Установка и способ травления
Группа изобретений относится к установке (101) непрерывного травления для обработки металлических изделий (109) в форме полосы или трубы и способу травления. Установка (101) содержит несколько технологических ванн (102) с раствором кислоты, каждая из которых разделена на несколько ячеек (114) турбулентности, систему рециркуляции раствора кислоты, в которой раствор предпочтительно вытекает из каждой технологической ванны в результате перелива, поступает по выпускной трубе (103) во внешнюю рециркуляционную емкость (104), откуда раствор кислоты возвращается насосом (105) по впускной трубе (108) в технологическую ванну, проходя, в случае необходимости, через теплообменник (107) для нагрева, и устройство (124, 126) для нагрева металлического изделия (109), расположенное по потоку перед указанными несколькими технологическими ваннами (102). Устройство для нагрева представляет собой систему (124) индукционного нагрева и/или резервуар с водяным орошением (126). В последней из нескольких технологических ванн (102) имеются первый сток (152) раствора с низкой концентрацией Fe и второй сток (150) раствора с повышенной концентрацией Fe, которые питают соответствующую рециркуляционную емкость, содержащую первую камеру (158) для низкой концентрации Fe и вторую камеру (156) для повышенной концентрации Fe, разделенные переливной перегородкой (154). Обеспечивается оптимизация воздействия кислоты и времени пребывания металлического изделия в установке. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к установке непрерывного травления для обработки металлических изделий в форме полосы, содержащей несколько технологических ванн с раствором кислоты, каждая из которых разделена на несколько ячеек турбулентности, и систему рециркуляции раствора кислоты, в которой раствор, предпочтительно вытекающий из каждой технологической ванны в результате перелива, поступает по выпускной трубе во внешнюю рециркуляционную емкость, откуда раствор кислоты возвращается насосом по впускной трубе в технологическую ванну, проходя, в случае необходимости (опционально), через теплообменник с целью нагрева. Обрабатываемые изделия представляют собой, в частности, горячекатаные полосы. Травление используется для удаления слоя оксидов, присутствующего на верхней и нижней поверхностях этих полос.
Уровень техники
Горячекатаные полосы из углеродистой стали (низкоуглеродистой, среднеуглеродистой, высокоуглеродистой и высокопрочной) покрыты слоем оксидов, механические характеристики которых отличаются от характеристик основного материала, поэтому в случаях, когда полосы должны подвергаться последующей деформации или покрытию металлическими или органическими покрывными материалами, этот слой оксидов необходимо удалить.
Наиболее часто используемой технологией является удаление оксидов путем химического травления в так называемых травильных ваннах с использованием раствора кислоты.
Наиболее часто используемыми являются, как правило, ванны с серной кислотой H2SO4 или соляной кислотой HCl. Последняя используется производителями чаще всего, поскольку она обладает высокой эффективностью в отношении удаления окалины и позволяет получить блестящую поверхность, свободную от остатков оксидов.
В установках, соответствующих уровню техники, используется несколько (от трех до четырех) ванн, в которых полоса движется против направления движения потока кислоты, так что окисленная полоса сначала попадает в раствор, содержащий больше растворенного железа (Fe) и меньше свободной кислоты, а в конце процесса, при полностью удаленном оксиде, наоборот, в раствор, содержащий больше свободной кислоты и меньше растворенного Fe.
Благоприятное влияние на кинетику химического процесса оказывают температура, повышение которой увеличивает скорость удаления оксидов, время пребывания (скорость процесса, т.е. время нахождения в ваннах), концентрация кислоты в растворе и турбулентность внутри последнего (чем выше скорость жидкости, тем больше способность растворять оксиды).
Классическая система травления в глубокой ванне (англ. Deep Tank Pickling) включает прохождение полосы, размещаемой с соответствующим провисанием в очень глубокой ванне. Для сведения к минимуму переноса кислоты из одной ванны в другую и, следовательно, получения возможности контролировать концентрацию кислоты, предусматривают вставки-гидрозатворы. Эта система не гарантирует оптимизацию количества кислоты. Система травления в неглубокой ванне (англ. Shallow Tank Pickling) разработана для ванн такого типа, в которых коэффициент обмена на нижней поверхности полосы увеличивается благодаря сокращению расстояния между нижней поверхностью и дном ванны. Ванны отделены друг от друга отжимными ремнями. Кроме того, разработаны ванны турбулентного травления, кислота в которые подается через распылители и в которых предусмотрена система рециркуляции кислоты. Турбулентность создается в результате не только движения полосы, но и воздействия распылителей. Наиболее передовой системой является так называемая система Turboflo, в которой предусмотрено разделение каждой ванны на ячейки турбулентности, оснащенные крышкой специальной формы для увеличения турбулентности и, следовательно, теплообмена. Хороший теплообмен обеспечивает однородный и быстрый нагрев кислоты до рабочей температуры. Кроме того, высокая турбулентность благоприятным образом влияет на реакцию травления.
