УСТАНОВКА И СПОСОБ УПРАВЛЯЕМОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
PLANT AND METHOD OF CONTROLLED COOLING

Настоящее изобретение относится к общим вопросам управляемого охлаждения горячих плит или полос металла, а именно - к ускоренному охлаждению и прямому закаливанию охлаждением стальных плит и полос.
Управляемое охлаждение горячекатаной стали очень важно для достижения ее нужной микроструктуры и свойств. Современные заводы по производству стального листа и горячих полос для этих целей обычно используют мощные системы охлаждения, притом что в этом процессе очень важно точное управление температурой и скоростью охлаждения. В качестве охлаждающей жидкости часто используется вода.
Существует множество различных конструктивных решений систем охлаждения, известных из предыдущего уровня техники. Одним из наиболее общепризнанных типов является ламинарная головка охлаждения с U-образными трубками. Водопроводная вода подается по трубе большого диаметра и, вытекая из множества U-образных трубок, падает вниз на охлаждаемый продукт. Причина, по которой используются U-образные трубки, заключается в том, что труба большого диаметра остается заполненной водой, даже если ее подача отключается. Это означает, что временная задержка между включением подачи воды и появлением ее на выходе U-образных труб минимальна. Это также означает, что когда подача воды отключается, из U-образных труб вытекает лишь небольшое количество воды.
Тем не менее существует ряд ограничений, связанных с использованием головок охлаждения с U-образными трубками. На практике оказалось, что система с U-образными трубками дает только совершенно определенное распределение потока при ограниченном диапазоне потоков. Отношение между минимальными и максимальными потоками, при которых получается хорошая картина распределения потока, обычно составляет 3:1. Другим ограничением является то, что струи воды испускаются на большой высоте над охлаждаемым продуктом, что уменьшает эффективность охлаждения.
Вследствие недостатков обычных систем охлаждения с U-образными трубками во многих современных системах вместо них используются многоструйные головки. Некоторые из таких конструкций описаны в публикациях ЕР 0176494, ЕР 0178281, ЕР 0233854 и ЕР 0297077. Водопроводная вода подается по трубе в головку. Внутри головки имеется большое количество форсунок, которые дают много водяных струй. Этот тип многоструйной головки имеет ряд преимуществ. Большое количество водяных струй обеспечивает гораздо большую мощность охлаждения, чем головка с U-образными трубками. Кроме того, такая конструкция позволяет располагать испускаемые водяные струи гораздо ближе к охлаждаемому продукту, что также увеличивает мощность охлаждения. Большое количество небольших струй дает возможность также использовать гораздо более широкий диапазон постоянного тока воды. Отношение между минимальным и максимальным стабильным потоком в данном случае составляет 20:1 или более по сравнению с примерно 3:1 для систем с U-образными трубками.
В то время как многоструйные головки имеют ряд преимуществ по сравнению с головками с U-образными трубками, и им присущи некоторые недостатки. При включении тока воды вода, находящаяся в подающей трубе, вытекает из выпускных отверстий. Это нежелательно, поскольку вода может капать на продукт, который в дальнейшем охлаждении не нуждается. Это также означает, что при включении воды для требующего охлаждения следующего изделия, прежде чем установится стабильный ток воды, подающая труба должна наполниться.
Другой нежелательной особенностью является то, что при малой величине потока воды для изменения этой величины требуется длительное время. Причиной этого является то, что величина потока воды из выпускного отверстия пропорциональна квадратному корню из давления воды на выпускном отверстии. При максимальном потоке давление воды в головке обычно составляет 4 бар или 40 м водяного столба. При соотношении между минимальным и максимальным потоками 20:1 величина давления минимального потока составляет только 40/(20×20) метров, то есть только 0,1 м. Поскольку диаметр подводящей трубы обычно равен 300 мм, это значит, что при минимальном потоке воды эта труба будет заполнена лишь частично. Если поток воды в подводящей трубе изменится, то поток воды из выпускного отверстия больше не будет соответствовать потоку воды в подводящей трубе до тех пор, пока уровень воды в трубе не достигнет нового "равновесного" уровня. Этот процесс при очень низких потоках может занимать по времени до 100 секунд или даже больше.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение недостатков многоструйной охладительной головки путем выполнения ее с возможностью быстрого изменения потока воды даже при низких значениях потока. Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение более быстрой установки величины правильного потока воды, а также исключение протечек воды при ее отключении.
