СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВАЛКОВ ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ
METHOD AND DEVICE FOR COOLING MILL STAND ROLLS

Изобретение касается способа и устройства охлаждения, предназначенных для охлаждения валков, в частности рабочих валков прокатной клети.
При прокатке металлов валки, участвующие в процессе прокатки, то есть рабочие валки, нагреваются. Чтобы защитить их от повреждений и добиться как можно более долгого срока службы, эти валки охлаждаются. В большинстве прокатных станов сегодня применяются системы охлаждения, которые с помощью форсунок (предпочтительно плоскоструйных форсунок) распыляют охлаждающую жидкость по поверхности валков. Такое охлаждение называется охлаждением распылением. Выбранный уровень давления, в зависимости от прокатного агрегата, составляет от 6 бар до 12 бар, а в исключительных случаях около 20 бар. Наряду с задачей как можно более интенсивного охлаждения рабочих валков для ограничения их термической нагрузки и геометрического расширения, охлаждение рабочих валков должно защищать валок от грязи, частиц окислов и окалины. Эффект охлаждения усиливается с увеличением количества охлаждающего средства и возрастанием давления охлаждающего средства. Недостатком этой системы является то, что при этом необходим большой расход энергии, и при более высоком давлении техобслуживание насосов является более затратным.
Другую возможность охлаждения рабочих валков представляет собой низконапорное охлаждение. Из документа WO 2008/104037 A1 известно устройство охлаждения посредством высокотурбулентного охлаждения в области низкого давления, посредством которого валок охлаждается с помощью форсунок или, соответственно, сверлений, которые расположены на охлаждающей балке вогнутой формы. Благодаря расположению охлаждающей балки, а также с помощью боковых панелей, которые расположены на охлаждающей балке с торцевой стороны, образуется равномерно выполненная водяная подушка с турбулентным и ненаправленным течением. Однако это устройство охлаждения только тогда работает удовлетворительно и воспроизводимым образом, когда диапазон диаметра валка, получающийся при истирании, согласован с кривизной устройства охлаждения. Так как общепринятый сегодня диапазон истирания валка составляет примерно 10% от максимального диаметра валка, для различных диаметров валков необходимы несколько устройств охлаждения, в результате чего возникает необходимость в отработанной логистике валков. Можно констатировать как недостаток, что регулировка кривизны устройства охлаждения в соответствии с изменением диаметра валка для каждой клети и после каждой замены рабочих валков невозможна, и поэтому расстояние от форсунок или, соответственно, сверлений до поверхности валка и вместе с тем эффект охлаждения во время процесса прокатки изменяются с каждой заменой валков.
Низконапорное охлаждение в виде охлаждения распылением описывается в документе DE 3616070 C2, при этом в определенном относительно узком зазоре между поверхностью рабочих валков и охлаждающей оболочкой направленным образом и под внешним давлением по поверхности валка направляется охлаждающая жидкость. Уровень давления ниже и зависит от ширины зазора и скорости течения. Более сильные эффекты охлаждения достигаются здесь за счет более высоких скоростей течения. Вследствие более низкого уровня давления система не оказывает очищающего действия на поверхность валка. Недостатком этого устройства является то, что для каждого валка необходим собственный блок охлаждения, так как он смонтирован на элементах встраивания валка. Поэтому для традиционного стана горячей прокатки необходимо большое количество этих блоков охлаждения. Адаптация ширины зазора к различным диаметрам рабочих валков, а также следование блока охлаждения соответствующему положению рабочего валка также оказались непредпочтительными или, соответственно, очень затратными, так как регулировка зазора должна осуществляться вручную и вне прокатной клети.
Исходя из изложенного уровня техники, задачей изобретения является указать способ и устройство охлаждения, с помощью которых соответственно возможно оптимальное охлаждение валков прокатной клети с целью защиты их от термомеханической усталости и от износа, причем должны быть учтены энергетические аспекты, такие как сокращение до минимума необходимого потока охлаждающей жидкости и давления охлаждающей жидкости, а также возникающие затраты на конструирование и изготовление.
Поставленная задача в отношении способа решается с помощью признаков п.1, а также в отношении устройства с помощью признаков п.24 формулы изобретения за счет того, что валки одновременно с низконапорным охлаждением подвергаются также высоконапорному охлаждению, при этом валки при высоконапорном охлаждении непосредственно опрыскиваются охлаждающей жидкостью, находящейся под высоким давлением.
В принципе, все валки прокатной клети могут охлаждаться с помощью предлагаемого изобретением устройства охлаждения, в частности, это изобретение находит применение у рабочих валков.
Целесообразным образом примерно 20% всего количества охлаждающей жидкости подается в систему высоконапорного охлаждения, и примерно 80% всего количества охлаждающей жидкости - в систему низконапорного охлаждения, обеспечивающую основной эффект охлаждения. Охлаждающая жидкость может, например, забираться из напорного резервуара высотой 7-12 м или непосредственно подаваться насосами низкого давления. Необходимый диапазон давлений охлаждающей жидкости для низконапорного охлаждения валков зависит от термической нагрузки валков и составляет, например, от 0,5 до менее 5 бар. В качестве конструктивного варианта осуществления могут применяться охлаждение распылением, завеса из охлаждающего средства, щелевое охлаждение или, соответственно, охлаждение низконапорным потоком, высокотурбулентное охлаждение (фиг.2) или комбинация различных низконапорных систем.
Для высоконапорного охлаждения валков, которое одновременно выполняет задачу очистки поверхности валков или, соответственно, удаления окалины, как и у традиционных систем, возможно применение однорядной или двухрядной балки с разбрызгивающими форсунками. Небольшое количество охлаждающей жидкости, составляющее примерно 20% от всего количества охлаждающей жидкости, является достаточным для этой задачи, при этом для охлаждающей жидкости необходим диапазон давлений от 5 до 50 бар, предпочтительно 12 бар. Используемый диапазон давлений охлаждающей жидкости для высоконапорного охлаждения валков зависит от параметров прокатки: обжатия по высоте, напряжения в межвалковом контакте, скорости прокатки, температуры полосы, материала валков и прокатываемого материала.
