СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ИЛИ ЗАКАЛКИ ПЛОСКИХ ЗАГОТОВОК И ЛИСТОВ ВОДОЙ В ОХЛАЖДАЮЩЕМ БАССЕЙНЕ
METHOD AND FACILITY FOR COOLING OR TEMPERING OF FLAT WORKPIECES AND SHEETS BY WATER IN COOLING POUND

Изобретение относится к способу и охлаждающему устройству для охлаждения или закалки плоских заготовок и листов водой в охлаждающем бассейне, в который погружаются и временно удерживаются плоские заготовки и листы, предварительно вертикально ориентированные опрокидывающим приспособлением в положении на ребро.
Из публикации DE 2548154 А известно устройство для охлаждения плоских заготовок, состоящее из охлаждающего бассейна для приема охлаждающей воды и карманообразной установочной рамы в охлаждающем бассейне для вертикальной установки плоских заготовок при помощи перемещающегося над охлаждающим бассейном или вдоль него кранового механизма. Он захватывает плоские заготовки в положении на ребро соответствующими захватными приспособлениями, помещает плоские заготовки в установочную раму и вновь вынимает их после охлаждения. Для установки перемещаемых подводящим рольгангом плоских заготовок в положение на ребро на узкой боковой поверхности, на переднем торцевом конце охлаждающего бассейна расположено опрокидывающее приспособление. Кроме того, два независимых одно от другого опрокидывающих приспособления находятся в зоне подводящего и отводящего рольгангов для установки в положение на ребро и укладки плоских заготовок.
Достигаемая при этом скорость охлаждения ведет вместе с тем при резком охлаждении (закалке и улучшении) листов и плоских заготовок к более продолжительному процессу резкого охлаждения. Кроме того, ввиду неравномерности скоростей охлаждения на поверхности листов или плоских заготовок не удается избежать волнистости и неплоскостности используемого материала. Поэтому вслед за охлаждением при закалке, как правило, требуется дополнительная операция правки.
Из документа ЕР 0960670 А известно, что для устранения поверхностных дефектов, появляющихся после холодной прокатки, погружаемую горизонтально в водяной бассейн плоскую заготовку рекомендуется подвергать струйной обработке охлаждающей средой лишь с нижней стороны. Эта технология предполагается, в частности, применимой для сталей с содержанием от 5 до 30% Cr, чтобы таким образом предотвратить возникающую, в противном случае, ликвацию хрома, что возможно лишь при поддержании определенного температурного диапазона. После этого, перед горячей и холодной обработкой давлением, плоская заготовка охлаждается (spezifisch) за счет остаточного тепла от процесса непрерывной разливки, вслед за чем нагревается до температуры деформации и подвергается горячей прокатке.
Задачей изобретения является создание способа и устройства вышеназванного типа, которые позволяют устранить указанные недостатки и добиться более качественного охлаждения при закалке.
Эта задача решается способом согласно изобретению за счет того, что плоские заготовки и листы подвергаются струйной обработке охлаждающей водой с обеих сторон. Поскольку, тем самым, закалка осуществляется не в стоячей воде охлаждающего бассейна, а в результате целенаправленной двусторонней струйной обработки охлаждающей водой, в воде создается постоянное сильное течение и достигаются более высокие и равномерные скорости охлаждения, чем при обычных процессах охлаждения. Не только существенно минимизируются волнистости и неплоскостности, но и поддержанное течением охлаждение обеспечивает также улучшенные структурные и материальные свойства используемых листов и плоских заготовок.
Предпочтительный вариант выполнения изобретения предусматривает, что плоские заготовки и листы полностью погружаются в наполненный водой охлаждающий бассейн и в водяной ванне охлаждающего бассейна подвергаются дополнительно струйной обработке охлаждающей водой. Таким образом достигается своего рода вихревая закалка или соответственно охлаждение.
Альтернативный вариант исполнения предусматривает, что уровень воды в охлаждающем бассейне понижается, плоские заготовки и листы выступают над уровнем воды и подвергаются струйной обработке охлаждающей водой. Одна и та же установка, следовательно, в зависимости, например, от качества материала, позволяет варьировать процесс охлаждения в одной и той же охлаждающей установке без других или дополнительных приспособлений, осуществлять процесс охлаждения либо в режиме струйной обработки, либо в вихревом режиме, с учетом при этом различий в расходе подаваемой свежей воды и температуры охлаждаемого материала, а также температуры воды, базируясь в каждом случае на начальной и конечной температуре, которые в равной мере могут варьироваться.
