Устройство для охлаждения проката

 

Использование: в термической обработке металлов, при производстве железнодорожных рельсов или другого проката. Сущность изобретения: канал подвода сжатого воздуха выполнен в виде стакана 4. закрепленного одним концом в камере 3 сжатого воздуха, а другим - в коническом диффузоре 5. Устройство снабжено спиралевидной направляющей 6 сжатого воздуха, а канал 10 подвода жидкости выполнен внутри со спиралевидной направляющей, на конце которой смонтирован распылитель 11 жидкости с кольцевыми щелевидными

СОЮЗ COBETCKVIX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4947676/27 (22) 21.06.91 (46) 07.03.93. Бюл. М 9 (71) Украинский научно-исследовательский институт металлов (72) Д.К.Нестеров, В,Е.Сапожков, Н.Ф.Левченко, В.А.Сахно, Г.М.Чабань, Е;И.Чернов, А.И.Шевченко, Л.С.Тихонюк, В.Н.Бардусов, А.Г.Ремпель и Т.M,Ïåäeð (73) Украинский научно-исследовательский институт металлов (56) Авторское свидетельство СССР

Ь 279674, кл. С 21 0 1/02, 1970.

Авторское свидетельство СССР

М 1571084, кл, С 21 О 1/62, 1990.,, Ы 1801038 А3 (si)s В 21 В 45/02, С 21 D 1/62 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ

ПРОКАТА (57) Использование: в термической обработ- . ке металлов, при производстве железнодорожных рельсов или другого проката.

Сущность изобретения: канал подвода сжатого воздуха выполнен в виде стакана 4, закрепленного одним концом в камере 3 сжатого воздуха, а другим — в коническом диффузоре 5. Устройство снабжено спиралевидной направляющей 6 сжатого воздуха, а канал- 10 подвода жидкости выполнен внутри со спиралевидной направляющей, на конце которой смонтирован распылитель

11 жидкости с кольцевыми щелевидными

1801038

20

40

45 каналами 12, расположенными с наклоном относительно оси канала подвода сжатого воздуха, при этом смонтированный на конце спиралевидной направляющей распылитель жидкости и конический диффуэор установлены с возможностью регулируемого осевого перемещения. Спиралевидная

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано на металлургических комбинатах, производящих профили проката, в частности железнодорожные рельсы, подвергаемые поверхностному охлаждению, а также может быть использовано для охлаждения листов и полос или охлаждения другого профиля.

Целью изобретения является расширение диапазона дисперсности охлаждающего .потока при увеличенных скоростях истечения и повышение его однородйости, На фиг, 1 изобра>кено устройство для охлаждения проката, общий вид; на фиг. 2-. сечение данного устройства в масштабе 1:1; на фиг. 3 — узел на фиг. 2 (распылитель жидкости); на фиг, 4 — вид Б на фиг. 3.

Устройство для охлаждения проката (фиг. 1 и 2) состоит из корпуса 1, который содержит камеру 2 для охлаждения (вода,: эмульсии, пар, масло) и камеру 3 для сжатого воздуха (газ) разделенные перегородкой, Канал для подвода сжатого воздуха, выполненный в виде стакана 4, закреплен одним концом в камере 3 для сжатого воздуха, а другим концом — в коническом диффузоре 5.

Внутри канала 4 подвода сжатого воздуха (стакана) установлена с зазором направляющая 6 сжатого воздуха, на которой находится спираль 7 с переменным шагом, Одним концом спиралевидная направляющая.6 вворачивается в держатель 8, который вмонтирован в перегородку 9. Внутри-направляющей выполнен вертикальный канал

10 подвода жидкости. Другим концом направляющая 6 соединена с распылителем

11 жидкости с кольцевыми щелевидными каналами 12, которые расположены с наклоном относительно оси канала 4 подвода сжатого воздуха (фиг,.3), Распылитель 11 жидкости установлен на спиралевидной направляющей 6 с воэможностью регулируемого осевого перемещения и фиксированием заданного положения при помощи фиксатора 13 (фиг. 3). В нижней части канала 4 для подвода сжатого воздуха направляющая выполнена с переменным шагом спирали, уменьшающимся по направлению к распылителю жидкости, Выходящая часть конического диффузора выполнена из двух сопряженных между собой цилиндрической и расширяющейся конической частей. 2 э.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил. установлен конический диффузор 5 с возможностью регулируемого осевого перемещения. Нижняя часть спиралевидной направляющей 6 со спиралью 7, на конце которой смонтирован распылитель 11 жидкости, совместно с внутренней частью диффузора 5 образуют камеру 14 смешения жидкости и сжатого воздуха. Распылитель

11 жидкости в нижней части заканчивается четырехгранным буртиком 15 регулировки осевого перемещения распылителя. Положение конического диффузора 5 после осевого перемещения закрепляется контргайкой 16, Конический диффузор 5 выполнен иэ двух сопряженных между собой цилиндрической 17 и конической 18.частей.

