СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК B21B45/02 B21B37/76 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к общей области регулируемого охлаждения горячекатаного металла, и более конкретно к ускоренному охлаждению и прямому закаливанию стальных полос и листов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Регулируемое охлаждение горячекатаной стали является очень важным для достижения желательной микроструктуры и характеристик стального продукта. В современных листовых и полосовых станах горячей прокатки для этой цели в основном используют мощные системы охлаждения, поэтому очень большое значение имеет точный контроль температуры и скорости охлаждения. В качестве охлаждающей текучей среды обычно применяют воду.

Одним из наиболее удачных конструктивных решений устройства для регулируемого охлаждения является конструкция с многочисленными верхними коллекторами для подачи охладителя и нижними коллекторами для подачи охладителя, через которые струи охлаждающей воды набрызгивают на верхнюю поверхность и нижнюю сторону горячекатаного металлического листа или полосы, как описано, например, в патентном документе EP 0178281.

Упрощенный вид поперечного сечения устройства этого типа иллюстрирован в Фиг.1. Горячекатаный металлический лист или полосу 1, которые нужно охлаждать, транспортируют через устройство для регулируемого охлаждения на рольганге 2. Устройство 9 для регулируемого охлаждения состоит из ряда верхних коллекторов 6 для подачи охладителя и ряда нижних коллекторов 3 для подачи охладителя. Для ясности Фигура 1 показывает только шесть верхних коллекторов и шесть нижних коллекторов, но на практике типичное устройство для регулируемого охлаждения имеет гораздо больше коллекторов. Нижние коллекторы 3 для подачи охладителя набрызгивают струи 5 охлаждающей воды на нижнюю сторону листа, и верхние коллекторы 6 для подачи охладителя набрызгивают струи 8 охлаждающей воды на верхнюю поверхность листа. Охлаждающую воду для нижних коллекторов 3 для подачи охладителя подают через трубопроводы 4, и охлаждающую воду для верхних коллекторов 6 для подачи охладителя подводят через трубопроводы 7.

Для достижения хорошей плоскостности охлажденных листов или полос очень важно, чтобы охлаждение сверху и снизу производилось в одно и то же время, и чтобы охлаждение сверху и снизу было одинаковым. Если одну поверхность охлаждают раньше другой, лист будет проявлять тенденцию к изгибанию с деформацией в виде либо желоба, либо перевернутого желоба, или к возникновению иного типа проблемы плоскостности. Для обеспечения того, что охлаждение верхней поверхности начинается и прекращается синхронно с охлаждением нижней поверхности, обычной практикой является применение текучей среды, вытекающей в форме струй или потоков, которые называются зонально-разделительным впрыскиванием и наносятся из устройств для зонально-разделительного впрыскивания. Зонально-разделительное впрыскивание удерживает охлаждающую воду на верхней поверхности листа или полосы в желательной области, в вышеприведенном примере в области между устройствами 10 и 11 для зонально-разделительного впрыскивания. Зонально-разделительное впрыскивание изображено стрелками, исходящими из устройств для зонально-разделительного впрыскивания. Без зонально-разделительного впрыскивания охлаждающая вода на верхней поверхности листа или полосы склонна растекаться в стороны как выше по потоку, так и ниже по потоку, относительно направления перемещения листа или полосы, от устройства для регулируемого охлаждения, и вследствие этого охлаждение верхней поверхности будет начинаться раньше и/или заканчиваться позже по сравнению с нижней поверхностью. Охлаждающая вода, нагнетаемая на нижнюю поверхность, не растекается выше по потоку и ниже по потоку отчасти потому, что вода естественным образом стекает вниз под действием силы тяжести, и отчасти потому, что она задерживается валками рольганга 2, на которых транспортируют лист или полосу. Направление перемещения листа или полосы изображено стрелкой у правого конца листа или полосы 1.

