PL170068B1 - Method of and apparatus for reducing scale formation ability during hot plastic working processes carried out on metals, in particular on steel - Google Patents

Abstract

1. Sp osób zm niejszania tw orzenia sie zgorzeliny p o d - czas przeróbki plastycznej na goraco m etalu, zw laszcza stali, przy której to przeróbce rozgrzany m etal zostaje przez krótki czas p od w ysokim cisnieniem plastycznie i w pewnej czesci elastycznie przeksztalcony, a nastepnie m oze byc odprezony, przy czym w alcow any m aterial po stronie w ylotow ej zostaje przykryty gazem obojetnym , znamienny tym , ze opuszczajacy szczeline w alcow nicza m aterial w alcow any poddaje sie nadm uchow i gazu o b o - jetnego na takim odcinku drogi, w obrebie którego nastepuje odprezanie elastycznej czesci ksztaltowania. 3 U rzadzenie do zm niejszania tworzenia sie zgorze- liny podczas przeróbki plastycznej na goraco m etalu, zw laszcza stali, znajdujace sie przy klatce w alcow niczej, do której dolaczona jest instalacja do doprow adzania gazu ob ojetnego, która posiada w ieksza liczbe dysz, skie- rowanych na ksztaltow any m aterial, znamienne tym , ze zawiera srodki, które p o w alcow aniu na goraco rozsze- rzaja 1 ograniczaja doprow adzanie gazu obojetnego na pew ien odcinek drogi za szczelina w alcow nicza, od p o- wiadajacy elastycznej fazie odprezajacej m aterialu w alcow anego. F i g . 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do zmniejszania tworzenia się zgorzeliny podczas przeróbki plastycznej na gorąco metalu, zwłaszcza stali, przy której to przeróbce rozgrzany metal zostaje przez krótki czas elastycznie kształtowany pod wysokim ciśnieniem, a następnie może być odprężony.

Wszystkie metale nieszlachetne reagują powierzchniowo ze składnikami otaczającej je atmosfery i tworzą przy powstawaniu zgorzeliny warstwę korozyjną, która znajdujący się pod nią metal chroni przed dalszą korozją. W powietrzu jego tlen reaguje z metalem i tworzy z tlenku metalu warstwę zgorzeliny. Ta warstwa metalu jest krucha. Podczas silnego mechanicznego kształtowania metalu pęka ona i łatwo odpryskuje, jednak pod wpływem otaczającej atmosfery tworzy się na nowo.

W przytoczonych na wstępie procesach kształtowania na gorąco zauważono, że cząstki zgorzeliny na znacznym obszarze uwalniają się z powierzchni metalu i jako materiał unoszący się uchodzi w postaci chmury aerosolowej. Przykładowo, w walcowniach gorących po każdej szczelinie walcowniczej następują duże emisje cząstek tlenku żelaza i (odpowiednio do składników stopu) metali ciężkich. Emisje tego rodzaju stanowią znaczne zagrożenie dla otoczenia, a przede wszystkim dla pracowników walcowni. Dotychczas próbuje się zapanować nad tymi emisjami za pomocą odsysania. Nakłady na potrzebną do tego aparaturę, obejmującą mianowicie odfiltrowanie z powietrza cząstek materiałów unoszonych lub wody chłodzącej do walców, są znaczne; oprócz tego tracone są duże ilości stali.

Obecnie okazało się niespodziewanie, że tworzenie zgorzeliny daje się zdecydowania zmniejszyć, jeżeli zgodnie z wynalazkiem podczas fazy odprężania powierzchnia metalu zostanie zakryta gazem obojętnym. Istota tego nie została jeszcze dotychczas jednoznacznie wyjaśniona; nie od razu jest jasna, jak na dłoni.

Punktem wyjścia jest to, że przy wysokich temperaturach, do których metal musi być nagrzany, aby osiągnąć stan elastyczności, zostają przyspieszone reakcje chemiczne tworzenia się zgorzeliny, przebiegające samorzutnie. Dalszym punktem wyjścia jest to, że początku procesu

170 068 kształtowania na gorąco znajdująca się na metalu warstwa zgorzeliny podczas kształtowania rozrywa się i w każdym przypadku odrywa się w wysokim stopniu. Dokładniejsze rozważania i oceny wykazały, że silne emisje zgorzeliny, które występują na przykład przy przelocie wzgl. przebiegu rozgrzanej taśmy stalowej przez klatkę walcowniczą, w sposób oczywisty nie sama warstwa zgorzeliny jako taka jest tego przyczyną, która to warstwa na początku procesu kształtowania znajduje się na powierzchni metalu.

