Машина для очистки поверхности труб

Полезная модель относится к области очистки от загрязнений металлических изделий в вакууме на различных этапах технологического процесса и может быть использована в трубопрокатном производстве, при производстве и ремонте труб с покрытиями для удаления с поверхностей труб старых покрытий, окалины, ржавчины, технологических смазок и других загрязнений.
При производстве труб, в том числе цельнотянутых методом волочения, недопустимо наличие на внутренней и внешней поверхности труб оксидов, т.к. они разрушают рабочий инструмент (волоки). Поэтому для очистки от окалины и ржавчины при производстве таких труб широко используется кислотное травление, что вредно для обслуживающего персонала и окружающей среды. Это вызывает необходимость разрабатывать экологически чистые технологии и оборудование для очистки поверхности труб.
Известны устройства для очистки наружной поверхности труб, которые основаны на:
- воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий при атмосферном давлении (авт. свид. СССР №476041, В08В 1/00, 1971; патент США №5143561, В21В 45/06, 1992; патент Франции №2664510, В21В 37/08, 1992);
- воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий в защитной газовой среде (авт. свид. СССР №1272725, С22В 9/20, 1985; авт. свид. СССР №1770420, С22В 9/20, 1992; авт. свид. СССР №1812239, С23С 14/32, 1993);
- воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий в защитной газовой струе (авт. свид. СССР №171056, В23К 9/00, 1965; Максимов Л.Ю., Кривонос Г.А. Экологическая безопасная очистка металла в потоке. - Тяжелое машиностроение, 1997, №5);
- воздействии дуговым разрядом на обрабатываемую поверхность изделий в вакууме с наложением на электрическую дугу постоянного магнитного поля (авт. свид. СССР №719710, В08В 3/10, 1980; авт. свид. СССР №935141, В08В 3/10, 1982, авт. свид. СССР №1749279, С22В 9/20, 1992; Патон Б.Е. и др. Плазменно-дуговой переплав поверхностного слоя слитков и заготовок. Сталь, 1987, №1).
Известные устройства, предназначенные для очистки труб, имеют существенные недостатки:
- кислотное и иное химическое травление приводит к нежелательному наводороживанию металла, что снижает прочность труб, а также крайне вредно для экологии,
- низкая производительность при очистке труб.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для очистки металлических поверхностей (патент РФ №2139151, В08В 7/04, В08В 9/00, опубл. 10.10.1999). Устройство предназначено для осуществления очистки наружной поверхности труб от окалины, ржавчины, технологических смазок и других загрязнений. Устройство содержит вакуумную камеру, в которой осуществляется очистка труб, систему вакуумирования, механизмы загрузки и выгрузки труб, блоки возвратно-поступательного перемещения труб и охлаждаемые электроды. Очистку наружной поверхности труб осуществляют в вакууме электродуговыми разрядами с использованием в качестве анода электродов, а в качестве катода - очищаемой трубы.
Недостатками устройства являются низкая производительность очистки, т.к. кольцевые электроды не способны безаварийно работать при высоких токах в разрядах, и недостаточное качество очистки поверхности.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании машины для очистки поверхности труб от окалины, ржавчины, старых покрытий, технологических смазок и других загрязнений с использованием экологически чистой технологии.
Технический результат заключается в повышении производительности и качества очистки труб.
