Механические процессы удаления окалины со стали

Механические процессы удаления окалины со стали

Окалина – это продукт окисления, происходящего при горячей прокатке. Окисление и окалинообразование стали является неизбежным явлением в процессе горячей прокатки, который включает в себя повторный нагрев стали в нагревательной печи, многопроходную горячую прокатку и воздушное охлаждение во время задержки между проходами и после прокатки.

Окалина, образующаяся при нагреве стали до температуры прокатки в нагревательной печи, называется первичной окалиной. Эта первичная окалина удаляется перед горячей прокаткой. Обычно это делается для производства стальных изделий с высоким качеством поверхности и для уменьшения износа валков. Однако вторичная окалина продолжает образовываться на очищенной от окалины поверхности стали во время межпроходной задержки в черновом и промежуточном прокатных станах. Цвет первичной прокатной окалины обычно голубовато-черный, а вторичной окалины — синий. Вторичная окалина придает стали внешний вид, похожий на лакокрасочное покрытие, и ее часто ошибочно принимают за грунтовку синего цвета.

Первичная окалина состоит из трех хорошо выраженных слоев оксидов железа. Рядом со сталью находится самый толстый слой, состоящий из вюстита, имеющего приблизительный состав FeO. Промежуточный слой состоит из магнетита (Fe3O4), а самый внешний слой — из гематита (Fe2O3). Толщина этих слоев зависит от нескольких факторов, связанных с прокаткой стали и наличием кислорода на поверхности стали. Слой на поверхности стали наиболее богат кислородом и составляет от 0,5 % до 2 % толщины окалины. Слой у поверхности металла наиболее богат железом и составляет около 85 % толщины окалины. Промежуточный слой накипи составляет от 13 % до 14,5 % толщины накипи.

Если окалина представляет собой равномерно хорошо прилипшее к стали покрытие, то она может стать идеальным защитным барьером. К сожалению, шкала неоднородна и не прилегает хорошо. Окалина менее реактивна (более «благородна»), чем сталь под ней, и соответствует поведению двух разнородных металлов при контакте. Сталь под более активным металлом окисляется (ржавеет) за счет того, что окалина менее реактивна. Накипь может «соскочить» с поверхности, растрескав покрытие и позволив влаге проникнуть внутрь. Это приводит к возникновению гальванической реакции, которая приводит к точечной коррозии (ржавчине) основной стали.

Окалина доставляет неудобства при обработке стали. Он нуждается в очистке перед холодной обработкой стали. Кроме того, любое покрытие, нанесенное на сталь, теряется, так как сходит с окалиной при попадании под него влажного воздуха. Очень важно удалить всю окалину, чтобы получить однородную и чистую поверхность стальной подложки для любой дальнейшей обработки или нанесения любого покрытия на сталь.

Удаление накипи руками практически невозможно. Использование методов очистки с помощью электроинструмента чрезвычайно утомительно и требует много времени. Ни один из этих двух методов не дает хорошей основы для начала. Несколько типов процессов удаления окалины используются для удаления окалины с поверхности горячекатаных сталей. Эти процессы удаления накипи обычно подразделяются на четыре категории. Это (i) процесс пламенной очистки, (ii) процессы механического удаления накипи, (iii) процесс гидравлического удаления накипи и (iv) процессы химического удаления накипи. В этой статье описаны процессы механического удаления накипи.

Процессы механического удаления окалины (рис. 1) обычно включают обработку (i) деформацией обратного изгиба, (ii) дробеструйной очисткой и (iii) комбинацией обратного изгиба и дробеструйной обработки. Эти процессы обычно используются для удаления окалины со стальных стержней в отрасли волочения стальных стержней.

  Рис. 1. Процессы механического удаления накипи 

Обратный процесс деформации изгибом

Процесс обратного изгиба основан на том принципе, что стальной стержень пластичен, а горячекатаная окалина хрупка. При деформации стержня сталь изгибается, но горячекатаная окалина ломается, отделяется от поверхности стержня и отваливается, если окалина имеется в достаточном количестве и при достаточной деформации. Режим деформации в основном изгиб, но может также включать деформацию растяжения. Оборудование для процесса деформирования обратным изгибом должно использовать принцип обратного изгиба контролируемым образом для достижения стабильных результатов удаления окалины без чрезмерного воздействия на свойства стального стержня, подвергаемого удалению окалины. Одним из важных факторов, влияющих на процесс удаления окалины, является величина общей деформации стального стержня.