В современных системах возникает эффект обратного потока кислоты в направлении, противоположном направлению продвижения полосы. Эффект обратного потока, гидравлическое уплотнение, создаваемое распылителями кислоты на входе и выходе ванны, предусмотренные отжимные ролики и каскадное расположение ванн обеспечивают возможность контроля концентрации в каждой ванне. Ванны с ячейками турбулентности описаны, например, в документах ЕР 1054079 B1, US 5803981 и US 4807653. В последнем документе также подробно описана возможная система рециркуляции кислоты.
Конструктивное исполнение ванн позволяет, в свете вышесказанного, контролировать турбулентность путем использования систем распыления в направлении движения или с боковых сторон; кроме того, на турбулентность может положительно влиять геометрическая конфигурация крышек и днищ ванн, образующих ячейки турбулентности.
Максимальная турбулентность в растворе кислоты достигается путем создания горизонтальных технологических туннелей, внутри которых перемещается полоса, и создания гидравлического уплотнения посредством распылителей кислоты на входе и выходе; несмотря на высокую эффективность, эти системы имеют тот недостаток, что по мере увеличения скорости полосы давление уплотнения на выпуске должно увеличиваться, достигая 4-5 бар при технологической скорости от 400 до 500 м/мин. Высокое давление предполагает, по соображениям безопасности, использование дорогостоящих труб для рециркуляции кислоты: требуется принять меры, чтобы в условиях эксплуатации не произошла утечка раствора кислоты под давлением.
В установках, соответствующих уровню техники, используются специальные крышки, вынуждающие полосу погружаться ниже уровня свободной поверхности жидкости с помощью роликов небольшого диаметра, вставленных в верхние крышки. Эта система исключает необходимость в гидравлическом уплотнении, но имеет недостаток, связанный со стоимостью роликов, изготовленных из специальных материалов, способных выдерживать воздействие раствора кислоты, в который они полностью погружаются.
В дополнение к вышесказанному, в установках, соответствующих уровню техники, первая травильная ванна используется для нагрева полосы от температуры окружающей среды (от -5 до +25°С), зависящей от географического местоположения системы, до температуры процесса в ваннах, составляющей от +70 до +85°С. Это обстоятельство оказывает в дополнение к тому факту, что концентрация свободной кислоты в первой ванне тоже является низкой, отрицательное влияние на способность первой ванны к удалению оксидов, которая в итоге получается близкой к нулю.
Системы травления, описанные в документах US 5060683 А и US 4996998 А, также предусматривают предварительный нагрев полосы раствором кислоты низкой концентрации.
Кроме того, текущие эксплуатационные характеристики ванн для кислотного травления подвергаются испытаниям вследствие непрерывной эволюции сталей, особенно сталей для автомобильной и электротехнической промышленности. Наличие в химическом составе этих сталей таких элементов, как марганец (Mn) или кремний (Si), влечет за собой образование оксидов, которые труднее удалить, чем оксиды железа, следствием чего является увеличение времени их пребывания в ваннах, обычно в 1,5-4 раза по сравнению с временем пребывания в них полосы такого же размера из низкоуглеродистой стали. Время пребывания в ванне варьируется в зависимости от концентрации проблемного элемента по массе в химическом составе стали и температуры обволакивающего ее горячего раствора.
Далее, эти стали имеют ту особенность, что прочные оксиды Mn и Si расположены на границе раздела между оксидным слоем и основным материалом, в то время как поверхностный оксидный слой состоит из легко удаляемых оксидов железа; и в последней ванне эти прочные оксиды должны быть удалены.
Раскрытие изобретения
Из вышеизложенного с очевидностью следует, что существует необходимость в усовершенствовании травильных ванн с целью устранения указанных выше недостатков. Целью изобретения является создание установки и способа травления, в которых травление оптимизировано в отношении эффективности и скорости. Другой целью изобретения является создание установки травления, в которой травление в первой ванне не является близким к нулю. Еще одной целью изобретения является создание установки, которая не требует распылителей для создания гидравлического уплотнения на входе и выходе ванн.
Указанные цели достигаются с помощью установки непрерывного травления для обработки металлических изделий в форме полосы или трубы, содержащей:
а) несколько технологических ванн с раствором кислоты, каждая из которых разделена на несколько ячеек турбулентности,
б) систему рециркуляции раствора кислоты, в которой раствор, предпочтительно вытекает из каждой технологической ванны в результате перелива, поступает по выпускной трубе во внешнюю рециркуляционную емкость, откуда раствор кислоты возвращается насосом по впускной трубе в технологическую ванну, проходя, в случае необходимости, через теплообменник с целью нагрева,
в) устройство для нагрева металлического изделия, расположенное по потоку перед рядом технологических ванн и представляющее собой систему индукционного нагрева и/или резервуар с водяным орошением (туннель с водораспылителями),
при этом в последней из нескольких технологических ванн имеются первый сток раствора с низкой концентрацией Fe и второй сток раствора с повышенной концентрацией Fe, которые питают соответствующую рециркуляционную емкость, содержащую первую камеру для низкой концентрации Fe и вторую камеру для повышенной концентрации Fe, разделенные переливной перегородкой.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая травильная ванна содержит выпускную трубу, по которой осуществляется подача во внешнюю рециркуляционную емкость, из которой кислота повторно перекачивается в травильную ванну с помощью одного или более насосов, в которых может быть благоприятным образом получено давление, не превышающее один бар, по потоку непосредственно перед турбулентными распылителями.
