Разработка конструкции для контроля вдуваемой массы смазочно-дезоксидирующего материала

Технология производства бесшовных горячекатаных труб на ТПА с непрерывными станами для борьбы с окалиной предусматривает использование смазочно-дезоксидирую-щего материала, далее (СДМ), а также оборудования для их нанесения [1–12]. Недостаточное количество СДМ на внутренней поверхности гильзы приводит к снижению качества внутренней поверхности готовых труб, а также к неравномерному износу оправок непрерывных станов. Одной из причин отсутствия гарантированного разделения контактных по- верхностей является несоответствие выдуваемой порции СДМ заданному значению [13–15].

Для определения фактической порции выдуваемого СДМ поставлена задача разработать устройство, позволяющее улавливать поток частиц размером менее 200 мкм, выходящих из соплового отверстия форсунки, со следующими требованиями: высота – не более 1,5 м; процент улавливания – не менее 90 % при давлениях до 3 бар.

За основу принята конструкция стандартного устройства циклонного пылеулав- ливателя, принцип очистки которого инерционный – с использованием центробежной силы (рис. 1). Исходный газ поступает в корпус тангенциально через штуцер (входной патрубок). За счет того, что газ вводится тангенциально, он приобретает вращательное движение вокруг трубы, которая располагается соосно с корпусом и осуществляет вывод очищенного газа. Таким образом, внутри циклонного пылеулавливателя образуются два потока, движущихся по траектории спиралеобразной формы. Исходный газ образует внешний поток и движется вниз вдоль стенок корпуса. При этом содержащиеся в нем частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам. Очищенный газ образует внутренний поток. Он поднимается вверх и выводится наружу. Концентрация твердых частиц образуется у стенок корпуса и под действием потоков направляется в разгрузочный бункер.

Рис. 1. Принцип работы циклонного пылеулавливателя

Fig. 1. Working principle of cyclone dust collector

Циклонные пылеулавливатели обладают рядом отличительных свойств:

• –    простая конструкция;

• –    отсутствие движущихся частей;

• –    возможность работать с химически агрессивными средами.

К недостаткам стоит отнести высокое гидравлическое сопротивление, большие габаритные размеры. Однако увеличить эффективность осаждения частиц мелких размеров можно за счет уменьшения диаметра циклонного пылеулавливателя и увеличения скорости потока в нем. Это, в свою очередь, приведет к росту сопротивления и некоторому снижению эффекта очистки за счет вторичного захвата отсепарированных частиц.

Степень очистки газовзвесей в циклонных пылеулавлевателях достигает 96–99 % при содержании частиц размером 20 мкм, 70–95 % – при наличии частиц размером 10 мкм и 30–85 % – если размер частиц составляет 5 мкм [16].

Предварительно за основу расчета приняты стандартные расчеты циклонных пылеулавливателей НИИГАЗ (ЦН). Расчетные максимально возможные КПД стандартных моделей ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24 не удовлетворяют поставленным требованиям, при этом пылеулавливатели имеют большие габариты (табл. 1).

Для повышения процента улавливания принято решение разработать специальную конструкцию для улавливания смазочно-дезоксидирующего материала (улавливатель СДМ). За аналог выбрана конструкция устройства (циклона), описанного в патенте № 2006291 [17]. Циклон работает следующим образом: пылегазовая смесь по патрубку 3 (рис. 2) поступает тангенциально или спирально в кольцевое пространство между корпусом циклона 2 и выходным патрубком 4, образуя внешний густо запыленный поток из частиц пыли, отбрасываемых к стенке циклона центробежной силой, опускающийся вниз по спирали к пылевыгрузочному патрубку 5. При этом организатор потока 1 препятствует захвату частиц, не успевших дойти до стенки корпуса, потоком, поднимающимся в виде закрученного вихря в выходной патрубок 4. Эффективность осаждения пыли в циклоне при этом повышается.