Обычно считается, что оптимальная величина деформации стержня, необходимая для полного разрушения окалины, составляет от 8 % до 10 %. Менее 8 % может привести к неполному разрушению окалины, оставляя участки прилипшей окалины, а более 10 % обычно не приводят к дополнительному разрушению окалины, но в то же время добавляют стали нежелательное количество деформационного упрочнения. Дополнительным нежелательным эффектом сильной деформации (более 10 %) является повышенное обратное натяжение на линии стержня, которое может растягивать и сужать стальной стержень, влияя на график вытягивания стержня и требуя большей мощности от первого блока для протягивания стержня через система удаления накипи. Целевая деформация от 8 % до 10 % определяется соотношением между размером шкивов, используемых для обратного изгиба, и размером обрабатываемого стального стержня.

Вопрос растяжения стержня также является важным фактором. Эластичное растяжение может повысить эффективность процесса удаления накипи, в то время как чрезмерное пластическое растяжение может привести к аналогичным нежелательным последствиям.

Технологическое оборудование для деформирования обратным изгибом, хотя внешне выглядит как очень простое и прямолинейное оборудование, на самом деле имеет очень конкретные конструктивные параметры, которые должны быть соблюдены, чтобы иметь сбалансированную производительность удаления окалины, когда окалина отламывается, но не приводит к чрезмерным побочные эффекты на стальной стержень. Надлежащая конструкция оборудования в соответствии с основными принципами процесса удаления окалины является одним из ключевых факторов успешного удаления окалины со стали.

Правильно сконструированное оборудование для процесса обратной гибочной деформации отрывает практически всю горячекатаную окалину. При этом от 80 % до 90 % крупной окалины падает со стержня и собирается в измельчителе окалины. Остаток от 10 % до 20 % окалины, хотя и рыхлый, продолжает прилипать к поверхности стального стержня. Это мелкая порошкообразная окалина, удерживаемая на поверхности стержня электростатическим зарядом. Если не удалить эту накипь, это вызовет такие проблемы, как загрязнение смазочных коробок, сокращение срока службы штампа, быстрый износ тягового блока, низкое качество тянутого стержня и общее снижение производительности волочильного блока.

Очень рано во время разработки процесса обратного изгиба было обнаружено, что есть нежелательные результаты, связанные с оставлением мелких остатков окалины на очищенной от окалины поверхности стержня. Первоначальные попытки устранить это были довольно грубыми, включая такие методы, как привязывание обтирочных тряпок к леске удочки или наматывание толстой пеньковой веревки на удочку, что вряд ли можно назвать производственным процессом. Еще одним часто используемым методом было использование щеток для очистки мелких остатков накипи.

В последнее время было разработано оборудование для удаления мелкой накипи для удаления остатков мелкой накипи с очищенной от накипи поверхности стержня. Это оборудование работает по нескольким принципам. Одна концепция, часто используемая для очистки поверхности стержня, заключается в использовании высокоскоростных струй воздуха, в то время как в другой концепции используется метод промывки водой / воздушной сушки на лету. Оборудование, основанное на обеих концепциях, не только удаляет остатки накипи, но и, по существу, удерживает их, поэтому мелкая накипь не распространяется в рабочей зоне. Это также облегчает последующую утилизацию.

Основные задачи оборудования для удаления накипи для неагрессивной очистки от остатков накипи с очищенных от накипи стержней включают (i) удаление остатков промышленными методами, (ii) локализацию удаленного материала, (iii) минимальное внимание оператора, (iv) минимальное техническое обслуживание и (v) низкие эксплуатационные расходы.

Процесс дробеструйной обработки

Процесс дробеструйной очистки (также иногда называемый абразивоструйным процессом) для удаления окалины со стали представляет собой процесс обработки поверхности, при котором очистка поверхности стали осуществляется путем принудительного направления абразивного материала, наносимого либо в сухом состоянии, либо во взвешенном состоянии в жидкой среде, против поверхности стали. Абразивные частицы концентрируются с высокой скоростью (от 50 м/с до 110 м/с) контролируемым образом на стальном материале. Абразивное воздействие абразивных частиц удаляет накипь и другие поверхностные загрязнения.

