УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕЛЮЩИХ ТЕЛ

Полезная модель относится к черной металлургии и машиностроению, в частности к устройствам для термообработки мелющих тел, получаемых из кокилей. Она может быть использована при производстве мелющих тел в виде шаров, цильпебсов и т.д. для любой стадии измельчения, из преимущественно низколегированных сталей и чугуна.
Известно устройство (а.с. №268469, МПК С21Д 9/06, от 01.07.1968 г.) для охлаждения мелющих тел, содержащее загрузочный лоток, наклонный цепной конвейер, лоток выдачи, лейки, расположенные вдоль конвейера для охлаждения шаров сверху водой, между опорными рамами конвейера установлена наклонная плоскость с роликами, оси которых укреплены в опорах водил, связанных с цепями, а на раме конвейера укреплены плоские самоустанавливающиеся грузы, опирающиеся на ролики для сообщения или дополнительного вращения.
Устройство усложнено элементами перемещения мелющих тел -шаров; скорость перемещения не регулируется; за счет вращения и охлаждения водой мелющие тела имеют более высокую твердость на поверхности, чем в сердцевине, что ограничивает эксплуатационную возможность мелющих тел поверхностным слоем; равномерность твердости мелющих тел по сечению не обеспечивается.
Решетчатая поверхность выполняет только функцию элемента, увеличивающего трение мелющих тел с этой поверхностью и способствующего продвижению мелющих тел вверх к зоне охлаждения.
Резкий перепад температуры при прохождении по конвейеру мелющих тел, за счет кратковременного охлаждения на воздухе, а затем водой, приводит к необходимости снятия, затем, больших напряжений в мелющих телах на поверхности и на границе перехода от закаленного слоя к сердцевине.
Известно устройство для охлаждения шаров, в том числе для шаров, используемых для шаровых мельниц (а.с. №729262, МПК С21Д 9/36, от 09.03.76 г.), содержащее загрузочный бункер и разгрузочный лоток, соединенные с транспортировочным устройством закалочного бака, выполненного в виде коаксиально расположенных труб, транспортирующее устройство - в виде электромагнитных катушек, создающих бегущее магнитное поле и размещенных в пространстве между трубами.
Устройство малоэффективно для мелющих тел, имеющих отличную от сферической формы (цильпебсы, цилиндры и т.д.), энергозатратно и малопроизводительно, т.к. мелющие тела (особенно больших размеров) очень медленно будут перемещаться по горизонтальной части трубы, а по вертикальной - могут, скорее всего, вернутся в горизонтальную часть трубы. Мощная система электромагнита представляет опасность для обслуживающего персонала и окружающей среды, а слабая - не будет перемещать мелющие тела. Охлаждение мелющих тел в бункере до температуры точки Кюри в воде в этом устройстве не гарантирует достижение этой температуры у всех мелющих тел и следовательно не все они подвержены в трубах воздействию электромагнитного поля. Устройство рассчитано на закалку, т.е. увеличение твердости только поверхностного слоя.
Не гарантирует получение изделий с высоким процентом выхода годного, т.к. система охлаждения не позволяет регулировать стадии структурного превращения в процессе охлаждения.
В качестве прототипа выбрано устройство (а.с. №1425230, МПК С21Д 9/36, от 27.01.86 г.), как наиболее близкое по технической сущности, так и положительному эффекту. Оно содержит подающий желоб, наклонный конвейер и транспортирующий механизм с несущим органом, закрепленным на приводном валу и размещенным в ванне с водой. Транспортирующий механизм выполнен в виде неподвижной платформы с обечайкой, установленной перпендикулярно приводному валу и снабженной отводящим желобом, а несущий орган - в виде крыльчатки с криволинейными лопастями, закреплен на валу над неподвижной платформой, при этом вал установлен под углом 2-15° к вертикали и вращается в верхней и нижней подшипниковых обоймах.
Устройство функционально и конструктивно ограничено. Оно решает задачу
- повышения качества закалки, т.е. рассчитано на повышение эксплуатационных свойств только поверхности мелющих тел.
