Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОКАТКИ, ПРОКАТНАЯ КЛЕТЬ И НАЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано в станах горячей и холодной прокатки черных и цветных металлов и сплавов, а также для прокатки неметаллических материалов.

Уровень техники
Известен способ прокатки (патент RU 2139153, В 21 В 1/22, опубл. 10.10.1999), согласно которому распределенное вдоль бочек валков усилие прокатки создают с помощью электромагнитных сил притяжения или отталкивания, размещая последние во внешнем электромагнитном поле поперек вектора магнитного потока. Согласно известному способу горизонтальные оси валков совпадают с осями симметрии полюсов электромагнитов и, в этом случае, силы притяжения валков к полюсам практически параллельны плоскости прокатки. По этой причине валки притягиваются к противоположным полюсам, не создавая усилия прокатки.

В известном способе большая часть магнитной энергии не участвует в создании усилия прокатки, которое, в данном случае, создается лишь силами притяжения валков друг к другу при их намагничивании. Указанное обстоятельство является недостатком известного способа прокатки, т.к. не позволяет максимально использовать весь магнитный поток для создания усилия прокатки.

Известен также способ продольной прокатки и клеть для его осуществления (патент RU 2146971, В 21 В 1/22, опубл. 27.03.2000). Согласно способу валки размещают во внешнем электромагнитном или магнитном поле таким образом, что вектор поля направлен вдоль диаметральной плоскости валка, параллельной плоскости прокатки. При этом по валкам пропускают электрический ток. Распределение давления на валки осуществляют путем изменения плотности магнитного потока вдоль образующей бочек валков. Усилие прокатки создают за счет использования сил притяжения валков и сил отталкивания валков. Для создания силы притяжения валков полюса электромагнитов или магнитов располагают между диаметральной плоскостью валка и плоскостью прокатки. Для создания силы отталкивания валков электромагниты или магниты устанавливают по отношению друг к другу одноименными полюсами с возможностью их поворота в горизонтальной плоскости. Прокатная клеть, согласно изобретению, снабжена по крайней мере одной парой нажимных валков. Нажимные валки установлены с возможностью свободного перемещения в вертикальной плоскости и размещены между полюсами электромагнитов или магнитов. Магниты установлены с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости. По меньшей мере одна пара постоянных магнитов или электромагнитов установлена с возможностью перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскости. Магнитопроводы выполнены из постоянных магнитов и снабжены катушками управления, питаемыми импульсным электрическим током различного по знаку направления.

Недостатками известного технического решения являются сложность конструкции прокатной клети из-за необходимости пропускания больших электрических токов непосредственно через валки, а также невысокая точность регулировки толщины полосы в процессе прокатки.

Известна прокатная клеть, содержащая станину, валки, привод валков и нажимное устройство, выполненное в виде винта (А.Н. Целиков "Машины и агрегаты металлургических заводов", том.3, М., Металлургия, 1981 г).

Недостатком нажимного устройства известной клети является низкая скорость и точность установки межвалкового зазора. Так, скорость перемещения нажимных винтов в клетях КВАРТО чистовой группы стана 2000 горячей прокатки составляет 0,5-1 мм/с (П.И. Полухин "Прокатное производство", М., Металлургия, 1982 г. , с. 386). Низкая точность прокатки объясняется также большой упругой деформацией элементов нажимного механизма клети.

Известно также гидронажимное устройство, заменяющее нажимные винты или работающее в сочетании с ним. (Фирма СМС-Демаг, 3-ий конгресс прокатчиков, г. Липецк, 19-22 октября 1999 г. Доклад Ханаса-Еахима Пелькинга, с. 1-10 "Новейшие технологии в области холодной прокатки"; Технологическая инструкция ТИ 105-ПХЛ-16-96 ОАО Северсталь "Прокатка полос на пятиклетевом стане 1700 производства холоднокатаного листа" 1996 г.).

Скорость перемещения штоков гидравлических нажимных механизмов (ГНУ), согласно этим источникам информации, составляет 2,5 мм/с. Точность установки ограничивается упругой деформацией элементов гидронажимного устройства и степенью упругой деформации масла, которая составляет ~ 0,5-1%.