Указанные задачи решаются настоящим изобретением, предлагающим установку в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения и способ управления в соответствии с пунктом 9 формулы изобретения.
В установке, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, первый клапан функционирует таким образом, чтобы выпускать воздух из головки охлаждения, когда головка охлаждения заполняется охлаждающей жидкостью, и исключать прохождение воздуха назад в головку охлаждения. Первый клапан установлен таким образом, что он связан соединительной трубкой с высшей точкой головки охлаждения. Первый клапан позволяет воздуху выходить из головки охлаждения, но предотвращает выход из головки охлаждения охладительной жидкости, когда головка охлаждения заполняется охладительной жидкостью.
Установка в соответствии с настоящим изобретением позволяет производить быстрое включение и выключение. Она может обеспечивать уверенное заполнение головки охлаждения, а также стабильную работу при низких скоростях потока охладительной жидкости.
В соответствии со специальным вариантом исполнения установки по настоящему изобретению первый клапан является клапаном поплавкового типа. Этот клапан позволяет воздуху выходить из головки охлаждения, но предотвращает выход из головки охлаждения охладительной жидкости, когда головка охлаждения заполнена охладительной жидкостью.
В соответствии со специальным вариантом исполнения установки по настоящему изобретению к первому клапану подсоединен второй клапан. Второй клапан предотвращает возврат воздуха в головку охлаждения.
В соответствии со следующим вариантом исполнения установки по настоящему изобретению второй клапан является обратным клапаном. Он исключает поступление воздуха в головку охлаждения при падении давления в головке охлаждения.
В соответствии с одним из возможных вариантов исполнения установки по настоящему изобретению первый клапан является клапаном с электрическим управлением, который функционирует таким образом, что выпускает воздух из головки охлаждения, когда головка охлаждения заполняется, и исключает поступление воздуха назад в головку охлаждения, когда головка охлаждения заполнена. Такой режим его функционирования позволяет осуществлять полностью автоматическое управление работой.
В еще одном из возможных вариантов исполнения второй клапан является клапаном с электрическим управлением. Это позволяет улучшить управление головкой охлаждения.
В предпочтительном варианте исполнения установки по настоящему изобретению в соединительной трубке между первым клапаном и вторым клапаном установлен электромагнитный клапан, который разрешает поступление воздуха назад в головку охлаждения для опустошения головки охлаждения. Этот дополнительный клапан позволяет при необходимости производить быстрый дренаж охлаждающей жидкости из головки охлаждения.
Далее предпочтительное исполнение установки по настоящему изобретению может быть еще более усовершенствовано дренажным клапаном, который пристроен к головке охлаждения, а именно - к держателю сопел, и который позволяет производить еще более быстрый дренаж охлаждающей жидкости из головки охлаждения. Это существенно важно для исключения неуправляемого просачивания жидкости из головки охлаждения.
В соответствии с составляющим настоящее изобретение способом управления работой установки управляемого охлаждения горячих металлических плит и полос, особенно стальных, охлаждающей жидкостью с использованием головки охлаждения, содержащей центральную подводящую трубу и множество выпускных сопел, установленных в держателе, головка охлаждения полностью заполняется водой, а во время работы установки с помощью первого клапана не допускается поступление воздуха в головку охлаждения. Благодаря управляемому заполнению головки охлаждения, а также управляемому запуску воздуха назад в головку охлаждения или его дренажу достигается гораздо более высокая степень управления потоком охлаждения.