Производительность невысока, т.к. транспортирующий механизм перемещает по одному мелющему телу между двух лопастей крыльчатки, к тому же устройство работает при постоянно открытом сквозном радиальном отверстии, куда сбрасываются через небольшой промежуток времени (времени закалки) по одному мелющему телу на отводящий желоб, что усложняет охлаждение в нем мелющих тел с заданной структурой первой стадии превращения, с малыми скоростями охлаждения, с получением высоких эксплуатационных свойств в объеме мелющего тела, с минимальной разницей по сечению тела данных о твердости, износостойкости, удароустойчивости и, следовательно, ограничивает технологические и функциональные возможности устройства. Используемая охлаждающая среда - вода функционирует как охлаждающая под закалку поверхности мелющих тел. Следовательно, данные по твердости разнятся значительно (поверхностная и объемная твердости - HB на 15, а по сечению - на HB 100), что ограничивает его эксплуатационные возможности в пределах поверхностного слоя.
Транспортирующий механизм предполагает, что охлаждаемые мелющие тела должны быть ограничены малым размером. Больший размер мелющих тел неподъемен для предлагаемых лопастей крыльчатки этого устройства.
Задачей изобретения является расширение возможностей технологических и функциональных с получением структуры первой стадии превращения, позволяющей получить мелющие тела с заданными эксплуатационными свойствами, согласно группы (1-4 группы) по всему объему изделия с минимальным по сечению изделия разбросом данных по свойствам.
Технический результат достигается тем, что как и известное устройство для охлаждения мелющих тел, содержащее подающий желоб, транспортирующий механизм, включающий вращающийся приводной вал, установленный в подшипниковых обоймах под углом к вертикали, неподвижную платформу с радиальным сквозным отверстием, обечайку, отводящий желоб под радиальным сквозным отверстием, несущий орган - крыльчатку с криволинейными лопастями, закрепленный на вращающемся приводном валу над неподвижной платформой и параллельно ей, конвейер, накопительную емкость, систему охлаждения, согласно изобретению, оно снабжено задвижкой Т-образной формы в сечении, размещенной заподлицо с поверхностью неподвижной платформы, а сквозное радиальное отверстие в ней выполнено в виде паза, соответствующего Т-образному сечению задвижки, при этом задвижка выполнена длиннее паза - под захват, система охлаждения расположена над транспортирующим механизмом и включает корпус в виде купола с приточно-вытяжной вентиляцией, где приточная часть выполнена в виде закрепленных в отверстиях в нижней части купола два ряда сопел, под охлаждающе-нейтрализующую среду - углекислый газ, и закрепленного в отверстиях над ним ряда сопел под охлаждающую среду - сухой сжатый воздух, сопла установлены под углами к охлаждающим поверхностям с обеспечением защиты от обезуглероживания мелющих тел, медленного охлаждения до среднемассовой температуры точки Кюри в объеме тел, а вытяжная часть вентиляции выполнена в виде теплогазоотводного канала с вентилятором в нем в верхней части купола, в корпусе выполнен сквозной паз под подающий желоб, конвейер выполнен с решетчатым полотном на поверхности и постоянными магнитами, дискретно размещенными на решетке полотна, с ограничителями вдоль конвейера по бокам решетчатого полотна, у торцевой поверхности конвейера установлен сбрасыватель мелющих тел в накопительную емкость, выполненный в виде желоба, над конвейером установлена система охлаждения мелющих тел сжатым воздухом, состоящая из коллектора с соплами, направленными перпендикулярно поверхности конвейера.
Отводящий желоб над конвейером выполнен с гибкой торцевой частью, с возможностью функционирования как упор для кратковременного сбора мелющих тел в желобе.
Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показал, что заявляемое устройство отличается новизной элементов, взаимосвязью элементов, функциональными возможностями. Неподвижная платформа выполнена с радиальным сквозным пазом, в который вставлена задвижка, позволяющая использовать платформу для значительно большего количества мелющих тел при их охлаждении (28-30 шт.) за один прием, чем предложено в прототипе (по одному между лопастями или 8 шт. в сумме), что повышает производительность устройства. К тому же выполнение задвижки Т-образной формы и большей длины, чем длина радиального сквозного паза позволяет заподлицо закрыть отверстие и не мешать перемещению мелющих тел по неподвижной платформе на заданное число оборотов, пока не будет достигнута температура мелющих тел точки Кюри для получения ферромагнитных свойств телами для использования магнитов при перемещении в дальнейшем мелющих тел по конвейеру.