В связи с тем, что конструкция улавливателя СДМ не поддается стандартному расчету, проведено сравнительное компьютерное моделирование работы циклонного пылеулавливателя стандартной конструкции и улавли-

Таблица 1

Результаты расчета стандартных циклонных пылеулавливателей

Table 1

Calculation results of standard cyclone sludge collectors

	ЦН-11	ЦН-15	ЦН-24
Диаметр, м	1	1	0,9
Высота, м	4,38	6,968	4,26
КПД, %	70	70	72

Рис. 3. Габариты улавливателя СДМ

Fig. 3. Lubricant-deoxidizing material catcher dimensions

Рис. 2. Конструкция циклона

Fig. 2. Cyclone design вателя СДМ с удовлетворяющими нас габаритами и рассчитанными геометрическими размерами конструктивных элементов (рис. 3).

Моделирование осуществлено с испол ь зованием метода конечных элементов в пр о граммном комплексе Solid Works Flow Simulation.

При постановке модели использованы следующие параметры моделирования:

• –    тип задачи – внешняя;

• –    гравитация – включена;

• –    тип расчета – нестационарный;

• –    время подачи порошка – 5 с;

• –    текучая среда – воздух;

• –    начальная температура текучей среды и твердых тел – 20 °С;

• –    давление окружающей среды – 1 бар;

• –    давление подачи по рошка – 3 бар (при близительный расход газа 0,05 кг/с).

По результатам моделирования зафикс и рованы траектория полета частиц диаметрами 100, 50, 20, 10 и 5 мкм. Результаты моделир ования представлены на рис. 4–6.

По результатам проведенного сравнительного компьютерного моделирования сделан вывод о том, что наличие вставки в модернизированном циклонном пылеулавливателе способствует осаждению частиц диаметром до 10 мкм включительно (см. рис. 5) за счет препятствования их попадания в поток исходящего воздуха (см. рис. 4). При этом частицы размером менее 10 мкм попадают в поток исходящего воздуха и выводятся наружу в обоих вариантах исполнения улавливателя (см. рис. 6).

Для подтверждения результатов моделирования проведен эксперимент по улавливанию частиц СДМ. Модернизированный циклонный пылеулавливатель изготовлен на основе конструкторской документации, разработанной по результатам моделирования (рис. 7). Материалом для изготовления выбран пластик с целью уменьшения массы устройства.

Размеры частиц порошка: до 100 мкм – 45 %, до 63 мкм – 20 %, менее 63 мкм – остальное. Полученные по результатам испытаний

a)

П 100.000

88.889

77.778

• -    66.667

• -    55.556

• -    44.444

• -    33.333

11.111

> 22.222

Скорость [m/s]

b)

Рис. 4. Траектории движения потока газа в циклонном пылеулавливателе стандартной конструкции (а), улавливателе СДМ (b)

Fig. 4. Gas flow trajectories in cyclone dust collector of standard design (а), lubricant-deoxidizing material trap (b)

a)

1 00.000

88.889

77.778

66.667

55.556

44.444

33.333

22.222

11.111

b)

Скорость [m/s]

Рис. 5. Траектории полета частиц 100, 50, 20, 10 мкм в циклонном пылеулавливателе стандартной конструкции (а), улавливателе СДМ (b)

Fig. 5. Flight paths of particles 100, 50, 20, 10 microns in cyclone dust collector of standard design (а), lubricant-deoxidizing material trap (b)

a)

1 00.000

88.889

77.778

66.667

55.556

44.444

33.333

22.222

11.111

b)

Скорость [m/s]

Рис. 6. Траектории полета частиц 5 мкм в циклонном пылеулавливателе стандартной конструкции (а), улавливателе СДМ (b)

Fig. 6. Flight paths of 5 µm particles in cyclone dust collector of standard design (а), lubricant-deoxidizing material trap (b)

Рис. 7. Улавливатель СДМ Fig. 7. Lubricant deoxidizer trap

данные представлены в табл. 2. После каждой попытки система очищалась от возможных остатков порошка дополнительной продувкой с давлением и временем, идентичным давлениям подачи порошка, представленным в табл. 2.

