МАШИНА ДЛЯ ПРОКАТКИ НЕПРЕРЫВНОЙ ЛЕНТЫ ИЗ СТЕКЛОМАССЫ С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ Российский патент 2001 года по МПК C03B13/04 

Изобретение относится к промышленности строительства и строительных материалов, в частности к производству листовых стекломатериалов, таких как шлакоситаллы, марблиты, стекломрамор.

Известна прокатная машина, содержащая установленные с зазором друг относительно друга верхний и нижний прокатные валы обычно равных диаметров, между которыми прокатывается стекломасса, и рольную плиту с головными и хвостовыми группами валков. Прокатные валы и валки рольной плиты снабжены приводом вращения и системой водяного охлаждения, которая позволяет обеспечить заданную температуру рабочих поверхностей валов. Плоскость, проходящая через оси прокатных валов, образует с вертикалью угол, обычно, от 0 до 20^o. См. Бутт Л.М., Полляк В.В. "Технология стекла". М.: Издательство литературы по строительству, 1971, с. 210-214 [1'].

Эта машина предназначена для выработки плоского, армированного и узорчатого стекла обычного известково-натриевого состава, кристаллизационные свойства которого при прокатке не имеют особого значения, так как стекломасса поступает на формование и прокатывается при температуре 1100-1180^oC, а температура ее кристаллизации ниже температуры формования и составляет 1060-1080^oC.

Поступление в прокатную машину стекломассы, имеющей температуру выше температуры кристаллизации, осуществляется посредством примыкающего к стекловаренной печи и прокатным валам керамического лотка с горизонтальной подачей стекломассы (широким потоком).

Лента стекла после прокатки поступает на валки рольной плиты, затем на рольный стол и в печь отжига.

Однако рассмотренная прокатная машина непригодна для прокатки стекломассы с высокотемпературной кристаллизационной способностью (например, шлакоситаллов, температура верхнего предела кристаллизации которых 1150-1200^oC), т.к. такая стекломасса кристаллизуется по всем соприкасающимся с ней поверхностям примыкающего к прокатным валам керамического лотка.

Известна машина для прокатки непрерывной ленты из стекломассы с высокотемпературной кристаллизационной способностью, содержащая снабженные приводами различные по диаметру нижний и верхний прокатные валы и рольную плиту с транспортирующими головными и концевыми группами валков, причем плоскость осей прокатных валов образует с вертикалью некоторый угол в сторону от стекловаренной печи. См. Авторское свидетельство СССР N 876558, м. кл.³ C 03 B 13/10 [2'].

Наиболее близким техническим решением является машина для прокатки непрерывной ленты из стекломассы с высокотемпературной кристаллизационной способностью, содержащая снабженные приводами различные по диаметру водоохлаждаемые нижний и верхний прокатные валы и рольную плиту с транспортирующими головными и концевыми группами валков, причем плоскость, проходящая через оси верхнего и нижнего прокатных валов, выполнена наклоненной к вертикальной плоскости. См. Авторское свидетельство СССР N 185021, кл. C 03 B 13/02 [3'].

Соотношение диаметров верхнего и нижнего прокатных валов в этой машине равно от 1: 3 до 1:10, а стекломасса подается по лотку, расположенному над нижним прокатным валом, сливом струи сверху вниз.

Эти машины [2'] и [3'] позволяют вырабатывать стекломассу с высокотемпературной кристаллизационной способностью. Для подачи в прокатную машину такой стекломассы применяют высокотемпературный лоток со свободным сливом ее (неширокой струей) при температуре ≈ 1280 - 1320^oC, являющийся продолжением стекловаренной печи и располагаемый над прокатной машиной. При этом стекломасса, сливающаяся с лотка, поступает (сливается) на верхнюю поверхность нижнего прокатного вала, выполняющего функцию приемной плиты, на которой происходит равномерное распределение (растекание) стекломассы за счет малой вязкости (из-за высокой температуры) вдоль прокатного вала и охлаждение ее до вязкости, позволяющей вести прокатку. Однако получаемая продукция в ряде случаев имеет недостатки, к которым относятся разнотолщинность ленты по ширине, наличие посечек (мелких поверхностных трещин), коробление ленты, складки и т.п., например при неправильном выборе расположения верхнего прокатного вала, приводящего к неполному растеканию стекломассы или ее переохлаждению (поясняется ниже).

