Оборудование и технология огневой зачистки металла

09.06.2018
Ручная огневая зачистка металла в последние годы все в большей мере наряду с другими ручными операциями обработки металла на адъюстажах подвергается критике, так как не соответствует современным требованиям к условиям труда рабочих, производительности и качеству зачистки.

Схема ручного огневого резака показана на рис. 13.

Применяемые ручные резаки можно разделить на три группы:

1) для зачистки углеродистых и низколегированных сталей. Резаки оборудуют специальным механизмом для подачи в зону факела металлического прутка с целью ускорения зажигания металла;

2) для зачистки высокоуглеродистых и легированных сталей. Они характеризуются тем, что работают в комплекте с устройствами подачи флюсов;

3) широкозахватные, обеспечивающие увеличение ширины зачищаемой канавки и повышение производительности.

Перспективы применения подобных устройств следует рассматривать только для выборочной зачистки после машинной обработки.

Применение автоматизированных устройств типа промышленных манипуляторов для выборки местных дефектов огневым способом сдерживается из-за отсутствия неразрушающего метода обнаружения дефектов поверхности металла по глубине.

Подготовка слябов, блюмов и заготовок для ручной огневой зачистки осуществляется при температуре металла не выше 500° С, температуру контролируют термокарандашами или термощупами. Металл раскладывают на стеллажах, оборудованных кантователями. Поверхность проката перед зачисткой должна быть освобождена от окалины, шлака, посторонних предметов механическим путем или сжатым воздухом. Затем осуществляют разметку дефектов мелом.

Зачистку дефектов выполняют «дорожкой», «елочкой» или «змейкой» в зависимости от требований, предъявляемых к металлу, а также навыков газовырубщиков.

Перед началом зачистки огневой резак устанавливают на угол заготовки под углом ~70° к поверхности металла (в ряде случаев вводят проволоку для зажигания), производят нагрев металла до температуры горения, затем в зависимости от глубины залегания дефектов наклон резака уменьшают до 20° Соотношение между шириной и глубиной зачистки выдерживают в пределах не менее 6:1. После зачистки шлак с поверхности удаляют специальными скребками. Качество зачистки поверхности металла контролируют визуальным осмотром. Выборка местных дефектов глубиной менее 0,5 мм, как правило, при огневой зачистке не гарантирована. Глубина зачистки блюмов, предназначенных для прокатки на готовый сорт, в зависимости от сечения не должна превышать: для круга — квадрата до 120 мм —30 мм, для круга — квадрата более 120—15 мм. Глубина зачистки блюмов, предназначенных для прокатки на заготовку для сортовых станов, допускается до 40 мм. В ряде случаев допускается более глубокая зачистка в одном сечении на одной стороне квадрата.

Технические данные распространенных резаков РПК2-72 и широкозахватного резака ГКРР-25ШМ конструкции НИИМ приведены в табл. 9.

Производительность труда при работе широкозахватными резаками повышается в 3—4 раза против работы обычными. Затраты на зачистку тонны проката на ручных резаках составляют 1 руб/т (затраты, связанные с потерями металла, не учтены).

В начале 60-х годов на Златоустовском металлургическом заводе был усовершенствован процесс огневой зачистки. Усовершенствование состоит в том, что подогрев поверхности металла до расплавления осуществляется мощной электрической дугой, а металл удаляется струей сжатого воздуха. Такой процесс получил название воздушно-электродуговой зачистки. Этим способом зачищают блюмы из нержавеющих сталей сечением до 225х225 мм; получил он распространение и на ряде других заводов.

Дальнейшее усовершенствование процесса произведено на Кузнецком металлургическом комбинате, где взамен воздуха в процесс был введен кислород. Это значительно интенсифицировало процесс зачистки нержавеющих сталей. Расплавленный металл и шлак в начале процесса создают предварительный нагрев металла, а поддерживая постоянное количество расплава перед зачистным соплом, получают постоянную глубину зачистки. Такой процесс получил название кислороднодуговой зачистки.

Разработка машин для огневой зачистки сосредоточена в Челябинском научно-исследовательском институте металлургии (НИИМ), где созданы конструкции машин для зачистки в потоке обжимных и сортовых станов, отдельно устанавливаемые огнезачистные установки для сплошной и выборочной зачистки квадратной заготовки, слябов, а также механизированные линии зачистки металла.