Благодаря управляемому электродвигателю с переменной частотой напряжения, рециркуляционный(-е) насос(ы) может(-гут) благоприятным образом работать с переменной скоростью, что позволяет регулировать интенсивность подачи кислоты в ванну. Рециркуляционная емкость предпочтительно соединяется трубой с другими имеющимися
рециркуляционными емкостями, что позволяет кислоте проходить противотоком относительно направления движения полосы. В ходе цикла, а именно перед подачей кислоты в травильную ванну, т.е. перед ее возвращением в ванну, кислота предпочтительно нагревается с помощью теплообменника (обычно парокислотного, но возможно использование и других теплообменников), который контролирует ее температуру в диапазоне от 65 до 85°С.
Теплообменники для каждой технологической ванны предпочтительно рассчитываются только на поддержание заданной температуры путем компенсации потерь тепла в окружающей среде и любого нагрева, требуемого для добавления кислоты или воды при температуре ниже заданной. Наличие нагревательных устройств освобождает от необходимости нагрева полосы первую ванну, которая благодаря этому становится полностью активной для целей травления.
Упомянутые нагревательные устройства можно использовать как альтернативные друг другу или одновременно друг с другом.
Первое устройство представляет собой систему индукционного нагрева, второе резервуар с водяным орошением. Предпочтительнее использовать устройство индукционного нагрева, которое занимает меньше пространства внутри установки и является не сложным, но очень эффективным.
Предварительный нагрев травильных ванн повышает эффективность первой из них. Устройство индукционного нагрева предпочтительно рассчитывается на температуру от +15°С до +40°С, обычно приблизительно +25°С. Водораспылительное устройство нагрева предпочтительно представляет собой резервуар/туннель для нагревательного распыления и рассчитано на температуру от +20°С до +50°С, обычно приблизительно +45°С.
Система предварительного нагрева полосы, состоящая, например, из индукционного нагревателя и/или водораспылительного устройства нагрева, позволяет предварительно нагреть полосу до температуры между 65 и 75°С, так что в следующих ваннах с кислотой принимаются во внимание только утечки в окружающую среду, а при расчете теплообменников, в частности в первой ванне, нет необходимости учитывать и нагрев полосы.
Устройство индукционного нагрева обеспечивает быстрый тепловой отклик на каждое изменение размера полосы, поступающей в технологическую линию травления. Выбор параметров индуктора благоприятным образом обеспечивает частичную вариацию температуры, сводя к минимуму поглощаемую им мощность и снижая затраты на перелив и потребление электроэнергии.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения распылительный туннель позволяет эффективно использовать перелив промывочной воды, которая собирается в специальный резервуар и направляется с помощью специального насоса системы распыления под давлением от 1 до 3 бар на сопло (обычно приблизительно 2 бар).
На подающей трубе туннеля предпочтительно устанавливают подходящий теплообменник для регулирования температуры воды, направляемой на распылители, от +60°С до +80°С, обычно приблизительно +70°С.
Распылительный туннель, с преимуществом расположенный на входе первой ванны, также выполняет следующие дополнительные функции:
1). Он используется для предварительной очистки полосы, поступающей в травильные ванны, путем удаления любой оксидной пыли на поверхностях этой полосы; по этой причине вода, возвращаемая в рециркуляционную емкость, проходит через соответствующие фильтры для удаления отстоя, образовавшегося из-за удаления оксидной пыли. Оксидные порошки образуются в результате различных изгибов, которым подвергалась полоса перед поступлением в ячейку травления; поскольку этот оксидный порошок уже не является составной частью слоя окалины, то в отсутствие распылительного устройства нагрева он попал бы в ванны для кислотного травления, приводя к ненужному расходу кислоты.
2). Кислотная промывка полосы может происходить в случае обратного направления технологической ячейки. В этом случае выполняется контроль рН и проводимости, чтобы избежать чрезмерного повышения кислотности воды, и обеспечивается ее автоматический сброс на участок регенерации кислоты. Другими словами, резервуар для нагрева воды может использоваться в качестве промывочного резервуара во всех случаях, когда полоса, находящаяся в ваннах с кислотой, должна быть перемещена назад по эксплуатационным причинам.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения температура полосы, выходящей из нагревательного устройства, например, из индукционного нагревателя и/или распылительного устройства нагрева, измеряется подходящими устройствами для измерения температуры. Генерируемый сигнал предпочтительно посылается оттуда в блок управления для получения замкнутого контура регулирования температуры с целью поддержания отклонения температуры полосы предпочтительно в допустимом диапазоне ±2-5°С.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения установка содержит одно или более устройств для увеличения турбулентности в растворе кислоты. Как было показано выше, увеличение турбулентности повышает скорость реакции травления и сокращает время пребывания полосы в ваннах. Возможными устройствами для этой цели, которые могут использоваться по отдельности или в комбинации, являются:
i) верхние и нижние турбулентные распылители, размещенные на входе и выходе первой и последней ячеек турбулентности в каждой ванне,
ii) ускоритель травления в последней травильной ванне, а именно в первой ячейке турбулентности, состоящий из ряда верхних и нижних распылительных рам для кислоты,
iii) ребра турбулентности, расположенные внутри каждой ячейки турбулентности.
