СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОЧИСТКИ ОТ ОКАЛИНЫ ДВИЖУЩЕГОСЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПРОДУКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF LASER CLEANING FROM SCALE OF MOVING METAL PRODUCT AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Настоящее изобретение относится к удалению слоя окислов, который покрывает металлический продукт, в частности, выполненный из стали, после того как последний подвергался воздействию окислительной среды в отношении некоторых его компонентов, например, после пребывания в печи для термообработки.
Настоящее изобретение может использоваться, например, для полос и листов из нержавеющей стали всех категорий (аустенитной, ферритной, аустенитно-ферритной и т.д.), неподвижных или движущихся, изготавливаемых горячей или холодной прокаткой и горячей или холодной формовкой. Однако следует понимать, что изобретение этим не ограничивается, и что изобретение может относиться к другим металлам, в отношении которых возникают технические проблемы, сходные с проблемами, встречающимися при обработке полос и листов из нержавеющей стали, в частности, к различным классам углеродистых сталей и к специальным сплавам, в частности, железным сплавам. Оно также может относиться к продуктам, которые не являются полосами или листами, например, к проволоке и трубам со сваркой и без сварки, с модификациями описанных устройств, которые являются очевидными для специалиста в этой области.
Как правило, листы и полосы из нержавеющей стали подвергаются обработке, которая ведет к образованию на их поверхностях слоя нежелательных окислов при высоких температурах в контакте с окисляющей средой, такой как воздух. Эти окислы имеют состав, который значительно варьируется на основании состава основного металла и условий их образования. Чаще всего преобладают окислы Fe, Cr, Mn и Si.
Указанная обработка, которая ведет к образованию окислов, как правило, но не ограничительно, включает в себя операции повторного нагрева, которым подвергается полуфабрикат (брусок, сляб, блюм, болванка) до того, как он подвергается горячей прокатке, и остается на открытом воздухе после горячей прокатки, различные операции отжига при температуре несколько сот градусов, которым подвергаются полоса или лист перед и/или во время и/или после цикла холодной прокатки (последний выполняется за один или несколько этапов, некоторые из которых могут разделяться промежуточным отжигом), если эти операции отжига выполняются в атмосфере, которая не является абсолютно инертной или восстановительной. Эти нежелательные окислы, разумеется, должны быть удалены до того, как лист или полоса станут годным к применению продуктом или полуфабрикатом, подготовленным к окончательным операциям формования с целью получения годного к применению продукта. Также зачастую важно удалить эти окислы перед первым этапом холодной прокатки во избежание их укатывания в поверхность полуфабриката во время прокатки и образования некачественной поверхности.
Следует понимать, что вышеупомянутый слой нежелательных окислов не является мелкозернистым слоем на основе окиси Cr (так называемым «пассивным слоем»), который образуется самопроизвольно на воздухе и при комнатной температуре на поверхности нержавеющих сталей и защищает их от окисления. Слой окислов, который создает проблемы и который желательно устранить, является слоем, который образуется, когда полоса остается при высокой температуре в окисляющей атмосфере. Сразу после удаления этого слоя поверхность нержавеющей стали становится незащищенной, и пассивный защитный слой окислов Cr может образовываться повторно, быстро и самопроизвольно, снова делая сталь нержавеющей в обычных условиях использования.
Использование механического удаления окалины с помощью дробеструйной обработки (выбрасывание твердой дроби на поверхность, подлежащую обработке) и/или окалиноломателя (прохождение полосы между парами валков, которые вынуждают ее работать на изгиб, сжатие и растяжение) позволяет окислам легко растрескиваться и позволяет легко удалять, например, с помощью щеток, большую часть окислов, но является недостаточным для полного их удаления. Дробеструйная обработка также имеет недостаток, состоящий в увеличении шероховатости поверхности, причем операции, которым в дальнейшем подвергаются лист или полоса, не всегда позволяют исправить указанный недостаток, когда он является нежелательным.
Наиболее традиционным является удаление нежелательного слоя оксида, используя способ химической или электролитической очистки или серию таких операций очистки.
Химическую очистку выполняют в одной или нескольких фтористоводородных, соляно-кислотных, сернокислых или азотнокислых ваннах. Электролитическую очистку обычно выполняют в сульфатно-натриевой ванне или кислотной ванне (азотной или сернокислой).
Эти операции удаления окалины ведут к получению полосы или листа, имеющим чистовую обработку поверхности, которую обычно классифицируют по различным категориям в соответствии со стандартами:
- 1D Finish для продуктов, подвергаемых горячей прокатке, отжигу и очистке, как правило, химической очистке; механическая очистка (окалиноломатель, дробеструйная обработка), как правило, также используется перед химической очисткой;
- 2B Finish для продуктов, подвергаемых отжигу, как правило, электролитической и химической очистке и дрессировке (в дрессировочном прокатном стане, который улучшает плоскостность полосы и уменьшает ее шероховатость с небольшим обжатием по толщине продукта, по существу, приблизительно несколько процентов);
- 2D Finish для холоднокатаных продуктов, подвергаемых отжигу и очистке без дрессировки;
- 2E Finish для холоднокатаных продуктов, подвергаемых отжигу, дробеструйной обработке и очистке без дрессировки.
Химическая очистка является наиболее радикальным способом удаления нежелательных окислов. Однако она имеет много недостатков.
Химическая очистка требует расходования большого количества кислоты с очень низкими возможностями для регенерации ее части для последующего повторного использования.
Инфраструктура, необходимая для выполнения химической очистки, а именно, последовательно расположенные ванны для очистки и т.п., является дорогостоящей и громоздкой. Нередко бывает так, что устройства для химической очистки движущихся полос имеют длину приблизительно 200 м.
x
В этих устройствах используются вредные продукты, такие как фтороводородная кислота. Их жидкие и твердые вредные отходы (шлам, содержащий окислы, смешанные с травильными растворами) должны храниться и перерабатываться в соответствии с жесткими нормативными требованиями, степень строгости которых в будущем будет только увеличиваться, что связано с большими затратами. Кислотные ванны при нагреве также выделяют кислотные пары, которые подлежат нейтрализации. Азотная кислота также является источником No, выбросы которых подлежат улавливанию и обработке.
Также используются способы электролитической очистки, которую выполняют при погружении полосы или листа в ванну, как правило, с основой, состоящей из сернокислого натрия или азотной или серной кислоты, которые также подлежат переработке после использования. Электролитическая очистка требует использования достаточно дорогостоящего устройства, потребляющего довольно большое количество электроэнергии. Она может завершаться химической очисткой с использованием кислоты в менее агрессивной среде по сравнению с отдельной химической очисткой, но которая имеет недостатки такого же типа, как описано выше. Электролитическая очистка также образует шлам, который подлежит хранению и переработке. Используемые ванны также подлежат переработке. Переработка шлама и ванн является менее дорогостоящей, вредной и сложной, чем в случае химической очистки в кислотных ваннах, но, тем не менее, также накладывает весьма значительные ограничения на использование указанного способа.