Okoliczność, że na ukształtowanym metalu powstaje nagle nowa warstwa zgorzeliny prowadzi do wniosku, że w fazie odprężania ukształtowanego metalu następuje w pewnym stopniu kaskadowo większa liczba odprysków i tworzenia się zgorzeliny, ponieważ razem z plastycznym idzie w parze także pewna część kształtowania elastycznego i ono prowadzi do niejakiego ponownego rozszerzenia metalu, podczas którego możliwym jest, że dochodzi szybko do tworzenia, zrywania i odpryskiwania warstw zgorzeliny.

Odnośnie tego domniemanego procesu nie ma dotychczas pewności; ustalono jedynie, że wbrew oczekiwaniom fachowców zakrycie powierzchni kształtowanego na gorąco metalu na pewien określony czas bezpośrednio po kształtowaniu na gorąco gazem obojętnym - przy walcowaniu na gorąco przebiegającego materiału dotyczy to ustalonego odcinka po opuszczeniu szczeliny walcowniczej - prowadzi do skutecznego zmniejszenia powstawania zgorzeliny (dokładniej; powstawania chmur z cząstek zgorzeliny, odpryskujących w postaci cząstek unoszonych).

Korzystnie jako gaz obojętny stosuje się azot, za pomocą którego przy walcowaniu na gorąco stali, opuszczającej szczelinę walcowniczą, ten opuszczający szczelinę materiał otrzymuje nadmuch przez określony odcinek swojej drogi.

Ażeby w takim przypadku uchwycić cały krytyczny obszar, w obrębie którego podczas walcowania na gorąco stali po opuszczeniu szczeliny walcowniczej występuje tworzenie się chmur aerozolowych ze zgorzeliny i cząstek metali ciężkich, przy walcowaniu na gorąco stali otrzymuje ona po opuszczeniu szczeliny walcowniczej nadmuch gazu obojętnego przez określony odcinek swojej drogi. Odcinek ten odpowiada w kontekście uprzednio podanego wyjaśnienia „fazie odprężenia taśmy stalowej po jej plastycznym ukształtowaniu w szczelinie walcowniczej; w każdym razie okazało się, że poza tym określonym odcinkiem drogi dochodzi wprawdzie na drodze naturalnej do tworzenia się zgorzeliny (normalnie cienkiej), jednak nie następuje emisja jej substancji unoszących się.

Korzystnie przy takim stosowaniu sposobu według wynalazku kierunek nadmuchu gazu obojętnego zostaje nastawiony ukośnie do kierunku przesuwania się stali. W ciągu dalszych ulepszeń można przewidzieć, że gaz obojętny będzie także wdmuchiwany w wolne przestrzenie szczeliny walcowniczej, znajdujące się obok materiału walcowanego.

Zgodnie z wynalazkiem, przykrycie rozgrzanego metalu poddawanego procesowi kształtowania na gorąco podczas jego fazy odprężania po zakończeniu plastycznego kształtowania następuje korzystnie w każdym przypadku przez nadmuchiwanie gazu obojętnego także wtedy, gdy proces kształtowania przebiega mniej więcej stacjonarnie tak, jak przy kuciu swobodnym, kuciu matrycowym lub prasowaniu na gorąco i stąd przestrzeń otaczająca przedmiot obrabiany i narzędzia mogą być osłonięte przed atmosferą powietrzną w sposób względnie prosty. Stosownie do tego, budowa urządzenia do stosowania sposobu według wynalazku polega na tym, że do instalacji do kształtowania na gorąco metalu dołączone jest urządzenie doprowadzające gaz obojętny, które zawiera większą liczbę środków jak również dysz, skierowanych na kształtowany, które ograniczają dopływ gazu obojętnego na fazę odprężenia po kształtowaniu.

Korzystne jest przy tym, jeżeli urządzenie zawiera elementy, które otaczają kształtowany materiał każdorazowo podczas fazy odprężania i na których wewnętrznych stronach może znaleźć oparcie gaz obojętny, będący pod ciśnieniem wyższym, aniżeli atmosferyczne. Okazało się mianowicie, że potrzebne jest odpowiednie ciśnienie tego gazu obojętnego, ażeby można go było doprowadzić intensywnie i wystarczająco szczelnie pomimo nagłego jego nagrzania przy zbliżeniu do powierzchni tego gorącego materiału. Jednak bez co najmniej daleko idącego osłonięcia materiału kształtowanego podczas fazy odprężania tego rodzaju ciśnienia gazu obojętnego nie daje się wytworzyć.