Листы с различными толщинами и различными металлургическими требованиями имеют различные параметры охлаждения, и иногда охлаждение по всей длине устройства 9 для регулируемого охлаждения не требуется. В этом случае общепринятой практикой является отключение некоторых из верхних и нижних коллекторов таким образом, чтобы для охлаждения использовалась более короткая длина устройства. Например, в упрощенной системе, иллюстрированной в Фиг.1, было бы возможным применение только первых трех верхних и нижних коллекторов вместо всех верхних и нижних коллекторов. В этом случае, чтобы предотвратить растекание охлаждающей воды на верхней поверхности листа ниже по потоку после третьего коллектора, используют дополнительное устройство 12 для зонально-разделительного впрыскивания, чтобы воспрепятствовать течению охлаждающей воды ниже по потоку относительно третьего верхнего коллектора.

Для ясности Фигура 1 показывает только три устройства для зонально-разделительного впрыскивания, по одному на каждом конце устройства для регулируемого охлаждения и одно в центре для разделения длины устройства 9 для регулируемого охлаждения на две отдельных зоны. На практике типичное устройство для регулируемого охлаждения будет иметь четыре или более зон и пять или более устройств для зонально-разделительного впрыскивания.

Принцип действия зонально-разделительного впрыскивания состоит в том, что устройства 10, 11 и 12 для зонально-разделительного впрыскивания размещены таким образом, что струи зонально-разделительного впрыскивания наклонены в сторону устройства 9 для регулируемого охлаждения, и что они имеют динамическое давление, достаточное для предотвращения протекания охлаждающей воды через участок зонально-разделительного впрыскивания, чтобы побуждать охлаждающую воду перемещаться к кромке листа вместо растекания выше и ниже потоку.

Динамическое давление представляет собой произведение величины массового расхода (в килограммах в секунду, кг/сек) на скорость (в метрах в секунду, м/сек), деленное на площадь орошения (в квадратных метрах, м²).

Расход потока охладителя, то есть охлаждающей воды, из коллекторов для подачи охладителя в современном устройстве для регулируемого охлаждения может составлять до 33 литров в секунду на квадратный метр или более при максимальной величине расхода. Следовательно, зонально-разделительное впрыскивание требует высокой величины массового расхода и высокой скорости потока для достижения динамического давления, достаточного для предотвращения прохождения через него такого большого количества охлаждающей воды.

Устройство для зонально-разделительного впрыскивания включает один или несколько рядов форсунок. Множественные ряды часто используют таким образом, чтобы первый ряд мог останавливать растекание большей части охлаждающей воды через него, тогда как последующие ряды останавливают любую охлаждающую воду, которая прошла через струи первого ряда.

Как иллюстрировано в Фиг.1, значительная проблема прототипного устройства для регулируемого охлаждения состоит в том, что, если зонально-разделительное впрыскивание имеет динамическое давление, достаточное для ограничения охлаждающей воды, когда устройство для регулируемого охлаждения работает при максимальном расходе потока охладителя от коллекторов для подачи охладителя, то поток текучей среды из устройств для зонально-разделительного впрыскивания может оказывать существенное вредное влияние на охлаждение, когда устройство для регулируемого охлаждения действует с более низкими значениями расхода потока охладителя из коллекторов для подачи охладителя. Устройство для системы многостадийной контролируемой прокатки с промежуточным охлаждением и термообработкой (технология MULPIC), как описано в патентном документе EP 0178281, может достигать динамического диапазона изменения 20:1 между максимальным и минимальным значениями расхода охладителя из коллекторов для подачи охладителя. Для ограничения охлаждающей воды при максимальной величине расхода охладителя зонально-разделительное впрыскивание должно иметь высокие значения динамического давления и, следовательно, высокие величины расхода потока.

Когда охлаждение проводят при максимальном расходе охладителя из коллекторов для подачи охладителя, расход потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания составляет лишь небольшую долю общего расхода потока, типично менее 10%.

Если же при работе с низкими значениями расхода охладителя используют такое же высокое динамическое давление и высокий расход потока зонально-разделительного впрыскивания, какие применяют при максимальном расходе охладителя, расход потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания составляет гораздо более значительную долю общего расхода, типично более 50%.

Величина расхода охладителя представляет собой сумму значений расхода охлаждающей воды, нагнетаемой всеми действующими верхними коллекторами 6 для подачи охладителя. Расход потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания представляет собой сумму величин расхода текучей среды, нагнетаемой всеми действующими устройствами для зонально-разделительного впрыскивания. Общий расход потока представляет собой сумму величины расхода охладителя и расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания. Поток из устройств для зонально-разделительного впрыскивания вносит свой вклад в охлаждение.

