СПОСОБ ДЛЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ БЕСШОВНЫХ КОЛЕЦ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА РАДИАЛЬНО-ОСЕВОМ КОЛЬЦЕПРОКАТНОМ СТАНЕ
METHOD OF THERMOMECHANICAL PROCESSING OF SEAMLESS RINGS MADE AT RADIAL-AXIAL RING-ROLLING MILL

Изобретение касается способа термомеханической обработки бесшовных, изготовленных на радиально-осевом кольцепрокатном стане колец в соответствии с ограничительной частью пункта 1 и устройства для охлаждения подвергнутых горячей пластической деформации горячих колец для осуществления способа.
При изготовлении бесшовных колец на радиально-осевом кольцепрокатном стане заготовки колец обычно подаются в кольцепрокатный стан при температуре 900-1200°С и прокатываются до внешнего диаметра предпочтительно 0,2-10 м. После окончания прокатки кольца обычно подвергаются промежуточному хранению и при этом в большинстве случаев охлаждаются до температуры помещения. В рамках последующей термической обработки поэтому необходимо вновь нагреть кольцо до температуры аустенизации и затем охладить его с целью получения мелкозернистой и равномерной структуры. Дополнительная термическая обработка связана с высокими издержками и существенной потребностью в энергии.
Из документа ЕР 413163 В1 известен способ и установка для изготовления термомеханически обработанного прокатанного материала из стали, причем пластическая деформация прокатанного материала осуществляется в диапазоне температур от комнатной температуры до 930°С и с целью улучшения свойств материала в расположенном далее в линии охлаждающем устройстве производится ускоренное охлаждение прокатанного материала с помощью таких охлаждающих сред, как вода, воздух или смесь воды с воздухом. Этот способ предусмотрен только для плоских и удлиненных изделий, а также катанной проволоки. Точный тип охлаждения при этом не описан.
Из корейского документа KR 1005661118 В1 известен, кроме того, способ кольцевой прокатки с последующим нагревом прокатанного кольца в печи и охлаждением кольца погружением в ванну, причем диаметр кольца должен составлять от 4500 до 9300 мм, а высота - от 300 до 280 мм. Также и здесь описывается связанное с большим расходом энергии нагревание кольца перед завершающим погружением для охлаждения.
В документе DE 3324847 А1 описан способ изготовления бесшовных колец с улучшенными пружинными свойствами посредством термической пластической деформации с последующим улучшением. Такие пружинные стали должны иметь совершенно специальные свойства и также подвергаются определенной многоступенчатой обработке. При этом речь идет об относительно сложных процессах.
Из документа DE 1964795 В известен, кроме того, способ для термической обработки сталей непосредственно от температуры пластической деформации с ускоренным охлаждением, причем соответственно производится двухступенчатое охлаждение тем, что прошедший горячую пластическую деформацию материал охлаждается от конечной температуры деформации 880-950°С при скорости охлаждения 25-50°С в секунду до температуры, которая на 10-40°С выше точки А1, т.е. составляет около 710-740°С. Эта температура должна затем выдерживаться в течение 1-20 минут. В завершение производится ускоренное охлаждение до температуры ниже температуры мартенситного превращения, то есть до температуры ниже приблизительно 320°С.
Задачей изобретения является, в частности, уменьшение затрат и расхода энергии при изготовлении бесшовных прокатанных колец с мелкозернистой и равномерной структурой.
Соответствующий изобретению способ предусматривает, что горячее кольцо непосредственно после прокатки без промежуточного нагрева в течение короткого времени контролируемым образом охлаждается, предпочтительно в резервуаре для погружения или в не заполненном охлаждающем резервуаре, от температуры, незначительно выше температуры преобразования в области аустенита, до заданной температуры. При этом при отказе от дополнительной термической обработки и с использованием тепла прокатки для преобразования структуры достигается уменьшение количества этапов процесса и существенная экономия энергии, необходимой для обычной термической обработки. Было установлено, что достаточно равномерная и мелкозернистая структура может быть получена после охлаждения или быстрого охлаждения (закалки) также без этой дополнительной термической обработки при соблюдении определенных параметров охлаждения и при выдерживании заранее заданного времени погружения или охлаждения. Для обеспечения возможности точного поддержания этих параметров в соответствии с изобретением температура кольца измеряется перед и/или после охлаждения, предпочтительно непосредственно перед резервуаром для погружения или охлаждающим резервуаром, с помощью пирометра излучения, и время погружения или время охлаждения устанавливается, предпочтительно, в зависимости от измеренной перед погружением или охлаждением температуры кольца и охлаждающей жидкости. За счет контроля температуры кольца перед процессом погружения или охлаждения можно, в частности, также воспрепятствовать тому, что кольцо погружается или охлаждается при слишком низкой температуре, которая ниже температуры преобразования. В этом случае кольцо сначала подогревается до необходимой температуры.
