени образование мономолекулярного слоя на поверхности. Низкое поверхностное натяжение способствует протеканию обоих процессов. Быстрому падению поверхностного натяжения во времени благоприятствуют такие факторы, как высокая концентрация молекул смачивателя, его низкий молекулярный вес, в то же время площадь, занимаемая одной молекулой смачивателя, должна быть велика. Поверхностно активные свойства ПАВ обусловливают и их технологические свойства. 6.1.3. ЭМУЛЬСИИ Увеличение скорости прокатки, обжатий и освоение производства сталей с высокими показателями прочности за последние 10-20 лет привели к увеличению мощности привода прокатных станов в несколько раз. В конечном итоге 90 % энергии выделяется в виде тепла [8] и его отвод становится первейшей задачей. За редчайшими исключениями, современные станы холодной прокатки оснащены циркуляционными системами технологической смазки, в которых, как правило, используются различные эмульсии. Эмульсии, применяющиеся при холодной прокатке, представляют собой гетерогенные дисперсные системы, в которых внешней фазой (дисперсионная среда) является вода, а внутренней (дисперсная фаза) - масло для прокатки. Следует различать эмульсии на базе минеральных масел, минеральных масел с присадками и жиров. По способу диспергирования их необходимо подразделить на эмульсии, стабилизированные эмульгатором, и без эмульгатора. Описание общих свойств эмульсий и закономерностей их образования содержится в трудах, специально посвященных этому вопросу [6, 15, 16 и др.]. Ниже рассматриваются только те свойства эмульсий, которые имеют прямое отношение к их применению при прокатке. Кратко напомним, что минерально-масляные эмульсии применяются на четырехвалковых станах в качестве единой смазочно-охлаждающей жидкости практически при производстве всех видов продукции, кроме жести. Как правило, для прокатки автолиста и высокопрочных сталей стремятся применять эмульсии с содержанием жиров до 10-15 % от масла и с другими присадками. Все эмульсии этого типа стабилизированы эмульгаторами и самопроизвольно не разлагаются. Эмульсии жиров, применяемые главным образом при производстве жести, используются без эмульгаторов или с их недостатком. Нестабильные эмульсии жиров, а изредка и тяжелых минеральных масел поддерживаются в стабильном состоянии с помощью интенсивной циркуляции. Составы и свойства эмульсий с эмульгатором намного сложнее, чем составы и свойства нестабилизированных жировых эмульсий, однако, ряд

93

основных закономерностей, присущих эмульсиям вообще, для обеих групп одинаков. Учитывая это, целесообразно вначале рассмотреть свойства жировых эмульсий без эмульгатора, а затем свойства более широко применяемых стабильных эмульсий. 6.1.3.1. Эмульсии без эмульгатора Нестабильные эмульсии, иначе называемые водомасляными смесями или дисперсиями, приготавливаются путем интенсивного перемешивания масла с водой в мешалках типа химических мешалок-реакторов при скорости вращения лопастей 100-200 об/мин. Такого перемешивания достаточно для образования грубодисперсной смеси. Поскольку специально введенные эмульгаторы отсутствуют, температура эмульсии должна соответствовать температуре ее максимальной устойчивости (-70 °С). Для поддержания смеси в стабильном состоянии в трубопроводах должна обеспечиваться достаточная скорость потока. Установлено [12], что турбулизация потока эмульсий с жирными маслами концентрацией 10-20 % наступает при числе Рейнольдса 1400-1600, т. е. несколько раньше, чем для чистой воды, а для поддержания стабильного состава эмульсии достаточны и меньшие скорости, отвечающие числам Рейнольдса 1000-1200. Выполнение этого условия позволяет достигнуть равномерности состава эмульсии во всей системе, а также достаточной ее дисперсности. Таким образом, в основу расчета трубопроводов систем подачи рассматриваемых эмульсий может быть положено число Рейнольдса около 1000. Стабильность водо-масляных смесей определяется их концентрацией. На рис. 6.3 показана зависимость времени расслоения от концентрации масла в воде жесткостью 4 мг экв/л при 70 °С. В интервале от 2 до 20 % стабильность равномерно возрастает. Уменьшение температуры несколько снижает стабильность, так же как и ее увеличение до 90° и более. Однако значительно больше влияет жесткость воды и присутствие в ней умягчителей. При использовании воды жесткостью 7-8 мг. экв/л и более жесткой в эмульсии появляются образования, напоминающие хлопья. Ее стабильность падает, но отделяющееся масло содержит до 50 % воды в виде эмульсии в масле. Если вода имеет показатель рН намного более 7,5-8,5, то полного расслоения не наблюдается. Часть масла остается в виде более стабильной эмульсии. Эмульгирование наблюдается при использовании умягченной воды и конденсата, но в значительно меньшей мере. Эти явления обусловлены взаимодействием жирных кислот масла с анионами Са2+, Mg2+, Na+ с образованием мыл, которые выполняют в первом случае роль деэмульгаторов, а во втором - эмульгаторов. Поэтому для приготовления стабильных водомасляных смесей следует рекомендовать обычную воду малой жесткости. Опыты по применению конденсата не обнаружили каких-либо преимуществ ни в отношении стабильности смесей, ни в отношении чистоты поверхности проката.

94

Рис. 6.3. Время полного расслаивания эмульсий смазок СТП-1 и ПКС-1 в зависимости от концентрации при 70 °С

Следует отметить, что стабильность более легкоплавких масел (ПКС-1, кориандр 2) оказывается несколько ниже, чем тугоплавких (пальмовое масло, СТП-1 и др.). Повышенную чувствительность к качеству воды обнаруживают масла, содержащие большое количество свободных жирных кислот - синтетические, пальмовое после длительного хранения и т. д. Эмульсии синтетических масел практически во всех случаях стабильней, очевидно, из-за содержания в них моноэфиров гликолей и других многоатомных спиртов, являющихся слабыми эмульгаторами (число ГЛБ - 4-7). Следует специально остановиться на таких физических свойствах водомасляных смесей, как фазовый состав, структура и вязкость. Наиболее наглядно можно проследить взаимосвязь фазового состава и вязкости на примере эмульсии смазки ПКС-1 (рис. 6.4, 6.5). До концентрации около 26 % существует эмульсия воды в масле, вязкость соответствует расчетной. В интервале от 26 до 74 % вязкость выше вязкости воды почти в тысячу раз. В этой области наблюдаются множественные эмульсии. Очевидно, при концентрации более 26 % поверхностное натяжение на границе масло - вода весьма близко к нулю. В области большой вязкости обнаружены структуры, близкие к коллоидным растворам, четкой границы фаз под оптическим микроскопом обнаружить не удается.

95

Концентрация масла в воде, % Рис. 6.4. Вязкость UK эмульсии смазки СТП-1 при 70 °С, определенная экспериментально (1) и по формуле Эйнштейна (2). Цена деления шкалы вязкости для концентраций до 15 % дана в скобках

Вся масса эмульсии состоит как бы из одних «границ», которые наблюдаются в виде полосчатой структуры, обусловленной, вероятно, переменной концентрацией сильно сольватированных частиц масла. При содержании масла в воде более 74 % во всех исследованных случаях наблюдается обратная эмульсия воды в масле, вязкость которой тоже подчиняется строгой закономерности. Практически наблюдаются следующие случаи: 1. Во всем диапазоне концентраций существуют три области фаз (масло в воде, множественная эмульсия, или коллоидная система, вода в масле). Этот случай характерен для жиров, в составе которых имеются свободные жирные кислоты в малом количестве; 2. До концентрации 26 % наблюдается эмульсия масла в воде, а далее эмульсия воды в масле с незначительными (в области 25-35 % масла) участками множественной эмульсии или коллоида. Этот случай характерен для жиров с высоким содержанием свободных жирных кислот;

96

3. Эмульсия масла в воде существует до 74 % масла в воде, после чего происходит обращение фаз. Такая структура эмульсий характерна для минеральных масел и жиров, не содержащих свободных жирных кислот (полимеризованное хлопковое масло). Полученный результат предопределяет техническую невозможность использования при прокатке жировых водомасляных смесей концентрацией более 25 % из-за резкого повышения вязкости. Охлаждающая способность высококонцентрированных эмульсий масла в воде меньше, чем у воды (по некоторым данным, в три-четыре раза) [17]. В то же время при концентрациях менее 10 % она снижается только на 30-40 %, что выше, чем следовало бы ожидать в результате увеличения вязкости, и может быть объяснено ухудшением смачиваемости поверхности металла водой. По другим данным (В. К. Белосевич, Г. В. Смирнов и др.), при раздельной подаче 25 %-й водомасляной смеси и воды для охлаждения заметного различия от охлаждения водой или малоконцентрированной (3-4 %) эмульсией не отмечается, если в масле нет избытка (свыше 5-10 %) свободных жирных кислот. Смазочную способность водо-масляных смесей исследовали в лабораторных и промышленных условиях. Полученные результаты показывают, что по мере роста концентрации до 16-20 % эффективность непрерывно возрастает, достигая эффективности чистого масла или несколько выше. Таким образом, точка максимальной эффективности смеси соответствует моменту значительного снижения поверхностного натяжения на границе масло - вода. Однако уменьшение последнего до нуля и образование множественной эмульсии или коллоида ведут к понижению смазочного эффекта. Роль воды при образовании граничной пленки следует рассматривать двояко. С одной стороны, как было показано в начале главы, ее присутствие полезно, а с другой - избыток воды повышает силу трения. Речь идет о воде, которая может участвовать в формировании граничной пленки, т. е. связанной с маслом, по крайней мере, силами Ван-дер-Ваальса. При «нулевом» поверхностном натяжении вода будет участвовать в образовании всего граничного слоя, а при несколько отличном от нуля - только во внешней его части, что и позволяет получить условия трения не хуже, а иногда лучше, чем с чистым маслом. Исследования прокатки высокопрочных нержавеющих сталей и сплавов с водомасляной смесью смазки Л3-142, проведенные В, К. Белосевичем и А. Г. Белостоцким, показали, что по мере роста давлений минимум сил трения может сдвигаться вплоть до концентрации 50 %, причем в этих условиях эмульсия эффективней чистого масла. Полученный результат может свидетельствовать и о том, что на мало химически активных поверхностях вода ускоряет образование граничного слоя, сокращая латентный период. Одновременно на менее химически активных поверхностях вытеснения масла водой из первичного адсорбционного масляного граничного слоя не происходит. Это предположение, однако, требует дополнительных обоснований.

97

98

То, что снижение величины сил трения с ростом концентрации до оптимальной обусловлено изменением свойств граничной пленки, подтверждается определением количества продуктов износа (рис. 6.6). Минимальное содержание продуктов износа соответствует концентрации эмульсии, отвечающей наименьшему значению сил трения. Этот же результат получен на пятиклетевом жестекатальном стане 1200, когда увеличение отношения масла к воде с 1:7 - 1:5 до 1:4 - 1:3 позволило в полтора раза снизить количество продуктов износа на полосе.

Рис. 6.6. Зависимость износа при прокатке от концентрации водомасляной смеси ПКС-1

6.1.3.2. Эмульсии, стабилизированные эмульгатором Основным типом эмульсий, применяемых при прокатке, являются стабилизированные эмульсии. Известно, что при концентрации дисперсной фазы до 0,1-0,2 % эмульсии могут быть стабильны и без эмульгаторов [10]. Однако при такой концентрации масла в воде смазочная способность мала и применяемые при прокатке эмульсии имеют концентрацию не менее 1-2 %. Как было показано при исследовании эмульсий без эмульгаторов, поверхностное натяжение на границе масло - вода зависит от концентрации и при содержании масла менее 25 % образуются эмульсии прямого типа - масла в воде. Наличие эмульгаторов, резко снижающих поверхностное натяжение, приводит к повышению их устойчивости. Однако при содержании масла более 70 %, как правило, образуются эмульсии воды в масле. Эмульгатор должен иметь большее сродство с той жидкостью, которая является дисперсионной средой. Гидрофильные вещества требуют гидрофильных, а гидрофобные - гидрофобных эмульгаторов. Способность эмульгатора к образованию того или иного типа эмульсий можно определять числом ГЛБ — гидрофильно-лиофильным балансом [10]. Эмульсия обратного типа образуется эмульгатором с низким числом ГЛБ. При описании ПАВ были приведены значения ГЛБ для ряда веществ и их отношение к воде.

99

В эмульсиях типа масло - вода молекулы эмульгатора располагаются таким образом, что их полярные части обращены в полярную дисперсионную среду - воду, а углеводородные цепочки - в Масло. В эмульсиях обратного типа ориентация противоположная. Когда эмульгатор малоэффективен, на тип эмульсии влияют относительные объемы жидкостей и дисперсионной средой обычно становится жидкость, взятая в большем объеме. Эмульгаторы как типичные поверхностно активные вещества по ионогенности бывают анионоактивными, катионоактивными и неионогенными. Катионоактивные эмульгаторы, действие которых противоположно анионоактивным, дают стабильные эмульсии в кислой среде, в связи с чем при обработке давлением их обычно не применяют. В основном применяются анионоактивные эмульгаторы: мыла жирных и нафтеновых кислот, алкилсульфонат натрия и неионогенные эмульгаторы: препараты ОП-7, ОП-10, стеарокс 6, стеарокс 920 и др. Препараты ОП-7 и ОП-10 имеют ограниченное применение из-за некоторой токсичности и пенообразования. Наилучший эффект в отношении стабильности эмульсий достигается при совместном применении анионоактивного и неионогенного эмульгаторов в различных пропорциях, определяемых для каждого конкретного случая. Обычно эмульсии приготавливают из эмульсолов, представляющих коллоидные растворы эмульгатора (ПАВ) в базовом масле. Эмульсолы могут быть приготовлены путем перемешивания исходных компонентов у потребителя эмульсии или поставляться в готовом виде. Для образования эмульсии капельки эмульсола разбивают в механических, ультразвуковых или вибрационных мешалках. Современные станы оснащены в основном механическими мешалками. Часто практикуют перемешивание с помощью насосов. Отдельный класс - самопроизвольно образующиеся эмульсии. Они образуются под действием только теплового движения молекул в присутствии большого избытка поверхностно-активных веществ при снижении поверхностного натяжения на границе раздела фаз до 0,1-0,5 МДж/м2. Такие эмульсии получаются при эмульгировании масла мылами жирных кислот или неионогенными эмульгаторами сильной степени гидрофильности (ГЛБ-13 и выше). В зависимости от степени дисперсности масляной фазы эмульсии могут быть стабильными, полустабильными и нестабильными, что влияет на их физико-химические и технологические свойства (табл. 6.2). Применение стабильных эмульсий на станах прокатки тонкого листа от 0,4 мм и выше и полустабильных эмульсий вместо водо-масляных смесей на станах жести обусловливается не только возможностью добиться достаточной выкатываемости тонкого листа и жести с меньшей разнотолщинностью профиля и лучшей геометрией и чистотой поверхности [8, 10], но и гарантией более эффективной работы очистных сооружений, что в совокупности ведет к сокращению затрат на технологические вспомогательные средства.

100

Таблица 6.2 Сравнение некоторых свойств эмульсии с коллоидными системами и истинными растворами Свойства частиц масла Размеры, мкм Диффузия Концентрация эмульгаторов Видимость в оптическом микроскопе Видимость в электронном микроскопе Смазывающая способность Моющая способность Способность к очистке: флотация Магнитная сепарация

Эмульсин Колоидные стабильные полу стабильные нестабильные системы 0,5-20 Нет Большая

20-50 Нет Средняя

Видимы слабо

Видимы

Видимы

»

Видимы

Видимы

Малая

Средняя

Большая

—

Большая

Малая

—

Высокая

Возможна

Ограниченно возможна

50 0,1-0,001 Нет Слабо Отсутствуют или недостаточно Видимы Невидимы хорошо

Истинные растворы 0,001 Хорошо

Невидимы Видимы слабо

—

»

Возможна

Возможна при одновременном удалении масла Возможна

» Фильтрация Невозможна* Невозможна* Время 15-30 10-20 2-3 при инфильтрации без тенсивной отделения циркуляции масла, мин * При фильтрации неизбежно частичное расслоение эмульсии.

Ограниченно возможна Возможна Более 60 мин

Возможна

Стабильность эмульсии зависит от вида эмульгатора, причем эмульсии, в которых эмульгатором являются мыла (Э-2Б, ЭТ-2 и др.), в результате их взаимодействия с солями менее стабильны (рис. 6.7). Длительная эксплуатация стабильной эмульсии позволяет упростить задачу очистки сточных вод и ликвидации отработанных эмульсий. Известно, что ликвидация 1 т эмульсии обходится зачастую дороже, чем стоимость 1 т новой [21]. Поэтому эксплуатация эмульсии в течение длительного времени практически без слива является целесообразной и необходимой. Опыт работы эмульсионной системы стана 2500 ММК на эмульсии с неионогенным эмульгатором (стеарокс) и зарубежный опыт показывают возможность использования эмульсии в течение года и даже нескольких лет без ее замены.

