УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОЧИСТКИ ИЗДЕЛИЯ С ПОДЛЕЖАЩИМ УДАЛЕНИЮ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ
APPARATUS AND METHOD FOR CLEANING ARTICLE WITH SURFACE LAYER TO BE REMOVED

Настоящее изобретение относится к устройству для очистки, в частности, для удаления окалины, изделия, перемещаемого относительно указанного устройства в одном направлении перемещения и имеющего подлежащий удалению поверхностный слой, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к способу для очистки изделия согласно ограничительной части пункта 13 формулы изобретения.
Обычные устройства для очистки, в частности, для удаления окалины, изделий с подлежащим удалению поверхностным слоем, в частности, материала, подвергаемого горячей прокатке, с подлежащим удалению слоем окалины, известны, например, из документов DE 43 28 303 C2 или EP 1 798 424 B1. Такое устройство для удаления окалины служит для удаления окалины на стали, посредством, например, высоконапорной водяной струи, ударяющей под высоким давлением по поверхности прокатываемого материала. Плоские струйные сопла, используемые для этой цели, прикреплены к цилиндрическому держателю сопел, причём держатель сопел выполнен с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной прокатываемому материалу, при этом поверхность прокатываемого материала, который проводят сквозь указанное устройство, подвергают обработке неоднократно, чтобы удалить окалину с прокатываемого материала.
В двух цитируемых документах несколько сопловых головок, каждая из которых имеет множество плоских струйных сопел, расположено рядом друг с другом перпендикулярно направлению перемещения прокатываемого материала.
Недостатком указанных чистящих устройств, известных из уровня техники, является, прежде всего, то, что в результате вращения расположенных на них сопловых головок с плоскими струйными соплами на краевые части прокатываемого материала воздействует большее количество жидкости, чем на центральные части, что приводит к так называемым тепловым следам на прокатываемом материале из-за неоднородного охлаждения указанного прокатываемого материала при струйном распылении.
Кроме того, частицы окалины могут быть удалены в направлении перемещения прокатываемого материала при удалении указанной окалины с прокатываемого материала, что создаёт риск того, что при последующей прокатке частицы окалины, ранее удалённые посредством жидкости под давлением, вернутся на поверхность прокатываемого материала при последующей прокатке.
Дополнительным недостатком предшествующего уровня техники является тот факт, что не только окалина, но и сама распыляемая жидкость не удаляются направленным образом с прокатываемого материала на верхней части указанного прокатываемого материала. Получаемое в результате длительное и неопределённое время пребывания жидкости на поверхности прокатываемого материала создаёт снижающий качество демпфирующий эффект для последующих ударяющих струй, вызывает охлаждение прокатываемого материала, что нежелательно по энергетическим причинам, и неблагоприятную с точки зрения надёжности разницу температуры между нижней и более холодной верхней частями прокатываемого материала.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании устройства и способа для очистки изделий, перемещаемых в направлении перемещения относительно устройства и имеющих подлежащий удалению поверхностный слой, причём указанные устройство и способ устраняют вышеупомянутые недостатки и могут работать в режиме экономии как жидкости, так и энергии.
Указанная техническая проблема может быть решена посредством устройства для очистки с признаками по п. 1 формулы изобретения. Указанная техническая проблема может быть также решена посредством способа для очистки с признаками по п. 12 формулы изобретения.
Устройство для очистки согласно изобретению имеет по меньшей мере один держатель сопел, закреплённый с возможностью вращения на центральной опоре, перпендикулярной или наклонной к подлежащему обработке поверхностному слою.
По меньшей мере один держатель сопел имеет по меньшей мере одно струйное сопло, закрепленное в плече держателя сопел, из которого при работе выходит жидкость под давлением.
Указанное струйное сопло расположено так, что на поверхностный слой воздействует струя жидкости, выходящая при работе из струйного сопла под наклоном к поверхностному слою.
В этом случае по меньшей мере одно струйное сопло установлено с возможностью вращения на держателе сопел вокруг вращающегося вала, ориентированного параллельно центральной опоре, причём указанное струйное сопло выполнено с возможностью вращения при работе так, что угол между направлением перемещения изделия и направлением струи жидкости, выходящей из струйного сопла, является постоянным в плоскости поверхностного слоя.
