Прокатный стан

54) ПР57) Иэ КАТНЫЙ бретени АН относится к прока у, а именно к констпрокатного стана, вод п й олновог ающего рукции вобеспечивваемоговоздейст амодвиж ри одно ие прокатыенном высоких темпер на термодига, и может ет ос ествле а Стир намичес быть ис о ля органи ользован ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ прокатного производства. Целью изобретения является повышение термодинамической эффективности процессапрокатки, увеличение мощности прокатного стана и расширение области егоприменения. Профиль охватывающей ротор плиты выполнен в виде квадрата,в вершинах которого внутренняя полость соединена последовательно включенными тепловым источником, регенератором и тепловым стоком с дополнительной внутренней полостью с ротором,приводной вал которого жесткосвязан с эксцентриковым. валом, приэтом ротор-поршень снабжен гибким сепаратором с рабочими валками и гибкобесконечной лентой, охватывающей рабочие валки. Применение цикла Стирлинга позволяет увеличить количествоподводимой и отводимой теплоты, чтосущественно увеличивает удельную мощность прокатного стана. 4 ил1 .1Изобретение относится к прокатному производству, а именно к конструк-.ции волнового прокатного стана, обеспечивающего самодвижение прокатываемого металла при одновременном воздействии на него высоких температурза счет осуществления замкнутого термодинамического цикла Стирлинга, иможет быть использовано для организации прокатного производства.Цель изобретения - повышение термодинамической эффективности процесса прокатки, увеличение мощности прокатного стана и расширение областиего применения,На Фиг, 1 изображен прокатныйстан, продольный разрез, проходящийчерез ротор-поршень; на Фиг.2 - тоже, поперечный разрез, проходящийчерез эксцентриковый вал; на фиг. 3 -то же, продольный разрез, проходящийчерез вращающийся ротор; на Фиг, 4то же, общий вид в изометрическойпроекции.Прокатный стан содержит неподвижную станину 1 с герметичными крьшпками 2 и 3, образующими внутреннююполость 4, и ломаной плитой 5, охватывающей треугольный ротор-поршень б,несущий рабочие валки 7 и установленный на эксцентриковом валу 8, закрепленную на роторе-поршне 6 шестерню 9 с внутренними зубьями, сцепленную с шестерней 1 О с наружными зубьями, а также тепловой источник 11и тепловой сток 12,Для повьппения термодинамическойэффективностй процесса прокатки, увеличения мощности прокатного стана ирасширения области его примененияпрофиль плиты 5 выполнен в виде квадрата, в вершинах которого внутренняяполость 4 соединена последовательновключенными тепловым источником 11,регенератором 13 и тепловым стоком 12с дополнительной внутренней полостью 14, снабженной вращающимся ротором 15, приводной вал 16 которогожестко связан с эксцентриковым валом 8 посредством зубчатой муфты 17..При этом ротор-поршень 6 образованбольшими 18 и малыми 19 дугами, описцваемыми из вершин а равностороннего треугольника 20 и расположеннымис противоположных сторон относительно вершин а, причем радиус г малой,дуги 19 произволен, а радиус К большой дуги 18 равен сумме радиуса г малой дуги 19 и длины Г стороны тре 274785 2угольника 20, и снабжен гибким сепаратором 21, в котором установлены рабочие валки 7, и гибкой бесконечнойлентой 22, охватыванщей рабочие валки 7, а шестерня 10 с наружными зубьями закреплена на эксцентриковомвалу 8.Профиль дополнительной внутреннейполости 14 выполнен также квадратным.Вращающийся ротор 15 выполнен в видеротора-поршня и образован большими 23и малыми 24 дугами аналогично роторупоршню 6 внутренней полости 4, развернут относительно ротора-поршня 6она 180 и снабжен шестерней 25 с внутренними зубьями, сцепленной с шестерней 26 с наружными зубьями, закрепленной на приводном валу 1 б, которыйтакже выполнен эксцентриковым, Пре 2 О дусмотрены герметичные:крьппки 27 и28.