Первая отечественная машина огневой зачистки (МОЗ) была установлена в потоке блюминга в 1964 г. на ММК. Количество металла, зачищаемого этим способом на комбинате, за десять лет возросло более чем в 35 раз. На MMK с внедрением машин огневой зачистки высвобождено около 700 рабочих, усложнился марочный сортамент сталей, получен экономический эффект 6 млн. руб. в год.

В настоящее время число работающих МОЗ составляет около 25, такое же количество находится в стадии изготовления и проектирования. Внедрение МОЗ на металлургических заводах позволяет сократить численность рабочих на участках ручной огневой зачистки на 50—75%, снизить расходы на зачистку на 75—90%. Затраты на зачистку металла на МОЗ составляют в среднем 0,2 руб/т (без учета потерь металла).

За рубежом разработкой машин огневой зачистки занимаются фирмы «Linde» и «Union Carbide» (США), «Messer Griesheim» (ФРГ) и «Koike Sanso» (Япония) и др.

В США в потоке МОЗ зачищается более 50 млн. т проката, общее число машин огневой зачистки, установленных в этой стране, составляет 90 единиц. Число огневых машин в других развитых странах составляет (по данным 1975 г.): в Японии более 20, ФРГ 18, Англии 12, Италии 7.

Фирма «Union Carbide» для современного заготовочного стана рекомендует устанавливать МОЗ в потоке между станом и ножницами. МОЗ предназначена для зачистки при глубине удаляемого слоя 0,8—6,4 мм и скорости 1,25—0,16 м/с. В состав комплекса входят: машина огневой зачистки, рольганги, направляющие линейки перед машиной, правильные ролики до и после МОЗ, система охлаждения газорежущих головок, система сжатого воздуха для продувки огневой части машины, система гидросбива и грануляции отходов зачистки, аспирационная система продуктов сгорания.

Отмечается, что установка МОЗ в технологическом потоке стана экономически выгодна при глубине удаляемого слоя металла до 3 мм. В последние годы зарубежные фирмы интенсивно занимаются разработкой механизированных огневых средств для выборочной зачистки дефектов проката на адъюстажах. Такие установки созданы в ФРГ, Швеции, Англии и других странах. Всего в капиталистических странах насчитывается более 20 установок огневой выборочной зачистки проката в холодном состоянии. Сообщается, что производительность этих установок составляет до 24 т/ч при обслуживании одним оператором, в то время как производительность зачистки при ручном способе и обслуживании бригадой в составе двух рабочих составляет 8 т/ч.

Фирма «Centro-Maskin» (Швеция) создала кислородно-дуговую машину для зачистки слябов из углеродистых сталей, предназначенную для эксплуатации на адъюстаже. Для осуществления процесса в этой машине используются кислород, воздух, при пуске — электрический ток и некоторое дополнительное количество металла, получаемого с расплавляемого электрода под действием слабой электрической дуги. Удовлетворительные условия труда оператора обеспечиваются наличием подвижной кабины, оборудованной установкой для кондиционирования воздуха. Эффективное удаление шлака и дымовых газов определяется схемой с перемещаемым металлом. За один рабочий ход машина обрабатывает полосу шириной 200 мм при глубине зачистки до 1—8 мм. Машина может обрабатывать слябы в горячем состоянии (рис. 14). Современные машины огневой зачистки, предназначенные для зачистки горячего металла в потоке прокатных станов, представляют собой сложные устройства, которые постоянно усовершенствуются при их разработке и эксплуатации. Подача металла в машину осуществляется по рольгангам с регулируемым приводом со скоростью 1,3—2 м/с, что позволяет регулировать технологическую скорость зачистки в пределах 0,2—1,0 м/с и глубину зачистки металла до 3,5 мм,

Машина состоит из станины-рамы с водоохлаждаемыми газорежущими блоками, механического оборудования настройки блоков, газовой и кислородной частей, насосной станции для подачи воды к форсункам гидросбива шлака и окалины, дымоотсоса и газоочистки, отделения регулирующей аппаратуры, поста управления машины.

С целью повышения надежности работы, а также для перехода с зачистки проката одного профиля на другой без нарушения ритма работы стана на современных блюмингах производительностью более 3 млн. т/год устанавливают спаренные машины (рис. 15).

Созданы и внедрены машины огневой зачистки холодного и подогретого металла вне потока станов. Схема машины огневой зачистки для холодного металла показана на рис. 16.

