Прокатный стан Советский патент 1987 года по МПК B21B13/00 

быть применено на предприятиях с использованием возобновляемых энергетических ресурсов, например солнечных или геотермальных. Цель изобретения - повышение термодинамической эффективности процесса прокатки. После задачи в стан металла в полость 4 к рабочему телу подводится теплота от теплового источника 9, и по завершении цикла тепло отводится в тепловой сток 11. На стане осуществляется комбинированный термодинамический цикл, состоящий из регенеративного цикла и тёрмомагнитного. Благодаря

Изобретение относится к прокатному производству, а именно к конструкциям волновых прокатных станов, обеспечивающих самодвижение прокатываемого металла при одновременном воздействии на него высоких температур и давлений за счет осуществления замкнутого термодинамического цикла, и может быть применено на предприятиях с использованием возобновляемых энергетических ресурсов, например солнечных или г ех) термальных.

Цель изобретения - повьшение термодинамической эффективности процесса прокатки.

На фиг. 1 изображен предпагаемый прокатный стан, продольный .разрезj на фиг. 2 - то же, поперечный разрез на фиг.З - график изменения объема камеры расширения в процессе работы; на фиг. 4 - график изменения объема камеры сжатия в процессе работы; на фиг. 5 - регенеративный цикл, в координатах давление - объем; на фиг.6 .- то же, в координатах температура - энтропия; на фиг. 7 - зависимости КПД регенеративного цикла от изменений объема и совершенства регенератора; на фиг. 8 - термомагнитный цикл в координатах температура - энтропия.

Прокатный стан содержит неподвижную станину 1 с герметичными крышками 2 и 3, образующими внутреннюю полость 4, и плитой 5, охватывающей

колебанию температуры в камерах сжатия и расширения, образующихся при : враще нии ротора-поршня 6, ферромагнетики в металле превращаются в парамагнетики, не взаимодействующие с магнитным полем. В зоне генераторов 12 и 13 происходит быстрое адиабатное намагничивание металла с возрастанием температуры. Такая конструкция, стана позволяет совершать большую механическую работу по деформации металла при длительном воздействии высоких температур и давлений внутри полости. 8 ил.

треугольный ротор- поршень 6, несущий рабочие валки 7 и установленный на эксцентриковом валу 8, механизм синхронизации движения ротора-поршня

6 и последовательно включенные тепловой источник 9, регенератор 10 и тепловой сток 11, сообщающиеся с внутренней полостью 4.

Для повьш1ения термодинамической

эффективности процесса прокатки прокатный стан снабжен генераторами 12 и 13 магнитного по ля, размещенными в плите 5, а последовательно включенные тепловой источник 9, регенератор

10 и тепловой сток 11 присоединены к внутренней полости 4 параллельно.

Профиль плиты 5, охватьшающей треугольный ротор-поршень 6, выполнен

в виде квадрата. Ротор-поршень 6 образован большими и малыми дугами, описьшаемыми из вершин равностороннего треугольника и расположенными с противоположных сторон относительно вершин, причем радиус малой дуги произволен, а радиус большой дуги равен сумме радиуса малой дуги и длины стороны треугольника. Рабочие валки 7 установлены в .гибком сепараторе 14 и охвачены гибкой бесконечной лентой 15. Механизм синхронизации движения ротора-порщня 6 вьтолнен в виде сцепленных межДу собой большой шестрвни 16 с внутренними зубьями, установленной на роторе-поршне 6, и малой шестерни 17 с наружными

31

зубьями, установленной на эксцентриковом валу 8.

Генераторы 12 и 13 магнитного поля содержат постоянные магниты 18, установленные в пазах плиты 5, и по- люсный наконечник 19, выполненный в виде прямой пластины. Постоянные магниты 18 можно выполнить из магни- тотвердого материала, например, типа ЮНД и ЮНДК, имеющих магнитную индук- цию 0,5-1,3 Тл и напряженность магнитного поля (А-6)-10 А/м, Полюсный наконечник 19 можно выполнить из магнитомягкой стали. При недостаточном теплоотводе на массу стана можно использовать систему циркуляционного охлаждения генераторов 12 и 13 магнитного поля.

Плиту 5 можно вьтолнить сменной и установить в станине 1 неподвижно, В плите 5 предусмотрен ручной (не показан), образующий вместе с наружной поверхностью гибкой бесконечной ленты 15 клинообразный рабочий калибр,

Тепловой источник 9 выполнен в виде теплообменника, подключенного к высокотемпературному нагревателю (фиг, 1, извилистые стрелки, направленные внутрь), При использовании солнечной энергии нагревателем служи фокальная область гелиоустановки, охватьюающая теплообменник или соединенная с ним посредством высокотемпе

ратурных тепловых труб,

Регенератор 10 выполнен в виде полости, заполеннной пористым материалом, имеющим большую теплоемкость и теплоотдачу. Полость можно заполнить металлический губкой, состоящей из отдельных полос или проволочек.