Вращающийся вал расположен в центральной опоре с линией подачи для жидкости под давлением, соединенной с линией подачи в соответствующем плече держателя сопел, выходящего во входное отверстие корпуса струйного сопла.
Вектор, определяющий направление выхода струи жидкости под давлением от 80 бар до 1000 бар из струйного сопла, не имеет компонента в направлении перемещения изделия.
Это позволяет выставлять струю жидкости, устраняющую подлежащий удалению слой, в частности, окалину, с одновременным вращением держателя сопел всегда в одном направлении, что, с одной стороны, позволяет равномерно воздействовать на поверхностный слой, в частности, на поверхность прокатываемого материала, обеспечивая при этом возможность использования значительно меньшего количества жидкости благодаря уменьшению различий в расходе удельной энергии нескольких поверхностей прокатываемого материала, подвергаемых обработке.
Во-вторых, направление струи струйного сопла поддерживают постоянным, что позволяет выставлять струйные сопла так, чтобы они всегда подавали струю с заранее заданной скоростной компонентой, противоположной направлению перемещения изделия, причём это позволяет не допустить скопления отделённых частей окалины на прокатываемом материале и за пределами устройства для удаления окалины и не допустить перемещения их назад на поверхность прокатываемого материала при последующей прокатке, а также не допустить слишком продолжительного нахождения распыляемой жидкости на верхней части прокатываемого материала, что могло бы привести к нежелательному охлаждению и тепловой асимметрии.
Направление выхода струи жидкости из струйного сопла обеспечивает удаление поверхностных частиц, удаляемых указанной струёй, с поверхности изделия в направлении, противоположном направлению перемещения изделия.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются объектами зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере одно струйное сопло выполнено с возможностью приведения в движение посредством зубчатой передачи. Указанная зубчатая передача, в частности, предпочтительно выполнена так, что в каждом плече держателя сопел установлена с возможностью вращения первая шестерня, входящая в зацепление с центральной второй шестернёй, закрепленной на центральной опоре без возможности вращения, и с третьей шестернёй, закрепленной на струйном сопле без возможности вращения, причём первая и третья шестерни имеют одинаковый размер, так что значения скоростей вращения струйного сопла и держателя сопел является одинаковыми.
Возможность выбора радиуса первой шестерни также позволяет размещать струйные сопла на разных расстояниях от вращающегося вала держателя сопел, так что обеспечивается возможность формирования держателей сопел с несколькими плечами разной длины, что предпочтительно с точки зрения равномерного распределения гидравлической энергии струи по поверхности.
Чтобы обеспечить возможность приведения во вращение держателя сопел, держатель сопел присоединён без возможности вращения согласно предпочтительному варианту осуществления к приводимому во вращение вращающемуся валу, расположенному в центральной опоре, причём линия подачи жидкости под давлением расположена во вращающемся валу.
В качестве альтернативы, согласно ещё одному варианту осуществления изобретения четвёртая шестерня, приводимая в движение приводной шестернёй, расположена на самом держателе сопел без возможности вращения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления держатель сопел имеет по меньшей мере два плеча, на каждом из которых установлено с возможностью вращения струйное сопло.
Согласно ещё одному предпочтительному варианту осуществления множество держателей сопел расположено рядом друг с другом, причём радиусы вращения участков, образованных плечами держателя сопел, частично перекрывают друг друга. Это позволяет выполнить устройство с несколькими такими держателями сопел согласно ширине прокатываемого материала.
Согласно ещё одному предпочтительному варианту осуществления изобретения ориентация струйных сопел, задающая угол между направлением перемещения прокатываемого материала и линией удара струи жидкости, выходящей из струйного сопла, может быть задана предварительно.
Способ согласно изобретению отличается тем, что, когда поверхностный слой, в частности, поверхность прокатываемого материала, подвергают воздействию струи жидкости, по меньшей мере одно струйное сопло поворачивают относительно вращающегося держателя сопел вокруг вращающегося вала, ориентированного параллельно центральной опоре держателя сопел, так что угол между направлением перемещения изделия, в частности, прокатываемого материала, и линией удара струи жидкости, выходящей из струйного сопла, поддерживают постоянным.
