СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОТЛИВАЕМОЙ ЗАГОТОВКИ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ОТКРЫВАНИЯ И ПЕРЕКРЫВАНИЯ ОБЪЕМНОГО ПОТОКА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2016 года по МПК B22D11/22 F16K1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу охлаждения металлической отливаемой заготовки, предпочтительно стальной заготовки, в роликовой проводке установки непрерывной разливки, а также к переключательному клапану для периодического открывания и перекрывания объемного потока охлаждающей среды.

Уровень техники

При непрерывной разливке необходимо поддерживать непрерывно отливаемую стальную заготовку, которая имеет по меньшей мере способную нести нагрузку оболочку заготовки, в роликовой проводке установки непрерывной разливки и подвергать дальнейшему охлаждению с помощью вторичного охлаждения. При этом известна подача на заготовку либо жидкой охлаждающей среды (обычно воды, так называемое “water only”-охлаждение), либо смеси из жидкой охлаждающей среды и газа (так называемое “air mist”-охлаждение, при этом газ обычно является воздухом) с помощью охлаждающей форсунки. В так называемых “water only”-форсунках можно регулировать интенсивность охлаждения в небольшом диапазоне в зависимости от давления воды. Однако недостатком при этом является изменение также узора разбрызгивания в зависимости от давления воды, при этом за счет негомогенного отвода тепла не обеспечивается равномерная температура поверхности заготовки. Целью применения так называемых “air mist”-форсунок является увеличение соотношения между максимальным и минимальным расходом охлаждающего средства через разбрызгивающие форсунки; однако на практике было установлено, что более высокое соотношение чем 10:1 для “air mist”-форсунок, соответственно 3:1 для “water only”-форсунок, трудно достижимо. Однако это может приводить при определенных сортах стали к переохлаждению прежде всего кромок заготовки и тем самым к снижению качества. Кроме того, расход энергии для обеспечения сжатого воздуха для “air mist”-форсунок очень велик, так что, с одной стороны, получается слишком большой выброс СО₂ и, с другой стороны, высокая стоимость эксплуатации установки.

Из ЕР 2 010 347 В1 известно использование перемещаемых охлаждающих форсунок в роликовой проводке. Недостатком этого является недостаточное разрешение распределения охлаждающего средства по стороне ширины заготовки. Кроме того, перемещаемые охлаждающие форсунки имеют затратную и сложную конструкцию, тем более что, в частности, подвижные части с подшипниками и шарнирами создают проблемы в экстремально жестких окружающих условиях при непрерывной разливке.

Из DE 199 28 936 С2 известен способ и устройство для охлаждения стальной заготовки в роликовой проводке, при этом заготовка охлаждается с помощью периодического разбрызгивания форсункой охлаждающего средства. Недостатком этих форсунок для охлаждающего средства является то, что поток охлаждающего средства через форсунки нельзя активно регулировать, так что не могут быть реализованы, в частности, большие соотношения между максимальным и минимальным количеством охлаждающего средства, которые наносятся на заготовку с помощью форсунок для охлаждающего средства. Поскольку зоны кромок стальной заготовки для достижения постоянной температуры поверхности должны охлаждаться существенно меньше, чем центральная зона заготовки, то применение известного устройства приводит к переохлаждению, т.е. к слишком сильному охлаждению, зон кромок, что приводит к снижению качества стальной заготовки.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является преодоление недостатков уровня техники и создание способа охлаждения металлической отливаемой заготовки в роликовой проводке установки непрерывной разливки, а также переключательного клапана для периодического открывания и перекрывания объемного потока охлаждающей среды, с помощью которых можно регулировать интенсивность охлаждения в большом диапазоне простым, стабильным и энергетически эффективным образом.

Эта задача решена с помощью способа по п. 1 формулы изобретения, который имеет следующие стадии способа:

- активного управления переключаемым переключательным клапаном с помощью бинарного управляющего сигнала, при этом управление осуществляется в зависимости от желаемой мощности охлаждения;

- приведения в действие переключательного элемента переключательного клапана в зависимости от управляющего сигнала, при этом переключательный элемент приводится в зависимости от управляющего сигнала из закрытого положения в открытое положение или наоборот и прохождение охлаждающей среды через переключательный клапан в открытом положении переключательного элемента открыто, а в закрытом положении переключательного элемента закрыто; затем

- периодической подачи охлаждающей среды через охлаждающую форсунку на заготовку.

При этом управление активно переключаемым переключательным клапаном осуществляется активно с помощью бинарного управляющего сигнала (последовательности во времени значений 0 и 1), при этом управление, конкретно управляющий сигнал, изменяется в зависимости от желаемой мощности охлаждения. В зависимости от управляющего сигнала приводится в действие переключательный элемент, который может быть выполнен, например, в виде золотника золотникового клапана или управляющего поршня седельного клапана, при этом открывается или закрывается прохождение охлаждающей среды через переключательный клапан в зависимости от положения переключательного элемента. Под открытым положением переключательного элемента понимается положение, в котором прохождение охлаждающей среды через переключательный клапан открыто; с другой стороны, под закрытым положением переключательного элемента понимается положение, при котором прохождение охлаждающей среды через переключательный клапан закрыто. Затем охлаждающая среда периодически наносится, соответственно разбрызгивается, на заготовку. За счет приведения в действие переключательный элемент обычно сдвигается, однако для специалистов в данной области техники известны также переключательные клапаны, в которых переключательный элемент при приведении в действие поворачивается.