Устройство снабжено патрубками подвода жидкости 19 и сжатого воздуха (газа) 20, Наличие в устройстве съемных конического диффузора 5, спиралевидной направляющей 6 и распылителя жидкости 11 позволяет производить быструю прочистку и продувку сжатым воздухом.

Устройство для охлаждения проката работает следующим образом.

В камеру 2 через патрубок 19 под давлением подается охладител ь (вода, змул ьсии, пар,масло), который попадает в канал

10 подвода жидкости спиралевидной направляющей 6. Жидкость, пройдя канал 10, попадает в распылитель 11 жидкости, где через кольцевые щелевидные каналы 12, расположенные наклонно относительно оси канала подвода сжатого воздуха (фиг, 3), вытекает в камеру 14 смешения, Затем через патрубок 20 подается сжатый воздух, который по спиралевидной направляющей

7, выполненной с переменным шагом, расположенной в канале 4 для подвода воздуха, направляется к распылителю 11 жидкости

Основная часть воздуха, проходя по спиралевидной направляющей 7 с переменным шагом, принимает вращательное движение и выходит иэ канала 4 с большой скоростыд, Воздух, встречаясь в камере 14 смешения с жидкостью, разбивает ее на мельчайшие фракции, образуя при этом водовоэдушную

1801038 смесь высокой степени дисперсности с вращательным движением. Другая часть воздуха, незначительная, через боковые зазоры, расположенные по всему периметру канала

4 подвода сжатого воздуха, также движется к распылителю 11 жидкости, образуя дополнительный поток воздуха, усиливающий первоначальное распыление жидкости. Образующаяся в камере 14 смесь жидкости и воздуха (водовоздушная смесь).движется к

10 выходящей части конического диффузора 5, который в нижней части сужается и переходит вначале в цилиндрическую часть 17 диффузора, где охлаждающая смесь

15 уплотняется и выходит с увеличенной скоростью истечения, а затем переходит в коническую 18, где она приобретает заданное направление движения на поверхность головки рельса или другого проката.

Заявляемое устройство работает также

20 в режиме одного сжатото воздуха, при этом распылитель 11 жидкости заворачивается до упора буртиком 15 регулировки осевого перемещения и закрепляется фиксатором

13, в результате чего кольцевые щелевид- 25 ные каналы 12 перекрываются наружной частью спиралевидной направляющей 6., Путем регулировки осевого перемещения распылителя 11 жидкости можно изменять

30 зазор кольцевого щелевидного канала 12 от нуля до максимума, например до 3 мм и более, и тем самым уменьшать или увеличивать истечение жидкости через кольцевые щелевидные каналы 12. Изменяя расход жидкости при постоянном расходе сжатого воздуха (по давлению), можно уменьшать или увеличивать диапазон дисперсности ох лаждающего потока от чисто сжатого воздуха до однородной водовоздушной смеси с повышенным расходом воды при увеличенных скоростях истечения охладителя из диффуэора 5, При этом конический диффу35

40 зор 5 также, как и распылитель 11 жидкости выполнен с возможностью регулируемого осевого перемещения, что позволяет умень- 45 . шать или увеличивать объем камеры 14 смещения сжатого воздуха и воды и тем самым увеличивать ее однородность и скорость истечения из диффуэора 5.

Достоинством конструкции предлагае- 50 мого устройства является также возможность автономной настройки каждой форсунки на получение того или иного охладителя, т.е. сжатый вОэдух, увлажненный сжатый" воздух и водовоздушная смесь с 55 различным количеством дисперсных водяных фракций.