Проходящая полоса предпочтительно разделяет каждую ячейку на верхнюю и нижнюю части. Погруженная полоса подвергается обработке в горизонтальном туннеле, состоящем из нескольких ванн, содержащих ячейки турбулентности, разделенные на верхнюю часть, расположенную под крышкой ванны и над полосой, и нижнюю часть, расположенную у днища ванны под полосой. Эти ячейки разграничены, например, входным и выходным гранитными порогами, совпадающими для верхней и нижней частей. Верхние турбулентные распылители расположены в верхней части, а нижние в нижней части. Эти распылители предпочтительно погружены ниже уровня свободной поверхности кислоты в ванне.
Впускные и выпускные распылители, у которых не предусмотрена функция уплотнения (в частности, при наличии погружных роликов), могут быть рассчитаны на давление, обычно составляющее менее 1 бар, что, очевидно, оказывает серьезное влияние на параметры рециркуляционных труб, упрощая выбор материалов и критериев проектирования и позволяя получить значительный выигрыш в стоимости.
Ребра турбулентности могут быть расположены в самых разных местах внутри ячейки, например на дне ванны или на наклонных профилях, вставленных в ячейки для создания внутри них рециркуляции кислоты, как описано в документе ЕР 1054079 В1. Верхняя, нижняя и боковые стенки каждой ячейки могут содержать, дополнительно к защитным/разделительным гранитным порогам, такие ребра, которые позволяют увеличить турбулентность внутри ячейки.
Верхняя и нижняя распылительные рамы отвечают за ускорение травления путем увеличения турбулентности. Они находятся в верхней и нижней частях ячейки, упомянутых выше. Эти ускорители применимы в случае труднотравимых полос, например из сталей, содержащих Si или Mn.
Распылительные рамы преимущественно располагают на впуске и выпуске туннеля с целью увеличения турбулентности, как на верхней, так и на нижней поверхности полосы. Кроме того, для обеспечения удаления оксидов на кромках полосы целесообразно предусмотреть по краям ванны боковые сопла, количество которых обычно, но не обязательно, равно четырем.
В случае обработки травлением стальных полос со значительным содержанием Si и/или Mn целесообразным является применение в технологической секции, вследствие специфических характеристик этих оксидов, данной концепции ускорителя травления, активируемого при обработке сталей этих типов.
По соображениям, изложенным выше и касающимся морфологии оксидов этих сталей, целесообразно предусмотреть эту систему в последней травильной ванне.
Данное системное решение может предусматривать для этого установку различных распылительных рам, расположенных над и под поверхностями полосы, в зависимости от типа обрабатываемых материалов и расчетной скорости процесса; количество распылительных рам может варьироваться, например, от двух до восьми на поверхность, обычно устанавливается не менее четырех.
Подача в эти дополнительные распылительные рамы преимущественно осуществляется специальным насосом, расположенным на рециркуляционной емкости последней травильной ванны. Данная система распылительных рам обычно отключена и активируется только тогда, когда этого требуют условия процесса.
Как уже упоминалось выше, благоприятный эффект обеспечивается в случае установки внешней рециркуляционной емкости, в которую осуществляется слив кислоты в случае остановки ванны, на участке подачи в ванну с максимальным давлением 1 бар на соплах. Столь же целесообразной является установка теплообменника для нагрева раствора.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения установка травления также содержит на входе и выходе каждой ванны погружные ролики, имеющие такие размеры, что уровень перелива свободной поверхности кислотного раствора расположен ниже центральной оси роликов, и определяющие прохождение металлического изделия в ячейках турбулентности путем их разделения на верхнюю и нижнюю ячейки. Погружные ролики, тоже имеющие небольшой диаметр, исключают необходимость использования распылителей, создающих гидравлическое уплотнение, и высокогерметичных труб.
В идеальном случае эти ролики устанавливают после пары входных сушильных или отжимных роликов и перед выходными роликами. Определенный выше диаметр, обеспечивающий положение вала ролика выше уровня перелива со свободной поверхности ванны, позволяет исключить контакт подшипников с раствором кислоты.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения установка травления также содержит трубу, расположенную по потоку перед насосом первой технологической ванны и содержащую соответствующий регулирующий клапан для добавления свежей кислоты. Установка этого дополнительного оборудования позволяет повысить производительность первой травильной ванны. Свежая кислота, например HCl, может иметь концентрацию от 150 до 200 г/л, обычно приблизительно 180 г/л, и концентрацию железа от 0 до 40 г/л, обычно приблизительно 20 г/л. Добавление железа служит для снижения концентрации кислоты. Температура свежей кислоты обычно составляет от +10°С до +50°С, обычно приблизительно +40°С. Для достижения эффекта от добавления свежей кислоты ее целесообразно добавлять по потоку непосредственно перед подающим насосом для полного перемешивания.