С точки зрения экологии сокращение общего количества энергии, расходуемого насосами, при одновременном выполнении всех системных задач в смысле «Green-Planet-Technology» (технологии «Зеленая планета») является предпочтительным. Если сравнить затраченную энергию насосов традиционного охлаждения валков при более высоком давлении с предлагаемой комбинированной системой низконапорного и высоконапорного охлаждения, то получаются следующие различия:
3
Расход энергии насоса (без учета коэффициента полезного действия насоса) на примере 2-метрового полосового стана горячей прокатки с общим потоком охлаждающего средства для валков, равным 5000 м/ч (мощность насоса = расход * повышение давления) (примечание: 36 - это переводный коэффициент)
Традиционное охлаждение валков:
уровень давления, например, 12 бар,
3
мощность насоса = 5000 м/ч * 12 бар/36,
мощность насоса = 1667 кВт;
Комбинированное низконапорное и высоконапорное охлаждение:
уровень давления, например, 12 бар,
3
количество охлаждающего средства высокого давления 1000 м/ч и
уровень давления, например, 2 бара,
3
количество охлаждающего средства высокого давления 4000 м/ч,
3
3
мощность насоса = 1000 м/ч * 12 бар/36 + 4000 м/ч * 2 бар/36,
мощность насоса = 333 кВт + 222 кВт = 555 кВт.
С комбинированной системой низконапорного и высоконапорного охлаждения необходим существенно меньший расход энергии. Для приведенного выше примера получается, соответственно, уменьшение мощности привода насосов, равное примерно 1,1 МВт.
При повышенном загрязнении или наличии частиц окалины, а также, например, при шероховатой поверхности валков или при наличии трещин от пережога уровень давления может быть соответственно повышен. С помощью камеры можно наблюдать за поверхностью валка, чтобы по этим наблюдениям делать выводы об изменении уровня давления. Кроме того, для воздействия на толщину оксидного слоя на валке возможна поэтапная (например, путем подключения или отключения насосов) или бесступенчатая индивидуальная адаптация уровня давления.
Комбинированное низконапорное и высоконапорное охлаждение предусматривается, например, для передних клетей полосового стана горячей прокатки. Тогда в задних клетях может также применяться чисто низконапорное охлаждение.
Высоконапорная охлаждающая балка может действовать практически по всей длине бочки или быть выполнена подвижной в направлении ширины, и создавать местный эффект охлаждения. Если в данном случае применения используется только простое низконапорное оболочечное охлаждение, то возможна и предусмотрена комбинация с охлаждением, выполненным в соответствии с японской заявкой на патент JP 07290120. Здесь с помощью двигателя два участка балки с разбрызгивающими форсунками движутся в осевом направлении или, соответственно, в направлении ширины, и рабочие валки подвергаются локальному охлаждению различным образом. Вместо электрического или гидравлического двигателя с резьбовой тягой или, соответственно, двух двигателей для отдельной перестановки с левой и с правой стороны предпочтительно альтернативно могут быть также выполнены передвигаемые гидроприводом одно- или многозвенные шарнирные балансиры с закрепленными на них разбрызгивающими балками или поворотные блоки форсунок, чтобы направлять струи охлаждающего средства на желаемые области рабочих валков (внутри или рядом с областью полосы), чтобы положительно воздействовать на профиль полосы и плоскостность.
Аналогично варианту осуществления, включающему в себя перемещаемые в направлении ширины участки разбрызгивающих балок, например, для сегмента низконапорного оболочечного охлаждения могут быть выполнены короткие сегментарные части оболочки с шириной, равной, например, 150 мм, в осевом направлении с возможностью перестановки в направлении ширины и только локального действия (например, симметрично в двух местах рабочего валка).
Применяемое в соответствии с изобретением низконапорное охлаждение рабочих валков имеет задачей оптимально и эффективно осуществлять охлаждение, при этом, несмотря на низкое давление охлаждающей жидкости, охлаждающий эффект (переход тепла от валка к охлаждающей жидкости) должен быть высоким. Это способствует более низкой температуре валка или может использоваться для уменьшения количества охлаждающей жидкости. В качестве эффективного низконапорного охлаждения валков применяется, предпочтительно, охлаждение низконапорным потоком, при котором охлаждающая жидкость направляется через относительно узкий зазор между рабочим валком и дугообразно выполненной охлаждающей оболочкой по поверхности валка.
В соответствии с изобретением устройство охлаждения состоит по существу из шарнирно соединенных друг с другом подвижных сегментов охлаждающей оболочки. Предпочтительно применяются три, но, как правило, два сегмента охлаждающей оболочки. Но в особых случаях может также применяться только один сегмент охлаждающей оболочки. Отдельные сегменты охлаждающей оболочки предпочтительно по бокам или, соответственно, на своих концах снабжены шарнирами или полушарнирами. На среднем сегменте охлаждающей оболочки имеется по меньшей мере один центр вращения, в котором крепится по меньшей мере один, предпочтительно два цилиндра (гидравлических или пневматических цилиндра). Вторая точка фиксации этих цилиндров находится на других звеньях смежных сегментов охлаждающей оболочки. Цилиндры могут быть расположены в середине охлаждающей балки или с обеих сторон на кромках. Вместо перестановки оболочки с помощью цилиндров возможна перестановка, например, с помощью гидравлических двигателей или электродвигателей. На среднем сегменте охлаждающей оболочки находится консоль или, соответственно, держатель охлаждающей балки, снабженный крепежными отверстиями. Посредством держателя охлаждающей балки можно передвигать средний сегмент охлаждающей оболочки и вместе с тем все конструктивные элементы, которые с ним соединены, при этом возможно горизонтальное, вертикальное и вращательное движение. Перестановка положения осуществляется с помощью многозвенной шарнирной передачи, которая приводится в действие пневматическим, гидравлическим или электромеханическим приводом. Также возможен предпочтительный подвод среднего держателя охлаждающей балки в горизонтальном направлении посредством, например, продольной направляющей или направляющей с продолговатым отверстием и пневматического или гидравлического цилиндра.