Скорость огневой зачистки (vзач, м/мин) определяют по эмпирической формуле

где h — глубина зачистки, мм.

В практических условиях работы скорость зачистки составляет 50 м/мин и более.

Среднюю производительность Gср (т/ч) МОЗ определяют по формуле

где l0 — длина зачищаемой части заготовки, м;

а и b — поперечные размеры заготовки, мм;

т — длительность зачистки одной заготовки, с.

Производительность универсальной машины огневой зачистки в зависимости от сортамента изменяется в пределах 500—1000 т/ч.

Расход кислорода составляет 1800—4000, природного газа 150—600 м3/ч, стоимость зачистки 20—30 коп/т.

В табл. 10 приведены технические характеристики механической и газовой частей современных МОЗ.

Новая конструкция МОЗ Уральского завода тяжелого машиностроения показана на рис. 17.

Машина предназначена для работы в технологическом потоке блюминга. Зачищаемый раскат 6 на пониженной скорости подается на первый ролик огневой машины 15, затем раскат останавливается и происходит подача газорежущих головок 7. При касании раската газорежущими головками подаются горючий газ и греющий кислород, поверхность металла нагревается до температуры плавления, раскат отводится на 50 мм, подается режущий кислород и вода гидросбива шлама 21. При прохождении через машину раскат сверху прижимается роликом 20. Работа машины возможна как с остановом раската после зачистки, так и без останова.



Сравнительные технические данные МОЗ УЗТМ с лучшими образцами машин, по тем же данным, приведены в табл. 11. К преимуществам этой машины относится быстрая смена газорежущего оборудования в процессе работы стана, стабилизация скорости зачистки раската, удобный подвод энергоносителей и возможность отделения железного порошка (99,3% железа) после зачистки.

Обрабатываемость сталей и сплавов огневой зачисткой имеет важнейшее значение для организации этого процесса и перспектив его развития.

Углеродистые стали с содержанием 0,12—0,5% С и низколегированные типа 20Г, 15Х, 20ХМ с содержанием углерода до 0,3% обрабатываются газо-кислородной зачисткой без ограничения как в нормальных условиях, так и в горячем состоянии.

Стали типа 12ХГ, 35Х, 30ХМА в зимних условиях обрабатывают при температуре не ниже 150° С.

В горячем состоянии при температуре более 180°С обрабатывают стали с содержанием углерода 65—75% (типа У7, У8) и легированные (типа 30ХГСА, 40ХН— 50ХН, 45ХНМФА, 50ХГФА).

Инструментальные стали с высоким содержанием углерода типа У9—У13, легированные типа 60С2, ШХ6 — ШХ15, 9ХС, ХВ2, 25ХНВА обрабатывают только в горячем состоянии при температуре 300—400° С. С увеличением геометрических размеров металла температура предварительного нагрева металла повышается.

Диапазон обрабатываемости сужается в связи с образованием термических трещин, так как прогретый после зачистки металл интенсивно охлаждается из-за передачи тепла по сечению металла со скоростью 100—150° С/с, и возникают внутренние напряжения и поверхностная закалка в результате мартенситного превращения или низкой пластичности продуктов быстрого распада аустенита. Термические трещины могут возникать как в процессе самой зачистки, так и после нее или при интенсивном нагреве перед следующим переделом. Во избежание образования термических трещин осуществляют нагрев стали, температуру которого повышают с увеличением содержания углерода и легирующих добавок и коэффициента линейного расширения, а также с понижением теплопроводности стали. В табл. 12 приведены температуры нагрева стали для огневой зачистки. Применение флюсов расширяет возможности огневой зачистки в области высоколегированных, например хромомолибденовых, сталей, содержащих до 5% хрома, до 1% молибдена, до 2% кремния. В качестве флюсов применяют мелкогранулированные железные порошки марок ПЖ1М—ПЖ5М, смесь алюминиевомагниевого порошка марки ПАМ-4 с силикокальцием. Горение этих порошков происходит со значительным выделением тепла, а образующиеся шлаки легкоподвижны и имеют низкую температуру плавления.

Огневая зачистка нержавеющих сталей выполняется на специальных механизированных огнезачистных установках (МОУ), в которых используют железные или алюминиево-магниевые порошки-флюсы.