Таким образом, регулируя расход охладителя через кольцевые щелевидные кана. лы 12 при помощи осевого перемещения распылителя 11, а также увеличивая или уменьшая обьем камеры 14 смешения осевым перемещением конического диффузора

5 можно расширять или уменьшать диапазон дисперсности охлаждающего потока от сжатого воздуха до водовоздушной смеси с высокой степенью ее дисперсности и скорости истечения иэ диффузора как по длине устройства, так и отдельно его взятых форсунок. Такой широкий диапазон изменения состояния охладителя позволяет производить охлаждение головки рельса, перемещающегося с определенной скоростью через зону охлаждения,или другого и роката. с минимальной, умеренной или максимальной скоростью отбора тепла. Пои этом заданные скорости охлаждения можно получить путем автономной настройки каждого распылителя устройства, что очень важно с точки зрения охлаждения головки рельсов из заэвтектоидной углеродистой и низколегированной сталей, нагретой токами высокой частоты, где требуется применение различных скоростей охлаждения в определенных температурных интервалах формирования структуры, свойств и остаточных напряжений закаленного слоя.

Опытную проверку заявленного устройства проводили на лабораторной высокочастотной установке путем термической обработки проката, например рельсовых полнопрофильных проб длиной 1000 мм с нагрева токами высокой частоты (ТВЧ). Технологическая схема термообработки рельсовых проб .полностью соответствовала схеме термообработки рельсов с нагрева

ТВЧ в промышленных условиях и была следующая: нагрев головки ТВЧ до 930 — 950 С. первичное охлаждение заявляемым устройством до 470 — 520 С, самоотпуск и последующее охлаждение головки рельса водой до комнатной температуры, При первичном охлаждении в интервале температур 950-470 С происходит полностью формирование структуры, свойств и глубины закаленного слоя.

Самоотпуск рельсовых проб применялся для выравнивания температуры по всему сечению слоя головки прогретого ТВЧ. Вторичное охлаждение применялось для окончательного охлаждения головки рельсовых проб до комнатной температуры.

На лабораторной установке головку рельсовых проб нагревали ТВЧ до температуры 940 С. а охлаждение осуществляли до

500» 10 С устройством заявляемой конструкции длиной 500 мм, которое содержало пять параллельно расположенных форсунок. Охлаждению подвергали рельсовые пробы из сталей; 1 — углеродистой текущего производства (0,757 С; 0,82 Мп; 0,24

1801038

Sl), 2 — углеродистой заэвтектоидной (0,88

С; 0,867; Мп; 0,27 Si); 3 — низколегированной заэвтектоидной (0,88 С; 0,91 Мп;

0,30 j Я! и О,б Сг).

l. Охлаждение сжатым воздухом рельсовых проб из стали составов 1, 2 и 3 производили при помощи заявляемого устройства, при этом давление сжатого воздуха составило 300 кПа (3 атм). Кольцевые щелевидные каналы 12 (фиг. 2, 3) перекрывали путем установления распылителя жидкости 11 в верхнее предельное положение и закрепления распылителя фиксатором 13. Сжатый воздух подавался в камеру 3 через патрубок 20, откуда по спиралевидной направляющей 6 поступал в камеру смешения 14, а затем в конический диффузор 5. Выходя из диффузора 5, сжатый воздух приобретал вращательное движение, что позволило значительно увеличить теплосъем с поверхности головки рельса по сравнению с сжатым воздухом, выходящим прямолинейно.

При этом получен следующий комплекс свойств металла закаленного слоя (см. табл.

1).;

I1. Охлаждение водовоздушной смесью рельсовых проб из сталей составов 1, 2 и 3.

Охлаждение рельсовых проб водовоздушной смесью осуществляли с использованием следующих технологических режимов: давление сжатого воздуха 300 кПа (3 ати), давление воды 200 кПа (2 ати). Температура воды 28 С, расход воды 2,8 л/мин. Охлаждение производили по следующей схеме: вода подавалась в камеру 2 через патрубок

19, откуда по каналу подвода жидкости 10 она поступала в распылитель 11 жидкости и камеру смешения 14, Сжатый воздух подавался в камеру 3 через подводной патрубок

20, а затем по спиралевидной направляющей 6 поступал B камеру 14 смешения, Расход заданного количества воды, вытекающей через кольцевые щелевидные каналы 12,осуществлялся путем регулировки распылйтеля 11 жидкости с установлением зазора,равного1,5 мм при максимальном раскрытии щели канала 12, равном 3 мм, при этом заданный зазор образовался наружной стороной канала спиралевидной направляющей 6 и внутренней стороной распылителя 11 жидкости, В камере 14 смешения вода разбивалась на мельчайшие частички сжатым воздухом, выходящим из спиралевидной направляющей 6 и еще дополнительно воздухом, проходящим по боковым зазорам, образованным внутренней стенкой канала 4 подвода воздуха и наружной частью спиралевидной направляющей

