СИСТЕМА И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ПРОКАТКЕ СТАЛИ
SYSTEM AND DEVICE OF COOLING IN STEEL ROLLING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе и способу охлаждения длинной прокатанной стальной балки, такой как горячекатаный рельс.
Уровень техники
Необходимо, чтобы железнодорожные рельсы, которые используются для железных дорог с высоким уровнем нагрузок, а также криволинейные секции обладали большей износостойкостью, чем обычные рельсы. Ввиду этого после горячей прокатки, в течение периода от температурной области аустенита до окончания превращения в перлит, выполняют обработку, целью которой является повышение прочности головки рельса за счет ускоренного охлаждения. В последние годы для дальнейшего повышения износостойкости разработан и начал использоваться на практике рельс с перлитной структурой, в котором содержание углерода повышено до уровня в заэвтектоидной области (см. Патентный документ 1).
Однако при увеличении содержания углерода для повышения износостойкости возникает такая проблема, как быстрое образование первичного цементита в головке рельса, и происходит резкое падение ударной вязкости и пластичности рельса.
Поэтому в Патентном документе 2 описан способ изготовления рельса с перлитной структурой, в котором для предотвращения образования первичного цементита в шейке рельса и устойчивого формирования перлитной микроструктуры с высокой степенью твердости и высоким относительным содержанием цементита в головке рельса эту головку подвергают ускоренному охлаждению от температурной области аустенита до 700-500°С со скоростью 1-10°С/с, а также шейку рельса подвергают ускоренному охлаждению от температурной области аустенита до 750°С-600°С со скоростью 1-10°С/с.
Кроме того, в качестве способов ускоренного охлаждения рельса, в которых применяются различные охлаждающие среды, известны следующие: (1) способы, в которых используется туман (Патентные документы 3-5), (2) способы, в которых используется газ, например воздух (Патентные документы 6 и 7) и (3) способы, в которых головку рельса погружают в охлаждающую жидкость (Патентные документы 8 и 9).
Патентный документ 1: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № Н08-144016;
Патентный документ 2: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № Н09-137228;
Патентный документ 3: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № S47-7606;
Патентный документ 4: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № S54-147124;
Патентный документ 5: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № Н08-319515;
Патентный документ 6: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № S61-149436;
Патентный документ 7: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № S61-279626;
Патентный документ 8: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № S57-85929;
Патентный документ 9: Нерассмотренная заявка на патент Японии, первая публикация № Н08-170120.
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Для устойчивого получения перлитной микроструктуры в высокоуглеродистой рельсовой стали необходимо увеличить скорость охлаждения во время ускоренного охлаждения. Однако если попытаться реализовать это при использовании известных способов ускоренного охлаждения, которые, в общем, описаны выше, возникают следующие проблемы.
Когда капля начинает контактировать с телом, имеющим высокую температуру, возникает явление Лейденфроста, при котором между каплей и телом, имеющим высокую температуру, образуется паровая пленка, и капля «плавает» на этом теле. В случае использования способов (1) и (3), в которых в качестве охлаждающей среды применяется жидкость, паровая пленка, образующаяся на поверхности рельса, препятствует контакту рельса и охлаждающей среды, и поэтому возникают изменения скорости охлаждения. В результате, когда в рельсе возникают температурные отклонения, и эти отклонения становятся значительными, возникает риск того, что отклонения также могут появиться и в микроструктуре стали.
Кроме того, способ (2), в котором в качестве охлаждающей среды используется газ, обладает тем недостатком, что скорость охлаждения ниже по сравнению со способом охлаждения, в котором применяется жидкость.
Настоящее изобретение создано с учетом указанных выше обстоятельств, и его задачей является создание системы и способа охлаждения прокатанной стальной балки, которые позволяют значительно увеличить скорость охлаждения за счет препятствования образованию паровой пленки на длинной прокатанной стальной балке, а также обеспечивают равномерное ускоренное охлаждение.