И, наконец, присутствие шестивалентного хрома в травильном растворе представляет основной риск для здоровья персонала и состояния окружающей среды: уровень его содержания в жидкостях и воздействие на персонал измеряются и отслеживаются.
В силу вышесказанного были проверены возможности замены, по меньшей мере, в некоторых случаях, химической или электролитической очистки металлических продуктов способами с использованием лазера. В классической работе «Лазерная очистка» (Борис Лукьянчук, декабрь, 2002 г., ISBN: 978-982-02-4941-0) упоминаются такие возможности, в частности, для очистки произведений искусства и зданий (в частности, в главе 2 «Обзор экспериментальных исследований в лазерной очистке загрязнений с поверхности») и, следовательно, для очистки писчебумажных материалов относительно небольших размеров. Излучение лазера проецируется на поверхность, подлежащую очистке, и вызывает отделение слоя окислов.
Таким образом, можно исключить использование кислот и/или сульфатов, и не предусматривается никаких вредных переработок загрязняющего шлама и жидкостей. Необходимо только собрать отделившиеся окислы, например, посредством всасывания, и существует возможность их переработки, предпочтительно используя сухой способ, для восстановления металлов, которые они содержат, и их использования. Улучшается безопасность окружающей среды в производственном помещении. Вся операция очистки поверхности, используя лазер, также имеет улучшенный единый энергетический баланс по сравнению с мокрым способом (химическим и/или электролитическим), в частности, при условии, что стоимость электроэнергии для работы лазеров не очень высокая, в частности, по отношению к тому, что необходимо для электролитической очистки от окалины. Устройство может быть значительно более компактным, чем устройство для очистки, содержащее несколько последовательно установленных ванн, что дает явные преимущества в отношении стоимости общестроительных работ во время монтажа устройства. Если используются импульсные волоконные лазеры, можно направлять большие количества энергии в очень короткий период времени с высокой частотой в широком автономном режиме, при этом срок службы таких лазеров может достигать нескольких лет без специальных профилактических работ.
2
Однако использование существующих технологий связанных с CO-лазерами, эксимерными лазерами или ND:YAG-лазерами, не позволяет получить оптимальные результаты на движущихся полосах или листах промышленного формата из-за технического обслуживания большого объема, рабочего режима лазеров, который является непрерывным или использует слишком длинные импульсы, и чрезмерных эксплуатационных расходов из-за количества используемых лазеров с учетом высокой скорости движения существующих линий. Кроме того, предложенные решения являются решениями, предполагающими однородное состояние поверхности по ширине и длине полосы (см. документ EP 0 927 595-A1) и, чаще всего, постоянную скорость движения. Если бы скорость движения одной и той же полосы изменялась по конкретной причине, инерционные свойства машин и, в первую очередь, инерционные свойства печи, обусловливали бы модификацию (толщины и/или природы) слоя окислов. Даже если принять во внимание, что природа и толщина слоя окислов, подлежащего удалению, известна заранее, они в дальнейшем модифицируются, и адаптация частоты или энергии импульсов на основании скорости действует только в случае, если не происходит изменений в слое окислов (что, как правило, не имеет места). И наконец, скорости линии достигают величины приблизительно 100–150 м/мин. Если требуется удалить окалину с полосы шириной 2 м, движущейся с указанной скоростью, существующие сканеры, сканирующие поверхность, ограничиваются скоростью их двигателей, которая намного ниже скорости, которая необходима, чтобы исключить сканирование на очень небольшом расстоянии, в результате чего требуется сотни лазеров по ширине листа. Например, в случае использования Nd:YAG-лазера с длиной волны 1064 нм, передающего импульсы 1 мДж и имеющего размер пятна 0,120 мм на сторону, если требуется, чтобы во время удаления окалины по меньшей мере один лазерный импульс достиг всей обрабатываемой области, сканер должен вернуться в исходную точку, когда полоса перемещается на 0,120 мм, и устройство должно содержать сотни лазеров.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство для очистки от окалины металлических продуктов, в частности, в форме полос, движущихся с рулонов холоднокатаных и горячекатаных листов, прутков, проволок или труб со сваркой или без сварки, позволяющее наилучшим образом использовать возможности лазерной очистки от окалины этих металлических продуктов в промышленном масштабе. Это устройство должно быть максимально универсальным, что позволит ему обрабатывать продукты, изготовленные из сталей с различными составами, различными состояниями окисления, различными форматами и толщинами (для полос и листов), причем продукты должны быть способны двигаться в устройстве для лазерной очистки от окалины с различными скоростями.
С этой целью изобретение относится к способу очистки от окалины движущегося металлического продукта, имеющего слой окислов на поверхности; причем указанный способ использует очистку от окалины с помощью лазера, характеризующийся тем, что:
- по меньшей мере один первый лазер с длиной волны, равной длине волны лазеров, используемых для удаления окалины, или предпочтительно группа таких первых лазеров, каждый из которых направляет луч, который отражается от окисленной поверхности продукта, подлежащего очистке от окалины, причем указанные лучи, отражаемые окисленной поверхностью, принимаются датчиками, которые передают информацию, которую они собирают, в блок обработки;
- блок обработки, который рассчитывает поглощение луча поверхностью продукта на основе информации, собранной датчиками, выводит посредством этого излучательную способность окисленной поверхности металлического продукта в направлении указанных отраженных лучей и устанавливает соотношение между этой излучательной способностью и информацией по исходным данным, предварительно записанной в блок обработки;
- по меньшей мере один второй лазер или предпочтительно группа таких вторых лазеров, каждый из которых направляет импульс на поверхность продукта для удаления с него окалины, причем пятна указанных импульсов указанных лучей покрывают всю поверхность, подлежащую очистке от окалины, используя оптическое и/или механическое сканирование, перемещающее в боковом направлении пятна лучей на поверхности продукта, или оптическую систему, преобразующую пятна в линии, причем указанный второй лазер или лазеры управляются блоком управления, принимающим информацию, обеспечиваемую блоком обработки, что позволяет определить рабочие параметры, передаваемые указанным вторым лазерам для удаления окалины с поверхности продукта, сравниваемые с экспериментальными результатами, предварительно записанными в блок управления; и
- средства для контроля очищаемой от окалины поверхности продукта, проверяющие эффективность удаления окалины посредством обнаружения участков, которые не были очищены от окалины или были очищены от окалины неудовлетворительно.
2
Плотность энергии в пятне каждого импульса указанного по меньшей мере одного второго лазера может составлять 1–20 Дж/см.
Информация, предварительно записанная в блок обработки, может включать в себя состав продукта и измеренную или оцененную шероховатость его поверхности.
После удаления окалины и перед контролем поверхности существует возможность удаления счищенных окислов с поверхности продукта, например, посредством всасывания и/или щетками.
