РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНАЯ ТРУБА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛОС Российский патент 2023 года по МПК B21B45/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к распределительной трубе, предназначенной для охлаждения металлических или подобных изделий, в частности стальных полос, выходящих из установки горячей прокатки, и содержащей: а) множество выпускных отверстий, которые расположены вдоль продольного простирания этой распределительной трубы и через которые может выпускаться охлаждающая текучая среда, б) впуск (впускное отверстие) для охлаждающей текучей на одном конце распределительной трубы среды и заглушку распределительной трубы на другом ее конце и в) соединительный элемент для подсоединения источника охлаждающей текучей среды и подачи последней в распределительную трубу, причем по меньшей мере на стороне впуска упомянутой распределительной трубы имеется зона изменения диаметра последней, который изменяется в направлении потока от сектора с меньшим диаметром до следующего за ним сектора с большим диаметром. Уровень техники

В конце горячей прокатки необходимо охладить металлическую полосу, выходящую из прокатного цеха. Полоса охлаждается как на верхней, так и на нижней поверхности. В частности, для охлаждения снизу используются распределительные трубы, снабженные множеством распылительных форсунок, обычно расположенных в ряд. Только равномерное охлаждение полосы как по длине, так и по ширине обеспечивает получение полосы отличного качества в отношении геометрии и механических характеристик. Из уровня техники известен целый ряд распределительных труб, выполненных с возможностью получения более или менее равномерного охлаждения металлической полосы. Авторы изобретения, описанного в документе US 2018/0369887, предлагают регулировать охлаждение, обеспечиваемое трубой охлаждения, на основе данных, полученных в результате измерения плоскостности металлической полосы. В корейском патенте KR 100797247 B давление охлаждающих струй во время охлаждения изменяется с помощью клапанного узла. В международной патентной заявке WO 2018/192968 А1 предложенное техническое решение заключается в уменьшении площади участка трубы с форсунками вдоль продольного простирания трубы с помощью диафрагм или створок. Управляемое закрытие форсунок включает в себя сложное техническое решение. В Японии (JP 61162223 А) была разработана двойная труба, в которой обе трубы содержат отверстия, а размер выпускного отверстия регулируется путем соосного вращения одной трубы в другой. Другая сложная распределительная труба, описанная в документе GB 2529072 А, содержит двойную камеру с отводящими пластинами, расположенными внутри камер. Дополнительная вращающаяся труба известна из документа KR 101431033 В. В документах JP S635810A и CN 109092911 В показаны охлаждающие коллекторы, содержащие диафрагмовые перегородки, расположенные вдоль продольного простирания трубы.

Распределительные трубы, известные из уровня техники, зачастую имеют уменьшенные диаметры в зоне впуска. Типичные конструкции включают в себя эту переходную зону между одним диаметром и другим вблизи полосы. Однако этот переход может быть критическим и приводить к неблагоприятному распределению потока. Для преодоления этой проблемы было предложено несколько технических решений, в частности для стороны впуска распределительной трубы, включая создание острой кромки между сектором с меньшим диаметром и сектором с большим диаметром, постепенное расширение между одним и другим секторами или вставку второй трубы, то есть изготовление двойной трубы, которая демонстрирует незначительные отклонения общего давления и, следовательно, обеспечивает лучшую равномерность.

Технические решения, предложенные до настоящего времени, являются не вполне удовлетворительными с точки зрения стоимости и эффективности, особенно из-за неравномерности скорости потока и распределения давления внутри трубы. Кроме того, в решениях такого типа предпочтительно используют как можно меньше деталей, чтобы снизить производственные затраты на систему охлаждения.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является преодоление вышеупомянутых недостатков и создание альтернативной распределительной трубы, которая была бы конструктивно простой и недорогой и в то же время обладала бы оптимальными характеристиками эффективности с точки зрения гидродинамики, в частности применительно к равномерности скорости потока и давления внутри трубы для получения однородного охлаждения металлической полосы, относительно количества, температуры, скорости и давления охлаждающей текучей среды, которая достигает полосы во время ее охлаждения.