101

Рис. 6.7. Изменение стабильности эмульсий по мере их эксплуатации: 1 - эмульсия эмульсола Э-2(Б), 2 - эмульсия эмульсола ЭТ-2,3 - эмульсия с неионогенным эмульгатором

Стабильность эмульсий зависит от концентрации фаз, тонкости эмульгирования, количества и свойств эмульгатора. При концентрациях мыл до 0,005 моль/л эмульсия разрушается в течение часа, в то время как при концентрации 0,08-0,12 моль/л эмульсии не расслаиваются в течение нескольких месяцев. Даже при недостатке эмульгаторов эмульсии с очень малым размером частиц (менее 0,5-1,0 мкм), полученные механическим путем (например, дроблением в ультразвуке), стабильны многие месяцы. Однако в практике прокатного производства применение ультразвука и других способов интенсивного дробления эмульсий не нашло применения из-за технологических трудностей. Поэтому получение стабильных эмульсий достигается выполнением необходимых требований к воде и выбором эмульгатора. Повышение температуры способствует движению капель, их коалесценции и, следовательно, снижению стабильности. Кроме этого, температура эмульсии непосредственно связана и с ее окислением в процессе эксплуатации [8]. Кислород воздуха, присоединяясь по местам двойных связей ненасыщенных соединений, образует продукты полимеризации, которые снижают стабильность. Параллельно возможны процессы окисления углеводородов до кислот. Кислотность эмульсии обычно возрастает в процессе эксплуатации. При этом повышение стабильности достигается иногда добавкой соды, нейтрализующей кислоту. Однако это относится только к эмульсиям, стабили-

102

зированным мылами, в которых повышение кислотности вызвано образованием жирных кислот. В эмульсиях, содержащих низкомолекулярные нафтеновые кислоты, добавка соды нейтрализует кислоту, влияя тем самым на стабильность эмульсии не повышением количества эмульгатора, а изменением концентрации водородных ионов. Наиболее устойчивые эмульсии с мылами получаются при рН = 8,0-8,5. Вид масла существенно влияет на стабильность эмульсии. Из минеральных масел сравнительно легко эмульгируют масла индустриальные 12-30, хуже эмульгируют высокоочищенные масла большой вязкости, например цилиндровые. Для их эмульгирования требуется в полтора-два раза больше эмульгатора, чем для легких масел. Чем однородней состав углеводородов масла, тем труднее оно эмульгирует. Из двух масел с одинаковой вязкостью, одно из которых получено отгонкой узкой фракции нефти, а второе - смешением разных фракций, последнее эмульгирует значительно лучше. Присадки жиров к минеральным маслам улучшают эмульгируемость. Жиры обычно эмульгируют хуже минеральных масел средней и низкой вязкости, но лишь в том случае, если в них отсутствуют или очень мало свободных кислот, легко образующих мыла. Способ приготовления эмульсии, определяя размер частиц, существенно влияет на их стабильность. Наилучшие результаты получаются при добавлении в заранее приготовленный эмульсол (масло с эмульгатором) малыми порциями воды с интенсивным перемешиванием. Температура должна быть около 50-70 °С и заведомо выше температуры плавления самого тугоплавкого компонента эмульсии. При введении первых порций воды (5-10 %) происходит, как правило, образование обратной эмульсии, т. е. масло является внешней фазой, а вязкость эмульсола существенно возрастает. В эмульсиях при добавлении внутренней фазы вначале всегда наблюдается расслоение, в то время как добавление внешней фазы не приводит к образованию границ и она легко растворяется. Этот признак может служить для идентификации типа эмульсии. В процессе приготовления эмульсии из-за образования эмульсии воды в масле добавляемая вода входит в состав смеси постепенно и лишь при интенсивном перемешивании. Обращение фаз начинается обычно при 30 % воды и заканчивается при 30-50 % масла, что обнаруживается по резкому уменьшению вязкости. Концентрат, содержащий менее 30 % масла, пригоден для транспортировки из мешалки по трубопроводам и может быть далее разведен водой любой температуры до нужной концентрации. Известные трудности представляет приготовление эмульсии с натровыми мылами жирных кислот, особенно предельных, так как эти мыла с трудом растворимы в масле и получить безводный эмульсол путем смешения компонентов практически невозможно. В этом случае сначала готовят раствор мыла 30-50 % концентрации и к нему при помешивании добавляют все масло. Получившуюся обратную эмульсию постепенно разводят водой.

103

При прокатке с эмульсией, так же как и с маслами, проявляется влияние температуры контакта, скорости относительного скольжения и давления на смазочную способность. Особенно важно влияние температуры, которое многократно исследовалось [9, 19]. Предельная контактная температура в зоне деформации может колебаться в зависимости от состава эмульсии, однако, по всем известным данным, минимум сил трения соответствует примерно 140 QC, а максимально допустимая температура, обеспечивающая отсутствие дефектов, около 180 °С. Температура полосы при смотке должна быть выше 100 °С, так как остатки воды могут не выпариться при низкой температуре; обычно она составляет 120-140 °С. Повышение температуры до 150-180 °С, с одной стороны, свидетельствует о перегреве в зоне деформации, а с другой - может привести к образованию пятен в уже смотанном рулоне. Следует отметить, что пленка смазки, возникшая при промасливании, сказывается на смазочной способности при прокатке в двух-трех пропусках. Поэтому при оценке смазочного действия на прокатных станах, по крайней мере, в первой и второй клетях, это необходимо учитывать. Смачивание поверхности и охлаждение улучшаются с избытком эмульгатора. Одновременно с повышением смачиваемости облегчается удаление частиц износа, увеличивается моющая способность эмульсии. Моющему действию способствует и образование пены, однако, смазочная способность при этом падает. Поэтому в известной мере улучшение охлаждения и моющей способности эмульсий находится в противоречии с ее смазочной способностью и оптимальный состав эмульсии следует выбирать индивидуально с учетом этой особенности. Образование пены в эмульсии обычно нежелательно. Положительное влияние небольшого количества пены сказывается только в резервуарахотстойниках, в которых вместе с пеной удаляются шлам и посторонние, обычно более тяжелые и трудно эмульгируемые масла. Наличие некоторых ПАВ (ОП-7, ОП-Ю, мыла олеиновой кислоты и т. д.) может вызвать сильное ценообразование. Пенистость эмульсии сильно меняется при введении в них мелких нерастворимых частиц. Мелкие частицы, равномерно распределяющиеся в эмульсии при взбалтывании, разрушают адсорбированную на пузырьках воздуха мыльную пленку, чем понижают их устойчивость. При попадании легкого масла из смазочной системы оборудования стана в эмульсию пенистость также понижается. В работающих эмульсиях содержится значительное количество загрязнений (органических и металлических), которые препятствуют пенообразованию. Поэтому, даже эмульсии, стабилизированные анионоактивными мылами, в процессе работы дают незначительное количество пены и тем меньше, чем дольше эмульсия используется. Опыт эксплуатации смазочно-охлаждающих систем с интенсивной циркуляцией эмульсии (цикл оборота 5-7 мин) и ее большим расходом (до 500-800 м3/ч) показывает, что пенообразование обычно применяемых эмульсий не представляет опасности. При эксплуатации нежелательно пенообразование в процессе приготовления эмульсий в малых емкостях (концентрированная эмульсия для смазочно-

104

охлаждающих и промасливающих систем, малогабаритные емкости для промасливающих эмульсий). Коррозионное воздействие эмульсий проявляется как в процессе ее прямого воздействия на оборудование и полосу, так и на поверхность полосы после прокатки. Одной из характеристик коррозионной активности эмульсии является показатель рН, который в эмульсиях, стабилизированных мылами, должен быть равен 8-8,5. Это соответствует и наибольшей стабильности эмульсий. Нейтрализация свободных кислот обычно производится кальцинированной содой или, реже, едким натром, которые в концентрации до 0,5 и 0,02 % (соответственно) не вызывают коррозию чугунной пластинки. Нейтрализуя свободные жирные кислоты едким натром или содой, увеличивают засоление эмульсий, что совместно с избытком солей, занесенных полосой из травильных ванн, ведет к пригарам эмульсии и черным пятнам после прокатки, а также к пригарам и ржавлению после отжига [8]. В этом отношении предпочтительней омыление кислот и их нейтрализация органическими щелочами (например, триэтаноламином). Однако производственная практика показывает, что эмульсии с триэтаноламиновым мылом олеиновой кислоты 59Ц [20] весьма агрессивны не только на цветных металлах (медь и ее сплавы), но и на стали. Очевидно, решающую роль играет вид кислоты. В частности, применение эмульсий с мылами олеиновой кислоты ведет к значительному загрязнению поверхности продуктами износа. Можно считать, что эмульсия коррозионно безопасна, если рН = 8,0, свободная щелочность - не более 0,1-0,2 %, свободных жирных кислот - менее 0,2-0,3 %, свободных нафтеновых кислот - менее 0,15 %, а ионов хлора и сульфатов - не более 25 и 60 мг/л. Для эмульсий, стабилизированных неионогенными эмульгаторами, характерно почти полное отсутствие свободных кислот и щелочей, для них допустимо рН = 7,2-7,5. 6.1.4. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДЫ Как технологическое вспомогательное средство вода в прокатном производстве применяется прежде всего для охлаждения. Кроме того, в эмульсиях она несет функцию базовой жидкости для смазочных масел, а для специальных жидкостей функцию растворителя или носителя. В табл. 6.3 приведены физические свойства воды, влияющие на характер ее использования в качестве технологического средства. В производстве применяются природная вода из водоемов и техническая вода оборотного цикла предприятия. Вода природных водоемов представляет собой естественные растворы, имеющие самые разнообразные качественные и количественные составы (в зависимости от источника).

105 Таблица 6.3 Характеристика свойств воды при разных температурах

Температура, С

Плотность, г/мл

0 20 50 80 100

0,99987 0,99823 0,98764 0,97183 0,95938

Коэффициент сжимаемости, при р= (1-100) атм.10 51,1

Удельная теплопроводность, кал/см 1,43

-

1,55

-

-

0,0551

-

Удельная теплоемкость С, кал/г, при р=50 атм

0 20 50 80 100

1,004 0,996 0,994 0,999 1,004

597,3 586,0 568,2 551,3 539,0

-

46,2

Температура, С

Теплота испарения, ккал/кг

Вязкость, Uk 1,792 1,005 0,559 0,351 0,2838

Поверхностное натяжение на границе с воздухом, МДж/м (эрг/см) 74,34 72,75 67,65 62,61 58,85

В табл. 6.4 приведен состав наиболее характерных природных вод России, а в табл. 6.5 - более подробный состав вод, используемых в практике цехов холодной прокатки отечественных заводов. Таблица 6.4 Химический анализ вод различных источников

Водоисточник Реки: Днепр Волга Урал Москва Нева Кама Ока Шексна Озеро Байкал Азовское море

Жесткость мг. экв/л карбообщая натная

Сухой остаток общий, мг/л

4,21 6,5 8,2 4,5 0,8 2,35 5,4 2,4

3,0 3,32 5,0 4,2 0,5 1,26 2,56 1,0

270,0 433,0 550 344 67,2 338,0 427 180 91,4

3,3

2350

1,11

18,5

Содержание ионов, мг/л Са + 64,0 99,0 121 64,0 11,8

35,0 81,3 34,0 15,2

Mq + 12,0 19,0 25,8 15,5 2,8 7,3 16,0 4,7 4,2

SO1 -

CI-

SiO-

48,0 117,4 229,0 33 5,3 25,5 115 27 — 4,9

16,0 15,3 49,0 35 6,6 99,0 14,4 14 1,8

12,55 13,8 91,2 7,15 0,2 14,3

850

290

3,5

10,0 —

—

106

Качество любой природной воды характеризуется наличием грубодиеперсных примесей (частиц песка, глины и др.); показателем концентрации водородных ионов (рН), который у большинства вод равен 6,6-8,6; сухим остатком - условным показателем, характеризующим концентрацию всех примесей, остающихся при выпаривании воды и просушивании остатка; общим солесодержанием - суммарным количеством растворенных в воде минеральных солей. С точки зрения влияния состава воды на ее технологические свойства наиболее важными показателями являются жесткость и содержание ионов СГ и S0 4 2- . Жесткость воды определяется наличием в ней растворенных солей кальция и магния. Она выражается в миллиграмм-эквивалентах на 1 л и показывает содержание кальция или магния в 1 л воды (1 мг. экв = 20,04 мг Са2+=12,16 мг Mg2+). За рубежом принято измерять жесткость воды в градусах жесткости. Немецкий градус жесткости выражает содержание СаО в сотых долях грамма в 1 л воды; английский - содержание СаСОэ в фанах (0,0648 г) в 1 галлоне (4,546 л) воды; французский - содержание СаС0 3 в 100 л воды. Таблица 6.5 Химический анализ воды, применяемый в цехе холодной прокатки

ноябрь 26

декабрь 45

январь 66

февраль 41

Вода для приготовления Горячая промывка эмульсии фев- март Июль март янсентябрь варь раль 5,2 7,2 8 32 7,9

168 130

230 120

22 190

120 220

100 650

2,1 43

2,8 55

8,6 51

0,4

1900

3300

4800

3200 3600

615

650

680

8,5

1420

2200

4300

2750

3100 440

500

520

280

530 28 46 920 0,3 2,3

900 37 48 1870 0,11 1,85

1150 48 54 1720 0,3 2,1

910 39 46 1210

840 40 46 910

210 17 36 212

190 12 32 280 0,1

2

0,8

0,7

75 140 10 15 32 28 220 0,1 155 0,1 0,08 0,07 0,07 0,5

Холодная промывка

Химическая показатель октябрь 14

Жесткость, мг. экв/л 102 Железо, мг/л 40 Взвешанные в-ва, мг/л Сухой остаток, 1260 мг/л Прокаленный 800 остаток 230 Кальций, мг/л Магний, мг/л 20 52 Хлориды, мг/л Сульфаты, мг/л 340 0,4 Нитриды, мг/л 2,4 Нитраты, мг/л

0,8

В табл. 6.5 приведены сравнительные величины единиц измерения жесткости воды. Общая жесткость - суммарное содержание этих солей в воде, она подразделяется на карбонатную (концентрация в воде углекислых солей) и на некарбонатную (концентрация кальциевых и магниевых солей сильных кислот). При кипячении воды из нее выделяется углекислый газ и выпадает осадок,

0,1

107

состоящий обычно из карбоната кальция. Поэтому для определения карбонатной жесткости иногда применяется термин временная жесткость. Оставшаяся после кипячения в течение часа жесткость воды называется постоянной жесткостью. Вода с жесткостью менее 4 мг. экв/л считается мягкой, от 4 до 8 мг. экв/л средней жесткости, от 8 до 12 мг. экв/л - жесткой, свыше 12 мг. экв/л - очень жесткой. Наибольшего значения жесткость воды в поверхностных источниках достигает в середине и конце зимы, наименьшая - в период паводка (май июнь). Резкое повышение жесткости начинается в конце лета. Обычно преобладает карбонатная жесткость (70-80 % общей жесткости). Жесткость воды — один из основных факторов, влияющих на стабильность водомасляных эмульсий. Корродирующее действие воды и приготовленных на ее основе других технологических средств находится в прямой зависимости от содержания в ней водорастворимых солей, в частности хлоридов и сульфатов [20]. Превышение определенного максимального количества этих солей в воде или эмульсии ведет к увеличению содержания их на поверхности металла после прокатки. При отжиге органическая часть загрязнений выгорает и на поверхности образуется гигроскопический солевой слой. Поверхность такого металла при соприкосновении с влагой интенсивно корродирует. На стане 1700 завода им. Ильича было проведено сравнительное исследование влияния различной степени очистки воды, применяемой для промывки металла после травления и для приготовления эмульсии на стане. Таким образом, содержание солей на поверхности прокатанного металла и коррозия находятся в прямой зависимости от их наличия в промывной воде линии травления и в смазочно-охлаждающей эмульсии на прокатном стане. Следует отметить, что отечественные прокатные станы работают на воде с достаточно высокими значениями содержания хлоридов и сульфатов, однако, и при этом отсортировка металла по коррозии не превышает 1 % при осмотре металла в потоке и 2-3 % при полистной сортировке. На поверхностную коррозию влияет также время выдержки металла между отжигом и консервацией, влажность атмосферы (более 70-80 %), эффективность консервирующей смазки. Все эти факторы являются сопутствующими. Основной причиной следует считать наличие на поверхности металла хлоридов и сульфатов. Обеспечить их минимальное содержание на поверхности металла возможно лишь при соответствующей подготовке воды, применяемой в технологическом процессе производства листа. Для воды, используемой в практике прокатных цехов, особо важны процессы умягчения и обессоливания. Умягчение, т. е. удаление из воды катионов кальция и магния, осуществляется двумя принципиально отличными методами: осаждением или катионным обменом. Метод осаждения заключается в переводе катионов кальция и магния в малорастворимые соединения путем прибавления к воде соды, едкого натра, тринатрийфосфата. Образовавшийся шлам отделяют от воды в отстойниках. Метод катионного обмена основан на обмене

108

катионов кальция и магния на катионы натрия или водорода, содержащиеся в катионите. В умягченной катионированной воде практически полностью отсутствуют катионы кальция и магния и содержатся только натриевые соли или минеральные кислоты. На рис. 6.8 приведено количество едкого натра, соды и тринатрийфосфата, необходимых для смягчения воды. Реагентный метод позволяет снизить общую жесткость воды до 0,5-0,7 мг. экв/л (1,5-2 нем. град). Катионитовый метод дает более умягченную воду (до 0,03 мг. экв/л).