Средства решения проблем
Для выполнения вышеуказанной задачи в настоящем изобретении предлагается система охлаждения горячекатаной длинной стальной балки, снабженная множеством камер, расположенных в продольном направлении прокатанной стальной балки. Каждая из множества камер выполнена с дутьевым отверстием, обращенным от камеры к прокатанной стальной балке, для выдувания сжатого воздуха для охлаждения, вводимого в камеру через впуск для газа, соединенный с камерой; сопловой пластиной с множеством сопловых отверстий, расположенной на дутьевом отверстии так, что она обращена к прокатанной стальной балке; соплом для подачи охлаждающей воды в камеру; и выпрямляющей пластиной, расположенной между впуском для газа и соплом для подачи охлаждающей воды и предотвращающей непосредственный удар сопловой пластины сжатым газом для охлаждения, вводимым через впуск для газа. Система охлаждения согласно настоящему изобретению выполнена с возможностью распыления охлаждающей среды, полученной смешиванием охлаждающей воды, подаваемой через сопло для подачи охлаждающей воды, и сжатого газа для охлаждения, вводимого через впуск для газа и выпрямленной выпрямляющей пластиной, в направлении прокатанной стальной балки через сопловые отверстия сопловой пластины, тем самым обеспечивая равномерное охлаждение поверхностей прокатанной стальной балки.
Когда в качестве охлаждающей среды используется жидкость, можно обеспечить высокую охлаждающую способность, но из-за паровой пленки, которая образуется на поверхности прокатанной стальной балки, возникают изменения скорости охлаждения, что приводит к неравномерному охлаждению. Таким образом, в настоящем изобретении за счет установки сопла для подачи охлаждающей воды, которое подает охлаждающую воду в камеру, выпускающего сжатый газ для охлаждения из дутьевого отверстия в направлении прокатанной стальной балки, смешивания сжатого газа для охлаждения с охлаждающей водой и распыления тумана в перпендикулярном направлении (перпендикулярном в предпочтительном случае) из сопловой пластины через сопловые отверстия на поверхность прокатанной стальной балки увеличивается скорость водяных капель при столкновении, и водяные капли, сцепившиеся с прокатанной стальной балкой, быстро удаляются. Это препятствует образованию паровой пленки, и становится возможным равномерное охлаждение без изменения скорости охлаждения.
Следует отметить, что возможно использование сопла с высоким отношением «воздух-вода», в котором повышено значение отношения сжатого газа для охлаждения к охлаждающей воде, но при попытке равномерного охлаждения длинной прокатанной стальной балки за один прием требуется много сопел, и в связи с тем, что необходимо часто проводить обслуживание сопел, это невозможно осуществить в промышленном оборудовании.
Что касается сжатого газа для охлаждения, который выпускается из сопловой пластины через сопловые отверстия, то, если рассматривать распределение при выпуске в продольном направлении камеры, то есть в продольном направлении прокатанной стальной балки, выпускаемое количество является максимальным вблизи впуска для газа и снижается по мере удаления от впуска для газа. В этой ситуации, при подаче охлаждающей воды из сопла для подачи охлаждающей воды к сопловой пластине, водяные капли вытесняются сжатым газом для охлаждения из области вблизи впуска для газа, где поток сжатого газа для охлаждения является сильным, и количество воды, распыляемое из сопловой пластины через сопловые отверстия, снижается. В результате возникают изменения в распределении количества воды по камере. В настоящем изобретении, при установке выпрямляющей пластины между впуском для газа и соплом для подачи охлаждающей воды, пластина способствует распределению по камере потока сжатого газа для охлаждения, вводимого через впуск для газа, в результате чего устраняют изменения в распределении воды по камере в целом.
Кроме того, в системе охлаждения для прокатанной стальной балки, предлагаемой настоящим изобретением, в выпрямляющей пластине может быть выполнено множество отверстий.
В случае выполнения отверстий предпочтительно, чтобы отношение общей площади к единичной площади для отверстий, которые выполнены в местах, обращенных к впускам для газа, было меньше отношения общей площади к единичной площади для отверстий, которые выполнены в других местах, что позволяет сделать постоянным выпускаемое количество сжатого газа для охлаждения, который выпускается из сопловой пластины через сопловые отверстия, в продольном направлении камеры.
Кроме того, в системе охлаждения для прокатанной стальной балки, предлагаемой настоящим изобретением, предпочтительно ориентировать сопло для подачи охлаждающей воды в направлении сопловой пластины.
Отношение объемного расхода сжатого газа для охлаждения к объемному расходу охлаждающей воды может составлять от 1,000 до 50,000.
Отношение объемного расхода сжатого газа для охлаждения к объемному расходу охлаждающей воды называется отношением «воздух-вода».
