专利名称：具有模块化结构的轧机吐丝管的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及轧机卷形成设备(通常称为吐丝机)，并且尤其涉及吐丝机中可替换的吐丝路径，诸如吐丝管。2.现有技术的说明轧机卷形成吐丝设备将移动的轧制细长材料形成为一连串螺旋连续环形圈。通过将这些圈捆扎成螺旋匝的卷而在下游对它们进行进一步处理。在美国专利5，312，065、6，769，641以及7011，264中大致描述了已知的吐丝机，其全部内容通过引用合并到本文中，就如同完全包含在本文中一样。如在这些专利中所描述的，轧机吐丝机系统包括套筒、管支承以及吐丝管。套筒和管支承用于旋转吐丝管，使得吐丝管能够接纳细长材料进入其进料端。吐丝管具有由套筒的扩展部包围的弯曲中间部，以及从套筒的旋转轴向外径向突出的端部，并且该端部通常偏离套筒的旋转轴。旋转套筒和吐丝管相结合，使得轧制材料形成为螺旋弯曲形状。可以利用不同外形和/或直径之一代替吐丝管，以便重构吐丝机以适应不同尺寸的轧制材料或者替换磨损的管。此外，在旋转的螺旋引导中完成轧制材料的螺旋外形，其中螺旋引导包括其外周用于容纳轧制材料的槽。在美国专利6，769，641中所描述的螺旋引导为分段的、扇形模块化边缘构造，在其边缘扇形中形成有周向槽。一般的环形圈或套管(通常也称为端环或引导环)具有用于限制螺旋引导和吐丝管出料端的引导面，使得当将细长材料以完全卷绕的构造向用于随后的困扎和其它处理的输送机排出时，径向限定该细长材料。包括一个或更多个倾卸操作杆的枢转倾卸机构可以被定位在套筒远端的端环/套管的大约六点钟处或者底部位置。相对于环/套管的内径表面改变倾卸机构的枢轴攻角有利于控制细长材料的卷绕，例如有利于补偿细长材料塑性厚度、成分、轧制速度以及横截面结构的变化。吐丝管设计和操作限制如前所述，中空的吐丝管与旋转套筒和管支承相结合，使得轧制材料形成为螺旋弯曲形状。通常，吐丝管由连续长度的对称钢管或钢管型材构成，该钢管或钢管型材通过施加外部热或机械力而在成形夹具中弯曲从而形成期望的常规螺旋外形。为了相对容易地加工成最终期望的常规螺旋形状和相对低的材料购买成本，通常选择钢管或管材来构建吐丝管。然而，商品钢管或钢材具有相对低的硬度，这对于轧机操作、生产和维护是不期望的限制因素。在吐丝机系统的进料端中接纳以高达500英尺/秒(150米/秒)的速度前进的细长材料，并在出料端处以一连串连续卷绕环的形式排出该细长材料。以这样的速度，热的轧制品对吐丝管施加惩罚效应，导致内部管表面经历快速的局部摩擦磨损和过早损坏。此外，由于吐丝管磨损，它们将稳定的圈图案传送到位于吐丝管的出料端处的闭环卷接纳机的能力退化。不稳定的圈图案打乱冷却均匀性，并且还造成通常称为“修补(cobbing)”的卷绕事故。多年来，已广泛接受具有减小的内径的吐丝管提供许多显著优点。通过在更小的空间内径向压缩热的轧制品，改进了导向并且传送至冷却输送机的圈图案更一致，使得能够以更快的速度轧制。然而，不幸地，这些优点很大程度上被因产品的较快速度所导致地显著加速的管磨损而抵消。此外，内径减小的管仅可以使用小直径的产品，因此为了卷绕更大直径的产品，必须将内径减小的管替换为更大内径的管。为了替换过早磨损的吐丝管并解决与细长材料的修补有关的问题，需要频繁的且损失惨重的轧机停工以及定期检修。如果吐丝管变得磨损严重以至于发生管壁破裂，则修补事故可能影响吐丝机上游的细长材料馈送。从耐磨性的观点出发，期望由相对硬的低表面摩擦钢形成吐丝管的内部磨损表面，并且还期望执行另外的表面硬化和热处理，但是这样的磨损处理步骤必须与管制造的便利和成本均衡。因此，过去，本领域的技术人员认为必须通过采用较大孔的吐丝管并且以降低到轧机的额定设计速度之下的减小的速度进行轧制来折衷吐丝管设计和性能。