По результатам проведенного эксперимента по определению эффективности разработанного циклонного пылеулавливателя можно сделать вывод, что устройство способно улавливать более 90 % частиц при давлениях 2 бар и выше (приблизительный расход газа 0,05 кг/с и выше). Также отмечено, что повышение давления с 2 до 3 бар снижает улавливание с 96 до 94 % соответственно.

После подтверждения эффективности разработанного циклонного пылеулавливателя

Таблица 2

Данные по результатам испытаний в условиях АО «РусНИТИ»

Table 2

Data on test results in the conditions of JSC “RusNITI”

№ п/п	Давление подачи порошка, бар	Время подачи порошка, с	Выдуваемое количество порошка (на весах), г	Фактическое (пойманное) количество порошка, г	Процент отклонения от заданного значения, %
1	3	5	497	475	–4,43
2	3	5	504	472	–6,35
3	3	5	501	480	–4,19
4	3	5	498	464	–6,83
5	3	5	520	478	–8,08
6	3	5	530	501	–5,47
7	3	5	501	479	–4,39
8	3	5	514	481	–6,42
9	3	5	498	460	–7,63
10	3	5	520	493	–5,19
Ср. знач.			508,3	478,3	–5,9

Окончание табл. 2

Table 2 (end)

№ п/п	Давление подачи порошка, бар	Время подачи порошка, с	Выдуваемое количество порошка (на весах), г	Фактическое (пойманное) количество порошка, г	Процент отклонения от заданного значения, %
1	2	5	592	566	–4,39
2	2	5	564	549	–2,66
3	2	5	600	583	–2,83
4	2	5	683	659	–3,51
5	2	5	570	547	–4,04
6	2	5	586	559	–4,61
7	2	5	634	615	–3,00
8	2	5	596	572	–4,03
9	2	5	603	588	–2,49
10	2	5	596	577	–3,19
11	2	5	610	595	–2,46
12	2	5	557	537	–3,59
Ср. знач.			599,3	578,9	–3,4

Данные по результатам проведенных испытаний в заводских условиях

Таблица 3

Table 3

проведены испытания по отслеживанию выдуваемой массы СДМ в заводских условиях. Результаты проведенных испытаний представлены в табл. 3. Дополнительно фиксировались значения дозировки, задаваемые на пульте управления или рассчитанные математической моделью стана, с целью определения соответствия заданных значений дозирования СДМ фактически выдуваемым порциям.

Процент отклонения пойманного количества порошка от показателя заданного значе-

ния находятся в диапазоне от +9,83 % до –10,50 %. При этом только два значения отклонения имеют положительный характер, что может указывать на небольшой сбой в системе дозирования либо, что наиболее вероятно, на неполное выдувание порошка из системы при предыдущей попытке.

Заключение

Разработана конструкция улавливателя, удовлетворяющая поставленным требованиям по габаритам, способная улавливать порош-

Factory test data

№ п/п Давление подачи порошка, бар Время подачи порошка, с Выдуваемое количество порошка (на весах), г Фактическое (пойманное) количество порошка, г Процент отклонения от заданного значения, % Давление подачи порошка, бар 1 2 5 600 592 566 –5,67 2 2 5 600 564 549 –8,50 3 2 5 600 600 583 –2,83 4 2 5 600 683 659 +9,83 5 2 5 600 570 547 –8,83 6 2 5 600 586 559 –6,83 7 2 5 600 634 615 +2,50 8 2 5 600 596 572 –4,67 9 2 5 600 603 588 –2,00 10 2 5 600 596 577 –3,83 11 2 5 600 610 595 –0,83 12 2 5 600 557 537 –10,50 ковый смазочно-дезоксидирующий материал при давлениях до 3 бар с КПД 94 % и позволяет производить оперативный контроль сис-

тем дозирования оборудования для нанесения смазочно-дезоксидирующих материалов в линии трубопрокатных агрегатов.