Прокатный стан

(54) П НИЙ СТАН 7) Р 1 зоб му прои 8.8)тельс новым про использов машиностр ственно д одеформ УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидеУ 547243, кл, В 21 ВАвторское свидетеУ 1135503, кл. В 21 тво СС21/00 197 льство СССР В 1/42, 198 етение относится к прокатводству, а именно к волатным станам, и может бытьно на металлургических и ительных заводах преимущея листовой прокатки трудуемых заготовок. Цель изоб1424882 ретения - увеличение производительности проката путем повышения удель-,ной мощности стана за счет прямогопреобразования теплоты выхлопных газов в когерентное электромагнитноеизлучение. При вращении ротора-поршня 5 осуществляется комбинированныйтермодинамический цикл, состоящий изцикла двигателя внутреннего сгорания,цикла прямого преобразования теплотывыхлопных газов в когерентное электромагнитное (лазерное) излучение ицикла лазерного двигателя протекающих в процессе работы одновременнои непрерывно. Лазерное излучение возИзобретение относится к прокатному производству, а именно к волновым прокатным станам, и может быть использовано на металлургических и ма 5 шиностроительных заводах преимущественно для листовой прокатки труднодеформируемых заготовок.Цель изобретения - увеличение производительности прокатки путем повышения удельной мощности стана за счет прямого преобразования теплоты выхлопных газов в когерентное электромагнитное излучение.На чертеже схематично изображен предлагаемый прокатный стан, продольный разрез. Прокатный стан содержит неподвижную станину 1 с герметичными крышка, 20 ми (не показаны), образующими внутреннюю полость 2, и С-образной плитой 3, профиль которой имеет вид двухэпитрохоидной поверхности,охва" тывающей установленный на эксцентриковом валу 4 треугольный ротор-поршень 5, в вершинах которого с возможностью вращения размещены рабочие валки 6, сцепленные между собой шестерни 7 и 8 с внутренними и наружными зубьями, закрепленные соответстЗО венно на роторе-поршне 5 и станине 1, подводящий канал 9, соединенный с источником 10 карбюрированной рабочей смеси, и выхлопной канал 11. никает в оптическом резонаторе 19 ичерез линзопризматическую систему 17передается во внутреннюю полость 2.Лазерное излучение используется какдля инициирования рабочей смеси вконце процесса сжатия, так и для преобразования энергии лазерного излучения в механическую работу и создания дополнительного вращающего момента ротора-поршня 5. Кроме того, в результате взаимодействия с малопрозрачной рабочей средой внутренняяэнергия когерентных электромагнитныхколебаний преобразуется в высокопотенциальную теплоту. 1 ил. Для увеличения производительности прокатки путем повышения удельной мощности стана за счет прямого преобразования теплоты выхлопных газов в когерентное электромагнитное (лазерное) излучение прокатный стан снабжен ускоряющим соплом 12, конфузор 13 которого присоединен к выхлопному каналу 11, а диффузор 14 - к сверхзвуковому отсеку 15, при этом внутренняя полость 2 через отверстие 16, проведенное в станине 1, и линзопризматическую систему 17 присоединена к выходному окну 18 оптического резонатора 19, размещенного в сверхзвуко" вом отсеке 15. С-образная плита 3 выполнена сменной и установлена в станине 1 неподвижно. В С-образной плите 3 предусмотрен ручей (не показан), образующий вместе с наружными поверхностями рабочих валков 6 клинообразный в полярной системе координат рабочий калибр. В рабочих валках 6 также могут быть выполнены требуемые ручьи,Внутренняя поверхность С-образной плиты 3, наружная поверхность ротора-поршня 5 и внутренние поверхности герметичных крышек образуют три камеры переменного в процессе прокатки объема, заполненные рабочей средой воздухом с рабочей смесью для левой камеры и выхлопными газами (смесьюпродуктов сгорания с горячим воздухом) для правой.Источник 10 карбюрированной рабочей смеси представляет собой воздухозаборник 20 и распылитель 21, соединенный трубопроводом 22 с топливнойемкостью (не показана), и служит дляприготовления и подачи рабочей смеси,сгорающей в верхней камере переменного объема,средства для малоинерционного измерения и регулирования в процессе прокатки скорости и момента прокатки,переднего и задйего натяжений, состава и подачи рабочей смеси, температуры и давления в камерах переменногообъема и ускоряющем сопле 12, составаи температуры выхлопных газов и других параметров.Для предотвращения преждевременного зажигания рабочей смеси в процессесжатия прокатный стан может быть выполнен сдвоенным, состоящим из двухидентичных частей, процессы в которагхосдвинуты по фазе на 180 , и снабженным оптическим коммутатором, обеспечивающим передачу когерентного электромагнитного излучения в камеру переменного объема при ее верхнем иправом положении,Прокатный стан работает следующим образом,После задачи полосы одним из известных способов устанавливается необходимай режим прокатки и включается вспомогательная система оптимизации режима. При этом прокатываемцйметалл образует внутри станины 1петлю треугольной формы, охватывающую рабочие валки 6 по наружным образующим. Посредством стартерногоустройства обеспечивается пуск станапутем первоначальной закрутки эксцентрикового вала 4, и он переходитв режим самовращения.