Рис. 6.8. Количество химикатов, потребное для умягчения воды: 1 -тринатрийфосфат; 2 - кальцинированная сода; 3 - едкий натр

Умягчение воды вышеуказанными методами для подготовки эмульсии можно производить лишь для вод средней жесткости. Жесткие воды после умягчения имеют в своем составе значительное количество солей натрия, которые после отжига металла остаются на его поверхности и могут привести к интенсивной электрохимической коррозии. Умягчение воды способствует повышению стабильности эмульсий, но не уменьшает содержание в них сульфатов и хлоридов. Устранение из воды практически всех солей достигается в процессах обессоливания путем последовательного фильтрования воды сначала через катионитовые, а затем через онанионитовые фильтры, заполненные органическими ионообменными материалами (аминовые смолы, сульфированный уголь). Эти процессы весьма дороги. К термическим методам обработки воды относятся: безреагентное термическое умягчение, при котором под действием высоких температур бикарбона-

109

ты кальция и магния распадаются с образованием трудно растворимых осадков карбонатов (при длительном кипячении устраняется лишь временная жесткость); выпаривание воды с последующей конденсацией образовавшегося пара в охладителях и получением практически чистого дистиллята; дегазация, при которой в термических дегазаторах производится удаление растворенных в воде газов (кислорода, углекислоты). На металлургических предприятиях существуют реальные возможности для использования в прокатных станах конденсированной воды. Это является лучшим решением при изготовлении эмульсий, поскольку практически другими путями трудно избавиться от содержащихся в воде солей. В ряде случаев оправдано применение неподготовленной воды из Невы, Шексны, Камы, но тщательная фильтрация их от механических примесей необходима и в этом случае [8]. Для промывки можно использовать природную воду без умягчения и обессоливания и воду оборотного цикла (техническую), хотя это является вынужденным решением. При этом необходимо поддерживать минимальное содержание хлоридов и сульфатов в последних ваннах по ходу промывки, куда подается чистая вода. Промышленная вода оборотного цикла любого металлургического завода содержит, кроме солей, еще и механические примеси шлама (окалину) и масла. Содержание последних было оговорено выше и сравнительно легко достигается при наличии отстойников и песчаных фильтров достаточной мощности. Накопление солей в воде оборотного цикла является неизбежным и уменьшить его можно только добавкой чистой природной воды и сбросом во внешние очистные сооружения наиболее загрязненной воды и эмульсий. Иногда практикуется сброс отработанных эмульсий в системы оборотного цикла воды для цехов горячей прокатки, так же как и сброс промывных вод. Все это ухудшает состав воды, находящейся в обороте на предприятии в целом. Поэтому такую практику вряд ли можно одобрить. Во всяком случае, для цехов холодной прокатки следует применять воду свежую и специально подготовленную, а для эмульсий - воду обессоленную или конденсат. Охлаждающая способность воды, являющаяся одним из основных ее свойств, не зависит от загрязнений и содержания масла в практически встречаемых пределах. Как показали исследования [8, 10], даже 5 % эмульсии обеспечивают почти то же охлаждение, что и вода. Снижение охлаждающей способности не более 1-1,5 %. Известно, что в ряде случаев охлаждающая способность уменьшается изза плохого смачивания поверхностей, например, при применении в качестве смазок жиров с содержанием свободных кислот до 12-20 % [10]. В этом случае в качестве присадки к воде желательно использовать смачиватели. Однако в практике этого не делают, так как охлаждающая способность в большей мере определяется способом подачи воды на валки и полосу и ее расходом, чем смачиваемостью. Таким образом, главным критерием качества воды, применяемой в процессе производства холоднокатаного металла для эмульсий, промывки

110

полосы после НТА, моющих составов и т. д., являются ее жесткость и отсутствие ионов хлора и сульфата. Поэтому в цехах холодной прокатки постоянный контроль и соблюдение требований к чистоте используемой воды являются необходимым условием получения высокого качества проката. К технологическим смазкам, применяемым при прокатке, особенно к минеральным маслам, целесообразно добавление присадок высокого давления, содержащих химически активные группы. Как правило, это углеводородные соединения, в молекулу которых введены такие элементы, как сера, хлор, фосфор или металлы: кальций, цинк и т. д. На величину напряжения трения введение этих присадок в количестве 1-5 % заметного влияния не оказывает. Их действие проявляется в предотвращении повреждений поверхности и повышении критической температуры заедания. Особенно их влияние заметно при высоких давлениях, когда велико относительное скольжение и толщины смазочной пленки малы - 0,1-0,5 мкм. Применение присадок строго индивидуально и закономерности их влияния должны быть исследованы применительно к конкретной технологии. Полученные общие закономерности справедливы для всех случаев производства массовой холоднокатаной продукции: автомобильного листа, ленты, жести, коррозионностойких сталей. В первую очередь они применимы для непрерывных и реверсивных станов холодной прокатки, на которых изготавливается свыше 99 % всей листовой холоднокатаной стали и ленты. 6.2. ГОРЯЧАЯ ПРОКАТКА Горячая прокатка имеет отличительные особенности, затрудняющие формирование слоя смазки. Смазочный слой формируется только на 1 валке, поэтому толщина смазки в очаге деформации гораздо меньше, чем в аналогичных условиях при холодной прокатке, а время, в течение которого может формироваться слой, ограничено продолжительностью оборота валка. Охлаждающая вода не только смывает масло с поверхности валка, но и ухудшает адгезию масла на металлической поверхности. В очаге деформации смазка находится под действием высокого давления и температуры, что приводит к разложению смазки, ее испарению и горению. Изложенные особенности осложняют условия формирования смазочного слоя при горячей прокатке и приводят к образованию слоя смазки меньшей толщины. Таким образом, следует применять смазки, более эффективные по образованию смазочного слоя, чем смазки при холодной прокатке. 6.2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ СМАЗОК Разнообразные условия технологического процесса горячей прокатки листовой стали предопределяют весьма широкий диапазон требований к технологическим смазкам как неорганического, так и органического происхождения. Несмотря на относительно позднее интенсивное развитие разработок и внедре-

111

ния технологических смазок при горячей прокатке, в научно-технической литературе за последние десять лет число рекомендуемых смазок весьма велико [21], а их компонентный состав по своему разнообразию не уступает смазкам для холодной прокатки. На сегодняшний день известно множество смазок различного состава. Исключительно сложные температурные условия, при которых действие смазок и до настоящего времени изучено недостаточно, неблагоприятные условия формирования смазочного слоя на валках значительно ограничивают диапазон и эффективность применения многих смазок. При классификации смазочных средств для горячей прокатки за основу должна быть принята совокупность физико-механических и химических свойств. Физикомеханические свойства определяют способы подачи и нанесения смазки; химические свойства - образование граничных смазочных пленок, характер окислительных процессов и новообразований на поверхности прокатываемого металла. Смазки могут быть органического и неорганического происхождения, широкая возможность применения с достаточной эффективностью неорганических продуктов существенно расширяет диапазон применяемых смазок [10]. На рис. 6.9 представлена классификация технологических смазочных средств, применяемых при горячей прокатке. Следует отметить некоторую условность этой классификации, так как многие свойства переплетаются и их взаимосвязь в каждом конкретном случае может быть намного сложнее представленной схемы. Прежде всего необходимо четко разделить все технологические смазки на две группы (твердые и жидкие), и в зависимости от их состояния существенно меняется технология использования смазок, хотя механизм действия в очаге деформации не меняется. К твердым технологическим смазкам относятся продукты, имеющие температуру плавления, равную или большую, чем температура поверхности, на которую они наносятся. При меньшей температуре плавления постоянный контакт твердой смазки с нагретой поверхностью валка [22] превратит смазку в жидкотекучее состояние. Температура поверхности валков на выходе из очага деформации может доходить до 600-650 °С, а на входе в очаг деформации составляет 80-100 °С. В зависимости от места нанесения смазки различные составы могут быть отнесены как к твердым, так и к жидким смазкам. Например, кубовые остатки синтетических жирных кислот С20 и выше, имеющие температуру плавления > 5 0 °С, при прижатии их к опорному валку могут быть отнесены к твердым смазкам. При более высоких температурах контакта эти кислоты размягчаются, плавятся и являются жидкими, что не дает им возможность сохранять первоначальную форму, определяющую способ нанесения. Металлы с температурой плавления ниже, чем температура поверхности валка, также в зависимости от места нанесения могут быть отнесены и к твердым, и к жидким смазкам. Перенос твердой смазки на поверхность валков осуществляется путем механического контакта смазки с валками за счет истирания [23]. Основой жидких смазок обычно являются минеральные масла, представляющие собой продукты переработки нефти. По своему составу минеральные

112

масла могут быть с парафиновыми, нафтеновыми, ароматическими основаниями в зависимости от структурного строения входящих в них углеводородов. Жидкие смазки более полно удовлетворяют требованиям технологии прокатки по сравнению с твердыми. Состав масла предопределяет его физико-химические свойства. Ароматические и асфальтеновые соединения способствуют быстрому развитию процессов окисления, что может привести к образованию на поверхности металла пятен. Наилучшими свойствами обладают парафины нормального строения. Они являются более вязкими, имеют более высокую температуру плавления, чем другие углеводороды той же молекулярной массы. Для горячей прокатки желательно применять парафинсодержащие масла, например, индустриальные масла вместо масла П-28 (содержание парафиновых углеводородов 80-90 и 35 % соответственно). Кроме индустриальных масел, возможно применение более вязких цилиндровых масел. Для оценки пригодности минеральных масел как технологических смазок необходимо знание их физических свойств: вязкости; температур вспышки, кипения и застывания; адгезионных характеристик. В совокупности эти характеристики дают представление о молекулярной массе, фракционном составе и возможных изменениях физических свойств при повышенных температурах. Одной из важнейших характеристик для оценки технологических и эксплуатационных свойств смазок является вязкость, которая определяет толщину смазочной пленки в очаге деформации, степень необходимого диспергирования смазки в воде, удобство и условия транспортирования и др. Вязкость масел в зависимости от методов определения может быть динамической, кинематической, удельной, условной и выражаться в соответствующих единицах. Для минеральных масел очень важна характеристика зависимости вязкости от температуры. Обычно с повышением температуры вязкость масел резко падает. Желательно, чтобы это падение было как можно менее резкое. Эта характеристика может оцениваться отношением вязкостей при двух температурах (например, 20 и 100 °С) или температурным коэффициентом вязкости, представляющим собой отношение разности вязкостей при двух температурах к вязкости при более высокой из этих температур. Для повышения вязкостных свойств масел возможно применение специальных вязкостных присадок, которые повышают вязкость, не изменяя практически температуру застывания. Такими присадками являются винипол, полиизобутилен, вольтоли, полиметилакрилаты. Присадкой полиизобутилена можно увеличить вязкость масла в 8-10 раз при повышении температуры застывания не более чем на 15 %. Следует, однако, сказать, что при горячей прокатке вязкость не является всецело определяющим параметром комплексной эффективности технологической смазки. Более важными являются адгезионные характеристики масел, которые лишь для чистых масел в какой-то мере связаны с величиной вязкости.

113

114

Усиление комплексной эффективности минеральных масел достигается вводом в них антиокислительных, противоизносных, смазочных и других присадок. Учитывая повышенный износ поверхности при горячей прокатке, следует более подробно остановиться на противоизносных присадках. Они представляют собой органические соединения, содержащие фосфор, серу, хлор в весьма малых количествах. Присадки реагируют с поверхностью металла и образуют на ней продукты взаимодействия в виде сульфидов, фосфатов и хлоридов железа с высокой температурой плавления и свойствами, экранирующими поверхность валков. В качестве комплексных многофункциональных присадок к минеральным маслам широко используют жиры. Жиры являются сложными эфирами спиртов и жирных кислот. По своему происхождению они могут быть животными, растительными и синтетическими. Жиры обладают большой способностью адгезироваться на поверхности металла. Растительные жиры на основе жирных кислот непредельного ряда - жидкие, предельного ряда - твердые с температурой плавления более 30 °С. В природных растительных маслах содержатся жиры предельных и непредельных кислот. В подсолнечном, хлопковом, касторовом, рапсовом, сурепном маслах присутствуют в основном жиры ненасыщенных кислот, что обусловливает их низкие температуры застывания (<= -16 °С). О количестве непредельных кислот в жирах судят по их йодному числу. Высокие значения йодных чисел характеризуют склонность масла к окислению и смолообразованию. Эфиры непредельного ряда обладают и худшей смазочной способностью. К жирам относятся и различные воски, в том числе и синтетические, являющиеся сложными эфирами одноатомных высокомолекулярных кислот. Воски характеризуются высокой температурой плавления (> 70 °С) - более высокой, чем у большинства жиров; смазочной способностью, в результате чего находят применение в качестве эффективных присадок к различным смазкам. На сортовых станах для уменьшения износа калибров издавна применяли свиное или говяжье сало. Первые отечественные публикации об этом относятся к тридцатым годам. Однако применение высококонцентрированных пищевых продуктов при прокатке металла широкого распространения не получило. Менее дорогими и дефицитными являются синтетические жиры, не уступающие по своим свойствам природным. Все рекомендуемые составы безводных смазочных масел в своей основе содержат минеральные масла, легированные жирными кислотами, эфирами и другими соединениями при общем содержании легирующих продуктов не более 20-30 % [23]. Известны также составы, содержащие исключительно активные компоненты без минерального масла [24]. Применение дорогих и дефицитных продуктов в чистом виде является нецелесообразным, и разработка таких смазочных средств не соответствует реальным требованиям экономичной технологии. При легировании минеральных масел некоторыми загустителями они могут приобретать свойство пластичности. По применяемым загустителям пластичные смазки можно разделить на четыре основные группы: мыльные, угле-

115

водородные, с органическими и неорганическими веществами. Пластичные смазки обладают более высокой способностью удерживаться на контактных поверхностях. В качестве технологической смазки более приемлемы кальциевые и натриевые. Кальциевую смазки известны под общим названием солидолов и в воде нерастворимы, натриевые смазки (консталины) легко растворяются в воде. В практике пластичные смазки редко используются в чистом виде. Их дополнительно загущают графитом, тальком, полимерами, силикатами и легируют поверхностно активными веществами. Наиболее широкое распространение в практике горячей прокатки получили водомасляные технологические смазки. При этом вода используется в качестве носителя масла для его доставки к поверхности валка. Использование воды как носителя смазки не только благоприятно сказывается на тепловой защите органических смазок, но и позволяет весьма точно осуществлять контроль и регулирование количества активных компонентов смазки, подаваемых в контактную зону. Водные смазки могут быть эмульсиями, суспензиями, пастами, истинными растворами. Смеси двух веществ, нерастворимых друг в друге, в которых вещества раздроблены до мельчайших частиц, являются коллоидными (дисперсными) системами. Раздробленные частицы называются дисперсной фазой, а среда, в которой они распределены, - дисперсионной. Эмульсии, применяющиеся при горячей прокатке, представляют собой неоднородную (гетерогенную) систему, в которой вода является дисперсионной средой, а дисперсной фазой - масло. В суспензиях дисперсной фазой являются твердые вещества, а дисперсионной средой может быть любая жидкость, в том числе и масла. Концентрированные суспензии называются пастами. Наиболее характерным параметром, определяющим принадлежность смазки к тому или иному виду, является размер частиц дисперсной фазы. Дисперсными системами принято считать системы, в которых размер частиц лежит в диапазоне от 0,002 до 2 мкм, хотя иногда и системы с более крупными частицами могут быть также дисперсными. Системы с частицами более 1 мкм называют грубодисперсными. Дробление частиц до размеров менее 0,002 мкм приводит к их диспергированию до молекул или даже ионов. Такие системы являются гомогенными, не относящимися к коллоидным растворам (табл. 6.6). Таблица 6.6 Некоторые физико-химические характеристики водных смазочных систем Характеристика системы Суспензии Водомасляные смеси Эмульсии Истинные растворы

Размер частиц дисперсной фазы, мкм 1-50 >50 0,1-50 <=0,001

Хорошая

Время полного расслоения, мин 0,01-0,5

Высокая

Хорошая Слабая Не видимы

0,05-0,5 30-1200 Не разделимы

Достаточная Достаточная Минимальная

Видимость частиц в оптическом микроскопе

Адгезионная способность

116

6.2.2. ВОДОМАСЛЯНЫЕ ЭМУЛЬСИИ Водомасляные эмульсии (дисперсионные системы масла и воды) в зависимости от способа диспергирования подразделяются на эмульсии, стабилизированные эмульгатором и без него. По степени устойчивости против расслоения фаз эмульсии могут быть стабильными, полустабильными и нестабильными. Описание свойств эмульсий и их специфических особенностей применения в прокатном производстве достаточно широко содержится в исследованиях советских ученых [10,21]. При концентрации дисперсной фазы до 0,1-0,15 % эмульсии могут быть стабильны и без эмульгаторов, однако, такой способностью обладают далеко не все масла. Для обеспечения равномерного распределения частиц дисперсной фазы необходимы либо эмульгаторы, обеспечивающие получение стабильной эмульсии, либо специальные условия приготовления и подачи. Минеральные масла не смешиваются с водой, хотя при механическом перемешивании можно получить эмульсию. При прекращении перемешивания эта эмульсия быстро разлагается вследствие разной плотности масла и воды. Образование и стабильность водомасляных смесей обеспечиваются тщательным перемешиванием компонентов в мешалках при температуре смеси 60-80 °С и достаточной скоростью потока в системах подачи (Re > 1000). Полная стабильность эмульсии необходима для удобства циркуляции, избежания сепарации и пенообразования в резервуарах. Однако опыт показывает, что нестабильные эмульсии легче формируют слой масла на металлической поверхности. Мало известно о точном действии эмульсии и механической водомасляной смеси при горячей прокатке: либо пленка масла постоянно откладывается и адгезируется на поверхности валков, либо временные тепловые и механические воздействия, такие как прохождение смазкой зоны контакта валков, способствуют разрушению связей масло - вода и образованию смазочного слоя. Стремление привести в соответствие стабильность смеси с лучшими смазочными свойствами выражается в усложнении составов смазки и легировании базовых масел для технологической смазки. На смешиваемость и эмульгируемость масла с водой влияют его свойства и фракционный состав. Из минеральных масел легко эмульгируют маловязкие и плохо очищенные. Причем это свойство сохраняется даже в присутствии эмульгаторов. Высокоочищенные масла большой вязкости, например, цилиндровое, эмульгируют намного хуже. Жиры обычно эмульгируют хуже минеральных масел низкой вязкости, но при наличии свободных жирных кислот их смешиваемость с водой может быть лучше минеральных. Существенное влияние оказывает также жесткость воды. При жесткости воды более 15 мг. экв/л получение стабильной эмульсии затруднительно даже при использовании эмульгаторов. Такая вода способствует быстрому расслоению компонентов после прекращения перемешивания или снижения скорости потока смеси и его турбулентности. Эффективным регулятором смешиваемости

117

масла с водой является обработка смеси ультразвуком. Ультразвуковая обработка позволяет повысить период стабильности смеси. При горячей прокатке используют водомасляные смеси прямого типа, т. е. масла в воде. Концентрация масла в воде и ее верхний предел в смеси прямого типа определяются характеристикой и составом масляной фазы. При превышении допустимого предела концентрации масла свойства смеси резко изменяются, ее вязкость возрастает, и смазка теряет свои технологические свойства. Транспортировать такую смесь по трубопроводу невозможно. Приведенные выше соображения в такой же мере относятся и к суспензиям [21]. Хотя химический состав твердой фазы слабо влияет на характер смешения ее как с водой, так и с маслом, следует, однако, учитывать гидрофобность или гидрофильность диспергируемого вещества, его способность к смачиваемости маслом. Интенсивное механическое диспергирование позволяет достичь хорошего смешивания при любом уровне смачиваемости. Для определения устойчивости дисперсии против расслоения проведены лабораторные испытания минеральных и растительных масел, а также продуктов нефтехимической промышленности. Физико-химическая характеристика испытанных масел приведена в табл. 6.7. Лабораторные испытания проводили при следующих условиях: температура смеси 20, 40, 50, 70 и 90 °С; время перемешивания 5 мин; число оборотов мешалки при перемешивании смеси 100 рад/с; выдержка при температуре опыта 0,3 ч. Таблица 6.7 Характеристика различных смазок для приготовления водомасляных смесей Характеристика

И-12

ГС*

Кориандр2

СТП-1

ЛЗ215

И20В

Вязкость, 10 м/с, при — 12 37,4 50 °С 30,0 17-23 — 31,6 — 100 °С 4,6 7,8 9,1 Содержание золы, % 0,094 0,007 0,006 0,022 Кислотное число, мг КОН/г 0,14 1,50 1,50 10,3 15,0 0,16 Число омыления, мг 160,4 —120 КОН/г 12,0 184,8 Температура, °С: —— каплепадения 25 45 вспышки 221 165 186 285 170 235 294 воспламенения 192 245 —243 0,52 Коксовое число, % 0,23 0,76 — *ГС - центрифугированный масляный продукт из отстойников стана горячей

20

МС-Хлорпарафин 420 — 15-18

20 — 0,2

—

—

2,1 — —

225

185 —

прокатки.