Цилиндры включают в себя системы измерения перемещений и манометрические датчики. Положение цилиндров и вместе с тем регулировка зазора или, соответственно, задание расстояния между сегментом охлаждающей оболочки и валком, а также контроль заданных положений может определяться и осуществляться различным образом, причем возможна также комбинация приведенных методов.
Калибровка охлаждающих оболочек
Для регулировки положений сегментов охлаждающей оболочки устройство подвода держателя охлаждающей балки и сегменты охлаждающей оболочки прижимаются к валку соответствующими цилиндрами и шарнирными передачами с заданным давлением. В этом положении датчики перемещения устанавливаются на ноль. Исходя из этого и зная геометрические зависимости, впоследствии можно устанавливать определенный зазор между сегментом охлаждающей оболочки и валком. Процесс калибровки системы охлаждения может осуществляться во время процедуры калибровки клети.
Расчет положений
Так как геометрические зависимости (диаметр валка, положения валка в вертикальном направлении, положения цилиндра, расстояния до шарниров и центров вращения, положение многозвенной шарнирной передачи и пр.) известны, можно с хорошим приближением рассчитать положение оболочки или, соответственно, среднюю ширину зазора. Таким образом может быть пересчитано каждое относительное изменение положения валка (например, при изменении толщины полосы) во время процесса прокатки.
Применение сенсоров
Путем применения сенсоров расстояний возможно непосредственное измерение зазора и соответственно регулировка цилиндров и шарнирной передачи с помощью системы регулирования.
По сравнению с устройством охлаждения по уровню техники предлагаемое изобретением устройство охлаждения с помощью имеющихся шарнирных механизмов адаптируется к соответствующему диаметру валка и положениям валка, так как системы подвода охлаждающих балок связаны с регулированием толщины и следуют вертикальному движению рабочих валков, например, при переходе на другую толщину. При пуске клетей (например, при аварийном пуске) охлаждающие оболочки автоматически несколько наклоняются назад.
В одном из конструктивных вариантов осуществления устройство охлаждения с помощью функции уплотнения образует пространство, из которого в окружающую среду попадает только небольшое количество охлаждающей жидкости. Уплотнение осуществляется путем наложения сверху и снизу на рабочий валок оболочки, которая может прижиматься с заданным давлением, и/или путем приложения давления подпора на краю охлаждающих оболочек. С помощью этой системы можно получить почти замкнутый циркуляционный контур охлаждения.
На устройстве охлаждения могут быть закреплены охлаждающие балки с охлаждающими оболочками и традиционные высоко- и/или низконапорные распылительные балки. При позиционировании оболочек на близком расстоянии перед валком образуется зазор, через который течет охлаждающее средство. Размеры ширины зазора между охлаждающей оболочкой и рабочим валком во время эксплуатации устанавливаются целенаправленно и воспроизводимо, независимо от диаметра валка, между 2 и 40 мм, например, на 5 мм. Зазор между рабочим валком и охлаждающей оболочкой, если смотреть в тангенциальном направлении, может быть примерно одинаковым, или оболочка устанавливается, сужаясь в направлении выпуска.
При применении предусмотренного в соответствии с изобретением охлаждения низконапорным потоком возможны два различных варианта охлаждения: осуществляемое на отдельных участках охлаждение низконапорным потоком и охлаждение сплошным низконапорным потоком.
Осуществляемое на отдельных участках охлаждение низконапорным потоком разделено на участки. Охлаждающая жидкость течет, например, из воронкообразного прямоугольного шлица в отдельные области охлаждающей оболочки к валку и перенаправляется по обеим сторонам (вверх или, соответственно, вниз), или же только преимущественно в одну сторону, при этом охлаждающая оболочка создает течение вдоль валка. За счет перенаправления течения и за счет течения с более высокой относительной скоростью вдоль валка охлаждающая жидкость эффективно отбирает тепло валка. Нагретая охлаждающая жидкость течет после этого обратно назад и при этом освобождает место для новой холодной охлаждающей жидкости. При этом охлаждающие балки выполнены так, что текущая назад (от валка) охлаждающая жидкость может хорошо стекать преимущественно под наклоном. Благодаря направляющим щиткам текущее обратно охлаждающее средство на верхней стороне дополнительно направляется в сторону, чтобы уменьшить эффект «пула» (перераспределения) над скребком. Отдельные области охлаждения отделены друг от друга взаимным ограждением, так что охлаждающие жидкости смежных охлаждающих балок вряд ли могут помешать друг другу.
При охлаждении сплошным низконапорным потоком охлаждающая жидкость направляется через большую непрерывную угловую область валка. Малая адаптируемая ширина зазора и высокая скорость течения требуются для того, чтобы создать хороший теплообмен. Поэтому ширина зазора и количество охлаждающей жидкости должны быть согласованы друг с другом. Охлаждение сплошным низконапорным потоком может осуществляться по принципу противотока или по принципу прямотока. В связи с длинным расстоянием между входной и выходной сторонами необходимо боковое уплотнение охлаждающей оболочки. Альтернативно принципу противо- и прямотока может также осуществляться способ эксплуатации, при котором к верхнему и нижнему трубопроводу охлаждающей балки подводится охлаждающая жидкость. Тогда сток происходит целенаправленно в стороны. При этом принципе тангенциально текущая к валку охлаждающая жидкость сначала забирает тепло, а затем перенаправляется в сторону. Теплая охлаждающая жидкость нагревает, таким образом, области валка рядом с областью движения полосы и приводит там к желаемому положительному воздействию на термические гребни. Особенно эффективной эта система является, когда осуществляется зональное охлаждение, при котором области рядом с полосой не охлаждаются непосредственно.