Указанный результат достигается за счет того, что в машине для очистки поверхности труб, содержащей по меньшей мере один вакуумный бокс наружной очистки, снабженный средством для загрузки и выгрузки труб, и систему вакуумирования, в боксе размещены блоки возвратно-поступательного перемещения трубы и охлаждаемые электроды, размещенные друг от друга вдоль трубы на расстоянии, кратном длине трубы, согласно полезной модели, машина содержит по меньшей мере один вакуумный бокс внутренней очистки поверхности труб, в котором размещены блоки перемещения трубы и установленный соосно охлаждаемый электрод, размещенный на штанге, при этом в боксе наружной очистки электроды размещены равномерно по периметру трубы и сгруппированы в кластеры. Кроме того, электроды в кластере снабжены средством для поддержания зазора между рабочей поверхностью каждого электрода и поверхностью трубы, электроды выполнены из ферромагнитного или диамагнитного материалов и имеют каналы для охлаждения. В боксе наружной очистки размещен рольганг для перемещения труб на расстояние, равное расстоянию между электродными кластерами, а в боксе внутренней очистки блоки перемещения трубы выполнены с возможностью обеспечения вращения трубы вокруг продольной оси и реверсивного движения трубы вдоль электрода, при этом штанга с электродом снабжена устройствами для центрирования и соединена с блоком электропитания и охлаждения электрода.
Согласно предлагаемой полезной модели, очистку наружной и внутренней поверхности трубы осуществляют при помощи электрических разрядов. При этом над очищаемой поверхностью трубы размещают электроды (аноды), а трубу используют в качестве катода. Зажигают электрические разряды между анодами, при этом напротив каждого анода на поверхности трубы образуется группа катодных «пятен» (И.Г. Кесаев, ЖТФ 34, 1482 (1964)).
11
2
3
7
8
10
2
Механизм очистки поверхности в катодном пятне электрической дуги от оксидов и любых других загрязнений заключается в воздействии на поверхность катода потоком высокоэнергетических ионов плазмы, генерируемых электронами эмиссии в прикатодной области дуги. Потоком бомбардирующих ионов, ускоренных падением потенциала в катодных пятнах, очищаемой поверхности передается энергия с плотностью порядка 10 Вт/м. При этом, по оценкам ряда исследователей (Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. - М.: Наука, 1970; Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. - М.: Наука, 1968), в катодном пятне температура достигает (5-10)⋅10 К, а давление пара оксидов и металла - 10-10 Па. Механизм очистки металлов от оксидов и других загрязнений в катодном пятне можно представить в режиме «стоп-кадр» следующим образом. Над жидкой металлической поверхностью находится слой плотного металлического металла, с поверхности которого в окружающее пространство истекают со сверхзвуковой скоростью струи газовой смеси металла с диссоциированными оксидами. В этой смеси компоненты с низким потенциалом ионизации (в основном атомы металлов - по уравнению Саха (Финкельбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. - М.: ИЛ, 1961)) находятся в состоянии плазмы. Катодные пятна хаотически или под воздействием собственных или внешних магнитных полей перемещаются по поверхности очищаемого изделия. Исследования показали, что скорость перемещения катодных пятен с плотностью тока порядка 10 А/м зависит от толщины оксидного слоя (печная и прокатная окалины, ржавчина, другие загрязнения), давления насыщенного пара материала изделия и загрязняющих веществ на поверхности, теплопроводности, температуры очищаемого изделия, конфигурации и рельефа поверхности, давления и химического состава окружающей среды (скорость перемещения резко возрастает при добавлении водорода).
В некоторых случаях катодная область дугового разряда на очищаемом изделии представляет собой сплошной нитевидный фронт на границе очищенного металла и оксидного покрытия. Длина или периметр нитевидного фронта катодной области может достигать сотен миллиметров. Это наиболее производительный режим плазменно-дуговой очистки (Е.С. Сенокосов, А.Е. Сенокосов. Плазменная электродуговая очистка металлических изделий, Металлург, 2005, №4).
2
2
Наибольшая производительность и высокое качество плазменной электродуговой очистки достигается при понижении давления внешней среды относительно атмосферного до 1,3×10 - 1,33 Па. В этом диапазоне давлений электрическая дуга стабильная, парциальное давление кислорода ниже упругости диссоциации большинства оксидов металлов при температурах, реализуемых в катодной области вакуумной дуги, благодаря чему на очищаемой поверхности интенсивно протекает реакция диссоциации оксидов и других загрязнений, их ионизация и испарение (сублимация). Ионизируются в основном металлы, при этом ионы под воздействием электрического поля, возникающего в области катодного падения потенциала, ускоряются и возвращаются на поверхность очищаемого изделия. В результате на поверхности очищаемого изделия образуется слой металла, восстановленного из оксидов. Энергозатраты на очистку 1 м поверхности в зависимости от степени ее загрязненности составляют 0,3-2,0 кВт⋅ч.