При этом система охлаждения с успехом может основываться на физико-математической модели охлаждения, описывающей поведение листа или плоской заготовки в неустановившемся временном и температурном режиме посредством граничных условий, зависящих от температуры параметров вещества и коэффициента теплопередачи, зависящего от локальной температуры поверхности плоской заготовки или листа, при этом распределение температуры по толщине охлаждаемого материала рассчитывается при помощи метода конечных элементов и уравнения теплопроводности Фурье, а также посредством разложения плоской заготовки или листа на отдельные слои.
Основополагающей проблемой при ускоренном охлаждении является точное описание временной характеристики температурных полей внутри прокатного материала. Расчет при помощи математической модели представляет собой адекватное подручное средство при планировании, управлении и оптимизации процесса.
Модель охлаждения позволяет осуществить следующие расчеты:
- расчет скорости охлаждения при заданном расходе воды;
- расчет необходимого расхода воды при заданной скорости охлаждения;
- продолжительность охлаждения.
Основные характеристики материала определяются в соответствии с компонентами сплава или показателем вещества для каждого охлаждаемого материала. На основе этих зависящих от температуры характеристик материала осуществляются затем соответствующие расчеты.
Расчеты охлаждения в режиме offline можно произвести с расположенного снаружи рабочего места. Результаты могут быть сохранены в системе PLS (системе управления процессом). По запросу эти данные поступают на управляющую вычислительную машину системы охлаждения. В принципе все расчеты осуществляются на управляющей вычислительной машине модели охлаждения, при этом следующие данные передаются в автоматизированную систему:
- характеристики материала и компоненты сплава;
- толщина листа;
- начальная температура охлаждения;
- конечная температура охлаждения;
- скорость охлаждения или максимальный поток воды.
Таким образом рассчитываются необходимый расход воды или скорость охлаждения и соответствующие диаграммы охлаждения для плоской заготовки или листа. Модель охлаждения также позволяет моделировать расчеты offline. При этом для оптимизации процесса охлаждения могут сравниваться, например, между собой различные скорости охлаждения при различном расходе воды. Этим расчетам offline может благоприятствовать вышеописанный диалог. Следовательно, в систему PLS может быть передан протокол с важнейшими параметрами и результатами работы. Могут быть привлечены также параметры и коэффициенты для материалов, а также граничные условия, например, в модели температуры.
Другие варианты выполнения изобретения предусматривают регулирование напора воды и/или объемного потока при струйной обработке охлаждающей водой, а также расстояние между оросителями и поверхностью плоских заготовок и листов.
В устройстве согласно родовому понятию для охлаждения или закалки плоских заготовок и листов в охлаждающем бассейне в соответствии с изобретением с обеих сторон опускаемых плоских заготовок или листов имеются установленные с ориентацией на поверхность их широкой стороны форсуночные оросители, подключенные к контуру водяного охлаждения, который включает средства, позволяющие понизить уровень наполнения водой с максимального, верхнего уровня до минимального, нижнего уровня. Так, например, запитываемые централизованно охлаждающей водой сопла форсуночных оросителей после установки плоской заготовки или листа могут выбросить на них дополнительный объем охлаждающей воды непосредственно на месте действия. При этом по всей поверхности поддерживается одинаковое расстояние между соплами; в зависимости от назначения оно может составлять от 10 до 500 мм. Для поддержания одинакового расстояния между балками с оросительными соплами и вертикально установленным листом или плоской заготовкой после опускания последних лист или плоская заготовка может выравниваться соответственно при помощи прижимного приспособления с гидравлическим приводом.
Предпочтительный вариант выполнения изобретения предусматривает, что охлаждающий бассейн выполнен с направляющими для поднимаемых и опускаемых салазок, на которых помещается плоская заготовка или лист. Подача и отвод салазок осуществляется очень быстро. Продолжительность пребывания плоских заготовок или листов при закалке в охлаждающем бассейне превышает 30 минут.
Согласно изобретению салазки соединены с канатным приводом. Предпочтительно он содержит протянутые по закрепленным на салазках канатным барабанам канаты, при этом канатные барабаны механически соединены с регулируемым по частоте трехфазным двигателем. Вертикальное опускание и подъем может осуществляться при помощи канатного привода в кратчайший промежуток времени; необходимый для полного погружения плоской заготовки или листа промежуток времени составляет менее 10 секунд.
При этом хорошие ходовые качества салазок улучшаются, если они перемещаются по направляющим на роликах или колесах.