Известна прокатная клеть (Патент РФ 2138346, опубл. 27.09.99. Бюл. 27), которая снабжена двумя постоянными магнитами, установленными по контуру соприкосновения по отношению друг к другу одноименными полюсами, один из которых установлен вплотную к нажимному валку, а другой - вплотную к станине клети, причем оба магнита оснащены катушками возбуждения для намагничивания, размагничивания, перемагничивания и нейтрализации магнитных полей, а также гидроцилиндрами подъема и опускания отталкивающих магнитов.

Недостатком известного нажимного устройства является невозможность использования его при модернизации существующих прокатных клетей, оборудованных нажимными винтами с электромеханическим приводом и гидронажимными устройствами, непосредственно воздействующими на валки через подушки.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции прокатной клети, повышение скорости, точности установки межвалкового зазора и тонкое регулирование создаваемого усилия в процессе прокатки.

Поставленная задача решается тем, что в способе прокатки, при котором создают и регулируют усилие прокатки посредством электромагнитной системы, предназначенной для взаимодействия с валками прокатной клети, усилие прокатки создают электромагнитами с Ш-образными сердечниками, которые устанавливают симметрично относительно плоскости прокатки так, что полюса Ш-образных сердечников охватывают валки ниже их диаметральных плоскостей, параллельных плоскости прокатки, со стороны плоскости прокатки, причем внутренние полюса охватывают рабочие валки, а внешние полюса - нажимные валки, при этом регулируют усилие прокатки путем изменения силы тока в катушках Ш-образных сердечников.

Увеличение усилия прокатки может осуществляться дополнительными нажимными валками путем электромагнитного воздействия на указанные дополнительные нажимные валки.

Для тонкого регулирования усилия прокатки целесообразно использовать нажимное устройство комбинированного действия, обеспечивающее электромеханическое, гидравлическое и электромагнитное воздействие на валки.

Тонкое регулирование усилия прокатки осуществляют путем изменения величины тока и/или подачи импульсов тока в электромагнитные системы нажимного устройства, которыми снабжены подвижные и неподвижные узлы нажимного устройства, например узлы гидравлической системы.

Прокатная клеть, согласно изобретению, включает станину, выполненную из немагнитного материала, рабочие и нажимные валки, привод валков и электромагнитную систему, при этом валки установлены с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, электромагнитная система выполнена в виде по меньшей мере одной пары Ш-образных сердечников с катушками, охватывающими внутренние полюсы указанных сердечников, между полюсами Ш-образных сердечников расположены рабочие и нажимные валки, Ш-образные сердечники установлены симметрично относительно плоскости прокатки, полюса Ш-образных сердечников охватывают валки ниже их диаметральных плоскостей, параллельных плоскости прокатки, со стороны плоскости прокатки, причем внутренние полюса охватывают рабочие валки, а внешние полюса - нажимные валки.

Прокатная клеть предпочтительно снабжена опорами электромагнитной системы, которые, в свою очередь, могут быть снабжены механизмами перемещения, например гидроцилиндрами.

Для увеличения усилия прокатки прокатная клеть может быть снабжена парой дополнительных нажимных валков и электромагнитными системами дополнительных нажимных валков, предназначенными для взаимодействия с дополнительными нажимными валками.

Электромагнитные системы дополнительных нажимных валков прокатной клети предпочтительно установлены с возможностью вертикальных перемещений относительно станины.

Для тонкого регулирования усилия прокатки прокатную клеть снабжают нажимным устройством, содержащим гидронажимное устройство с подвижным и неподвижным узлами, при этом в подвижном и неподвижном узлах установлены электромагнитные системы, предназначенные для взаимодействия друг с другом.

Нажимное устройство может состоять из электромеханического и/или гидронажимного в комбинации с электромагнитным устройств.

Нажимное устройство прокатной клети, согласно изобретению, содержит гидронажимное устройство, состоящее из подвижного и неподвижного узлов, снабженных электромагнитными системами, предназначенными для взаимодействия друг с другом.