已经实施大于期望的吐丝管内径及降低的轧制速度的组合，以便在排定的维修“停工期”期间安排定期维修管替换。依据直径、速度和产品成分，常规的以及当前的吐丝管必须在利用标准碳钢管处理大约3，000吨或更少的细长材料量之后被替换。本领域的技术人员反复尝试增加吐丝管的使用寿命以用于更大的总处理吨数，使得吐丝管在被替换之前可以处理更多细长材料。例如，如在美国专利4，074，553和5，839，684中所公开的，已经提出利用插入到外部吐丝管壳体中的耐磨损插入环来排列吐丝管。吐丝管壳体的弯曲部内的邻接环具有不连续的间隙，这些间隙对于吐丝管内正输送的细长材料的平滑前进是不期望的。美国专利6，098，909公开了不同的方法除去吐丝管，有利于由锥形外壳包围的锥形插入物的外表面内的螺旋槽限定引导槽，利用在外部壳体内可旋转的插入物逐渐移动外部壳体的内表面上的磨损图案。认为螺旋槽锥形插入物方法不容易与所有存在的、目前包含吐丝管结构的套筒吐丝兼容。还尝试了碳化内部吐丝管表面，以增加硬度和耐磨性。然而，碳化过程需要从上升的处理温度进行强烈的淬火，这会歪曲管的曲率。还发现该碳化层在由于暴露于热的轧制品而导致的上升温度处相对易碎且韧度降低。本专利申请的所有者也公开了通过对硼化层和吐丝管磨损表面进行热化学处理而将硼化层应用于吐丝管磨损表面，在该热化学处理中，硼原子扩散到管内部以增加其硬度。参见2011年9月2日递交至美国接收局的、申请号为PCT/US2011/050314、标题为“Boronized Laying Pipe”的专利合作条约申请。本专利申请的所有者还公开了具有内部和外部紧摩擦接合的共心层的吐丝管，在该共心层中，由于离心力、局部热膨胀的差异以及层之间的热循环，在吐丝机操作期间内层相对于外层轴向前进。因此，吐丝管内部的磨损部沿着管内部前进，使得“新的”未磨损的表面不断补充磨损部。参见2011年9月2日递交至美国接收局的、申请号为PCT/US2011/050283、标题为 “Regenerative Laying Pipe” 的专利合作条约申请。
发明内容
因此，本发明的实施例包括轧机吐丝细长结构，其用于在吐丝机中保持并输送细长材料，使得可以选择性地卷绕细长材料。该吐丝路径结构可以执行常规吐丝管的功能。在本发明的各方面中，吐丝路径结构的一部分或该结构整体具有模块化构造，以便选择性地替换磨损部分。可替换的分段(section)的模块化部件包括替换部件，在所述替换部件中限定细长材料输送路径；以及耦合结构，用于选择性地将所述替换部件的材料输送路径与卷形成设备的细长路径中空结构中的相应匹配输送路径耦合和对准。模块化吐丝路径部件可以被构造为任何三维复合曲线形状，其可以复制已知吐丝管的平滑、连续弯曲的细长材料输送路径，或者任何其它期望路径。这样的模块化吐丝部件制造过程便于构造利用弯曲的对称壁管、管材或其它导管不容易制造的不对称结构。制造的模块化结构便于在部件分段内形成区域，诸如包括在与细长材料直接接触的分段中的耐磨损区域或摩擦减小区域的例子。另一示例性实施例包括轧机卷形成吐丝机系统，该系统包括驱动旋转套筒和细长路径中空结构，该细长路径中空结构中具有细长材料输送路径。模块化的可替换段耦合至细长路径中空结构，所述模块化的可替换段具有替换部件，在所述替换部件中限定细长材料输送路径的至少一部分；以及耦合结构，用于选择性地将由所述替换部件限定的部分材料输送路径与由所述细长路径中空结构限定的材料输送路径的邻接部分耦合并对准。本发明的另一示例性实施例包括用于安装轧机卷形成吐丝机系统的细长路径中空结构的模块化盒的方法，在该细长路径中空结构中具有细长材料输送路径以及用于接纳盒的接入室，该盒具有替换部件，其限定吐丝机系统细长路径中空结构的细长材料输送路径的一部分；以及耦合结构，用于选择性地将所述替换部件耦合至所述接入室。该方法包括对所述耦合结构去耦合以及移除已经占用所述接入室的任何盒。本领域的技术人员可以以任意组合或子组合的形式共同地或各自地应用本发明各方面的特征。以下参考附图中示出的具体实施方式