Эта цель достигается с помощью распределительной трубы, представленной в начале настоящего описания и отличающейся тем, что в области поперечного сечения потока, расположенной по потоку перед множеством выпускных отверстий, предусмотрена диафрагма (диафрагмовая перегородка). Эта диафрагмовая перегородка простирается предпочтительно по всему сечению распределительной трубы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения диафрагмовая перегородка расположена в секторе с большим диаметром. По сравнению с двухтрубными техническими решениями, в которых уже улучшено распределение потока между выпускными отверстиями, предпочтительно выполненными в виде распылительных форсунок, благодаря чему обеспечивается более равномерное охлаждение полосы, техническое решение, предлагаемое в настоящем изобретении, оптимизировано с помощью более простой, менее дорогостоящей и очень эффективной конструкции, применимой в широком диапазоне различных установок. В ходе экспериментальных исследований, а также моделирования потока (исследований типа вычислительной гидрогазодинамики - ВГГД) диафрагмовая перегородка, установленная вблизи переходной зоны между малым и большим диаметрами, демонстрирует весьма удовлетворительные профили распределения потока.

Диафрагмовая перегородка предпочтительно располагается на расстоянии по меньшей мере 10 см от ближайшего выпускного отверстия. Такое расположение дополнительно улучшает равномерность потока текучей среды.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения диафрагмовая перегородка представляет собой пластину с множеством отверстий. Эта пластина предпочтительно имеет форму поперечного сечения распределительной трубы - как правило, круглую, но возможны и другие формы. Отверстия предпочтительно имеют диаметр в диапазоне от 5 до 10 мм.

Важным фактором, очевидно, является достаточно большой диаметр отверстий, позволяющий избежать забивания главного коллектора. Отличные результаты были получены в случае треугольной конфигурации шага отверстий. Шаг между каким-либо отверстием и ближайшими к нему отверстиями предпочтительно выбирают в диапазоне от 7,5 до 15 мм. Термин "шаг" означает расстояние между центрами двух соседних отверстий. Свободная поверхность, то есть сумма поверхностей отдельных отверстий для прохождения охлаждающей текучей среды (которая соответствует количеству отверстий, умноженному на поверхность одного отверстия), отнесенная к внутренней поверхности распределительной трубы в зоне большего диаметра, предпочтительно находится в диапазоне от 30 до 40%.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения трубу и диафрагмовую перегородку изготавливают из одного и того же материала. В большинстве случаев применения, например, толщина диафрагмовой перегородки менее 3 мм является достаточной в соответствии со стандартом ASME В31.3, причем в любом случае применимы и более толстые диафрагмовые перегородки. Например, хорошие результаты показали диафрагмовые перегородки толщиной 5 мм с 7 отверстиями. Ясно, что диаметр диафрагмовой перегородки зависит от диаметра трубы.

Выпускные отверстия в распределительной трубе предпочтительно расположены на прямой линии. В некоторых вариантах осуществления изобретения упомянутые отверстия снабжены небольшими трубками, которые благоприятным образом направляют охлаждающую текучую среду, выходящую из главного коллектора, первоначально под углом и по существу перпендикулярно продольному простиранию распределительной трубы. Могут быть, однако, также предусмотрены отверстия, расположенные относительно трубы с наклоном, то есть под углом менее 90°.

Они обладают преимуществом с точки зрения равномерности потока из отверстий, то есть форсунок, в которых имеет место больший перепад давления Δр. Увеличение и локализация перепада давления на форсунках приводит к меньшему изменению потока между ними, но требует большего давления на входе в коллектор.

Число отверстий для каждой трубы может варьироваться в зависимости от ширины полосы. Предпочтительным является число от 22 до 32 при длине трубы около 1,5-2 м; также успешно используются конструкции с большим числом отверстий. Критерием для определения наилучшей конструкции среди рассмотренных коллекторов служит равномерность прохождения текучей среды и распределения общего давления на входах форсунок.

Другим объектом изобретения является установка горячей прокатки, предпочтительно для плоского проката, содержащая в зоне охлаждения роликовый конвейер для транспортировки охлаждаемых изделий, в котором между упомянутыми роликами размещена по меньшей мере одна распределительная труба, предлагаемая в изобретении. Такая конструкция обеспечивает охлаждение полосы с ее нижней стороны.

Еще одним объектом изобретения является способ подачи в распределительную трубу, в частности в установке, предлагаемой в изобретении, охлаждающей жидкости, выходящей из множества отверстий, расположенных вдоль этой трубы, для распыления на свежепрокатанное металлическое изделие с целью охлаждения последнего с нижней стороны.