Результаты исследований (табл. 6.8) свидетельствуют, что имеется возможность получения водомасляной смеси, стабильность которой можно регу-

— — —

118

лировать исходя из условий приготовления и подачи смазки к валкам стана. С точки зрения извлечения масла из сточных вод предпочтительными являются чистые минеральные масла без эмульгаторов и ПАВ. Таблица 6.8 Стабильность водомасляных смесей при температуре 20 °С

Состав смеси

Продолжительность расслаивания водомасляной смеси в различных соотношениях масло/вода (с) 1/20

Веретенное масло И-12 И-12+5 % Кориандр-2 И-12+10 % Кориандр-2 И-12+15 % Кориандр-2 И-12+5 % СГП-1 И-12+10 % СТП-1

5 6 14 46 20

1/30 6 10 19 44 31

1/40 7 11 21 48 18

1/50

1/60

1/70

10 11 13 10 8 9 12 15 17 28 40 31 131 66 130 Полу стабильная

Примечание: продолжительность расслаивания фиксировалась после всплытия крупных капель масла.

Время расслаивания водомасляных смесей исследованного состава зависит от температуры смеси (табл. 6.9). С ростом температуры до 50 °С время расслаивания увеличивается: при 70 °С стабильность смесей уменьшается, а при 90 °С снова увеличивается. Таблица 6.9 Продолжительность полного расслоения водомасляной смеси 2 %-й концентрации

Примечание: Э-смесь эмульгирует, после но полного разложения смеси не происходит.

часа основная часть масла отделяется,

Данное явление можно объяснить тем, что в каждом масле содержится определенное количество ПАВ (жирные кислоты и др.), которые частично эмульгируют масло. С ростом температуры стабильность системы: масло - вода

119

растет в связи с уменьшением вязкости компонентов. При температуре выше 60 °С растет скорость коагуляции и старения эмульсии, в связи с этим наблюдается возрастание вязкости эмульсий. При 90 °С влияние температурного фактора преобладает и вязкость водомасляной смеси снова уменьшается. Наличие эмульгаторов в технологической смазке оказывает влияние и на процесс извлечения масла из системы оборотного цикла воды цеха. Это прежде всего сказывается на количестве необратимо растворимого в воде масла (табл. 6.10). Таблица 6.10 Способность смазок растворяться в воде Водомасляная смесь Веретенное масло И-12 Веретенное масло+Кориандр2 Веретенное масло+СТП-1 Веретенное масло+ЛЗ-215

Соотношение компонентов маслс/вода 1/20 1/50 1/50 1/50

Количество растворенного масла в воде, % НЕ растворяются

0,8 0,2

0,8-1,0

Приведенные в таблице результаты еще раз показывают преимущества использования в качестве технологических смазок чистых водомасляных смесей. Различают технологические, эксплуатационные и санитарногигиенические свойства технологических смазок. Технологические свойства оказывают влияние на основные технологические параметры процесса прокатки: усилие прокатки и расход энергии, стойкость валков, качество поверхности прокатываемого металла. Эксплуатационные свойства характеризуют степень трудности приготовления и подачи смазки, стабильность ее свойств при изменении условий эксплуатации, воздействие на оборудование в процессе использования и после него, пожарную безопасность, возможность регенерации и утилизации. Санитарно-гигиенические свойства обусловливают органолептические показатели, отсутствие вредного воздействия на организм обслуживающего персонала, биологическую стойкость, способность к извлечению из стоков. Эти свойства в основном определяют техническую пригодность смазки к ее использованию. Однако окончательное решение о выборе смазки дает лишь технико-экономическая оценка, в которой вместе с техническими характеристиками эффективности смазки учитывается стоимость смазки заводаизготовителя, капитальные затраты на оборудование систем и их обслуживание, окупаемость этих затрат. Важную роль при выборе того или иного состава смазки играют способы подачи смазки в очаг деформации, которым принадлежит главенствующая роль в эффективности использования смазки. Но и при этом существенным резервом повышения эффективности использования смазок является улучшение их технологических и эксплуатационных свойств.

120

Выбор состава смазок для горячей прокатки представляется менее сложным, чем для холодной, так как можно воспользоваться отходами производства, смазочная эффективность которых зачастую весьма высока. Однако эффективность использования смазки в значительной мере определяется составом масляного продукта, входящего в состав смазки. Характеристика некоторых масел, которые могут быть использованы для приготовления технологической смазки, приведены в табл. 6.11. Таблица 6.11 Характеристика масел, которые могут быть использованы в качестве технологической смазки для горячей прокатки

Смазки

ОХМ Хлопковое масло Кориандр-2 Сурепное масло Талловое масло Смазка консервационная ЖКБ-Г Смазка для горячей прокатки ЖКБ-Г Смазка для горячей прокатки ТСГП Кориандровое масло

500-600 90-100 120-100 -80-90 100-110

Температура застывания, °С +12 -1 +10 -12 -1

50

+12,5

15

30

до 30

+3

30

10

100-110 90-100

-1 -4

190 190

130 10

Вязкость при 50 °С, 10 м/с

Число омыления

Кислотное число

Йодное число

140-160 195 190 173-180 190

30-45 15 10 12 130-140

60-65 103-110 90-95 105-122 100-120

70-80 95-100

Требования к технологическим смазкам при горячей прокатке в каждом конкретном случае должны формулироваться исходя из требований всей технологии прокатного производства и качества готовой продукции, а не только условий собственно прокатки на стане. Не должны быть в стороне и экологические последствия применения смазок. Обеспечение этих требований наряду с конструктивными мероприятиями по системам технологической смазки и охлаждения осуществляется выбором оптимального вида и состава смазки. Причем в этом вопросе следует исходить из природы трения при прокатке, поверхностных явлений адгезии, смачивания, химического взаимодействия и т. д. Необходимо учитывать влияние смазок на поверхность обрабатываемого металла, так как важным требованием является необходимость получения качественной поверхности листа по всей его площади. Именно поэтому наиболее широкое распространение получили технологические смазки на основе минеральных, растительных и синтетических масел, обладающих не только чисто смазочным эффектом, но и смазочно-охлаждающим действием при способности обеспечивать высокое качество поверхности листовой стали.

121

6.3. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СОТС И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 6.3.1. ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СМАЗОК И МЕТОДИКА ВЫБОРА ИХ СОСТАВА Все технологические смазки для холодной прокатки могут быть разделены на масла и эмульсии. В свою очередь масла подразделяются на минеральные и жировые, а эмульсии - на стабильные и метастабильные, обычно жировые. Такая классификация применяемых типов смазок является упрощенной, так как возможно классифицировать их более подробно, учитывая наличие тех или иных добавок, происхождение смазки, способ ее получения и т. д. Тем не менее она отражает тот факт, что все применяемые для прокатки смазки относятся к сравнительно ограниченному набору видов соединений, хотя в пределах этих видов существует неограниченное количество индивидуальных веществ и товарных продуктов. Тем более велико количество веществ, которые могут бьпь использованы в качестве присадок, улучшающих те или иные свойства смазок. Исходя из этого, важнейшим вопросом является рассмотрение сырьевой базы выбора композиций смазок. Под понятием «сырье» здесь подразумеваются готовые продукты, иногда сложного, разнообразного состава, используемые для получения смазок путем смешения, которое может быть осуществлено непосредственно на предприятии, их использующем. В большинстве случаев процессы получения смазок путем смешения целесообразнее выносить на специализированные предприятия нефтехимической промышленности, совмещая их с химическими процессами получения компонентов.

Рис. 6.10. Использование основных видов сырья для ИЗГОТОВЛЕНИЯ технологических смазок и смазочно-охлаждающих жидкостей

Приведенная на рис. 6.10 схема использования различных групп продуктов для изготовления смазок отражает сырьевую базу для производства смазок и служит для методического руководства при составлении требуемых композиций.

122

Они могут быть дополнены новыми видами сырья, разработка которых является задачей нефтехимической промышленности. Вопросы использования различных минеральных масел решаются относительно просто: главными критериями являются вязкость и эмульгирующая способность. Принципиальных различий между маслами одного типа, но полученными разными методами и из различного сырья, кроме разной склонности к эмульгированию в пределах использования для процессов обработки металлов давлением, не наблюдается. При применении жиров, ввиду дефицитности природных продуктов, необходимо максимально использовать синтетическое сырье. Установлено одинаковое смазочное действие химически чистых и технически сложных эфиров (жиров). Отличия между ними проявляются во внешнем виде, запахе, испаряемости, склонности к эмульгированию [8]. В целом, для практического применения синтетические жирные кислоты и их эфиры массового производства подобны химически чистым веществам. Возможно создание полных химических аналогов природных жиров, например, триглицеридов по составу подобных пальмовому маслу, что и описывалось в ряде зарубежных работ [25 и др.]. Проведены исследования промышленных партий синтетических жиров СЖК и различных спиртов, примененных как для прокатки в чистом виде, так и в виде эмульсий [8, 9]. В табл. 6.12 приведены данные по физико-химическим свойствам смазочной способности природных жиров, синтетических эфиров (в скобках указано обозначение промышленного продукта) и данные по эмульсиям, в составе которых они применялись. В результате различного качества сырья, отличий в технологии производства сдельные партии различаются по физико-химическим показателям, однако, их смазочные свойства одинаковы. Нефтехимической промышленностью, наряду с индивидуальными техническими продуктами (кислотами, спиртами и т. д.) выпускаются или используются в качестве промежуточного сырья в производстве окисленные продукты сложного состава (оксидаты, петролатумы и т. д., не имеющие аналогов в природе), они практически не могут быть получены смешением чистых веществ. Ввиду дешевизны и недефицитности они могут являться перспективным сырьем для технологических смазок. Наличие в них жирных кислот, спиртов и эфиров позволяет предполагать высокие смазочные свойства. Важнейшим сырьевым резервом для изготовления технологических смазок являются различные химические продукты и присадки к маслам, выпускаемые химической и нефтехимической промышленностью. Их применение в качестве присадок или жировой основы должно базироваться на общих законах взаимосвязи, строения углеводородов и их смазочного действия в условиях граничного трения при обработке металлов давлением. Ввиду многообразия имеющихся присадок и возможного изменения характера их действия при высоком давлении, в каждом случае разработки новой смазки необходимо проведение специальных исследований.

123

124

Некоторые химические продукты общего назначения могут быть использованы для приготовления смазок в качестве присадок или эмульгаторов, а иногда и основы смазки. К ним относятся: мыла синтетических жирных кислот; оксиэтилированные кислоты; амиды и амины, сульфокислоты и их соли, различные полимеры.

6.3.2. ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА СОСТАВА СМАЗОК Работу по подбору состава смазки можно разбить на ряд последовательных этапов. Укрупненно отметим три главных этапа разработки: - анализ условий технологического процесса, обоснование направления разработки и формулировка технических требований к смазке; - подбор состава смазки и предварительная его оценка в лабораторных условиях; - производственная оценка выбранного сос Окончательное суждение о результате разработки может быть получено после длительных производственных испытаний, проверки возможных побочных эффектов и технико-экономической оценки. При анализе условий технологического процесса, исходя из имеющегося или предполагаемого оборудования, вида продукции, практического опыта и существующих аналогов, определяется тип технологической смазки: масло (жировое или минеральное), эмульсия (на основе минеральных масел, жиров или комбинированного состава), сухая смазка и т. д. Определяются важнейшие требования к смазке, диктуемые как практикой применения известных составов, так и особенностями конкретного вида производства. На основании анализа условий технологического процесса, для которого подбирается смазка, определяется количественная оценка важнейших показателей, которая является собственно техническим заданием на разработку и включает следующие основные требования: обеспечение оптимального значения напряжения трения в процессе, обеспечения защиты поверхностей от повреждений, получение требуемой микрогеометрии поверхности, получение чистой от загрязненности поверхности изделия, обеспечение подачи смазки в зону трения и охлаждение, долговечность и стабильность смазки. Следующая группа требований обусловлена сопутствующими технологическими операциями: удаляемость смазки с поверхности изделий (в процессах термообработки смазка не должна вызывать пятен и дефектов поверхности и структуры металла), защита металла от коррозии. Наконец, ряд требований общего характера, без выполнения которых применение любой смазки невозможно, либо крайне ограничено: пожаробезопасность, нетоксичность, пригодность к транспортированию и хранению, экономические соображения (стоимость, наличие сырья). Подробно некоторые требования к технологическим смазкам и методы оценки необходимых показателей рассмотрены в ряде работ [8, 26]. Приведенные выше основные требования в сочетании с ограничениями применения смазок служат руководством к разработке смазки и одной из пред-

125

посылок последовательного поиска составов, удовлетворяющих всему комплексу производственных задач (табл. 6.13). В том или ином виде подобный перечень требований учитывался в большинстве разработок новых смазок и эмульсий в России и за рубежом. При разработке требований к смазке и обосновании направления ее выбора следует исходить из общих задач технологии производства и требований к качеству продукции. В соответствии с приведенной схемой подбор состава смазки следует начинать с выбора ключевого, главного требования и главных функций смазок. Это определит основные ее компоненты, а затем, при необходимости, путем добавления различных функциональных, добавок обеспечиваются остальные требования. Ряд показателей технологической смазки окончательно может быть определен только в производственных условиях; склонность к образованию дефектов, влияние на качество поверхности, долговечность в эксплуатации. Практика показывает, что от первого положительного производственного опробования новой технологической смазки до ее окончательного внедрения, требуется доработка всей технологии, - а иногда и оборудования. В первую очередь необходимо приспособление систем технологической смазки и охлаждения к новым составам. Успешное внедрение новых смазок, наряду с благоприятными экономическими факторами, требует, таким образом, комплексного подхода к проблеме с учетом всей технологии производства и оборудования. Выбор главных направлений разработок смазок диктуется требованиями технологии и технико-экономическими соображениями. Для прокатки главными являются следующие направления: - замена природных жиров на синтетические, в частности, разработка заменителей пальмового масла; сопутствующей задачей является разработка жировых эмульсий с целью применения жировых смазок в циркуляционных системах, что позволяет получить экономию самой смазки; - создание составов эмульсий на минерально-масляной основе для прокатки листа и ленты, обеспечивающих высокое качество продукции, долговечность эмульсии при эксплуатации и, наконец, повышение смазочной способности; - разработка минерально-масляных составов смазок с присадками, специфичными для обеспечения конкретных процессов, когда главной задачей является оптимизация самого технологического процесса производства. Предлагаемая методика подбора составов смазок с необходимыми служебными свойствами положена в основу практических внедрений и иллюстрируется ниже конкретными важнейшими разработками, в соответствии с выбранными направлениями.

128

6.3.2.1. Жировые технологические смазки Жиры применяют при прокатке жести и трудно деформируемых сталей и сплавов для снижения напряжения трения. Кроме того, при производстве луженой жести требуется удаление остатков смазки перед последующим нанесением покрытий, поэтому одним из требований, предъявляемых к жирам, является их хорошая смываемость. Несмотря на различные способы смазки и охлаждения валков при прокатке жести, принципиально действие жиров будет одинаковым и существенно отличным от минеральных масел. За основной эталон следует принять пальмовое масло, являющееся до сих пор лучшей жировой смазкой при прокатке. Создание отечественных заменителей пальмового масла на базе синтетического сырья базируется на использовании синтетических спиртов и жирных кислот. Сопоставление смазочной способности смесей ЛЗ-142 и ЛЗ-228 и Л3-193 с пальмовым маслом показало преимущество смесей с ЛЗ-228. Установлено, что эфиры СЖК и одноатомных спиртов, имеющие низкую температуру плавления, не удовлетворяют требованию по смазочной способности Добавки как и эфиры непредельных кислот легкоплавких эфиров к тугоплавким позволяют получить требуемую температуру плавления, а смазочная способность смеси эфиров предельных и непредельных кислот близка к предельной. Олеиновая кислота и ее эфиры лучше проявляют себя в тонких пленках. В то же время достаточное количество предельных кислот обеспечивает низкое напряжение сдвига по обычной пленке смазки толщиной около 1,0 мкм, поэтому их смесь обладает оптимальным смазочным действием/ Аналогичный эффект достигнут при прокатке коррозионностойкой стали добавлением 10 % свободной олеиновой кислоты к смазке ЛЗ-142, однако, такой состав смазки вызывает коррозию на углеродистой стали. В результате выбран оптимальный состав, близкий по свойствам к пальмовому маслу: 80 % эфиров СЖК фракции C17_20 триэтиленгликоля и бутилового спирта в соотношении 4:1, 20 % эфиров олеиновой кислоты и триэтиленгликоля. Дополнительные проверки смазки на защиту металла от коррозии, стабильность водомасляной смеси показали, что она может являться полноценным заменителем пальмового масла; в качестве синтетического жира она успешно применяется в эмульсиях для волочения. Составы на основе полигликолей из-за неизбежного наличия в них неполных эфиров образуют стабильные эмульсии. Выделение масла из них при высокой скорости прокатки и незначительном времени контакта недостаточно. Слой смазки образуется не толще 0,5- 0,75 мкм, кроме того, в нем выделяется только сильно гидратированное масло и напряжение трения резко возрастает. Поэтому для жести перспективны эфиры синтетических одноосновных кислот от С9 и выше, при том же соотношении предельных и непредельных кислот. Смесь эфиров кйслот

