Результат интеллектуальной деятельности: КОНВЕКТОРНОЕ КОЛЬЦО ДЛЯ ОТЖИГА В КОЛПАКОВОЙ ПЕЧИ СТАЛЬНЫХ ХОЛОДНОКАТАНЫХ ПОЛОС В РУЛОНАХ

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в колпаковой печи для отжига стопы рулонов холоднокатаной полосовой стали.

Специфика колпакового отжига заключается в том, что при нагреве и остывании садки рулонов в рабочем пространстве печи возникает переменное температурное поле, которое вызывает термические напряжения, как в рулонах, так и конвекторных кольцах. Деформация конвекторного кольца под действием термических напряжений, при которых кольцо теряет плоскую форму, приводит к уменьшению площади опорной поверхности между рулоном и кольцом. Увеличение удельных напряжений в местах контакта торца рулона и кольца приводит к слипанию витков рулона и подвариванию торца рулона к конвекторному кольцу. При распаковке садки и снятии рулонов подваренные к рулону конвекторные кольца часто приходится принудительно отделять, что приводит к травмированию колец и выводу их из строя. При последующей размотке отожженного металла в местах слипания и подваривания образуется дефект "излом". Металлические частицы от травмированной и сваренной кромки рулонов при последующей дрессировке образуются дефекты "накол", "надав", "отпечатки".

Известна конструкция конвекторного кольца, содержащая опорный диск с осевым отверстием и радиальные ребра, образующие циркуляционные каналы. Периферийная часть опорного диска шириной 0,10-0,15 внешнего диаметра конвекторного кольца выполнена конической и сопряжена с его плоской центральной частью [патент Российской Федерации №2111267, С 21 D 9/673, 1998].

Недостаток колец такой дисковой конструкции - возможность коробления из-за возникающих при нагреве и охлаждении напряжений, связанных с неравномерностью линейного расширения различных участков кольца по радиальному сечению. Коробление колец является причиной слипания витков и подваривания торца рулона к конвекторному кольцу, что приводит к образованию дефекта "излом" при последующей размотке отожженной полосы на дрессировочных станах и повреждению колец при их принудительном отделении от рулона.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является конструкция конвекторного кольца, содержащая диск с центральным отверстием и радиальные ребра, образующие циркуляционные каналы. Диск выполнен из элементов, составляющих его внутреннюю, среднюю и внешнюю части, при этом средняя часть диска образована из сегментов, а внешняя часть диска - из секторов, закрепленных на сегментах с образованием температурных швов, а радиальные ребра, которые являются опорными, расположены с перекрытием сверху и снизу температурных швов и приварены только к одному из соседних секторов [А.с. Российской Федерации №2230804, С 21 D 9/673, 2003].

Недостатки колец известной конструкции заключаются в следующем.

1. Радиальные ребра кольца имеют геометрически правильную форму поперечного сечения. По этой причине острые края опорной поверхности ребер при весе садки более 70 т могут травмировать торцы рулонов, что приводит к слипанию витков и образованию дефекта "излом" при последующей размотке на дрессировочном стане.

2. Опорные элементы кольца, также как и все остальные его элементы, изготавливают из низкоуглеродистой стали. При наличии пилообразной кромки на полосе под весом стопы рулонов происходит вдавливание зубцов кромки в материал кольца (имеющий хорошую адгезию к отжигаемому материалу) и подваривание кольца к торцу рулона. В результате принудительного отделения от рулона кольцо деформируется и не может быть использовано для дальнейшей эксплуатации.

3. Величина температурного шва не оговаривается. Недостаточная величина температурного шва в условиях высоких скоростей нагрева и охлаждения приводит к деформации кольца, вызывающей слипание витков и образование дефекта "излом" при последующей размотке рулона. При больших температурных швах снижается жесткость кольца.

Предлагаемая конструкция колец устраняет вышеотмеченные недостатки.

Техническая задача изобретения состоит в снижении свариваемости витков рулонов и продлении эксплуатационного ресурса колец за счет уменьшения действующих на торцы рулонов напряжений, повышения стойкости конструкции кольца действию термических напряжений и подбора материала кольца.