6, На выходе из диффузора 5 смесь состояла иэ мельчайших частичек воды в сочетании с воздухом (водовоздушная смесь высокой степени дисперсности) с вращательным направлением движения, поступающего на поверхность головки рельса, что способст5 вовало повышенному теплосъему. Кроме того, регулируя осевое перемещение конического диффузора 5 изменяли объем камеры смешения 14 и тем самым дисперсность образующейся смеси.

10 После охлаждения головки рельсовой пробы по вышеописанной схеме получен следующий комплекс свойств (см.табл, 2).

После закалки рельсовых проб сжатым воздухом и водовоздушной смесью по вы15 шеприведенным режимам свойства металла закаленного слоя головки были выше требований технических условий (ТУ 14-2651-85) на рел ьсы текущего и роизводства. закаленные с нагрева ТВЧ и требований (ТУ

20 14-2-499-82) на рельсы из углеродистой и низколегированной заэвтектоидных сталей, подвергнутых комбинированной термообработке (циклический сфероидизирующий отжиг и последующая поверхностная эакал25 ки головки с нагрева ТВЧ), которые должны соответствовать: Н B = 340 — 388; и, «1176

Н/мм; оо,г «1098 Н/мм; д; «6; ф «25 ;

KCU «25 Дж/см; структура — сорбит — тро2. остит; глубина закаленного слоя: по оси го30 ловки «11 см, на выкружках головки рельса «13 мм.

При закалке рельсовых проб с более повышенным расходом воды, например. 3,8 л/мин, при неизменных остальных вышеот35 меченных параметрах механические свойства металла закаленного слоя головки рельса увеличиваются, в плаСтические свойства начинают снижаться, что связано с предельным расходом воды в водовоздушной

40 смеси.

Полученные положительные результаты лабораторных испытаний данного устройства послужили основанием для проверки его в промышленных условиях. Установлено, 45 что устройство данной конструкции поэволяет производить закалку рельсов не только из углеродистой стандартной стали, но и углеродистой заэктектоидной, а также легированной до- и заэвтектоидной сталей с

50 обеспечением повышенных механических свойств на 13 — 18, твердости по поверхно.сти головки рельса на 20-40 НВ и получить оптимальную структуру закалки, чего невозможно достичь, используя устройство, выбранное в качестве прототипа. При этом по сравнейию с прототипом, т.е, применяемым в настоящее время на меткомбинате "Азовсталь обеспечивается увеличенная глубина закаленного слоя на 4-10 мм с повышенной

1801038

10 твердостью на НВ 10-30 (в зависимости от обеспечения данным устройством того или иного охладителя); получить в закаленном

crusoe головки рельса однородную мелкозернистую и высокодисперсную структуру закалки, а также равномерное распределение твердости как по длине, так и по глубине с наличием площадки повышенной твердости на глубине до 10-12 мм, Кроме того, выявлено, что при охлаждении головки рельса данным устройством с применением в качестве охладителя сжатого воздуха и водовоздушной. смеси при закалке с нагрева ТВЧ, практически полностью устраняется развитие имеющихся на головке рельса еще до закалки скрытых поверхностных дефектов за счет формирования остаточных напряжений сжатия минимальной величины, чего невозможно достичь при аналогичной закалке головки рельсов существующими охлаждающими устройствами (прототип).

По сравнению с прототипом заявляемое изобретение обладает следующими преимуществами;

1, Увеличивается диапазон регулируемости дисперсности и однородности охлаждающего потока от сжатого воздуха до водовоэдушной смеси с максимальным расходом. воды;

2. На 25 — 35 увеличивается скорость истечения с вращательным движением охладителя, выходящего из устройства, что обеспечивает увеличенный теплосьем с поверхности головки рельса или другого проката, 3. Обеспечивается возможность автономной настройки, а следовательно, и работы каждой форсунки охлаждающего устройства, 4. Использование данного устройства пОзволит обеспечить повышенные механические свойства на 13-187; увеличить глубину закаленного слоя на 4 — 10 мм с повышенной твердостью; получить в закаленном слое головки рельса площадку повышенной твердости на глубине до 10 — 12 мм, а также обеспечить однородную, высокодисперсную и мелкозернистую структуру и невысокие остаточные напряжения.

