Продвинутые механические методы удаления закалины для производства качественной стали

Механические процессы дескалирования стали

Закалина — продукт окисления при горячей прокатке. Окисление и образование закалины неизбежны при нагреве стали в печи, много проходной горячей прокатке и воздушном охлаждении в межпроходных паузах и после прокатки.

Закалина, образующаяся при нагреве до температур прокатки в печи, называется первичной. Её удаляют перед горячей прокаткой для получения высокого качества поверхности и снижения износа валов. Однако вторичная закалина продолжает формироваться на дескалированной поверхности в межпроходных паузах на грубом и промежуточном станах. Первичная закалина обычно сине-черная, вторичная — синяя, дает вид лакового покрытия, часто принимаемой за синий грунт.

Первичная закалина состоит из трех четких слоев оксидов железа. Прилигающий к стали — самый толстый, вюстит (FeO). Средний — магнетит (Fe₃O₄). Внешний — гематит (Fe₂O₃). Толщины зависят от условий прокатки и доступности кислорода. Поверхностный слой богатее кислородом (0,5–2% толщины), приметаллический — железом (~85%), промежуточный — 13–14,5%.

Если закалина — равномерное, хорошо адгерирующее покрытие, она может быть идеальным барьером. К сожалению, она неоднородна и слабо адгерирует. Закалина менее реакционноспособна (более «благородна»), чем сталь под ней. При контакте двух разных металлов сталь окисляется (ржавеет) за счет закалины. Закалина может «всплыть», треская покрытие и пропуская влагу — возникает гальваническая коррозия (питтинг) базовой стали.

Закалина мешает дальнейшей обработке. Её нужно удалить перед холодной деформацией. Любое покрытие, нанесенное на закалину, бесполезно — сходит вместе с ней при проникновении влаги. Необходимо полное удаление закалины для получения чистой однородной поверхности под дальнейшую обработку или покрытие.

Удаление вручную практически невозможно, электроинструментом — крайне трудоемко и долго, качество низкое. Применяют несколько типов дескалирования, классифицируемых в четыре категории: (i) пламенная очистка; (ii) механическое дескалирование; (iii) гидравлическое (водяное); (iv) химическое (пиклирование). Далее описаны механические методы.

Механические процессы дескалирования (Рис. 1) включают: (i) обратное изгибание (reverse bending); (ii) шаровое струйкование (shot blasting); (iii) комбинацию обоих. Основное применение — удаление закалины со стальных прутков в производстве проката.

Рис. 1. Механические процессы дескалирования

Процесс обратного изгибания

Принцип: стальной пруток пластичен, горячая закалина — хрупка. При деформации сталь изгибается, закалина трескается и осыпается, если её достаточно и деформация достаточна. Режим — преимущественно изгиб, возможно растяжение. Оборудование использует принцип контролируемого обратного изгибания для стабильного результата без ущерба свойствам прутка. Ключевой фактор — суммарная деформация прутка.

Оптимальная деформация для полного разрушения закалины — 8–10%. Менее 8% — неполное разрушение, остаются участки адгерирующей закалины. Более 10% — дополнительного эффекта нет, но вносится нежелательная закачка (work hardening). Негативный эффект деформации >10% — рост обратного натяжения на линии прутка, вытяжение и сужение прутка, нарушение графика деформирования, большая мощность на первом блоке. Цель 8–10% достигается соотношением диаметров шейв (роликов изгибания) и прутка.

Эластическое растяжение может помочь дескалированию, пластическое — вредно.

Оборудование, внешне простое, имеет строгие конструктивные параметры для баланса: закалина срывается, но свойства прутка не ухудшаются. Грамотный дизайн — ключ к успеху.

Правильно спроектированное оборудование срывает практически всю горячую закалину. 80–90% крупной закалины оседает в дескаляторе. Остальные 10–20% — мелкодисперсный остаток, удерживающийся на поверхности электростатическими силами. Если не удалить — загрязнение смазочных коробок, снижение ресурса филир, быстрый износ блоков вытяжки, плохое качество проката, падение производительности.