Таким образом, данный вариант осуществления изобретения связан с возможностью увеличения концентрации кислоты в первой ванне во всех случаях, когда необходимо повысить способность к удалению оксида при травлении. Этот способ заключается в возможности подачи свежей кислоты по потоку непосредственно перед насосом(-ами), используя, например, автоматический клапан, такой как клапан с управляемым открытием, и подающую трубу первой травильной ванны.
Для заказчиков с небольшими объемами производства и номенклатурой легкотравимых продуктов (набор оксидов низкой прочности и минимальной толщины) разработано подходящее для этой цели техническое решение на основе только двух травильных ванн.
Таким образом, вариант с тремя или четырьмя ваннами может быть предусмотрен только для заказчиков со средними потребностями в отношении как объема производства, так и амплитуды состава смеси, подлежащей обработке.
В частности, в случае только двух технологических ванн очевидна необходимость внесения соответствующих изменений в систему рециркуляции, чтобы избежать несоразмерной концентрации Fe в отработанном растворе, отводимом в установку регенерации кислоты.
Для этого в особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения система включает в себя только две технологические ванны, где в последней ванне предусмотрены, предпочтительно в ее днище, первый сток с низкой концентрацией железа и второй сток с повышенной концентрацией железа, причем эти два стока питают соответствующую рециркуляционную емкость, которая для этой цели содержит первую камеру для раствора с низкой концентрацией железа и вторую камеру для раствора с повышенной концентрацией железа, разделенные переливной перегородкой.
Другими словами, для получения постепенного увеличивающегося содержания железа в растворе предлагаются следующие меры: добавление стока, расположенного приблизительно на одной или двух третях длины технологической ванны в дополнение к существующему стоку в конце ванны, и разделение рециркуляционной емкости на две половины путем установки переливной перегородки для получения разной концентрации Fe и кислоты в двух половинах. Для каждой половины рециркуляционной емкости предпочтительно предусматривается подающий насос.
Таким образом, один из вариантов осуществления изобретения позволяет обрабатывать горячекатаные полосы с помощью лишь двух травильных ванн. Чтобы избежать ненадлежащего использования кислоты и обеспечить получение отработанной кислоты с нужным количеством Fe, необходимо было модифицировать систему рециркуляции и травильную ванну; решение этой проблемы, предлагаемое в изобретении, состоит в том, что предусматривается один сток с низкой концентрацией и один сток с повышенной концентрацией Fe в травильной ванне, используемой в качестве последней ванны, и раствор в этих двух стоках поступает в рециркуляционную емкость, в которой предусмотрены две камеры, разделенные переливной перегородкой.
Таким образом, между двумя камерами будет иметь место перепад концентрации Fe, что позволит надлежащим образом использовать кислотный раствор. Ясно, что последняя ванна с инновационной системой рециркуляции кислоты может быть предусмотрена не только в установке с лишь двумя последовательными технологическими ваннами, но и в установках, включающих три или более травильных ванн.
Учитывая, что целевая группа потенциальных пользователей установок травления, предлагаемых в изобретении, может быть очень неоднородной в отношении как ожидаемой производительности установки в тоннах/час или тоннах/месяц, так и номенклатуры выпускаемой продукции, описанные выше устройства сконструированы в виде совместимых друг с другом модулей, чем обеспечивается простое проектирование установки, состоящей из набора легко добавляемых или удаляемых модулей.
Другим объектом изобретения является способ травления, предпочтительно реализуемый на установке, предлагаемой в изобретении, и включающий следующие этапы:
а) предварительный нагрев полосового металлического изделия, предпочтительно горячекатаной полосы, с помощью нагревательного устройства, предпочтительно выбранного из системы индукционного нагрева и/или резервуара/туннеля с водяным орошением,
б) травление полосы с удалением окалины в ряде технологических ванн с раствором кислоты.
Металлическое изделие предпочтительно погружается в кислоту с помощью погружных роликов, описанных выше и определяющих прохождение полосы в ячейках турбулентности. Объем удаления окалины предпочтительно контролируется по регулируемому в распылителях расходу кислоты, входящей в ванны и выходящей из них.
Производительность первой технологической ванны по удалению окалины предпочтительно увеличивают путем подачи в первую ванну свежей кислоты.
В одном из вариантов осуществления способа, предлагаемого в изобретении, турбулентность внутри ванн увеличивают путем размещения в них одного или более устройств из упомянутых подпунктов (i)-(iii) из п. 2 формулы изобретения, в частности устройств ускорителей травления.
Другим объектом изобретения является травильная ванна, содержащая несколько ячеек турбулентности, оснащенных одним или несколькими устройствами для повышения турбулентности, приведенными в п. 2 формулы изобретения. Для этой ванны также предусматривают, по выбору и в соответствии с четвертым пунктом формулы изобретения, систему рециркуляции кислоты и систему для добавления в нее свежей кислоты.
