Новое отечественное оборудование может значительно повысить конкурентоспособность горячекатанного плоского проката
Эффективнее, дешевле, экономнее
Владимир БАЙКАЛОВ, научно-производственное предприятие технологий высокого давления "ИНДРИС", Виктор ПАНТЕЛЕЕНКО, соавтор
Новое отечественное оборудование может значительно повысить конкурентоспособность горячекатанного плоского проката
Горячекатаный плоский прокат, выпускаемый в Украине, несмотря на невысокие по сравнению с прокатом ведущих западных стран цены, в последнее время постепенно теряет свои позиции на мировых рынках сбыта.
Статистика показывает, что в стоимостном выражении за 11 месяцев 1999 года относительно аналогичного периода 1998 года экспорт горячекатаного плоского проката упал на 30,07%, несмотря на общий рост экспорта полуфабрикатов на 13,61%.
В чем же причины падения спроса на нашу горячекатаную продукцию? Многое в этом вопросе могут объяснить отказы польских и немецких судоверфей от украинских поставок. В их рекламациях указываются дефекты поверхности наших горячекатаных изделий. В частности, речь идет о так называемых "вдавах", глубоко проникающих в поверхностный слой проката и выявляемых при дробеструйной очистке накануне нанесения грунта на судосталь. Такой дефект возникает в процессе прокатки, когда поверхность заготовки перед вальцами "травмируется" не полностью очищенной окалиной, шлаками и другими включениями, которые вдавливаются вальцами в тело металла.
Причины этих дефектов кроются в устаревших системах гидросбива окалины, применяемых на металлургических предприятиях Украины.
На подавляющем большинстве станов горячей прокатки в странах СНГ применяются системы гидросбива окалины с рабочим давлением до 150-200 бар, имеющие десятки плоско-факельных форсунок, расположенных, например, с шагом 135 мм поперек прокатываемых заготовок, движущихся с большой скоростью. Суммарное проходное сечение этих форсунок велико. Это приводит к большим расходам воды и электроэнергии. Кроме того, эти системы не обеспечивают эффективного удаления окалины с прокатываемых заготовок из-за недостаточно высокого давления воды и в силу других факторов. Одним словом, качество очистки традиционными системами гидросбива не соответствует мировым стандартам, что приводит, как показано выше, к резкому снижению конкурентоспособности металла ответственного назначения.
Существуют различные гипотезы о механизме гидравлического удаления окалины и степени влияния механического и термического эффектов. Большинство исследователей считает, что окалина в значительной степени удаляется за счет чисто механического отслаивания ее под воздействием гидродинамической силы, возникающей при падении высокоскоростной струи на прокатываемый металл. При этом решающее значение имеет удельное давление воды на окалину, которое пропорционально скорости струи, которая зависит от давления воды перед соплом.
По другой гипотезе считается, что вследствие резкого охлаждения корка окалины коробится и отскакивает от нагретой под ней массы основного металла. При этом окалина разрушается не механически ударной силой высокоскоростной струи, а вследствие ее охлаждения, причем, чем внезапней охлаждение, тем эффективней окалиноудаление. Дополнительный эффект достигается за счет парообразования под окалиной. Удаление окалины с горячих слитков или слябов в развитых странах осуществляется гидросбивом с рабочим давлением пре-имущественно до 600 бар (атм), в том числе при помощи водоструйных роторных головок. Роторная головка представляет собой два или несколько сопл, направленных на очищаемую поверхность и вращающихся вокруг общей оси, через которую подводится вода под рабочим давлением. Благодаря высокой угловой скорости вращения от 400 до 3000 об./мин. при перемещении объекта очистки под соплами обеспечивается сплошное и эффективное снятие окалины при большой экономии потребляемой электроэнергии и воды.
Такая система гидросбива наиболее полно удовлетворяет вышеизложенным гипотезам эффективного удаления окалины.
При использовании традиционной системы гидросбива с плоско-факельными струями вода должна полностью перекрыть ширину очищаемого объекта, что требует большого ее расхода. Это в свою очередь не позволяет увеличить давление в системе гидросбива, так как увеличение давления приводит к еще большему потреблению воды. При этом сокращение расхода воды за счет уменьшения толщины щелей плоских сопл нецелесообразно.