170 068

O ile przy kształtowaniu materiału rozchodzi się o stal walcowaną, która przechodzi przez klatkę walcowniczą z dużą (i zwiększającą się) prędkością, elementami otaczającymi mogą być części stojaka walcowniczego od strony wyjściowej, przynależne do klatki walcowniczej.

Na przykładzie klatki walcowniczej do obróbki taśm na gorąco wynalazek jest objaśniony poniżej w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia część klatki walcowniczej od strony wyjściowej w ujęciu schematycznym, fig. 2 - górną skrzynię na wodę chłodzącą w widoku z góry, fig. 3 - dolny stół walcarki w widoku z góry, fig. 4 - przebieg kształtowania w szczelinie walcowniczej oraz fig. 5 - pionowy przekrój środkowy przez walce i materiał walcowany według fig. 4.

Walce robocze 2, 3 oraz walce oporowe 4, 5, osadzone w stojaku 1 klatki walcowniczej, są na odcinku według fig. 1 przedstawione fragmentarycznie w schematycznym widoku z boku. Przez szczelinę walcowniczą 6 przebiega rozgrzany materiał walcowany na fig. 1 od strony lewej ku prawej; przedstawione na fig. 1 elementy, przynależne do klatki walcowniczej znajdują się więc po stronie wyjściowej materiału walcowanego.

Do tych elementów należy stół walcowniczy, usytuowany pod gorącą taśmą 7, składający się z dwóch części 8a i 8b oraz posiadający zgarniacz 9, przylegający do walca roboczego 3 oraz rozdzielacz wody chłodzącej 10, usytuowany poniżej stołu walcowniczego 8a. Doprowadzana z tego rozdzielacza do walca roboczego 3 woda chłodząca jest oznaczona liczbą 11.

Powyżej gorącej taśmy 7 rozpoznać można na fig. 1 skrzynię wodną 12, której dolna strona 16, w obszarze walca roboczego 2, zaopatrzona jest w zgarniacz 13. W skrzyni wodnej 12 są umieszczone rozdzielacze 14 dla wody chłodzącej 15, która jest natryskiwana na walec roboczy 2. Zgarniacz 13 zapobiega opadaniu odpływającej wody chłodzącej na gorącą taśmę 7; woda chłodząca odpływa po bokach w obszarze ostojnic stojaka 1 i zostaje odprowadzona poniżej klatki walcowniczej.

Zgodnie z wynalazkiem, w obrębie stołu walcowniczego 8 jak również górnej skrzyni wodnej 12 znajdują się urządzenia do wdmuchiwania azotu do przestrzeni, zamkniętej w znacznym stopniu stołem i skrzynią wodną z jej zgarniaczami 9,13 jak również bocznymi elementami stojaka 1, przez którą przebiega gorąca taśma 7 bezpośrednio po opuszczeniu szczeliny walcowniczej 6. Usytuowana poprzecznie do kierunku walcowania rura 20 doprowadza gaz obojętny przez giętki przewód 21 do dwururowego poprzecznego rozdzielacza 22, który rozdziela ten gaz na większą liczbę stosunkowo cienkich rur dyszowych 23, które jako uszczelnione przechodzą przez dolną część 16 skrzyni wodnej 12 i skierowują strumienie gazu obojętnego 25 ukośnie na górną stronę taśmy 7 i przeciwnie do kierunku przesuwania się tej gorącej taśmy 7.

Dalsze połączenie giętkie 26 prowadzi gaz obojętny do rozdzielacza poprzecznego 27, usytuowanego za skrzynią wodną 12 w kierunku przesuwania się gorącej taśmy 7, który to rozdzielacz posiada rozmaite, rozdzielone na szerokości gorącej taśmy 7 otwory dyszowe 28 i również kieruje strumienie 29 gazu obojętnego ukośnie w kierunku przeciwnym do przesuwania się tej gorącej taśmy 7. Odpowiednio dotyczy to, w jeszcze większej odległości od szczeliny walcowniczej 6, poprzecznego rozdzielacza 30, który jest zasilany z rury 20 poprzez rurę rozdzielczą 31.

W odpowiedni sposób zostaje zakryta gazem obojętnym dolna strona gorącej taśmy 7. Dwururowy rozdzielacz poprzeczny 42 otrzymuje gaz obojętny z rury 40 przez giętki przewód 41 i rozprowadza go na większą liczbę rur dyszowych 43 podzielonych przez całą szerokość klatki walcowniczej na dysze 44, które przechodzą przez dolny stół walcowniczy 8a i kierują strumienie 45 gazu obojętnego ukośnie w kierunku przeciwnym do przesuwania się gorącej taśmy 7.