Проблема известна давно. Первые попытки: намотка тряпок, перебрасывание конопляных веревок, щетки — не производственные методы. В последнее время разработаны установки для удаления мелкой закалины. Концепции: высокоскоростные воздушно-струйныеdüзы или водомойка с сушкой «на лету». Оба метода не только удаляют, но и локализуют пыль, упрощая утилизацию.

Ключевые задачи установок тонкой очистки (неагрессивное удаление остатков): (i) промышленное удаление остатков; (ii) локализация удаленного материала; (iii) минимум внимания оператора; (iv) минимальное текущее обслуживание; (v) низкая операционная стоимость.

Процесс шарового струйкования (абразивного наслаивания)

Поверхностная обработка: очистка поверхности стали принудительным направлением абразивного материала (в сухом состоянии или взвеси в жидкости) на поверхность. Абразивные частицы с высокой скоростью (50–110 м/с) в контролируемом режиме удаляют закалину и загрязнения.

Процесс начат в 1904 г. Наиболее применяемый метод дескалирования прутков в прокатных станах. Экономичен, быстрее пиклирования. Абразив (или его большая часть) рециркулируется.

Обеспечивает отличную очистку и подготовку поверхности. Применяется для: (i) очистки чугунных/стальных литейных и кованых заготовок; (ii) механической очистки листов, прутков, рулонов, проволоки; (iii) шарнирования (shot peening) для изменения мех. свойств (повышение устойчивости к усталоте пружин, зубчатых колес); (iv) подготовки к покраске/покрытию. Распространен при производстве светлых прутков. Используется в автопроме, строительстве, литье, ковке, судостроении, ж/д и др.

Методы подачи абразива: (i) сухие; (ii) мокрые.

Сухие методы

• Механическое струйкование — чаще всего камерное оборудование (партийное, полуавтомат, автомат). В камере 1+ струйковых колес, разгоняющих абразив центробежной силой. Колесо позиционировано для макс. покрытия и эффективности. Чистый абразив (воздушно-очищенный, калиброванный) в бункере. Гравитация → дозатор → лопастной колесо → регуляторная решетка (направление и форма струи). Корпус защищает от разлета абразива. Детали колеса и интерьера — из высоколегированного чугуна, быстросменные. Резиновые коврики на столах амортизируют удар. Разные типы колес для эффективности. Скорость абразива ~50 м/с, большой расход → высокая производительность. Подходит для среднего и крупного серийного производства.
• Пневматическое струйкование — сжатый воздух разгоняет абразив. Три базовых метода: (i) засасывание (suction); (ii) гравитационное; (iii) прямое давление (direct pressure).

Засасывание: сжатый воздух через воздухораспределитель в сопло создает разрежение в засасывающей линии к пистолету. Абразив пневматически переносится из бункера в пистолет, смешивается с воздухом. Израсходованный абразив падает в бункер, засасывается обратно.

Гравитационное: похожий пистолет, абразив поступает гравитацией из верхнего бункера. Исключается неэффективная пневматическая перемешка, более точная дозировка. Проблема — необходимость подъемника для возврата абразива из сборочного бункера в питательный (причина редкого применения).

Прямое давление: абразив под давлением в емкости (ресивере) дозируется в линию сжатого воздуха к соплу. Также нужен подъемник для рециркуляции. Наиболее эффективно по соотношению объема воздуха к массе абразива, дает максимальные скорости и интенсивность. Единственный способ эффективно дескалировать через длинные ланцы и боковые сопла.

Пневматический метод использует прямое давление или индукционный (засасывание/гравитация).

