Tepelné jevy při ostřiku okují Thermal phenomena of descalling Toman, Z., Hajkr, Z., Marek, J., Horáček, J, Babinec, A.,VŠB TU Ostrava, Czech Republic 1. Popis problému Technický pokrok v oblasti vysokotlakých čerpadel nabízí v současné době možnost volby tlaku a množství vody pro vysokotlaký ostřik okují. Tyto změny však mění okrajové podmínky tepelných jevů souvisejících s ostřikem. Záměrem prováděných prací je nejen definování okrajových podmínek, ale také celková optimalizace technologie ostřiku umožňující zajistit požadovanou kvalitu povrchu při minimální spotřebě tlakové vody a energie. 2. Vznik a odstranění okují Okuje jsou výsledkem oxidačních procesů mezi plyny (O 2, CO 2, H 2 O) a železem s jeho příměsemi. Na povrchu kovu tvoří přilnavou, stabilní vrstvu, směs oxidů železa v různém stupni oxidace. Pokud materiál před vstupem do stolice není zbaven oxidických vrstev, dochází k zaválcování okují do oceli. Důsledkem zaválcování je snížení kvality a jakosti materiálu, zhoršení mechanických vlastností, atd. Teoretické zdůvodnění odstranění okují tlakovou vodou uvádějí různé teorie, které jsou ověřeny praktickými zkouškami. R. Proctor zastává teorii tzv. termálního šoku materiálu. V principu se zde jedná o prudké ochlazení povrchu provalku, které zasáhne prakticky vrstvu okují, která se tepelným šokem smrští a oddělí od základního kovu provalku. G. Nyberg zastává teorii hlavního dynamického účinku vodního paprsku. Prakticky se však jedná o kombinaci obou zmiňovaných účinků. Mechanismus odokujování je schématicky znázorněn na obr. 1 a-f. Odstranění okují z vývalků se dosahuje vysokotlakým vodním paprskem, soustředěným do úzkého pásu, řízeným v závislosti na technologickém procesu. Plunžrová čerpadla jsou zdrojem vysokotlaké vody. Tato plunžrová čerpadla (10 čerpadel pracovních a 2 záložní) jsou vybavena inovovanými hydraulickými díly s elektromagnetickým ovládáním sacích ventilů (patent firmy Hydrosystem), které umožňují skokově regulovat průtok (množství vody). Vypínání a zapínání vysokotlakého ostřiku je založeno na mžikovém přerušování průtoku vysokotlakého plunžrového čerpadla odstavováním sacích ventilů. Odstavování se děje prostřednictvím tlačných stejnosměrných elektromagnetů, silově odpovídajících pružinám sacích ventilů. Výhodou tohoto systému při srovnání s čerpadly odstředivými je to, že plunžrová čerpadla mají vyšší účinnost (92%). Při analýze celkových nákladů (investičních a nákladů na energii) vyplývá, že větší investiční náklady na pořízení plunžrových čerpadel jsou vyváženy úsporou energie. Další předností popisovaného systému je, že při skokových přechodových dějích, spojených se zahájením a ukončením čerpání (doba přechodového děje je 1 s) nedochází k tlakovým hydraulickým rázům ve vysokotlakém potrubním rozvodu. 1
Voda Rozdílná teplotní roztažnost mezi okují a základním materiálem Okuje Ocel a) Schéma odokujení b) Teplotní diference ocel - okuje Teplotní spád v okuji způsobuje její prohnutí Síla vodního paprsku způsobí rozdrcení okují c) Teplotní gradient okují d) Mechanický tlak Mechanická síla vodního paprsku Vytvoření páry a odtržení okuje e) Odstřihnutí od styčné plochy f) Vytvoření páry uvnitř štěrbiny Obr. 1 Mechanismy hydraulického odokujení 2
3. Tepelné jevy Při ostřiku nedochází pouze k odstranění okují, ale také k ochlazení povrchu válcovaného kovu. Znalost teplotního pole válcovaného kovu je stále aktuálnější neboť znalost základních parametrů jako válcovací síly a krouticího momentu umožňuje optimalizovat válcovací proces i z hlediska rozměrových tolerancí, výsledné struktury a povrchové jakosti. Při tváření kovů za tepla je rovněž nutno uvnitř tvářeného kovu dodržet určité teploty, při kterých probíhá tváření. Rozsah teplot, při kterém tvářecí proces vyvolává optimální mechanické vlastnosti vyválcovaných plechů, bývá zejména u legovaných ocelí omezen. K tomu přistupuje dále požadavek rovnoměrné teploty v celém průřezu, aby ve vyválcovaném plechu byly dodrženy stejné mechanické vlastnosti. Pro dosažení optimálních mechanických vlastností se využívá řízené válcování a ochlazování plechů. Zavádění této progresivní