Устройство для изготовления проволоки

(51)21 1/00, 9/00, 43/00,21 1/18 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОВОЛОКИ(71) Заявители Республиканское унитарное предприятие Белорусский металлургический завод Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Андрианов Николай Викторович Тимошпольский Владимир Исаакович Маточкин Виктор Аркадьевич Эндерс Владимир Владимирович Савенок Анатолий Николаевич Стеблов Анвер Борисович Исаков Сергей Александрович Шеклеин Александр Викторович Мандель Николай Львович Столярский Виктор Иванович Хлебцевич Всеволод Алексеевич Батраков Константин Германович(73) Патентообладатели Республиканское унитарное предприятие Белорусский металлургический завод Белорусский национальный технический университет(57) 1. Устройство для изготовления проволоки, содержащее деформирующий инструмент и средство высококонцентрированного энергетического источника нагрева заготовки металлической заготовки, отличающееся тем, что средство нагрева металлической заготовки выполнено в виде микроволнового резонатора с рабочим каналом для пропускания заготовки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что микроволновой резонатор снабжен запредельными волноводами, размещенными на входе и выходе микроволнового резонатора.(56) 1. Лещинский Л.К., Самотугин С.С., Пирч И.И. и др. Плазменное поверхностное упрочнение. - Киев Техника, 1990. - С. 109. 2. Донской А.В., Клубников Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. - М-Л. Машиностроение, 1979. - С. 143. 3. Терехов В.П. Очистка поверхности проволоки дуговым разрядом. - Бюл. ин-та Черметинформация, 1976. - С. 49-50. 4. Григорьянц А.Г. и др. Методы поверхностной лазерной обработки. - М. Высшая школа, 1987. - С. 29-31. 5. Максаков А.И., Шульгин Г.М., Кукуй Д.П., Шеремет В.А., Шумриков В.В.,Алымов Б.Д., Холявченко Л.Т. Плазменно-дуговое удаление окалины с поверхности катанки // Металл и литье Украины - 2000. -5-6. - С. 35-38. 6. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Гл. Ред. ФМЛ, 1987. - С. 131. Полезная модель относится к металлургии к технологии производства катанки прокаткой и волочения проволоки и может быть использовано в технологических схемах мелкосортных станов на непрерывных мелкосортных, мелкосортно-проволочных и проволочных станах. В последнее время все более широкое распространение получают технологические процессы и методы обработки поверхности проката и метизов с использованием для нагрева технического лазера и применения низкотемпературной плазмы. Плазменные технологии успешно используются для очистки поверхности материалов, создания тонкопленочных структур и покрытий, а также целенаправленной модификации поверхностных и объемных физико-химических и механических свойств твердых тел 1-3. Известно устройство для изготовления сортового проката-метиза, содержащее средство деформации металлической заготовки, средство для воздействия на заготовку с технологическим лазером 4. Известные устройства 1-4 с использованием технологического лазера не обеспечивают равномерного азимутального нагрева цилиндрической поверхности заготовки, для создания такого нагрева необходимо создание сложной оптической системы, которая подвержена воздействию среды создаваемой в зоне обработки (газы, брызги технологических жидкостей и т.п.), кроме того, низкий к.п. д. преобразования энергии в лазере (порядка 3 ) и связанные с этим повышенные затраты энергии на реализацию процесса. В связи с изложенным известным устройство не всегда можно достичь требуемого качества изделия волочения с требуемой степенью очистки поверхности заготовки от технологических микро- и макродефектов с одновременным увеличением обжатия за проход. К одним из новых, технологических устройств в метизном производстве следует отнести технологии с применение низкотемпературной плазмы как высококонцентрированного энергетического источника нагрева заготовки для воздействия на поверхность движущейся проволоки. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является устройство для изготовления проволоки, содержащее деформирующий инструмент и средство высококонцентрированного энергетического источника нагрева металлической заготовки в виде электродугового источника разрядной катодной плазмы 5. Проволока и катанка являются перспективными объектами использования низкотемпературной плазмы, которая может быть применена не только для нагрева, но и для ряда других операций в сложном технологическом процессе производства сортамента. Недостаток известной технологии и устройств проявляется в применении электродугового источника разрядной плазмы с непосредственным электрическим контактом с заготовкой. При этом неравномерность воздействия на заготовку путем ее нагрева будет определяться процессами привязки катодного пятна дуги на поверхности проволоки. По 2 1151 ложение пятна определяется локальными свойствами поверхности проволоки в месте привязки. В этом случае неоднородные электрические свойства поверхности заготовки в виде катанки или проволоки, например, наличие окалины, локальных концентраторов поля в виде острых заусенцев, загрязненных закатов, задиров, остатков смазки и окалины на поверхности заготовки являются причиной случайных движений пятна по поверхности проволоки, соответствующих энергетически выгодным (для дугового разряда) режимам горения, что приведет к неравномерному нагреву как по азимуту, так и по длине заготовки. Кроме того, воздействие катодной плазмы на поверхность проволочной заготовки не исключает перегрева центрального сечения проволоки, приводящего в процессе волочения к уменьшению прочности и обрывности заготовки. Кроме того необходимо иметь ввиду низкий к.п.д. преобразования энергии в известных объектах и связанные с этим повышенные затраты энергии на реализацию процесса. Известным устройством не всегда можно достичь требуемого качества поверхности проволоки при волочении. В основу полезной модели положена задача повышения качества поверхности изделия волочения за счет исключения катодной эрозии, повышения к.п. д. преобразования энергии,путем создания на поверхности заготовки тонкого слоя с повышенной пластичностью за счет температурного градиента по поперечному сечению заготовки, снижение обрывности волочения и повышение суммарной вытяжки заготовки за счет улучшения шероховатости заготовки с последующим дополнительным захватом смазки при очистка катанки и передельной заготовки от окалины и остатков смазки после волочения проволочной заготовки. Поставленная цель достигается тем, что устройстве для изготовления проволоки, содержащем деформирующий инструмент и средство высококонцентрированного энергетического источника нагрева заготовки металлической заготовки, согласно полезной модели,средство нагрева металлической заготовки выполнено в виде микроволнового резонатора с рабочим каналом для пропускания проволочной заготовки. В устройстве микроволновой резонатор снабжен запредельными волноводами, размещенными на входе и выходе микроволнового резонатора. Устройство поясняется чертежом, где фигура- технологическая схема устройства для изготовления проволоки. Устройство для изготовления проволоки по фигура содержит деформирующий волочильный инструмент 1, средство высококонцентрированного энергетического источника нагрева металлической заготовки, выполненное в виде микроволнового резонатора 2,электрически связанного с генератором 3 для подачи в микроволновой резонатор энергии,для пропускания проволочной заготовки. Микроволновой резонатор 2 может быть снабжен запредельными волноводами 4, размещенными на входе и выходе микроволнового резонатора 2 для исключения потерь энергии, вводимой в заготовку. Для пропускания заготовки 5 микроволновой резонатор 2 снабжен рабочим каналом 6. Используют устройство для изготовления проволоки путем пропускания законцовки проволочной заготовки 1 через запредельные волноводы 4, рабочий канал 6 микроволновой резонатор 2 и рабочий конус волочильного инструмента 1. Перед волочением от генератора 3 запитывают микроволновой резонатор 2 и к переднему концу проволочной заготовки 5 прикладывают усилие волочения. Введение высококонцентрированного нагрева в поверхность металлической заготовки 5 основано на явлении поглощения высокочастотного поля в поверхностном слое металла может быть использовано при обработке проволоки. Известно, что глубина проникновения электромагнитного поля в металл зависит от свойств металла и длины волны. Глубина проникновения падает с уменьшением длины волны (скин-эффект). Глубину проникновения электромагнитного поля в проволочную заготовку можно оценить по формуле 3. 