Процесс абразивоструйной очистки начался в 1904 году. В наши дни это наиболее часто используемый процесс для удаления окалины с поверхности стальных стержней в установках для волочения стальных стержней. Это экономичный и более быстрый процесс, чем травление при удалении накипи. Абразивный материал или его значительная часть могут быть переработаны для дальнейшего использования.

С помощью процесса дробеструйной очистки можно получить очень хорошую очистку и подготовку поверхности стального стержня. Этот процесс удаления окалины обычно используется для (i) очистки поверхности чугунных и стальных отливок и поковок, (ii) механической очистки листов, стержней, рулонов и проволоки из стали, (iii) дробеструйной обработки для изменения механических свойств. свойства (повышение сопротивления усталости пружин, шестерен и т. д.) и (iv) подготовка поверхностей стальных предметов к окраске или покрытию. Дробеструйный процесс для удаления окалины со стали является распространенным методом удаления окалины при производстве блестящих прутков. Очистка поверхности дробеструйной очисткой используется практически во всех отраслях промышленности, в которых используется сталь, таких как автомобильная, строительная, литейная, кузнечная, судостроительная, железнодорожная и многие другие.

В процессе дробеструйного удаления окалины методы нанесения абразивных материалов можно разделить на два различных типа процедур, а именно (i) сухие методы и (ii) мокрые методы.

Сухие методы для нанесения абразивных материалов включают (i) механический метод струйной очистки и (ii) метод струйной очистки сжатым воздухом.

Механический взрыв чаще всего используется оборудование шкафного типа. Он доступен в пакетной, полуавтоматической или автоматической версиях. Как правило, в корпусе находится один или несколько дробеструйных барабанов, направляющих абразив на стальную поверхность под действием центробежной силы. Колесо расположено таким образом, чтобы обеспечить максимальное покрытие и высокую эффективность струйной очистки стальной поверхности. Чистый абразив, обычно промытый воздухом и отсортированный, хранится в бункере. Абразивы текут из бункера под действием силы тяжести в загрузочную воронку и ковшовый клапан, который дозирует поток абразива на рабочее колесо. Рабочее колесо сообщает абразиву центробежную скорость, которая затем направляется через управляющую клетку. Клетка управления определяет направление и форму подачи струи на стальную поверхность. Круг обычно заключен в защитный кожух для предотвращения выброса случайных абразивов.

Поскольку такие машины подвержены значительному износу, особенно компоненты колес и внутренние части машин, детали во многих случаях изготавливаются из высоколегированного, износостойкого чугуна и рассчитаны на легкую замену. На рабочих столах часто используются тяжелые резиновые коврики для смягчения ударного воздействия абразива. Доступны различные типы колес, которые обеспечивают большую эффективность работы. В целом скорость абразива (около 50 метров в секунду) и объем абразивной среды таковы, что механические системы обеспечивают высокий уровень производительности труда в единицу времени. В результате оборудование механического дробеструйного шкафа может быть приспособлено для приложений средней и высокой производительности.

Очистка сжатым воздухом Этот метод использует сжатый воздух для нанесения абразива на поверхность. Существует три основных метода струйной очистки воздухом, а именно (i) всасывание, (ii) сила тяжести и (iii) прямое давление.

В системе всасывания сжатый воздух направляется воздушной струей в сопло для создания высокоскоростного воздушного потока низкого давления во всасывающей линии, ведущей к пистолету. Эта линия пневматически транспортирует абразив из бункера для сбора абразива в дробеметный пистолет, где он смешивается с высокоскоростными воздушными потоками. Отработанный абразив падает в приемный бункер, где он подхватывается всасывающей линией и рециркулируется через дробеструйный пистолет.

В системе гравитационной подачи используется абразивный пистолет, аналогичный всасывающему пистолету, но абразив подается в пистолет самотеком из верхней воронки. Это устраняет менее эффективную пневматическую транспортировку системы всасывания и заменяет ее более эффективной дозирующей подачей абразива. Основной проблемой самотечной системы по сравнению с системой всасывания (и причиной ее редкого использования) является требование к системе подъема абразива для возврата отработанного абразива из приемного бункера в бункер подачи пистолета для рециркуляции.