При зональном охлаждении по длине валков в подводящем канале охлаждающего средства охлаждающей балки только определенные области открыты для протекания, или узкие охлаждающие оболочки с различными установленными размерами ширины зазора расположены рядом друг с другом на расстоянии. Вследствие различных заданных размеров ширины зазора для узких охлаждающих оболочек получаются различный удельный объемный поток охлаждающей жидкости и вместе с тем для каждой охлаждающей оболочки различное охлаждение рабочего валка. Для разделения различных объемных потоков охлаждающей жидкости, в зависимости от конструкции, между узкими охлаждающими оболочками вводится запирающая охлаждающая жидкость или уплотнение зазора.
Для оптимального управления устройством охлаждения применяется цифровая модель (модель технологического процесса или, соответственно, модель 1-го уровня), которая выполняет следующие задачи:
- регулирование количества охлаждающего средства и уровня давления для низконапорной и при необходимости высоконапорной части в зависимости от обжатия полосы по высоте, напряжения в межвалковом контакте, скорости прокатки, температуры полосы, материала валков и прокатываемого материала, а также измеряемых и/или расчетных температур валка, и/или наблюдаемой поверхности валка, а также в зависимости от заданной ширины подачи охлаждающего средства,
- регулирование количества охлаждающего средства по ширине полосы путем регулировки выходных отверстий подающего канала (параболически, по кривой высшего порядка или зонально), и/или регулировка ширины зазора между охлаждающей оболочкой и рабочим валком в зависимости от ширины полосы, и/или заданного положения регулируемых в направлении ширины участков балки с разбрызгивающими форсунками и/или измеренного состояния профиля и плоскостности по ширине полосы,
- обмен сигналами с регулированием толщины (установка клети),
- описание геометрических зависимостей подвижных частей устройства охлаждения, а также учет положения установки, положения линии прокатки и диаметра рабочего валка с целью определения оптимального положения или, соответственно, расчета изменений положения,
- задание положения поворота держателя охлаждающей балки, а также положения установки охлаждающей оболочки с помощью цилиндров при необходимости с применением сигналов манометрических датчиков и датчиков перемещений,
- управление процедурой калибровки для положений охлаждающей оболочки.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов.
Другие детали изобретения поясняются ниже более подробно на примерах осуществления, изображенных на схематичных фигурах чертежей.
Показано:
фиг.1: охлаждение распылением по уровню техники,
фиг.2: высокотурбулентное устройство охлаждения потоком по уровню техники,
фиг.3: предлагаемое изобретением устройство охлаждения, включающее в себя несколько сегментов охлаждающей оболочки, которые шарнирно соединены друг с другом,
фиг.4: устройство охлаждения, показанное на фиг.3, с альтернативным течением охлаждающей жидкости,
фиг.5: предлагаемое изобретением устройство охлаждения, снабженное охлаждающей оболочкой, разделенной в радиальном направлении,
фиг.6: устройство охлаждения, показанное на фиг.5, снабженное сменной охлаждающей оболочкой или, соответственно, охлаждающей панелью,
фиг.7: устройство охлаждения, снабженное сегментами охлаждающей оболочки, прижимаемыми пружинами,
фиг.8: устройство охлаждения, включающее в себя охлаждение зазора между валками/смазку зазора между валками и комбинированное низконапорное и высоконапорное охлаждение,
фиг.9: устройство охлаждения, снабженное отверстиями, выполненными в охлаждающих оболочках,
фиг.10a-f: исполнения форсунок и оболочки,
фиг.11a-c: регулировка ширины зазора,
фиг.12: регулировка ширины зазора,
фиг.13: зональное охлаждение,
фиг.14: уплотнение зазора,
фиг.15a, b: охлаждение валков местного действия, регулируемое в осевом направлении,
фиг.16: изгибные пружины, служащие для шарнирного/упругого соединения между смежными сегментами охлаждающей оболочки.
На фиг.1 изображено охлаждение распылением по уровню техники, при котором охлаждающая жидкость 7 посредством форсунок 27 распыляется по поверхности рабочих валков 1, 2. Благодаря относительно большому расстоянию между форсункой и валком выбирается увеличенный диапазон давлений охлаждающего средства (например, от 6 до 15 бар). Расположенные на впускной и выпускной стороне скребки 17 служат для того, чтобы как можно меньше охлаждающей жидкости могло попасть в контакт с прокатываемым материалом 4.
На фиг.2 показана другая известная возможность охлаждения рабочих валков 1, 2. Причем здесь речь идет о высокотурбулентном охлаждении в области низкого давления. С помощью расположенных на впускной стороне форсунок 27 и благодаря отверстиям, выполненным на выпускной стороне в вогнуто-изогнутой сплошной охлаждающей оболочке 11, вода разбрызгивается по поверхности рабочих валков 1, 2 и перед рабочим валком образуется водяная подушка с турбулентным и ненаправленным течением. Обмен воды происходит у этой конструкции относительно медленно, что негативно влияет на эффективность охлаждения.
Система охлаждения сплошным потоком, предлагаемая изобретением, включающая в себя сплошную охлаждающую оболочку 11, изображена на фиг.3. Предлагаемое изобретением устройство 10 охлаждения состоит здесь по существу из шарнирно соединенных друг с другом сегментов 13 охлаждающей оболочки, которые охватывают рабочие валки 1, 2 на расстоянии с образованием зазора 30 в большом угловом диапазоне.
Благодаря заявленному шарнирному соединению между отдельными охлаждающими сегментами охлаждающей оболочки возможна предпочтительно оптимальная адаптация охлаждающей оболочки к индивидуальным диаметрам валков и вместе с тем энергетически более выгодное охлаждение валков. Шарнирная ось шарнирного соединения располагается предпочтительно параллельно продольной оси валка.