Предпочтительно электромагнитные системы нажимного устройства прокатной клети включают по меньшей мере по две катушки каждая, одна из которых предназначена для подключения к источнику постоянного тока, а другая, выполненная в виде индуктора, предназначена для подключения к разрядному устройству, например конденсаторной батарее, связанному с системой управления, при этом неподвижный узел предназначен для взаимодействия с нажимным винтом электромеханического нажимного устройства или станиной прокатной клети, а подвижный узел - для шарнирного взаимодействия с подушкой нажимного валка.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно расширить технологические возможности клетей для прокатки полос за счет исключения сосредоточенных нагрузок на шейки валков, расширения сортамента прокатываемых полос, уменьшения отсортировки по размерам, повышения точности проката за счет увеличения быстродействия нажимного устройства. В предлагаемой конструкции клети большая часть усилия прокатки создается электромагнитными объемными силами (80-90%). Остальная часть усилия прокатки (10-20%) создается комбинированными нажимными устройствами (винт-ГНУ)+(электромагнит) или (ГНУ+электромагнит); возможен вариант (винт+электромагнит) (около 100-200 тc), поэтому нагрузка на шейки валков резко снизится. Это даст возможность уменьшить диаметры шеек нажимных и рабочих валков, увеличить срок службы валков и подшипников, значительно снизить продольную и поперечную разнотолщинность полос.

Перечень фигур чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлена схема прокатной клети, согласно изобретению;
на фиг.2 представлен вид А фиг.1;
на фиг.3 представлена схема нажимного устройства прокатной клети.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Одним из вариантов устройства для осуществления способа прокатки является прокатная клеть, схематически показанная на фиг.1.

Клеть состоит из станины 1, выполненной из немагнитного материала, рабочих валков 2, нажимных валков 3, 4, Ш-образных сердечников 5 с катушками 6, соленоидов 7, подвижных опор 8, опор 9 гидроцилиндров 10, нажимных винтов 11, подушек 12 валков 4, электромеханического механизма 13.

Ш-образные электромагниты устанавливаются симметрично относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости прокатки и проходящей через центры нажимных и рабочих валков. Сердечники Ш-образных электромагнитов устанавливаются между диаметральными плоскостями рабочих и нажимных валков, параллельных плоскости прокатки, для создания максимальных усилий притяжения валков к полюсам Ш-образных электромагнитов. При этом взаимное расположение полюсов относительно вертикальной плоскости должно быть выполнено по схеме N-S-N или S-N-S (иным оно быть не может). Расстояние "б" между сердечниками Ш-образных электромагнитов и валками должно быть минимальным, но не допускающим при износе валков их соприкосновения. В результате износа валков во времени и их опускания зазоры "б" будут постепенно увеличиваться, в результате чего индукция В и усилие прокатки будут постепенно уменьшаться. Так как изменения зазоров "б" симметрично относительно вертикальной оси симметрии валков, то путем добавления тока в катушки Ш-образных электромагнитов можно удерживать усилие прокатки в заданных пределах за счет поддержания определенной величины магнитной индукции в рабочем зазоре между валком и полюсом. При выполнении сердечников Ш-образных электромагнитов подвижными в вертикальной и горизонтальной плоскостях можно механически регулировать величину воздушного зазора, поддерживая его среднее значение на постоянном уровне.

Нажимное устройство состоит из корпуса 14, установленного между винтом 11 и подушкой 12 валка 4, заполненного маслом 15, гидросистемы 16. Внутри корпуса 14 расположены подвижный 17, в виде поршня, и неподвижный 18 узлы, внутри которых симметрично относительно корпуса размещены катушки 19, соединенные с источником постоянного тока (условно не показан) и катушки 20, выполненные в виде индукторов. С одной стороны нажимное устройство соединено с винтом 11 траверсой 21, а с другой соединено с корпусом подушки 12 при помощи траверс 22. Нажимное устройство имеет возможность перемещаться совместно с винтом 11 и подушкой 12 по вертикали при помощи направляющей гильзы 23, закрепленной на станине 1, коммутационной сети 24.

Прокатная клеть может работать как по схеме КВАРТО, так и по схеме СЕКСТО. При работе в режиме КВАРТО роль нажимного механизма могут выполнять валки 3, а валки 4 могут выполнять роль механизма тонкой регулировки толщины полосы при подаче тока различного знака в соленоиды. При работе по схеме СЕКСТО роль нажимного механизма выполняют валки 3, 4, а тонкая регулировка толщины профиля полосы осуществляется при помощи подачи тока в катушки 19 и электрических импульсов разных знаков - в индукторы 20.