129

хлопкового соапстока и синтетических жирных кислот с одноосновными синтетическими жирными спиртами при предварительных испытаниях не обнаружила существенных отличий от пальмового масла. 6.3.2.2. Минерально-масляные смазки Минеральное масло применяют для прокатки как единую смазочноохлаждающую жидкость на многовалковых станах, станах кварто, когда скорость прокатки невелика (менее 5-8 м/с), и требуется высокая отделка поверхности или применение эмульсий. Представляет интерес пример разработки смазки на минерально-масляной основе для производства биметалла: сталь-алюминийоловянистый сплав для изготовления подшипников скольжения. Этот пример характерен тем, что практически все свойства смазки задаются в строго ограниченных пределах и их выполнение обеспечивается сбалансированным подбором присадок. Прокатка (плакирование) биметаллической ленты (сталь 08кп - сплав алюминия с 18 % олова) производится на двухвалковых станах с рабочими валками диаметром 400 мм при скорости прокатки 15-20 м/мин с большим обжатием - 40 %, обеспечивающим сварку пакета. Валки охлаждаются изнутри водой, смазка подается на валки со стороны стали с помощью насоса, обеспечивающего прокачку масла вязкостью до 100 мм2/с при 50 °С. Смазка со стороны алюминиевого сплава осуществляется периодически вручную и ее задача заключается в предотвращении налипания металла на валок, для чего через фетр подается та же смазка. К стальной стороне полосы предъявляются высокие требования по отделке поверхности: шероховатость не ниже 0,8 Ra и загрязненность - не более 300-400 мг/м2. После прокатки лента проходит отжиг 450-500 °С. Основные требования к смазке объясняются особенностями процесса и требованиями к качеству готовой продукции, а именно: - обеспечение оптимального значения напряжения трения и стабильности процесса; - отсутствие повреждений поверхности; - обеспечение отделки поверхности (0,8 Ra класс шероховатости); - количество остатков продуктов износа: на полосе (не более 400 мг/м2). Технические требования к разрабатываемой смазке следующие: - напряжение трения - стабильность величины напряжения трения и отсутствие повреждений поверхности при высоких обжатиях (е = 0,4); шероховатость поверхности 8 класс, не менее; - загрязнения поверхности после прокатки (не более 400 мг/м2); смазка должна быть жидкотекучей - при 15 °С (исходя из конструкции стана и системы), вязкость при 50 °С не более 75 мм2/с; стабильность смазки должна сохраняться при перемешивании; - защита от коррозии должна обеспечивать хранение в цехе до 10 дней после прокатки; из прочих требований необходимо обеспечить пол-

130

ное выгорание смазки при отжиге при 500 °С; требования к санитарным нормам, органолептическая проба, пожароопасность (в пределах общих требований к минеральным маслам). — 45-60 МПа при малой скорости скольжения соответствует Величине смесь минерального масла средней вязкости (турбинное 22) с животным жиром в количестве около 15 %. С целью обеспечения смазочного действия в тонких граничных пленках желательно присутствие в смазке непредельных кислот, поэтому в качестве жировой добавки, обеспечивающей защиту поверхности от повреждений и снижение напряжения трения, использовали смесь животного и растительного масел или смесь животного жира с олеиновой кислотой. Однако, как показали технологические испытания, стабильность процесса прокатки полностью не обеспечивается этим составом - при работе стана изредка наблюдаются рывки, вибрации, риски. С целью повышения стабильности процесса добавлено 10-15 % хлорпарафина (ХП-470), выполняющего роль противозадирной присадки высокой поверхностной активности. Вибрация стана прекратилась, хотя устойчивость процесса прокатки была обеспечена, полоса была сильно загрязнена продуктами износа (до 1600 мг/м2). Для обеспечения чистоты поверхности в качестве пленкообразующей присадки введены эфирокислоты (МНИ-3) в количестве 2-5 %, а количество олеиновой кислоты уменьшено до 4-5 %. В результате обеспечено получение шероховатости 0,4 Ra, 0,2 Ra и выполнено требование по чистоте поверхности, т. е. 300-400 мг/м2 остатков продуктов износа; одновременно МНИ-3 является ингибитором коррозии. Следует отметить, что применение только присадки МНИ-3, без хлорпарафина, не устраняет вибрации и появления рисок. Выбор именно этих присадок, а не других, которые предположительно обеспечили бы процесс, например Л3-215, обусловлен требованием к их растворимости в масле, а также сырьем. Остальные требования к смазке также удовлетворяются: достигнута механическая стабильность смазки, обеспечена защита от коррозии. Применение чистых исходных продуктов и малое количество продуктов износа позволили удовлетворить и последнее требование - отсутствие пятен и чистоту поверхности после отжига. В дальнейшем эта смазка была заменена более технологичной, не содержащей животных жиров (смазка СПТ-13), состав которой из других компонентов подобран аналогично, причем роль жировой добавки, снижающей трение, выполняют такие известные присадки, как полиметакрилаты и диалкилдитиофосфат цинка [30]. 6.3.2.3. Эмульсии для прокатки листа и ленты Эмульсии для прокатки наиболее массового вида холоднокатаной продукции - автомобильного листа и ленты, являются основным типом смазочноохлаждающей жидкости. Хотя для этой цели и возможно применение жиров и эмульсий на их основе, экономически это вряд ли целесообразно и обычно применяют эмульсии на основе минеральных масел. Одним из главных требований является охлаждающая способность, что и предопределяет применение эмульсии масла в воде невысокой концентрации (1-5 %).

131

Композиция эмульсолов включает в себя минеральное масло и эмульгатор. Кроме того, в современных эмульсиях, как правило, присутствуют различные добавки, повышающие их служебные свойства. Так как смазочные свойства эмульсий легко могут быть улучшены присадками, а применение масла в воде снижает высокие требования к нему по испаряемости, деэмульгируемости, то в качестве основы используются наиболее дешевые масла. Требование легкоподвижности эмульсолов приводит к применению маловязких масел, типа веретенного вязкостью 0,01-0,02 м2/с при 50 °С. В качестве эмульгаторов в первую очередь используют мыла жирных кислот и щелочных металлов, триэтаноламина или моноэтаноламина. Предлагаются также аммониевые соли природных полимеров, сульфонаты, а также неионогенные эмульгаторы. Повышение смазочных свойств достигается добавками полимеров [28] как в виде кислотного остатка, так и самостоятельно. Используются добавки полиэтилена, диалкилдитиофосфата цинка, а для повышения стабильности эмульсий - спиртов в количестве 1-2 %. В целом использование присадок для эмульсолов аналогично использованию присадок для минеральных масел. Специфичным является требование к их стабильности в воде. В отличие от масел, эмульсии содержат эмульгаторы и желательны добавки, предотвращающие микробиологическое поражение [29]. Эмульсии для дрессировки могут быть те же, что и для прокатки, но с целью повышения коррозионной стойкости проката в 5-10 раз их концентрация должна быть не 2-3 %, а не менее 6-8 % [15]. Возможно и существенное упрощение композиции эмульсии за счет удаления составляющих, обеспечивающих снижение напряжений трения. Тем не менее, концентрация компонентов, обеспечивающих защиту от коррозии, например, солей тримоноэтаноламина, должна быть предельной. Эмульсии, применяемые в настоящее время (Т, ЭГТ) и ранее применявшиеся Э2Б, ЭТ1 и др.), относятся к минерально-масляным эмульсиям стабилизированным мылами. Срок их эксплуатации чаще всего около 5-6 дней. Рассмотрим пример создания эмульсии, превосходящей по своим свойствам эмульсии минерального масла без присадок, типа Т, ЭГТ. Основной задачей создания новых эмульсий является повышение сроков их эксплуатации, затем повышение чистоты поверхности и, наконец, снижение энергосиловых затрат с целью расширения сортамента в сторону меньших толщин. Перечислим основные требования к эмульсии: - обеспечение стабильности и долговечности эмульсий, способность к очистке; - получение чистой от загрязнений поверхности: порядка 200-400 мг/м2 остатков продуктов износа и масла; - оптимальная смазочная способность; - отсутствие вредных воздействий на металл в процессе отжига; - защита прокатанного металла от коррозии.

132

Отметим, что для малых скоростей прокатки в области 0,2-1,0 м/с, напряжение трения больше, чем задано. Принимаем следующие технические требования для вновь разрабатываемых эмульсий: значение напряжения трения в пределах от 25 до 66 МПа; защита поверхности от повреждений; нормированная шероховатость поверхности при прокатке -1,5 мкм; получение чистой от загрязнений поверхности - требуется количество остатков смазки и продуктов износа в пределах 200-400 мг/м2, или в 1,5-2 раза меньше, чем на эмульсиях Э2Б, Т; смазка должна применяться в виде водной эмульсии; обеспечение жидкотекучести эмульсола при 20-25 °С (условия транспортировки и хранения); стабильность готовой свежей эмульсии должна обеспечивать отсутствие выделения масла за время не менее 24 ч; срок эксплуатации эмульсии - не менее чем в два раза, больше эмульсии Т, в сходных условиях; защита от коррозии должна обеспечиваться как после промасливання подката эмульсолом, так и после прокатки, при хранении в помещении в течение не менее 5 суток; полное выгорание остатков смазки при отжиге без образования сажистых налетов; роопасность - в пределах, удовлетворяемых эмульсолом Т, применяемым в производстве. Такие требования, как защита поверхности от повреждений при продатке и нормированная шероховатость поверхности не являются определяющими при выборе состава эмульсола, поскольку применяемые эмульсии, не содержащие

133

специальных присадок, обеспечивают отсутствие рисок, а шероховатость готовой продукции создается при дрессировке. Напротив, требование увеличения срока эксплуатации — одно из главных. Для того, чтобы его обеспечить, необходимо добиться повышенной способности эмульсии отделять механические примеси и не образовывать при этом трудно удаляемых отложений на трубопроводах и плотных осадков в емкостях системы. Необходимо, чтобы свойства эмульсии не изменялись существенно при попадании в нее посторонних масел из систем смазки оборудования, промасливающих составов и остатков травильных растворов. Основу подбирали на базе более легких масел типа И-12А - И-20А с добавками жиров. Как было показано, добавка к минеральному маслу жиров в пределах от 10 до 25 % дает одинаковый эффект. Кроме того, эмульгаторы (мыла, оксиэтилированные кислоты) по своему действию аналогичны жирам. Отсюда следует, что суммарное количество жиров и эмульгаторов, добавляемых к минеральному маслу должно быть не менее 10 %, или несколько больше с учетом их потерь в процессе эксплуатации и разбавления масляной основы посторонними маслами. Положительное влияние на износ и высокие смазочные свойства триэтаноламинового эфира синтетических жирных кислот (СЖК) позволили применить его и некоторые аналоги в качестве жировой присадки. Так, был предложен продукт конденсации (эфир) триэтаноламина и кубового остатка СЖК. Исследование стабильности эмульсии, содержащей 10 % эфиров триэтаноламина и кубового остатка СЖК, показало, что необходимое содержание стеарокс-6 и мыл того же триэтаноламина с СЖК в среднем по 8-10 %. В результате получена композиция эмульсола (ЭП-29): основа - масло веретенное; 10 % эфира триэтаноламина и кубового остатка (СЖК; 5-10 % стеарокс-6; 10 % мыла триэтаноламина и СЖК фракции C10-20). Лабораторные исследования загрязненности поверхности образцов и исследование энергосиловых параметров при прокатке с эмульсолами Т и ЭП-29 показали преимущества ЭП-29; снижение напряжения трения на 25-30 %, уменьшение загрязненности на 40-45 %. При прокатке на реверсивном стане 425 среднее значение напряжения трения на эмульсии Т составляет 92 МПа, а на эмульсии ЭП-29 ниже - 64 МПа. Данные о загрязненности самой эмульсии и поверхности металла, приведенные ранее, показывают, что в сравнении с прокаткой на эмульсии Т, образующееся количество продуктов износа меньше в 2-3 раза. Полоса чище, общее количество остатков при прокатке на реверсивном стане 425 составляет 240-260 мг/м2. Применение эмульсии Т дает не менее 380-400 мг/м2. На более скоростном (до 5 м/с) непрерывном стане 300 общее количество остатков при прокатке на эмульсии ЭП-29 составляет 300-320 мг/м2, на эмульсии Т - 620-690 мг/м2. Срок эксплуатации эмульсии ЭП-29 в 4—6 раз выше, чем эмульсии Т, при сохранении основных рабочих характеристик. Исследование коррозионно-защитных свойств эмульсола ЭП-29 в лабораторных условиях показало, что они выше, чем у специально разработанной защитной смазки К-17.

134

В производственных условиях коррозии, пятен и нагаров не наблюдалось. Шероховатость поверхности ниже, чем при прокатке на эмульсии Т и соответствует 0,9 от шероховатости валков. Высокая экранирующая способность эмульсии ЭП-29 привела также к тому, что полностью исключается слипание при отжиге. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Функциональное назначение СОТС при прокатке. 2. Роль трения при прокатке. 3. Классификация СОТС при холодной прокатке. 4. Классификация СОТС при горячей прокатке. 5. Требования к СОТС при холодной прокатке. 6. Требования к СОТС при горячей прокатке. 7. Принципы подбора состава СОТС. 8. Группы СОТС. 9. Методика выбора СОТС при горячей прокатке. Ю.Методика выбора СОТС при холодной прокатке.

135

7. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ И АНАЛИЗ СРЕДСТВ ОЧИСТКИ 7.1. АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВ, ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЖИДКОСТИ Большинство современных технологических процессов обработки металлов в машиностроительных и металлургических производствах невозможны без применения водных технологических жидкостей (ВТЖ), способствующих существенному увеличению стойкости инструмента, повышению производительности и качества обработки. В процессе функционирования ВТЖ неизбежно загрязняются механическими и иными примесями, подвергаются негативному воздействию микрофлоры. Эти процессы приводят к ухудшению выходных показателей операций металлообработки, сокращению срока функционирования самих технологических жидкостей и увеличению затрат, связанных с их применением. Рассмотрим подробнее загрязнения, попадающие в ВТЖ. В общем виде ВТЖ можно рассматривать как дисперсную систему с твердой (суспензии) или жидкой (эмульсии) дисперсной фазой, в которой дисперсионной средой является вода. С позиции коллоидной химии по дисперсности загрязнений большинство видов ВТЖ являются полидисперсными, микрогетерогенными системами, которые содержат частицы размером более 0,1 мкм. По размеру частиц суспензии (или эмульсии) подразделяются на грубые (диаметр частиц более 100 мкм), тонкие (0,5-100 мкм) и мути (0,1-0,5 мкм) [39,55]. Кроме того, ВТЖ могут быть загрязнены растворенными веществами (истинные растворы) и микрофлорой. К растворенным веществам относятся минеральные (ионизированные) или органические соединения - макромолекулярные и микромолекулярные. Развитие микрофлоры происходит в несколько этапов: появление спор, развитие клонов, появление и развитие колоний [53]. Непременным исходным условием является нормирование содержания загрязнений в ВТЖ в зависимости от требований к качеству обрабатываемой продукции. Причем следует отметить, что в разных производствах (или на разных операциях обработки) нормируются различные показатели чистоты ВТЖ, так, для операций механической обработки должны быть заданы (табл. 7.1, [55]): - массовая концентрация механических примесей С, г/дм3; - средний размер частиц d, мкм; - среднее квадратическое отклонение а, мкм; - содержание посторонних неэмульгированных масел См, %; - баллы бактериостойкости, грибостойкости (по ГОСТ 9.085-78).

136

Таблица 7.1 Предельные значения показателей чистоты ВТЖ в процессе эксплуатации Механическая обработка Круглое наружное шлифование: предварительное окончательное Плоское шлифование: предварительное окончательное Точение: предварительное окончательное Сверление Зенкерование Развертывание

С, г/дм3

d, мкм

а, мкм

0,4

30 5

8

1

1,5

0,5

0,3 0,04

20

6

1

3

1

0,5

0,5 0,3 0,4 0,3 0,1

100

20

50 30

50 15

20 10

10

5

1 1 1 1 1

0,1

См,%

* Показатели даны при значениях баллов по ГОСТ 9.085-78: бактериостойкости - 1, грибостойкости -1

В черной металлургии в различных производствах задаются следующие параметры загрязнений [36]: - взвешенные вещества, мг/дм3; - сульфаты, мг/дм3; - хлориды, мг/дм3; - железо (общее), мг/дм3; - фториды, мг/дм3; - цианиды, мг/дм3; - и др. Причем значения параметров загрязнений ВТЖ могут колебаться в значительных пределах. ВТЖ газоочисток содержат взвешенных веществ, мг/дм3 [37]: - доменные печи - 1500-2500; - мартеновские печи - 3000-7000; - конверторы - 2800-20000. Предельные значения взвешенных веществ в очищенных ВТЖ, подаваемых на мокрую газоочистку, составляют 150-600 мг/дм3. Таким образом, ВТЖ необходимо очищать от: - взвешенных твердых загрязнений; - взвешенных жидких загрязнений, например, инородных масел; - растворенных веществ; - микрофлоры.

137

7.2. АНАЛИЗ СРЕДСТВ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ Выбор способа и устройства для очистки ВТЖ диктуется рядом показателей: видом технологического процесса, дисперсным составом и физикохимическими свойствами примесей, составом применяемых жидкостей и их расходом, а также требованиями к качеству обрабатываемой продукции. Так, в табл. 7.2. [31] приведены основные характеристики устройств для очистки технологических жидкостей при механической обработке. Следует отметить, что указанные в табл. 7.2 очистные устройства предназначены, в основном, для удаления взвешенных веществ. Для удаления других загрязнений применяются очистные устройства [55], принцип действия которых основан на использовании: - коагуляции и флокуляции; - флюидизации; - мембранного разделения; - адсорбции; - биотехнологий. Общеизвестно, что в настоящее время нет очистителей, которые можно было бы однозначно рекомендовать для тех или иных условий. Поэтому в практике успешно применяются комбинации нескольких устройств таким образом, чтобы они взаимно дополняли друг друга, компенсируя присущие каждому из них недостатки. Соединение устройств в системе очистки осуществляют последовательно (многоступенчатые очистители) либо параллельно (многоконтурные очистители). В табл. 7.3 [31] приведены предпочтительные технологии для очистки ВТЖ, применяемые при механической обработке.