Через подающую трубу 25 и входное отверстие 29 охлаждающая жидкость 7 течет в противотоке к направлению 5 вращения валка в зазор 30, чтобы затем снова вытекать через выходное отверстие 24 и отводящую трубу 26. Если отводящая труба 26 или выходное отверстие 24 в особом случае закрыты или отсутствуют, может быть целенаправленно создан сток охлаждающего средства поперек валка. Боковые уплотнения тогда здесь применяются только частично. Образующие зазор 30 длины сегментов 13 охлаждающей оболочки должны иметь приблизительно одинаковую величину, так чтобы при изменяющемся диаметре рабочего валка 1 сегменты 13 охлаждающей оболочки могли оптимально следовать изменению кривизны боковой поверхности 6 валка. Отдельные сегменты 13 охлаждающей оболочки на своих концах снабжены шарнирами или полушарнирами, которые, будучи соединены друг с другом, образуют соответствующее количество центров 22 вращения шарниров, а также центров 21 вращения, которые соединены друг с другом цилиндрами 20, например, гидравлическими или пневматическими цилиндрами. На среднем сегменте 13 охлаждающей оболочки находится держатель 16 охлаждающей балки с точкой 23 шарнирного соединения, с помощью которого можно передвигать сегмент 13 охлаждающей оболочки и все конструктивные элементы, которые соединены с ним, в изображенных (горизонтальном, вертикальном и вращательном) направлениях 45 перестановки держателя охлаждающей балки с помощью не изображенной здесь многозвенной шарнирной передачи. Расположенное под охлаждающей оболочкой 11 скребковое устройство 17 служит для того, чтобы как можно меньше охлаждающей жидкости 7 попадало на прокатываемый материал 4.
Посредством сенсоров 37, предназначенных для измерения расстояния, динамометров 36 в соединительных трубопроводах цилиндров, а также по расположенным на цилиндрах 20 или, соответственно, внутри них датчикам 39 перемещений может осуществляться позиционирование всей охлаждающей оболочки 11. С помощью сенсоров 38 температуры (в середине валка или по ширине) непрерывно измеряется температура валка, чтобы для поддержания желаемого эффекта охлаждения соответственно регулировать размер зазора 30.
Описанные ниже устройства охлаждения конструктивно выполнены аналогичным образом, из-за чего равноценные детали, касающиеся конструкции, более не описываются, а только уже приведенные выше позиции в отдельных случаях указаны на чертеже.
Альтернативное направление течения охлаждающей жидкости 7 внутри зазора 30, образованного сегментами 13 охлаждающей оболочки 11 и боковой поверхностью 6 валка, по сравнению с течением, описанным на фиг.3, изображено на устройстве охлаждения, показанном на фиг.4. Подводящие трубы 25 для применяемой с низким давлением ND охлаждающей жидкости 7 здесь соответственно расположены на верхнем и на нижнем сегменте 13 охлаждающей оболочки, так что здесь частичные количества охлаждающей жидкости в противотоке и в прямотоке относительно направления 5 вращения валка направляются через зазор 30. Направления течения обозначены стрелками 43. Для уплотнения зазора 30 верхние и нижние края охлаждающей оболочки 11 выполнены с контактной поверхностью 46, например, пластиной из текстолита, которая, осуществляя уплотнение, направлена к боковой поверхности 6 валка. Так как при этом возможен только боковой сток охлаждающей жидкости 7 из зазора 30 (отводящие трубы отсутствуют), зазор 30 увеличен по сравнению с шириной зазора, показанного на фиг.3. Перестановка отдельных охлаждающих оболочек осуществляется, как и на фиг.3, посредством цилиндров 20. Упрощенно, вместо цилиндров там могут также применяться винтовые пружины. Дополнительно к осуществляемому на выпускной стороне охлаждению с помощью расположенной там охлаждающей оболочки 11 каждый рабочий валок 1, 2 охлаждается также на впускной стороне. Так как достигаемое здесь охлаждение не является первоочередной задачей, здесь достаточно, например, охлаждения распылением с низким давлением ND посредством форсунок 27.
Устройство 10 охлаждения посредством охлаждения низконапорным потоком на отдельных участках показано на фиг.5. В противоположность фиг.3 и 4, на которых охлаждающие оболочки 11 хотя и составлены из сегментов 13 охлаждающей оболочки, но непрерывно образуют одну единую подвижную внутри себя охлаждающую оболочку 11, сегменты 13 теперь уже разделенной в радиальном направлении охлаждающей оболочки 12 также локально отделены друг от друга и образуют отдельные области s1, s2, s3 охлаждения низконапорным потоком. Из низконапорных (ND) подводящих труб 25 охлаждающая жидкость течет здесь через воронкообразный выпускной шлиц 44 в средней области сегмента 13 охлаждающей оболочки из выходного отверстия 24 к рабочим валкам 1, 2 и перенаправляется по обеим сторонам вверх и вниз. Чтобы ограничить текущее поперек (в направлении ширины) количество воды, могут быть установлены механические боковые уплотнения. Каждый сегмент 13 охлаждающей оболочки создает течение в соответствии с изображенными на чертеже стрелками 43 вдоль боковой поверхности 6 валка, и затем обратно назад. Сегменты 13 охлаждающей оболочки при этом выполнены таким образом, что текущая назад (от валка) охлаждающая жидкость может хорошо стекать под наклоном. Благодаря (не изображенным) направляющим щиткам текущая обратно охлаждающая жидкость на верхней стороне дополнительно направляется в сторону, чтобы уменьшить эффект «пула» (перераспределения) над скребком 17. Выходные отверстия 24 сегментов 13 охлаждающей оболочки могут быть снабжены сменным мундштуком (например, прямоугольной форсункой) так, чтобы при необходимости поперечное сечение и форма могли адаптироваться к слегка измененным условиям. Между скребками 17 и охлаждающими оболочками 12 в этом примере осуществления расположены высоконапорные (HD) форсунки, посредством которых реализуется комбинированное в соответствии с изобретением низконапорное и высоконапорное охлаждение. Высоконапорная разбрызгивающая балка может быть, как изображено, отдельно установлена на держателе 16 охлаждающей балки или на одном из сегментов охлаждающей оболочки так, чтобы ее можно было регулировать вместе с ним.