В соответствии с фиг.1 полное усилие прокатки будет равно:
P_Σ = P₁+P₂+P₃+P_r+P_эл±P_мп (1)
где






где В - индукция в воздушном зазоре между валком и полюсом (Тл),
S₁ - площадь полюса, охватывающего рабочий валок (м²),
S₂ - площадь полюса, охватывающего нажимной валок (м²),
S₃ - площадь окна соленоида (м²),
D_П - диаметр поршня МГЭМНУ (м),
P_г - гидравлическое давление (Па),
P_эл - электромагнитное давление на поверхности поршня (Па),
P_мп - импульсное давление магнитного поля индуктора,
μ = 4•π•10^-7 Г/м - магнитная проницаемость вакуума,
α - угол между векторами Q и Р (град.),
тогда получим:

где Р_г=0÷250 кгс/см², (0÷250•10⁵ Пa),
Р_эл=0÷15 кг/см², (0÷15•10⁵ Па),
Р_мп=0÷100 кгс/мм², (10⁹ Па)
где

коэффициент, где H_z - осевая составляющая напряженности магнитного поля (при H_z= Н₀ и β₂ = 1); ("Механические взаимодействия в сильных магнитных полях". Межвузовский сборник, 1974, с.88),
n - количество витков индуктора, J_ин - ток в индукторе, а - ширина токовой полосы индуктора.

Клеть работает по схеме СЕКСТО следующим образом. Подается ток в соленоид 7, находящийся сверху от плоскости прокатки. С помощью подвижных опор 8 соленоид 7 опускается на верхний нажимной валок 3 и захватывает его. Затем включается электромеханическое устройство, и с помощью винта 11 поднимается верхний валок 4 с комбинированным нажимным устройством. Одновременно осуществляется и подъем верхнего валка 3 путем перемещения опор 8 синхронно с винтом 11.

После установки требуемого зазора между нажимным валком 3 и рабочим валком 2 в рабочие валки подается полоса, при этом рабочие валки 2 расходятся в стороны и упираются в нажимные валки 3. В этом состоянии клеть готова к работе. При включении приводов валков происходит прокатка. Регулировка зазора между валками в процессе прокатки осуществляется путем изменения силы тока в катушках 6 Ш-образных сердечников и (или) в соленоиде 7.

Автоматическое, тонкое регулирование толщины и профиля полосы осуществляется путем подачи коротких электрических импульсов τ≈10^-4÷10^-6 c в катушки 19 и индукторы 20, различных по силе и знаку.

Далее следует подробное описание работы нажимного устройства.

Грубая настройка межвалкового зазора осуществляется нажимным винтом от электромеханического привода.

При этом полость "А" корпуса 14 соединена с магистралью слива, а в катушки 19 поданы токи от источника постоянного тока такого направления, при которых обращенные друг к другу поверхности подвижного и неподвижного узлов имеют разную полярность (N-S).

В результате подвижный узел притянется к неподвижному узлу и нажимной механизм вместе с подушкой 12 и валком 4 переместится в направлении движения винта 11 (вверх или вниз). После установки зазора и подачи проката в валок 4 полость "А" соединяется с магистралью давления и осуществляется прокатка с усилием Р_п=Р_г+Р_эм, где Р_г - усилие, создаваемое гидроцилиндром с помощью гидравлического давления, Р_эм - электромагнитное усилие, создаваемое при отталкивании подвижного узла от неподвижного узла за счет подачи токов в катушки 19 такого направления, при котором создаются полюса одинаковой полярности (N-N или S-S). Нормальная регулировка величины зазора между валками, а следовательно, и толщины полосы выполняется уменьшением или увеличением гидравлического давления, а более точная регулировка обеспечивается увеличением или уменьшением силы тока в катушках 19. При внезапных отклонениях толщины полосы на величину больше допускаемой система автоматического регулирования толщины полосы подает импульсы (разряды) большого тока в индукторы 20, одного или разных направлений (I≈10⁵ А, τ≈10^-5 с), что позволяет мгновенно устранять недопустимую разнотолщинность по длине полосы.

Таким образом, изобретение позволяет применить на существующих прокатных клетях нажимной механизм, обеспечивающий более точную прокатку.