На практике выяснилось, что производительность очистки стальных труб от окалины и ржавчины зависит еще и от количества катодных пятен на очищаемой поверхности, которое напрямую зависит от величины суммарного разрядного тока. Попытки увеличить производительность очистки за счет увеличения тока разряда через один кольцевой анод закончились тем, что после 1000 ампер начала превалировать сила собственного магнитного поля дуги и стягивать ее в одно катодное пятно, что сразу привело к прожогу и оплавлению труб.
Поэтому в предлагаемой полезной модели для очистки наружной поверхности трубы вместо одного кольцевого анода использовано несколько электродов-анодов малого размера, равномерно размещенных по периметру трубы и сгруппированных в кластеры. Это позволило через каждый анод увеличить ток разряда до 1000 ампер, т.е. до опасного уровня, когда катодные пятна коллапсируют в одно пятно и могут прожигать трубу. Такое решение привело к существенному росту суммарного тока разряда в сечении кластера, а следовательно - к повышению производительности очистки.
Для очистки внутренней поверхности трубы машина снабжена по меньшей мере одним вакуумным боксом, в котором по его оси установлен на штанге охлаждаемый электрод и размещены блоки перемещения трубы. В боксе устанавливают низкое давление, при помощи блоков перемещения осуществляют реверсивное движение трубы внутренней полостью вдоль электрода, зажигают разряд и очищают внутреннюю поверхность по всей длине. Производительность очистки определяется величиной разрядного тока и количеством боксов наружной и внутренней очистки, которые размещают в машине парами - бокс наружной очистки и бокс внутренней очистки (пара).
Кроме того, в предлагаемой машине производительность очистки труб увеличена за счет того, что полости вакуумных боксов наружной и внутренней очистки труб имеют возможность сообщаться между собой посредством трубопровода с клапаном (на чертежах условно не показано). При этом если в одном боксе - атмосферное давление воздуха (в бокс только что загрузили предназначенную для очистки трубу и загерметизировали его), а в другом боксе - вакуум (бокс не разгерметизировали, но очистка уже завершена), то при сообщении полостей боксов давление в них выравнивается. При этом один из боксов наполовину заполнен воздухом и до готовности к извлечению очищенной трубы требуется еще подать атмосферный воздух, а другой бокс оказывается наполовину уже откачан и до рабочего давления требуется еще откачать воздух. Наполнение боксов атмосферным воздухом осуществляется быстро, не более одной секунды. Откачка до рабочего давления сопряжена с особенностью работы вакуумных насосов. Быстродействие вакуумных насосов зависит от величины начального (впускного давления) в рабочем боксе (Вакуумная техника. Справочник под ред. Е.С. Фролова и В.Е. Минайчева, М.: Машиностроение, 1992 г. С. 321, рис. 10.30) и вначале на несколько порядков меньше, если откачка начинается от атмосферного давления, по сравнению с тем, если откачка начинается из предварительно уже откачанного объема. Предварительная откачка плотного атмосферного воздуха из рабочего бокса на несколько порядков увеличивает производительность вакуумных насосов, за счет чего существенно сокращается время подготовки бокса к очистке трубы. На практике откачка бокса, начиная от атмосферного давления до рабочего давления, занимает 10-15 минут, а с предварительной откачкой, за счет выравнивания давления в боксах, не превышает 2-3 минут (при затратах времени на очистку трубы 4-6 минут). Кроме того, использование такой схемы откачки позволяет существенно экономить на энергозатратах.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1а представлен бокс наружной очистки поверхности труб, на фиг. 1б показан разрез А-А на фиг. 1а, на фиг. 2 представлен бокс внутренней очистки поверхности труб. Боксы наружной и внутренней очистки составляют машину для очистки труб.