После контроля поверхности продукта существует возможность выполнения дополнительного удаления окалины с продукта, по меньшей мере, на участках, где проверка показала, что удаление окалины вторым лазером или лазерами было недостаточным.
Указанное дополнительное удаление окалины может выполняться по меньшей мере одним третьим лазером или группой таких третьих лазеров в соответствии с информацией, обеспечиваемой указанными средствами контроля поверхности.
Существует возможность проверки с помощью вторых средств контроля, таких как оптические средства, эффективности указанного дополнительного удаления окалины.
После дополнительного удаления окалины и, по усмотрению, обнаружения с помощью вторых средств контроля участков, неполностью очищенных от окалины, продукт может быть направлен по меньшей мере в одну ванну для химической или электролитической очистки.
Указанное дополнительное удаление окалины также можно выполнять, используя по меньшей мере одну ванну для химической или электролитической очистки.
Указанный движущийся металлический продукт может быть полосой или листом, и удаление окалины выполняется с обеих сторон указанной полосы или листа.
Изобретение также относится к устройству для лазерной очистки от окалины движущегося металлического продукта, содержащему:
- по меньшей мере один первый лазер с длиной волны, равной длине волны лазеров, используемых для удаления окалины, или предпочтительно группу таких первых лазеров, каждый из которых направляет луч, который отражается от окисленной поверхности продукта, подлежащего удалению окалины, и датчики, которые принимают лучи, отражаемые указанной окисленной поверхностью и передают информацию, которую они собирают, в блок обработки;
- блок обработки, который рассчитывает поглощение луча поверхностью продукта из информации, собранной датчиками, выводит излучательную способность окисленной поверхности металлического продукта и устанавливает соотношение между этой излучательной способностью и информацией по исходным данным, предварительно записанной в блок обработки;
- по меньшей мере один второй лазер или предпочтительно группу таких вторых лазеров, каждый из которых направляет луч на поверхность продукта для удаления с него окалины, причем пятна указанных лучей способны покрывать всю поверхность, подлежащую очистке от окалины, используя оптическую и/или механическую системы сканирования, перемещающие в боковом направлении пятна лучей на поверхности продукта, или оптическую систему, преобразующую пятна в линии, и блок управления, управляющий указанным вторым лазером или лазерами и принимающий информацию, обеспечиваемую блоком обработки, что позволяет определять рабочие параметры, подлежащие передаче на указанные вторые лазеры для обеспечения удаления окалины с поверхности продукта, сравниваемые с экспериментальными результатами, предварительно записанными в блок управления, и управляющий указанными вторыми лазерами посредством передачи им указанных рабочих параметров; и
- средства для контроля очищаемой от окалины поверхности продукта, проверяющие эффективность удаления окалины посредством обнаружения участков, которые не были очищены от окалины или были очищены от окалины неудовлетворительно.
Указанные средства контроля очищаемой от окалины поверхности продукта могут быть оптическими средствами.
Указанное устройство может содержать средства для удаления счищенных окислов с поверхности продукта, например, с помощью всасывания или щеток.
Оно может содержать средства для дополнительного удаления окалины, расположенные ниже по технологическому потоку указанных средств контроля очищаемой от окалины поверхности продукта.
Указанные средства для дополнительного удаления окалины содержат по меньшей мере один третий лазер или группу таких третьих лазеров, действующих согласно информации, обеспечиваемой указанными средствами для контроля поверхности.
Указанные средства для дополнительного удаления окалины могут содержать по меньшей мере одну ванну для химической или электролитической очистки.
Лазерное устройство для очистки поверхности от окалины может быть расположено на линии непрерывной обработки, которая также содержит печь перед лазерным устройством.
Указанная линия непрерывной обработки может содержать устройство прокатки для металлического продукта.
Для обработки обеих сторон указанного металлического продукта, который состоит из движущейся полосы или листа, устройство может содержать с каждой стороны указанного продукта по меньшей мере один первый лазер, по меньшей мере один второй лазер и средства для контроля каждой поверхности указанного продукта.
Для обработки всей поверхности указанного металлического продукта, который представляет собой пруток, трубу или проволоку, устройство может содержать распределенные вблизи периферии указанных металлических продуктов группу первых лазеров, группу вторых лазеров и средства для контроля всей поверхности указанного продукта.
Как должно быть понятно, изобретение включает в себя выполнение лазерной очистки от окалины поверхности металлического продукта любого формата, используя универсальное устройство, обеспечение наличия множества измерительных приборов для контроля эффективности удаления окалины и обеспечения возможности оптимизации удалении окалины во время выполнения самой обработки по удалению окалины.
Изобретение станет более понятным из приведенного ниже описания со ссылкой на приложенный чертеж, где схематически показан вид сбоку примера устройства по изобретению для лазерной очистки от окалины поверхности движущейся металлической полосы с возможными разновидностями вариантов выполнения.
Устройства для лазерной очистки от окалины подробно описаны и показаны посредством примеров со ссылкой на обработку движущейся холоднокатаной полосы из нержавеющей стали, подвергнутой холодной прокатке и отжигу на линии непрерывного производства, и устройство для лазерной очистки от окалины по изобретению, которое выполняет, по меньшей мере, бóльшую часть функции удаления окалины, также входит в состав этой линии непрерывного производства, заменяя устройства для электролитического и/или химического травления, как правило, используемые в линии непрерывного производства этого типа (примеры таких линий непрерывного производства, в частности, приведены в документах EP 0 509 177-A2 и EP 0 695 808-A1).
Разумеется, устройство для лазерной очистки от окалины по изобретению, описанное ниже, также может быть включено в состав линии непрерывной обработки, содержащей большее или меньшее число устройств, которые будут описаны, или может быть отнесено к отдельному устройству, специально предназначенному для такого удаления окалины.
Кроме того, не показаны устройства, которые, как правило, входят в состав таких линий и не играют основной металлургической роли и в любом случае, по существу, не принимают участия в выполнении лазерной очистки от окалины по изобретению. Примеры, в частности, содержат тянущие ролики для приведения полосы в движение и накопители полосы, которые служат в качестве «буферов» между некоторыми из устройств, каждое из которых может потребовать различной скорости движения полосы.
Показанная на фигуре линия непрерывного производства, прежде всего, содержит размоточное устройство 1 для рулона 2 полосы 3 горячекатаной нержавеющей стали, имеющей толщину приблизительно несколько миллиметров и ширину, которая может доходить вплоть до 2 м. Эта полоса 3 движется со скоростью, достигающей 150 м/мин и, в общем, после удаления окалины с помощью непоказанных химических и/или механических средств или даже лазерных средств по изобретению, описанных ниже, она поступает в стан холодной прокатки 4, который уменьшает ее толщину до величины приблизительно 0,2 – 15 мм для получения холоднокатаной полосы.