更详细地说明本发明的实施例和各方面的其它特征，以及由此提供的优点，其中附图中相同的附图标记表示相同的元件。
通过结合附图来考虑以下详细描述能够容易地理解本发明的示教，在附图中图1示出根据本发明的示例性实施例的卷形成设备吐丝机系统的侧视图；图2示出根据本发明的示例性实施例的、图1中的吐丝机系统的俯视图；图3示出根据本发明的示例性实施例的、图1中的包括其端环和倾卸机构的吐丝机系统的截面图；图4示出根据本发明的示例性实施例的、图1中的包括其端环和倾卸机构的吐丝机系统的出料端的正视图；图5示出已知构造的吐丝输送路径/管以及在吐丝操作期间经历的典型示例性磨损区域；图6示出根据本发明的示例性实施例的吐丝细长材料输送路径的立体图；图7示出图6的吐丝路径的分解图；图8示出图6的吐丝路径的轴向截面图；图9示出根据本发明的示例性实施例的、具有模块化替换盒的吐丝路径的示意性立体图；图10示出包括图9的模块化替换盒的吐丝路径的分解图；图11示出根据本发明的另一示例性实施例的、具有多个模块化替换盒的非管状吐丝路径细长中空部件的示意性立体图；图12示出根据本发明的另一示例性实施例的、吐丝路径模块化替换盒的部分切除的轴向截面图；以及图13示出沿着图12的吐丝路径模块化替换盒的10-10所获得的径向截面图。为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记表示附图中共用的相同元件。
具体实施例方式在考虑以下描述之后，本领域的技术人员将意识到本发明的示教可以应用于轧机卷形成设备吐丝机中，并且更具体地应用于吐丝细长型输送路径管或者吐丝机的其它等同细长结构。本发明的各方面有利于更长的吐丝路径使用寿命，使得在定期维修替换之前能够通过吐丝机处理更多吨的细长材料。例如，能够增加吐丝细长材料的处理速度，使得在生产转换时能够处理更多吨的细长材料而不具有吐丝路径/管故障的不当风险。细长结构的一部分或全部由模块化的、选择性可替换组件构成。制造的模块化结构便于替换细长路径中比结构的其它部分经受更多磨损的区域。制造的模块化结构也便于形成或重构部件内的区域，例如包括作为示例的耐磨损区域、材料输送引导结构以及摩擦减少区域。吐丝机系统综述大致参考图1至图4，卷形成设备吐丝机系统30卷绕轧制的细长材料M，例如热的轧制钢。以速度S (该速度可以大于等于约500英尺/秒(150米/秒))前进的细长材料M，在吐丝系统30的进料端32处被接纳并且在出料端34处以一连串连续卷绕环的形式被排出，这些卷堆积在输送机40上。吐丝机系统30包括可旋转的套筒50、路径60以及管路径支承70。路径60限定中空的细长腔使得能够输送材料M。本发明的各方面允许该路径包括吐丝管；事实上，在本文中路径60有时可以被称为吐丝管。套筒50可以具有关于轴旋转的常见喇叭形状。路径60具有常见的、半径增加的螺旋轴向外形，路径60的第一端部62与套筒50的旋转轴对准并且接纳细长材料M。路径60具有第二端部，该第二端部从套筒50的旋转轴径向向外间隔地设置并且通常与套筒50的旋转轴偏离，因此通常与旋转套筒的外周相切地排出细长材料。路径60耦合至依次共轴耦合至套管50的管支承70，使得所有三个部件关于套筒的旋转轴同步旋转。除其它因素外，可以基于如下选择套筒50的旋转速度细长材料M的结构尺寸和材料属性、前进速度S、期望的卷直径以及能够由吐丝管处理而不引起过度磨损的不必要风险的细长材料吨数。