На фиг.6 указано, что на охлаждающих балках устройства 10 охлаждения закреплена полностью заменяемая панель 47 охлаждающей оболочки. Так как здесь возможна также замена мундштуков выходных форсуночных отверстий 24, таким образом обеспечивается возможность замены всей охлаждающей оболочки с мундштуком или же отдельно. Охлаждающие оболочки области охлаждения потоком могут также состоять из двух частей так, чтобы путем относительного смещения и последующей фиксации обеих половин можно было легко регулировать выходное отверстие 24. Кроме того, возможно задавание слегка отличающихся толщин оболочек или, соответственно, размеров ширины зазора для каждой охлаждающей балки и воздействие на количество охлаждающей жидкости, текущей вверх и вниз.
Вместо применения цилиндров для установки отдельных оболочек, как в предыдущих примерах осуществления, показанных на фиг.3-6, в устройстве 10 охлаждения, показанном на фиг.7, описано и изображено альтернативное решение. Здесь перед валком располагается держатель 16 охлаждающей балки со средним сегментом 13 охлаждающей оболочки. Два других сегмента 13 охлаждающей оболочки с помощью прямой или изогнутой поперечной балки 48, вращающейся в небольшом заданном диапазоне, соответствующим давлением прижатия пружины 8 прижимаются к рабочим валкам 1, 2. Альтернативно в области цилиндров (см. фиг.3-6) могут быть также расположены винтовые пружины 8 с соответствующими креплениями на концах. Зазор 30 при этом определяется промежуточными пластинами 49 между охлаждающей оболочкой 13 и рабочим валком 1, 2. В качестве материала для промежуточных пластин подходит, например, текстолит, алюминий, чугун, самосмазывающиеся металлы или полимерный материал. Промежуточные пластины 49 расположены только в области кромок охлаждающей балки, чтобы не нарушать течение охлаждающего средства в середине. При необходимости возможны также сплошные промежуточные пластины 49 по всей длине охлаждающей балки. Они могут служить для задания расстояния или для воздействия на направление течения охлаждающего средства. Эти промежуточные пластины могут быть также расположены на среднем сегменте 13 охлаждающей оболочки (не изображено). С помощью создаваемого потока охлаждающего средства, направленного в сторону, краевые области рабочих валков (рядом с полосой) целенаправленно нагреваются нагретым охлаждающим средством из середины.
Если диапазоны диаметров рабочих валков, при которых эксплуатируется система охлаждения, малы или одинаковы для каждой клети, то в качестве особого случая предусмотрена жесткая система охлаждения, т.е. снабженная неподвижными охлаждающими оболочками (без цилиндров между оболочками и без пружин 8). В этом случае предпочтительным образом возможно также применение жестких распорных тяг вместо подвижных цилиндров 20. Зазоры между валками и охлаждающей оболочкой тогда несколько варьируются, однако система с охлаждением потоком на отдельных участках еще эффективна, и эта система проще в изготовлении. Необходимо только расположить держатель охлаждающей балки перед валком в зависимости от диаметра рабочего валка и положения рабочего валка так, чтобы зазоры были оптимальными, то есть выходные отверстия были расположены относительно близко перед валком. Эта конструкция может быть выполнена, таким образом, одинаково для нескольких клетей, и адаптация к различным диапазонам диаметров клетей одного прокатного стана осуществляется только посредством регулируемых по длине тяг.
В устройстве 10 охлаждения, показанном на фиг.8, дополнительно к описанному выше низконапорному и высоконапорному охлаждению имеется также охлаждение низконапорным потоком с интегрированной смазкой 19 зазора между валками и охлаждением 18 зазора между валками на впускной стороне. Одновременно на фиг.8 описано, как различные высоко- и низконапорные системы могут комбинироваться друг с другом. Течение охлаждающей жидкости 7 может разделяться под одной охлаждающей оболочкой, или, как здесь изображено в качестве примера на впускной и выпускной стороне, большее количество охлаждающего средства может предпочтительно направляться в одном направлении. С целью увеличения теплопередачи предпочтительным является течение против направления вращения.
Та область, в которой расположена смазка 19 зазора между валками, благодаря создаваемому направлению течения охлаждения рабочих валков и/или благодаря охлаждающим оболочкам 50, снабженным упругой поверхностью из полимерного материала, или охлаждающим оболочкам 51, снабженным упругими панелями из полимерного материала или текстолита, остается практически сухой, для чего механизмом держателя охлаждающей балки создается легкое давление прижима через пластины на валок. Сами эти панели выполнены сплошными по ширине и благодаря своему конструктивному исполнению (не изображено) обладают упругим действием. Область поверхности валка (если смотреть в направлении вращения) перед нанесением средства для смазки зазора между валками при необходимости выполнена с (не изображенным) обдувом сжатым воздухом из форсунок, чтобы обдувать поверхность валков насухо заданным образом.
Вместо применения, например, трех охлаждающих балок, снабженных прямоугольной форсункой, в соответствии с устройством 10 охлаждения, изображенным на фиг.9, можно также выполнить три охлаждающие балки, снабженные сменными охлаждающими оболочками 47, в которых просверлено множество расположенных со смещением отверстий 52, из которых отдельные струи охлаждающего средства разбрызгиваются с короткого расстояния на валки 1, 2. Таким образом может быть также выполнено охлаждение потоком на отдельных участках. Отверстия при этом расположены со смещением в направлении ширины, чтобы возникал как можно более равномерный эффект охлаждения по ширине. Размер поперечного сечения и расстояния между отверстиями 52 могут быть выполнены различным образом по ширине бочки, чтобы и с помощью этой системы мог создаваться гребень охлаждающего средства. Отверстия 52 могут быть при этом ориентированы перпендикулярно валкам 1, 2 или же обеспечивать возможность наклонного разбрызгивания охлаждающей жидкости на валки 1, 2.
В одном из не изображенных особых вариантов предусмотрено выполнение охлаждающих оболочек так, чтобы выходные отверстия охлаждающего средства были выполнены одновременно в виде прямоугольного шлица 24 или, соответственно, 44 в комбинации с отверстиями 52 в пластине, чтобы повысить завихрения в проточном зазоре.