За счет активного приведения в действие переключательного элемента, которым снабжен переключательный клапан, обеспечивается экстремально большое соотношение интенсивности охлаждения вплоть до 20:1 (по сравнению с 10:1 согласно уровню техники), даже без изменения давления охлаждающей среды. Другое преимущество этого способа состоит в том, что полное давление охлаждающей среды при открытом переключательном элементе прикладывается непосредственно к охлаждающей форсунке (за исключением небольшого падения давления в переключательном клапане, которым, однако, можно пренебречь), так что обеспечивается равномерная схема разбрызгивания также при небольших мощностях охлаждения. Кроме того, можно отказаться от применения “air mist”-форсунок, так что охлаждение заготовки происходит энергетически эффективно. Однако изобретение ни в коем случае не ограничивается “water only”-форсунками; можно также применять, естественно, “air mist”-форсунки.

Согласно одному простому и целесообразному варианту выполнения бинарный управляющий сигнал является модулированным по ширине импульсным управляющим сигналом. Однако для специалистов в данной области техники известны также другие виды модуляции, например импульсно-частотная модуляция (PFM), которые потенциально возможны для использования для бинарного управляющего сигнала.

Для уменьшения количества переключательных клапанов возможно снабжение охлаждающей средой нескольких, например, расположенных вблизи друг друга в направлении разливки последовательно друг за другом, расположенных вблизи друг друга поперек направления разливки или расположенных симметрично относительно средней оси заготовки охлаждающих форсунок с помощью одного переключательного клапана.

Для достижения возможно лучшего распределения количества охлаждающего средства по поверхности заготовки один переключательный клапан снабжает одну (единственную) охлаждающую форсунку. Предпочтительно, охлаждающие форсунки имеют в роликовом зазоре расстояние друг от друга примерно 100 мм.

Согласно одному простому, дешевому и компактному варианту выполнения переключательный элемент приводится в действие непосредственно, в частности, электромагнитно.

Согласно альтернативному варианту выполнения переключательный элемент приводится в действие опосредованно, в частности посредством пневматического или гидравлического предварительного управления. Пневматические или гидравлические клапаны предварительного управления доступны во всем мире и при неисправности могут быть быстро заменены.

Согласно одному энергетически эффективному варианту выполнения переключательный клапан имеет пневматический управляющий ввод, который попеременно соединяет два различных уровня давления, при этом нижний уровень давления превышает окружающее давление. В соответствии с этим можно выдуваемый воздух клапана предварительного управления направлять обратно в компрессор, за счет чего можно экономить энергию или же, что более просто в реализации, с этого низкого уровня давления выпускать через соответствующие дроссельные приспособления, например через ограничивающий давление клапан, в окружение.

Согласно другому альтернативному варианту выполнения переключательный клапан имеет гидравлический управляющий ввод, который попеременно соединяет два различных уровня давления.

В простой системе центральное управление установки непрерывной разливки связано с несколькими децентрализованными управляющими блоками, предпочтительно через систему шин, при этом одному управляющему блоку соответствует один или несколько переключательных клапанов.

Предпочтительно, что управление осуществляется по меньшей мере несущей частотой импульсного широтно-модулированного управляющего сигнала или соотношением ширины и периода импульсов импульсного широтно-модулированного сигнала в зависимости от возраста заготовки или положения заготовки. Естественно, что управление можно осуществлять также в зависимости от толщины оболочки и/или профиля температуры.

Для достижения еще большего соотношения между максимальной и минимальной интенсивностью охлаждения можно изменять давление охлаждающей среды в зависимости от желаемой мощности охлаждения (например, в диапазоне 1:3).

Для достижения равномерной температуры поверхности заготовки предпочтительно, когда перед управлением активно переключаемым переключательным клапаном с помощью бинарного управляющего сигнала выполняются следующие стадии способа:

- определения температуры Т заготовки, предпочтительно температуры поверхности заготовки в зоне падения выходящей из охлаждающей форсунки охлаждающей среды;

- определения ошибки регулирования e=T_Soll-T с учетом заданной температуры T_Soll заготовки;

- вычисления регулирующей переменной u с помощью регулировочного приспособления в зависимости от ошибки регулирования e, при этом желаемую мощность охлаждения устанавливают с помощью управляющего сигнала в зависимости от регулирующей переменной u.

Для надежности переключательного клапана и охлаждающей форсунки предпочтительно, когда пространство между переключательным клапаном и охлаждающей форсункой продувается воздухом при закрытом положении переключательного элемента.