Наружная поверхность гибкой бесконечной ленты 22 ротора-поршня 6,.внутренняя поверхность герметичных2 крышек 2 и 3 и пли"ы 5 образуют трикамеры переменного в процессе работы стана объема, соединяющиесяпостоянно при помощи отверстий 29 вгерметичной крышке 3 с тепловыми исьточниками 11. Четвертая (нижняя) камера переменного объема снабжена соответствующими проводками и служит.для ввода и вывода прокатываемого металла,Дополнительная внутренняя по 35лость 14 вместе с вращающимся ротором 15 образует также три камеры переменного в процессе работы станаобъема, соединяющиеся постоянно припомоши отверстий 30 в герметичной40крьппке 27 с тепловым стоком 12. Четвертая (нижняя) камера переменногообьема не используется и не является рабочей.45Плита 5 может быть выполнена сменной и установлена в станине 1 неподвижно. В ней предусмотрен ручей (непоказан), образующий вместе с наружной поверхностью гибкой бесконечнойленты 22 клинообразный в полярных ко 50ординатах рабочий калибр.Тепловой источник 11 выполнен вниде теплообменника, подключенного квысокотемпературному нагревателю, условно изображенному на Фиг, 2 стрел 55ками, направленными внутрь. При использовании солнечной энергии нагревателем служит фокальная область гениоустановки, охватывающая теплооб 1274785менник или соединенная с ним посредством высокотемпературных тепловых труб.Регенератор 13 выполнен в виде полости, заполненной пористым материа лом, имеющим большую теплоемкость и теплоотдачу. Полость может быть заполнена металлической трубкой, состоящей из отдельных полос или проволочек.Тепловой сток 12 выполнен в виде теплообменника, подключенного к холодильнику, условно изображенному на фиг, 2 стрелками, направленными наружу. При использовании стана холодиль ником может служить поверхностный излучатель, соединяемый с теплообменником посредством низкотемпературных тепловых труб.Прокатный стан снабжен моталка ми 31 и 32 и отклоняющими роликами 33 и 34, служащими для перемотки прока- тываемого металла и создания переднего и заднего натяжений, Привод моталок может быть осуществлен от элект родвигателей, питаемых вращаемым са - мим станом электрогенератором (не показан) .Для предотвращения паразитного газообмена между камерами переменного 30 объема предусмотрены установленные на боковых поверхностях ротора-порш - ня 6 и вращающегося ротора 15 уплотнения 35.Эксцентриковый вал 8 снабжен хвос-З товиком 36 для соединения с пусковым устройством (непоказано), служащим для предварительной раскрутки прокатного стана.Камеры переменного объема запол иены рабочим током, при дальнейшем рассмотрении считающимся идеальным газом. В качестве рабочего тела могут быть использованы также газы, например воздух,. гелий, водород, перечис-. 45 ленные в порядке возрастания термодинамической эффективности при увеличении частоты вращения стана. Рабочее тело заполняет также теплообменники теплового источника 11, теплового стока 12 и полость регенератора 13.Для повышения стойкости конструкции может быть предусмотрена система охлаждения наиболее теплонапряженных 55 элементов, например гибкой бесконечной ленты 22, гибкого сепаратора 21 и рабочих валков 7 (не показана). В прокатном стане предусмотреныканалы 37 и 38 для подачи смазки вподшипники 39 и 40 эксцентриковоговала 8 и ротора-поршня 6 соответственно и каналы 41 и 42 для подачисмазки в подшипники 43 и 44 приводного вала 16 и вращающегося рото,ра 15,Могут быть предусмотрены такжеслужащие для обеспечения оптимального режима прокатки и связанные с электронной вычислительной машиной средства для малоинерционного измеренияи регулирования в процессе прокаткипереднего и заднего натяжений, скорости прокатки, температур и давле- .ний в камерах переменного объема, режимов работы теплового источника 11и теплового стока 12 и других параметров,Прокатный стан работает следующим образом.