При вращении ротора-поршня 5 в направлении, указанном на чертеже (почасовой стрелке), в прокатном станеосуществляется комбинированный термодинамический цикл, состоящий из цикла двигателя внутреннего сгорания,цикла прямого преобразования теплотывыхлопных газов в когерентное электромагнитное (лазерное) излучение ицикла лазерного двигателя, протекающих в процессе работы одновременнои непрерывно. 1Цикл двигателя внутреннего сгорания протекает во внутренней полости 2при полном обороте ротора-поршня 5,цикл прямого преобразования теплотывыхлопных газов в когерентное электромагнитное (лазерное) излучение протекает в оптическом резонаторе 19сверхзвукового отсека 15, а цикл лазерного двигателя протекает в камерепеременного объема при ее верхнеми правом положении,Для подачи и приема прокатываемо-. го металла, для создания переднего и заднего натяжения и обеспечения охватывания ротора-поршня 5 петлей прока тываемого металла служат моталки 23 и 24 и отклоняющие ролики 25 - 28,Линзопризматическая система 17 представляет собой трубу 29, в которой размещены линзы 30 и призмы 31, 20 служащие для канализации когерентного электромагнитного (лазерного) излучения из выходного окна 18 оптического резонатора 19 во внутреннюю полость 2 станины 1. 25Оптический резонатор 19 открытого типа составлен из параллельных зеркал 32 и 33 (резонатор фабри-Перо). Зеркало 32, образующее выходное окно 18, является полупрозрачным, 30Сверхзвуковой отсек 15 представляет собой трубу прямоугольного сечения. К выходной апертуре сверхзвукового отсека 15 присоединен фильтр 34 для очистки отработанных выхлопных газов от химически активных и токсичных компонентов.При больших тепловых потоках для вывода излучения из оптического резонатора 19 могут быть использованы 40 газодинамические окна со сжатием потока.Для снижения параэитного гаэообмена между камерами переменного объема ротор-поршень 5 снабжен уплотнениями 45 (не показаны).Специального запального приспособления не предусматривается, так как в установившемся режиме инициирование рабочей смеси обеспечивается лазерным излучением.Для пуска прокатного стана путем первоначальной закрутки эксцентриковый вал 4 снабжен шпинделем, соединяющимся через выключаемую муфту со)5 стартерным устройством (не показаны).Для оптимизации режима прокатки могут быть предусмотрены связанные с электронной вычислительной машинойЦ икл двигателя внутреннего сгорания протекает во внутренней полости 2 и состоит .из следующих процессов.Первый процесс сжатия поступающейчерез подводящий канал 9 от источника 10 карбюрированной рабочей смесиявляерся адиабатным и протекает в камере переменного объема при ее левомположении. Температура и давление 1 ОРабочей среды (воздуха с распыленнымтопливом) повьппаются.Второй процесс сгорания сжатой рабочей среды является изохорным и протекает в камере переменного объемари ее верхнем положении. Температурадавление рабочей среды повьппаются о максимальных значений, одновременНо воздействуя на прокатываемый металлН способствуя повышению его пластичНости.Третий процесс расширения рабочей1 реды (смеси продуктов сгорания с гоячим воздухом) является адиабатнымпротекает в камере переменного объ 6 ма при ее правом положении. Происходит трансформация подведенной теплоты в механическую работу что обесПечивает самовращение рабочих валков 6, взаимодействующих через прокатываемый металл с С-образной плитой 3. Температура и давление рабочей среды снижаются и она превращается в выхлопные газы,Четвертый процесс отвода выхлопных газов в выхлопной канал 11 явля:ется изохорным и протекает в камере йеременного объема при ее нижнем положении.Нагретые выхлопные газы, в состав40 которых входят азот, углекислый газ и пары воды, по выхлопному каналу 11 подаются в ускоряющее сопло 12.При течении выхлопных газов в ускоряющем сопле 12 теплота от возбуж 45 денных молекул азота И, обладающих большим временем колебательной релаксации, передается молекулам углекислого газа СО с коротким временем колебательной релаксации.50 Молекула СО имеет разрешенные дипольные переходы в инфракрасной (ИК) области сектора, а ее колебательный уровень (ОО 1) Е/йс=2349 см близок к первому колебательному уров 55 ню Е/Ьс=2330,7 см, где Е - энергия, с - скорость света (2,99792458 ++0,000000012)10 м/с, Ь - постоянная Планка (Ь, 626176+0, 000036)и "1 О Дж с.