Недостатком также является ее большая металлоемкость и значительные габариты, возникающие вследствие большой разницы диаметров верхнего и нижнего прокатных валов. Учитывая, что верхний вал работает в напряженном термоциклическом режиме, для обеспечения требуемого теплосъема обычно используются валы диаметром 300-380 мм [1']. При указанных соотношениях диаметров нижний вал должен иметь диаметр от 900 мм до 3800 мм, что делает прокатную машину металлоемкой, громоздкой и неприемлемой для эксплуатации.

Недостатком является также следующее. При выходе из прокатных валов в головной части рольной плиты прокатанная лента имеет фиксированную структуру, однако между внутренними (горячими) слоями ленты и наружными (холодными) слоями происходит интенсивный теплообмен, в результате чего при подходе к группе концевых валков, имеющих ту же скорость, что и группа головных валков рольной плиты, лента становится пластичной и начинает прогибаться и провисать между валками, что отражается на качестве ленты (складки, коробление ленты).

Целью настоящего изобретения является улучшение качества получаемой продукции, минимизация размеров и металлоемкости прокатной машины.

Эта цель достигается тем, что в машине для прокатки непрерывной ленты из стекломассы с высокотемпературной кристаллизационной способностью, содержащей снабженные приводами различные по диаметру водоохлаждаемые нижний и верхний прокатные валы и рольную плиту с транспортирующими головными и концевыми группами валков, причем плоскость, проходящая через оси верхнего и нижнего прокатных валов, выполнена наклоненной к вертикальной плоскости, соотношение диаметров нижнего и верхнего прокатных валов находится в пределах от 2:1 до 2,83:1, а плоскость, проходящая через оси верхнего и нижнего прокатных валов, наклонена к вертикальной плоскости под углом в пределах соответственно от 43,5 до 36,6^o.

Если соотношение диаметров нижнего и верхнего прокатных валов будет находиться в пределах ниже 2:1 и угле наклона плоскости, проходящей через оси верхнего и нижнего прокатных валов, к вертикальной плоскости под углом, большим 43,5^o, то не будет обеспечено необходимого качества ленты стекломатериала.

Если соотношение диаметров нижнего и верхнего прокатных валов будет находиться в пределах выше 2,83:1 и угле наклона плоскости, проходящей через оси верхнего и нижнего валов, к вертикальной плоскости под углом менее 36,6^o, неоправданно увеличатся металлоемкость и габариты прокатной машины.

Ниже приводится расчетное обоснование этого, см. также фиг. 1.

Стекломасса, подаваемая из питающего лотка 1, сливается струей на поверхность нижнего прокатного вала 2, образуя луковицу. По принятой технологии передний край сливного лотка 1 устанавливается на расстоянии A = 130 мм от вертикальной плоскости, проходящей через ось нижнего прокатного вала 2 в сторону прокатки.

При таком расположении часть стекломассы, растекающейся на нижнем валу 2 в сторону, обратную направлению вращения вала, не переходит за вертикальную ось нижнего вала 2.

Длина луковицы (см. ниже) определяется взаимным расположением верхнего прокатного вала 3 относительно нижнего 2, т.е. углом α (угол между плоскостью, проходящей через оси прокатных валов, и вертикальной плоскостью, проходящей через ось нижнего вала), а также диаметром самого нижнего вала 2, т. к. при увеличении его диаметра длина луковицы возрастает (при том же угле α), а при уменьшении укорачивается.

При неизменных диаметрах прокатных валов длина луковицы может изменяться при изменении угла α.
Однако угол α имеет пределы. Минимальное значение угла α ограничивается расстоянием от сливного лотка до верхнего прокатного вала (В).

Максимальное значение угла α ограничивается углом β₁ - допустимым углом перегиба ленты при переходе ее с нижнего прокатного вала на рольную плиту 4.

При прокатке образование луковицы обеспечивается за счет равномерного растекания поступающей из лотка стекломассы по длине нижнего прокатного вала, при этом одновременно происходит охлаждение поступающей стекломассы до температур, обеспечивающих ее вязкость в пределах, необходимых для режима прокатки.

Естественно, что при большой длине луковицы увеличивается ее контактная поверхность с нижним валом, что способствует большему охлаждению стекломассы, и, наоборот, при малой ее длине стекломасса не успевает растечься и охладиться. При чрезмерном охлаждении возможно появление дефектов ленты. Оптимальное значение длины луковицы было определено экспериментальным путем.