138

139

140

Таблица 7.3 Предпочтительные технологические процессы очистки ВТЖ

7.3. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ОРГАНИЗАЦИИ СУЩЕСТВУЮЩИХ КЛАССИФИКАЦИЙ СРЕДСТВ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В настоящее время в науке и технике нет единого подхода к классификации очистителей. Разные авторы трактуют этот вопрос исходя из различных предпосылок. Так, в работе [58] (табл. 7.4) авторы разделяют все устройства для очистки ВТЖ на фильтры и силовые очистители, приводя технологические характеристики показателей качества очистки для каждого устройства.

141

Таблица 7.4 Качество очистки ВТЖ различными устройствами

В работе [55] (рис. 7.1) все очистные устройства делятся на флотаторы, фильтры, устройства очистки в силовых полях. В свою очередь, для каждого из этих устройств указаны различные типы исполнения, например, фильтры безнапорные, напорные, под вакуумом с дальнейшей детализацией конструкции. Авторы работы [31] классифицируют очистные устройства и их комбинации (подсистемы) по следующим принципам (рис. 7.2): - по степени централизации; - по способу очистки; - по степени мобильности; - по расположению; - по количеству ступеней очистки; - по относительному объему очищаемой технологической жидкости; - по количеству контуров очистки; - по совмещению элементов в пространстве; - по типу управления; - по рабочему напору.

142

Рис. 7.1. Методы очистки ВТЖ от механических примесей

В работе [55] (рис. 7.3) очистные устройства классифицируются и выбираются в зависимости от наличия рабочих материалов (воздушные потоки, гидравлические жидкости) или технологических процессов (новые покрытия, обработка поверхностей). Там же приводится схема стокообразования (рис. 7.4) в зависимости от обрабатываемых поверхностей, учитывающая материал поверхностей, технологические процессы, расходные материалы. В работе [62] (табл. 7.5) приведена классификация газоочистного оборудования для выбора очистных устройств очистки многокомпонентных и гетерогенных выбросов для производства цветных металлов и сплавов. Классификация основана на группировании загрязнений по их физическим и химическим свойствам (вещество загрязнителя, размер частиц, концентрация). Дана эффективность очистки от различных загрязнителей.

143

144

Рис. 7.3. Технологические системы и сбросы загрязнений в автомобильной промьнпленности

146

Рис. 7.4. Схема стокообразования при обработке поверхностей

Таким образом, в настоящее время отсутствует единый подход к классификации очистных устройств, применяемых в конкретных технологических ситуациях. Различные авторы подходят к данному вопросу с совершенно разных позиций. Необходима разработка общего теоретического подхода, являющегося основой для универсальной системной классификации очистных устройств, обеспечивающего их выбор в конкретных технологических ситуациях, в том числе в случае разработки и проектирования многоступенчатых систем очистки жидкости от многокомпонентных и гетерофазных загрязнений. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4.

Загрязнения, попадающие в ВТЖ. Параметры загрязнений в различных производствах черной металлургии. Технологические процессы очистки ВТЖ. Очистные устройства и их подсистемы.

147

8. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЛОЖНЫХ СО ВТЖ 8.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Глобальной проблемой современных технологий машиностроения является разработка малоотходных ресурсосберегающих технологических процессов, обеспечивающих возможность создания производств с минимальным количеством отходов, вредные воздействия которых на окружающую среду не превышают допустимых санитарно-гигиенических норм. Цель развития ресурсосберегающих и экологизированных технологий - создание системы максимально замкнутых технологических циклов с полным использованием поступающего сырья и отходов. Это попытка воспроизвести природные циклы, так как биосфера является предельно замкнутой системой, где все элементы взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Современная техногенная экономика является открытой системой, где получение относительно небольшого конечного продукта требует огромных затрат ресурсов и сопровождается большим количеством отходов [41,42]. По отношению к общему объему отчуждаемого природного вещества конечный продукт сейчас составляет всего 2-4 %, а подавляющая остальная часть идет в отходы (пустая порода, шлаки, стоки и т. д.). С этой точки зрения безотходные технологии являются идеальной моделью, на которую должны ориентироваться современные производства. Однако, абсолютно безотходное производство невозможно, поэтому можно рассчитывать лишь на малоотходное (экологизированное) производство [40,47]. Первым и наиболее значимым этапом экологизации процессов очистки ВТЖ является совершенствование существующих технологий очистки, что должно привести к экономии природных ресурсов, сокращению или предотвращению вредных выбросов, развитию и модернизации очистных сооружений, минимизации отходов. Поэтапная трансформация традиционных технологий очистки ВТЖ в малоотходные и ресурсосберегающие на втором этапе позволит перейти от открытых систем очистки ВТЖ со свободным входом ресурсов и переработкой отходов к полуоткрытым — с частичным использованием извлекаемых материалов и переработкой отходов, а затем и к циклически замкнутым системам с максимально полной переработкой всех поступающих ресурсов, необходимых при функционировании ВТЖ, и использованию отходов в качестве сырья для других производств. Последним этапом развития малоотходных технологий применения ВТЖ является организация разумного депонирования или захоронения неминуемых остатков и нейтрализация неустранимых энергетических потерь. Такая трансформация изменяет сам технологический принцип, так как в настоящее время в большинстве случаев борьба с загрязнениями и отходами осуществляется лишь на последнем технологическом этапе путем использования фильтров, очистных сооружений и пр. (прямые природоохранные мероприятия). Такой способ экологизации технологий применения ВТЖ экономически нецелесообразен и экологически

148

неэффективен, поскольку неизбежно ведет к удорожанию производства по мере увеличения требований к степени очистки выбросов и достигнет в конце концов такой стоимости, которая превысит стоимость самих объектов. При этом возникает противоречие между существующими технологиями очистки ВТЖ и новыми требованиями к защите окружающей среды. При господствующей в настоящее время на предприятиях нерациональной технологии очистки ВТЖ дополнять соответствующую технику сооружениями для разложения отработанной ВТЖ при малом сроке ее функционирования нецелесообразно. Переход на качественно новую технологию применения ВТЖ с замкнутым циклом использования вещества позволит резко сократить потребление необходимых материалов из окружающей среды. Все вещество при такой технологии будет функционировать в социальной среде и новое количество вещества потребуется лишь для расширенного воспроизводства и компенсации неизбежных потерь, как в живой природе. Основополагающим тезисом является предельная минимизация потерь производственных ресурсов, затрачиваемых при реализации технологических процессов в машиностроении и металлургии с использованием ВТЖ, и исключение сбросов отработанной ВТЖ и продуктов ее переработки в окружающую среду путем обеспечения замкнутых технологических циклов очистки ВТЖ. На основе общесистемных, общетехнических и общетехнологических законов, а также законов инженерной экологии, сформулируем систему принципов, которыми необходимо руководствоваться при создании ресурсосберегающих экологизированных технологий и систем очистки (СО) ВТЖ: 1. Принцип системной экологизации СО ВТЖ в рамках системной экологизации производства. Экологизированные ресурсосберегающие СО ВТЖ следует разрабатывать в рамках системного подхода к экологизации предприятия в целом и СО ВТЖ в частности, поскольку экологическая эффективность предприятия и любой системы зависит от экологичности всех составляющих их элементов, а выборочная экологизация отдельных элементов системы не обеспечивает экологическую чистоту и безопасность системы и всего производства, так как она «гаснет» в цепи иерархии неэкологизированной производственной системы в целом. Производство необходимо строить в соответствии с законами системной целостности саморегулирующихся экосистем и использовать при этом ресурсосберегающие технологии, дающие на выходе минимум вредных выбросов, а также перерабатывать все отходы СО ВТЖ с целью извлечения из них и повторного использования ценных ресурсов - металла, масел, воды и др. Уровни системности СО ВТЖ сильно различаются - от простых индивидуальных, обслуживающих, например, один металлорежущий станок, до высокопроизводительных комплексов СО ВТЖ, обслуживающих целые производственные корпуса [33] (рис. 8.1).

149

Рис. 8.1. Уровни системности СО ВТЖ

Реализация этого принципа означает, в частности, наличие в структуре СО ВТЖ подсистем рекуперации соответствующих ресурсов. Организация процессов утилизации отходов машиностроительными и металлургическими предприятиями в настоящее время является весьма трудной научно-технической задачей. Установки для утилизации требуют значительных капиталовложений, затрат тепло- и электроэнергии, воды, использования средств автоматики, наличия компетентного обслуживающего персонала. В этом плане оптимальным является сочетание общезаводских и локальных систем очистки. Последние позволяют извлекать из ВТЖ подлежащие утилизации компоненты вблизи от источников загрязнений (при высоких их концентрациях и повышенной производительности технологических элементов) и, тем самым, упростить очистку ВТЖ в заводских сооружениях. 2. Принцип организации замкнутых циклов движения материальных потоков в СО ВТЖ. Реализация этого принципа наиболее эффективно обеспечивает минимизацию негативного воздействия на окружающую среду (отходов системы) при одновременном уменьшении потребления внешних ресурсов. При разработке СО ВТЖ реализация принципа организации замкнутых циклов предполагает решение комплекса научно-технических и технологических вопросов, связанных с восстановлением отработанной ВТЖ и последующей ее рециклизацией, непрерывным извлечением из ВТЖ и рекуперацией механических примесей и «инородных» масел в пленочном и эмульсионном состояниях. Рециклизация ВТЖ позволяет исключить ее залповые сбросы в поверхностные водоемы и уменьшить техногенную нагрузку на окружающую среду. Кроме того, в СО ВТЖ необходимо улавливать, конденсировать и повторно использовать ВТЖ, испаряющуюся и разбрызгиваемую в процессе металлообработки, а также минимизировать потери ВТЖ со шламовыми отходами и стружкой. 3. Принцип исключения или минимального использования химических методов борьбы с микроорганизмами в ВТЖ.

150

Для борьбы с микробиологическим поражением ВТЖ целесообразно использовать естественные механизмы регуляции численности бактерий и, в частности, межвидовую конкуренцию микроорганизмов в ВТЖ. Например, целесообразно периодически подавлять жизнедеятельность анаэробных бактерий, создавая при этом благоприятные условия для существования (развития) аэробных бактерий и неблагоприятные условия для анаэробных. Этот принцип реализуется путем периодической аэрации ВТЖ. 4. Принцип обратимости процессов, протекающих в ВТЖ. Многие источники [53,54] указывают, что изменения, происходящие в ВТЖ в процессе её функционирования, необратимы. Однако экспериментальные исследования, проведенные автором, и другими исследователями [31,43,44,51], показывают, что определенными физико-химическими воздействиями на ВТЖ можно восстанавливать её эксплуатационный и технологический ресурсы, которые при биопоражении теряются необратимо в малой степени. 5. Принцип предотвращения негативного воздействия вредных факторов (испарение, разбрызгивание ВТЖ и т. д.). Этот принцип реализуется путем использования технологий и техники, позволяющих исключать участие человека и вредные факторы из производственных процессов. 6. Принцип обеспечения возможности развития (модернизации) СО ВТЖ и её элементов при изменении условий функционирования системы. Возможным решением является модульная организация СО ВТЖ, когда ее подсистемы выполняют в виде отдельных модулей, функционирующих как в автономном режиме, так и совместно с другими модулями. 7. Принцип минимального использования в СО ВТЖ расходных материалов. Предпочтение следует отдавать СО ВТЖ, не использующим расходные материалы (в особенности дорогостоящие фильтрующие материалы - металлическую вату, керамические микрофильтрующие мембраны, тканые и нетканые материалы, полиэфирные волокна, нейлоны, бумагу, кизельгур, перлит, диатомит, асбест, древесную муку, инфузорную землю), что позволяет сократить количество неутилизируемых отходов, идущих в отвалы, и соответственно уменьшить техногенную нагрузку на окружающую среду и повысить экономическую эффективность СО ВТЖ. 8. Общетехнические принципы построения сложных систем в применении к СО ВТЖ: - Малая энергозатратность СО ВТЖ при максимальном коэффициенте полезного действия. Снижение энергозатрат становится особенно актуальным в высокорасходных централизованных СО ВТЖ современных машиностроительных и металлургических предприятий в связи с экономической недоступностью для большинства предприятий высокопроизводительных устройств, обеспечивающих качественную тонкую очистку ВТЖ. Перспективным способом снижения энергозатратности СО ВТЖ является организация неполнопоточной компенса-

151

ционной тонкой очистки ВТЖ, заключающейся в выполнении тонкой очистки не всего потока, а лишь его части (с производительностью 3-25 % от производительности СО ВТЖ), таким образом, чтобы при этом подавить накопление механических и иных примесей во всем объеме ВТЖ. - Оптимизация размеров и месторасположения СО ВТЖ и её элементов. Возможность существенной экономии производственных площадей открывает многоуровневое расположение технологических элементов СО ВТЖ, различных по своему функциональному назначению. Компактность позволяет располагать в ограниченных по площади помещениях сложные системы. В связи с этим целесообразен переход от напорных систем к безнапорным. В таких системах уменьшается число емкостей и насосов. При этом обеспечивается существенное снижение энергозатрат. Возможным путем реализации рассматриваемого принципа является также совмещение технологических элементов СО ВТЖ в пространстве. Например, весьма эффективным оказывается совмещение флотационной и гравитационной очистки ВТЖ в одной емкости, а также совмещение функций транспортирования ВТЖ и предварительной ее очистки путем размещения элементов подсистемы очистки ВТЖ в трубопроводе. При решении проектно-конструкторских задач, связанных с принципом оптимизации размеров и месторасположения элементов и СО ВТЖ, целесообразно использовать математические методы параметрического анализа. - Обеспечение оптимальной и надежной работы всех элементов СО ВТЖ. Нельзя рассчитывать на предельный (максимально эффективный) режим работы элементов СО ВТЖ, так как это может вызвать их быстрый износ и выход из строя. Поэтому при проектировании СО ВТЖ необходимо закладывать оптимальный, а не максимально эффективный, режим работы всех ее элементов (своего рода «крейсерский» режим). С целью повышения надежности СО ВТЖ необходимо, чтобы технологические функции каждого элемента системы подстраховывались другими элементами. В этом случае выход из строя одного элемента системы не приведет к ее резкому функциональному изменению. Этот принцип нашел удачное техническое решение в установках «Вита-С», в которых функция очистки ВТЖ возложена на очистители трех типов: бак-отстойник, магнитный сепаратор и флотатор. - Гибкость технологических процессов и автоматизированное (адаптивное) управление СО ВТЖ и ее элементами (рис. 8.2).

152

Рис. 8.2. Направления обеспечения гибкости технологии очистки ВТЖ

Реализация этого принципа является одним из определяющих условий обеспечения важнейшего свойства любой технической системы - эмерджентности*. При реализации адаптивного управления целесообразно использовать средства активного контроля свойств ВТЖ [30,51], позволяющие контролировать и управлять рядом параметров ВТЖ, например, концентрацией эмульсола и механических примесей, рН-показателем, содержанием кислорода и др. Это позволит оптимизировать работу как отдельных элементов, так и всей СО ВТЖ. Без формирования математического аппарата, включающего комплекс математических моделей, описывающих процессы функционирования элементов системы (ВТЖ, очистители и т.д.), нельзя решить задачу оптимального адаптивного управления ею. Примером гибкого (адаптивного) управления работой кассетного магнитного сепаратора может служить управление циклом его разгрузки (очистка магнитных патронов от шлама), осуществляемое в зависимости от толщины налипшего на патрон шлама. 8.2. ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВТЖ НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ Рассмотрим далее технологии и системы, построенные на основе перечисленных выше принципов. При традиционной для машиностроительных и металлургических предприятий технологии применения ВТЖ (рис. 8.3) циркулирующая в СО оборотная ВТЖ подается на технологическое оборудование, где проявляются ее функциональные действия [35]. Собранная с технологического оборудования ВТЖ направляется в подсистему очистки и рециркуляции (оборота), где очи* Эмерджентностъ - наличие системного целого, не присущего сумме её составляющих элементов, не объединенных системообразующими связями.

153

щается от механических и иных примесей и подвергается необходимой коррекции. Затем жидкость снова подается на технологическое оборудование и так цикл за циклом в течение одного-двух месяцев. Отработанная ВТЖ подается на установку разложения на водную и масляную фазы. Затем водная фаза транспортируется на нейтрализацию и с другими водными стоками сбрасывается в водный бассейн. Загрязненные нефтепродуктами шламы из подсистем очистки, разложения ВТЖ и нейтрализации водных стоков размещаются на специализированных свалках. Впоследствии нефтепродукты вымываются в водный бассейн [38]. Аэрозоли, образующиеся на технологическом оборудовании в зоне обработки, через вентсистему проникают в окружающую воздушную среду и с осадками выпадают в водный бассейн. Анализ научно-технической информации [33,34,45,52,54,57 и др.] и результатов обследования СО ВТЖ, функционирующих на ведущих отечественных машиностроительных (Волжском, Камском и Ульяновском автомобильных заводах, Московском, Саратовском и Самарском подшипниковых заводах и др.) и металлургических предприятиях (комбинатах в Липецке и Череповце) привел к следующим выводам: 1) С той или иной степенью полноты в действующих производствах реализованы лишь принципы оптимизации размеров и месторасположения СО ВТЖ и ее элементов, а также обеспечения оптимальной работы основных элементов системы. 2) Все существующие СО ВТЖ организованы с нарушением принципов системной экологизации и организации замкнутых циклов движения материальных потоков, не обеспечивают достаточно длительного срока функционирования ВТЖ, предполагают значительное количество отходов, энерго- и ресурсоемки, и поэтому запрограммированы на ухудшение экологической ситуации. 3) Большинство из существующих СО ВТЖ предполагает использование в подсистеме очистки ВТЖ расходных фильтроматериалов, являющихся дополнительным отходом и усугубляющим негативное воздействие СО ВТЖ на окружающую среду. В соответствии с предлагаемой технологией в проектируемой СП должны быть предусмотрены (рис. 8.4): 1) система очистки и рециркуляции ВТЖ, обеспечивающая оборот жидкости до 12 месяцев и более (вследствие чего резко уменьшаются сбросы отработанной ВТЖ на переработку); 2) установка восстановления отработанной ВТЖ без разложения на водную и масляную фазы; 3) установка экологически чистого разложения ВТЖ небольшой производительности (поскольку сбросы ВТЖ на разложение резко снижаются); 4) установки раздельного рециклинга водной, масляной и твердой фаз, входящих в состав водных стоков разложения, аэрозолей и шламов [31]; 5) установка возврата аэрозолей из вентсистем; 6) установка обеспечения экологической безопасности [31].