После подачи заготовки одним изизвестных способов устанавливаютсятребуемые параметры прокатки (направление и скорость вращения, величиныпереднего и заднего натяжений) и включается система оптимизации режимапрокаткиПрокатываемый металл образуетвнутри станины 1 треугольную петлю,охватывающую ротор-поршень по наружной поверхности гибкой бесконечнойленты 22. Посредством пускового устройства эксцентриковый вал 8 и связанный с ним зубчатой муфтой 17 приводной вал 16 приводится во вращение.При подводе к рабочему телу теплоты от теплового источника 11 и отводе от него теплоты в тепловойсток 12 в прокатном стане осуществляется замкнутый термодинамическийцикл, близкий к циклу Стирлинга,,3благодаря которому все подвижные элементы стана приводятся в движение, атакже генерируются высокие темпЕратуры и давления, воздействующие на прокатываемый металл,В процессе работы ротор-поршень 6 и вращающийся ротор 15, кинематически связанные с эксцентриковым валом 8 и приводным валом 16 посредством шестерней 9 и 10 и шестерней 25 и 26 соответственно, совершают сложное планетарное движение. Они последовательно занимают различные угловые положения, оставаясь при этом все время вписанными в соответствующие квадрат 5 274 ные профили внутренней полости 4 и дополнительной внутренней полости 14, в продольных сечениях (фиг. 1 и 3) касаются их внутренних поверхностей в четырех местах и образуют три камеры переменного объема в каждой из полостей 4 и 14, При этом пространствен" ное положение камер переменного объема остается неизменным, что дает возможность соединить камеры внутренней полости 4 с камерами дополнительной внутренней полости 14 без использования вращающихся золотниковых распре- делителей. Пространственное же положение мест касания изменяется. 15Во внутренней полости 4 места касания образуют три рабочих калибра, обеспечивающих требуемое обхатие прокатываемого металла. За счет сил трения в рабочих калибрах при вращении ротора-поршня б, например, против часовой стрелки, рабочие валки 7 вращаются по часовой стрелке и перемещаются против часовой стрелки, а прокатываемый металл вместе с гибкой 25 бесконечной лентой 22 перемещается по часовой стрелке, подвергаясь формообразованию в рабочих калибрах и перематываясь с левой моталки 31 на правую моталку 32. При этом подаваемая полоса не испытывает трения о рабочую поверхность С-образной плиты 5 вне рабочих калибров за счет организации волнового движения.В процессе прокатки вдоль прокатываемого металла распространяются бегущие волны деформации, характеризующиеся плавным знакопеременным изгибанием прокатываемого металла в радиальном направлении. Частота бегущих волн деформации определяется частотой вращения ротора"поршня 6 а амплитуда - разностями радиусов окружностей - описанной вокруг гибкой бесконечной ленты 22 и вписанной в гибкую бесконечную ленту 22.За один оборот ротора-поршня .6 прокатываемый металл проходит расстояние, равное разности длин рабочего участка С-образной плиты 5 и периметра гибкой бесконечной ленты 22,50 Так как,эта разность относительно длины рабочего участка С-образной . плиты 5 мала, скорость вращения рото.ра-поршня 6 в десятки раз превосхоцит скорость движения прокатываемого металла, и стан обладает свойством волнового редуктора с большим передаточным отношением, что позволяет 785 6при большой скорости вращения ротора- поршня б, определяющей развиваемую станом большую мощность, совершать большую механическую работу формообразования прокатываемого металла и обеспечивать относительно длительное воздействие на него высоких температур и давлений. При этом потери мощности на волновое деформирование незначительны и составляют при умеренных передаточных отношениях 10-15 ,При вращении ротора-поршня б и вращающегося ротора. 