Задача изобретения решена также с помощью переключательного клапана по п. 10 формулы изобретения, содержащего:

- герметичный корпус клапана, содержащий по меньшей мере одно входное отверстие для ввода охлаждающей среды в корпус клапана и по меньшей мере одно выходное устройство для выпуска охлаждающей среды из корпуса клапана;

- переключательный элемент для открывания и перекрывания выходного отверстия, при этом переключательный элемент выполнен подвижным относительно корпуса клапана; и

- исполнительный механизм для приведения в действие переключательного элемента в зависимости от управляющего сигнала.

При этом переключательный клапан имеет герметичный корпус клапана с переключательным элементом для открывания и перекрывания выходного отверстия. Переключательный элемент можно с помощью исполнительного механизма перемещать в зависимости от управляющего сигнала из открытого положения, в котором выходное отверстие открыто, в закрытое положение, в котором выходное отверстие закрыто, и наоборот. С помощью входного отверстия можно вводить охлаждающую среду внутрь корпуса клапана и с помощью выходного отверстия можно охлаждающую среду снова выводить из внутреннего пространства корпуса клапана и подавать в охлаждающую форсунку.

Для достижения равномерной схемы разбрызгивания целесообразно, когда выходное отверстие соединено с охлаждающей форсункой для выдачи охлаждающей среды на металлическую заготовку. Для быстрого нарастания давления охлаждающей среды предпочтительно, когда выходное отверстие переключательного клапана расположено в направлении прохождения охлаждающей среды непосредственно перед охлаждающей форсункой.

Возможно, что выходное отверстие соединено с несколькими охлаждающими форсунками для подачи охлаждающей среды на металлическую заготовку. За счет этого уменьшается соотношение количества переключательных клапанов на каждую охлаждающую форсунку.

Для уменьшения температурной нагрузки переключательного клапана, в частности исполнительного механизма (например, электромагнита), и одновременно обеспечения быстрого нарастания давления охлаждающей среды предпочтительно, когда между выходным отверстием корпуса клапана и охлаждающей форсункой расположен обратный клапан. За счет этого пространство между закрытым выходным отверстием и обратным клапаном остается под давлением, так что при открывании выходного отверстия может быстро нарастать необходимое для открывания обратного клапана давление. Кроме того, в этом варианте выполнения нет необходимости расположения переключательного клапана в направлении прохождения охлаждающей среды непосредственно перед охлаждающей форсункой. За счет этого повышается стабильность.

Для обеспечения возможности быстрого нарастания и быстрого спадания потока охлаждающей среды предпочтительно, когда обратный клапан расположен в направлении прохождения охлаждающей среды непосредственно перед охлаждающей форсункой. В принципе возможно, что переключательный элемент выполнен в виде золотникового клапана или седельного клапана. Преимуществом выполнения в виде седельного клапана является возможность герметизации без утечки охлаждающей среды без дополнительных клапанов и обеспечение более высокой нечувствительности к загрязнению.

При выполнении переключательного элемента в виде седельного клапана предпочтительно, когда переключательный элемент содержит управляющий поршень, при этом сильфон или мембрана направляет управляющий поршень относительно корпуса клапана и при необходимости уплотняет.

Предпочтительно, мембрана или сильфон состоит из нержавеющего металла, предпочтительно стали, или пластмассы, предпочтительно теплостойкой пластмассы, которая вплоть до температур свыше 250ºС не имеет достойного упоминания уменьшения прочности, такой как, например, полиамид или полиарилэфиркетон (РЕЕК).

В принципе возможно выполнение исполнительного механизма в виде электрического исполнительного механизма, предпочтительно электромагнита, пневматического исполнительного механизма, предпочтительно трехпутевого двухпозиционного пневматического клапана или двух двухпутевых двухпозиционных пневматических клапанов, или в виде гидравлического исполнительного механизма, предпочтительно трехпутевого двухпозиционного гидравлического клапана или двух двухпутевых двухпозиционных гидравлических клапанов.

Целесообразно, управляющий ввод переключательного клапана, соответственно клапана предварительного управления, соединен с возможностью прохождения сигналов с управляющим устройством, предпочтительно через цифровой интерфейс, при этом управляющий ввод выполнен, например, в виде входа PWM (широтно-импульсной модуляции).

В одном благоприятном для технического обслуживания варианте выполнения управляющие функции для управления и, возможно, функции диагностики для диагноза неисправностей по меньшей мере для одного переключательного клапана собраны в децентрализованном управляющем блоке с центральным управлением предпочтительно через шинное соединение.

С точки зрения монтажа предпочтительно располагать несколько переключательных клапанов в одном роликовом зазоре направляющего сегмента заготовки и объединять в один конструктивный блок. При этом предпочтительно предусматривать центральные вводы для сжатого воздуха, охлаждающей среды и при необходимости электричества.