В системе прямого давления абразив находится под давлением в сосуде высокого давления и дозированно подается в линию сжатого воздуха к струйному соплу. Эта система также требует некоторого типа подъемной системы для рециркуляции абразива. Это наиболее эффективная система с точки зрения объема воздуха, необходимого на единицу веса перемещаемого абразива, а также обеспечивает самые высокие скорости и интенсивность абразива. Это единственная система, которая может подавать абразив через длинные копья и боковые сопла для эффективного удаления окалины со стали.

В методе струйной очистки воздухом используется либо метод прямого давления, либо метод индукции, который может использовать либо сифонный, либо гравитационный методы. Эти методы описаны ниже.

В методе прямой струйной очистки воздухом абразив подается из контейнера под давлением (сосуд высокого давления) в абразивоструйный шланг. Линия сжатого воздуха подводится как к струйному шлангу, так и к верхней части сосуда высокого давления. Поскольку давление воздуха (обычно около 6 кг/кв. см) как в шланге, так и в сосуде под давлением одинаково, абразив может свободно падать через отверстие (точку подачи) на дне сосуда под давлением. Когда абразив проваливается, он подхватывается сжатым воздухом и доставляется к месту работы. Для поддержания давления воздуха в точке заполнения машины установлен клапан, который плотно закрыт давлением воздуха. В точке подачи установлен дозирующий клапан для регулирования расхода абразива со скоростью, соответствующей размеру отверстия сопла и давлению воздуха.

В случае индукционного сифонного метода дробеметный пистолет соединяется с трубой сжатого воздуха и гибким шлангом, по которому проходит абразив. Шланг для абразива открыт для атмосферного воздуха у основания бункера машины. В результате прохождение сжатого воздуха через пистолет и над абразивным шлангом создает частичный вакуум в шланге, который, в свою очередь, втягивает или нагнетает абразив в пистолет, где он выталкивается через сопло струей сжатого воздуха. . Длина резинового шланга подачи абразива обычно составляет от 2 до 2,5 м между бункером и пистолетом. Абразив ускоряется потоком воздуха при прохождении через струйное сопло, но не достигает полной скорости потока сжатого воздуха. Скорость абразива на выходе из сопла составляет около 40 % скорости машины прямого давления. Оборудование на базе индукционно-сифонных установок используется в широком спектре ручных абразивоструйных камер. Хотя они используются в автоматическом оборудовании непрерывного действия, их использование обычно ограничивается применением легких абразивов.

Индукционно-гравитационное оборудование очень похоже на индукционно-сифонное в том, что используется устройство для смешивания воздуха и абразивных сред. Однако в оборудовании с индукционной гравитацией абразивный материал подается самотеком из верхнего накопителя. Подача воздуха поступает в пистолет в той точке, где абразив уносится под действием частичного вакуума и силы тяжести. Быстрое расширение сжатого воздуха на выходе из пистолета придает окончательное ускорение абразиву. Индукционно-гравитационные системы не получили широкого распространения. Хотя их можно применять для непрерывной работы, обычно они используются только для специализированных приложений.

Механическое оборудование для сухой струйной очистки становится все более популярным. Скорость удаления окалины можно увеличить, увеличив скорость абразивных частиц и количество входов абразива в единицу времени. Установки можно сделать полуавтоматическими или полностью автоматическими с относительно небольшими трудностями. Струйная обработка воздухом под давлением используется, когда ожидается низкая производительность или периодическая работа.

Влажные методы для нанесения абразивных материалов используют высокоскоростную подачу пульпы сжатым воздухом, направленную на сталь. Шлам обычно состоит из мелкодисперсного абразива, взвешенного в химически обработанной воде. Обычно его постоянно перемешивают, чтобы предотвратить осаждение абразива. Как и в установках для сухой струйной очистки с прямым давлением, сжатый воздух подается в емкость, содержащую смесь, под давлением, равным давлению, подаваемому в струйный шланг. Выравнивание давления обеспечивает подачу абразивной смеси через смесительный клапан в воздухопровод. Поток абразива регулируется полнопроходным клапаном, расположенным между бункером и камерой смешивания.