15 из исходного положения (фиг. 1 и 3) против часовой стрелки во внутренней полости 4 верхняя камера, имеющая минимальный объем, сначала почти не изменяет своего объема, затем ее объем увеличивается и достигает максимума при повороте ротора-поршня на 60 , приодальнейшем вращении объем камеры уменьшается и достигает минимума дри повороте ротора-поршня на 120 ; ле.вая камера свой объем увеличивает, а правая уменьшает; в дополнительной внутренней полости 14 за счет разворота вращающегося ротора 15 относио тельно ротора-поршня б на 180 процесс изменения объема протекает вО противофазе; верхняя камера, имеющая максимальный объем, свой объем уменьшает и достигает минимума при повоо роте вращающегося ротора 15 на 60 затем ее объем увеличивается и вновь достигает максимума при.повороте враощающегося ротора 15 на 120, левая камера свой объем уменьшает, а правая увеличивает. В дальнейшем рассмотрим процессы, происходящие только в верхних камерах, так как процессы в левых и правых камерах аналогичны и только сдвинуты по фазе соответственно на -90" (опережение по фазе) и на +90 (отставание по Фазе). Наличие в прокатном стане трех отдельных систем камер увеличивает мощность стана и приводит к более равномерному вращению ротора-поршня б.Осуществляемый в прокатном стане термодинамический цикл состоит из ряда последовательно протекающих и периодически повторяющихся процессов.Рассмотрим термодинамический цикл в установившемся режиме, когда его параметры за длительный период времени остаются неизменными.Объем, расположенный между регенератором 13 и ротором-поршнем 6, на 274785зовем полостью расширения. Последняянаходится при максимальной температуре Топределяемой тепловым источником 11.Объем, расположенный между регенератором 13 и вращающимся ротором 15,назовем полостью сжатия. Последняянаходится при минимальной температуре Т , определяемой тепловым стоком 12, ОТемпературный градиент между торцовыми поверхностями полости регенератора 13 равен Тм;, Тц,.Для упрощения анализа термодинамического цикла примем следующие допущения: в продольном направлении регенератор 13 имеет нулевую теплопроводность, движение ротора-поршня 6 происходит без трения его боковых поверхностей о внутренние поверхности 20герметичных крышек 2 и 3 и без утечекчерез уплотнения 35, движение вращающегося ротора 15 происходит без трения его боковых поверхностей о внутренние поверхности герметичных крышек 27 и 28 и без утечек через уплотнения 35, рабочее тело являетсяидеальным газом и подчиняется уравнению идеального газа РЧ = КТ, гдеР - давление; Ч - объем; Р - газовая постоянная; Т - абсолютная температура.Отношение температур обозначимТ,/Тм ; - . Отношение объемов обознаЧмакс Чжин,=35Термодинамический цикл состоитиз четырех процессов, характеризующихся параметрами и функциями состояния,Первый процесс - изотермический 40процесс сжатия.В начале процесса (индекс 1) всерабочее тело находится в полости сжатия, его объем максимальный, а давление и температура минимальные. Во 45время процесса сжатия рабочее телосжимается в полости сжатия и его давление увеличивается, Температура остается постоянной, так как теплотаотводится тепловым стоком 12 в окружающее пространство. В этом процессевнутренняя энергия рабочего тела неизменяется, а его энтропия Я уменьшается. В конце процесса (индекс 2)давление рабочего тела Р = Р Ч/ 55/ЧтТемпература не .изменяется Т =Т 1 Тмин Отводимая в процессе теплота Я равна затраченной работе и составляет Р, Ч 1 п(1/г) = КТ,2 п(1/г).Изменение энтропии Я - Я = К 1 п(1 - г).Второй процесс - регенеративный процесс теплоотдачи при постоянном объеме.