Оптимальные соотношения диаметров прокатных валов и оптимальные значения угла α определяются ниже с использованием результатов исследовательской работы.

1. Найдем длину луковицы, как величину длины дуги окружности поверхности нижнего прокатного вала, ограниченной сектором с углом α [град.]:

где l [мм] - длина луковицы, равная дуге окружности поверхности нижнего прокатного вала, покрытой стекломассой, ограниченной вертикальной плоскостью, проходящей через ось нижнего прокатного вала и калибровочной щелью между верхним и нижним прокатными валами, находящейся в плоскости их осей;
D_н [мм] - диаметр нижнего прокатного вала.

Обозначим искомое соотношение диаметров валов

где D_в [мм] - диаметр верхнего вала,
т.е. D_н = KD_в, тогда

отсюда получим угол α, определяющий длину луковицы,

Однако угол α ограничен величинами B и β₁, где
В [мм] - расстояние от переднего края сливного лотка до поверхности верхнего прокатного вала,
β₁ [град] - угол перегиба ленты стекла при сходе с нижнего прокатного вала на плоскость верхних образующих валков рольной плиты.

2. Определим зависимость соотношения K от величин B и α.
Из ΔO_вO_нN получим

где δ - калибровочный зазор между прокатными валами, определяющий толщину прокатываемой ленты стекла, величина которого, как правило, 5 - 15 мм, средняя - 10 мм, что составляет ≈ 0,03 D_в при обычно используемых диаметрах верхнего прокатного вала 300-380 мм, см. [1'].

Произведем преобразования:

отсюда
KD_вsinα = 2B+2A+D_в-(D_в+0,06D_в)sinα.
Находим K:

Из последнего уравнения следует, что значение К будет минимальным при минимальном В и максимальном α.
Минимальное допустимое значение B = 80 мм, A = 130 мм (см. выше).

Тогда

3. Значение угла α в большую сторону ограничивается положением плоскости верхних образующих валков рольной плиты, т.е. величиной угла β.
Определим α_max в зависимости от угла β.
Так как лучи, образующие угол β₁ - угол перегиба ленты стекла - перпендикулярны сторонам ∠LO_нM,
то ∠LO_нM = β = β₁
Из ΔNO_вO_н находим


NO_н - LO_н = l₁ [3] - расстояние от оси верхнего прокатного вала до плоскости верхних образующих валков рольной плиты.

где δ₁ - зазор между поверхностью верхнего прокатного вала и плоскостью верхних образующих валков рольной плиты, который должен быть не менее 15-20 мм (чтобы проходила прокатанная лента), т.е. δ₁ ≈ 0,05D_в (обычно D_в = 300-380 мм).

Следовательно

Подставляем в [3] значения величин:


Отсюда находим:
Согласно результатам исследовательской работы β_1max = 54^°÷58^°,
подставляем в [4] значение β, равное среднему значению β_1max = 56^°.
Получим
.

4. Из уравнения [1]
[6].

Согласно результатам исследовательской работы l = 285-290 мм, подставляем в [6] среднее значение величины l =287,5 мм.

Тогда .

5. Подставим значение D_в в уравнение [2], получим

Решив систему уравнений [5] и [8] (методом подстановки), получаем значение K_min = 2,0 при угле α = 43,5^o.

6. Таким образом, минимальное значение соотношения диаметров нижнего и верхнего прокатных валов, при котором соблюдаются требования и ограничения, определенные экспериментальным путем, равны 2,0 (при α = 43,5^o).

Определим из уравнения [7] диаметр верхнего вала при указанном минимальном значении К=2,0

7. Учитывая необходимость исполнения прокатной машины в рациональных габаритах, выполнение нижнего прокатного вала диаметром более 900 мм нецелесообразно.

Исходя из этого определим максимальное целесообразное значение K из системы уравнений [7] и [8].

Определяем значение угла α, при котором D_н = 900 мм.

Из [8] определим К_max:


8. Таким образом, оптимальные соотношения диаметров нижнего и верхнего прокатных валов и углы наклона плоскости их осей к вертикали находятся в интервале соответственно от 2:1 до 2,83:1 и от 43,5^o до 36,6^o.

Цель изобретения достигается также тем, что головные и концевые группы валков рольной плиты установлены с обеспечением превышения окружной скорости концевой группы валков по отношению к головной на 2,5 - 2,9%.