Для достижения достаточно быстрого охлаждения или закалки кольца в ванне для погружения или в охлаждающем резервуаре в соответствии с изобретением дополнительно предлагается распыление на кольцо охлаждающей жидкости под высоким давлением, предпочтительно воды, через равномерно распределенные по периферии кольца сопла. Находящаяся под давлением охлаждающая жидкость может при этом точно регулироваться локально и/или по количеству; это зависит в данном случае от индивидуальных размеров (диаметр, толщина и форма поперечного сечения) прокатанного кольца. В случае необходимости могут последовательно выполняться также несколько процессов погружения или охлаждения, причем также подлежащее охлаждению кольцо может перемещаться в течение процесса погружения или охлаждения посредством вращения, подъема и опускания.
Устройство для охлаждения подвергнутых горячей пластической деформации горячих колец состоит из заполненного охлаждающей жидкостью резервуара для погружения или не заполненного охлаждающего резервуара, а также опускаемого с помощью подъемного устройства держателя и, в соответствии с изобретением, из сопел, равномерно распределенных в погружном резервуаре или охлаждающем резервуаре на одной или нескольких кольцевых магистралях и предназначенных для целенаправленной подачи охлаждающей жидкостью по меньшей мере на одну из имеющих кольцевую форму поверхностей кольца. С помощью сопел, выполненных например, в виде вихревых форсунок, может осуществляться полностью контролируемое охлаждение поверхности кольца, так что мелкозернистая аустенитная структура трансформируется в преобразованную структуру, желаемую в затем формируемой рабочей зоне конструктивного элемента. Вследствие высокой скорости удара охлаждающей жидкости, в частности, при использовании воды в качестве охлаждающей жидкости, происходит значительное разрушение изолирующей паровой пленки, которая образуется вследствие эффекта Лейденфроста в начале охлаждения и может значительно уменьшить теплопередачу. За счет этого скорость охлаждения является максимальной уже в начале процесса охлаждения, то есть еще при высоких температурах кольца. Оказалось благоприятным расположение на основании резервуара для погружения или охлаждающего резервуара нескольких концентрически расположенных по отношению друг к другу кольцевых магистралей с равномерно распределенными нагнетающими соплами, причем диаметр кольцевых магистралей в основном соответствует диаметру подлежащих охлаждению колец. При этом каждая кольцевая магистраль может управляться отдельно, так что кольца с различными диаметрами, толщиной и высотой охлаждаются контролируемым образом. Объемные потоки также могут регулироваться, чтобы также соответствующим образом согласовываться со скоростями удара жидкости. Как только температура кольца понизится настолько, что фаза испарения пленки завершается и начинается фаза закипания пузырьков при интенсивном резком охлаждении, скорость набегающего потока может быть уменьшена. В температурном диапазоне фазы конвекции с помощью распыления через форсунки может, с одной стороны, поддерживаться конвекционный теплообмен и, с другой стороны, обеспечиваться выравнивание наряду с температурой водяного резервуара также температуры поверхности кольца. Для осуществления процесса погружения или охлаждения прокатанное кольцо может укладываться на держатель из радиально проходящих планок или решетки. Для измерения температуры лежащего на держателе горячего кольца предпочтительно непосредственно выше охлаждающей жидкости на высоте держателя расположен пирометр излучения. Резервуар для погружения или охлаждающий резервуар может быть, в частности, выполнен круглым и/или кольцеобразным в соответствии с геометрической формой прокатанного кольца.
Изобретение поясняется более подробно в качестве примера на основании приложенных Фиг.1-2. Фигуры показывают:
Фиг.1 показывает вид сверху на соответствующий изобретению резервуар 2 для погружения.
Фиг.2 показывает вертикальное сечение через резервуар 2 по Фиг.1 со схематическим расположением соответствующей изобретению установки.