Краткая техническая характеристика МОУ, разработанной Челябинским НИИМ, приведена ниже:

Установка оборудована загрузочным стеллажом, тележкой, кантователем, имеет вентиляционный отсос, управляется с поста оператора (рис. 18).

Ряд марок сталей, зачищаемых на МОУ, имеют ограничения по температуре конца зачистки, например, для стали 20X13 (С<0,2) она должна быть > 180°С, а для сталей 20X13 (С>0,2), 30X13, 40X13, 14Х17Н2, 20Х17Н2>300° С. Температура заготовок перед зачисткой должна быть не выше 500° С. Зачистка дефектной поверхности металла может осуществляться всплошную или выборочно. Глубину зачистки регулируют в основном за счет изменения скорости подачи тележки.

Затраты на зачистку 1 т нержавеющей стали на МОУ составляют 4—5 руб/т, годовая производительность установки до 80 тыс. т/год.

При повышенном содержании в стали марганца (>10%), никеля (>5%), кремния (>2%), молибдена и вольфрама (>1%) кислородно-флюсовая зачистка невозможна, так как эти стали в струе кислорода не загораются при температуре прокатки или на поверхности металла образуются столь прочные окисные пленки, удаление которых требует больших затрат, чем огневая зачистка.

В ряде случаев огневую зачистку ограничивают по причине изменения химического и фазового составов на глубине до 3—4 мм из-за выгорания некоторых элементов в поверхностном слое.

В последние годы в зарубежной и отечественной практике ведутся работы по созданию устройств, обеспечивающих проплавление дефектных поверхностей металла мощными электрическими источниками, что позволяет снизить потери металла по сравнению с газо-кислородной зачисткой и устранить из процесса кислород. Примером такого устройства является установка для удаления дефектов с поверхности слябов. Тепло для проплавления поверхности металла создается управляемой магнитным полем электрической дугой, создаваемой между электродом и поверхностью сляба. Глубина проплавления зависит от химического состава металла, силы тока дуги и скорости ее вращения, температуры сляба, его сечения и скорости подачи. В расплавленной зоне твердые и газообразные включения всплывают на поверхность сляба, где они либо испаряются в атмосферу, либо остаются до последующей неглубокой зачистки. Рассматривается возможность обработки металла в среде восстановительного или инертного газа. Около электродов устанавливают форсунки для быстрого охлаждения поверхности после ее проплавления. На рис. 19 показано устройство для одновременной обработки четырех сторон поступательно движущегося сляба 184х222 мм.

На рис. 20 показана зависимость температуры сляба от глубины прогрева при длительности нагрева до точки плавления сляба в пределах 0,5—10 с, обеспечивающей глубину проплавления 2,5 мм. Как видно из рис. 20, при начальной температуре сляба 1315°С и времени нагрева 0,5 с сляб прогревается до точки плавления 1482° С, на глубине от поверхности 12,7 мм температура будет 1321° С, а при времени нагрева 3 с та же точка на глубине 12,7 мм прогреется до 1350° С. При скорости подачи сляба 0,5 м/с мощность, затрачиваемая на проплавление, составляет 20 000 кВт, а установленная мощность соответственно при к. п. д. = 50% около 40 МВт. Столь значительные энергетические затраты на обработку поверхности металла пока не позволяют ввести подобные устройства в промышленную эксплуатацию по экономическим соображениям.

Ведутся работы по применению плазменного точения и строгания труднообрабатываемых сталей, при этом отмечается, что в ряде случаев производительность по сравнению с обработкой резанием возрастает в 10 раз и более.

Подобные устройства состоят из источника питания током с системой управления, схемы управления газовым режимом, системы блокировки и автоматика, плазматрона и контактного устройства для подачи потенциала на заготовку.

Схема установки для плазменной зачистки плоскостей показана на рис. 21. Сообщается, что на этой установке при обработке заготовки из стали 34XHIM с глубиной удаляемого припуска t=10 мм одним плазматроном достигнута производительность по съему металла 210 кг/ч при силе тока 700 А и напряжении 200В. Шероховатость поверхности соответствовала Rz=20/40, наплывы и брызги металла на обработанной поверхности отсутствовали, трещины в поверхностных слоях не обнаружены.

Следует полагать, что метод плазменной обработки поверхности, не зависящей от обрабатываемости металла механическим инструментом, является довольно перспективным для первоочередного применения на заводах черной металлургии, производящих высоколегированные стали и сплавы.