Поскольку характеристика заданного прохождения через охлаждающую форсунку известна, соответственно, может быть просто определена (см. Backe: Grundlagen der Oelhydraulik), то можно просто выполнять контролирование работы переключательного клапана, соответственно охлаждающей форсунки. При этом один или несколько переключательных клапанов снабжают измерителем расхода для определения величины расхода через переключательный клапан и открывают по отдельности переключательные клапаны; тем самым через закрытые переключательные клапаны не проходит объемный поток. Если одна охлаждающая форсунка, соответственно переключательный клапан, являются неисправными, то сравнение заданного расхода с фактическим расходом обеспечивает однозначную идентификацию соответствующей охлаждающей форсунки, соответственно переключательного клапана. Предпочтительно периодически выполнять эти последовательности испытательных включений в перерывах между разливками, так что можно своевременно распознавать неисправность, соответственно ухудшение работы. Возможно даже продолжать работу установки непрерывной разливки с одной неисправной охлаждающей форсункой, соответственно одним переключательным клапаном, посредством увеличения соотношения k ширины и периода импульсов (называемого также коэффициентом заполнения) для соседних охлаждающих форсунок. Таким образом, замену неисправной охлаждающей форсунки, соответственно переключательного клапана, можно выполнять при следующей плановой остановке установки без оказания отрицательного влияния на качество заготовки. Из АТ 505035 В1 известно измерение характеристики потока без измерения расхода; естественно, можно применять также этот способ для контролирования работы.

Для увеличения надежности переключательного клапана, соответственно охлаждающей форсунки, предпочтительно, когда продувочное отверстие в направлении потока охлаждающей среды расположено перед охлаждающей форсункой для продувки охлаждающей форсунки.

Например, стабильность, соответственно защита от загрязнения, может быть увеличена за счет того, что управляющий поршень имеет по меньшей мере одно продувочное отверстие для продувания с помощью воздуха пневматического управления или отдельного продувочного воздуха, пространства между переключательным клапаном и охлаждающей форсункой.

При этом предпочтительно, когда продувочное отверстие снабжено обратным клапаном, так что, например, охлаждающая среда не может проникать в продувочное отверстие.

В качестве альтернативного решения или дополнительно к продувочному отверстию в управляющем поршне пространство между выходным отверстием корпуса клапана и охлаждающей форсункой может иметь по меньшей мере одно продувочное отверстие. Продувку сжатым воздухом можно осуществлять постоянно или периодически. За счет продувки предотвращается загрязнение охлаждающей форсунки, например, окалиной, соответственно, загрязнения непосредственно удаляются. В этом варианте выполнения продувочное отверстие может быть соединено с источником продувочного воздуха, например компрессором, при этом требования к чистоте продувочного воздуха значительно ниже, чем к так называемому управляющему воздуху, т.е. сжатому воздуху, который применяется для управления клапанами.

Для уменьшения отклонения струи охлаждающей среды за счет продувки предпочтительно, когда несколько продувочных отверстий расположены либо в плоскости, перпендикулярной направлению прохождения охлаждающей среды, либо на конической поверхности, при этом охлаждающая среда проходит через конус в направлении оси конуса. При этом конус может иметь угол раскрыва α в пределах 0°≤α≤ 180°, предпочтительно 15°≤α≤180°.

Особенно предпочтительно, когда продувочные отверстия расположены в нормальной плоскости или на конической поверхности с сохранением постоянного углового расстояния друг от друга. Таким образом, n продувочных отверстий расположены под углом β друг к другу, при этом β=60°/n.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и признаки данного изобретения следуют из приведенного ниже описания не имеющих ограничительного характера примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - система из шести охлаждающих форсунок над широкой стороной заготовки, при этом каждая охлаждающая форсунка снабжена переключательным клапаном;

фиг. 2 - импульсный широтно-модулированный управляющий сигнал и величина расхода через охлаждающую форсунку в зависимости от времени;

фиг. 3 - переключательный клапан и охлаждающая форсунка, при этом переключательный клапан предварительно управляется с помощью пневматического клапана;

фиг. 4 - два переключательных клапана и две охлаждающие форсунки, при этом переключательные клапаны предварительно управляются с помощью пневматического клапана;

фиг. 5 и 6 - предварительно управляемый пневматически переключательный клапан с мембранным сильфоном в открытом и закрытом положении соответственно;

фиг. 7а и 7b - приводимый непосредственно в действие электромагнитно переключательный клапан с волнистым сильфоном в открытом и закрытом положении соответственно;

фиг. 8а и 8b - приводимый в действие пневматически переключательный клапан с мембраной в открытом и закрытом положении соответственно;

фиг. 9а и 9b - приводимый непосредственно в действие электромагнитно переключательный клапан с мембраной в открытом и закрытом положении соответственно;

фиг. 10а и 10b - управляющий поршень переключательного клапана с отверстиями для продувки сжатым воздухом в открытом и закрытом положении соответственно;

фиг. 11 и 12 - система из 22 охлаждающих форсунок над широкой стороной заготовки, при этом каждые две расположенные симметрично средней оси широкой стороны охлаждающие форсунки снабжены общим переключательным клапаном;

фиг. 13а и 13b - переключательный клапан и две охлаждающие форсунки, при этом перед каждой охлаждающей форсункой расположен обратный клапан;

фиг. 14 - пневматически предварительно управляемый переключательный клапан с волнистым сильфоном в закрытом положении.