Еще одним объектом изобретения является травильная ванна, предпочтительно в днище которой, предусмотрены первый сток с низкой концентрацией железа (Fe) и второй сток с повышенной концентрацией Fe, причем эти два стока питают соответствующую рециркуляционную емкость, соединенную с упомянутой ванной и содержащую для этой цели первую камеру для низкой концентрации Fe и вторую камеру для повышенной концентрации Fe, разделенные переливной перегородкой.
Установка, предлагаемая в предпочтительном варианте осуществления изобретения, содержит ванну описанного чуть выше типа в качестве последней ванны. По потоку перед этой ванной может быть установлена одна (или более, но предпочтительно только одна) "традиционная" ванна, в которой не предусмотрены стоки с различными концентрациями железа, питающие две камеры внутри рециркуляционной емкости, разделенные переливной перегородкой. Установка предпочтительно содержит систему предварительного нагрева полосы, расположенную по потоку, как описано выше, перед всеми ваннами.
Признаки, описанные для одного объекта изобретения, могут быть перенесены, с учетом соответствующих изменений, на другие объекты изобретения.
Установка непрерывного травления, соответствующая предпочтительным вариантам осуществления изобретения и предназначенная для удаления оксидного слоя с горячекатаных полос, показана на фиг. 3-6.
Прочие признаки и преимущества изобретения с большей очевидностью вытекают из подробного описания предпочтительных, но не исключительных, вариантов его осуществления, относящихся к установке и способу травления, иллюстрируемых на неограничивающем примере с помощью прилагаемых таблиц и чертежей, где одинаковые ссылочные номера обозначают одни и те же элементы или компоненты, а последние две одинаковые цифры каждого ссылочного номера соответствуют элементам одного и того же типа в разных вариантах осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
На чертежах показано:
фиг. 1 схематическое изображение установки непрерывного травления, включающей систему рециркуляции кислоты и соответствующей уровню техники,
фиг. 2 - схематическое изображение в боковом разрезе технологической ванны, включающей ячейки турбулентности, в установке, показанной на фиг. 1 и соответствующей уровню техники,
фиг. 3 - схематическое изображение в боковом разрезе установки травления в одном из вариантов осуществления изобретения, оснащенной элементами для предварительного нагрева полосы, поступающей в травильные ванны,
фиг. 4 схематическое изображение в боковом разрезе травильной ванны, соответствующей установке, предлагаемой в изобретении, и оснащенной элементами для повышения турбулентности в этой установке,
фиг. 5 - схематическое изображение в боковом разрезе установки травления в другом варианте осуществления изобретения, оснащенной системой, предназначенной для ввода кислоты в первую ванну установки и представленной в одной из модификаций,
фиг. 6 - схематическое изображение установки, содержащей только две травильные ванны для непрерывного травления, перед которыми расположен блок предварительного нагрева полосы.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 показана схема установки 1 непрерывного травления, включающей систему рециркуляции кислоты и соответствующей уровню техники. Как следует из чертежа, установка включает в себя три последовательно расположенные травильные ванны 2. Жидкость, находящаяся в ваннах 2, удаляется с помощью системы выпускных труб 3 и перемещается по ним в соответствующие сливные баки 4. Из каждого бака 4 жидкость направляется подающим насосом 5 по рециркуляционной трубе 6, оснащенной теплообменником 7, через соответствующие системы впускных труб 8 обратно в соответствующую травильную ванну. Металлическая полоса 9 проходит через ванны 2 в направлении стрелки я, встречая в начале линии, в ее конце и между ваннами 2 отжимные ролики 10. Сливные баки 4 соединены друг с другом в каскад с направлением движения по трубам 11, противоположным направлению движения полосы (стрелка а).