technologie je možné jen při znalosti teplotních polí válcovaných plechů v průběhu jejich válcování a chladnutí. Pro dosažení kvality povrchu válcovaných plechů je v průběhu válcování používán ostřik sekundárních okují tlakovou vodou. Sekundárních účinků ostřiku ochlazování válcovaného plechu lze využít pro ovlivnění předepsané doválcovací teploty. Ochlazení plechu ostřikem je nejvýraznější v posledních průchodech stolicí, kdy válcovaný plech má nejmenší výšku. Technická praxe vyžaduje funkční model teplotního pole provalku, který umožní výpočty charakteristických teplot v průběhu válcování. Tento model je používán jak k návrhu a racionální projekci válcovny, tak i pro stanovení detailního technologického předpisu, řízení vlastní technologie a optimalizaci ostřiku okují se zaměřením na snížení energetické náročnosti. Rozsah nutných výpočtů vyplývající ze vzájemné kombinace různých parametrů (rychlost ochlazování, jakost a tloušťka plechů), vyžaduje teoretický model, neboť experimentální řešení v plném rozsahu je prakticky nerealizovatelné. Exaktní stanovení charakteristik intenzivního ochlazování při ostřiku je však problematické a proto postup řešení vychází z laboratorních a poloprovozních experimentů, zobecnění jejich výsledků a aplikací pro navržené kombinace jakostí a tloušťky plechu. Ověření správného postupu řešení lze provést z dílčího tepelně technického hlediska změřením průběhů charakteristických teplot při ochlazování vybraných plechů ostřikem. Zvýšeným požadavkům na popis tepelných jevů souvisejících s ostřikem okují naprosto neodpovídá model řešící průměrnou teplotu provalku nebo tlustého plechu. Řešení je proto nutné hledat v metodách stanovení teplotních polí, z jejichž změn lze zjistit průběhy teplot v charakteristických bodech. Stanovení nestacionárního teplotního pole spočívá v řešení parciální diferenciální rovnice II. řádu. Řešení Fourierovy diferenciální rovnice je podmíněno definováním podmínek jednoznačnosti zahrnující geometrické rozměry, materiálové vlastnosti a okrajové podmínky řešení. Jelikož geometrické rozměry a materiálové vlastnosti jsou známé, je nutné definovat okrajové podmínky. Z povrchových podmínek je pro výpočty teplotních polí provalků a plechů vhodné využít povrchovou podmínku III. druhu zadávanou součinitelem přestupu tepla a teplotou okolního prostředí: t λ = α( tok t x=+ 0 ) (W.m -2 ) x x=+ 0 kde α je součinitel přestup tepla (W.m -2.K -1 ), t ok - teplota okolního prostředí ( C), t x=+0 - teplota povrchu tělesa ( C). 3
Jestliže teoretické řešení pomocí povrchové podmínky III. druhu je z hlediska praktické aplikace na požadované podmínky výhodné, je nutné pro celý sledovaný děj znát hodnoty součinitele přestupu tepla a teplotu okolního prostředí. Exaktní teoretické řešení výpočtu je nereálné, je nutné využít experimentu. Úkolem experimentálního řešení je tedy především stanovení součinitele přestupu tepla při uvažovaných podmínkách ochlazování. 4. Experimentální část Z těchto důvodů byly proto laboratorní experimenty zaměřeny na metodiku měření, vyhodnocování a kvalitativní vztahy. Hlavním cílem poloprovozního experimentu je však kvantitativní vyjádření součinitele přestupu tepla v závislosti na povrchové teplotě. Na základě rozboru a literární rešerše jsme připravili experiment umožňující definovat podmínky tepelných jevů při ostřiku v provozních podmínkách válcovny. Ze změřených časových průběhů teplot jsme stanovili okrajové podmínky řešení, které se zobecnily vyjádřením součinitele přestupu tepla a teplotou ostřikové vody. Dosažené výsledky byly zpětně srovnány s výsledky experimentu, což umožnilo posoudit jejich přesnost. Z hlediska přesnosti měření teplot bylo vzhledem ke složitým podmínkám měření při ostřiku nutné dodržet některé metodické zásady: Termočlánky instalovat k měřenému bodu přivedením v izotermické rovině Instalací termočlánků jen v nejnutnější míře narušit homogenitu materiálu provalku Termočlánky chránit proti tlakové vodě v celé délce jejich instalace Uvedené zásady vyplývají ze záměru dosáhnout nejvyšší možné přesnosti měření. Přivedení termočlánků k měřenému místu v izotermické rovině