154

Рис. 8.3. Типовой технологический процесс очистки ВТЖ

Рис. 8.4. Проектируемый экологизированный ресурсосберегающий технологический процесс очистки ВТЖ

155

В ходе разработки ресурсосберегающей экологизированной технологии применения ВТЖ на промышленном предприятии была составлена блок-схема технологического процесса переработки отходов от применения ВТЖ (рис. 8.5). Технология переработки этих отходов системно увязана с технологией переработки прочих технологических водных и нефтесодержащих жидкостей по аналогии с трофическими цепочками в природе. Очистка ВТЖ на металлорежущих станках и технологическом оборудовании металлургических предприятий обусловливает возможность представления ее как предмета массового потребления. Система очистки ВТЖ в этом случае рассматривается как «производитель» предмета массового потребления при наложении условия его экологизации и минимизации потребления ресурсов, а металлообрабатывающее производство - как массовый потребитель ВТЖ. Ресурсосберегающая экологизированная СО ВТЖ-это организационнооформленное, системно-интегрированное, механизированное или автоматизированное вспомогательное производство, обеспечивающее потребность предприятия в ВТЖ при ограничении антропогенного воздействия на окружающую среду и минимизации затрачиваемых ресурсов. Главными причинами, обусловливающими необходимость создания ресурсосберегающих экологизированных СО ВТЖ, являются: необходимость ресурсосбережения как неотъемлемого компонента обеспечения экономичности любых технологических процессов; необходимость предотвращения или снижения техногенного давления на окружающую среду как непременного условия выживания человека. Основными предпосылками создания ресурсосберегающих экологизированных СО ВТЖ являются накопленный опыт разработки технологии применения ВТЖ на машиностроительных и металлургических предприятиях в России и за рубежом, а также собственный опыт разработки соответствующей техники реализации таких прогрессивных технологий.

156

157

Основные трудности, которые необходимо преодолеть при создании ресурсосберегающих экологизированных СО ВТЖ, заключаются в следующем: несформированность и неоформленность базы знаний и базы данных, являющихся информационной основой разработки и проектирования подобных систем; отсутствие нормативного обеспечения технологических требований к качеству ВТЖ; отсутствие высокоэффективной, надежной и достаточно доступной элементной основы ресурсосберегающих экологизированных СО ВТЖ; отсутствие комплекса техники активного контроля состояния ВТЖ; нескоординированность усилий исследователей, работающих над созданием современных ресурсосберегающих экологизированных СО ВТЖ. Для достижения поставленной цели необходимо разработать лингвистическое, информационное, организационное, экономическое, эргономическое, математическое, программное и правовое обеспечение технологического процесса ресурсосберегающего применения ВТЖ. Создание ресурсосберегающих экологизированных СО ВТЖ оправдано при обеспечении следующих технико-экономических показателей: повышение производительности металлообрабатывающего оборудования как минимум на (10—15) %; снижение потерь от брака, связанных с нарушением технологических требований к ВТЖ; снижение расхода основных материалов в 2 и более раз; ликвидация использования вспомогательных материалов; уменьшение энергозатрат в несколько раз; увеличение времени между залповыми сбросами ВТЖ на разложение до года и в пределе их полная ликвидация; снижение количества обслуживающего персонала в 2 и более раз; ликвидация потребности в ручном труде при обслуживании и эксплуатации экологизированных ресурсосберегающих СО ВТЖ. Ресурсосберегающая экологизированная СО ВТЖ рассматривается как подсистема производства машиностроительного или металлургического производства. В свою очередь такая СО ВТЖ имеет собственную иерархическую структуру внутренних специализированных подсистем (второго порядка). СО ВТЖ взаимодействует на инфраструктурном уровне с прочими подсистемами завода, что сильно осложняет анализ и обоснование эффективности ее создания. Функционально целесообразно организовывать централизованнодецентрализованную ресурсосберегающую экологизированную СО ВТЖ, в которой часть операций технологического процесса выполняется централизованно, а часть - децентрализованно. Как всякая система, СО ВТЖ должна быть системно структурирована (рис. 8.6). В основе структурирования лежит функциональное назначение структурных элементов. Кроме того, системность структурирования СО ВТЖ в немалой степени связана с прерывистостью операции: часть операций технологического процесса применения ВТЖ выполняется непрерывно в течение цикла рециркуляции, а часть только по завершению этого цикла; периодические операции связаны с подготовкой системы к выполнению циклической части операций. Кроме того, операции технологического процесса пространственно разделены.

158

Рис. 8.6. Системно-структурированная схема ресурсосберегающей экологизированной СО ВТЖ

Операции (подсистемы), связанные с очисткой, разложением и восстановлением ВТЖ, выполняются в рамках одной пространственно-сопряженной системы рециркуляции. Подсистемы, осуществляющие переработку твердых отходов и масла, могут быть размещены в отдельных помещениях в данном производственном корпусе или вообще за его пределами на удалении до нескольких километров. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Принципы, которыми необходимо руководствоваться при создании ресурсосберегающих экологизированных технологий и систем очистки ВТЖ. 2. Типовой технологический процесс очистки ВТЖ. 3. Проектируемый экологизированный ресурсосберегающий технологический процесс очистки ВТЖ. 4. Причины, обусловливающие необходимость создания ресурсосберегающих экологизированных систем очистки ВТЖ.

159

9. ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ СО ВТЖ ПРИ СИСТЕМНОМ И МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ СО 9.1. ПЕРСПЕКТИВА ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ СРЕДСТВ ОЧИСТКИ ВТЖ Анализ литературных источников [31,55,58] показал, что проблема выбора средств очистки ВТЖ обусловлена неразберихой с их названиями, которые не позволяют идентифицировать конкретные очистители. Это причина устраняется введением терминологии на основе доминирующего явления, при котором происходит очистка ВТЖ от данных примесей. Однако проблема выбора оборудования для очистки ВТЖ не исчерпывается классификацией. Большие затруднения заключаются в выборе наиболее эффективного оборудования для очистки ВТЖ от многокомпонентных гетерофазных загрязнений. Существующая практика использования оборудования для очистки ВТЖ заключается в применении для отдельных конкретных загрязнений конкретных очистителей и составления из них одной технологической цепи. При этом не учитывается или мало учитывается тот факт, что большинство средств очистки удаляет одновременно, как правило, примеси с различной физической природой. То есть необходима методика оптимизации структуры систем очистки ВТЖ от многокомпонентных гетерофазных загрязнений. На рис. 9.1 показан один из вариантов разрабатываемой универсальной ПСК средств очистки (в табл. 9.1 представлена расшифровка пиктограмм). Переодическая система классификации (ПСК) позволяет упростить формирование матрицы альтернативных вариантов (МАВ) с одновременным отражением эффективности отделяемых средств очистки для различных компонентов загрязнений. Альтернативные варианты структуры трактов систем очистки от конкретного загрязняющего вещества с указанием их эффективности можно отобразить в символически-цифровой форме, например, в виде уравнения

161

Таблица 9.1 Условные обозначения компонентов загрязняющих веществ и средств очистки

162

Для решения подобных систем уравнений успешно используется матричное исчисление, что служит основанием для оптимизации структуры и параметров систем очистки, выполняемой методами системного анализа на основе структурного и параметрического анализа и синтеза. В качестве обобщенного критерия качества системы очистки (критерия оптимизации) наиболее часто используются экономические критерии (удельные капитальные затраты при внедрении системы очистки ВТЖ на единицу производительности; экономический эффект от внедрения, себестоимость очистки единицы объема ВТЖ и др.). С целью постановки задачи моделирования конкретных средств очистки проведём далее системное моделирование и параметрический анализ систем очистки ВТЖ. 9.2. СИСТЕМНОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ Ужесточение требований к технико-экономической эффективности и экологической безопасности современных систем очистки водных технологических жидкостей (СО ВТЖ) предопределяет необходимость постановки и решения оптимизационных задач на стадии проектирования этих систем и их элементов. В наиболее общем виде структура оптимизационной задачи состоит из целевой функции (критерия) оптимизации - энергоемкость, ресурсоемкость, стоимость обслуживания системы, срок функционирования ВТЖ и др. и системы ограничений, связывающих конструктивные и режимные параметры системы применения ВТЖ с критерием. Надежной основой для постановки и решения оптимизационных задач является математическое моделирование. Однако пока отсутствуют комплексные математические модели, адекватно отражающие технологический процесс применения ВТЖ. Известные работы в этой области [48, 49, 50, 51, 52, 53, 56, 59,60, 61, 63], как правило, связаны либо с исследованиями физико-химических, биохимических и других процессов, происходящих в ВТЖ, либо с решением частных вопросов конструирования новых систем ее приготовления, очистки, контроля и т. п. Такое положение не позволяет выйти на автоматизированное проектирование СО ВТЖ и в значительной степени сдерживает создание нового поколения систем очистки больших объемов ВТЖ. Комплекс разработанных математических моделей, необходимых для научного обоснования предлагаемых технологических, схемо-технических и конструктивных решений при металлообработке, представлен в виде морфологического дерева на рис. 9.2. Анализ и синтез СО ВТЖ требуют соответствующего математического и программного обеспечения, позволяющего решать практические задачи на разных стадиях проектирования, при этом синтез СО ВТЖ непосредственно связан с решением задач параметрического анализа. Существующие методы параметрического анализа позволяют исследовать СО ВТЖ и их функционирование,

163

корректно ставить задачи анализа, проводить оптимальный параметрический синтез СО ВТЖ. Основными элементами (факторами), которые необходимо рассмотреть при моделировании СО ВТЖ, являются: собственно ВТЖ с заданными составом и свойствами; технологическое оборудование потребителя, требующее определенных функциональных свойств ВТЖ и являющееся источником ее загрязнения; система очистки ВТЖ, в которой происходит частичная или полная очистка ВТЖ; подсистема трубопроводов, обеспечивающая циркуляцию ВТЖ между технологическим оборудованием и системой очистки.

Рис. 9.2. Дерево математических моделей систем очистки ВТЖ

Численные математические модели описания процесса функционирования ВТЖ с учетом сделанных выше замечаний можно сформировать при представленном ниже формальном описании СО ВТЖ. Векторно описывается совокупность параметров, соответствующих системной реализации функций; в ска-

164

165

166

в котором каждая вершина из множества р сопоставляется с воздействием на ВТЖ определенного элемента системы, а множество дуг а - направления течения ВТЖ в отдельных трубопроводах. Построение модели Г на основе уравнения (9.10) учитывает все перечисленные выше элементы и параметры системы применения ВТЖ. Кроме того, модель можно уточнить путем подсоединения моделей систем подготовки ВТЖ, ее контроля и диагностики [46]. Поэтому данная модель адекватна реальной СО ВТЖ как части основного производства. Практическая ценность модели (9.10) в значительной степени определяется ее идентификацией, т. е. конкретизацией соответствующих подмоделей с учетом целого комплекса сложных физико-химических процессов. Многие из них, с точки зрения системного моделирования, в настоящее время изучены недостаточно. Это порождает проблему идентификации модели, для разрешения которой необходимы дополнительные допущения при ее практическом использовании. Рассмотрим такие допущения на примере решения задачи анализа конкретного варианта СО ВТЖ (рис. 9.3).

Пусть СО ВТЖ обслуживает N потребителей. Для каждого потребителя из главной магистрали с помощью насоса f1 подается ВТЖ. Загрязненная ВТЖ поступает на пункт сбора, а затем насосом f2 прокачивается через L последовательно соединенных очистителей со степенью очистки соответственно Каждый очиститель имеет свой слив в пункт сбора, а последний из них подключен к главной магистрали системы (такой вариант компоновки СО ВТЖ обеспечивает замкнутый цикл ее работы). Требуется определить концентрации компонентов в ВТЖ перед ее подачей потребителям, считая технические характеристики СО ВТЖ известными. Рассмотрим работу системы в установившемся режиме. ВТЖ примем за рабочее тело, обеспечивающее внутри системы массоперенос М ее компонентов. Тогда состояние ВТЖ будет характеризоваться вектором где сl - массовая концентрация l -го компонента.

167

168

169

Математическая модель (9.21) позволяет определить численным методом все множество состояний ВТЖ по параметру «содержание механических примесей» с учетом запросов потребителей, эффективности очистного оборудования и управляющего воздействия обслуживающего персонала. При этом учтено накопление в ВТЖ пропускаемых очистителем механических примесей. Рассмотренная математическая модель СО ВТЖ реализована в оригинальных программных средствах в виде макетного образца, имитирующего работу автоматизированной системы применения ВТЖ. Рассмотрим пример решения практической задачи анализа СО ВТЖ, схема которой показана на рис. 9.5, с использованием разработанных компьютерных моделей. Считаем известными следующие параметры системы: количество потребителей - 3 ед.; очистителей - 2 ед.; анализируемых компонентов ВТЖ - 2 (механические примеси и эмульсии). Исходная концентрация в ВТЖ механических примесей 0,8 кг/м3, эмульсий - 0,5 кг/м3.

Таблица 9.2 Интенсивность загрязнения ВТЖ потребителями (исходные данные) Показатель Механические примеси Эмульсии

Интенсивность загрязнения, кг/мин Потребитель Потребитель Потребитель №1 №2 №3 — — 0,03 — 0,04 0,01

1

170

Необходимо определить концентрации анализируемых компонентов ВТЖ в установившемся и переходном режимах очистки. В результате моделирования работы СО ВТЖ определили параметры переходного (табл. 9.3) и установившегося (табл. 9.4) режимов очистки, а также получили оценку технологической эффективности подсистемы очистки ВТЖ (табл. 9.5). Таблица 9.3 Результаты расчета установившегося режима очистки ВТЖ

Таблица 9.4 Результаты расчета переходного режима очистки ВТЖ

Таблица 9.5 Технологическая эффективность СО ВТЖ

Используем в качестве примера модель (9.21) для расчета динамики нарастания концентрации ферромагнитных примесей в ВТЖ (табл. 9.6), подаваемой на три клети (с первой по третью) четырехклетевого стана холодной листовой прокатки, эксплуатируемого в ОАО «Северсталь» (г. Череповец). Исходные данные для расчета: объем ВТЖ в системе V = 300 м3; объем свежеприготовленной ВТЖ, добавляемой в СО для поддержания постоянного её объема, К втж = 40 м3/сут.; концентрация и масса феррочастиц в свежеприготовленной ВТЖ Сф — 0,06 кг/м3 и Мф = 2,3 кг; объем ВТЖ, переливаемой из СО ВТЖ, обслуживающей четвертую клеть стана, VП = 35 м3; концентрация и масса

171

172

Таблица 9.6 Расчет динамики нарастания концентрации феррочастиц в ВТЖ

По результатам расчета концентрации Сф феррочастиц в ВТЖ построена кривая 1 (рис. 9.6). Экспериментальные данные по динамике нарастания концентрации феррочастиц в ВТЖ (кривая 2 на рис. 9.6) получены по данным лабораторных анализов маслоэмульсионного отделения ОАО «Северсталь». За начало отсчета принято время залива свежеприготовленной ВТЖ.

Рис. 9.6. Концентрация сф феррочастиц в очищенной ВТЖ: 1 - моделирование; 2 - эксперимент

Адекватность нелинейной расчетной зависимости (см. рис. 9.6) проверяли по критерию Фишера, а корреляцию оценивали с помощью коэффициента парной корреляции R:

173

Коэффициент корреляции R принимает значения от нуля до единицы, причем чем ближе значение R к единице, тем более достоверны полученные расчётные данные. Точность модели оценивали на основе величины среднего расхождения между теоретическими (расчетными) и экспериментальными значениями параметра:

Математическая модель является адекватной, если значение критического, равного 20 %.

меньше

В табл. 9.7 приведены расчетные и экспериментальные данные о концентрации феррочастиц, необходимые для проверки адекватности выполненных расчетов динамики изменения концентрации Сф феррочастиц в очищенной ВТЖ. Таблица 9.7 Концентрация сф феррочастиц в очищенной ВТЖ Сутки

1 2

3

Сф, кг/м3 Расчет 0,071 0,093 0,096

Эксперимент 0,062

0,080

7

0,103 0,104 0,106

0,084 0,118 0,110 0,100 0,119

8

0,108

0,101

9 10 11 12 13 14 15

0,109 0,110 0,111 0,112 0,112 0,113 0,114

0,093 0,105 0,124 0,121 0,118 0,120 0,125

4 5

6

0,100

174

175

Функция (9.24) ставит в соответствие каждому набору значений переменных (9.25) в области (9.26) некоторое значение Ф. Для детерминированной функции (9.24), при отсутствии дополнительных ограничений на (9.25), область (9.26) представляет собой скалярное поле значений Ф. При этом Ф является критерием оценки состояния GO ВТЖ. Экстремальное значение (минимум) Ф в области (9.26) можно определить численными методами. Для решения задачи минимизации функции нескольких вещественных переменных в ограниченной области рекомендуются восемь алгоритмов метода случайного поиска. Предлагаемые алгоритмы можно разделить на две группы. В алгоритмах первой группы шаг в произвольном направлении поиска выполняется после неудачного предыдущего шага, а в случае удачи шаги повторяются в том же направлении. В этих алгоритмах применяется линейная тактика поиска. Алгоритмы второй группы построены на другом принципе - после каждого удачного шага выбирается новый шаг в случайном направлении. Таким образом, в предлагаемых алгоритмах используются два способа выбора направления: случайный и парными пробами - делают два шага из одной исходной точки в противоположных направлениях и за направление рабочего шага выбирают направление шага с меньшим значением функции. Главное отличие предлагаемых алгоритмов от известных алгоритмов случайного поиска заключается в способе выбора приращений. На каждом шаге поиска в предлагаемых алгоритмах приращение получают не все переменные, а группы переменных, т.е. поиск ведут не во всем пространстве параметров, а в подпространствах. Размерность подпространства при каждом выборе шага поиска может изменяться от 1 до N. Другая отличительная особенность этих алгоритмов состоит в наличии функциональной связи между приращениями переменных, входящих в состав подпространства.