По прототипу может быть совершено только «пошаговое» смещение лопастей и мелющие тела сбрасываются в очередной раз в отверстие. Но такое возможно только при закалке в воде (при скорости охлаждения 450°-600°C).
Заявляемое же устройство охлаждает мелющие тела на малых скоростях - 5°-10°C и получает заданные свойства изделия с минимальным разбросом (1-2 единиц по твердости) на поверхности и в сердцевине, но без разброса между поверхностью и сердцевиной, и не только за счет возможности охлаждать без резкого перепада температур, но и за счет охлаждающей среды, в качестве которой используют сухой сжатый воздух и углекислый газ. Подают их не в смеси, а по - отдельности, т.к. они выполняют разные роли: из сопел из первого (нижнего) ряда на куполе подают углекислый газ для защиты от обезуглероживания поверхности мелющего тела и вытеснения кислорода; из сопел второго (верхнего ряда) в куполе подают сухой сжатый воздух для охлаждения с более медленной скоростью, чем в прототипе (избегая закалку, охрупчивание материала), создают нейтральную среду под куполом охлаждающей системы (сухой сжатый воздух не имеет водной - окисляющей компоненты, сухой воздух инертен, т.к. состоит в основном из азота - 78%). Транспортирующий механизм в заявляемом устройстве, по сравнению с прототипом, более надежен в эксплуатации, долговечен (отсутствие в качестве охлаждающей среды - воды, как в прототипе, постоянный контакт с которой, и высокой температурой, выделяемой мелющими телами, приводит к быстрому окислению элементов устройства и, соответственно, сокращению срока их службы).
Куполообразная система охлаждения позволяет дольше сохранить и направленно воздействовать на поверхность и в объеме мелющих тел, крыльчаткой перемещаемых и поступающих из кокиля (~20-30 шт.), охлаждающей газовой средой, т.к. реализуется схема приточно-вытяжной системы охлаждения, заданной регулируемой подачи и отвода из нее газа и тепла. Включение охлаждающей среды в куполе до поступления мелющих тел из кокиля сохраняет транспортирующий механизм (крыльчатку) и платформу с приводным валом от перегрева.
Наличие паза в куполе под отводящий желоб решает проблему их сосуществования до и после процесса охлаждения мелющих тел. Купол возможно компактнее и легче размещать над транспортирующим механизмом, например (не показан) за счет шарнира. Обечайка обеспечивает неподвижность платформе и угол наклона для эффективного перемещения охлаждаемых мелющих тел, не только за счет работы крыльчатки. Отводящий желоб, закрепленный под радиальным сквозным пазом в данном устройстве может расширить свои возможности. Поскольку мелющие тела необходимо охладить в транспортирующем механизме до температуры Кюри, т.е. температуры, когда они приобретают ферромагнитные свойства, то отводящий желоб может быть датчиком этого состояния, если к нему снизу прикрепить постоянный магнит (на период контроля).
В случае, если температура выше заданной, мелющие шары первой партии, выпавшей из радиального паза, пройдут на конвейер без задержки. Следовательно, можно остальную часть мелющих тел, размещенную между лопастями задержать, закрыв задвижку и продолжить охлаждение, вернув и тела на конвейере на доохлаждение. Возможен вариант доохлаждения до этой температуры, если охлаждение продолжится в отводящем желобе, переведенном в ранг накопительной емкости - выходной торцевой частью выполненной в виде откидного гибкого упора. Тем более, что система охлаждения подключается над конвейером до начала поступления мелющих тел на конвейер.
Конвейер выполнен с решетчатым полотном на поверхности, позволяющем отводить тепло сквозь него от мелющих тел, из под них эффективно и равномерней. Ограничители по бокам конвейера обеспечивают сохранность мелющих тел в пределах конвейера, а постоянные магниты, размещенные дискретно на решетчатом полотне, обеспечивают постоянное перемещение тел от полюса к полюсу в режиме броуновского движения и периодически - находясь на решетчатом полотне, что усиливает эффект охлаждения по всей поверхности и в объеме мелющих тел. Об этом эффекте свидетельствуют экспериментальные данные по твердости, износостойкости, удароустойчивости.