Далее холоднокатаная полоса 3 поступает в отжиговую печь 5, где она доводится до температуры несколько сот градусов Цельсия, что зависит от металлургических целей отжига. Если отжиг выполняется (преднамеренно или случайно) в присутствии окисляющего газа, такого как кислород, количество которого не является незначительным, это ведет к образованию слоя нежелательных окислов на поверхности полосы 3, состав, толщина и адгезия которых к полосе 3, в частности, зависят от состава полосы 3, состава атмосферы печи 5 температуры печи 5, времени пребывания полосы 3 в печи 5. С учетом этих многочисленных параметров, не все из которых легко контролировать, и которые, в любом случае, могут значительно варьироваться в зависимости от точно выполненной обработки (в частности, состав полосы 3 и условия отжига), невозможно задать систематизированные характеристики этого слоя окислов, которые бы позволили легко стандартизировать условия удаления окалины с полосы 3. Это также является одним из недостатков способов мокрого удаления окалины, в частности, химических способов, для которых нелегко подобрать состав ванн применительно к тому, что было бы фактически необходимо для достижения удовлетворительной очистки полосы 3 с меньшими затратами.
По изобретению после отжиговой печи, расположенной на линии и с каждой стороны полосы, расположен первый ряд лазеров 6 с длиной волны, равной длине волны лазеров, которые используются для удаления окалины (например Nd:YAG лазеры с длиной волны 1064 нм), причем пятна лучей 7 этих лазеров на полосе 3 могут, а в идеальном случае должны покрывать всю ширину полосы 3, при этом перекрываясь на минимально возможную величину. Расположение этих пятен можно по усмотрению варьировать, используя систему сканирования поверхности, сходную с системой сканирования, которая будет описана для лазеров 13, выполняющих удаление окалины, так что пятна первых лазеров 6 покрывают всю или бóльшую часть поверхности полосы без необходимости излишнего количества первых лазеров 6. Этот первый ряд лазеров 6 связан с группой датчиков 8, на которые возвращаются лучи 9, идущие как отражение лучей 7 от окисленной поверхности полосы 3. Следовательно, эти первые лазеры 6 должны быть расположены под известным углом падения для восстановления информации, используя датчики 8, с правильным углом отражения. Соответствующий блок 10 обработки сигнала, запрограммированный традиционным образом, используется для сравнения интенсивности лучей 9, принимаемых каждым из датчиков 8, с контрольными интенсивностями согласно указанному лучу отражения, предварительно записанными в указанном средстве 10 обработки для очищенной или окисленной стандартным образом полосы, которая имела бы такой же состав и такую же шероховатость, как и обработанный лист 3. Это позволяет определить спектральную излучательную способность для заданной длины волны в рассматриваемом направлении поверхности полосы 3 в соответствующей области, которая сопоставляется со степенью поглощения лучей 7, идущих от каждого из первых лазеров 6.
Назначение первых лазеров 6 состоит в определении фактической энергии, необходимой для удаления окалины по ширине полосы и по длине движущейся полосы. Фактически, это возможно благодаря рассчитанному или полученному опытным путем варьированию рабочих параметров выше линии по технологическому потоку, например, посредством снижения ускорения полос на линии или неоднородному загрязнению по ширине полосы 3, которое имеет место в печи 5 или до нее, для получения неоднородного слоя окисла под длине и/или ширине полосы 3, подлежащей очистке от окалины. Первые лазеры 6 и соответствующие датчики 8 позволяют выражать количественно эту неоднородность.
То, что длина волны первых лазеров 6 является такой же, как и длина волны лазеров для удаления окалины, позволяет обеспечить условие, что поглощение лучей первых лазеров 6 окислами, покрывающими полосу 3, будет таким же, как для лазеров, предназначенных для удаления окалины, и регулировка лазеров для удаления окалины может выполняться непосредственно на основе данных, полученных от первых лазеров 6 и датчиков 8.
Для достоверного измерения поглощения излучения первых лазеров 6 полоса 3 должна удерживаться на постоянном расстоянии относительно первых лазеров 6 и датчиков 8, т.е. полоса 3 не должна колебаться и должна оставаться на фиксированной высоте. Это может быть сделано посредством обеспечения, по существу, достаточного растяжения полосы 3, используя S- образные блоки, или посредством установки опорного валка 24 ниже полосы 3, обеспечивая, чтобы его высота под первыми лазерами 6 оставалась фиксированной.
Для упрощения на фиг. 1 первые лазеры 6 и их датчики 8 показаны только на верхней стороне полосы 3, и их соответствующие опорные валки 24 показаны только на нижней стороне полосы 3. Однако другие лазеры и их соответствующие датчики, разумеется, также присутствуют на нижней поверхности полосы 3. Сходным образом, опорный валок, сопоставимый с валком 24, может быть расположен в контакте с верхней поверхностью полосы 3, обеспечивая, чтобы полоса 3 оставалась на фиксированном расстоянии относительно лазеров, которые выполняют проверку ее нижней поверхности.
Поскольку фактическую шероховатость полосы 3 трудно измерить в случае, когда полоса 3 движется, можно допустить предположение, что эта шероховатость такая же, как и шероховатость поверхностей рабочих валков 11, 12 стана 4 холодной прокатки, которая, по существу, известна, поскольку эти валки 11, 12 периодически проверяются и, при необходимости, подвергаются механической обработке поверхности, так что они, фактически, не создают излишнюю или неконтролируемую шероховатость на поверхностях полосы 3 во время прокатки. Во многих случаях достаточно оценить эту шероховатость только на одном из рабочих валков 11, 12, поскольку при обычных условиях во время эксплуатации их шероховатость претерпевает изменения сходным образом, но также существует возможность выбора, чтобы не предполагать заранее одинаковую шероховатость валков 11, 12 и оценить шероховатости обоих валков по отдельности. В контексте горячей прокатки шероховатость также может быть оценена в сравнении с измерениями, сделанными заранее вне линии удаления окалины на этих продуктах или сходных продуктах.
Следует отметить, что если продукт, подлежащий обработке, отличается от движущейся полосы 3, разматываемой с рулона 2 (например, если он является уже отрезанным и прокатанным листом), и если можно оценить его фактическую шероховатость до входа продукта в отжиговую печь 5, измерение излучательной способности окисленного продукта, подлежащего обработке, может быть выполнено на основе этой фактической шероховатости.
Далее полоса 3 движется перед вторым рядом лазеров 13 (например, импульсных Nd:YAG лазеров с длиной волны 1064 нм), каждый из которых посылает луч 14 на поверхность полосы 3.