Поставленная техническая задача решается за счет выполнения фасок или закруглений на краях опорных граней радиальных ребер, уменьшающих травмирование рулона. Для обеспечения термического расширения и сжатия различных по сечению участков кольца без общей деформации и нарушения плоской формы диск изготавливают из элементов, в которых выполняют температурные прорези длиной, равной 0,4-0,6 разницы внешнего и внутреннего радиусов диска, суммарная ширина которых составляет 0,06-0,07 внешнего радиуса диска. В основании температурных прорезей выполняют отверстия диаметром, равным 1,2-3,0 ширины прорези, предотвращающие образование трещин. Для уменьшения подваривания торца рулонов к радиальным опорным ребрам в качестве материала ребер используют сталь с содержанием углерода более 0,4%.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Вероятность слипания витков по кромке рулона и подваривания торца рулона к конвекторному кольцу прямо пропорциональна напряжениям сжатия, действующим на торцы рулонов. При установке кольца на неровную поверхность под действием веса рулонов оно принимает форму поверхности опоры. Вследствие нарушения параллельности между плоскостью опорных элементов кольца и торцевой плоскостью рулона вся нагрузка от вышестоящих рулонов передается на ребровые элементы кольца, выступающие вследствие деформации над поверхностью кольца и расположенные под углом к торцу рулона. Многократное повышение контактных напряжений на острых кромках опорных ребер приводит к деформации витков и слипанию витков в рулоне по линии контакта. Для уменьшения удельных напряжений, действующих в зоне контакта рулона и кольца в условиях его вынужденного искривления, в предлагаемой конструкции кольца на краях опорных граней радиальных ребер выполняют фаски или закругления, снижающие травмирование рулона.

Второй причиной потери плоской формы кольца в процессе нагрева и охлаждения, а следовательно, и увеличения контактных напряжений на кромке рулона является непропорциональное температурное изменение геометрических размеров периферийных и внутренних участков кольца, вызванное градиентом температурного поля по его сечению. Предлагаемая конструкция конвекторного кольца исключает деформацию кольца вследствие неравномерного теплового расширения и сжатия за счет выполнения в элементах образующих диск кольца температурных прорезей длиной, равной 0,4-0,6 разницы внешнего и внутреннего радиусов диска, суммарная ширина которых составляет 0,06-0,07 внешнего радиуса диска. В основании температурных прорезей выполняют отверстия диаметром, равным 1,2-3,0 ширины прорези. Экспериментально установлено, что при длине прорезей менее 0,4 разницы внешнего и внутреннего радиуса диска и их суммарной ширине менее 0,06 внешнего радиуса диска избежать деформации кольца и травмирования рулона не удается. Увеличение длины прорезей более 0,6 разницы внешнего и внутреннего радиуса диска и их суммарной ширины более 0,06 внешнего радиуса диска ослабляет жесткость конструкции. Отверстия в основании температурных прорезей снижают концентрацию термических напряжений в этой области до безопасного уровня и предотвращают образование трещин в диске кольца.

Для уменьшения подваривания торца рулона к радиальным опорным ребрам в качестве материала ребер предлагаемого конвекторного кольца используется сталь с содержанием углерода более 0,4%. Известно, что цементит, присутствующий в структуре углеродистой стали, является нестабильной фазой, разлагающейся в процессе тепловой обработки с образованием графита. Неоднократное использование конвекторных колец для отжига металла при температурах до 700-710°С, выдержки при этих температурах и медленное охлаждение способствуют частичному разложению цементита с образованием графита. Под действием трения, возникающего между кольцом и кромкой полосы при ее тепловом расширении, включения графита, выходящие на поверхность контакта рулона и кольца, разрушаются по плоскостям спайности. Образованные в результате разрушения графитных включений тончайшие пластинки покрывают поверхность трения, тем самым уменьшая сухой контакт металла с металлом и схватывание. Таким образом, использование для изготовления радиальных ребер колец стали с содержанием углерода более 0,4% уменьшает риск подваривания кольца к рулону. При меньшем содержании углерода эффекта подваривания полностью избежать не удается.

Изобретение поясняется чертежом.