图5示出常规的吐丝路径/管60的磨损区域66、68，在磨损区域66、68中，管内部经受与管的其它部分相比相对更高的磨损率。本发明的各方面通过局部硬化区域66、68以及其它部分或所有其它期望区域来解决该更高的磨损率。在一个实施例中，通过应用本发明的方面能够硬化整个或者相同的细长结构。如上所述，当细长材料M被从第二端部64排出时，其被导向到具有引导边沿部82的引导环80中，在引导边沿部82中形成有螺旋状倾斜外形的引导槽沟道84，例如在共同拥有的美国专利6，769，641中所描述的。当细长材料M前进经过引导环80时，其被连续地形成连续的环形螺旋。如在‘641专利中所描述的，分段的引导环使得能够相对容易地重构引导环螺旋直径，以通过改变边沿部82适应不同的细长材料而不用拆卸并替换整个引导环80。如之前所提及的，当细长材料M被承载在引导环80的螺旋状槽沟道84中时，其被构造成连续的环形卷。引导环80耦合至管支承70，并且与套筒50共轴旋转。螺旋槽84的 前进旋转速度与细长材料M的前进速度S相协调，因此在两个相邻物体之间存在很少的相对直线运动速度并且接触卷绕材料的槽84的表面存在更少的摩擦磨损。固定的端环90具有与套筒50的旋转轴共轴的内径并且限定吐丝路径/管60的第二端部64以及引导环80。当细长材料M被从吐丝管60的第二端部64排出并且沿着引导环80的螺旋槽沟道84前进时，端环90通过将材料径向地抑制在端环内径引导表面内来抵消施加在细长材料80上的离心力。在前进的细长材料M与固定的端环90之间的高的相对速度引起端环内径引导表面上的摩擦磨损。参考图1，通过在系统出料端34处与套筒旋转轴向下成一角度，从卷形成设备吐丝机系统30排出的细长材料M由于重力以连续环的形式落在轧制输送机40上。倾卸机构150关于与端环90的引导面的远端轴侧邻接的轴枢转。该枢转轴通常偏离端环90的内径引导面运动枢转范围Θ。如已知的，可以通过改变枢轴角度Θ来控制卷绕材料M的卷绕特性以及在输送机40上的放置。吐丝路径结构制造为了在吐丝机中保持和输送细长材料，本发明的实施例包括轧机吐丝路径结构，使得能够选择性地卷绕细长材料。路径结构的一部分或路径结构整体由模块化的可替换部或盒构成。因此，在吐丝机服务定期维护期间，仅需要替换磨损部分而不用替换整个吐丝路径结构。图6至图8示出具有符合已知吐丝管的常规圆柱外形的模块化构造的吐丝路径960，其用于直接替换诸如图1至图5所示的吐丝机的已知吐丝路径。吐丝管960为由模块化子组件制造的复合结构。吐丝路径960包括第一钢管部961A和第二钢管部961B，第一钢管部961A具有上游进料端962，第二钢管部961B以卷绕环的形式从吐丝机排出细长材料。插入件970是不对称的，其具有键式凸缘公端部972，凸缘公端部972与形成在第二钢管部961B中的互补的凸缘母部973匹配。插入件970在其另一轴端还具有与形成在第一钢管部961A上的键式凸缘公端部972匹配的母部973。环绕的夹具990限定各轴向匹配的公端部972和母端部973的凸缘。其它类型的已知匹配端部可以替换图6至图8中所示的端部。图9和图10示出用于卷绕细长材料的吐丝路径的细长中空结构1060的另一实施例。吐丝细长结构1060不具有常规的已知管状外形，但是自其进料端1062至其出料端1064建立通常的螺旋形细长材料内部输送路径。细长结构1060具有可替换的模块化盒部1066，该模块化盒部1066包括用于插入模块化替换盒1070的接入室1068。如图10所示，替换盒1070具有用于与接入室1068的两端啮合的凸缘端1072、1074，并且使用盖106密封替换盒1070。图11示出非管状吐丝中空腔细长结构1160的又一替代示例性实施例,其包括具有进料端1162和出料端1164的细长材料输送路径。