Предпочтительный вариант способа управления по настоящему изобретению характеризуется тем, что первый клапан функционирует таким образом, что выпускает воздух из головки охлаждения, когда головка охлаждения заполняется, и исключает поступление воздуха назад в головку охлаждения, когда головка охлаждения заполнена.
Другой предпочтительный вариант способа управления по настоящему изобретению характеризуется тем, что в качестве входной величины для управления первым клапаном используется давление, измеренное в головке охлаждения. Это давление дает возможность производить более точное определение текущего уровня заполнения головки охлаждения. С этой целью могут быть использованы и иные измеренные параметры, например, уровень заполнения головки охлаждения.
В соответствии со специальным вариантом способа управления по настоящему изобретению во время заполнения головки охлаждения скорость потока подаваемой в установку жидкости увеличивается. Это обеспечивает полное заполнение головки охлаждения и быстрое ее заполнение, влекущее за собой быстрый запуск установки при необходимости ее включения в работу. Кроме того, повышенная скорость потока обеспечивает полное удаление воздуха из головки охлаждения.
В соответствии со специальным вариантом способа управления по настоящему изобретению во время работы установки головка охлаждения остается полностью заполненной. Этот специальный режим обеспечивает стабильную работу головки охлаждения даже тогда, когда скорость потока охлаждающей жидкости на выпускных соплах падает до низких значений. Кроме того, изменения потока, поступающего в головку охлаждения, вызывают немедленное изменение потока из выпускных сопел, поскольку головка охлаждения все время остается заполненной охлаждающей жидкостью, и высота столба жидкости в головке охлаждения, а также в подводящей трубе, не должна изменяться для изменения давления на выпускных отверстиях.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа управления по настоящему изобретению в головке охлаждения создается частичный вакуум (разряжение), такой что давление жидкости на выпускных соплах меньше давления столба воды в головке охлаждения. Такое управление исключает какое-либо поступление воздуха в головку охлаждения даже при низких скоростях потока охлаждающей жидкости. Как следствие, скорость потока может быть понижена до гораздо меньшего уровня по сравнению с обычными головками охлаждения, поскольку в эту головку охлаждения никакой воздух поступать не может. Таким образом, и система охлаждения, и поток охлаждающей жидкости остаются стабильными даже при низких скоростях потока.
Настоящее изобретение далее описывается более подробно со ссылками на чертежи, представляющими возможные варианты его исполнения, не ограничивая настоящее изобретение этими представленными вариантами.
На фиг.1 показано сечение головки охлаждения предшествующего уровня техники.
На фиг.2 показано сечение головки охлаждения в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.1 показана головка (1) с подводящей трубой (2), а также множество выпускных сопел (3), установленных в держателе (4). Охлаждающий агент поступает в головку со стороны входа (5). По трубе (2) линии подачи охлаждающий агент затем подается на держатель (4) выпускных сопел (3), а через них вытекает наружу. Струи (6) охлаждающего агента создаются этими выпускными соплами (3). В качестве охлаждающего агента часто используется вода, однако в соответствии с настоящим изобретением в этих целях могут использоваться другие жидкости или смеси различных жидкостей. В высшей точке головки охлаждения (1) установлен клапан (7) поплавкового типа, который в данном варианте исполнения есть высшая точка подводящей трубы (2). Поплавковый клапан (7) включает дренаж воздуха из головки охлаждения (1) при включении охлаждающей жидкости, но саму охлаждающую жидкость он не выпускает. Как только головка охлаждения (1) и подводящая труба (2) наполняются охлаждающей жидкостью, поплавок клапана поднимается и перекрывает выпускное отверстие.
В головках охлаждения предыдущего уровня техники при падении величины потока, подаваемого на вход (5) до такой величины, при которой величина столба охлаждающей жидкости, необходимого для испускания этого потока из выпускных сопел (3), становится меньше, чем высота высшей точки подводящей трубы (2) над выпускными соплами, поплавковый клапан (7) запускает воздух назад в головку (1), и уровень потока охлаждающей жидкости начинает падать до тех пор, пока поток из выпускных отверстий не сравняется с потоком, поступающим в головку охлаждения. Вследствие большой вместимости головки может пройти до 100 секунд или даже более, прежде чем высота воды в головке стабилизируется, и поток струй (6) на выходе выпускных сопел (3) не сравняется с потоком на входе (5) в головку охлаждения. Головка охлаждения, исполненная в соответствии с настоящим изобретением, исключает этот недостаток.