Наконец, еще одним объектом изобретения является Применение распределительной трубы или установки, предлагаемой в изобретении, для охлаждения полос, имеющих отношение ширина/толщина в диапазоне от 2000 до 75. Это отношение двух размеров, представляющих собой единицы длины и обычно выражаемых в мм, является безразмерным. Признаки, описанные для одного объекта изобретения, могут быть перенесены, с учетом необходимых изменений, на другие объекты изобретения.

Описанные варианты осуществления изобретения достигают поставленных целей изобретения. Благодаря наличию диафрагмовой перегородки предлагаемая распределительная труба достигает - причем менее сложным и более экономичным способом, - характеристик, аналогичных характеристикам двойной трубы, которая до сих пор считалась лучшим техническим решением с точки зрения равномерности охлаждения. Диафрагмовая перегородка придает равномерность проходящему сквозь нее потоку, создавая достаточный, но не чрезмерный перепад давления.

Вышеупомянутые объекты и преимущества изобретения более подробно представлены ниже в описании предпочтительного варианта его осуществления, рассматриваемого в качестве примера, а не ограничения.

Варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Описание распределительной трубы, установки горячей прокатки, способа охлаждения металлических полос и применения распределительной трубы для полос определенных размеров приведено в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на приложенные чертежи.

На практике могут быть использованы, в соответствии с требованиями и если не указано иное, другие материалы, а также размеры, количество и формы, при условии, что они совместимы с конкретным использованием. Кроме того, все детали могут быть заменены другими технически эквивалентными элементами.

Краткое описание чертежей

На чертежах показано:

фиг. 1А-В распределительные трубы, соответствующие уровню техники,

фиг.1Г распределительная труба, соответствующая изобретению,

фиг.2А, 2Б - две сравнительные диаграммы распределения потока для различных типов распределительных труб, показанных на фиг.1,

фиг.3 сравнение распределения потока в различных типах распределительных труб, показанных на фиг.1,

фиг. 4 - сравнение распределения статического давления в различных типах распределительных труб, показанных на фиг.1.

Описание варианта осуществления изобретения

На фиг.3 и 4 трубы, обозначенные буквами А, Б, В и Г, соответствуют трубам, обозначенным теми же буквами А, Б, В и Г на фиг.1.

На фиг.1А-В показаны распределительные трубы 100, 200, 300, соответствующие уровню техники, а на фиг.1Г - распределительная труба 400, соответствующая изобретению. Каждая представленная труба содержит соответственно впуск 102, 202, 302, 402 и заглушку 104, 204, 304, 404. Вдоль продольного простирания по прямой линии каждой распределительной трубы 100, 200, 300, 400 предусмотрено множество форсунок 106, 206, 306, 406. Зоны перехода от меньшего диаметра к большему диаметру на стороне впуска трубы выполнены в соответствии с разными техническими решениями. Уровень техники предусматривает острую кромку 108, постепенное расширение 210 или создание двойной трубы 312, которая простирается через весь главный коллектор, при этом текучая среда сначала проходит через внутреннюю трубу 312, затем поднимается внутрь по пространству между внешней трубой 300 и внутренней трубой 312 и выходит из форсунок 306. В случае же технического решения, предлагаемого в изобретении, предусматривается ввод диафрагмовой перегородки 414 в зону большего диаметра распределительной трубы.