Роторная головка обеспечивает большую площадь очистки не за счет ширины струи жидкости, как в плоских соплах с веерообразным потоком воды, а за счет разноса сопл относительно их общей оси вращения. При неподвижном объекте очистки след от вращающихся струй представляет собой кольцо, ширина которого определяется толщиной струй воды, их наклоном и формой, а диаметр – разносом сопл, который может достигать 150-500 мм. При движении очищаемого листа относительно головки остается сплошной очищенный след шириной, соответствующей диаметру кольца. Соотношение ширины очищаемой поверхности и ширины следа определяет количество роторных головок. Таким образом, сплошное перекрытие потоками воды очищаемого листа не требуется, что намного сокращает потребление воды и позволяет увеличить ее давление.
Для оценки выгодности этого способа очистки нами проведен сравнительный расчет энергопотребления и расхода воды традиционной системы гидросбива давлением 200 бар с плоскими соплами и системы с рабочим давлением 600 бар с роторными головками. Для очистки полосы шириной 1000 мм плоские сопла имеют следующие параметры: наименьшее сечение (b x h) щели сопла – 12 х 0,8 кв. мм; шаг между соплами на коллекторе – 125 мм.
Последняя величина равна ширине очищаемой одним соплом полосы на поверхности прокатываемого листа.
Одна же роторная головка с двумя вращающимися соплами диаметром 1мм образует окружность из водяных струй, которые очищают полосу шириной 250 мм.
Фактически очищаемая поверхность может быть значительно шире, так как она зависит от разноса сопл относительно оси вращения и их наклона.
Определим сравнительное потребление воды и электроэнергии.
При традиционном способе для перекрытия полосы шириной 1000 мм требуется 8 сопл (1000/125). Расход воды равен:
Q1 = 8 х m1 х b x h x Цp1 х k,
где m1 – коэффициент расхода плоского сопла;
р1 – давление на входе в плоское сопло;
k – коэффициент, характеризующий свойства жидкости.
Для предлагаемой системы на 4 роторные головки (1000/250), по 2 сопла в каждой, всего на 8 сопл требуется расход воды:
Q2 = 8 x m2 x p x d2/4 x Цp2 х k,
где m2 – коэффициент расхода сопла головки;
p2 – давление воды на входе в сопло.
Соотношение расходов воды равно:
Q1/Q2 = 8 х m1 x b x h x Цp1/8 х m2 x p x (d2/4) x Цp2.
Для упрощения примем коэффициенты расхода для обоих случаев одинаковыми m1 = m2
Подставив значения, имеем:
Q1 /Q2 = 7 (1)
Таким образом, при использовании роторных головок расход воды в 7 раз(!) меньше, чем при традиционном способе.
Теперь сравним величины потребляемой мощности. При традиционной плоско-факельной системе гидросбива потребляемая соплами мощность равна:
N1 = Q1 x p1
При системе гидросбива с роторными головками:
N2 = Q2 x p2.
Следовательно,
N1/N2 = Q1/Q2 x p1/p2
Учитывая уравнение (1) и значения давлений p1 и p2, имеем:
N1/N2 = 2,33
Получается, что мощность системы гидросбива и, соответственно, потребление электроэнергии при давлении 600 бар и использовании роторных головок в 2,33 раза меньше, при традиционном способе.
Произведенное сравнение двух видов систем гидросбива показывает, что получить качественно новый уровень очистки горячекатаных листов на прокатных станах возможно за счет двух факторов: повышения давления воды гидросбива, например, до 600 бар; применения роторных головок в качестве очищающих инструментов.
При этом одновременно достигается большая экономия энергопотребления и потребления воды.