Эти лазеры 13 второго ряда являются лазерами, которые фактически служат, строго говоря, для удаления окалины. Они занимают положения вдоль поперечного направления полосы 3, причем каждый из них расположен в оптимальном положении, по существу, напротив одного из лазеров 6 первого ряда. Эти лазеры управляются блоком 15 управления, который определяет ряд их рабочих параметров, которые должны быть основаны на:
- результатах измерений излучательной способности поверхности полосы 3, полученных с помощью первых лазеров 6, датчиков 8 и блока 10 обработки из информации, которую они обеспечивают, и которая передается на блок 15 управления лазеров 13 второго ряда;
- экспериментальных результатах, предварительно сохраненных в блоке 15 управления, что позволяет определять из ранее выполненных калибровок по контрольным образцам с составом, шероховатостью и излучательной способностью, идентичным или близким к одноименным параметрам полосы 3, подвергаемой обработке, наиболее подходящие параметры для функционирования каждого из лазеров 13 для удаления окалины, в частности, на основе излучательной способности, измеряемой на участке полосы 3, параметры, при которых он может достичь удовлетворительного удаления окалины с полосы.
Разумеется, блок 10 обработки и блок 15 управления могут быть сгруппированы в одном устройстве, способном выполнять все функции обоих блоков 10, 15.
Сходным образом, как и применительно к лазерам 6 и датчикам 8, полоса 3 должна находиться на постоянной высоте во время прохождения под лазерами 13, и с этой целью может использоваться опорный валок 25, сопоставимый с вышеупомянутым валком 24, или любое другое функционально эквивалентное устройство.
Кроме того, для удаления окалины с нижней поверхности полосы 3 предусмотрены другие непоказанные лазеры 13 и соответствующий опорный валок на основе информации, обеспечиваемой непоказанными лазерами 6, которые выполняют проверку нижней поверхности.
Каждый из лазеров 13 может быть установлен неперпендикулярно листу для сведения к минимуму искажения падающего луча частицами окислов, выброшенными в ходе предыдущих импульсов, излучаемых лазером 13 или другими лазерами 13, находящимися в указанном ряду.
Количество лазеров 13, необходимое для обработки всей поверхности полосы 3, сведено к минимуму благодаря тому, что каждый лазер 13 имеет сверхскоростную систему сканирования, оптическую или механическую или комбинирующую оба принципа, которая обеспечивает боковое перемещение пятна луча 14 для размещения пятен рядом друг с другом и образования непрерывной линии, покрывающей всю ширину полосы 3, предпочтительно с нулевым или минимальным перекрытием пятен во избежание риска подачи излишней энергии на перекрывающиеся участки пятен.
Рабочий параметр, который также должен быть принят в расчет, представляет собой скорость движения полосы 3, которая определяет частоту импульсов и/или скорость сканирования лазеров 13. Чем выше скорость движения, тем выше должна быть частота и/или скорость сканирования импульсов, чтобы обеспечить условие, что заданный участок ширины поверхности полосы 3 будет обработан соответствующим лазером 13 надлежащим образом и, по существу, идентично другим участкам. Вне зависимости от скорости движения каждый участок полосы по ширине должен быть обработан с требуемой плотностью энергии, заданной блоком 15 управления. Эта плотность энергии зависит от числа импульсов, энергии импульса, частоты импульсов, принимая в расчет скорость сканирования, необходимую для получения оптимального перекрытия поверхности полосы 3.
Использование лазерной очистки от окалины по настоящему изобретению предусматривает получение в высокой степени универсального устройства для удаления окалины, в частности, при условии, что параметры удаления окалины во время обработки можно легко регулировать, если во время эксплуатации обнаружено, что они не являются оптимальными. Это, например, касается поверхности пятна каждого второго лазера 13, которую позволяет модифицировать традиционная система регулирования фокуса луча.
Возможное упрощение изобретения состоит в том, что вместо позиционирования ряда первых лазеров 6, которым соответствует равное число вторых лазеров 13, используется меньшее число первых лазеров 6 или даже один первый лазер 6, допуская, что окисление поверхности полосы 3 идентично на широком участке, окружающем указанный первый лазер 6, или даже по всей ширине полосы 3, если предусмотрен только один лазер 6. Группы вторых лазеров 13 или даже все вторые лазеры 13, если предусмотрен только один первый лазер 6, должны функционировать с такими же параметрами.
Рядом со вторыми лазерами 13 расположены средства (не показаны) для разгрузки и предпочтительно сбора, например, посредством всасывания или удаления щетками в приемник, окислов, которые были отделены от поверхности полосы 3, а также паров, которые могут образовываться во время обработки (посредством испарения металлических частиц, окислов или органических материалов). Таким образом, существует возможность легко улавливать максимальное количество этих окислов, чтобы препятствовать их распылению в окружающую атмосферу и ее загрязнению и иметь возможность сбора значительной части окислов для улавливания металлов, которые они содержат. Кроме того, эта операция дает возможность удалять окислы, которые были неполностью удалены с поверхности полосы 3 лазерами 13 (в частности, на верхней поверхности полосы 3, где сила тяжести не может быть принята в расчет для способствования отделению окислов). И наконец, всасывание этой пыли и этих паров позволяет исключить повреждение оптических систем лазеров, на которых могут скапливаться указанные пыль и пары, вызывая нагрев или даже выход из строя оптических систем.
Таким образом, полоса 3 после прохождения ниже вторых лазеров 13 оказывается практически полностью очищенной от окалины. Это подтверждается с помощью надлежащих средств, например, используя оптическое устройство для проверки качества удаления окалины, такое как камера 16 или комплект таких оптических камер 16, которые проверяют поверхность полосы 3 по всей ее ширине и определяют, какие участки полосы 3 могли быть недостаточно очищены от окалины. Различие в цвете поверхности полосы 3 может служить в качестве основы для такого определения. Одно из преимуществ устройства всасывания или удаления щетками окислов или эквивалентного устройства также состоит в том, что оно позволяет препятствовать ошибочному восприятию камерами 16 кусков окислов, которые остаются на верхней поверхности (в частности) полосы 3 во время отделения, как всё еще неотделенных и, следовательно, требующих дополнительной очистки с целью удаления.
Если результаты, полученные оптическим устройством 16, неудовлетворительные, можно выполнить дополнительное удаление окалины на тех частях полосы, которые были неполностью очищены от окалины, или, в целях безопасности, на всей полосе.
Таким образом, в варианте изобретения, показанном на фиг. 1, ниже по технологическому потоку от устройства для проверки качества удаления окалины и всасывающих устройств/щеток расположен комплект третьих лазеров 17, сопоставимых со вторыми лазерами 13, каждый из которых направляет луч 18 на обнаруженные с помощью камеры 6 или функционально эквивалентного устройства участки поверхности полосы 3, которые были неполностью очищены от окалины с помощью вторых лазеров 13. Третьи лазеры 17 могут быть идентичными вторым лазерам 13 в отношении их распределения по ширине полосы 3 и также имеют систему, обеспечивающую их расположение на постоянной высоте от полосы (например, валок). Также можно установить меньшее число третьих лазеров, но пятна на поверхности от их лучей 18 должны быть шире, чем у вторых лазеров 13, так чтобы луч 18 указанного третьего лазера мог, например, воздействовать на поверхность большей площади, чем луч 14 второго лазера 13. Также можно предусмотреть перемещение третьих лазеров 17 в боковом направлении, так чтобы они могли обрабатывать плохо очищаемый от окалины участок, который не расположен на одной линии с их номинальным положением.