При разности указанных скоростей менее 2,5% лента будет прогибаться и провисать между валками, что отражается на качестве ленты (появляются складки, коробление), а при разности скоростей более 2,9% лента будет чересчур вытягиваться, причем неравномерно, что приводит к ее разнотолщинности по ширине.

Машина поясняется фиг. 1, 2, где на фиг. 1 дана принципиальная схема элементов прокатной машины и процесса выработки ленты стекломатериала, а на фиг. 2 изображен ее общий вид.

Прокатная машина содержит питающий лоток 1, нижний 2 и верхний 3 водоохлаждаемые прокатные валы, рольную плиту 4, с группой головных 5 и концевых 6 валков, и привода 7.

Машина работает следующим образом.

Стекломасса, подаваемая из питающего лотка 1, сливается неширокой (250-400 мм) струей на поверхность нижнего прокатного вала 2 и растекается по нему вдоль оси и в направлении его вращения, образуя луковицу.

Далее стекломасса заполняет калибровочный зазор, образованный между поверхностями нижнего 2 и верхнего 3 прокатных валов.

На нижнем прокатном валу 2 и в межвалковом пространстве происходит интенсивный теплообмен, стекломасса интенсивно охлаждается при одновременном повышении ее вязкости, что позволяет обеспечить возможность формования непрерывной ленты при прокатке ее между валами, величина зазора между которыми определяет толщину прокатываемой ленты.

После прокатки лента стекла поступает на рольную плиту 4 с группами головных 5 и концевых 6 валков, затем на рольный стол и в печь отжига (не показаны).

Пример конкретного осуществления устройства.

Для конкретной прокатной машины могут быть предусмотрены прокатные валы с диаметрами для нижнего вала - 830 мм, для верхнего - 350 мм. Соотношение диаметров 2,37: 1. Величина A, т.е. расстояние от переднего края сливного лотка 1 до вертикальной плоскости, проходящей через ось нижнего прокатного вала 2 в сторону прокатки, - 130 мм. Величина B, т.е. расстояние от переднего края сливного лотка до поверхности верхнего прокатного вала, - 80 мм. При таких размерах элементов машины и параметрах ее установки, угол α (угол наклона плоскости осей прокатных валов к вертикали) должен быть 39,9^o. Минимальная величина угла β, т.е. угла, определяющего положение верхних образующих валков рольной плиты (равная углу перегиба прокатанной ленты), в этом случае может быть равной (из [4]) 49,7^o < β_1max, т.е. угол β может быть выполнен в пределах от 49,7^o до 54 - 58^o.

В этом случае соблюдаются все технологические требования и параметры, необходимые для получения качественной ленты стекломатериала. Одновременно предусматриваемые диаметры прокатных валов (при соотношении К = 2,37) позволят реализовать прокатную машину с невысокой металлоемкостью и небольшими габаритами.

Машина предназначена для промышленности строительства и строительных материалов, в частности для производства листовых стекломатериалов, таких как шлакоситаллы, марблиты, стекломрамор. Техническая задача изобретения - повышение качества продукции, минимизация размеров и металлоемкости машины. Машина содержит снабженные приводами водоохлаждаемые нижний и верхний прокатные валы. Соотношение диаметров нижнего и верхнего прокатных валов должно находиться в пределах от 2:1 до 2,83:1, а угол наклона плоскости, проходящей через оси верхнего и нижнего прокатных валов, к вертикальной плоскости - в пределах соответственно от 43,5 до 36,6^o. Машина содержит также рольную плиту с транспортирующими головными и концевыми группами валков, установленными для улучшения качества получаемой продукции с обеспечением превышения окружной скорости концевой группы валков по отношению к головной на 2,5 - 2,9%. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Машина для прокатки непрерывной ленты из стекломассы с высокотемпературной кристаллизационной способностью, содержащая снабженные приводами различные по диаметру водоохлаждаемые нижний и верхний прокатные валы и рольную плиту с транспортирующими головными и концевыми группами валков, причем плоскость, проходящая через оси верхнего и нижнего прокатных валов, выполнена наклоненной к вертикальной плоскости, отличающаяся тем, что соотношение диаметров нижнего и верхнего прокатных валов находится в пределах от 2 : 1 до 2,83 : 1, а плоскость, проходящая через оси верхнего и нижнего прокатных валов, наклонена к вертикальной плоскости под углом в пределах соответственно от 43,5 до 36,6^o. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что головные и концевые группы валков рольной плиты установлены с обеспечением превышения окружной скорости концевой группы валков по отношению к головной на 2,5 - 2,9%.