Описание вариантов выполнения

На фиг. 1 шесть охлаждающих форсунок 2 расположены с распределением над широкой стороной заготовки 3, при этом каждая охлаждающая форсунка 2 снабжена переключательным клапаном 1. Поскольку к каждой охлаждающей форсунке 2 после открывания переключательного клапана 1 прикладывается системное давление охлаждающей среды в виде воды, то распределение 4 воды, соответственно схема разбрызгивания также для различных значений k показанного импульсного широтно-модулированного управляющего сигнала 5, является постоянным. Для равномерной схемы разбрызгивания также при более высоких основных частотах f=1/T импульсного широтно-модулированного управляющего сигнала 5 выходное отверстие переключательного клапана в направлении прохождения охлаждающей среды расположено непосредственно перед охлаждающей форсункой 2.

На фиг. 2 показан импульсный широтно-модулированный управляющий сигнал 5, с помощью которого происходит управление переключательным клапаном. Более высокие частоты приводят к меньшим флуктуациям температуры на охлаждаемой поверхности заготовки, однако требуют более высоких затрат энергии для управления переключательными клапанами, и очень небольшая ширина k импульсов не может быть реализована без отрицательного влияния на схему разбрызгивания. Законы затвердевания заготовки при непрерывной разливке приводят к тому, что при одинаковом повторном нагревании длительность периода T=1/f импульсного широтно-модулированного управляющего сигнала необходимо выбирать пропорционально возрасту заготовки. Это означает, что частоту переключения следует устанавливать по длине установки непрерывной разливки в соответствии с этим правилом. Для типичных применений при охлаждении стальных заготовок в установках непрерывной разливки хорошо зарекомендовала себя несущая частота f, равная примерно 1 Гц, в передней зоне заготовки. Как показано на фиг. 2, управляющий сигнал 5 является бинарным управляющим сигналом, который может принимать либо значение HI (логическая единица), либо значение LO (логический ноль). Согласно фиг. 2 значение HI приводит к открытому положению переключательного элемента переключательного клапана 1, так что разбрызгивается максимальное количество потока через переключательный клапан 1 с помощью охлаждающей форсунки 2 на заготовку 3. Однако возможно также, что значение HI управляющего сигнала соответствует закрытому положению переключательного элемента (см. фиг. 3). С другой стороны, значение LO приводит к перекрыванию переключательного элемента, так что прохождение потока запирается. В целом заготовка получает среднее значение Q потока. Так называемое соотношение k ширины и периода импульсов задает долю импульсного широтно-модулированного управляющего сигнала, которая имеет значение HI; другими словами, значение k, равное 100%, приводит к тому, что управляющий сигнал всегда имеет значение HI, значение k, равное 50%, приводит к тому, что управляющий сигнал имеет половину времени значение HI и половину времени значение LO, и значение k, равное 0%, приводит к тому, что управляющий сигнал всегда имеет значение LO.

На фиг. 3 показана система из переключательного клапана 1, пневматического клапана 7 предварительного управления и охлаждающей форсунки 2 для охлаждения заготовки 3. При этом к пневматическому трехпутевому двухпозиционному клапану 7 предварительного управления приложено, с одной стороны, пневматическое высокое давление 8 и, с другой стороны, низкое давление 9. Клапан предварительного управления управляется электрически с помощью импульсного широтно-модулированного управляющего сигнала 5, так что в качестве давления предварительного управления к переключательному клапану прикладывается либо высокое давление 8, либо низкое давление 9. Как показано на фигуре, в обесточенном состоянии, т.е. при значении LO управляющего сигнала, клапана 7 предварительного управления прикладывается в качестве давления 10 предварительного управления низкое давление 9, так что клапан 7 предварительного управления открыт и охлаждающая среда в виде воды разбрызгивается через охлаждающую форсунку 2 на заготовку 4.

На фиг. 4 показана система, аналогичная показанной на фиг. 3 системе, однако при этом пневматический трехпутевой двухпозиционный клапан 7 предварительного управления управляет двумя переключательными клапанами 1. Снова приложено в качестве управляющего давления 10 низкое давление 9, так что оба переключательных клапана 1 разбрызгивают через охлаждающие форсунки 2 охлаждающую среду на заготовку 3.

На фиг. 5 и 6 показан вариант выполнения переключательного клапана 1 соответственно в открытом и закрытом положении, при этом переключательный клапан выполнен в виде седельного клапана с управляющим поршнем 16. Внутри корпуса 11 клапана мембранный сильфон 14 соединен с одной стороны с корпусом 11 и с другой стороны с управляющим поршнем 16, при этом мембранный сильфон 14 направляет управляющий поршень, который отделяет управляющий воздух 10 от охлаждающей воды 21 и в неприведенном в действие состоянии переключательного клапана дополнительно удерживает управляющий поршень в закрытом положении. Если давление охлаждающей среды достигает заданного значения, то управляющий поршень открывается самостоятельно (так называемый отказоустойчивый режим). В показанном на фиг. 5 открытом положении охлаждающая среда 5 может беспрепятственно проходить от входного отверстия 12 к выходному отверстию 13, так что она с помощью охлаждающей форсунки 2 разбрызгивается на заготовку. На фиг. 6 показано закрытое положение, при этом в качестве управляющего предварительного давления 10 приложено высокое давление, так что управляющий поршень 16 закрывает выходное отверстие 13. Клапан предварительного управления переключательным клапаном 1 с помощью управляющего предварительного давления 10 не изображен по причинам наглядности.