Для третьих лазеров 17 также можно предусмотреть оптические системы, которые позволяют перемещать лучи в боковом направлении без перемещения лазеров 17. Таким образом, можно свести к минимуму число третьих лазеров 17, которые должны использоваться для завершения удаления окалины с полосы 3, в частности, если опыт показал, что такое завершение удаления окалины является полезным именно на ограниченном числе участков.
В оптимальном варианте рядом с третьими лазерами 17 также может быть расположено другое устройство для улавливания окислов с помощью всасывания, удаления щетками или других средств.
В оптимальном варианте средство для проверки количества удаленной окалины, такое как камера 19, сопоставимая с камерой 16, позволяет обнаруживать постоянное присутствие участков с неполностью удаленной окалиной.
Если удаление окалины с полосы 3 рассматривается как удовлетворительное после ее прохождения под вторыми лазерами 13 или под третьими лазерами 17, если таковые предусмотрены, полоса 3 может быть направлена на последующую обработку, например, посредством прохождения дрессировки, после чего ее наматывают в рулон холоднокатаной отожженной полосы, которую можно поставлять на рынок или подвергать другим видам обработки, например, посредством нанесения покрытия.
Если удаление окалины с полосы 3 все еще рассматривается как неудовлетворительное после ее прохождения под вторыми лазерами 13 и затем под третьими лазерами 17, если таковые предусмотрены, можно рассмотреть другие варианты, соответствующие объему настоящего изобретения.
Если дефекты после удаления окалины относительно незначительные, обработку полосы 3 можно продолжить, но с учетом того, что качество ее поверхности не соответствует ожидаемому качеству, и что, вероятнее всего, потребуется отнести полосу к другой категории, т.е. продать ее конкретному заказчику по цене ниже первоначально установленной цены, или заказчику, предъявляющему менее жесткие требования к качеству поверхности, чем заказчик, который заказал полосу 3.
Если дефекты полосы 3 на этом этапе явно неприемлемые, часть полосы 3 с такими дефектами должна быть отбракована или вся полоса 3 должна повторно пройти через секцию лазерной очистки от окалины сходным образом с известным уровнем техники, когда ниже окончательного контроля по технологическому потоку отсутствуют средства химического или электролитического травления.
Однако можно предложить другое решение, когда на производственной линии после секции лазерной очистки от окалины предусмотрена секция ванн мокрой химической и/или электролитической очистки, которые могут быть наполнены, по меньшей мере, временно, для удаления обнаруженных дефектов. Если полоса 3 очищена от окалины надлежащим образом, эти ванны остаются пустыми. Это вариантное решение схематически показано на фиг. 1, где полоса 3 может следовать по траектории 20, которая ориентирует полосу в направлении к ванне 21 для электролитической очистки и затем к ванне 22 для химической очистки. Эта компоновка, разумеется, является только неограничивающим примером, и такая «резервная» секция очистки может иметь другую конструкцию, например, только с одной из этих двух типов ванн 21, 22.
Другое решение состоит из отклонения полосы 3 в ванну (ванны) 21, 22 для очистки, используя опускные валки, движущиеся вертикально и расположенные с возможностью воздействия на верхнюю поверхность полосы 3. Во время эксплуатации в нормальных условиях эти валки находятся в таком положении, что они позволяют полосе 3 двигаться снаружи ванны 21, 22 для очистки, рядом с которой они расположены. Когда требуется местное химическое и/или электролитическое травление полосы 3 по меньшей мере один из этих опускных валков опускается таким образом, что он опирается на верхнюю поверхность полосы 3 и временно обеспечивает обработку участка полосы 3, который проникает в соответствующую (соответствующие) ванну (ванны) 21, 22, которую необходимо использовать.
Как вариант, можно предусмотреть отсутствие третьих лазеров 17, и при необходимости полоса 3 может быть ориентирована по траектории 23 к вышеописанной секции 21, 22 мокрой очистки после ее контроля средствами 16 контроля, который следует за лазерным удалением окалины, выполняемым вторыми лазерами 13. Также можно предусмотреть целенаправленное использование секции 21, 22 мокрой очистки, чтобы в полной мере обеспечить надлежащее состояние поверхности полосы 3 на всем ее протяжении.
Регулировки секции 21 электролитической очистки, если таковая предусмотрена, по усмотрению можно выполнять на основе результатов контроля с помощью средств 16, 19 контроля. Также можно предусмотреть систематическое прохождение полосы 3, по меньшей мере, в ванне 21 для электролитической очистки. Когда контроль полосы 3 с помощью камеры (камер) 16, 19 показывает, что использование этой ванны для конкретной полосы не имеет смысла, ванна 21 для электролитической очистки может быть сделана неработающей посредством отключения подачи питания.
Окончательный контроль поверхности полосы, когда она выходит из секции 21, 22 мокрой очистки, может быть выполнен для подтверждения качества конечного результата.
Безусловно, описанное решение, состоящее из использования при необходимости или систематического использования секции 21, 22 мокрой очистки для исправления дефектов удаления окалины с помощью лазеров 13, 17, ведет, на первый взгляд, к снижению финансового и экологического интереса к этому варианту изобретения по сравнению с устройством, ограниченным до использования одной или нескольких операций лазерной очистки от окалины поверхности полосы 3.
Однако следует отметить, что один из эффектов лазерной очистки от окалины, даже если это само по себе не всегда обязательно позволяет полностью удалить слой нежелательных окислов, присутствующих на полосе 3, состоит, по меньшей мере, в модификации оставшейся части этого окисного слоя, чтобы сделать его более однородным и, следовательно, обеспечить возможность легкого удаления окалины, используя мокрый способ. Для выполнения операции (операций) мокрого травления в ваннах 21, 22 для удаления оставшихся окислов можно использовать менее агрессивный состав и/или меньшие объемы, чем если бы все удаление окалины выполнялось с использованием мокрого способа. Также необходимо принять в расчет, что потенциальное дополнительное мокрое травление позволяет исключить отнесение металла к другой категории или его отбраковку в случае неполной обработки металла в секции лазерной очистки от окалины и, следовательно, ограничить финансовые последствия этих дефектов обработки. Кроме того, эту секцию 21, 22 мокрого травления можно рассматривать как полную замену секции лазерной очистки от окалины, когда последняя подлежит техническому обслуживанию. Таким образом, линия удаления окалины пригодна к эксплуатации даже во время указанного технического обслуживания.