В вышеприведенном примере динамического диапазона изменения между максимальным и минимальным значениями расхода охладителя доля расхода потока зонально-разделительного впрыскивания при минимальном расходе охладителя будет в двадцать раз выше, чем при максимальном расходе охладителя. Такое большое количество текучей среды, нагнетаемой зонально-разделительным впрыскиванием в дополнение к потоку охладителя, негативно сказывается на процессе охлаждения, поскольку охлаждение сверху и снизу может стать неодинаковым вследствие больших различий между количествами текучих сред, которые охлаждают верхнюю поверхность и нижнюю сторону.

Будет очевидно, что, в то время как вышеприведенное описание ссылается на систему охлаждения типа технологии MULPIC, этот принцип применим к любой системе охлаждения, в которой используют зонально-разделительное впрыскивание для удержания охлаждающей воды на верхней поверхности охлаждаемых листа или полосы.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения состоит в представлении способа и устройства для регулируемого охлаждения горячекатаных металлов в форме листа или полосы, которое сводит к минимуму негативное влияние на процесс охлаждения, оказываемое вкладом потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания в общий расход потока.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эта цель достигнута представлением способа эксплуатации устройства для регулируемого охлаждения горячекатаных металлов в форме листа или полосы с помощью охлаждающей текучей среды, включающего по меньшей мере два устройства для зонально-разделительного впрыскивания, чтобы удерживать охлаждающую текучую среду на верхней поверхности листа или полосы в пределах одной области, который отличается тем, что во время охлаждения величину расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания регулируют в зависимости от величины расхода наносимого охладителя.

Охлаждение выполняют нанесением охлаждающей текучей среды на поверхности горячекатаных металлов в форме листа или полосы. Охлаждающей текучей средой предпочтительно является вода. Величина расхода охладителя представляет собой сумму значений расхода охлаждающей текучей среды, наносимой на верхнюю поверхность для охлаждения с помощью, например, верхних коллекторов для подачи охладителя, как показано в Фиг.1. Она не включает величину расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания.

Устройства для зонально-разделительного впрыскивания наносят потоки текучей среды в форме струй или потоков на металл в форме листа или полосы для удержания охлаждающей текучей среды на верхней поверхности листа или полосы в желательной области. Эти потоки текучей среды называются зонально-разделительным впрыскиванием. Текучая среда обычно, но не обязательно, является такой же, как охлаждающая текучая среда. Поток из устройств для зонально-разделительного впрыскивания не является частью потока охладителя.

Регулированием расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания в зависимости от расхода потока наносимого охладителя можно обеспечить то, что величина расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания будет составлять малую долю общего расхода потока при работе с высоким значением расхода охладителя, а также при работе с низким значением расхода охладителя. Чем выше или ниже величина расхода охладителя, тем выше или ниже регулируемое значение расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания, и тем самым всегда одновременно обеспечивается то, что динамическое давление зонально-разделительного впрыскивания является достаточно высоким для предотвращения прохождения охлаждающей текучей среды через него, и что его доля в общем расходе потока является достаточно малой, чтобы не оказывать существенного вредного влияния на процесс охлаждения. Доля в общем расходе потока может составлять вплоть до 20%, предпочтительно до 10%.

Каждое из устройств для зонально-разделительного впрыскивания можно регулировать либо независимо от любого другого устройства для зонально-разделительного впрыскивания, либо, альтернативно, может быть общая система для регулирования нескольких или всех устройств для зонально-разделительного впрыскивания совместно.

Регулирование расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания может быть проведено с помощью любого средства для регулирования расхода потока текучей среды. Предпочтительно его выполняют регулированием настраиваемого клапана и/или изменением скорости насоса с переменным расходом.

Для точного регулирования расхода потока от устройств для зонально-разделительного впрыскивания проводят его мониторинг, предпочтительно путем измерения давления.

Далее, цель изобретения достигнута представлением устройства для регулируемого охлаждения горячекатаных металлов в форме листа или полосы с помощью охлаждающей текучей среды, содержащего по меньшей мере два устройства для зонально-разделительного впрыскивания для удержания охлаждающей текучей среды на верхней поверхности листа или полосы в одной области, отличающегося тем, что оно содержит по меньшей мере одно устройство для регулирования расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания в зависимости от величины расхода наносимого охладителя.