Горячее, изготовленное в неизображенном радиально-осевом кольцепрокатном стане кольцо 1, укладывается с помощью, крана 3 на держатель 5 подъемного устройства 4. В этой позиции приема держатель 5 расположен непосредственно над поверхностью охлаждающей жидкости 8 резервуара 2 для погружения. После измерения температуры горячего кольца 1 с помощью пирометра 6 излучения и после определения температуры охлаждающей жидкости 8 с помощью устройства 7 измерения температуры в блоке 10 управления вместе с геометрической формой кольца и подлежащей достижению температуры преобразования структуры определяется заданное время погружения. Лежащее на держателе 5 горячее кольцо 1 затем в прямом контакте погружается с помощью подъемного устройства 4 с погружной резервуар 2 и находится в погружном резервуаре 2 до достижения рассчитанного заданного времени погружения. В завершение кольцо 1 вновь поднимается из погружного резервуара 2 и вновь производится измерение температуры кольца с помощью пирометра 6 излучения. В случае необходимости процесс погружения может повторяться. Это может быть необходимым, в частности, при кольцах 1 из сортов сталей, которые содержат повышенное количество легирующих элементов и, таким образом, обладают худшей теплопроводностью, которые, тем самым, однако, являются также носителями фазового перехода. При этом оказалось целесообразным выдерживание кольца 1 вне резервуара 2 для погружения после каждого погружения с целью уменьшения температурного градиента между краем и центральной частью кольца 1 за счет выходящего из центральной части кольца тепла. При этом, в частности, температура поверхности может непрерывно измеряться и при достижении определенной максимальной температуры процесс погружения может повторяться. С помощью этого циклического принципа действия уменьшается временная разница при преобразовании структуры между краевой областью и центральной частью кольца 1 и, таким образом, различие в структуре между краем и центральной частью. Кроме того, за счет этого в существенной степени уменьшается опасность разрыва вследствие внутренних напряжений.
Для улучшения закалки на основании резервуара 2 для погружения расположен ряд кольцевых магистралей 11 с концентрически расположенными по отношению друг другу, равномерно распределенными нагнетающими соплами 13. С помощью этих нагнетающих сопел 13 в момент начала процесса погружения охлаждающая жидкость 8 целенаправленно наносится на имеющие кольцевую форму поверхности кольца 1 с максимально высоким давлением. В частности, при использовании воды в качестве охлаждающей жидкости, за счет этого может ускоряться процесс охлаждения, так как не возникает так называемого «эффекта Лейденфроста», который может оказывать определенное изолирующее воздействие на поверхность кольца и ведет к существенному снижению отведенного количества тепла. Отдельные кольцевые магистрали 11 соединены каждая через собственные подводящие линии 12 и запирающие клапаны с внешней, не изображенной нагнетающей системой. За счет этого обеспечивается возможность питания по мере надобности только кольцевой магистрали 11 с соответствующими соплами 13, которая имеет приблизительно тот же диаметр, что и уложенное кольцо 1. На каждой кольцевой магистрали 11 сопла расположены каждое таким образом, что они, с одной стороны, распыляют охлаждающую жидкость на нижнюю поверхность кольца и, с другой стороны, по меньшей мере на обе вертикальные внутренние и внешние поверхности кольца.
На Фиг.2 дополнительно в схематической форме изображен блок 9 индикации, который отображает, с одной стороны, измеренную пирометром 6 излучения температуру кольца 1 и, с другой стороны, заранее заданное блоком 10 управления время погружения в секундах. Дополнительно блок 9 индикации оснащен известной системой оптической сигнализации, которая при зеленом сигнале дает разрешение оператору на начало процесса погружения или запрещает процесс погружения при красном сигнале, так как, например, температура кольца является уже слишком низкой или в установке произошел сбой. Желтый сигнал сообщает оператору о готовности установки к эксплуатации.
Ссылочные обозначения
1. Кольцо
2. Резервуар для погружения
3. Кран для 1
4. Подъемное устройство для 5 и 1
5. Держатель для 1 на 4
6. Пирометр излучения
7. Устройство измерения температуры для 8
8. Охлаждающая жидкость
9. Блок индикации
10. Блок управления
11. Кольцевая магистраль для подвода 8
12. Подводящая линия к 11
13. Нагнетающие сопла на 11