Мелющие тела на конвейере охлаждаются постоянно, со скоростью, задаваемой давлением и скоростью подачи сухого сжатого воздуха из сопел охлаждающей системы на поверхность мелющих тел и теплоотвода от них и в объеме до заданной среднемассовой температуры, равной 350°C, обеспечивающей в мелющем теле прекращение структурных превращений. Эта температура к тому же позволяет их доохлаждать в накопительной емкости без изменения свойств материала на воздухе. В накопительную емкость - бункер, все мелющие тела попадают с конвейера, не задерживаясь на постоянных магнитах на решетчатом полотне, т.к. у торцевой поверхности конвейера установлен сбрасыватель в виде желоба, отрывающего мелющие тела, если необходимо, и, естественно, из материала не обладающего ферромагнитными свойствами.
Суммарно процесс охлаждения в заявляемом устройстве рассчитан на получение структуры превращения в мелющих телах, ограниченной первой стадией (т.е. получением структуры - перлитно-цементитной с графитом,) обеспечивающей оптимальное сочетание упруго-пластических свойств мелющих тел и, следовательно, заданный уровень эксплуатационных свойств в соответствии с требованием по группе, уровню износостойкости, удароустойчивости и твердости во всем объеме изделия (для возможности максимального его использования по сечению).
- На фиг. 1 схематически показано устройство, общий вид.
- На фиг. 2 схематически показана неподвижная платформа со сквозным радиальным пазом и задвижкой в нем, вид сверху.
- На фиг. 3 показана Т - образная задвижка в радиальном пазу в сечении, вид сбоку.
- На фиг. 4 показан отводящий желоб, выполненный с гибкой торцевой частью, вид сверху.
- На фиг. 5 показан отводящий желоб с гибкой частью, функционирующий в качестве упора для задержки мелющих тел, общий вид.
- На фиг. 6 схематически показан конвейер с решетчатым полотном на поверхности, постоянными магнитами и ограничителями вдоль, общий вид.
- На фиг. 7 - неподвижная платформа с крыльчаткой над ней.
Устройство представляет собой агрегат, содержащий: два узла транспортирования мелющих тел от кокиля до накопительной емкости, две системы охлаждения, с возможностью шарнирного закрепления над узлами транспортирования мелющих тел, подающий и отводящий желоба, желоб-сбрасыватель (фиг. 1).
2
Подающий желоб (1) размещен над транспортирующим механизмом, включающим: неподвижную платформу (2) с радиальным сквозным пазом (3) задвижкой (4) и Т-образной формы в нем, соответствующей пазу, размещенной заподлицо с поверхностью платформы за счет вертикальной составляющей Т-образной формы задвижки, при этом длиной, превышающей длину радиального сквозного паза, (превышающая часть длины функционирует в качестве захватной части при открытии и закрытии сквозного паза) (фиг. 2, 3); обечайку (5), удерживающую неподвижно платформу, отводящий желоб (6) (фиг. 4), под платформой над радиальным сквозным пазом (3), выполнен с гибкой торцевой частью (6′) (фиг. 5), с возможностью функционировать при необходимости в качестве упора для сбора мелющих тел, а отводящего желоба - временно в качестве накопительной емкости; приводной вал (7) закреплен под углом к горизонтали в подшипниковых обоймах (8), (9); нижняя обойма (8), в фундаменте закреплена неподвижно или с возможностью перемещения (не показано) к кокилям; несущий орган - крыльчатку (10) с криволинейными лопастями (11), закрепленную на валу над неподвижной платформой (2) перпендикулярно приводному валу и, соответственно, параллельно неподвижной платформе; охлаждающую систему: корпус куполообразный (12) со сквозным продольным пазом (13) - под подающий желоб (1), отверстиями (14, 15) в два ряда по окружности под сопла (16) - для углекислого газа, под сопла (17) - для сжатого воздуха, размещенные под углом к поверхности крыльчатки, обеспечивающим интенсивное, равномерное охлаждение по сечению охлаждающего тела сухим сжатым воздухом, и воздействие углекислым газом (CO) - защищающий от обезуглероживания и окисления мелющие тела, а также с отверстием (18) в верхней части купола - под теплогазоотводный канал (19) - для вывода с заданной скоростью из-под купола, от поверхности мелющих тел горячего воздуха и углекислого газа вентилятором (20). Под отводящий желоб (6) подведен конвейер (21) (фиг.6), на поверхности которого закреплено решетчатое полотно (22), на котором дискретно закреплены плоские постоянные магниты (23), а по бокам вдоль конвейера закреплены ограничители (24) для предотвращения выпадения мелющих тел с конвейера; над конвейером установлена система охлаждения сжатым воздухом мелющих тел, состоящих из коллектора (25) с соплами (26), направленными перпендикулярно поверхности конвейера. Торцевая часть конвейера 9270 контактирует со сбрасывателем (28), выполненным в виде желоба, по которому мелющие тела поступают в накопительную емкость (29). Неподвижная платформа и крыльчатка на ней выполнены в виде наборов, отличающихся размерами 9 фиг. 7-9).