omezuje nepřesnost měření vyplývající z velkých teplotních gradientů, ke kterým v povrchových vrstvách provalku při ostřiku dochází. Z hlediska tepelně-materiálových vlastností je instalovaný termočlánek nehomogenita nutně ovlivňující teplotní pole ve svém bezprostředním okolí a tedy i v měřeném místě. Z tohoto důvodu je proto nutné použít termočlánky minimálního průměru a rovněž otvory pro jejich instalaci s minimálním průměrem. Pro experimentální měření byl vybrán plech o rozměrech 400 x 400 x 30 z materiálu ČSN 11 375. Pro dodržení uvedených metodických zásad byl pro instalaci termočlánků do plechu použit vložený hranol ze stejného materiálu. Do hranolu byly instalovány pomocí drážek a vyvrtaných otvorů termočlánky o průměru 3. K měřenému místu byly přiváděny rovnoběžně s povrchem ostřiku, tzn. v izotermické rovině. Vzdálenosti termočlánků od ostřikovaného povrchu byly 4,8 ; 8,0 ; 15,0 ; 22,0 a 25,6. Hloubky uložení byly ověřeny ultrazvukovou kontrolou přístrojem Kraut Kramer USN-2 se sondou SEB-4. Pomocí drážky vyfrézované ve střední části zadní stěny hranolu byly termočlánky vyvedeny na povrch plechu. Zde byly vloženy do silnostěnné ocelové trubky upevněné k plechu, chránící termočlánky před mechanickými účinky tlakové vody. Studené konce termočlánků byly vyvedeny ochrannou trubkou na svorkovnici. Odtud byl veden signál k zapisovači OMEGA-180. K měření teplot byly použity plášťované termočlánky Ni-NiCr (typu K), s nepřímým spojem a průměrem 3. Teplotní průběhy při ostřiku byly naměřeny pro termočlánky v hloubce 4,8, 15,0 a 22,0 od ostřikovaného povrchu viz. obr.2. Ze změřených teplot v průběhu ostřiku byly sestrojeny teplotní profily pro okamžik počátku ostřiku a po ukončení ostřiku a to ve směru kolmém k ostřikovanému povrchu plechu. Z těchto experimentálně stanovených teplotních profilů byla extrapolací určena povrchová teplota plechu. 4
Dále z takto experimentálně stanovených teplotních profilů a pomocí obrácené úlohy Fourierovy diferenciální rovnice, kdy známe teplotní profily a zpětně stanovujeme okrajové podmínky, jsme určili metodou tepelné bilance součinitel přestupu tepla při ostřiku okují, jako povrchovou podmínku III. druhu. Takto stanovené povrchové a počáteční podmínky byly použity jako vstupní parametry pro zpětný kontrolní výpočet teplotního pole pomocí programu FORMFEM 1.4 a následné kontrole s hodnotami získanými experimentálním měřením. Z teplotních profilů vypočtených pomocí programu FORMFEM byla dále stanovena závislost poklesu teploty při ostřiku okují na čase. Souhrnně lze konstatovat, že byla navržena a prakticky ověřena nejen metoda experimentálního měření teplot při ostřiku okují v náročných provozních podmínkách, ale i postup zpracování naměřených výsledků pro stanovení okrajových podmínek řešení. Zobecnění do formy okrajových podmínek III. druhu umožní jejich využití v technické praxi. Dosažené výsledky, ve formě hodnot součinitele přestupu tepla, byly v intervalu 22 000 až 27 000 W.m -2.K -1 při povrchových teplotách 745 900 C a jsou řešením, pro praktickou aplikaci. Je však nutné rozšířit počet měření, které potvrdí a upřesní dílčí výsledky v celém rozsahu válcovacích teplot. Získané zkušenosti však umožňují další zdokonalení metodiky experimentu a následné stanovení objektivních výsledků. Ze zpracování výsledků rovněž vyplynuly nové závěry významné pro přesnost měření a objektivnost dosažených výsledků: termočlánky, přímý nebo exponovaný spoj, ø 1,6, upřesnění měřeného bodu menší ø vrtaných otvorů, snížení nehomogenity materiálu výkonnější zapisovací zařízení, se schopností zapisovat a zpracovat data v kratším 870 850 830 810 Teplota ( C) 790 770 4,8 22 15 750 730 710 14:18:12 14:18:14 14:18:15 14:18:17 14:18:19 14:18:20 Čas (hh::ss) časovém kroku (100 200 ns) Obr. 2. Průběhy naměřených teplot při ostřiku 5
800 780 760 740 3 4 5 6 4,8 720 700 680 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 Obr. 3. Srovnání průběhů naměřených a vypočtených teplot 850 750 0 1 2 Teplota ( C) 650 550 450 350 4 6 8 10 12 15 250 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 Čas (s) Obr. 4. Průběhy vypočtených teplot 6