На фиг.2 представлены две сравнительные диаграммы распределения потока для различных типов распределительных труб, показанных на фиг.1. По оси х показано количество форсунок вдоль распределительной трубы, по оси у - объемная скорость потока на соответствующей форсунке в % по отношению к средней объемной скорости потока (100% представляет собой общую скорость потока коллектора, разделенную на общее количество форсунок). Кривые a, b и с на фиг.2А показывают для первого типа коллектора соответственно характер изменения общей скорости потока вдоль трубы в вариантах, показанных на фиг.1А-В и соответствующих уровню техники, а кривая d относительный характер изменения объемной скорости потока для предлагаемого в изобретении технического решения с использованием диафрагмовой перегородки. Скорости потока на диаграммах были оптимизированы методом наименьших квадратов. Профили для трубы с постепенным расширением и трубы с диафрагмовой перегородкой являются схожими с небольшим преимуществом трубы, предлагаемой в изобретении, и обеспечивают более хорошее распределение объемной скорости потока, чем труба с острой кромкой и двойная труба. На фиг.2Б представлено относительное сравнение между двойной трубой (кривая с) и распределительной трубой, предлагаемой в изобретении (кривая d) для другого типа главного коллектора: техническое решение с диафрагмовой перегородкой дает по сравнению с двойной трубой схожие и немного лучшие результаты. Распределение в двойное трубе является более равномерным для первых форсунок, а в трубе с диафрагмовой перегородкой для последних форсунок. В этом случае не столь важны преимущества в отношении перепада давления, но более простая конструкция и лучшее распределение скорости потока делают техническое решение с диафрагмовой перегородкой предпочтительным. Разные профили для коллектора типа с, показанные на фиг.2А и 2Б, являются следствием разных условий в конце линии. В случае фиг.2А скорость в меньшей трубе ниже, что приводит к остановке и возврату потока до достижения глухого конца большей трубы. В случае фиг.2Б скорость в меньшей трубе выше, в результате чего поток достигает глухого конца широкой трубы. Можно предположить, что чем выше скорость в меньшей трубе, тем хуже распределение потока вблизи конца закрытой трубы, и, наоборот, чем ниже скорость, тем лучше общее распределение в коллекторе (особенно вблизи конца закрытой трубы). В форсунках трубы с острой кромкой наблюдается неравномерность распределения давления, в то время как в других трубах оно является по существу равномерным.

На фиг.3 представлено сравнение распределения потока в различных типах распределительных труб, показанных на фиг.1, для геометрии, соответствующей фиг.2А. Распределение потока в трубе, предлагаемой в изобретении, схоже с распределением потока в трубе с острой кромкой и с постепенным расширением, в то время как в двойной трубе оно отличается, вследствие чего большая часть охлаждающей жидкости проходит линейно через внутреннюю трубу. Изменение скорости потока показано градацией оттенков серого цвета: в частности, высоким скоростям соответствуют самые светлые участки. В случае труб с острой кромкой и постепенным расширением скорость уменьшается от первой форсунки к последней, в то время как в двойной трубе она ниже в пространстве между трубами, чем во внутренней трубе, но относительно равномерна вдоль длины внутренней трубы. В случае острой кромки вблизи последней образуются зоны рециркуляции, что приводит к очень неблагоприятному распределению потока в зоне первых форсунок. В трубе с диафрагмовой перегородкой скорость достаточно равномерна по всей трубе.

На фиг.4 представлено сравнение распределения статического давления в различных типах распределительных труб, показанных на фиг.1, с той же геометрией, которая легла в основу результатов, представленных на фиг.2А. В случае трубы с острой кромкой давление внутри трубы увеличивается после первых форсунок и остается достаточно постоянным для остальных форсунок. В случае трубы с постепенным расширением давление ниже по сравнению с трубой, описанной выше, и падает по зонам от начала до конца трубы. В случае двойной трубы давление немного снижается во внутренней трубе и является более низким, но равномерным в зоне между внутренней и внешней трубами. Наконец, в трубе с диафрагмовой перегородкой давление значительно падает сразу после перегородки, достигая стабильного значения после первых форсунок.

По сравнению с трубой с постепенным расширением важным преимуществом трубы с диафрагмовой перегородкой является то, что предлагаемое техническое решение является относительно независимым от входной скорости главной распределительной трубы. При высокой скорости подачи постепенное расширение трубы может привести к неблагоприятному распределению, особенно в начальной зоне главной распределительной трубы. Преимущества трубы с диафрагмовой перегородкой перед двойной трубой также вытекают из сравнения расчетных давлений на входе и потерь давления как показано в приведенной ниже таблице 1.

Экономическое сравнение технических решений с двойной трубой и трубой с диафрагмовой перегородкой демонстрирует преимущество последнего. Для коллекторов, представленных на фиг.2Б, использование трубы с диафрагмовой перегородкой дает экономию (по сравнению с двойной трубой), превышающую 2000 кг стали ASTM A312 ТР304. Если предположить, что ориентировочная цена этих труб составляет €5/кг, то использование диафрагмовых перегородок обеспечит экономию материала более чем на €10000,00.