Устройство работает следующим образом.
2
Скомпоновано устройство. Включают систему охлаждения. По коллектору (не показано), из установленных в корпусе (12) в нижнем ряду в отверстиях (14), сопел (16), подают под давлением углекислый газ (CO) в количестве, обеспечивающем мелющим телам защиту от обезуглероживания, а по другому коллектору (не показан), из, установленных в корпусе (12) в верхнем ряду в отверстиях (15), сопел (17) подают под давлением сухой сжатый воздух, с заданной скоростью охлаждения поверхности и в объеме мелющих тел до температуры точки Кюри и появления ферромагнитных свойств в мелющих телах, а также для последующего регулируемого проведения структурных превращений до второй стадии на конвейере.
Мелющие тела (30) из кокилей (31) с температурой 800°-900°C попадают на подающий желоб (1), расположенный над неподвижной платформой (2), и направляются к крыльчатке (10) в промежуток между криволинейными лопастями (11) на поверхность неподвижной платформы (2) (фиг. 1). При этом, радиальный сквозной паз (3) закрыт заподлицо с поверхностью неподвижной платформы задвижкой (4) Т-образной формы (фиг. 2, 3). Одновременно с этим, приводится во вращение приводной вал (7) с крыльчаткой (10) с помощью двигателя (не показан), соединенного с редуктором (не показан)и шкивами (не показаны).
Приводной вал вращается в подшипниковых обоймах (8, 9). За счет того, что приводной вал (7) установлен под углом к горизонтали, как и неподвижная платформа и крыльчатка (соответственно), крыльчатка (10) между криволинейными лопастями (11) перемещает мелющие тела снизу вверх и сверху вниз по сложной траектории со скоростью, обеспечивающей равномерный съем тепла с поверхности мелющих тел и во всем объеме тела, в режиме охлаждения со скоростью 5°-10°C/с. За счет того, что радиальный сквозной паз (3) закрыт задвижкой (4) Т-образной формы и заподлицо с поверхностью неподвижной платформы (2), время вращения крыльчатки, перемещение мелющих тел между лопастями (11) и время охлаждения не лимитировано и зависит от размера мелющих тел (чем крупнее, тем дольше). Вытяжная вентиляция в верхней части купола (12) способствует быстрому и регулируемому уносу тепла от поверхности мелющих тел в отверстие (18) теплогазоотводного канала (19) вентилятором (20) в этом канале. По достижению в мелющих телах температуры точки Кюри, Т-образной формы задвижку (4), выдвигают за удлиненную часть и открывают радиальный сквозной паз (3).
Крыльчатку вращают, мелющие тела через радиальный паз (3) сбрасываются в отводящий желоб (6) (фиг. 4, 5) и они поступают на конвейер (21), на решетчатое полотно (22) (фиг. 6) с постоянными магнитами (23), дискретно размещенными на его поверхности.