На фиг. 7а и 7b показан другой вариант выполнения переключательного клапана 1 соответственно в открытом и закрытом положении. При этом управляющий поршень 16 приводится в действие непосредственно, а именно электромагнитно, при этом в случае приведения в действие (см. фиг. 7b) управляющий поршень 16 притягивается к электромагниту 17. При этом преодолевается пружинная сила волнистого сильфона 15, так что охлаждающая среда может беспрепятственно проходить через корпус 11 клапана к охлаждающей форсунке 2. На фиг. 7а на управляющий поршень 16 не действует электромагнитная сила, так что управляющий поршень 16 прижимается волнистым сильфоном 15 к выпускному отверстию корпуса 11 клапана. Таким образом, в этом случае охлаждающая среда не может проходить к охлаждающей форсунке 2.

На фиг. 8а и 8b показан другой вариант выполнения переключательного клапана 1 соответственно в открытом и закрытом положении. Переключательный клапан 1 снова управляется с помощью пневматического или гидравлического клапана предварительного управления, который не изображен, так что пластинообразный управляющий поршень 16 в закрытом положении переключательного клапана 1 прижимается к выпускному отверстию 13 корпуса 11 клапана. В открытом положении в качестве давления предварительного управления прикладывается окружающее давление (или слегка повышенное относительно окружающего давления давление), так что управляющий поршень 16 оттягивается мембраной 18 в открытое положение.

На фиг. 9а и 9b показан непосредственно приводимый в действие переключательный клапан 1, при этом управляющий поршень 16 приводится в действие с помощью электромагнита 17. В этом случае мембрана 18 должна лишь направлять управляющий поршень 16; функция уплотнения в этом случае не требуется, если магнит может работать в мокром состоянии. При этом мембрана 18 может быть также заменена пружиной.

На фиг. 10а и 10b показана деталь управляющего поршня предварительно управляемого пневматически переключательного клапана, при этом проходящий через отверстия 19 в управляющем поршне 16 управляющий воздух 22 применяется для продувки пространства между переключательным клапаном и охлаждающей форсункой. За счет продувки предотвращается проникновение загрязнений, например окалины, в охлаждающую форсунку, что положительно сказывается на надежности переключательного клапана и охлаждающего приспособления. Кроме того, предотвращаются отложения, например, извести в пространстве между клапанным седлом и охлаждающей форсункой.

На фиг. 11 и 12 показана система из 22 охлаждающих форсунок, которые равномерно распределены по широкой стороне заготовки 3, при этом каждые две охлаждающие форсунки 2 расположены симметрично относительно средней оси широкой стороны, и эти обе охлаждающие форсунки снабжены переключательным клапаном 1. Это расположение обеспечивает, с одной стороны, симметричные температурные условия, с другой стороны, уменьшается количество переключательных клапанов 1 при достаточно большом разрешении распределения 4 охлаждающего средства. Однако для оказания влияния на асимметричные условия затвердевания может быть предпочтительным снабжать каждую охлаждающую форсунку одним единственным переключательным клапаном 1. В этом варианте выполнения ко всем переключательным клапанам 1 прикладывается общее управляющее давление 10, при этом различное открывание, соответственно перекрывание, переключательного элемента переключательного клапана 1 достигается с помощью различно выбираемой жесткости пружины.

На фиг. 13а и 13b показаны два варианта выполнения непосредственно управляемого, например, с помощью электромагнита, как на фиг. 7а, 7b, 9a, 9b, переключательного клапана 1, который снабжает охлаждающей средой две охлаждающие форсунки 2. На фиг. 13а в направлении 23 прохождения охлаждающей среды между одним выходным отверстием 13 переключательного клапана 1 и охлаждающей форсункой 2 расположен обратный клапан 20 с пружиной; вместо обратного клапана 20 с пружиной на фиг. 13b показан деблокируемый обратный клапан 20. В этих вариантах выполнения нет необходимости располагать переключательный клапан 1 вблизи охлаждающей форсунки 2, поскольку даже при закрытом переключательном клапане 1 в трубопроводах между переключательным клапаном 1 и обратным клапаном 20 блокировано гидравлическое давление. После открывания переключательного клапана 1 в трубопроводе необходимо создавать лишь небольшое относительное давление с целью деблокирования обратного клапана 20 и разбрызгивания охлаждающей среды в направлении 23 прохождения на заготовку 3. За счет расположения обратного клапана 20 непосредственно перед охлаждающей форсункой 2 после перекрывания переключательного клапана 1 лишь очень небольшое количество охлаждающей среды подается еще на заготовку 3 (так называемое подтекание).