Перечень позиций на фиг. 1:
1 - корпус бокса наружной очистки трубы;
2 - входной люк бокса наружной очистки;
3 - выходной люк бокса наружной очистки;
4 - электрод;
5 - корпус электродного кластера;
6 - устройство поддержания межэлектродного зазора;
7 - блок электропитания и охлаждения электрода;
8 - очищаемая труба;
9 - блоки перемещения трубы;
10 - рольганг приводной;
11 - система вакуумирования бокса;
12 - вакуумная магистраль.
Перечень позиций на фиг. 2:
13 - корпус бокса внутренней очистки трубы;
14 - входной люк бокса внутренней очистки;
15 - блоки перемещения трубы;
16 - рольганг приводной;
17 - электрод;
18 - устройство центрирования электрода на входе в трубу;
19 - блок электропитания и охлаждения электрода;
20 - штанга;
21 - устройство центрирования штанги внутри трубы.
Предлагаемая машина для очистки поверхности труб работает следующим образом. Трубу 8, предназначенную для очистки наружной поверхности, загружают в корпус бокса наружной очистки 1 через входной люк 2 бокса. Внутри бокса 1 трубу 8 перемещают при помощи блоков возвратно-поступательного перемещения 9 и приводного рольганга 10. После загрузки трубы 8 входной люк 2 закрывают и бокс 1 герметизируют. При первом запуске машины очистки, например в начале смены, бокс 1 вакуумируют с помощью системы вакуумирования 11 через вакуумную магистраль 12. При дальнейшей работе, как было упомянуто выше, первичная откачка бокса осуществляется за счет выравнивания давления между боксами 1 и 13 после того, как в последнем проведена очистка трубы и в нем еще вакуум. Дальнейшая откачка вакуума до рабочего значения продолжается от системы вакуумирования 11. После достижения рабочего вакуума в боксе 1 на каждый электрод 4 от блоков электропитания и охлаждения 7 (на схеме показан только один) подают положительный потенциал, одновременно включают охлаждение электродов, а на трубу 8 от всех блоков электропитания и охлаждения подают отрицательный потенциал.
После достижения рабочего давления в боксе 1 между каждым электродом (анодом) 4 и трубой 8 инициируют электрический разряд. Катодные пятна сканируют по поверхности очищаемой трубы 8 магнитными полями (на схеме не показаны) или иным способом, тем самым очищают поверхность трубы от оксидов и любых других загрязнений. Межэлектродный зазор между электродами (анодами) 4 и наружной поверхностью трубы 8 задают и поддерживают устройствами поддержания межэлектродного зазора 6, что позволяет обеспечить равномерность очистки трубы.
Трубу 8 в процессе очистки в боксе 1 перемещают при помощи блоков 9 возвратно-поступательно на длину, равную расстоянию между корпусами электродных кластеров 5, в которых размещены электроды 4. Количество электродов в кластере варьируется в зависимости от диаметра трубы. Кластеры 5 размещены друг от друга на расстоянии 1, кратном длине трубы L:1=L/к, где к - количество электродных кластеров, к = 1, 2, 3… При этом в процессе очистки наружной поверхности трубу 8 достаточно переместить в вакуумном боксе только на длину 1 и вся труба снаружи будет очищена. Это позволило существенно сократить длину всей машины и увеличить производительность наружной очистки трубы в 2-3 раза.
Опыт эксплуатации графитовых электродов показал их низкую работоспособность в силу быстрого износа. В предлагаемой полезной модели электроды могут быть выполнены из ферромагнитного материала, когда для перемещения катодных пятен по очищаемой поверхности применяют переменные бегущие магнитные поля, и из диамагнитного материала, когда для сканирования катодных пятен по очищаемой поверхности применяют постоянные магнитные поля. Электроды имеют хорошую электропроводность и могут быть выполнены с каналами для охлаждения.