На фиг.2 показана головка охлаждения в соответствии с настоящим изобретением, в которую добавлен связанный с поплавковым клапаном (7) обратный клапан (8). Этот обратный клапан препятствует прохождению воздуха назад в систему охлаждения.
Комбинация поплавкового клапана (7) и обратного клапана (8) значительно улучшает работу системы. Поскольку головка охлаждения заполнена водой даже при низких значениях потока, то изменение потока на входе (5) в головку приводит к быстрому изменению потока, исходящего из выпускных сопел (3).
Кроме того, при этом может быть значительно уменьшено протекание воды из головки охлаждения (1) при отключении потока воды. Это означает, что из головки охлаждения (1), когда она находится в нерабочем состоянии, будет капать меньше воды, а также, что при необходимости включения потока он включается почти сразу же, поскольку головка охлаждения (1) уже заполнена.
Для дальнейшего улучшения работы системы к комбинации поплавкового клапана (7) и обратного клапана (8) необходимо добавить специальный метод управления. При первом включении охлаждающего потока на входе (5) он включается на большую величину, чтобы обеспечить предельное наполнение головки охлаждения (1). Чтобы быть уверенным в том, что охлаждающая система полностью заполнена охлаждающей жидкостью, этот поток должен быть достаточно большим, чтобы высота столба охлаждающей жидкости, необходимого для пропускания этого потока через выпускные сопла (3), была бы больше, чем высота обратного клапана (7) над выпускными соплами (3). Чем больше поток, использующийся на этом этапе предварительного заполнения системы, тем быстрее заполнится головка охлаждения (1).
Как только головка охлаждения (1) заполнилась, поток охлаждающей жидкости на входе (5) может быть уменьшен до требуемого уровня. Обратный клапан (8) препятствует прохождению воздуха назад в головку охлаждения (1), то есть уровень охлаждающей жидкости опуститься не может, и система охлаждения остается заполненной охлаждающей жидкостью. Если нужный поток мал, то в верхней части подводящей трубы (2) создается разряжение, так что давление охлаждающей жидкости в выпускных соплах (3) достигает давления равновесия, при котором давление в выпускных соплах (3) становится равным давлению в головке охлаждения (1). Поток из выпускных сопел (3) изменяется почти мгновенно с изменениями потока, поступающего в головку охлаждения (1), потому что система остается заполненной охлаждающей жидкостью, и единственное, что изменяется - это давление в головке охлаждения (1).
Если систему управляемого охлаждения в течение некоторого времени использовать не предполагается или необходимо устранить протекание охлаждающей жидкости из головки охлаждения (1), может быть, надо будет выпустить всю охлаждающую жидкость из головки охлаждения (1). В этом случае можно будет открыть электрически управляемый электромагнитный клапан (9), чтобы запустить воздух назад в головку охлаждения (1) и таким образом дать охлаждающей жидкости возможность вытечь из выпускных сопел (3). При необходимости ускорить дренаж охлаждающей жидкости можно, установив дополнительный клапан (10).
Очевидно, что этот, взятый в качестве примера, вариант исполнения, использующий поплавковый клапан (7) и обратный клапан (8), иллюстрирует простой способ достижения нужных целей, но те же цели могут быть достигнуты с использованием иных вариантов исполнения, например с помощью клапанов с электрическим управлением. Основная сущность настоящей идеи изобретения заключается в том, что головка охлаждения (1) полностью заполнена охлаждающей жидкостью, а поступление воздуха в нее исключено, даже когда давление, необходимое для нужного выходного потока, меньше, чем высота системы над выпускными соплами (3), и для достижения этого создается вакуумное разряжение.