Другие детали исполнения форсунок и оболочки содержатся на фиг.10a-10f, при этом расположение форсунки осуществляется в середине оболочки или, альтернативно, асимметричным образом, с оболочкой, выполненной укороченной с одной стороны, например, сверху. Путем изменения угла установки форсунки или за счет различных толщин охлаждающей оболочки вверху/внизу (не изображено) можно также воздействовать на распределение потока охлаждающей жидкости вверх и вниз. Указаны также различные формы форсунок (фокусирующих струю или «распыляющих»). Дополнительно охлаждающая оболочка со стороны, обращенной к валкам, может быть гладкой или снабженной канавками или, соответственно, ребрами 9, чтобы положительно воздействовать на эффект охлаждения посредством обуславливающих его завихрений. Отдельно изображены:
фиг.10a: симметричное расположение нижней части охлаждающей балки 54 на охлаждающей оболочке 11, 12 со сменной форсункой 27,
фиг.10b: выход охлаждающей жидкости из форсунки 27 под углом α наклонно относительно валка,
фиг.10c: форсунка 27 с альтернативной формой поперечного сечения, а также возможные варианты осуществления ребер или, соответственно, канавок 9,
фиг.10d: охлаждающая оболочка 11, 12, укороченная или, соответственно, удлиненная асимметрично относительно форсунки 27.
Выходное отверстие, имеющее воронкообразную форму в направлении течения, при необходимости может быть выполнено с направляющими щитками, чтобы целенаправленно направлять охлаждающее средство внутрь, наружу или прямо так, чтобы в итоге замкнутая и равномерная струя охлаждающей жидкости выходила по всей длине охлаждающей балки. Возможно также воронкообразное исполнение подводящего канала охлаждающей жидкости на продольных сторонах охлаждающей балки, чтобы уменьшить количество охлаждающей жидкости, текущее под оболочкой поперек в сторону (к кромкам балки).
Кроме того, можно выполнить охлаждающую оболочку на отдельных участках по длине охлаждающей балки с регулировкой ширины зазора в подводящем канале охлаждающей жидкости и тем самым воздействовать на распределение охлаждающего средства, а также на эффект охлаждения по длине валка. Чтобы осуществлять параболическое изменение ширины зазора выходного отверстия по ширине упрощенным образом, в соответствии с примером, показанным на фиг.10e (вид сбоку) и 10f (вид сверху), внутри воронкообразного подводящего канала 55 расположены пружинящие пластины 53, сгибаемые с помощью механизма перестановки (не изображен). В нормальном положении пружинящие пластины прилегают здесь к боковым поверхностям выходного отверстия. Если с одной стороны устанавливается середина, то зазор там уменьшается. Кромки при этом удерживаются в направляющей с продолговатым отверстием. При подводе пружинящей пластины к обеим кромкам ширина зазора там альтернативно сокращается.
Вариант осуществления, показанный на фиг.10f, изображает только принцип. Возможны также другие конструкции подобного действия.
Детали наглядного примера осуществления регулирования зазора в подводящем канале 55 изображены на фиг.11a-11c на виде сбоку и на фиг.12 на соответствующем виде сверху. Здесь продолговатое выходное поперечное сечение 58 охлаждающей балки разделено на отдельные участки 59 ширины. Для каждого участка 59 ширины может быть индивидуально отрегулировано проточное отверстие b и вместе с тем расход охлаждающей жидкости. Участок 59 ширины может быть, например, выполнен с шириной 50-500 мм. Альтернативно возможна попарная, с симметричным расположением относительно середины клети настройка зонального охлаждения (регулирование зазора). Возможно оснащение всех охлаждающих балок клети зональной настройкой поперечных сечений охлаждения и соответствующее соединение этих зон, или отдельная настройка отдельных балок клети. В качестве закрывающего механизма выходного поперечного сечения для примера осуществления, показанного на фиг.11, предусмотрена система, работающая на сжатом воздухе или гидравлической жидкости. В зависимости от уровня давления системы или от измеренного расхода проточное отверстие b может регулироваться от открытого до частично открытого или закрытого. Вместо расположенных на отдельных участках растягивающихся полимерных накладок 60 для сегментарного воздействия на поперечное сечение выходного отверстия могут также применяться вращающиеся или передвижные клапаны или, соответственно, толкатели, эксцентриковые нажимные устройства или другие механические исполнительные элементы.
В примере осуществления, показанном на фиг.11a-11c, сбоку на подводящем канале 55 в качестве закрывающего органа расположена напорная камера 56, растягивающийся полимерный шланг 60 которой образует часть подводящего канала 55. В исходном состоянии, показанном на фиг.11a, давление в воздушной камере 56 отсутствует, так что, как изображено на фиг.12 на участке 59a ширины, проточное отверстие b полностью открыто. На фиг.11b через напорный трубопровод 57 напорная камера 56 была частично наполнена сжатым воздухом или жидкостью, благодаря чему полимерный шланг 60 частично был вдавлен в подводящий канал 55, и проточное отверстие b теперь частично закрыто, как изображено на фиг.12 на участке 59b ширины. Полностью закрытое проточное отверстие b показано на фиг.12 на участке 59c ширины. Здесь в соответствии с фиг.11c напорная камера 56 была полностью наполнена и вместе с тем подводящий канал 55 в этой области перекрыт. Путем закрытия зон можно положительно воздействовать на термическое расширение валка и вместе с тем на профиль полосы и плоскостность полосы. Закрытие зон охлаждения рядом с полосой при одновременной адаптации (уменьшении) количества подаваемой воды может способствовать дополнительному уменьшению расхода энергии.
Другой принцип действия зонального охлаждения изображен на фиг.13. При этом по длине валка рядом друг с другом расположены узкие охлаждающие оболочки 14, зазоры 31, 32, 33 которых могут устанавливаться на различные значения W1, W2, W3 ширины. Благодаря различным значениям ширины зазора и различной нагрузке зазоров 31, 32, 33 давлением и расходом охлаждающей жидкости может быть получен различный удельный объемный поток 41 в единицу времени по длине валка. Для разделения отдельных зон с различным объемным потоком 41 охлаждающей жидкости в единицу времени в имеющийся между охлаждающими оболочками 14 зазор 34 может вводиться запирающая охлаждающая жидкость, создающая давление подпора. Упрощенно, охлаждающая оболочка без устройства перестановки может быть также выполнена таким образом, чтобы зазор между охлаждающей оболочкой и валком по длине валка имел любые различные размеры.