Для предотвращения закупоривания охлаждающей форсунки 2 за счет загрязнения, соответственно отложений (извести и т.д.), может быть, необязательно, также между обратным клапаном 20 и охлаждающей форсункой 2 расположено продувочное приспособление (например, продувочное отверстие, как показано на фиг. 10а и 14 с позицией 19 или отдельный ввод сжатого воздуха) для продувки.

На фиг. 14 показан пневматически управляемый предварительно переключательный клапан 1 с волнистым сильфоном 15. Внутри корпуса 11 клапана находится управляющий поршень 16, к которому прикладывается управляющее давление 10. С помощью этого управляющего давления управляющий поршень 16 прижимается к невидимому в этой проекции выходному отверстию 13, так что охлаждающая среда не может проходить от входного отверстия 12 к охлаждающей форсунке 2. Для уменьшения расходов на относительно дорогой управляющий воздух (см. фиг. 10а и 10b) переключательный клапан 1 имеет в направлении 23 прохождения перед концом охлаждающей форсунки 2 два продувочных отверстия 19, которые постоянно продуваются продувочным воздухом. Для этого продувочные отверстия 19 соединены с источником сжатого воздуха. Оба продувочных отверстия расположены в плоскости, перпендикулярной направлению 23 прохождения, противоположно друг другу (угловой сдвиг β равен 180º), так что продувочный воздух не отклоняет струю охлаждающей среды.

Расположение по меньшей мере одного продувочного отверстия между выходным отверстием 13 корпуса 11 клапана и охлаждающей форсункой не ограничивается пневматически предварительно управляемыми переключательными клапанами 1; этот вариант выполнения можно использовать, естественно, также в непосредственно управляемых переключательных клапанах (см. фиг. 7а, 7b, 9a, 9b).

Естественно, что изобретение никоим образом не ограничивается форматом заготовки; его можно применять также при сортовых заготовках, блюмах и так называемых “beam blank”-заготовках.

Перечень позиций

1 - Переключательный клапан

2 - Охлаждающая форсунка

3 - Заготовка

4 - Распределение воды

5 - Управляющий сигнал

6 - Величина расхода

7 - Клапан предварительного управления

8 - Высокое давление

9 - Низкое давление

11 - Корпус клапана

12 - Входное отверстие

13 - Выходное отверстие

14 - Мембранный сильфон

15 - Волнистый сильфон

16 - Управляющий поршень

17 - Электромагнит

18 - Мембрана

19 - Отверстие

20 - Обратный клапан

21 - Охлаждающая вода

22 - Управляющий воздух

23 - Направление прохождения

е - Ошибка регулирования

f - Несущая частота

k - Соотношение ширины и периода импульсов

u - Регулирующая переменная

T_PWM - Длительность периода

T - температура

Изобретение относится к металлургии, в частности к непрерывной разливке металлов. Способ охлаждения стальной заготовки в роликовой проводке включает периодическую подачу охлаждающей среды на заготовку через форсунку (2) посредством переключающего клапана (1), активное управление переключением клапана (1) с помощью бинарного управляющего сигнала (5). Управление осуществляется в зависимости от желаемой мощности охлаждения. В зависимости от управляющего сигнала (5)приводят переключательный элемент клапана (1) из закрытого положения в открытое положение для прохождения охлаждающей среды (21) через переключательный клапан (1) и подачи охлаждающей среды через охлаждающую форсунку (2) на заготовку (3) и наоборот. Обеспечивается регулирование интенсивности охлаждения в большом диапазоне простым, стабильным и энергетически эффективным образом. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ охлаждения металлической отливаемой заготовки (3), предпочтительно стальной заготовки, в роликовой проводке установки непрерывной разливки, включающий следующие стадии:
- периодическую подачу охлаждающей среды (21) через охлаждающую форсунку (2) на заготовку (3) посредством переключающего клапана (1) с переключательным элементом (16),
- активное управление переключением переключательного клапана (1) с помощью бинарного управляющего сигнала (5), причем управление осуществляют в зависимости от заданной степени охлаждения заготовки (3);
- приведение в действие переключательного элемента (16) переключательного клапана (1) в зависимости от управляющего сигнала (5), при этом переключательный элемент (16) приводят в зависимости от управляющего сигнала (5) из закрытого положения в открытое положение или наоборот, при этом, соответственно, прохождение охлаждающей среды (21) через переключательный клапан (1) в открытом положении переключательного элемента (16) открыто, а в закрытом положении переключательного элемента (16) закрыто.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что бинарный управляющий сигнал является модулированным по ширине импульсным управляющим сигналом (5).

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что переключательный элемент (16) приводят в действие непосредственно, в частности электромагнитно.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что переключательный элемент приводят в действие опосредованно, в частности пневматически или гидравлически.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что переключательным клапаном (1) предварительно управляют пневматически, при этом пневматическое давление (10) в системе управления попеременно соединяет два различных уровня (8, 9) давления, причем предпочтительно нижний уровень (9) давления превышает окружающее давление.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что управление осуществляют в зависимости от степени затвердевания заготовки или положения заготовки (3) с использованием несущей частоты (f) импульсного широтно-модулированного управляющего сигнала или коэффициента (k) заполнения импульсного широтно-модулированного управляющего сигнала (5).