После очистки наружной поверхности трубы 8 гасят электрические разряды, перекрывают вакуумную магистраль 12. Полость корпуса бокса наружной очистки 1, находящуюся еще под вакуумом, сообщают через трубопровод (на чертежах условно не показан) с полостью корпуса бокса внутренней очистки 13, входной люк 14 которого закрыт (бокс к этому моменту находится в готовности чистить трубу 8) и вакуумная магистраль 12 (фиг. 2) закрыта. Это приводит практически к мгновенному выравниванию давления в полостях боксов 1 и 13.
После этого полости боксов разобщают, в бокс 1 подают атмосферный воздух и очищенную трубу 8 извлекают через выходной люк 3 бокса наружной очистки, после чего люк 3 закрывают и готовят бокс к очистке следующей трубы. В то же время полость корпуса бокса 13 продолжают откачивать системой вакуумирования 11 через вакуумную магистраль 12 (фиг. 2).
На фиг. 2 показана схематично вторая часть машины - вакуумный бокс 13 внутренней очистки поверхности трубы. Трубу 8 после очистки наружной поверхности загружают в бокс внутренней очистки 13 через входной люк 14 с помощью блоков перемещения 15 и приводного рольганга 16. Закрывают входной люк 14, бокс 13 герметизируют и вакуумируют с помощью системы вакуумирования 11 через вакуумную магистраль 12. Если машина для очистки труб уже работала, то полость бокса 13 сообщают через трубопровод (на чертежах условно не показан) с полостью бокса 1 и выравнивают давление. После выравнивания давления полости боксов 1 и 13 разобщают и рабочий вакуум в боксе 13 создают системой вакуумирования 11 через вакуумную магистраль 12 (фиг. 2). С помощью блоков перемещения 15 и приводного рольганга 16 трубу 8 внутренней полостью по всей длине накатывают на электрод 17, который закреплен на штанге 20 и сцентрирован по оси трубы устройством центрирования 18. Одновременно от блока электропитания и охлаждения 19 электрода 17 на него подают положительный потенциал, а на трубу 8 - отрицательный потенциал, при этом между электродом 17 и внутренней поверхностью трубы 8 зажигается электродуговой разряд. Внутри трубы 8 электрод 17 и штанга 20 установлены вдоль продольной оси и центрированы с помощью устройства центрирования 21. Труба 8 в процессе очистки совершает реверсивное движение и может совершать вращение вокруг продольной оси. Очистку можно проводить за счет нескольких полных перемещений трубы 8 относительно электрода 17 по всей длине трубы. После очистки гасят электрический разряд между электродом 17 и внутренней поверхностью трубы 8, выключают систему вакуумирования 11 бокса и перекрывают вакуумную магистраль 12 (фиг. 2). Полость бокса 13 сообщают с полостью бокса 1, после выравнивания давления полости боксов разобщают, в бокс 13 подают атмосферный воздух и через люк 14 извлекают очищенную трубу 8.
На очистку поступает следующая труба, и работа машины продолжается согласно описанному циклу.
Количество боксов может быть увеличено, но принцип перепуска воздуха и использования «отработанного» вакуума должен быть сохранен, а для этого количество боксов наружной и внутренней очистки поверхности должно быть парным, т.е. добавляют вместе бокс наружной и внутренней очистки.
Опытный образец машины для очистки поверхности труб был изготовлен и прошел испытания на одном из трубных заводов. Очистке от загрязнений, в частности от окалины, были подвергнуты стальные цельнотянутые трубы диаметром от 33 до 159 мм. В результате испытаний производительность очистки увеличилась в 2-3 раза, повысилось качество очистки поверхности труб, а также вырос ресурс работы металлических электродов, по экологии замечаний нет.
Предлагаемая машина для очистки труб работает с применением экологически чистой технологии, поэтому является актуальной и перспективной и может быть использована на предприятиях по изготовлению и ремонту труб.