При большом значении отношения «воздух-вода» паровая пленка, которая образуется на поверхности прокатанной стальной балки, удаляется сжатым газом для охлаждения, таким образом, предотвращается образование этой пленки, и обеспечивается стабильное охлаждение. При этом, если отношение «воздух-вода» меньше 1,000, изменения скорости охлаждения становятся значительными, а если отношение «воздух-вода» превышает 50,000, охлаждающий эффект не изменяется, достигнув предельного значения.
Сжатый газ для охлаждения может представлять собой воздух или азот.
В настоящем изобретении конкретный тип охлаждающей среды не рассматривается, но с точки зрения условий работы с этой средой и по экономическим соображениям - это в предпочтительном случае воздух или азот.
Охлаждающую воду можно подавать через сопло для подачи охлаждающей воды в состоянии тумана, душа или потока.
В ходе испытаний, проведенных авторами настоящего изобретения, было доказано, что туман, как правило, состоит из капель одинакового размера, вне зависимости от диаметра капель воды, которые подаются через сопло для подачи охлаждающей воды. Это объясняется тем, что, как предполагается, охлаждающая вода, подаваемая в камеру, сначала коалесцирует на сопловой пластине, а затем коалесцированная охлаждающая вода может повторно рассеиваться при распылении через отверстия в сопловой пластине вместе с сжатым воздухом для охлаждения.
Соответственно подаваемая охлаждающая вода может находиться в одном из следующих состояний: тумана, душа или потока, и приемлема ситуация, когда только охлаждающая вода подается из сопла для подачи охлаждающей воды, либо ситуация, когда охлаждающая вода и сжатый газ для охлаждения подаются в смеси. Все это подразумевает, что в сопловую пластину подается заданное количество воды.
Прокатанная стальная балка представляет собой рельс, камера может быть расположена таким образом, чтобы между ней и верхней частью головки рельса имелся зазор, и охлаждающую среду можно распылять через сопловые отверстия сопловой пластины в направлении верхней части головки рельса; камеры могут быть расположены таким образом, чтобы между ними и боковыми частями головки рельса имелся зазор, и охлаждающую среду можно распылять через сопловые отверстия сопловой пластины в направлении боковых частей головки рельса. В результате можно распылять туман в направлении перпендикулярно поверхностям головки рельса.
Каждая из камер может состоять из широкой части, которая образована широкой для обеспечения впуска для газа, узкой части, ширина которой меньше, чем у широкой части, и наклонной части, которая соединяет между собой широкую часть и узкую часть, причем в концевой части узкой части может быть предусмотрено дутьевое отверстие.
Прокатанная стальная балка представляет собой рельс, камера может быть установлена над рельсом, выпрямляющая пластина установлена в горизонтальном положении в широкой части камеры, и может быть образован такой зазор, чтобы сжатый газ для охлаждения проходил между боковыми краями выпрямляющей пластины и внутренними стенками широкой части.
В системе охлаждения прокатанной стальной балки, предлагаемой настоящим изобретением, если камеры устанавливают с боковых сторон рельса, то камеры, имеющие ту же конструкцию, что и камера, установленная напротив верхней части головки рельса, переворачивают набок (поворачивают на 90°) и устанавливают с обеих боковых сторон рельса.
В настоящем изобретении предлагается способ охлаждения горячекатаной длинной стальной балки, при выполнении которого охлаждают длинную прокатанную стальную балку, подвергнутую горячей прокатке, с использованием системы охлаждения, выполненной с соплом для подачи охлаждающей воды, через которое подается охлаждающая вода, дутьевым отверстием для выдувания охлаждающей среды, полученной смешиванием сжатого воздуха для охлаждения, вводимого через впуск для газа, и охлаждающей воды, и множеством камер, каждая из которых имеет сопловую пластину, расположенную на концевой части дутьевого отверстия и имеющую множество сопловых отверстий. Способ включает выпрямление сжатого воздуха для охлаждения, вводимого в камеру через впуск для газа, выпрямляющей пластиной, расположенной между впуском для газа и соплом для подачи охлаждающей воды, в результате чего сжатый воздух для охлаждения, вводимый в камеру, не направляется непосредственно в дутьевое отверстие; получение охлаждающей среды смешиванием сжатого воздуха для охлаждения, выпрямленного выпрямляющей пластиной, и охлаждающей воды, подаваемой через сопло для подачи охлаждающей воды; и распыление охлаждающей среды в направлении поверхности прокатанной стальной балки, установленной вдоль дутьевого отверстия, со скоростью 50-200 м/с через множество сопловых отверстий сопловой пластины, и равномерное охлаждение прокатанной стальной балки по всей ее длине.