细长结构1160构建有多个轴向结合段1171至1176，轴向结合段中的任意一个或多个是选择性可替换的。图12和图13示出本发明的吐丝路径模块化部或替换盒360的另一实施例，吐丝路径模块化部或替换盒360包括具有环状轴环362A的第一进料端362。吐丝路径模块化部360为由嵌套的子部件制造的复合结构以形成常规的管状中空结构，子部件包括外部钢管或管材361以及由碳化鹤管材或熔结碳化鹤形成的内部管或管材363。内部管363具有与通过吐丝路径输送的细长材料接触的连续的内表面363A。内表面363A可以是涂层表面或处理表面以硬化表面或提供摩擦减小表面。可以在外部管361和内部管363之间插入可选的绝缘高温水泥层380。尽管在图12和图13中没有示出，模块化部360可以包括用于耦合至吐丝路径细长结构中的结合段或结合部的耦合结构，例如在本文的其它实施例中所示。制造的模块化细长吐丝路径结构便于形成部件内的区域，例如包括作为示例的耐磨损区域或摩擦减小区域。可以在模块化盒制造过程期间形成这些区域，例如通过将由不同材料构造的管插入到彼此中或者通过在指定层中将不同材料部彼此邻接来形成。模块化部件的一部分或整个部件可以由不同的铁或非铁材料制成，包括陶瓷，优选的示例包括铁金属、镍基合金、钴基合金和钛基合金，以及上述任意材料的沉积的纳米微粒涂层。可以在邻接关系中沉积不同的材料以形成模块化部件内的吐丝路径内表面。更具体地，部件外部层/管(如果有的话)包括任何期望的材料或金属(钢通常是节省成本的选择)或非金属结构，例如碳纤维增强丝。碳纤维增强丝或其它外部细长路径模块化部件的内表面可以包括由非铁材料的纳米微粒层形成的内部层，例如沉积在其上的不锈钢或碳化钨，包括邻接的材料沉积层。沉积的纳米层(多层)用作独立内部管路径结构的等同。模块化部件内层路径形成结构可以包括铁或非铁材料，包括陶瓷、纳米微粒材料涂层、钢或者非铁合金(例如，不锈钢、碳化鹤)或者所谓的超合金(例如，铬镍铁合金、沃斯帕洛伊合金或哈斯特洛伊耐蚀镍基合金)。在模块化部件内可以替换其它非铁金属包括作为示例的不锈钢、碳化钨以及所谓的超合金(例如，铬镍铁合金、沃斯帕洛伊合金或哈斯特洛伊耐蚀镍基合金)、陶瓷或者以上的纳米微粒层。与细长材料接触的内表面可以被处理或涂层(包括纳米微粒涂层)以增加表面硬度，减小摩擦或降低热消融。可替代地，构成整个细长结构路径/管的一个或更多个独立模块可以由的任意期望尺寸的圆周外形(内径或外径以及厚度)的这样的非铁材料的单个同类构造。同类的非铁模块可以内部嵌套或限定一个或更多个路径层，以形成具有两层或更多层的多层模块部件。随后将多层模块部件形成为任意期望的三位外形，以形成吐丝路径细长结构。尽管在本文中详细示出和描述了包含本发明的示教的多个实施例，但是本领域的技术人员能够容易地想出许多也包含这些示教的其它变化的实施例。
权利要求
1.一种模块化的可替换段设备，用于轧机卷形成设备的细长路径中空结构，所述模块化的可替换段设备包括替换部件，在所述替换部件中限定细长材料输送路径；以及耦合结构，用于选择性地将所述替换部件的材料输送路径与卷形成设备的细长路径中空结构中的相应匹配输送路径耦合并对准。
2.根据权利要求1所述的设备，其具有不对称的外形。
3.根据权利要求2所述的设备，所述不对称外形从由横截面、关于细长轴线的螺旋和替换部件的细长材料输送路径内表面构成的组中选择。
4.根据权利要求1所述的设备，所述替换部件具有从由耐磨损区域、突出材料抵消、材料输送弓I导结构和摩擦减小区域构成的组中选择的区域。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括多个模块化的可替换段，所述模块化的可替换段用于组装为卷形成设备的细长路径中空结构。