В этом случае струйное сопло поворачивают относительно вращающегося держателя сопел так, что направление выхода струи жидкости из струйного сопла всегда противоположно направлению перемещения изделия.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 показана аксонометрическая проекция первого варианта осуществления устройства с двухплечевым держателем сопел;
- на фиг. 2 показан вид в разрезе устройства, показанного на фиг. 1;
- на фиг. 3 показана аксонометрическая проекция альтернативного варианта осуществления устройства согласно изобретению с держателем сопел, имеющим три плеча;
- на фиг. 4 показан вид в вертикальном разрезе устройства, показанного на фиг. 3;
- на фиг. 5 показана аксонометрическая проекция множества устройств, расположенных в ряд, согласно фиг. 3;
- на фиг. 6a-6d показан вид снизу устройства, показанного на фиг. 1, в разных по времени положениях вращения;
- на фиг. 7a-7d показан вид сверху на устройства, образованные согласно фиг. 3, в разных по времени положениях вращения;
- на фиг. 8 показан вид сверху на устройства, образованные согласно фиг. 3, с различной ориентацией струйных сопел.
В нижеследующем описании чертежей такие термины, как выше, внизу, слева, справа, спереди, сзади и т.д., относятся исключительно к показанным в качестве примера представлению и расположению прокатываемого материала, центральной опоры, держателя сопел, плеча, струйного сопла и т.п., показанным на соответствующих чертежах. Указанные термины не являются ограничивающими, так что эти ссылки могут меняться, как результат разных рабочих положений или зеркально-симметричной конструкции или тому подобным.
На фиг. 1, 2 и 6a-6d показан первый вариант осуществления устройства 1 согласно изобретению для очистки, в частности, для удаления окалины, изделия 2, перемещаемого относительно устройства в направлении х перемещения и имеющего подлежащий удалению поверхностный слой, в частности, материала, подвергаемого горячей прокатке, в частности, слябов или полос, посредством жидкости под давлением.
Изобретение будет также описано на основе устройства и способа для удаления окалины с подвергаемого горячей прокатке материала, перемещаемого относительно указанного устройства в направлении X перемещения, но без ограничения этим применением.
Прокатываемыми материалами, подлежащими обработке для удаления окалины, являются, в частности, слябы или полосы. Указанное устройство можно использовать также для других изделий из стали.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 1, 2 и 6a-6d, устройство имеет двухплечевой держатель 3 сопел с двумя плечами 31 и 32, который установлен с возможностью вращения относительно центральной опоры 5.
Чтобы обеспечить возможность приведения держателя 3 сопел во вращение, шестерня 6 установлена без возможности вращения на держателе 3 сопел и находится в положительном зацеплении с приводной шестернёй (не показана), обеспечивая, таким образом, вращение держателя 3 сопел.
Из нижней части держателя 3 сопел, обращённой к прокатываемому материалу 2, из каждого из плеч 31, 32 выступает струйное сопло 4, через которое выходит жидкость под давлением, например, вода, для отделения и удаления слоя окалины с поверхности прокатываемого изделия.
В вариантах осуществления, показанных на чертежах, струйное сопло 4 выполнено как плоское струйное сопло, которое выпускает струю 12 жидкости под углом β распыления предпочтительно от 0 до 90°, особенно предпочтительно от 10° до 50°, на поверхность прокатываемого материала. Под углом β распыления здесь понимают угол рассеяния струи жидкости от конца канала струйного сопла до обрабатываемой поверхности.
Струйное сопло 4 выставлено так, что выходящая струя 12 жидкости имеет угол γ атаки от 0° до 40°, предпочтительно от 5° до 20°, к нормали обрабатываемой поверхности.
Используемые давления составляют от 80 до 1000 бар, предпочтительно в диапазоне от 200 до 400 бар.
Каждое из струйных сопел 4 окружено корпусом 41, на котором снаружи установлена без возможности вращения вторая шестерня 9, 10. Корпус 41 удерживается с возможностью вращения в держателе 3 сопел.
Подача жидкости под давлением, которая при работе поступает из струйного сопла 4, выполняется через линию 14 подачи, которая загерметизирована посредством вращающегося уплотнения 42 и выходит во входное отверстие 43 в корпусе 41 сопла.