За счет увеличения скорости при столкновении повышают скорость охлаждения, и когда скорость при столкновении составляет 50 м/с или более, определено, что изменения в скорости охлаждения уменьшаются приблизительно до уровня ±1,5°С. Следует отметить, что в случае, если скорость при столкновении превышала 200 м/с, охлаждающий эффект не изменялся, достигнув предельного значения.
Отношение объемного расхода сжатого газа для охлаждения к объемному расходу охлаждающей воды может составлять от 1,000 до 50,000.
Отношение объемного расхода сжатого газа для охлаждения к объемному расходу охлаждающей воды называется отношением «воздух-вода».
При большом значении отношения «воздух-вода» паровая пленка, которая образуется на поверхности прокатанной стальной балки, удаляется сжатым газом для охлаждения, таким образом, предотвращается образование этой пленки, и обеспечивается стабильное охлаждение. При этом, если отношение «воздух-вода» меньше 1,000, изменения в скорости охлаждения становятся значительными, а если отношение «воздух-вода» превышает 50,000, охлаждающий эффект не изменяется, достигнув предельного значения.
Кроме того, в способе охлаждения прокатанной стальной балки, предлагаемом настоящим изобретением, предпочтительно ориентировать сопло для подачи охлаждающей воды в направлении сопловой пластины.
Сжатый газ для охлаждения может представлять собой воздух или азот.
В настоящем изобретении конкретный тип охлаждающей среды не рассматривается, но с точки зрения условий работы с этой средой и по экономическим соображениям - это в предпочтительном случае воздух или азот.
Охлаждающую воду можно подавать через сопло для подачи охлаждающей воды в состоянии тумана, душа или потока.
Температура начала охлаждения прокатанной стальной балки после горячей прокатки может находиться в температурной области аустенита или выше, а температура окончания охлаждения прокатанной стальной балки может составлять 450-600°С.
Если температура начала охлаждения не находится в температурной области аустенита или выше, и температура окончания охлаждения составляет более 600°С, не происходит закаливания, что не является предпочтительным. С другой стороны, при продолжении ускоренного охлаждения при температуре ниже 450°С в головке рельса возникает мартенситная структура и, несмотря на увеличение твердости, так как снижается ударная вязкость, это не является предпочтительным.
Прокатанная стальная балка представляет собой рельс, камера может быть установлена таким образом, чтобы между ней и верхней и боковыми частями головки рельса имелся зазор, и охлаждающую среду можно распылять через сопловые отверстия сопловой пластины в направлении верхней и боковых частей головки рельса. В результате можно распылять туман в направлении перпендикулярно поверхностям головки рельса.
Преимущества использования изобретения
В системе и способе охлаждения прокатанной стальной балки, предлагаемых настоящим изобретением, за счет установки сопла для подачи охлаждающей воды, которое подает охлаждающую воду в камеру, выпускающую сжатый газ для охлаждения из дутьевого отверстия в направлении прокатанной стальной балки, смешивания сжатого газа для охлаждения с охлаждающей водой и распыления тумана в перпендикулярном направлении из сопловой пластины через сопловые отверстия на прокатанную стальную балку увеличивается скорость водяных капель при столкновении, и водяные капли, сцепившиеся с прокатанной стальной балкой, быстро удаляются. Это препятствует образованию паровой пленки, и становятся возможными равномерное охлаждение и стабильное ускоренное охлаждение, без изменения скорости охлаждения.
Кроме того, при установке выпрямляющей пластины между впуском для газа и соплом для подачи охлаждающей воды пластина способствует равномерному распределению по камере потока сжатого газа для охлаждения, вводимого через впуск для газа, в результате чего можно устранить изменения в расходе капель в камере в целом.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематичный вид системы охлаждения прокатанной стальной балки, соответствующей одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой вид сверху сопловой пластины, входящей в состав этой системы охлаждения.
Фиг.3 представляет собой общий вид трубопровода и сопла для подачи охлаждающей воды.
Фиг.4А представляет собой вид, схематично иллюстрирующий подачу охлаждающей воды соплом для подачи охлаждающей воды.
Фиг.4В представляет собой график, иллюстрирующий взаимосвязь между положением сопла для подачи охлаждающей воды, показанного на фиг.4А, и расходом капель.