Оборудование для большинства методов мокрой абразивоструйной очистки обычно монтируется в шкафу и часто модифицируется вспомогательными стрипперами, отводящими конвейерами и станциями промывки-ополаскивания. К основным конструкциям относятся вертикальное колесо, горизонтальный плоский поворотный стол, челночные с рельсовыми или автомобильными удлинителями, цепные или ленточные конвейеры, автономные поворотные механизмы, предназначенные для валов и трубчатых деталей, а также комбинированные галтовочно-шкафные машины. Суспензию можно оттолкнуть от поверхности любым из следующих трех различных способов.

• Потоком сжатого воздуха, который поднимает суспензию за счет сифонирования, а затем выбрасывает ее через сопло соответствующей конструкции.
• С помощью сжатого воздуха, подаваемого самотеком в пистолет.
• С помощью центробежного насоса высокого давления, который обеспечивает необходимую скорость выброса суспензии.

Существует несколько вариантов методов мокрой абразивоструйной очистки для специальных процессов. Некоторые из этих процессов получили новые названия процессов, хотя эти процессы можно отнести к методам мокрой абразивоструйной очистки. Все методы мокрой абразивоструйной очистки можно разделить на следующие два типа.

• Процесс гидровзрыва. В этом процессе песок смешивается с водой и перемещается под давлением воды.
• Процесс пароструйной обработки. В этом процессе абразив взвешивается в жидкости, выбрасываемой с высокой скоростью струей сжатого воздуха.

Сочетание методов обратной гибки и дробеструйной обработки

В этом процессе удаления окалины оба метода удаления окалины, а именно обратное изгибание и дробеструйная обработка, используются последовательно на линии волочения стержней. Обычно сначала используется метод обратного изгиба, а затем метод дробеструйной очистки.

Типы абразивных материалов

Широко используются различные абразивные материалы. Выбор конкретного типа зависит прежде всего от экономических, металлургических и практических инженерных факторов. В качестве абразивов обычно используются песок, стальная дробь, стальной песок, алюминий, кремень/гранат, стеклянные шарики, карбиды, шлак и органические материалы.

Стальная дробь представляет собой сферические зерна, изготовленные из жидкой стали в процессе распыления (гранулирования). Эти литые стальные дроби доступны в различных размерах и твердости. Обычно стальную дробь изготавливают из стального лома в электродуговой или индукционной печах. Стальной лом плавится в печи, после чего жидкая сталь распыляется струей воды в дробь. Этапы производственного процесса стальной дроби включают (i) плавление стального лома, (ii) распыление жидкой стали струей воды под высоким давлением, (iii) сушку дроби, (iv) просеивание (разделение дроби по размеру SAE из крупных частиц дроби, используемых для производства песка), (v) спиралевидное (удаление дроби неправильной формы), (vi) закалка (для получения превосходной целостности частиц с минимальными трещинами под напряжением), (vii) отпуск, (viii) проверка и (ix) упаковка.

Частицы дроби в состоянии наибольшего диаметра дробятся, образуя угловатую стальную крошку, и используются в качестве абразивов для дробеструйной обработки. Стальная дробь обычно долговечна из-за ее низкой хрупкости. Выстрелы закаляются из-за воздействия взрывчатых веществ. Его твердость увеличивается с течением времени, что позволяет носителю обеспечивать стабильную воспроизводимую производительность в течение тысяч циклов. В момент производства стальная дробь обычно имеет твердость по Роквеллу от 40 до 60HRC. Стальная дробь имеет чрезвычайно низкую скорость разрушения и практически не образует пыли. Они используются для интенсивной очистки и получения очень яркой отделки, поскольку стальные дроби обеспечивают высокую энергию удара и высокую скорость очистки.

Этот абразивный материал выбирается в соответствии с выполняемой работой, не только по размеру частиц, который во всех них в основном одинаков, но и по твердости в определенном диапазоне. Частицы легко перерабатываются, поскольку их можно отбрасывать от 700 до 5000 раз в зависимости от диаметра, типа и твердости используемого абразива.