На фиг. 2 представлено схематическое изображение в боковом разрезе отдельной технологической ванны, включающей ячейки турбулентности, также присутствующие в установке, показанной на фиг.1, и известные из уровня техники. На входе и выходе ванны 2 предусмотрены две пары отжимных роликов 10, используемых для перемещения изделия с сильным трением с целью предотвращения сохранения на нем избыточной кислоты. На входе и выходе каждой ванны 2 расположены соответственно впускные распылители 12 и выпускные распылители 13, создающие гидравлическое уплотнение и выполненные с возможностью ограничения утечки кислоты из ванны. Ванна 2 разделена на ряд ячеек 14 турбулентности, каждая из которых состоит из верхней секции 15 турбулентности и рециркуляции и нижней секции 16 турбулентности, отделенных друг от друга обрабатываемой полосой 9. Отдельные ячейки 14 отделены друг от друга в нижней части каменными блоками 17, а в верхней части закругленными блоками 18. Кроме того, предусмотрены наклонные панели, или рампы, 15, которые вместе с элементами 17, 18 служат для создания турбулентности, способствуя рециркуляции жидкости внутри ячейки; это хорошо известно из уровня техники и описано, например, в документе ЕР 1054079 В1. Также показана система выпускных труб 3. Ячейки закрыты снизу днищем 20 ванны, а сверху - крышкой 21. Для дальнейшего увеличения турбулентности внутри ванны может быть предусмотрено несколько боковых вспомогательных распылителей 22.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение в боковом разрезе установки 101 непрерывного травления в одном из вариантов осуществления изобретения, оснащенной элементами для предварительного нагрева полосы 109, поступающей на линию травления. На чертеже показана только первая ванна 102 установки. На входе и выходе ванны 102 расположены пары отжимных роликов 110. Перед первой относительно направления подачи (стрелка а) полосы 109, ванной 102 предусмотрено нагревательное устройство, например индукционная, газовая, резистивная и т.д. печь 124, выполненная с возможностью нагрева полосы перед ее поступлением в первую ванну 102. Показанная на чертеже ванна 102 представляет собой нагревательный резервуар, в котором используется вода и который содержит ряд водораспылителей 126, предпочтительно расположенных в распылительных устройствах, что позволяет выполнить предварительный нагрев полосы 109 до температуры в диапазоне 65-75°С. Жидкость, проходящая по трубе 128 и через самоочищающийся фильтр 129, поступает в сливной бак 104, в который также может подаваться сбрасываемая промывочная вода 130. Подающий насос 105 вынуждает жидкость проходить через теплообменник 107, питаемый, например, водяным паром, нагревающим проходящую жидкость, которая снова направляется через впускную трубу 108 в распылительную систему 126 и тем самым нагревает полосу 109, проходящую через ванну 102. Подходящие, например инфракрасные, устройства 132 для измерения температуры расположены по потоку до и после ванны 102 и передают значения температуры в блок 134, выполненный с возможностью контроля и регулирования температуры воды, подаваемой в распылители 126 и систему 124 индукционного нагрева. В каждом случае упомянутые нагревательные устройства 124 и 126 могут быть реализованы в качестве альтернативных вариантов или в комбинации.
На фиг. 4 представлено схематическое изображение в боковом разрезе травильной ванны 102, соответствующей установке, предлагаемой в изобретении, и содержащей, в частности, элементы для дальнейшего увеличения турбулентности в этой установке. Элементы, показанные на чертеже, способствуют увеличению турбулентности в системе и, тем самым, ускорению процесса травления и могут быть использованы в качестве альтернативных вариантов или в различных комбинациях друг с другом. Как уже было показано выше, например, со ссылкой на уровень техники, внутри ванны 102 можно выделить три ячейки 114 турбулентности. Каждая ячейка 114 разделяется полосой 109 на верхнюю ячейку 115 и нижнюю ячейку 116 турбулентности. Отдельные ячейки 114 отделены друг от друга нижними блоками 117 и верхними блоками 118 аналогично известному из уровня техники. Ванна 102 содержит днище 120 и крышку 121, а также наклонные панели, или рампы, 119, как уже было описано выше. Боковые распылители 122 увеличивают турбулентность известным образом. Нижние и верхние турбулентные распылители на входе и выходе 135 вносят дополнительный вклад в увеличение турбулентности. На днище 120 и/или нижней поверхности наклонных панелей 119 предусмотрены дополнительные ребра 136, способствующие увеличению турбулентности. В качестве дополнительных ускорителей эффекта травления могут быть предусмотрены, в частности в последней ванне, верхние и нижние распылители 138, размещаемые на днище 120 ванны 102 и/или на нижней поверхности наклонных панелей 119. Это инновационное техническое решение также включает погружные ролики 140 большого диаметра, оказывающие на полосу давление до опускания последней ниже уровня свободной поверхности 142 кислоты (штриховая линия). Благодаря большому диаметру, ось ролика всегда находится над свободной поверхностью 142 перелива кислоты из ванны 102, так что подшипники никогда не входят в контакт с раствором кислоты и служат дольше. Таким образом, погружные ролики 140 исключают необходимость использования распылителей, создающих гидравлическое уплотнение на входе и выходе ванны 102, что упрощает конструкцию.
На фиг. 5 приведено схематическое изображение в боковом разрезе установки травления в другом варианте осуществления изобретения, оснащенной системой, предназначенной для ввода кислоты в первую ванну 102 установки и представленной в одной из модификаций. Для простоты показана схема, схожая со схемой на фиг. 1, но при этом подразумевается, что установка может быть дополнительно снабжена одним или более нагревательных и/или увеличивающих турбулентность элементов, предлагаемых в изобретении и показанных на фиг. 3 и 4. При сравнении с фиг. 1 можно отметить трубу 144, предназначенную для добавления свежей кислоты из другого резервуара (не показан) и расположенную между сливным баком 104 и подающим насосом 105. Количество свежей кислоты 146, подаваемой в случае чрезмерного разбавления раствора, регулируется автоматическим клапаном 148.