4 2 Здесь- длина волны излучения,- коэффициент электрической проводимости металла, с - постоянная скорости света (считается, что все параметры в данной формуле выражены в системе СГС). Для частоты электромагнитного поля 10 Ггц (что соответствует длине волны 3 см) глубина скин слоя при комнатной температуре составляет 0,6 м. Такой же порядок величины имеет глубина проникновения для золота и серебра. У металлов, обладающих меньшей электропроводностью, глубина проникновения поля больше(медь, золото и серебро - одни из наиболее электропроводных материалов). Например, для ниобия скин слой (при той же частоте поля 10 Ггц) составляет 1,5 м. При протекании возбужденных волной в скин слое токов в нем выделяется джоулево тепло, которое идет на его нагрев. Из-за наличия теплопроводности выделенное тепло будет распространяться вглубь проволочной заготовки. Поэтому на практике возможен нагрев прилегающего к скин слою металла. Так, на глубину 100 м в меди тепло распространится за время по порядку величины 0,0001 с. Такое время взаимодействия излучения с поверхностью проволочной заготовки для сварочной проволоки Св-08 ГС (3,0 4,0 5,0) получается, если проволока протягивается со скоростью 20 м/с в промежутке 2 мм. При этом мощность, требуемая для разогрева поверхности проволоки с таким характерным размером до 1000 С при такой скорости протяжки составляет 2 кВт. Для достижения цели, поставленной в заявленном объекте, требуется обеспечить температуру нагрева проволочной заготовки или катанки на входе-выходе в очаг - из очага деформации фильеры, при которой обеспечивается азимутальная однородность распределения температуры обеспечивается радиальное распределение температуры в заготовке (путем теплообмена между поверхностью заготовки и поглощением высокочастотного поля, а также энерговыделения на поверхности заготовки, связанного с поверхностной рекомбинацией плазмы. Рекомбинация - процесс образования нейтрального атома при соединении иона с электроном. Каждый акт рекомбинации сопровождается выделением энергии ионизации 6,при котором поверхностный слой порядка 1-500 микрон в зависимости от деформируемого диаметра находится в пластичном состоянии, а центральная часть сечения имеет температуру, при которой сохраняются прочностные свойства проволоки, необходимые для обеспечения протяжки. Использование заявленного устройства в процессе волочения путем очистки от окалины за счет введения электромагнитного поля позволяет дополнительно увеличить шероховатость и увеличить количество дополнительной смазки. В стандартных технологических процессах увеличить смазочный слой на нагартованной проволоке без предварительной термообработки невозможно, так как такой металл склонен к науглероживанию. Известные источники нагрева - технологические лазеры не обеспечивают равномерного азимутального нагрева цилиндрической поверхности заготовки, для создания такого нагрева необходимо создание сложной оптической системы, к тому же подверженной воздействию среды создаваемой в зоне обработки (газы, брызги технологических жидкостей и т.п.). Кроме того, необходимо иметь ввиду низкий к.п.д. преобразования энергии в лазере(порядка 3 ) и связанные с этим повышенные затраты энергии на реализацию процесса. Для электродугового источника, на основе катодной плазмы, неравномерность нагрева будет определяться процессами привязки катодного пятна дуги на поверхности с использованием заготовки в качестве катода. Устранение поверхностных дефектов, перед меднением с последующим волочением или после волочения на проволочной заготовке сварочной проволоки Св-08 ГС (0,8 1,0 1,2 1,6) и Св-08 ГС (3,0 4,0 5,0) или при прокатке катанки 5,5 из стали 80 К со скоростью 80 м/с возможно обеспечить на финишном участке техпроцесса путем равномерного поверхностного оплавления на глубину, соответствующую типичному попереч 4 1151 ному размеру дефекта (510 мкм). При этом процесс теплообмена организуют таким образом, чтобы при температуре плавления материала на поверхности проволоки в зоне обработки начиная с глубины оплавления равной 23 поперечным размерам макро- или микродефекта, сохранялась температура заготовки, при которой сохраняются ее прочностные характеристики во избежание ее разрыва и неконтролируемого уменьшения диаметра при прокатке или волочении. Это привело к необходимости организации нестационарного процесса теплообмена обрабатываемой поверхности с внешним источником, при плотностях