Кроме того, конечное использование минимального травления ведет к чистовой обработке поверхности однозначно более сопоставимой с чистовой обработкой поверхности, к которой привыкли заказчики, чем в случае использования только лазерной очистки от окалины. Это могло бы сделать изготавливаемые таким образом полосы 3 соответствующими требованиям без оговорки заказчиками до тех пор, пока они не убедятся, что надлежащим образом выполненная лазерная очистка от окалины является достаточным для получения полос с надлежащим качеством поверхности. Без использования ванн 21, 22 для травления чистовая обработка поверхности полос 3, подвергнутых только лазерной очистке от окалины, могла бы быть отнесена к новым типам чистовой обработки, которые можно было обязательно включить в стандарты.
Как указано выше, модификации описанного и проиллюстрированного способа являются очевидными для специалиста в рассматриваемой области, когда он намеревается внедрить обработку других продуктов из движущейся полосы. Весьма сходное устройство может обрабатывать листы или пластины, предварительно нарезанные из полос или полученные иным образом.
В случае обработки прутков, проволок или труб различные устройства и средства контроля расположены вокруг поверхности, подлежащей очистке от окалины, и термин «ряд лазеров», используемый для описания примера из фиг. 1, разумеется, также действителен для этого типа применения, учитывая, что слово «ряд» не предусматривает расположение соответствующих лазеров только в одной и той же плоскости, параллельной продукту, подлежащему очистке от окалины: они также могут быть расположены по траектории, по существу, параллельной периметру продукта, подлежащего обработке.
В некоторых случаях, где металлические продукты, подлежащие обработке, имеют очень небольшую ширину, объем изобретения предусматривает использование только одного лазера в каждой группе упомянутых лазеров 8, 13, 17. Выбор может быть сделан таким образом, чтобы сфокусировать, по меньшей мере, вторые и третьи лазеры 13, 17 для удаления окалины, так чтобы их пятна непрерывно покрывали всю поверхность, подлежащую очистке от окалины, или поддерживать пятна небольших размеров, но перемещать эти лазеры, чтобы иметь возможность обрабатывать всю поверхность продукта, используя один лазер для удаления окалины на этапе обработки. Это, в частности, было бы особенно пригодно для обработки проволок малых диаметров. Разумеется, скорость движения лазеров, в частности, зависит от скорости движения продукта, подлежащего очистке от окалины.
В случае обработки сварных труб особое внимание, в частности, может быть уделено лазерной очистке от окалины сварного шва, который является областью, с наибольшей вероятностью подверженной значительному окислению поверхности, посредством выбора конкретных регулировок для второго лазера (лазеров) 13, обрабатывающего сварной шов.
Что касается вторых и третьих лазеров 13, 17, используемых для осуществления способа по изобретению, в частности, можно использовать:
- оптические системы, позволяющие формировать для каждого лазера 13, 17 тонкую линию длиной несколько сантиметров; сканирование не является обязательным, и частота и мощность импульсов варьируются на основании индикаций от блока 15 управления для получения плотности энергии в зависимости от фактической скорости полосы 3;
- или полигональные сканеры, которые создают сканирующее движение лучей 14, 18, идущих от лазеров 13, 17, со скоростями сканирования, которые могут превышать 200 м/с.
Например, можно использовать Nd:YAG лазеры 13, 17, передающие импульсы 1 - 100 мДж. Размеры пятен (пятен импульсов на полосе) определяются их энергией. И, наоборот, посредством расфокусировки импульсов или использования оптических систем известным образом можно обеспечивать их большее расхождение или схождение и, следовательно, изменять размеры пятен.
Лазер 1 мДж имеет мощность 100Вт для частоты 1 МГц или 500 Вт для частоты 500 кГц и фиксированный диаметр пятна 114 мкм или больший диаметр пятна, который также является регулируемым, если с этой целью используются оптические средства или средства для расфокусировки импульсного излучения лазера. Лазер 100 мДж имеет мощность 1000 Вт для частоты 10 кГц или 500 Вт для частоты 5 кГц и размер пятна, который легко регулируется посредством варьирования фокуса луча, который может равняться приблизительно миллиметру.
Следовательно, лазер 1 мДж в общем имеет меньшее пятно, чем лазер 100 мДж. Это объясняется тем, что прохождение большого количества энергии при малой продолжительности импульса вызвало бы излишний нагрев волокна. Форма импульса также отличается, причем импульс лазера 1 мДж является коническим, в то время как импульс лазера 100 мДж обычно цилиндрический (но расфокусировка позволяет сделать его коническим). Фактически, большое количество генерируемой энергии отрицательно влияет на качество луча, что ведет к различию в форме и размерах для лазеров двух описанных типов.
В способе лазерной очистки от окалины задействованы многочисленные механизмы: испарение окисла под влиянием тепла, модификация границы металл/окись под действием ударной волны из-за создания импульсов и тепловое расширение, вызывающее отсоединение окисла. Этому аспекту посвящена статья «Предварительное исследование лазерной очистки нержавеющих сталей после высокотемпературного окисления / Pandora Psyllaki, Roland Oltra», Materials Science and Engineering A 282 (1-2, стр.:145-152,апрель 2000 г.). Сюда также можно добавить эффект изменения структуры окислов, которые становятся более однородными под действием лазера и, таким образом, могут быть более легко и надежно удалены или непосредственно с помощью различных лазеров или ванн для травления, которые следуют за ними и являются менее громоздкими и содержат менее агрессивный состав, чем когда они должны выполнять весь процесс удаления окалины.
Справочная информация, которая должна быть сохранена в блоке 10 обработки, включает в себя измерения спектральной излучательной способности в направлении, подлежащем рассмотрению, и полную полусферическую излучательную способность в зависимости от состава полосы, ее температуры и размеров (толщина, ширина) и ориентации лазерного луча (для направленной излучательной способности).
Таким образом, например, для полос шириной 1500 мм и толщиной 0,78 мм, изготовленных из аустенитной нержавеющей стали 304L, и для полос шириной 1250 мм и толщиной 1,46 мм, изготовленных из аустенитной нержавеющей стали 316, содержащей Mo, примеры данных, которые должны быть сохранены в качестве справочных данных для окисленных полос в блоке 10 обработки, приведены в табл. 1, причем эти данные были определены экспериментальным путем.
2
2
2
На основании изученных сортов и различных толщин окислов параметры лазера, например, импульсного Nd:YAG лазера 1 мДж, должны обеспечивать удаление слоев окислов на основе их природы. Пороги разрушения окислов для импульсов 120 нс составляют 1–5 Дж/см. Распределение импульсов на поверхности является адаптивным, но для достижения идеального перекрытия в описанном примере было выбрано квазинулевое перекрытие между двумя импульсами в направлении сканирования, и 75% перекрытие между двумя импульсами в направлении движения полосы 3 (таким образом, на заданный участок полосы, на котором предусмотрено это перекрытие, оказывают влияние пятна с четырьмя импульсами). В этих условиях плотность энергии, прикладываемой на один импульс в общем составляет 1 - 20 Дж/см для каждого пятна (на основе природы и толщины окислов, подлежащих удалению). В этом примере она составляет 2 - 11 Дж/см. Существует возможность удаления с поверхности, например, нержавеющий стали 316L или 304L окислов толщиной приблизительно от нескольких десятых мкм до нескольких мкм.