Изобретение обеспечивает достижение заявленной цели: предложить распределительную трубу с равномерным распределением потока, более простой конструкцией, экономическими преимуществами и достаточным, но не чрезмерным перепадом давления.

В ходе осуществления изобретения могут быть реализованы не упомянутые в настоящем описании модификации или варианты объектов изобретения: распределительной трубы, установки горячей прокатки и способа охлаждения. Если такие модификации или варианты находятся в пределах объема изобретения, определяемого приведенной ниже формулой изобретения, то всех их следует рассматривать как защищенных настоящим патентом.

Группа изобретений относится к области охлаждения металлических изделий и может применяться в установках горячей прокатки. Распределительная труба для охлаждения металлических изделий содержит впуск и заглушку на ее конце, соединительный элемент для подсоединения источника охлаждающей текучей среды и подачи текучей среды в распределительную трубу. Выпускные отверстия расположены вдоль продольного простирания распределительной трубы, через которые выпускается охлаждающая текучая среда. На стороне впуска имеется зона изменения диаметра трубы, который изменяется от сектора с меньшим диаметром до следующего за ним в направлении потока сектора с большим диаметром. В области поперечного сечения потока перед упомянутым множеством выпускных отверстий установлена диафрагмовая перегородка, представляющая собой пластину с множеством отверстий и простирающаяся по всему сечению распределительной трубы. Обеспечивается равномерность скорости потока и распределение давления внутри трубы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Распределительная труба (400) для охлаждения металлических изделий, выходящих из установки горячей прокатки, содержащая:

множество выпускных отверстий (406), которые расположены вдоль продольного простирания распределительной трубы (400) и через которые может выпускаться охлаждающая текучая среда;

впуск (402) для охлаждающей текучей среды, расположенный на одном конце распределительной трубы (400), и заглушку (404) распределительной трубы на другом ее конце;

соединительный элемент для подсоединения источника охлаждающей текучей среды и ее подачи в распределительную трубу (400),

причем по меньшей мере на стороне впуска (402) распределительной трубы (400) имеется зона изменения диаметра трубы, который изменяется от сектора с меньшим диаметром до следующего за ним в направлении потока сектора с большим диаметром,

отличающаяся тем, что в области поперечного сечения потока, расположенной по потоку перед упомянутым множеством выпускных отверстий (406), размещена диафрагмовая перегородка (414), представляющая собой пластину с множеством отверстий и простирающаяся по всему сечению распределительной трубы.

2. Распределительная труба (400) по п. 1, отличающаяся тем, что упомянутая пластина (414) выполнена круглой.

3. Распределительная труба (400) по п. 2, отличающаяся тем, что упомянутые отверстия имеют диаметр в диапазоне 5-10 мм.

4. Распределительная труба (400) по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что отверстия расположены с треугольной конфигурацией шага.

5. Распределительная труба (400) по п. 4, отличающаяся тем, что шаг между соседними отверстиями составляет от 7,5 до 15 мм.

6. Распределительная труба (400) по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что свободная поверхность или сумма поверхностей отдельных отверстий для прохождения охлаждающей текучей среды, отнесенная к внутренней поверхности распределительной трубы в зоне большего диаметра, находится в диапазоне от 30 до 40%.

7. Распределительная труба (400) по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что отверстия (406) расположены на прямой линии.

8. Распределительная труба (400) по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что диафрагмовая перегородка расположена в упомянутом секторе с большим диаметром.

9. Распределительная труба (400) по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что число отверстий (406) составляет от 22 до 32 на длину трубы от 1,5 до 2 м.

10. Распределительная труба (400) по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что диафрагмовая перегородка расположена на расстоянии по меньшей мере 10 см от ближайшего выпускного отверстия.

11. Распределительная труба (400) по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что металлические изделия представляют собой стальные полосы.

12. Установка горячей прокатки, содержащая в зоне охлаждения роликовый конвейер для транспортировки охлаждаемых изделий, в котором между роликами размещена по меньшей мере одна распределительная труба (400) по одному из предыдущих пунктов.

13. Применение распределительной трубы (400) по одному из пп. 1-11 или установки по п. 12 для охлаждения полос, имеющих отношение ширина/толщина в диапазоне от 2000 до 75.