Может существовать одно устройство для регулирования расхода потока из нескольких или всех устройств для зонально-разделительного впрыскивания. Альтернативно, в еще одном варианте осуществления изобретения для каждого из устройств для зонально-разделительного впрыскивания может быть предусмотрено одно устройство для регулирования расхода потока.

Устройство для регулирования расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания может содержать по меньшей мере один настраиваемый клапан, и/или по меньшей мере один насос с переменным расходом.

Для регулирования расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания устройство для регулирования расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания может содержать по меньшей мере один датчик давления для измерения давления потока и/или по меньшей мере один расходомер для измерения расхода потока.

Схематические изображения прототипа и примерных вариантов осуществления изобретения описаны в схематических Фиг.1-4.

Фиг.1 показывает упрощенный вид поперечного сечения устройства для регулируемого охлаждения согласно прототипу.

Фиг.2 показывает схематическую иллюстрацию варианта исполнения одиночной форсунки в устройстве для зонально-разделительного впрыскивания с настраиваемым клапаном и датчиком давления.

Фиг.3 показывает схематическую иллюстрацию варианта исполнения одиночной форсунки в устройстве для зонально-разделительного впрыскивания с настраиваемым клапаном.

Фиг.4 показывает схематическую иллюстрацию варианта исполнения одиночной форсунки в устройстве для зонально-разделительного впрыскивания с насосом с переменным расходом и датчиком давления.

Для простоты Фиг.2 показывает только одиночную форсунку 10 устройства для зонально-разделительного впрыскивания, но будет ясно, что этот принцип предполагается быть применимым ко всем форсункам устройства для зонально-разделительного впрыскивания в устройстве для регулируемого охлаждения. В Фиг.2 настраиваемый клапан 14 смонтирован между трубопроводом 13 для подведения воды и форсункой 23 для зонально-разделительного впрыскивания. Давление в трубопроводе для подведения воды номинально является постоянным, хотя в реальных системах происходят небольшие изменения этого давления, обусловленные характеристиками насоса или характеристиками редукционного клапана. Давление в форсунке для зонально-разделительного впрыскивания можно менять открыванием или закрыванием настраиваемого клапана 14. Закрывание клапана 14 создает большее падение давления в клапане 14, и тем самым давление в форсунке для зонально-разделительного впрыскивания снижается, и расход потока из устройства для зонально-разделительного впрыскивания, содержащего эту форсунку 23, уменьшается, поскольку расход потока в форсунке 23 приблизительно пропорционален квадратному корню из значения давления. Поток из форсунки изображен стрелкой.

В примерном варианте исполнения, иллюстрированном в Фигуре 2, датчик 15 давления используют для отслеживания величины давления в форсунке для зонально-разделительного впрыскивания. Сигнал от датчика 15 давления поступает на контроллер 16, где он сравнивается с сигналом 18 эталонного давления. Любое различие между этими сигналами измеренного давления и эталонного давления инициирует открывание или закрывание клапана 14, чтобы сократить это различие. Таким образом, контроллер 16 представляет собой устройство для регулирования расхода потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания. Сигнал 18 эталонного давления рассчитывается на основе величины расхода потока 17 наносимого охладителя и известного давления с учетом характеристик потока в форсунках для зонально-разделительного впрыскивания. С помощью этих средств расход потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания регулируется согласно расходу потока охладителя, то есть, в зависимости от расхода потока охладителя, так, что когда расход потока охладителя велик, устройства для зонально-разделительного впрыскивания работают с высоким значением массового расхода потока, высокой скоростью и высоким динамическим давлением, и когда расход потока охладителя становится меньше, устройства для зонально-разделительного впрыскивания работают с более низким массовым расходом потока, более низкой скоростью и более низким динамическим давлением. Расход потока из устройств для зонально-разделительного впрыскивания для данного расхода потока охладителя выбирается так, чтобы он был едва достаточным для удержания охлаждающей воды в пределах соответствующей секции устройства для регулируемого охлаждения.

В альтернативном варианте исполнения вместо датчика 15 давления может быть использован расходомер.