В полости сжатия вращающийся ротор 15 приближается к регенератору 13, а в полости расширения ротор- поршень 6 удаляется от регенератора 13. Объем между вращающимся ротором 15 и ротором-поршнем 6 постоянный. Рабочее тело, проходя через полость регенератора 13, переходит из полости сжатия в полость расширения. При прохождении через регенератор 13 температура рабочего тела за счет теплоты в регенераторе 13 повьшается от Т, до ТПостепенное увеличение температуры рабочего тела приапрохождении его через регенератор 13 при постоянном объеме вызывает повышение его давления. Работа в этом процессе не производится, внутренняя энергия и энтропия рабочего тела воз ф растают. В конце процесса (индекс 3) давление рабочего тела Рз = РТз/Р 2 /Объем не изменяется Ч, = Ч, . " Количество теплоты, воспринимаемое рабочим телом с теплоемкостью С от регенератора 13, Я = С(Т -Т ), затраченная в .процессе работа И = О.Изменение энтропии Бз - Я =С 1 п (1/2) .Третий нроцесс - изотермический процесс расширения.В полости сжатия вращающийся ротор 15 остается на минимальном рас.стоянии от регенератора 13, а в по" лости расширения ротор-поршень 6 продолжает удаление от регенератора 13 на максимальное расстояние. Посколь" ку это процесс расширения, давление ат максимального значения Р изменяется до значения Р 4. Температура рабочего тела остается постоянной и равной максимальному значению Тщ так как к рабочему телу подводится теплота от теплового источника 11.Внутренняя энергия рабочего тела не изменяется, а энтропия увеличивается. Работа, получаемая при расширении рабочего тела, эквивалентна количеству подводимой теплоты и затрачивается на работу, совершаемую при прокатке12747851 О При этом на прокатываемый металлвоздействуют высокие температуры идавления, увеличивающие его теку- Очесть. Совместное влияние температуры и давления на пластичность прокатываемого металла способствует возникновению качественно новых элементов в пластической деформации )зещества и не сводится к простому суммированию эффектов температуры и давления . При существующих конструкционныхматериалах температура может превышать 1000 К, а давление - 1000 кгс/ 20г/см , что позволяет повысить пластичб 6ность Ъ = Й (-, Т) (где -- показар гтель напряженного состояния; бсреднее гидростатическое давление в25точке; 1 - интенсивность напряжений)в 5-10 раз.Теплота, полезно затрачиваемая нанагрев прокатываемого металлаЧщ = МСА,(ТО- То),30где Й - масса нагреваемого металла;Сп, - теплоемкость нагреваемого металла;Т - температура окружающей среды.В конце процесса (индекс 4) делениерабочего тела 35Р = Р,7,/Ч, = Р,(1/ )Изменение энтропииБ - Б э = 2 Ьп.Четвертый процесс - регенаративныйпроцесс теплоотдачи при постоянном40объеме.В полости сжатия вращающийся ротор 15 удаляется от регенератора 13,а в полости расширения ротор-поршень б приближается к регенератору 13 45Объем между вращающимся ротором 15и ротором-поршнем б остается постоян-,ным, Рабочее тело, проходя через полость регенератора 13, переходи из50полости расширения в полость сжатия.При прохождении через регенератор 13теплота рабочего тела отдается регенератору 13, и вследствие этого температура рабочего тела уменьшаетсядо Т - температуры полости сжатия. 55минТеплота, передаваемая в этом процессе, сохраняется в регенераторе 13и передается рабочему телу в регене 9И = Р Ч афпг= К Т афпггде Р - среднее давление прокатки;Ч - объем прокатываемого металПрила;Е - относительное обжатие .прокатываемого металла. ративном процессе ".еплоотдачи припостоянном обьеме следующего цикла.Постепенное уменьшение температурырабочего тела при прохождении его через регенератор 13 нри постоянномобъеме вызывает снижение его давле -ния.,Работа в этом процессе не производится, внУтренняя энергия и энтропия рабочего тела уменьшаются. Вконце процесса (индекс 1) давлениерабочего телаРТ, /Т = Р,Количество перецанной регенератору 13 теплотыО=:С (Т - Т).