Применение таких систем гидросбива в СНГ до недавнего времени сдерживалось из-за отсутствия водоструйной техники на давление 600 бар и выше, в частности, мощных водяных насосов (132 кВт), роторных головок, соответствующей распределительно-регулирующей аппаратуры и др. Однако в 90-х годах такая техника с рабочим давлением до 600-1200 бар была разработана и ныне изготавливается НПП технологий высоких давлений "ИНДРИС" (Киев). Это водоструйное оборудование успешно применяется в различных областях народного хозяйства. Водоструйное оборудование защищено патентами на изобретения Украины №3416 от 15.06.94 г. и России №2112609 от 10.02.98 г. Оно отличается от западного простотой обслуживания, приспособленностью к работе в сложных условиях и низкой стоимостью.
В состав основного водоструйного гидрооборудования для системы гидросбива входят:
комплексная насосная станция для воды с рабочим давлением до 700 бар, включающая несколько рабочих и резервных насосных установок (фото 1), количество которых зависит от ширины очищаемого листа и скорости прокатки;
коллекторы гидросбива с водоструйными роторными головками (фото 2);
магистрали высокого давления; блок подготовки воды перед насосной станцией;
фильтры высокого давления (фото 3).
Водоструйное гидрооборудование обеспечивает собственно очистку поверхности горячекатаного изделия посредством роторных головок, вращающихся со скоростью 1000-2500 об./мин., сопла которых с высокой эффективностью удаляют окалину, шлаки и др. включения. При отключении подачи воды происходит автоматическая разгрузка насосов от давления, переход в режим "холостого хода".
Оборудование отличается высокой надежностью при работе в тяжелых условиях. Это подтверждено, в частности, многолетним опытом эксплуатации в полевых условиях водоструйных установок НПП технологий высоких давлений при ремонте объектов транспортировки и хранения газа, в том числе, газопроводов. Установки с водяными насосами мощностью 132 кВт с рабочим давлением до 700 бар оснащены 4 роторными головками, перемещающимися вдоль газопровода (фото 4). Другие установки с рабочим давлением от 250 до 1200 бар имеют водоструйные пистолеты с роторными головками и водоабразивными инструментами для ручной очистки объектов (фото 5), а также водоабразивные резаки (фото 6).
Следует отметить, что применение водоструйного оборудования на металлургических заводах не ограничивается только системами гидросбива. Это объясняется уникальным сочетанием его преимуществ: экологическая безопасность; пылеподавление; отсутствие изнашивающегося инструмента; отсутствие нагрева, термической и механической деформации в зоне обработки, например, резания металла; высокая производительность; универсальность, позволяющая одним водоструйным инструментом очищать (резать) различные объекты (материалы).
Водоструйные установки высокого давления могут с успехом использоваться для: очистки колосниковых решеток, вентиляторов, фильтров; очистки отливок; очистки труб теплоэнергоцентралей и теплообменников; очистки полов и оборудования; отрезания литников и раскроя металла; очистки от различных покрытий, отложений солей, продуктов коксования, бетона, нефтепродуктов, ржавчины и окалины вместо "пескоструйки" готовых металлоизделий и для других задач.
Стоимость рассматриваемой системы гидросбива с давлением до 700 бар, при прочих равных условиях, в несколько раз ниже, чем у аналогичной западной системы.
Таким образом, применение системы гидросбива на базе водоструйного оборудования высокого давления с рабочим давлением до 600 бар и роторными головками позволяет производить очистку окалины и других включений в соответствии с мировыми стандартами, повысить качество проката, получить экономию электроэнергии в 2-3 раза, воды в 3-8 раз, экономию капиталовложений в 5-6 раз. Следует отметить, что гидрооборудование имеет бесступенчатую настройку давления на оптимальный уровень, а это позволяет получить дополнительную экономию энергопотребления.
В итоге, повышение качества очистки, устранение брака поверхности проката при одновременном уменьшении себестоимости изделий позволит увеличить конкурентоспособность горячекатаного проката на внешних рынках сбыта и расширить диапазон ценовой конъюнктуры.
Фото 1. Насос высокого давления P=700 бар
Фото 2. Водоструйные роторные головки
Фото 3. Фильтры
Фото 4. Четыре роторные головки для очистки газопровода (P=700 бар)
Фото 5. Очистка сварного шва водоструйным пистолетом
Фото 6. Водоабразивные инструменты для очистки и резания