Другие признаки и детали вытекают из формулы изобретения и нижеследующего описания очень схематично представленных на чертежах примеров исполнения изобретения. Показаны:
фиг.1 - охлаждающая установка, содержащая два расположенных рядом друг с другом охлаждающих бассейна, в сечении по охлаждающему бассейну с приданным ему опрокидывающим приспособлением, а также подъемно-опускным приспособлением для установки плоских заготовок или листов;
фиг.2 - оба охлаждающих бассейна по фиг.1 с изображением водяного контура охлаждения для плоских заготовок или листов;
фиг.3 - в схематическом изображении как деталь фиг.1 разрез по представленному там справа бассейну, принимающему установленный охлаждаемый материал;
фиг.4 - в очень упрощенном принципиальном изображении процесс охлаждения, осуществляемый в охлаждаемой установке по фиг.1; и
фиг.5 - в очень упрощенном принципиальном изображении другой процесс охлаждения, осуществляемый в охлаждающей установке по фиг.2.
Показанная на фиг.1 охлаждающая установка 20 состоит из охлаждающего бассейна 1 и соседнего с ним подпиточного бассейна 14. Оба бассейна 1 и 14 соединены между собой за счет гидравлических соединений в форме нижнего и верхнего переливных устройств 15а и соответственно 15b. Горячие плоские заготовки или листы 2, например, после аустенитизации подаются к охлаждающей установке 20 из нагревательной печи уложенными на печной тележке 16, находящейся на перевалочной раме 17. Посредством опрокидывающего приспособления 18 с гидравлическим приводом горячая заготовка или лист 2 снимается с печной тележки 16 и в положении на ребро передается на поднимаемые и опускаемые салазки 3 в охлаждающем бассейне 1.
Установленное на переднем, расположенном с правой стороны охлаждающем или закалочном бассейне 1 опрокидывающее приспособление 18 содержит вращающийся вал 19, на котором смонтированы подъемные манипуляторы 21, находящиеся в горизонтальном положении для приема плоской заготовки или листа 2 и на которые наезжает печная тележка 16 с плоской заготовкой или листом 2. Подъемные манипуляторы 21 поворачиваются или переводятся гидравлическим цилиндром 22 из горизонтального положения на 90 в положение передачи, в котором плоская заготовка или лист 2 ставятся на ребро. Во время процесса выравнивания плоская заготовка или лист 2 опираются на нижнюю кромку защелок 23, которые управляются гидравлическим цилиндром 24. Фиксация положения осуществляется не показанным датчиком положения, причем вертикальная установка подаваемых плоских заготовок или листов 2 после ручного привода осуществляется автоматически. Для приема плоской заготовки или листа 2 салазки 3 слегка приподнимаются, в результате чего плоская заготовка или лист 2 освобождаются от защелок 23, которые, таким образом, могут отклоняться из вертикального положения.
Затем для охлаждения плоской заготовки или листа 2 салазки 3 очень быстро опускаются. После полного охлаждения извлечение плоской заготовки или листа 2 осуществляется в автоматическом режиме в обратном порядке тому, как это было описано раньше при их установке. Теперь охлажденная плоская заготовка или лист 2 либо укладывается на печную тележку 16, либо может транспортироваться цеховым краном, причем в случае транспортировки цеховым краном перевалочная рама 17 должна перемещаться сбоку.
На фиг.3 показана установленная вышеописанным образом на ребро и помещенная в салазки 3 плоская заготовка 2. Для подъема и опускания салазок 3 с плоской заготовкой 2 в охлаждающий бассейн 1 салазки 3 соединены с канатным приводом 4, причем канаты 7 протянуты по закрепленным на салазках 3 канатным барабанам и перед этим проходят через направляющие колеса 5. Работой канатных барабанов 5 управляет не показанный, механически соединенный через карданные валы, регулируемый по частоте трехфазный двигатель с редуктором. Салазки 3 перемещаются на роликах или колесах 8 по предусмотренным в охлаждающем бассейне 1 направляющим 9. Положение с полностью погруженными в охлаждающий бассейн 1 салазками 3 и плоской заготовкой 2 обозначено на фиг.3 пунктирными линиями.
Плоским заготовкам или листам 2, установленным, как описано выше, соответствуют размещенные между направляющими 9 в охлаждающем бассейне 1 сопловые балки 11а и 11b (ср. фиг.4 и 5) с соплами 10, ориентированными соответственно на поверхности широкой стороны плоской заготовки или листа 2. Эти сопловые балки подсоединены к водяному контуру 12 охлаждения, как это показано более детально на фиг.2.