В диффуэоре 14 в результате расширения температура снижается, а поток выхлопных газов становится сверхзвуковым. При этом находящийся высоко над основным состоянием уровень (10 С) заселен слабо и входящий, в оптический резонатор 19 сверхзвукового отсека 15 поток является инверсно заселенным, Для ускорения релаксации молекул СО в основное состояние служат пары воды, имеющие еще более короткое время колебательной релакса" ции, чем СО. Так в оптическом резонаторе 19 сверхзвукового отсека 15 создается активная среда, обладающая отрицательным поглощением по отношению к световому пучку. Благодаря положительной обратной связи, обеспечиваемой зеркалами 32 и 33, усиливаемые активной средой когерентные электромагнитные колебания являются незатухающими и мощное лазерное излучение иэ выходного окна 18 оптического резонатора 19 посредством линзопризматической системы 17 передается во внутреннюю полость 2 станины 1. Так протекает цикл прямого преобразования теплоты выхлопных газов в когерентное электромагнитное (лазерное) излучение.Цикл лазерного двигателя протекает в камере переменного объема при ее верхнем правом положении, При этом лазерное излучение используется как для инициирования рабочей смеси в конце процесса сжатия рабочей смеси, так и для преобразования энергии лазерного излучения в механическую работу и создания дополнительного вращающего момента ротора-поршня 5.В результате взаимодействия с малопрозрачной (из-эа частиц полностью не сгоревших мелкодисперсных капелек топлива) рабочей средой внутренняя энергия когерентных электромагнитных колебаний практически полностью преобразуется в высокопотенциальную теплоту. Высокопотенциальная теплота подводится к рабочей среде в процессе расширения при переменном объеме, Происходит трансформация подводимой теплоты в механическую работу, что приводит, как указано, к созданию дополнительного вращающего момента.Средняя температура подвода теплоты в цикле лазерного двигателя выше средней температуры подвода теплоты в цикле, двигателя внутреннего сгора ния. Соответственно термический КПД цикла лазерного двигателя больше термического КПД цикла двигателя внутреннего сгорания.Таким образом, прямое преобразо О вание теплоты выхлопных газов в коге.рентное электромагнитное излучение повышает среднюю температуру комбинированного термодинамического цикла, осуществляемого в предлагаемом прокатном стане, что повышает его удельную мощность,Прокатываемый металл движется с правой моталки 23 на левую моталку 24, при этом рабочие валки 6 обеспе чивают обжатие в рабочем калибре и подачу прокатываемого металла, вращаясь против часовой стрелки, Подаваемая полоса не испытывает трения о рабочую поверхность С-образной пли ты 3. В процессе прокатки вдоль прокатываемого металла распространяется бегущая волна деформаций, частота которой определяется скоростью вращения ротора-поршня 5, а амплитуда - разностью радиуса описанной вокруг ротора-поршня 5 окружности и радиуса вписанной в ротор-поршень 5 окружности.За один оборот ротора-поршня 5 про,катываемый металл Проходит расстоя 35 ние, равное разности длин С-образной плиты 3 и периметра ротора-поршня 5. Так как эта разность относительно мала, прокатываемый металл находится во внутренней полости 2 в течение нескольких рабочих циклов и каждый его участок многократно подвергается перед очагом деформации воздействию высоких температур и давлений рабочей среды, что повышает его пластичностьПовышение удельной мощности предлагаемого прокатного стана в первом приближении может быть оценено следующим образом.50 Эффективностьпредлагаемого прокатного стана дается следующим выражениемЕ =1 б+(1-Рв)2.2 э55 где- термический КПД цикла двигателя внутреннего сго" рания;- термический Г 1 Д прямого преобразования теплоты выхлопных газов в когерентное электромагнитное излучение;11 - термический КПД цикла лазерного двигателя.Увеличение производительности прокатки путем повышения удельной мощности стана за счет прямого преобразования теплоты выхлопных газовв когерентное электромагнитное излучениеП р и м е р При=0,4; =0,25 и=0,8 получаем эффективность стана=0,52 и увеличение производительности на 307Таким образом, использование предложенного прокатного стана позволяет существенно увеличить производительность проката,Формула изобретенияПрокатный стан, содержащий неподвижную станину с герметичными крьппками, образующими внутреннюю полость, и С-образной плитой, профиль которой имеет вид двухэпитрохоидной поверхности, охватывающей установленный на эксцентриковом валу треугольный ротор-поршень, в вершинах которого с возможностью вращения размещены рабочие валки, сцепленные между собой шестерни с внутренними и наружными зубьями, закрепленные соответствено на роторе-поршне и станине, подводящий канал, соединенный с источником карбюрированной рабочей смеси, и выхлопной канал, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения производительности прокатки путем повышения удельной мощности стана за счет прямого преобразования теплоты выхлопных газов в когерентное электромагнитное излучение, он снабжен сверхзвуковым отсеком с размещенным в нем оптическим резонатором, кото" рый своим выходным окном связан через линзопризматическую систему с внутренней полостью, и ускоряющим соплом, конфузор которого присоединен к выхлопному каналу, а диффуэор - к сверхзвуковоМу отсеку.1