Чтобы синхронизировать вращение держателя 3 сопел с соответствующим противоположным вращением струйного сопла 4, первая шестерня 7, 8 установлена с возможностью вращения, как показано на фиг. 2, на каждом плече 31, 32 держателя 3 сопел, причём указанная шестерня входит в зацепление с центральной второй шестернёй 11, закреплённой на центральной опоре 5 без возможности вращения, и с третьей шестернёй 9, 10, закреплённой на струйном сопле 4 без возможности вращения.
Первая шестерня 7, 8 и третья шестерня 9, 10 в этом случае имеют одинаковый радиус, так что скорость вращения держателя 3 сопел вокруг центральной оси 5 соответствует скорости вращения струйных сопел 4 относительно держателя 3 сопел.
Благодаря вращению струйных сопел 4 относительно держателя 3 сопел, выполненного здесь в виде панели сопел, и вращательному движению держателя 3 сопел относительно центральной оси 5, обеспечивается возможность, как показано на фиг. 6а-6d с разбивкой по времени, поддержания постоянного угла α между направлением X перемещения прокатываемого материала и линией удара струи 12 жидкости, выходящей из струйного сопла 4. Термин "линия удара" обозначает большую ось поверхности соударения, которая является эллиптической в нормальном направлении приложения.
Струя 12 жидкости, которая ударяется о поверхность прокатываемого материала линейно и с наклоном к указанной поверхности, вызывает постоянное удаление окалины с поверхности прокатываемого материала, при этом отделённая окалина и распыляемая жидкость всегда смываются в том же направлении относительно направления X перемещения прокатываемого материала. Дополнительно, расход воды и энергии может быть значительно уменьшен по сравнению с устройствами для удаления окалины, известными из уровня техники, поскольку многократная обработка поверхности прокатываемого материала происходит более однородно и эффективно, что, с одной стороны, уменьшает расход жидкости, в частности, воды, а с другой стороны, способствует снижению потребления энергии, поскольку оптимизированное многократное воздействие воды под давлением меньше охлаждает прокатываемый материал, и потому указанный материал требует меньше энергии на нагрев перед следующей прокаткой.
При формировании привода струйного сопла и держателя 3 сопел в виде зубчатой передачи, образованной из нескольких шестерней 7, 8, 9, 10, 11, направление b выхода предпочтительно регулируется путём начальной регулировки направления b выхода струйного сопла 4 так, что вектор, определяющий направление b выхода струи 12 жидкости из струйного сопла 4, не имеет компонента в направлении X перемещения прокатываемого материала 2, обеспечивая при этом отсутствие перемещения отделённых частиц окалины в направлении X перемещения прокатываемого материала, что в противном случае привело бы к повторной прокатке ранее отделённых устройством частиц окалины при последующей прокатке.
На фиг. 3-5 и 7 показан другой вариант осуществления устройства согласно изобретению. В указанном варианте осуществления трёхплечевой держатель 3 сопел образован тремя плечами 31, 32 и 33.
Плечи 31, 32, 33 различаются радиальной длиной в радиальном направлении к центральной опоре 5, причём струйные сопла 4 также расположены на соответствующих плечах держателя 3 сопел, так что они выполнены с различным расстоянием от вращающегося вала держателя 3 сопел.
Держатель 3 сопел в варианте осуществления, показанном на фиг. 3-5 и 7, приводят в движение через вращающийся вал 16, расположенный в центральной опоре 5. Один конец вращающегося вала 16 выступает из фланца двигателя, на котором может быть закреплён двигатель, приводящий в движение вращающийся вал 16.
Ниже указанного конца вращающегося вала 16 выполнено входное отверстие для высоконапорного соединения 17, расположенного на корпусе 51 центральной опоры 5, через которое жидкость под давлением поступает в линию 13 подачи, встроенную во вращающийся вал 16.
Вращающийся вал 16 предпочтительно установлен на роликоподшипниках в корпусе 51 центральной опоры 5.
Кроме того, на корпусе 51 центральной опоры 5 выполнен крепёжный фланец 52, посредством которого корпус 51 может быть прикреплён к носителю, расположенному над или под линией транспортировки, вдоль которой перемещают прокатываемый материал 2.