Датчик 15 давления не является совершенно обязательным, и альтернативный вариант осуществления изобретения иллюстрирован в Фигуре 3. В этом варианте исполнения сигнал, инициирующий открывание или закрывание клапана 14, генерируется внутри контроллера 16 функцией 19, которая представляет собой либо простую таблицу соответствия, либо расчет, основанный на величине расхода потока 17 охладителя. Во время пуска устройства для регулируемого охлаждения в действие настройку клапана 14 для данного расхода потока охладителя регулируют вручную так, чтобы он был едва достаточным для удерживания охлаждающей воды, и затем ручные настройки сохраняют в функции 19 либо в виде таблицы соответствия, либо простой формулы.

Еще один альтернативный вариант исполнения иллюстрирован в Фиг.4. В этом варианте исполнения насос 20, подающий воду из трубопровода 13 для подведения воды к устройству для зонально-разделительного впрыскивания, имеет привод от двигателя с переменной скоростью вращения и приводной системы 21. Сигнал от датчика 15 давления поступает в контроллер 16, где он сравнивается с сигналом 18 эталонного давления. Любое различие между этими сигналами измеренного давления и эталонного давления инициирует изменение рабочей скорости вращения двигателя и приводной системы 21, обусловленное опорным сигналом 22. Сигнал 18 эталонного давления рассчитывается согласно величине расхода потока 17 охладителя так, чтобы расход потока из устройства для зонально-разделительного впрыскивания был едва достаточным для ограничения охлаждающей воды.

Список кодовых номеров позиций:

1 лист или полоса

2 рольганг

3 нижний коллектор для подачи охладителя

4 трубопровод

5 струя охлаждающей воды

6 верхний коллектор для подачи охладителя

7 трубопровод

8 струя охлаждающей воды

9 устройство для регулируемого охлаждения

10 устройство для зонально-разделительного впрыскивания

11 устройство для зонально-разделительного впрыскивания

12 устройство для зонально-разделительного впрыскивания

13 трубопровод для подведения воды

14 клапан

15 датчик давления (РТ)

16 контроллер

17 величина расхода потока охладителя

18 сигнал эталонного давления

19 функция

20 насос

21 двигатель и система привода

22 опорный сигнал

23 форсунка

Изобретение относится к способу ускоренного охлаждения и прямого закаливания горячекатаного металла, в частности стальных полос или листов, и устройству для регулируемого охлаждения горячекатаного металла в форме листов или полосы с использованием устройств для зонально-разделительного впрыскивания для удержания охлаждающей текучей среды на верхней поверхности листа или полосы в одной области, которые являются регулируемыми в зависимости от величины расхода потока наносимого охладителя, что обеспечивает хорошую плоскостность охлажденных листов или полос. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ регулируемого охлаждения горячекатаных металлов в форме листа или полосы охлаждающей текучей средой, посредством нескольких верхних коллекторов для подачи охладителя и по меньшей мере двух устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания для удержания охлаждающей текучей среды на верхней поверхности листа или полосы в одной области, отличающийся тем, что расход потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания регулируют в зависимости от величины расхода потока наносимого охладителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания регулируют посредством настраиваемого клапана (14).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что расход потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания регулируют изменением скорости насоса (20) с переменным расходом.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что расход потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания регулируют измерением его давления.

5. Устройство (9) для регулируемого охлаждения горячекатаных металлов в форме листа или полосы (1) охлаждающей текучей средой, содержащее несколько верхних коллекторов для подачи охладителя и по меньшей мере два устройства (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания для удержания охлаждающей текучей среды на верхней поверхности листа или полосы в одной области, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере одно устройство для регулирования расхода потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания в зависимости от величины расхода потока наносимого охладителя.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что устройство для регулирования расхода потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания содержит по меньшей мере один настраиваемый клапан (14).

7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что устройство для регулирования расхода потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания содержит по меньшей мере один насос (20) с переменным расходом.

8. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что устройство для регулирования расхода потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания содержит по меньшей мере один датчик (15) давления для измерения давления потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания.

9. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что устройство для регулирования расхода потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания содержит по меньшей мере один расходомер для измерения расхода потока из устройств (10, 11, 12) для зонально-разделительного впрыскивания.