Устройство для охлаждения проката Советский патент 1993 года по МПК B21B45/02 C21D1/62 

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

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 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.

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

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 однородности,

На фиг, 1 изображено устройство для охлаждения проката, общий вид; на фиг. 2 -. сечение данного устройства в масштабе 1:1; на фиг. 3 - узел I 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 вЪздуха, 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 возможностью регулируемого осевого перемещения и фиксированием заданного положения при помощи фиксатора 13 (фиг. 3). В нижней части канала 4 для подвода сжатого воздуха

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 из 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 кониче ского диффузора 5, спиралевидной направляющей б 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 охладитель (вода, эмульсии, 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 из канала 4 с большой скоростью.

Воздух, встречаясь в камере 14 смешения с жидкостью, разбивает ее на мельчайшие фракции, образуя при этом водовоздушную

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 выходящей части конического диффузора 5, который в нижней части сужается и переходит вначале в цилиндрическую часть диффузора, где охлаждающая смесь уплотняется и выходит с увеличенной ско- ростью истечения, а затем переходит в коническую 18, где она приобретает заданное направление движения на поверхность головки рельса или другого проката.

Заявляемое устройство работает также в режиме одного сжатого воздуха, при этом распылитель 11 жидкости заворачивается до упора буртиком 15 регулировки осевого перемещения и закрепляется фиксатором 13, в результате чего кольцевые щелевид- ные каналы 12 перекрываются наружной частью спиралевидной направляющей 6. Путем регулировки осевого перемещения распылителя 11 жидкости можно изменять зазор кольцевого щелевидного канала 12 от нуля до максимума, например до 3 мм и |брлее, 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 охлаждающего потока от чисто сжатого воздуха до однородной водовоздушной смеси с повышенным расходом воды при увеличен- ных скоростях истечения охладителя из диффузора 5. При этом конический диффу- Зор 5 также, как и распылитель 11 жидкости выполнен с возможностью регулируемого осевого перемещения, что позволяетумень- щать или увеличивать объем камеры 14 смещения сжатого воздуха и воды и тем самым увеличивать ее однородность и скорость истечения из диффузора 5.

Достоинством конструкции предлагав- мого устройства является также возможность автономной настройки каждой форсунки на получение того или иного охладителя, т.е. сжатый воздух, увлажненный сжатый воздух и водовоздушная смесь 6 различным количеством дисперсных водяных фракций.

Таким образом, регулируя расход охладителя через кольцевые щелевидные каналы 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 из 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,илй другого проката с минимальной, умеренной или максимальной скоростью отбо ра тепла. При 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, самоотпус к 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 закалённого 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 500i-10°C устройством заявляемой конструкции длиной 500 мм, которое содержало пять параллельно расположенных форсунок. Охлаждению подвергали рельсовые пробы из сталей: 1 - углеродистой текущего производства (0.75% С: 0.82% Мп; 0,24%

SI), 2 - углеродистой заэвтектоидной (0,88% С; 0,86% Мп; 0,27% Si); 3 - низколегированной заэвтектоидной (0,88% С; 0,91% Мп; 0,30% Si и 0,6% Сг).

I. 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).;

II. 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 эти), 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

воздухом (водовоздушная смесь высокой степени дисперсности) с вращательным направлением движения, поступающего на поверхность головки рельса, что способствовало повышенному теплосъему. Кроме того, регулируя осевое перемещение конического диффузора 5 изменяли объем камеры смешения 14 и тем самым дисперсность образующейся смеси.

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 вышеприведенным режимам свойства металла закаленного слоя головки были выше требований технических условий (ТУ 14-2; 651-85) на рельсы текущего производства, закаленные с нагрева ТВЧ и требований (ТУ

14-2-499-82) на рельсы из углеродистой и низколегированной заэвтектоидных сталей, подвергнутых комбинированной термообработке (циклический сфероидизирующий отжиг и последующая поверхностная закалки головки с нагрева ТВЧ), которые должны соответствовать: НВ 340-388; Н/мм2; оь,2 S 1098 Н/мм2; 5s 6; V 25%; KCU 25 Дж/см2; структура - сорбит-тро- остит; глубина закаленного слоя: по оси головки 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 вышеотмеченных параметрах механические свойства металла закаленного слоя головки рельса увеличиваются пластические свойства начинают снижаться, что связано с предельным расходом воды в водовоздушной

смеси.

Полученные положительные результаты лабораторных испытаний данного устройства послужили основанием для проверки его в промышленных условиях. Установлено,

что устройство данной конструкции позволяет производить закалку рельсов не только из углеродистой стандартной стали, но и углеродистой заэктектоидной, а также легированной до- и заэвтектоидной сталей с

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 сравнению с прототипом, т.е. применяемым в настоящее время на меткомбинате Азов- сталь обеспечивается увеличенная глубина закаленного слоя на 4-10 мм с повышенной

твердостью на НВ 10-30 (в зависимости от обеспечения данным устройством того или иного охладителя); получить в закаленном слое головки рельса однородную мелкозернистую и высокодисперсную структуру за- калки, 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 водовоз- душной 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 охлажда- ющими устройствами (прототип). .. По сравнению с прототипом заявляемое изобретение обладает следующими преимуществами:

Заявляемое устройство для охлаждения проката представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как при внедрении его в технологический процесс

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) за счет уменьшения износа и.увеличения контактно-уста- лостной прочности и надежности рельсов;

2) возможность закалки рельсов, или другого проката из углеродистой и легированной до - и заэвтектоидных сталей с обес- печением 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 использования заявляемого изобретения состоит 10 руб/т и может быть получен в размере 2,75 млн, руб. уже в 1992 г. при закалке 200 тыс. т рельсов из углеродистой и низколегированной до- и заэвтектоидных сталей с нагрева ТВЧ,

Формула изобретения

уменьшающимся по направлению к распылителю жидкости.

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

Таблица 1

Та б л и ц а 2