Изменение энтропииБ - Б = С 1 пТаким образом, термодинамическийцикл прокатного стана состоит из четырех процессов: процесс изотермического сжатия (процесс 1-2) - теплотаот рабочего тела с температурой Тпередается тепловому стоку 12; изохорный процесс (процесс 2-3)- теплота от регенератора 13 передается рабочему телу при постоянном объеме;процесс изотермического расширения(процесс 3-4) - теплота от теплового источника 11 с температурой Тщд,передается рабочему телу и прокатываемому металлу; изохорный процесс(процесс 4-1) - теплота от рабочеготела передается регенератору 13 припостоянном объеме,Оценим термодинамическую эффективность прокатного стана при следующих допущениях: работа процесса изотермического расширения целиком затрачивается на работу, совершаемуюпри прокатке; теплота, затрачиваемаяна нагрев прокатываемого металла,входит в теплоту, трансформируемую вмеханическую работу, так как она повьппает пластичность прокатываемогометалла и соответственно уменьшаетработу, совершаемую при прокатке;теплота, перецанная от регенератора 13 рабочему телу в процессе 2-3,вновь воспринимается регенератором 13от рабочего тела в процессе 4-1,Подведенная теплота при температуре тК Т Ьп.Отведенная теплота при температуре Т нЧ = Т Ю (1 М)Теплота, затрачиваемая на работу,совершающуюся при прокаткеОпр= 111 = 0 е ОсТогда термодинамическая эффективность процесса прокатки может бытьоценена термическим КПД, равным отношению работы прокатки к затрачива 5емой тепловым источником 11 теплотеЫ Я-Тмп.с- Ти .т1 - с,Ое Че ТмсксЭто выражение аналогично выражению для КПД цикла Карно при тех же Оуровнях температур, т.е. осуществляемый в прокатном стане цикл Стирлинга имеет такой же термйческий КЦЦ,как и цикл Карно.Существенным преимуществом осуществляемого в предлагаемом прокатном стане цикла Стирлинга перед циклом Карно в известном стане (при егоидеализированной работе) является замена двух изоэнтропических процессов 20двумя изохорными процессами. Это. позволяет значительно увеличить количество подводимой и отводимой теплоты в цикле пропорционально количеству получаемой работы формообра - 25зования, т.е. существенно увеличитьудельную мощность прокатного стана. Кроме того, повышение КПД, связанное с увеличением среднего давле ния цикла, сопровождается интенсивной экструзией (выдавливанием) про - катываемого металла через рабочие калибры, что повышает производительность прокатного стана. В том же направлении действует повышение средней температуры цикла.1При использовании изобретения удельная мощность стана повьппается 40 в 5-6 раз. Формула изобретенияПрокатный стан, содеркащий неподвижную станину с герметичными крьш- ками, образующими внутреннюю полость, плитой, охватывающей треугольный ротор-поршеньнесущий рабочие валки и установленный на эксцентриковом валу, закрепленную на роторе-поршне шестерню с внутренними зубьями, сцепленную с шестерней с наружными зубьями, а также тепловой источник и тепловой сток, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности процесса прокатки, увеличения мощности прокатного стана и расширения области его применения, профиль охватывающей ротор плиты выполнен в виде квадрата, в вершинах которого внутренняя полость соединена последовательно включенными тепловыми источником, регенератором и тепловым стоком с дополнительной внутренней полостью, снабженной вращающимся ротором, приводной вал которого жестко связан с эксцентриковым валом, при этом,ротор-поршень образован большими и малыми дугами, описываемыми из вершин равностороннего треугольника и расположенными с противоположных сторон относительно вершин, причем радиус малой дуги произволен, а радиус большой дуги равен сумме радиуса малойдуги и длины стороны треугольника, и снабжен гибким сепаратором, в котором установлены рабочие валки, и гибкой бесконечной лентой, охватывающей рабочие валки, а шестерня с наружными зубьями закреплена на эксцентриковом валу.