2
Плотность энергии на импульс, прикладываемой в случае третьих лазеров 17, имеет такой же порядок величины (1 - 20 Дж/см), как и для вторых лазеров 13.
Фактически, она часто может быть ниже, поскольку при нормальных условиях бỏльшая часть удаления окалины уже была выполнена вторым лазерами 13. Однако в оптимальном варианте предпочтительно, чтобы третьи лазеры 17 были способны обеспечивать такую же плотность энергии на импульс, как и вторые лазеры 13, так чтобы они могли сами по себе обеспечивать полное удаление окалины с участков поверхности продукта, которые в результате недостаточной регулировки вторых лазеров 13 остались неочищенными от окалины из-за отсутствия перекрытия пятен двух последовательных импульсов.
Полосы из стали 304L были получены следующим образом: горячая прокатка до толщины 3 мм, отжиг, химическая очистка, на первой линии отжига, холодная прокатка на прокатном стане Сендзимир (20 валков) до толщины 0,78 мм за один проход, отжиг на второй линии при температуре вплоть до 1120°C в течение 1 минуты и 6 секунд со скоростью движения 77 м/мин, что ведет к образованию окисного слоя толщиной приблизительно 250 нм.
Полосы из стали 3016L были получены следующим образом: горячая прокатка до толщины 3 мм, отжиг, химическая очистка, на первой линии отжига, холодная прокатка на четырехвалковом прокатном стане с подачей эмульсии до толщины 1,46 мм, отжиг на второй линии при температуре вплоть до 1150°C в течение 1 минуты и 16 секунд со скоростью движения 67 м/мин, что ведет к образованию окисного слоя толщиной приблизительно 250 нм.
Табл. 1. Направленная излучательная способность, измеренная экспериментальным путем для двух типов окисленных полос
Направленная спектральная излучательная способность (при 20°C, 1064 нм)
Окисленная полоса 304L, ширина 1500 мм, толщина 0,78 мм
Окисленная полоса 316L, ширина 1250 мм, толщина 1,46 мм
12°
0,878
0,742
24°
0,880
0,749
36°
0,875
0,742
48°
0,877
0,761
Полная полусферическая излучательная способность при 1150°C
0,367
0,535
Лазеры также могут использоваться с помощью оптической системы, превращающей импульсы в линию, или с помощью полигонального сканера.
2
Если используется оптическая система, преобразующая импульс в линию, и если используется лазер 100 мДж с площадью пятна 1,4 x 1, 4 мм или 1,96 мм на полосе, двигающейся в нормальных условиях со скоростью 100 м/мин, то применительно к лазеру, совершающему действия на линии 15 см, эта площадь пятна требует ширины пятна 0,013 мм, т.е. 13 мкм. Если полоса движется со скоростью 100 м/мин, она перемещается на 13 мкм за 0,0078 мс. Следовательно, для пятна, закрывающего всю заданную поверхность, необходимо создавать импульс каждые 0,0078 мс, что соответствует 128 кГц для суммарной мощности лазеров 12,8 кВт. Следовательно, с этой целью для полосы шириной 1500 мм требуются двенадцать лазеров.
Если каждый лазер должен выполнять действия на линии 10 см, ширина пятна должна быть 20 мкм согласно таком уже расчету, как и выше. Опять же для номинальной скорости полосы 100 м/мин необходима частота 85 кГц, соответствующая суммарной мощности лазеров 8,5 кВт. Следовательно, для полосы шириной 1500 мм требуются тринадцать или четырнадцать лазеров. Для полосы шириной 2000 мм требуются двадцать лазеров.
Если используется полигональный сканер, необходимо переделать предыдущий расчет и рассчитать необходимую скорость сканирования для получения, по меньшей мере, полной обработанной поверхности в направлении движения и по ширине полосы. Если используется импульс 1,4 мм на сторону при нормальной скорости движения 100 м/мин применительно к лазеру, выполняющему действия на линии больше 15 см, полигональный сканер должен быть способен дважды пройти это расстояние, когда полоса перемещается на 1,4 мм или со скоростью 360 м/с. Частота лазера должна быть способна обеспечивать создание ряда импульсов, расположенных рядом друг с другом в направлении сканирования, или немного меньше, чем 260 импульсов, идущих в одном направлении, или 600 кГц.
При таких условиях можно достигнуть очень хорошей очистки окалины со сталей 304L и 316L без необходимости последующей химической или электролитической очистки.
Ниже перечислены параметры, которые должны быть приняты в расчет для управления вторыми и третьими лазерами 13, 17 и которые должны учитывать природу продукта, подлежащего обработке (состав, ширина) и его данные (параметры отжига, во время которого была образована бỏльшая часть слоя окисла, подлежащего очистке, шероховатость в результате воздействия валков во время горячей или холодной прокатки) в добавление к излучательной способности, которую могут измерять первые лазеры 6 и связанные с ними датчики 8; эти параметры, в частности, следующие:
- скорость движения полосы;
- мощность лазера;
- продолжительность импульсов;
- частота импульсов;
- ширина полосы, которую должен обрабатывать каждый лазер;
- скорость движения (механическая и/или оптическая) пятен лазеров.
Измеренная излучательная способность предпочтительно сравнивается с теоретической стандартной величиной в блоке 10 обработки, в который предварительно введены сведения о природе продукта и его данные. Если результат значительно отличается от ожидаемого результата, тем самым, показывая, что образование окислов не происходило точно так, как ожидалось, существует возможность ввести поправочный коэффициент в отношении одного или нескольких рабочих параметров вторых лазеров 13, так чтобы адаптировать эти параметры к фактическим условиям. Камера 16 или эквивалентное устройство позволяет обеспечить достаточно эффективную корректировку предварительно записанных регулировок и в ином случае передать командный сигнал третьим лазерам 17 соответственно или отклонять продукт непосредственно в ванны 21, 22 для очистки. Таким образом, можно максимально ограничить использование ванн 21, 22 для очистки в добавление к третьим лазерам 17 или вместо них, чтобы скорректировать недостатки предыдущего этапа для удаления окалины, выполняемого вторыми лазерами 13.
Если для упрощения программирования узла 10 обработки и моделирования и изучения процесса нет желания внедрять возможность внесения таких поправочных коэффициентов, разумеется, можно ограничиться только камерой 16 и третьими лазерами 17 и/или ванными 21, 22 для очистки с целью корректировки возможных недостатков обработки вторыми лазерами 13.