В качестве материала для охлаждающих оболочек 13, 14 может предпочтительно применяться материал, который может прилегать к валку, не повреждая его, и является упругим. Это могут быть, например, чугун без содержания песка, сопротивляющийся слипанию полимерный материал, самосмазывающиеся металлы, алюминий или текстолит.
На фиг.14 изображена возможность уплотнения зазора 30, образованного между рабочим валком 1 и охлаждающей оболочкой 14, по его краям. Через трубу 25 и форсунку 27 струя 28 текучей среды, например воздуха или охлаждающего средства, целенаправленно вдувается в отверстие зазора 30. Струя 28 текучей среды создает, таким образом, давление подпора, которое препятствует выходу охлаждающей жидкости 7 из зазора 30.
Регулируемое в осевом направлении охлаждение распылением рабочих валков местного действия, которое может быть выполнено как в виде высоконапорного, так и низконапорного охлаждения, показано на фиг.15a и 15b. Это охлаждение представляет собой дополнительное охлаждение и может эксплуатироваться в комбинации с не изображенным низконапорным охлаждением. Расположение по месту распылительных форсунок или, соответственно, нанесение охлаждающей жидкости 7 происходит предпочтительно в зависимости от управления или регулирования профиля и плоскостности. На фиг.15a для этого участки 40' балки с разбрызгивающими форсунками движутся по направляющей тяге 63. Расположение двух участков 40' балки с разбрызгивающими форсунками осуществляется здесь симметрично относительно середины валка с помощью гидравлического цилиндра 61, шарнирных механизмов 62 и держателя 64 балки с форсунками. Альтернативно возможны также два гидравлических цилиндра 61, которые индивидуально позиционируют две стороны 65. Питание участков 40' балки с разбрызгивающими форсунками осуществляется справа и слева индивидуально через каждый из подводящих трубопроводов 25. Аналогичная система охлаждения рабочих валков местного действия изображена на фиг.15b. С помощью гидравлического цилиндра 61 здесь шарнирные тяги и шарнирные балансиры 62 с закрепленными на них участками 40' балки с разбрызгивающими форсунками через центр 66 вращения движутся по круговой траектории 64, и таким образом охлаждающая струя 7 направляется на различные места внутри или рядом с областью полосы на рабочий валок 1. В качестве не изображенных альтернатив шарнирно присоединенным шарнирным балансирам два этих участка 40' балки с разбрызгивающими форсунками могут двигаться, каждый, с помощью сопряженного механизма (4-шарнирная дуга), если необходимо избежать движения по круговой траектории 64. Возможно также применение электрических или гидравлических шаговых двигателей в местах центров 66 вращения для непосредственного перемещения блоков форсунок на участках 40' балки с разбрызгивающими форсунками посредством тяги по круговой траектории 64.
Система низконапорного охлаждения может также применяться отдельно, т.е. не в комбинации с системой высоконапорного охлаждения.
На фиг.16 показаны изгибные пружины 8, служащие для упругого соединения между смежными сегментами 13 охлаждающей оболочки.
Спецификация позиций
1, 2 Рабочий валок
3 Ширина валка
4 Прокатываемый материал
5 Направление вращения валка
6 Боковая поверхность валка
7 Охлаждающая жидкость
8 Пружина
9 Канавки или, соответственно, ребра
10 Устройство охлаждения
11 Сплошная охлаждающая оболочка
12 Охлаждающая оболочка, разделенная в радиальном направлении
13 Сегменты охлаждающей оболочки
14 Узкие охлаждающие оболочки
15 Точка шарнирного соединения охлаждающей оболочки
16 Держатель охлаждающей балки
17 Скребок
18 Охлаждение зазора между валками
19 Смазка зазора между валками
20 Цилиндр
21 Центр вращения цилиндра
22 Центр вращения шарнира сегментов охлаждающей оболочки
23 Точка шарнирного соединения держателя охлаждающей балки
24 Выходное отверстие
25 Подводящая труба
26 Отводящая труба
27 Форсунка
28 Струя текучей среды
29 Входное отверстие
30 Зазор между боковой поверхностью валка и охлаждающей оболочкой
31 Зазор с шириной W1
32 Зазор с шириной W2
33 Зазор с шириной W3
34 Зазор между узкими охлаждающими оболочками
36 Манометр
37 Сенсор для измерения расстояния
38 Сенсор температуры
39 Датчик перемещений
40 Балка с разбрызгивающими форсунками для высоконапорного охлаждения
40' Участок балки с разбрызгивающими форсунками
41 Удельный объемный поток охлаждающей жидкости в единицу времени
42 Запирающая охлаждающая жидкость для разделения полос охлаждающей оболочки
43 Направление течения охлаждающей жидкости
44 Воронкообразный выпускной шлиц
45 Возможные устройства перестановки держателя охлаждающей балки
46 Контактная поверхность
47 Сменная охлаждающая панель
48 Поперечная балка
49 Промежуточная пластина
50 Охлаждающая оболочка с упругой поверхностью из полимерного материала
51 Охлаждающая оболочка с упругой панелью из полимерного материала
52 Охлаждающая оболочка с отверстиями
53 Пружинящая пластина
54 Нижняя часть охлаждающей балки
55 Воронкообразный подводящий канал
56 Напорная камера
57 Напорный трубопровод
58 Выходное поперечное сечение
59 Участок ширины выходного поперечного сечения
60 Растягивающийся полимерный шланг
61 Цилиндр
62 Шарнирные механизмы
63 Направляющая тяга
64 Траектория движения
65 Подвижный держатель балки с форсунками
66 Центр вращения
b Проточное отверстие
ND Подвод охлаждающей жидкости для низконапорного охлаждения
HD Подвод охлаждающей жидкости для высоконапорного охлаждения
s1-s3 Область охлаждения сегментов охлаждающей оболочки