Za pomocą dalszych giętkich przewodów 46,47 poprzeczne rozdzielacze 48,49 są przyłączone do rury 40 i skierowują - także ukośnie w stosunku do kierunku przesuwu - strumienia gazu obojętnego 50, 51, poprzez umieszczone w odstępach poszczególne elementy stołu walcowniczego 8b (por. fig. 3), na dolną stronę gorącej taśmy 7.

Na fig. 4 uwidoczniony jest schematycznie przebieg gorącej taśmy przez walce robocze 2, 3. Gorąca taśma 7 nadchodzi od lewej strony z grubością wyjściową s i zostaje w szczelinie walcowniczej 6 przekształtowana plastycznie na mniejszą grubość i w pewnym odstępie od szczeliny walcowniczej posiada grubość S1. Warstwę zgorzeliny 7a, która otacza ze wszystkich stron gorącą taśmę 7 przed wejściem do szczeliny walcowniczej 6, można rozpoznać na fig. 4 po lewej stronie szczeliny walcowniczej. Ta warstwa zgorzeliny zostaje w trakcie postępującego kształtowania w postaci klina zarysowana i odpryskuje; na fig. 4 jest to zaznaczone w dużym powiększeniu.

170 068

Skoro tylko gorąca taśma 7 przejdzie przez szczelinę walcowniczą, a więc linię najmniejszego odstępu między walcami roboczymi 2 i 3, odstęp między walcami 2 i 3 nagle się powiększa tak, że materiał gorącej taśmy 7 może się odprężyć. W zależności od własności materiału i prędkości posuwu gorącej taśmy 7, strefa E fazy odprężania rozciąga się przez określony odcinek drogi, przylegający w kierunku przesuwu do szczeliny walcowniczej 6, który to odcinek jest uwidoczniony na fig. 4 nad i pod gorącą taśmą 7 za pomocą litery „E“. W obszarze E tej fazy odprężania gorąca taśma 7 zostaje, zgodnie z wynalazkiem, zakryta gazem obojętnym - korzystnie azotem tak, że nie może się tam na tej taśmie tworzyć żadna nowa zgorzelina. Skoro tylko gorąca taśma 7 opuszcza zakrytą gazem obojętnym strefę odprężania E, powierzchnia metalu reaguje z tlenem otaczającego powietrza i tworzy (nową) warstwę zgorzeliny 7b, jednak o porównywalnie mniejszej grubości.

Figura 5 pokazuje schematyczny przekrój przez walce robocze 2 i 3 i gorącą taśmę 7, znajdującą się w szczelinie walcowniczej 6. Według dalszej odmiany wynalazku gaz obojętny jest wdmuchiwany także w wolne przestrzenie 52, znajdujące się obok gorącej taśmy 7 w szczelinie walcowniczej 6.

Fig. 2

170868

Fig. 3

Fig. ί

Fig. 5

17® »68

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2.00 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zmniejszania tworzenia się zgorzeliny podczas przeróbki plastycznej na gorąco metalu, zwłaszcza stali, przy której to przeróbce rozgrzany metal zostaje przez krótki czas pod wysokim ciśnieniem plastycznie i w pewnej części elastycznie przekształcony, a następnie może być odprężony, przy czym walcowany materiał po stronie wylotowej zostaje przykryty gazem obojętnym, znamienny tym, że opuszczający szczelinę walcowniczą materiał walcowany poddaje się nadmuchowi gazu obojętnego na takim odcinku drogi, w obrębie którego następuje odprężanie elastycznej części kształtowania.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz obojętny wdmuchuje się także w wolne przestrzenie boczne, znajdujące się obok walcowanego materiału w szczelinie walcowniczej.
3. 3. Urządzenie do zmniejszania tworzenia się zgorzeliny podczas przeróbki plastycznej na gorąco metalu, zwłaszcza stali, znajdujące się przy klatce walcowniczej, do której dołączona jest instalacja do doprowadzania gazu obojętnego, która posiada większą liczbę dysz, skierowanych na kształtowany materiał, znamienne tym, że zawiera środki, które po walcowaniu na gorąco rozszerzają i ograniczają doprowadzanie gazu obojętnego na pewien odcinek drogi za szczeliną walcowniczą, odpowiadający elastycznej fazie odprężającej materiału walcowanego.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że środki zawierają elementy obudowy, w których gaz obojętny może zostać sprężony do ciśnienia wyższego, niż ciśnienie atmosferyczne.