7. Способ по любому из пп. 1, 2, 5 или 6, отличающийся тем,
что давление охлаждающей среды (21) изменяют в зависимости от необходимой мощности охлаждения.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед управлением активно переключаемым переключательным клапаном (1) с помощью бинарного управляющего сигнала (5) осуществляют следующие стадии:
- определение температуры Т заготовки (3), предпочтительно температуры поверхности заготовки (3) в зоне попадания выходящей из охлаждающей форсунки (2) охлаждающей среды (21) на заготовку (3);
- определение ошибки регулирования е=T_Soll-Т с учетом заданной температуры T_Soll заготовки (3);
- вычисление регулирующей переменной u с помощью регулировочного приспособления в зависимости от ошибки регулирования е, причем необходимую мощность охлаждения устанавливают с помощью управляющего сигнала (5) в зависимости от регулирующей переменной u.

9. Способ по любому из пп. 1, 2, 5, 6 или 8, отличающийся тем, что пространство между переключательным клапаном (1) и охлаждающей форсункой (2) продувают воздухом (22) при закрытом положении переключательного элемента (16).

10. Переключательный клапан (1) для периодической подачи охлаждающей среды (21) открыванием и перекрыванием ее объемного потока, который пригоден для охлаждения металлической заготовки (3) в роликовой проводке установки непрерывной разливки, содержащий:
- герметичный корпус (11) клапана, имеющий по меньшей мере одно входное отверстие (12) для ввода охлаждающей среды (21) в корпус (11) клапана и по меньшей мере одно выходное отверстие (13) для выпуска охлаждающей среды (21) из корпуса (11) клапана;
- переключательный элемент (16) для открывания и перекрывания выходного отверстия (13), причем переключательный элемент (16) выполнен подвижным относительно корпуса (11) клапана; и
- исполнительный механизм (7, 17) для приведения в действие переключательного элемента (16) в зависимости от управляющего сигнала (5),
- причем клапан имеет по меньшей мере одно продувочное отверстие (19) в направлении (23) прохождения охлаждающей среды, расположенное перед охлаждающей форсункой (2) для продувки охлаждающей форсунки (2).

11. Клапан по п. 10, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью соединения выходного отверстия (13) с охлаждающей форсункой (2) для подачи охлаждающей среды (21) на заготовку (3).

12. Клапан по п. 10, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью соединения выходного отверстия (13) с несколькими охлаждающими форсунками (2) для подачи охлаждающей среды (21) на заготовку (3).

13. Клапан по п. 11 или 12, отличающийся тем, что он снабжен обратным клапаном (20), расположенным между выходным отверстием (13) корпуса (11) клапана и охлаждающей форсункой (2).

14. Клапан по п. 13, отличающийся тем, что обратный клапан (20) расположен в направлении (23) прохождения охлаждающей среды (23) непосредственно перед охлаждающей форсункой (2).

15. Клапан по любому из пп. 10, 11, 12 или 14, отличающийся тем, что переключательный элемент (16) содержит управляющий поршень (16) и сильфон (14, 15) или мембрану (18), направляющий и при необходимости уплотняющий управляющий поршень (16) относительно корпуса (11) клапана.

16. Клапан по любому из пп. 10, 11, 12 или 14, отличающийся тем, что исполнительный механизм (7, 17) выполнен в виде электрического исполнительного механизма, предпочтительно электромагнита (17).

17. Клапан по любому из пп. 10, 11, 12 или 14, отличающийся тем, что исполнительный механизм (7, 17) выполнен в виде пневматического исполнительного механизма, предпочтительно трехпутевого двухпозиционного пневматического клапана (7) или двух двухпутевых двухпозиционных пневматических клапанов (7).

18. Клапан по п. 10, отличающийся тем, что управляющий поршень (16) имеет по меньшей мере одно продувочное отверстие (19) для продувки пространства между переключательным клапаном (1) и охлаждающей форсункой (2).

19. Клапан по п. 18, отличающийся тем, что продувочное отверстие (19) снабжено обратным клапаном (20).

20. Клапан по п. 10, отличающийся тем, что в пространстве между выходным отверстием (13) корпуса (11) клапана и охлаждающей форсункой (2) выполнено по меньшей мере одно продувочное отверстие (19).

21. Клапан по п. 20, отличающийся тем, что несколько продувочных отверстий (19) расположены в плоскости, перпендикулярной направлению прохождения охлаждающей среды, или на конической поверхности, причем охлаждающая среда проходит через конус в направлении оси конуса.

22. Клапан по п. 21, отличающийся тем, что продувочные отверстия (19) расположены в нормальной плоскости или на конической поверхности с сохранением постоянного углового расстояния друг от друга.

23. Устройство для охлаждения металлической отливаемой заготовки (3), предпочтительно стальной заготовки, в роликовой проводке установки непрерывной разливки, отличающееся тем, что оно содержит несколько переключательных клапанов (1) по любому из пп. 10-22 и охлаждающих форсунок (2), объединенных в один конструктивный блок для расположения в зазоре между роликами роликовой проводки.