Фиг.5 представляет собой общий вид, иллюстрирующий функционирование выпрямляющей пластины, установленной в камере.
Фиг.6А представляет собой график, иллюстрирующий плотность выпуска воздуха и пропорцию расхода капель при отсутствии в камере выпрямляющей пластины.
Фиг.6В представляет собой вид, схематично иллюстрирующий движение воздуха в камере для условий, приведенных на фиг.6А.
Фиг.7А представляет собой график, иллюстрирующий плотность выпуска воздуха и пропорцию расхода капель в тумане, если выпрямляющая пластина установлена непосредственно под воздуходувным устройством.
Фиг.7В представляет собой вид, схематично иллюстрирующий движение воздуха в камере для условий, приведенных на фиг.7А.
Фиг.8 представляет собой график, иллюстрирующий взаимосвязь между скоростью тумана при столкновении и скоростью охлаждения.
Фиг.9 представляет собой график, иллюстрирующий взаимосвязь между отношением «воздух-вода» и изменениями скорости охлаждения.
Описание ссылочных позиций
10 - Система охлаждения
11 - Камера
11а - Широкая часть
11b - Наклонная часть
11с - Узкая часть
12 - Дутьевое отверстие
13 - Впуск для газа
14 - Сопловая пластина
14с - Сопловое отверстие
15 - Сопло для подачи охлаждающей воды
16 - Выпрямляющая пластина
17 - Трубопровод
17а - Патрубок
20 - Система охлаждения
21 - Камера
21а - Широкая часть
21b - Наклонная часть
21с - Узкая часть
22 - Дутьевое отверстие
23 - Впуск для газа
24 - Сопловая пластина
25 - Сопло для подачи охлаждающей воды
26 - Выпрямляющая пластина
27 - Трубопровод
30 - Рельс (прокатанная стальная балка)
31 - Верхняя часть головки
32 - Боковая часть головки
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Далее со ссылкой на приложенные чертежи, способствующие пониманию настоящего изобретения, будут описаны конкретные варианты его осуществления. Следует отметить, что при дальнейшем рассмотрении в качестве примера длинной прокатанной стальной балки будет использоваться рельс.
Система 10, 20 охлаждения, которая используется для охлаждения прокатанной стальной балки согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения (ниже просто называемая системой охлаждения), представляет собой систему, охлаждающую горячекатаный рельс 30. Как показано на фиг.1, система 10 охлаждения расположена напротив верхней части 31 головки рельса 30, а система 20 охлаждения расположена напротив каждой из боковых частей 32 головки. Расстояние между системой 10 охлаждения и верхней частью 31 головки рельса 30, и расстояние между системой 20 охлаждения и боковой частью 31 головки рельса 30 составляет от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров соответственно.
Система 10 охлаждения имеет множество камер 11 в форме узкого и длинного короба, проходящего в продольном направлении рельса 30 (размер в продольном направлении составляет от 1,000 до 5,000 мм). Так как необходимо охлаждать всю длину рельса 30 одновременно, в один ряд по длине рельса 30 последовательно установлено множество камер 11, размещенных в продольном направлении рельса. То есть число камер 11 определяется в соответствии с длиной рельса 30. Длина каждой камеры 11 в предпочтительном случае составляет, например, от 5 до 10 м. Поэтому, например, при длине рельса 30, составляющей 50 м, число камер 11, которые последовательно установлены в один ряд, составляет от 5 до 10. Кроме того, если длина рельса 30 составляет 100 м, число камер 11, последовательно установленных в один ряд, становится равным 10-20.
Приведенное выше не означает ограничения длины и числа камер в настоящем изобретении, и в реальной производственной установке камеры установлены в таком количестве, чтобы покрывать максимальную прокатываемую длину стальной балки, изготавливаемой в установке, поэтому число функционирующих камер выбирается в соответствии с реальной прокатываемой длиной.
Ниже камеры 11 и 21 будут описаны более подробно.
Впуск 13 для газа, подающий воздух (один из примеров сжатого газа для охлаждения), который направляется из непоказанного воздуходувного устройства, соединен с верхней частью камеры 11 системы 10 охлаждения. В этой камере 11 коробчатой формы сопло 15 для подачи охлаждающей воды установлено таким образом, чтобы подавать охлаждающую воду, поступающую по трубопроводу 17, в направлении верхней части 31 головки рельса 30. В концевой части на стороне выпуска камеры 11 предусмотрено дутьевое отверстие 12, и эта концевая часть выполнена таким образом, чтобы подаваемая охлаждающая вода выталкивалась в направлении дутьевого отверстия 12 воздухом из воздуходувного устройства.