176

177

Алгоритмы А5, А6, А7, А8 аналогичны соответственно алгоритмам А1, А2, A3, А4 и отличаются от них наличием адаптации рабочего шага в ходе поиска. В этих алгоритмах, при достижении заданного числа последовательных неудачных шагов поиска, происходит дробление (уменьшение в два раза) максимальной величины шага поиска. Прекращение поиска локального минимума функции с использованием описанных алгоритмов осуществляется по заданному числу расчетов значения функции, а также по минимальной величине относительного шага поиска (в алгоритмах с дроблением шага поиска). Предлагаемые алгоритмы метода случайного поиска экстремального значения функции нескольких переменных в ограниченной области реализованы в программном модуле. Сходимость численного решения к точному подтверждена тестовыми расчетами. Разработанные алгоритмы и программный модуль использовали при параметрическом анализе патронного магнитного сепаратора и при анализе СО ВТЖ в гибком автоматизированном производстве [27]. Таким образом, сформулирован общий подход к построению математических моделей СО ВТЖ. Предлагаемый подход позволяет учитывать как детерминированные, так и стохастические особенности СО ВТЖ. Разработана модель (9.1) - (9.21) функционирования СО ВТЖ, адекватность которой подтверждена экспериментально. Математическая модель (9.10) СО ВТЖ открыта для включения моделей подсистем приготовления ВТЖ, их контроля и диагностики, а также может быть дополнена моделью влияния СО ВТЖ на показатели основного производства, что в свою очередь в дальнейшем позволит перейти к постановке и решению задач синтеза СО ВТЖ, а также оценки их техникоэкономической эффективности. Теоретические и экспериментальные исследования и математические модели протекающих в СО ВТЖ процессов, позволяют уточнить модель (9.10).

178

В качестве примера в табл. 9.8 и на рис. 9.7 приведены результаты расчетов технико-экономической эффективности различных вариантов подсистемы очистки ВТЖ, полученных с учетом уточнений. Таблица 9.8 Расчетная технико-экономическая эффективность систем очистки ВТЖ

Рис. 9.7. Степень очистки (а) ВТЖ и экономический эффект (б) различных вариантов системы очистки ВТЖ: 1-4 - схемы по рис. 9.8

179

Рис. 9.8. Схемы к табл. 9.8: БМС - барабанный магнитный сепаратор; ЦМС - цепной магнитный сепаратор; ПМС - патронный магнитный сепаратор; ФЛТ - флотатор; ФИЛ - фильтр; ОТС - отстойник

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перспектива применения периодической системной классификации средств очистки ВТЖ. 2. Модели систем очистки ВТЖ. 3. Применение периодической системной классификации СО ВТЖ при системном моделировании СО. 4. Применение периодической системной классификации СО ВТЖ при математическом моделировании СО.

180

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Компонентный состав и дисперсность веществ, загрязняющих водные технологические жидкости и стоки на машиностроительных и металлургических предприятиях, определяются технологическими процессами и применяемым технологическим оборудованием и обуславливают выбор конкретных средств очистки, а также формирование структуры систем очистки. На основе анализа веществ, загрязняющих водные технологические жидкости, применяемых для их отделения (удаления) средств очистки, анализа математических моделей, характеризующих эффективность гравитационных очистителей и магнитных сепараторов предложено универсальное уравнение эффективности очистки, которое послужило теоретической основой при создании универсальной классификации средств очистки. Разработанная с использованием предложенных признаков классификация является универсальной периодической системной классификацией, органично сочетающей в численной форме информацию о виде и крупности компонентов загрязняющих веществ, виде и эффективности средства очистки водных технологических жидкостей от компонентов загрязнений, области рационального применения средств очистки. Универсальная периодическая системная классификация средств очистки позволяет осуществить и автоматизировать: выбор альтернативных вариантов систем очистки водных технологических жидкостей от многокомпонентных гетерофазных загрязняющих веществ, получение исходной информации для разработки технических заданий на создание нового поколения высокоэффективной техники очисти больших объемов водных технологических жидкостей от механических и иных примесей в машиностроении и металлургии. Математическое моделирование и параметрический анализ средств и систем очистки, выполненные на основе методов системного анализа, обеспечивают разработку методик моделирования и оптимизации очистителей для водных технологических жидкостей и обеспечивают возможность запрограммированного достижения их высокой технологической эффективности. Рассмотренные аспекты ресурсосбережения и экологизации при разработке технологических решений и проектировании систем очистки обеспечивают достижение высоких экономических, экологических и социальных результатов.

181

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. А.с. 1084290 (СССР) Эмульсия для обработки металлов давлением / С. С. Стоба и др. // Открытие. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. - 1984. - № 13. - 18 с. 2. А.с. 740817 (СССР). Смазка для холодной обработки металлов давлением / В. К. Белосевич и др. // Открытие. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. -1980. - № 22. - 164 с. 3. А. с. 233819 СССР. Эмульсии для прокатки листа / М. С. Пасечник и др. // Открытия. Изобретения. Товарные знаки. -1969. - № 3. - 57 с. 4. Балакин, В. А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения / В. А. Балакин. - М.: Машиностроение, 1980. - 135 с. 5. Белосевич, В. К. Эмульсии и смазки при холодной прокатке / В. К. Белосевич, Н. П. Нетесов, В. И. Мелешко. - М. : Металлургия, 1976. 416 с. 6. Булыжев, Е. М. Кассетные магнитные сепараторы для очистки смазочноохлаждающих жидкостей // Производство. Технология. Экология. ПРОТЭК-2000 : труды международного конгресса / Е. М. Булыжев. - М. : Моск. гос. техн. ун-т Станкин, 2000. — С. 49. 7. Булыжев, Е. М. Система экологизированного ресурсосберегающего применения смазочно-охлаждающих жидкостей «Вита-С» // Вестник УлГТУ. — 2002. - № 1 . - С. 49-53. 8. Валки станов холодной прокатки / под ред. В. Н. Новикова, В. К. Белосевича. - М.: Металлургия, 1970. - 336 с. 9. Гарбер, Э. А. Исследование теплообмена в рабочих клетях листовых станов // Тепловые процессы при производстве листового проката. - Л. : СЗПИ, 1983. - 86-94 с. 10.Горенштейн, М. М. Трение и технологические смазки при прокатке /М. М. Горенштейн. - Киев : Техника, 1979. - 190 с. 11 .Горячая прокатка листовой стали с технологическими смазками / под. ред. В. И. Мелешко. - М.: Металлургия, 1982. - 260 с. 12.Грудев, А. П. Технологические смазки в прокатном производстве / А. П. Грудев, В. Т. Тилик. - М.: Металлургия, 1975. - 368 с. 13.Грудев, А. П. Трение и смазки при обработке металлов давлением : справочник / А. П. Грудев, Ю. В. Зильберг, В. Т. Тилик. - М.: Металлургия, 1982. 312 с. 14.Грудев, А. П. Трение и смазки при обработке металлов давлением /А. П. Грудев, Ю. В. Зильберг, В. Т. Тилик. - М.: Металлургия, 1982. - 312 с. 15.Диомидов, Б. Б. Технология прокатного производства / Б. Б. Диомидов, Н. В. Литовченко. - М. : Металлургия, 1979. - 488 с. 16.Евсеев, А. Н. Контроль свойств СОЖ на водной основе на этапе их приготовления и эксплуатации / А. Н. Евсеев, И. П. Игнатенко, А. П. Троицкая // Смазочно-охлаждающие жидкости в процессах абразивной обработки. - Саратов : Сарат. гос. ун-т., 1986. - С. 59- 62.

182

17. Кар ев, Е. А. Замкнутые малоотходные системы применения СОЖ при механической обработке заготовок / Е. А. Карев, В. Д. Бычков, В. Т. Письменко // Ресурсо-сберегающая технология машиностроения. - М. : МГААТМ, 1993.-С. 107-109. 18.Карев, Е. А. Новая технология и техника разложения и регенерации отработанных СОЖ / Е. А. Карев, И. В. Фролов // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. - Волжский : Волжский инж.- стр. ин-т., 1997.-С. 152-153. 19.Каталог взаимозаменяемости смазочно-охлаждающих жидкостей, производимых в странах-членах СЭВ для обработки металлов резанием / Ю.С. Дубровский, А. К. Караулов, В. И. Костик и др. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 199 L 56 с. 20.Качан, Н. В. Применение бактерицидных присадок для защиты СОЖ от микробного поражения / Н. В. Качан, В. Т. Тилик // Сталь. -1985. - № 7. - 48-50 с. 21.Когановский, А. С. Физико-химические методы очистки промышленных сточных вод от ПАВ / А. С. Когановский, В. Ф. Клеменко. - Киев : Техника, 1974.-200 с. 22.Колмановский, А. 3. Листопрокатное производство : справочник / А. 3. Колмановский. - М.: Металлургия, 1979. - 280 с. 23.Контактное трение в процессах обработки металлов давлением / А. Н. Леванов, В. А. Колмогоров и др. - М.: Металлургия, 1976. - 416 с. 24.Костюк, В. И. Очистка сточных вод машиностроительных предприятии / В. И. Костюк, Г. С. Карнаух. - Киев : Техника, 1990. - 120 с. 25.Крагельский, И. Д. Основы расчетов на трение и износ / И. Д. Крагельский. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с. 26.Справочник по свойствам, материалам анализа очистки воды / Л. А. Кульский, И. Т. Горововский, А. Н. Когановский. - Киев : Наукова думка, 1980.4.1.391с. 27.Латтер, Е. М. Контроль биологического старения СОЖ / Пер. ГПТНБ. №71/42704. - 1970. - 210 с. 28.Мазур, В. Л. Производство листа с высококачественной поверхностью / В. Л. Мазур. - Киев: Техника, 1982. - 165 с. 29.Маньковская, Н. К. Синтетические жирные кислоты / Н. К. Маньковская. М.: Химия, 1975. - 168 с. 30.Аксенова, О. В. Разработка адаптивного управления показателями качества смазочно-охлаждающей жидкости на операции шлифования / О. В. Аксенова, А. Р. Гисметулин, А. Н. Евсеев // Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов. Ульяновск : Ульян, госуд. ун-т, 2001. - С. 7-8. 31 .Булыжев, Е. М. Ресурсосберегающее применение смазочно-охлаждающих жидкостей при металлообработке / Е. М. Булыжев, Л. В. Худобин - М.: Машиностроение. 2004. - 352 е., ил.

183

32.Булыжев, Е. М. Моделирование тонкой очистки СОЖ в кассетных патронных магнитных сепараторах / Е. М. Булыжев, Н. Н. Кондратьева // Справочник. Инженерный журнал. - 2008 - № 10. Приложение. - С. 18-24. 33.Булыжев, Е. М. Опыт создания и эксплуатации централизованных систем очистки моющих растворов и СОЖ на машиностроительных и автомобильных производствах / Е. М. Булыжев // Инженерно-техническое обеспечение АПР и машинно-технологических станций в условиях реформы развития. Орел : Орловский политехи, ин-т, 2000. - С. 69-71. 34.Булыжев, Е. М. Опыт применения автоматизированной системы циркуляции СОЖ на Ульяновском автомобильном заводе / Е. М. Булыжев, Е. А. Карев, С. Е. Ведров // Механизация и автоматизация производства. - 1987. - № 6. О»20-24. 35.Власов, С. Н. Централизованная система подачи охлаждающей жидкости к шлифовальным станкам / С. Н. Власов, Ю. К. Кузьминых // Вестник машиностроения. - 1957. - № 7. - С. 59-62. 36.Водное хозяйство промышленных предприятий : Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 1 / под ред. В. И. Аксенова. - М.: Теплотехник, 2005. - 640 с. 37.Водное хозяйство промышленных предприятий: Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 2 / под ред. В. И. Аксенова. - М.: Теплотехник, 2005, - 640 с. 38.Воробьев, С. А. Особенности влияния нефтяных загрязнений на биоценозы и человека / С. А. Воробьев, В. В. Новиков // Экономика природопользования и природоохраны: сборник материалов IV Международной научнопрактической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2001. — С.111-113. 39.Гетманцев, С. В. Очистка производственных сточных вод коагулянтами и флокулянтами / С. В. Гетманцев, И. А. Нечаев, Л. В. Гандурина. - М.: АСВ. 2008. - 272 с. 40.Гирусов, Э. В. Экология и экономика природопользования / Э. В. Гирусов, С. Н. Бобылев, А. Л. Новоселов. - М.: ЮНИТИ, 1998. - 455 с. 41.Замятина, И. Е. Принципы и перспективы применения экологических методов природопользования / И. Е. Замятина, В. А. Никольская, А. Н. Бобровников // Экономика природопользования и природоохранные мероприятия: сборник материалов IV Международной научно-практической конференции. - Пенза : Приволжский дом знаний, 2001. - С. 85-88. 42.3еленов, Э. Н. Разработка экологической стратегии предприятия / Э. Н. Зеленов, Е. А. Резчиков // Производство. Технология. Экология. ПРОТЭК-2001: Труды международной научно-практической конференции. Т. I. - М.: Московский госуд. техн. ун-т «Станкин», 2001.- С. 188-191. 43.Карев, Е. А. Шлифование с применением СОЖ, водная фаза которых получена при разложении отработанных СОЖ / Е. А. Карев // Смазочноохлаждающие технологические средства в процессах обработки резанием. Ульяновск : Ульян, госуд. техн. ун-т, 1996. - С. 51-55. 44.Карев, Е. А. Исследование технологической эффективности разложения и регенерации отработанных СОЖ / Е. А. Карев, В. Т. Письменко, С. К. Леон-

184

тьева // Ресурсосберегающая технология машиностроения. - М. : МГААТМ, 1995.-С. 157-162. 45.Костюк, В. И. Очистка сточных вод машиностроительных предприятий / В. И. Костюк, Г. С. Карнаух. - Киев: Техника, 1990. - 120 с. 46.Математическое моделирование и исследование технологии и техники применения смазочно-охлаждающих жидкостей в машиностроении и металлургии / Е.М. Булыжев, А.Ю. Богданов, В.В. Богданов и др.; под общ. ред. Е. М. Булыжева. - Ульяновск :УлГТУ, 2001.-126 с. 47.Митрофанов, М. В. Принципы создания энерго- и ресурсосберегающих технологий / М. В. Митрофанов, В. П. Щукин // Материалы и технология XXI века: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции. Ч. III. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2001. - С. 136-138. 48.Полянсков, Ю. В. Основы выбора и построения систем очистки СОЖ при абразивно-алмазной обработке / Ю. В. Полянсков // Вестник машиностроения. - 1981- № 2. - С. 64 - 68. 49.Полянсков, Ю. В. Системы очистки СОЖ от механических примесей / Ю. В. Полянсков, Е. М. Булыжев, Е. А. Карев // Технология производства, научная организация труда и управления. Машиностроение. - М.: НИИМАШ, 1976. Вып. 12.-С. 48-55. 50.Полянсков, Ю. В. Централизованная система очистки СОЖ / Ю. В. Полянсков, Е. М. Булыжев, К. Д. Мавромати // Машиностроитель. 1980. - № 3. - С. 31-32. 51.Полянсков, Ю. В. Диагностика и управление надежностью смазочноохлаждающих жидкостей на операциях механообработки / Ю. В. Полянсков, А. Н. Евсеев, А. Р. Гисметулин. - Ульяновск : Ульян, гос. ун-т, 2000. 230 с. 52.Применение СОЖ при обработке резанием (опыт АвтоВАЗ им. 50-летия СССР). - М.: НИИМаш, 1975. - 87 с. 53.Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием : Справочник / Л. В. Худобин, А. П. Бабичев, Е. М. Булыжев и др.; под общ. ред. Л. В. Худобина. - М. : Машиностроение, 2006. 544., ил. 54.Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием : справочник / под. ред. С. Г. Энтелиса, Э. М. Берлинера. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1995.- 496 с. 55.Технический справочник по обработке воды: в 2 т.: пер. с фр. - СПб. : Новый журнал, 2007. — 1696 с. 56.Тихонцов, А. М. Комплексные системы транспортирования стружки и шлама и очистки СОЖ на металлорежущих станках и автоматических линиях / А. М. Тихонцов, М. П. Шмырев // Станки и инструмент. - 1979. № 4 . - С . 17-18. 57.Хабаров, О. С. Очистка сточных вод в металлургии (использование магнитных полей) / О. С. Хабаров. - М.: Металлургия, 1976. - 224 с.

185

58.Худобин, Л; В. Техника применения смазочно-охлаждающих средств в металлообработке / Л. В. Худобин, Е. Г. Бердичевский. - М. : Машиностроение. 1977.- 189 е., ил. 59.Чулок, А. И. Математическое моделирование автоматизированного проектирования систем применения СОЖ / А. И. Чулок // Автоматизированные системы проектирования и управления. - М. : ВНИИТЭМР, 1987. - Сер. 3. - Вып. 5. - 82 с. бО.Чулок, А. И. Модульный принцип построения математических процессов гибкой технологии применения СОЖ / А. И. Чулок // Технологические процессы производства режущего инструмента с применением промышленных роботов и станков с ЧПУ. - М. : ВНИИинструмент, 1986. С. 51-58. 61.Чулок, А. И. Выбор и проектирование гибких систем эксплуатации СОЖ в автоматизированных производствах / А. И. Чулок, В. С. Лобанцова, Г. В. Березовский . // Интенсификация технологических процессов механической обработки. - Л.: ЛМИ, 1986. - С. 32-37. 62.Экология производства. Научно-практический журнал. - № 1 1 - М., 2007. 63.Zelinski, P. Keep your coolant in circulation / P. Zelinski // Mod. Mach. Shop. 1998. - № 1 2 . - P . 96-98.

Учебное издание БУЛЫЖЕВ Евгений Михайлович КОКОРИН Валерий Николаевич ТИТОВ Юрий Алексеевич ГРИГОРЬЕВ Андрей Анатолиевич ПРОКАТКА ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА Технологическое обеспечение процесса прокатки. Новое поколение высокоэффективных систем очистки больших объемов водных технологических жидкостей и стоков Часть I: Техника и технология холодной (горячей) прокатки листового металла. Концепция и методология расчета и проектирования ресурсосберегающих и экологизированных систем очистки Учебное пособие Редактор М. В. Теленкова Подписано в печать 30.12.2009. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 10,92. Тираж 100 экз. Заказ 475. Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск,Сев. Венец, 32 Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32