При движении конвейера, мелющие тела двигаются от магнитов на решетку и обратно. При этом, ограничитель (24), закрепленный вдоль конвейера по бокам решетчатого полотна, не позволяет мелющим телам выпасть за пределы конвейера. Систему охлаждения мелющих тел на конвейере, включают до - или в момент начала поступления мелющих тел на конвейер. Для этого, сверху, через коллектор (25) в сопла(26) поступает сухой сжатый воздух на поверхность конвейера, и мелющие тела свободно перемещаются от магнита к магниту и по решетчатому полотну, с регулируемой скоростью охлаждаются, до среднемассовой температуры 350°C (со скоростью ~5°-10°C/с) и при этом происходит охлаждение равномерно по поверхности - из-за точечного контакта тела (шар, цильпебс) и эффективно - из-за отвода тепла сквозь решетчатое полотно конвейера. По достижении среднемассовой температуры 350°C, структурные превращения в стали или чугуне завершаются на заданной первой стадии, позволяющей получить изделия с заданной эксплуатационной твердостью, износостойкостью и удароустойчивостью даже низколегированными материалами. Далее, мелющие тела с торцевой поверхности (27) конвейера снимаются сбрасывателем (28) в виде желоба (не позволяя им оставаться на магнитах, и перемещаться вновь, по второму кругу по конвейеру) и поступают в накопительную емкость (29).
Данные опытных исследований показали, что применение предлагаемого устройства позволяет получить выход годного изделия - 90%, твердость мелющих тел (цильпебсов, в зависимости от типоразмера) составляла: поверхностная до HRC 56-58 ед. (HB 577-615 ед.) сердцевины - до HRC 56-58 ед. (⌀ цильпебса 18 мм.); HRC 55-57 ед. (НВ 560-595 ед.) поверхностная и 55-57ед. - сердцевины (⌀ цильпебса 25 мм.) и HRC-55-57 - поверхностная, HRC 55-57 - сердцевины (⌀ 32 мм.), т.е. разброс в пределах 1-2 единицы по поверхности или в сердцевине, но с отсутствием разницы между поверхностной твердостью и сердцевинной. Удароустойчивость испытываемых мелющих тел (в процентах) составила 99,1-99,8%. Мелющие тела по известной методике показали высокую удароустойчивость до 8-9 ударов, износостойкость - 0,02-0,09, в зависимости от размера мелющих тел. Состав литых чугунных мелющих тел: C - 3,3-3,7%; Si - 0,8-1,2%; Cr - 1,8-2,5%; Mn - 0,5-1,0%.
Заявляемое устройство имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества:
1) Оно ново. Оно решает поставленную задачу более широко в функциональном и техническом плане;
2) Оно позволяет регулировать охлаждение мелющих тел с 900°C, поступающих с кокиля, с получением структуры превращения в пределах первой стадии превращения, что стабилизирует свойства мелющих тел по всему объему изделия на уровне, заданном ГОСТом по группам эксплуатации (1-4 группы - износостойкие - удароустойчивые; малого и большого размера).
3) Используемая охлаждающая среда позволяет избежать окисления и обезуглероживания поверхности мелющих тел и, следовательно, повысить качество изделий, количество и степень их годности, при изготовлении кокильным методом.
4) Возможность охлаждения мелющих тел, подаваемых с кокиля в устройство, до среднемассовой температуры - 350°C, позволяет избежать напряжений в изделии, отрицательно влияющих на удароустойчивость в процессе эксплуатации.
5) Охлаждающие системы над конвейером и транспортирующим механизмом, предполагает их шарнирное закрепление откидного типа, что упрощает эксплуатацию устройства и его ремонтопригодность.
6) Устройство промышленно применимо, т.к. не вводит новых материалов для его функционирования. Проверен в эксплуатационных условиях и дало стабильные результаты, позволяющие полностью решать поставленную задачу.
2
7) Наличие охлаждающей системы над транспортирующим механизмом в виде приточно-вытяжной системы, позволяет устройству быть экологически безопасным, т.к. теплогазоотводящий канал может вывести двууглекислый газ (СО) в воду, которая в неограниченном количестве растворяет его. Охлаждающая открытая система устройства над конвейером с использованием сухого сжатого воздуха, тем более экологически не представляет угрозы окружающей среде и проста в исполнении, позволяя производить теплообмен в рабочем помещении, где установлено оборудование, за счет до выделения сухого тепла, если необходимо, от мелющих тел на конвейере и в накопительной емкости.