Тепловой сток 11 выполнен в виде теплообменника, подключенного к холодильнику (фиг, 1

направленные наружу), Наружная поверхность гибкой бесконечной ленты 15, внутренняя поверхность герметичных крышек 2 и 3 и ломаной плиты 5 .образуют четыре камеры переменного в процессе работы объема. Две из них, постоянно соединенные с тепловым источником 9, являются камерами расширения, а две других, постоянно соединенные с тепловым стоком 11 - камерами сжатия. Камеры переменного объема заполнены рабочим телом. В качестве рабочего тела можно использовать такие газы, как, напримре, возПосле задачи заготовки одним из известных способов устанавливаются требуемые параметры прокатки и включается система оптимизации режима прокатки.

Пр окатываемьш металл образует

внутри станины 1 треугольную петлю,

извилистые стрелки, ,j охватьшающую треугольный ротор-поршень 6 по наружной поверхности гибкой бесконечной ленты 15, Посредством пускового устройства эксцентриковый вал 8 приводится во вращение, 50 При подводе к рабочему телу теплоты от теплового источника 9 и отводе от рабочего тела теплоты в тепловой стой 11 в прокатном стане осуществляется комбинированный термоди- 5 намический цикл, состоящий из регенеративного цикла a-b-c-d-e-f-a и термомагнитного цикла k-1-m-n-k.

Регенеративный цикл a-b-c-d-e-f-a осуществляется следующим образом.

дух, гелии, водород, перечислеин1.1е в порядке возрастания термодинамичекой эффективности при увеличении частоты вращения стана. Рабочее тел заполняет также теплообменники теплового источника 9, теплового стока 11, а также полость регенератора 10 Температура рабочего тела в камерах расширения должна превышать точку Кюри прокатываемого металла, например, 700°С,

Прокатный стан снабжен моталками 20 и 21 и отклоняющими роликами 22, служащими для перемотки прокатываемго металла и создания переднего и заднего натяжений. Эксцентриковый вал 8 снабжен хвостовиком 23 для соединения через выключаемую муфту с пусковым устройством (не показаны служащим для предварительной раскрутки прокатного стана,

В прокатном стане можно использовать также служащие для обеспечения оптимальных режимов прокатки и связанные с электронной вычислительной машиной средства для малоинерционного измерения и регулирования в процессе прокатки переднего и заднего натяжений, скорости прокатки, температур и давлений в камерах переменного объема, режимов работы теплового источника 9 и теплового стока II, режимов работы циркуляционных систем охлаждения и смазки движущихся часте и других параметров,

Стан функционирует следующим образом.

После задачи заготовки одним из известных способов устанавливаются требуемые параметры прокатки и включается система оптимизации режима прокатки.

Пр окатываемьш металл образует

5

Объем рлбочег о тела в расширения находится при

пературе Т

а объем рабочего тела

макс Б камерах сжатия находится при низкой

температуре T,.,,v, . Температурный градиент между торцовыми поверхностями

регенератора 10 равен Т. ,,.с Т

макс J мин

В

процессе работы объемы рабочего тела в камерах переменного объема ются по косинусоидальному закону, что обусловлено геометрией камер. При этом процессы в камерах сжатия отстают но фазе от нроцессов в камерах расширения на 90°.

Первый процесс регенеративного цикла а-Ь является изоэнтропным сжатием, второй процесс b-c-d является изохорно-изобарным процессом теплоотдачи от регенератора 10, третий,процесс d-e является изоэнтронным расширением, четвертый процесс e-f-a является Изохорно-изобарным процессом теплоотдачи к регенератору 10.

Одновременно в прокатном стане осуществляется термомагнитный цикл k-1-m-n-k. Прокатываемый металл благодаря волновым свойствам стана находится в камерах переменного объема в течение многих оборотов эксцентрикового вала 8. Поэтому его температура в камерах расширения близка к маис превьппает точку Кюри, а в камерах сжатия близка к Т, и ниже точки Кюри. При переходе точки Кюри ферромагнетики превраш,аются в парамагнетики, не взаимодействующие с .магнитным полем. В процессе движения прокатываемый металл попадает в зону действия генераторов 12 и 13 магнитного поля и происходит быстрое адиабатное намагничивание прокатьшаемого металла - осуществляется процесс k-1

Механическая работа комбинированного регенеративного и термомагнитно го цикло обеспечивает самодвижение прокатываемого металла и воздействие на него высоких температур и давлений рабочего тела. Во внутренней полости 4 места касания гибкой бесконечной лент.ы 15 плиты 5 образуют три рабочих.калибра, обеспечивающих требуемое обжатие прокатываемого металла. За счет сил трения в рабочи калибрггк при вращении ротора-поршня 6, например, но часовой стрелке, рабочие валки 7 и охватывающая их гибкая бесконечная лента 15 вращаются