• Прямое пневматическое: абразив из давильного сосуда в шланг. Сжатый воздух идет и в шланг, и в верх сосуда. Равные давления (~6 кгс/см²) обеспечивают свободный выпад абразива через дозатор внизу. Абразив подхватывается воздухом и переносится в зону работы. Клапан заправки удерживается давлением закрытым. Дозатор регулирует расход под диаметр сопла и давление.
• Индукционно-засасывающий: пистолет подключен к трубе сжатого воздуха и гибкому шлангу с абразивом (шланг открыт к атмосфере у бункера). Прохождение воздуха создает вакуум в шланге, втягивающий абразив в пистолет, где его разгоняет струя. Шланг ~2–2,5 м. Скорость абразива на выходе ~40% от прямого давления. Применяется в ручных камерах и автоматах, обычно для легких абразивов.
• Индукционно-гравитационный: аналогичен, но абразив гравитационно из верхнего бункера. Воздух входит в точку засасывания абразива под вакуумом + гравитация. Резкое расширение воздуха при выходе дает финальный разгон. Редко применяются, специализированные случаи.

Сухое механическое струйкование становится все популярнее. Скорость удаления закалины растет с увеличением скорости и расхода абразива. Легко автоматизируются. Пневматическое — для низких объемов или перерывистых операций.

Мокрые методы

Высокоскоростной сжатый воздух разгоняет суспензию (slurry) на сталь. Суспензия: мелкий абразив в химически обработанной воде, в непрерывной агитации для предотвращения осадания. Как и в сухом прямом давлении, сжатый воздух подается в емкость со смесью под давлением, равным давлению в шланге. Выравнивание давлений позволяет смеси проходить через смесительный клапан. Расход регулируется полнопроходным клапаном между бункером и камерой смешения.

Оборудование обычно камерное, часто с доп. модулями: стрипперы, конвейеры, станции промывка-сушка. Базовые конструкции: вертикальное колесо, горизонтальный вращающийся стол, шаттл с рельсами/продолжениями, цепные/ленточные конвейеры, самодостаточные вращающиеся механизмы для валов/труб, комбинированные барабанно-камерные машины. Суспензию разгоняют тремя способами:

• Сжатый воздух поднимает суспензию засасыванием и проецирует через сопло.
• Сжатый воздух разгоняет гравитационно подаваемую суспензию к пистолету.
• Высокодавливает центробежный насос создает нужную скорость.

Существует вариации для специальных процессов (гидробластинг — песок с водой под давлением воды; вакуум-бластинг — абразив в жидкости, разгоняемый сжатым воздухом). Все мокрые методы делятся на два типа:

• Гидро-бластинг (Hydro-blast) — песок с водой, разгон воды давлением.
• Вакуум-бластинг (Vapour-blast) — абразив в жидкости, разгоняемый струей сжатого воздуха.

Комбинация обратного изгибания и шарового струйкования

Оба метода используются последовательно на линии проката прутков. Обычно сначала обратное изгибание, затем шаровое струйкование.

Типы абразивных материалов

Разнообразие абразивов. Выбор по экономическим, металлургическим, инженерным факторам. Распространенные: песок, стальная дробица (shot), стальная щепка (grit), алюминий, кремень/гранат, стеклянные микросферы, карбиды, шлак, органические материалы.

Стальная дробица (shot) — сферические зерна из жидкой стали атомизацией (гранулированием) водяной струей. Разные размеры и твердость. Производство: (i) плавка стального лома в дуговой/индукционной печи; (ii) атомизация жидкой воды высокого давления; (iii) сушка; (iv) ситирование (разделение фракций SAE, крупные — на щепку); (v) спирализация (удаление неправильной формы); (vi) закалка (минимальные напряжения); (vii) отпуск; (viii) ситирование; (ix) упаковка.

Крупнейшие частицы дробица расклываются, образуя угловатую стальную щепку (grit) для шарового струйкования. Дробица долговечна (низкая крушаемость). При ударе закаляется, твердость растет → стабильная производительность тысячи циклов. Исходная твердость 40–60 HRC. Крайне низкий расход, практически нет пыли. Дает высокие удары и быструю очистку для яркого финиша.

Выбор абразива по задаче: не только размер (все равноравномерен), но и твердость в диапазоне. Частицы рециркулируются 700–5000 раз (зависит от диаметра, типа, твердости).