Водяной контур 12 охлаждения позволяет варьировать режимы или способы охлаждения и обеспечивает снабжение сопловых балок 11а, 11b в охлаждающем бассейне 1 для охлаждения плоских заготовок или листов 2 как в режиме струйной обработки, так и в своего рода вихревом режиме. При этом различаются, например, три типа:
- Режим сопловой струйной обработки для HV-сталей до 15 тонн.
- Вихревой режим (whirlpool) для HV-сталей до 15 тонн и инструментальных сталей до 10 тонн.
- Охлаждающий бассейн для HV-сталей и инструментальных сталей до 10 тонн.
В режиме сопловой струйной обработки плоская заготовка или лист 2 подвергается струйной обработке при помощи сопловых балок 11а, 11b охлаждающей водой. При этом максимально низкий уровень воды 13а в охлаждающем бассейне 1, а также и в соседнем подпиточном бассейне 14 находится во время процесса охлаждения ниже нижней кромки плоской заготовки или листа 2.
Вода охлаждения засасывается насосами 25а, 25b из подпиточного бассейна и через фильтр 26 подается на сопловые балки 11а, 11b. Регулирование числа оборотов для насосов 25а, 25b позволяет в зависимости от размера и толщины листа обеспечить определенный расход охлаждающей воды.
Фильтр 26 имеет функцию задерживать частицы окалины, которые превышают отверстия в соплах, и тем самым предохранять последние от закупорки. После каждого процесса охлаждения он промывается собственной средой. Промывочная вода отводится в желоб 27 под окалину и способствует тем самым понижению уровня воды после процесса охлаждения. Основная часть окалины оседает на дне охлаждающего бассейна 1, так что время от времени дно бассейна очищают.
Стекающая с плоской заготовки или листа 2 вода попадает в бассейн 1 и оттуда через переливное устройство 15а отводится в подпиточный бассейн 14.
В этом очень схематично представленном на фиг.5 процессе охлаждения путем закалки плоской заготовки или листа 2 в режиме сопловой струйной обработки путем распыления через сопла 10 сопловых балок 11а, 11b канал 28 подпитки и отвода (ср. фиг.2) во время охлаждения остается закрытым. В связи с низким в режиме струйной обработки аккумулируемым объемом уже в процессе охлаждения может быть достигнута верхняя граница допустимой температуры воды. Поэтому после процесса часть нагретой воды откачивается насосом 29 в желоб 27 под окалину. После чего подается свежая вода из канала 30 прямого охлаждения, пока не будет восстановлена начальная температура.
Объем отвода и подачи свежей воды зависят от конечной температуры последнего процесса и от начальной температуры следующей программы охлаждения. Объем отвода и подачи свежей воды включается через уровень наполнения в подпиточном бассейне 14. При высокой потребности в холоде уровень бассейна 1 может быть дополнительно понижен через байпас 31 (ср. фиг.2).
Опять же очень схематично на фиг.4 показан другой процесс охлаждения. В той же охлаждающей установке или охлаждающем бассейне 1, что и при режиме сопловой струйной обработки, может осуществляться процесс закалки в вихревом режиме, то есть с постоянным сильным течением, как показано также на фиг.3 волнистыми линиями в охлаждающем бассейне 1.
В вихревом режиме плоская заготовка или лист 2 погружается в бассейн 1, наполненный водой до высокого уровня 13b, и одновременно нагружается водой из охлаждающих сопловых балок 11а, 11b. Вода соплами 10 приводится в циркуляцию, из свободной конвекции создается принудительная конвекция, обеспечивающая лучшую теплопередачу от плоской заготовки или листа 2 к воде, чем при простом погружении.
Функция фильтра 26 и насосов 25а, 25b или насоса 29 идентична, что в режиме струйной обработки, так и в управлении приточной водой. Однако в связи с большим аккумулируемым объемом в вихревом режиме возможна более высокая начальная температура охлаждения или при более низкой начальной температуре охлаждения возможно осуществление нескольких процессов охлаждения до достижения допустимой верхней границы температуры воды.
Таким образом, в зависимости от качества материала и необходимых свойств (структуры), без дополнительных агрегатов, в одной и той же охлаждающей установке 20 можно варьировать процессы охлаждения согласно заложенной модели охлаждения. Процесс охлаждения как единое целое осуществляется согласно физико-математической модели охлаждения через подключенную вычислительную машину, обеспечивающую также регулирование температуры воды, напора воды, объемного потока и расстояния между соплами сопловых балок и поверхностью плоской заготовки или листа. Помимо вихревого режима и режима струйной обработки в той же охлаждающей установке 20 по усмотрению может также осуществляться охлаждение путем погружения без сопловой струйной обработки.