и температура возрастает от Т до

Тр. Внутри зоны действия генераторов нротив часовой стрелки, прокатываемагнитного поля осуществляется процесс 1-т подвода теплоты при постоянной напряженнности Н магнитного поля. По выходе из зоны действия генераторов 12 и 13 магнитного поля происходит быстрое адиабатное размагничивание прокатываемого металла - осуществляется процесс m-n и температура падает от Т до Т. Далее идет процесс n-k отвода теплоты при и цикл замыкается. Работа термомагнитного цикла k-1-m-n-k суммируется с работой регенеративного цикла a-b-c-d-e-f-a и обеспечивает самоМ

К

движение прокатываемого ме 1 алла ну- тем его вытягивания из камер сжатия в камеры расширения.

Выражение для работы термомагнитного цикла k-1-m-n-k имеет вид

. C/W.IM(CH/K)(C/T/T),

где I - намагниченность;

-масса металла;

-тенлоемкостъ;

К - постоянный коэффициент, больший единицы;

Т - абсолютная температура. КПД регенеративного цикла даже при идеальной работе регенератора 10 5 не првьш1ает 60% (фиг. 7) . Осуществление в предлагаемом прокатном стане термомагнитного цикла k-1-ra-n-k существенно повьш1ает общий КПД процесса прокатки. 0 КПД термомагнитного цикла k-1-m-n-k можно найти из- выражения ()Н

Как показывает анализ, КПД термо- 5 магнитного цикла при максимальной

и- минимальной температуре цикла соответственно 700 и 500°С, общая термодинамическая эффективность процесса прокатки повышается на 15%.

Механическая работа комбинированного регенеративного и термомагнитного цикло обеспечивает самодвижение прокатываемого металла и воздействие на него высоких температур и давлений рабочего тела. Во внутренней полости 4 места касания гибкой бесконечной лент.ы 15 плиты 5 образуют три рабочих.калибра, обеспечивающих требуемое обжатие прокатываемого металла. За счет сил трения в рабочих калибрггк при вращении ротора-поршня 6, например, но часовой стрелке, рабочие валки 7 и охватывающая их гибкая бесконечная лента 15 вращаются

0

5

0

0

мый металл подвергается формообразованию в рабочих калибрах и переметывается с правой моталки 20 на левую моталку 21. При этом подаваемая полоса не испытывает трения о рабочую поверхность плиты 5 вне рабочих калибров за счет организации волнового движения: в процессе прокатки вдоль прокатьшаемого металла распространя- с ются бегущие волны деформации, характеризующиеся плавным изгибанием про- катьгоаемого металла в радиальном направлении. Частота бегущих волн деформации определяется частотой вращения ротора-поршня 6, а амплитуда определяется разностью радиусов описанной вокруг гибкой бесконечной ленты 15 окружности и вписанной в нее окружности.За один оборот ротора-поршня 6 прокатываемый металл проходит расстояние, равное разности длин рабочего участка плиты 5 и периметра гибкой бесконечной ленты 15. Так как.эта разность относительно длины рабочего участка плиты 5 мала, скорость вращения ротора-поршня 6 в десятки раз превосходит скорость движения прокатьюаемого металла и стан обладает свойством волнового редуктора с большим передаточным отношением, что позволяет при большой скорости вращения ротора-поршня 6, определяющей развиваемую станом мощность, совершать большую механическую работу формообразования про- катьтаемого металла и обеспечивает относительно длительное воздействие на него высоких температур и давлений рабочего тела. При этом потери мощности на волновое деформирование црокатьшаемого металла оказываются незначительными и составляют при умеренных передаточных отношениях 10- 15%.

Повьшение термодинамической эффективности прокатного стана за счет

осуществления комбинированного регенеративного и термомагнитного термодинамического цикла в сочетании с возможностью использования возобнов- ляемых энергетических ресурсов позволяет существенно поднять экономические показатели прокатного производства.

Формула изобретения

Прокатный стан, содержащий неподвижную станину, установленную на ней

плиту, выполненную в виде замкнутого контура с торцовыми герметичными крьш1ками, установленный внутри плиты на эксцентриковом валу треугольный ротор-поршень, несущий рабочие валки,

механизм синхронизации движения ротора-поршня и последовательно включенные тепловой источник, регенератор и тепловой сток, сообщающиеся с внутренней полостью, о т л и чающийся тем, что, с целью повьпиения термодинамической эффективности процесса прокатки, он снабжен генераторами магнитного поля, размеенными в плите, а последовательно

включенные тепловой источник, реге- нератор и тепловой сток присоединены внутренней полости параллельно.

Изобретение относится к прокатному производству, а именно к конструкциям волновых прокатных станов, обеспечивающих самодвижение прокатываемого металла при одновременном воздействии на него высоких темпера- .тур и давлений за счет осуществляемо- .го термодинамического цикла,и может 10 9 (Л со i ю СП 4; со 20