6.根据权利要求1所述的设备，所述耦合结构还包括在其中保持所述替换部件的外部支架。
7.根据权利要求1所述的设备，所述耦合结构还包括耦合至所述替换部件的互锁部件，所述互锁部件用于与卷形成设备中的细长路径中空结构匹配啮合。
8.根据权利要求7所述的设备，所述互锁部件从由花键端、键式端、通过夹具耦合的凸缘轴环和通过紧固件耦合的凸缘轴环构成的组中选择。
9.根据权利要求1所述的设备,所述替换部件的输送路径限定包括非铁材料的内表面，所述非铁材料从由镍基合金、钴基合金、钛基合金、不锈钢、碳化钨、陶瓷、超合金和沉积在所述内表面上的所述非铁材料的纳米层构成的组中选择。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括管状替换部件。
11.根据权利要求1所述的设备，所述耦合结构用于选择性地耦合所述细长路径中空结构的接入室内的所述替换部件。
12.—种轧机卷形成吐丝机系统，包括驱动旋转套筒；细长路径中空结构，在所述细长路径中空结构中具有细长材料输送路径；以及模块化的可替换段，其耦合至所述细长路径中空结构，所述模块化的可替换段包括替换部件，在所述替换部件中限定所述细长材料输送路径的至少一部分；以及耦合结构，用于选择性地将由替换部件限定的材料输送路径的部分与由所述细长路径中空结构限定的所述材料输送路径的结合部分耦合并对准。
13.根据权利要求12所述的系统，所述替换部件具有不对称外形，所述不对称外形从由横截面、关于细长轴的螺旋和所述替换部件的细长材料输送路径内表面构成的组中选择。
14.根据权利要求12所述的系统，所述替换部件具有从以下组中选择的区域，所述组包括耐磨损区域、突出材料抵消、材料输送引导结构和摩擦减小区域。
15.根据权利要求12所述的系统，所述细长路径中空结构还包括多个相邻耦合的模块化的可替换段。
16.根据权利要求12所述的系统，所述耦合结构还包括在其中保持所述替换部件的外部支架。
17.根据权利要求12所述的系统，所述耦合结构还包括耦合至所述替换部件的互锁部件，所述互锁部件用于与所述细长路径中空结构匹配啮合。
18.根据权利要求12所述的系统，所述替换部件的输送路径限定包括非铁材料的内表面，所述非铁材料从由镍基合金、钴基合金、钛基合金、不锈钢、碳化钨、陶瓷、超合金和沉积在所述内表面上的所述非铁材料的纳米层构成的组中选择。
19.根据权利要求12所述的系统，还包括具有接入室的细长路径中空结构；以及所述模块化的可替换段用于选择性地插入到所述接入室中并且通过所述耦合结构保持在所述接入室中。
20.一种用于安装轧机卷形成吐丝机系统的细长路径中空结构的模块化盒的方法，在所述细长路径中空结构中具有细长材料输送路径以及用于接纳所述盒的接入室，所述盒具有替换部件，其限定所述吐丝机系统细长路径中空结构的细长材料输送路径的一部分； 以及耦合结构，所述耦合结构用于选择性地将所述替换部件耦合至所述接入室，所述方法包括去耦合所述耦合结构并且移除已占用所述接入室的任何盒；将盒插入到所述接入室中；以及利用所述耦合结构将所述盒耦合至所述接入室。
全文摘要
本发明涉及一种轧机卷形成设备。该轧机卷形成设备包括旋转套筒，其支承细长路径中空结构，例如吐丝管，该细长路径中空结构用于在细长材料被轧制后接纳细长材料。细长结构的一部分或整个细长结构由模块化的选择性可替换部件构成。制造的模块化结构便于形成部件内的区域，例如包括作为示例的耐磨损区域、材料输送引导结构以及摩擦减小区域。
文档编号B21C47/14GK103008396SQ20121036491
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者基思·菲奥鲁奇 申请人:西门子工业公司