5, Обеспечивается быстрая разборка и сборка устройства для его прочистки и продувки, 6, Возможностью охлаждения рельсов или др. проката в широком диапазоне марок и типов сталей, Заявляемое устройство для охлаждения проката представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как при внедрении его в технологический процесс

25 пользования заявляемого изобретения со.стоит 10 руб/т и может быть получен в

40 шения его однородности, канал подвода сжатого воздуха выполнен в виде стакана.

5

20 поверхностной закалки головки рельсов с нагрева ТВЧ обеспечит;

1) повышение эксплуатационной стойкости рельсов на 15 при работе в особо тяжелых условиях (высокие осевые нагрузки, высокие скорости движения грузовых поездов, кривые малых радиусов и низкие климатические температуры) эа счет уменьшения износа и.увеличения контактно-усталостной прочности и надежности рельсов;

2) возможность закалки рельсов.или другого проката из углеродистой и легированной до — и заэвтектоидных сталей с обеспечением необходимости комплекса свойств и невысоких остаточных напряжений;

3) устранение на 10 (практически полностью) развития имеющихся еще до закалки скрытых поверхностных дефектов и перехода их в трещины, которые приводят к переделу рельсов или назначению во второй сорт.

Как показали проведенные расчеты, ожидаемый экономический эффект от исразмере 2,75 млн, руб. уже в 1992 r. npu закалке 200 тыс. т рельсов иэ углеродистой и низколегированной до- и заэвтектоидных сталей с нагрева ТВЧ, Формула изобретения

1. Устройство для охлаждения проката, содержащее камеру охладителя, камеру сжатого воздуха, конический диффуэор, соединенный соответствующими каналами с указанными камерами, о т л и ч а ю щ е е с я тем. что, с целью расширения диапазона дисперсности охлаждающего. потока при увеличенных скоростях истечения и повызакрепленного одним концом в камере сжатого воздуха, а другим концом — в коническом диффузоре, устройство снабжено спиралевидной направляющей сжатого воэдуха, установленной с зазором внутри стакана, а канал подвода жидкости размещен внутри спиралевидной направляющей, на конце которой смонтирован распылитель жидкости с кольцевыми щелевидными каналами, расположенными с наклоном относительно оси канала подвода сжатого воздуха, при этом распылитель жидкости и конический диффузор установлены с воэможностью автономного регулируемого осевого перемещения относительно стакана.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч. à ю щ е ес я тем, что спиралевидная направляющая выполнена с переменным шагом спирали, 1801038

12 диффузора выполнена из двух сопряженных между собой цилиндрической и расширяющейся конической частей.

Таблица 1

Рельсовые пробы из стали

Свойства металла

16

18

17

17

Таблица 2

Рельсовые пробы из стали составов

Свойства металла

16

19

77

19

23

23

27

120 уменьшающимся по направлению к распылителю жидкости.

3.Устройство по п..1, отл ича ю щеес я тем, что выходящая часть конического

Твердость, НВ

Предел прочности 08, Hlìì г

Предел текучести oo,z, Н/мм

Относительное удлинениедв, Относительное сужение ф

Ударная вязкость KCU, Дж/см

Структура

Глубина закаленного слоя, мм: по оси головки на выкружках

Остаточное нап яжения о<, Н/мм

Твердость, НВ

Предел прочности а,, Н/мм

Предел текучести Oo,z, Нlмм г

Относительное удлинение д, Относительное сужение ф, Ударная вязкость KCU, Дж/см

Структура

Глубина закаленного слоя, мм: по оси головки на выкружках. головки

Остаточное нап яжения о<, Н/мм

330-340

1210

1100

9,2

25,5

25,8

Сорбит

360

1295-1320

1140-1160

11,6-12,1

30,5

28,6

Сорбит, троостит

350-360

1116

10,8

27,1

27,6

Сорбит

375-388

1348-1418

1215-1228

12,2-13,0

34,8

34,0

Троостит

370-380

1168

12,3

29,7

30,4

Троостосорбит

388-415

1405-1432

1220-1230

11,8-12,4

32,8

34,5

Троостит

1801038

Составитель Т;Педер

Техред М.Моргентал

Корректор И.Шмакова

Редактор А.Хорина

Заказ 1181 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035; Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат,"Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101