На фиг. 6 представлено схематическое изображение установки, содержащей только две травильные ванны для непрерывного травления, перед которыми расположен блок предварительного нагрева полосы. Блок предварительного нагрева полосы был описан выше со ссылками на фиг. 3. Полоса 109, выходящая из блока предварительного нагрева, проходит через первую травильную ванну 104, оснащенную "традиционной" системой рециркуляции кислоты, и затем через вторую травильную ванну 102, в которой система рециркуляции кислоты представляет собой важное отличие от "традиционной" системы, соответствующей уровню техники (см. фиг. 1), а именно инновационное техническое решение, заключающееся в том, что в сливной бак поступает раствор с низкой концентрацией железа из стока 152 и раствор с повышенной концентрацией из стока 150, предусмотренного непосредственно в днище травильной ванны 102, размещенной в качестве второй и последней ванны в установке, соединенной с предыдущей ванной каскадом труб 111. Из двух стоков 150 и 152 раствор поступает в рециркуляционную емкость 104, в которой предусмотрены две камеры 156 и 158, разделенные переливной перегородкой 154, что позволяет надлежащим образом использовать кислотный раствор.
В процессе работы могут быть реализованы другие модификации или варианты установки и способа травления в соответствии с изобретением, не представленные в настоящем описании. Подобные модификации или варианты, находящиеся в пределах объема изобретения, определяемого приведенной ниже формулой изобретения, следует рассматривать как защищенные настоящим патентом.
1. Установка (101) непрерывного травления для обработки металлических изделий (109) в форме полосы или трубы, содержащая:
а) несколько технологических ванн (102) с раствором кислоты, каждая из которых разделена на несколько ячеек (114) турбулентности;
б) систему рециркуляции раствора кислоты, в которой раствор предпочтительно вытекает из каждой технологической ванны в результате перелива, поступает по выпускной трубе (103) во внешнюю рециркуляционную емкость (104), откуда раствор кислоты возвращается насосом (105) по впускной трубе (108) в технологическую ванну, проходя, в случае необходимости, через теплообменник (107) для нагрева; и
в) устройство (124, 126) для нагрева металлического изделия (109), расположенное по потоку перед указанными несколькими технологическими ваннами (102),
причем упомянутое устройство для нагрева представляет собой систему (124) индукционного нагрева и/или резервуар с водяным орошением (126), а в последней из нескольких технологических ванн (102) имеются первый сток (152) раствора с низкой концентрацией Fe и второй сток (150) раствора с повышенной концентрацией Fe, которые питают соответствующую рециркуляционную емкость, содержащую первую камеру (158) для низкой концентрации Fe и вторую камеру (156) для повышенной концентрации Fe, разделенные переливной перегородкой (154).
2. Установка (101) непрерывного травления по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит одно или более устройств (135, 136, 138, 138а) для увеличения турбулентности в растворе кислоты, выбранных из группы, включающей:
i) верхние и нижние турбулентные распылители (135), размещенные на входе и выходе первой и последней ячеек турбулентности каждой ванны;
ii) ребра (136) турбулентности, расположенные внутри каждой ячейки (114) турбулентности;
iii) ускоритель травления, расположенный в последней травильной ванне, а именно в первой ячейке турбулентности, и состоящий из ряда верхних и нижних распылительных рам (138, 138а) для кислоты.
3. Установка (101) непрерывного травления по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит г) погружные ролики (140) на входе и выходе каждой ванны, имеющие такие размеры, что уровень перелива свободной поверхности (142) раствора кислоты расположен ниже центральной оси роликов (140), и определяющие прохождение в ячейках (114) турбулентности металлического изделия (109), делящего их на верхнюю ячейку (115) и нижнюю ячейку (116).
4. Установка (101) непрерывного травления по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит д) трубу (146), расположенную по потоку перед насосом (105) первой технологической ванны, снабженную подходящим регулирующим клапаном (148) для добавления свежей кислоты.
5. Установка (101) непрерывного травления по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит е) устройство (132) для измерения температуры, расположенное по потоку после устройства (124, 126) нагрева и выполненное с возможностью генеририрования сигнала, посылаемого в блок (134) управления по замкнутому контуру с целью поддержания отклонения температуры металлического изделия (109) в пределах допустимого диапазона, предпочтительно ±2-5°С.
6. Установка (101) непрерывного травления по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что первый сток (152) раствора с низкой концентрацией Fe и второй сток (150) раствора с повышенной концентрацией Fe расположены в днище (120) в последней из технологических ванн (102), причем установка снабжена лишь двумя технологическими ваннами.
7. Способ травления металлического изделия в форме полосы или трубы на установке (101) непрерывного травления по одному из пп. 1-6, включающий следующие этапы:
а) предварительный нагрев металлического изделия (109), такого как горячекатанное металлическое изделие, с помощью нагревательного устройства, представляющего собой систему (124) индукционного нагрева и/или резервуар с водяным орошением (126);
б) травление металлического изделия (109) с удалением окалины в нескольких технологических ваннах (102) с раствором кислоты.
8. Способ травления по п. 7, в котором повышают способность первой технологической ванны к удалению окалины посредством подачи в эту ванну свежей кислоты (146).
9. Способ травления по п. 7 или 8, в котором турбулентность внутри ванн увеличивают путем размещения в ваннах одного или более устройств (135, 136, 138, 138а), указанных в подпунктах (i)-(iii) п. 2, в частности устройств (138, 138а), обеспечивающих ускорение травления.