теплового потока недостижимых для традиционных источников тепла. Для создания таких плотностей потока на поверхности заготовки в заявленном объекте используют в качестве источника тепла высокочастотное электромагнитное поле. При взаимодействии высокочастотного поля с поверхностью заготовки энергия ионизации высвобождается в процессах поверхностной рекомбинации, что обеспечивает высокие плотности теплового потока. Для поверхностной обработки высокочастотным полем проволоки или катанки в процессе их волочения со скоростями 1020 м/с, соответственно, прокатки 50-120 м/с в заявленном устройстве тепловое воздействие производят внутри микроволнового резонатора. В процессе отработки технологии использовали варианты воздействие высокочастотным полем с одновременной очисткой заготовки от окалины,поверхностных дефектов и загрязнений перед первым переходом с предварительным меднением или без меднения воздействие высокочастотным полем с одновременной очисткой заготовки от окалины, поверхностных дефектов и загрязнений после чистового калибра волочения воздействие высокочастотным полем на заготовку между переходами для снятия нагартовки и обеспечения волочения заготовки с повышенной пластичностью поверхностного слоя. Пример. Сравнение энергетической эффективности известной технологии на основе плазменного электродугового - катодного нагрева с использованием проволочной заготовки или катанки в качестве катода и заявленного устройства основано на анализе энергобаланса дуг для обоих случаев. При волочении проволоки или катанки диаметром 5,5 мм со скоростью 20 м/с мощность, требуемая для разогрева поверхности заготовки с таким характерным размером до 1000 С при такой скорости волочения составляет 2 кВт. При известном катодно-дуговом источнике нагрева обработка катанки диаметром 5,5 мм осуществляется в диапазоне изменения режимных параметров мощность 10-20 кВт скорость перемотки катанки 2,1 м/с. Таким образом заявленное устройство энергетически более выгодно. Проводили изготовление сварочной проволоки Св-08 ГС (0,8 1,0 1,2 1,6) и Св 08 ГС (3,0 4,0 5,0) перед меднением или после волочения путем ее волочения с 5,5 до 0,8 мм в 13-15 переходов. После волочения по ТУ проволока подвергалась меднению в одном из вариантов. В другом варианте меднению проволока подвергалась перед волочением. Степень обжатия в среднем составляла не более 20 за проход. С использованием заявленной технологии для улучшения качества проволоки она подвергалась меднению перед волочением после волочения. Катанка диаметром 5,5 мм из стали 80 К при волочении проволоки воздействию высокочастотного поля подвергалась при скоростях волочения 20 м/с. Обрывность волочения отсутствовала. Наблюдалось повышение суммарной вытяжки заготовки за счет улучшения шероховатости заготовки с последующим дополнительным захватом смазки при очистке катанки и передельной заготовки от окалины. Остатков смазки не наблюдалось после 1151 волочения проволочной заготовки в результате воздействия высокочастотного поля на заготовку на выходе из очага деформации. Степень очистки катанки от окалины достигает 96,5-99 . Степень очистки проволоки и катанки от остатков смазки достигает 99-100 . Обработка катанки диаметром 6,5 мм по известной технологии осуществлялась при скорости перемотки катанки 2,1 м/с. Степень очистки катанки от окалины при данном способе обработки достигает 93-96 . На поверхности катанки наблюдаются пятна кратерного характера, вследствие наличия электродуговой катодной эрозии. Сравнительные испытания заявленного и известного объектов позволяют сделать вывод о преимуществах заявленного объекта в отношении повышения качества поверхности катанки или проволоки за счет исключения катодной эрозии, повышения к.п.д. преобразования энергии, путем создания на поверхности заготовки тонкого слоя с повышенной пластичностью за счет температурного градиента по поперечному сечению заготовки,снижение обрывности волочения и повышение суммарной вытяжки заготовки за счет улучшения шероховатости заготовки с последующим дополнительным захватом смазки при очистке катанки и передельной заготовки от окалины и остатков смазки после волочения проволочной заготовки. Промышленное освоение заявленного объекта планируется в условиях работы стана 320/150 Белорусского метзавода. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.