Конструкция конвекторного кольца представляет собой один диск 1 с центральным отверстием 2, с двух сторон которого расположены радиальные опорные ребра 3, образующие сужающиеся циркуляционные каналы 4 между диском, ребрами и торцевой поверхностью рулона. Диск выполнен сварным, состоящим из нескольких элементов, имеющих температурные прорези 5 длиной, равной 0,4-0,6 разницы внешнего (R) и внутреннего (г) радиусов диска, суммарная ширина которых составляет 0,06-0,07 внешнего радиуса диска. В периферийных частях диска (между радиальными ребрами) выполнены вырезы 8. На верхней и нижней поверхностях диска расположены радиальные ребра, изготовленные из стали с содержанием углерода более 0,4%, на краях опорных граней которых выполнены фаски или закругления 6. В основании температурных прорезей выполняют отверстия 7 диаметром, равным 1,2-3,0 ширины прорези. Радиальные ребра расположены с перекрытием сверху и снизу температурных прорезей и с одной стороны в зоне прорезей к диску не приварены (поверхности сварки обозначены штрихпунктирными линиями). Такая конструкция узла стыка радиальных ребер и диска предотвращает смещение разделенных температурными прорезями частей диска друг относительно друга в вертикальной плоскости (за счет радиальных ребер) и одновременно обеспечивает свободное тепловое расширение и сжатие диска в горизонтальной плоскости.

Известное и предлагаемое технические решения имеют следующие общие признаки: оба они являются конвекторными кольцами для отжига в колпаковой печи стальных холоднокатаных полос в рулонах, оба содержат диск сборной конструкции, имеющий компенсаторы термического расширения элементов кольца при их неоднородном нагреве, и опорные радиальные ребра, образующие циркуляционные каналы и выполняющие роль стабилизаторов плоской формы кольца.

Отличия предложенного устройства состоят в следующем.

1. Диск представляет собой сборную сварную конструкцию, состоящую из элементов, имеющих температурные прорези длиной, равной 0,4-0,6 разницы внешнего и внутреннего радиусов диска, суммарная ширина которых составляет 0,06-0,07 внешнего радиуса диска, тогда как в известном устройстве роль тепловых компенсаторов выполняют температурные швы, образованные между отдельными элементами диска, величина которых не оговаривается, что не исключает тепловую деформацию кольца.

Предлагаемая конструкция диска является более технологичной в изготовлении, т.к. состоит из меньшего количества элементов, соединенных сварными швами.

2. В основании температурных прорезей выполнены отверстия диаметром, равным 1,2-3,0 ширины прорези, предотвращающие образование трещин, тогда как в известном устройстве основаниями температурных швов являются угловые стыки элементов кольца, на которых вследствие концентрации напряжений могут возникать трещины.

3. Радиальные ребра на краях опорных граней имеют фаски или закругления, уменьшающие травмирование торца рулона конвекторным кольцом, тогда как в известном устройстве опорная поверхность радиальных ребер имеет острые края, которые могут травмировать торцы рулонов.

4. Радиальные ребра изготовлены из стали с содержанием углерода более 0,4%, уменьшающей подваривание кольца к торцу рулона.

Указанные отличительные признаки проявляют во всей совокупности новые свойства, не присущие им в известных совокупностях признаков, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критериям "новизны" и "изобретательского уровня".

Технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем:

- в снижении свариваемости витков, уменьшении брака и отсортировки готового холоднокатаного проката по дефектам "излом", "пятна слипания сварки" за счет наличия температурных прорезей оптимального размера, наличия фасок или закруглений на краях опорных граней;

- в уменьшении брака и отсортировки готового холоднокатаного проката по дефектам "накол", "надав", "отпечатки", связанным с налипанием на валки дрессировочного стана металлической крошки от травмированной кромки полосы за счет снижения травмирования кромки опорными гранями, имеющими фаски или закругления на краях;

- в снижении частоты внеплановых перевалок рабочих и опорных валков дрессировочного стана по устранению дефектов "накол", "надав", "отпечатки" (снижении удельного расхода рабочих и опорных валков на 1 т проката);

- в увеличении выхода годного металла (снижении удельного расхода металла на последующих переделах и в целом по производству холоднокатаного проката) из-за уменьшения длины некондиционных участков рулона с дефектами "излом", "пятна слипания сварки", "рваная кромка" за счет наличия на ребрах кольца фасок или закруглений и применения для изготовления ребер материала, снижающего подваривание витков к кольцу;

- в увеличении срока службы колец за счет наличия температурных прорезей оптимального размера с отверстиями у оснований и подбора материала кольца;

- в снижении затрат на производство (затрат на изготовление колец) за счет более высокой технологичности изготовления колец, имеющих меньшее количество составных элементов и меньшую длину сварных швов.