На цилиндрической части корпуса 51, находящейся в зацеплении с держателем 3 сопел, закреплена по окружности и без возможности вращения вторая шестерня 11, а участок вращающегося вала 16, проходящий в держатель 3 сопел, соединён с держателем 3 сопел без возможности вращения.
Если вращающийся вал 16 приведён во вращение, то держатель 3 сопел может вращаться вместе с ним. В результате первые шестерни 7, 8 и 18 в держателе 3 сопел могут вращаться относительно неподвижной второй шестерни 11, так что в результате вращательного движения первых шестерней 7, 8, 18 третьи шестерни 9, 10, 19 также могут вращаться в противоположном направлении, и, таким образом, ориентация струйных сопел 4 относительно корпуса 51 центральной опоры 5 поддерживается постоянной.
На фиг. 5 показана компоновка нескольких расположенных рядом друг с другом устройств для удаления окалины с трёхплечевыми держателями сопел. Устройства 1 расположены относительно друг друга с возможностью вращения в противоположных направлениях. Отдельные устройства могут быть также размещены и приведены в движение так, чтобы соответственно соседние держатели 3 сопел могли вращаться в одном и том же направлении.
Ориентация струйных сопел 4 показана на фиг. 7a-7d. Ясно показано, что поверхность линейного удара жидкости под давлением выставлена аналогично в каждом из положений вращения держателя 3 сопел.
На фиг. 8 показана альтернативная ориентация струйных сопел 4, при которой положения вращения держателей 3 сопел выставлены над левой частью поверхности прокатываемого материала с углом β распыления около 45° относительно направления х перемещения прокатываемого материала наружу, а положения вращения держателей 3 сопел выставлены над правой частью поверхности прокатываемого материала с углом β  распыления около 45° относительно направления х перемещения прокатываемого материала наружу.
Также можно, например, обеспечить отдельное выставление каждого из струйных сопел 4. В этом случае важно выставить угол β распыления струйных сопел 4 относительно направления перемещения прокатываемого материала и, таким образом, не допустить того, чтобы отделённые частицы окалины оставались на прокатываемом материале на другой стороне устройства для удаления окалины, что в противном случае может привести к прикатке их к поверхности прокатываемого материала при последующей прокатке, а также не допустить того, чтобы распыляемая жидкость оставалась слишком долго на верхней части прокатываемого изделия, что может привести к нежелательному охлаждению и тепловой асимметрии.
В способе согласно изобретению для удаления окалины подвергаемого горячей прокатке материала, перемещаемого поступательно относительно рассматриваемого устройства в направлении х перемещения, посредством жидкости под давлением с использованием описанного устройства, по меньшей мере одно струйное сопло 4 при работе выполнено с возможностью вращения во время воздействия на поверхность прокатываемого материала струёй 12 жидкости вокруг вращающегося вала, выставленного параллельно центральной опоре 5 держателя 3 сопел относительно вращающегося держателя 3 сопел так, что угол α между направлением x перемещения прокатываемого материала 2 и линией удара струи 12 жидкости, выходящей из струйного сопла 4, поддерживают постоянным. В этом случае струйное сопло 4 предпочтительно выполнено с возможностью вращения относительно вращающегося держателя 3 сопел так, что направление выхода струи 12 жидкости из струйного сопла 4 всегда имеет предварительно заданную скоростную компоненту, противоположную направлению х перемещения прокатываемого материала 2.
Список номеров позиций
1 Устройство
2 Изделие
3 Держатель сопел
31 Плечо
32 Плечо
33 Плечо
4 Струйное сопло
41 Корпус
42 Вращающееся уплотнение
43 Входное отверстие
5 Центральная опора
51 Корпус
52 Крепёжный фланец
6 Шестерня
7 Шестерня
8 Шестерня
9 Шестерня
10 Шестерня
11 Шестерня
12 Струя жидкости
13 Линия подачи
14 Линия подачи
15 Роликоподшипник
16 Вращающийся вал
17 Высоконапорное соединение
18 Шестерня
19 Шестерня
a Направление вращения
Х Направление перемещения
b Направление выхода
α Угол между X и линией удара
β Угол распыления
γ Угол атаки.