Камера 11 состоит из широкой части 11а, которая выполнена широкой для размещения впуска 13 для газа в верхней части, узкой части 11с, имеющей меньшую ширину, чем у широкой части 11а, и в которой предусмотрено дутьевое отверстие 12, расположенное в концевой части на стороне выпуска камеры 11, и наклонной части 11b конической формы, которая соединяет широкую часть 11а и узкую часть 11с. В дутьевом отверстии 12, которое обращено к рельсу 30, параллельно верхней части 31 головки этого рельса 30 установлена сопловая пластина 14 с множеством сопловых отверстий 14с (фиг.2). Кроме того, в широкой части 11а в горизонтальном положении между впуском 13 для газа и соплом 15 для подачи охлаждающей воды установлена выпрямляющая пластина 16, которая предотвращает непосредственный удар сопловой пластины 14 воздухом, вводимым через впуск 13 для газа.
При этом впуск 23 для газа, по которому вводится воздух, направляемый из непоказанного воздуходувного устройства, также соединен с камерой 21 системы 20 охлаждения. В камере 21 коробчатой формы сопло 25 для подачи охлаждающей воды установлено таким образом, чтобы подавать охлаждающую воду, поступающую по трубопроводу 27, в направлении боковой части 32 головки рельса 30. В концевой части на стороне выпуска камеры 21 предусмотрено дутьевое отверстие 22, и эта концевая часть выполнена таким образом, чтобы подаваемая охлаждающая вода выталкивалась в направлении дутьевого отверстия 22 воздухом из воздуходувного устройства.
Камера 21 состоит из широкой части 21а, которая выполнена широкой для размещения впуска 23 для газа в боковой части, узкой части 21с, имеющей меньшую ширину, чем у широкой части 21а, и в которой предусмотрено дутьевое отверстие 22, расположенное в концевой части на стороне выпуска камеры 21, и наклонной части 21b конической формы, которая соединяет широкую часть 21а и узкую часть 21с. В дутьевом отверстии 22, которое обращено к рельсу 30, параллельно боковой части 32 головки этого рельса 30 установлена сопловая пластина 24 с множеством сопловых отверстий. Кроме того, в широкой части 21а между впуском 23 для газа и соплом 25 для подачи охлаждающей воды установлена выпрямляющая пластина 26, которая обеспечивает равномерное распределение газа и его протекание по всей камере 21.
Далее будут подробно описаны сопловая пластина 14, сопло 15 для подачи охлаждающей воды и выпрямляющая пластина 16 системы 10 охлаждения, при том что сопловая пластина 24, сопло 25 для подачи охлаждающей воды и выпрямляющая пластина 26 системы 20 охлаждения являются практически аналогичными.
Как показано на Фиг.2, в сопловой пластине 14 с требуемым интервалом (например, интервалом от 2 мм до 10 мм) упорядоченным образом выполнено множество сопловых отверстий 14с, имеющих диаметр, например, от 2 до 10 мм. Кроме того, ширина W области, в которой выполнены сопловые отверстия 14с, в направлении по короткой стороне этой области (направлении по ширине рельса 30) сделана приблизительно равной ширине верхней части 31 головки рельса 30, в результате чего туман (охлаждающая среда, представляющая собой смесь воздуха и охлаждающей воды) ударяет по всей ширине верхней части 31 головки рельса 30 под прямым углом к ней.
Трубопровод 17 расположен в камере 11 параллельно рельсу 30 по его длине, и, как показано на фиг.3, от трубопровода 17 ответвляется вниз множество патрубков 17а. На дальнем конце каждого патрубка 17а установлено сопло 15 для подачи охлаждающей воды. Охлаждающая вода, выпускаемая из сопла 15 для подачи охлаждающей воды, может подаваться в состоянии тумана, душа или потока. Кроме того, из сопла 15 для подачи охлаждающей воды может подаваться только охлаждающая вода, либо из этого сопла 15 может подаваться смесь охлаждающей воды и воздуха.
Капли воды, поступающие из сопла 15 для подачи охлаждающей воды, распыляются в направлении сопловой пластины 14, при этом расход капель тумана, который распыляется из сопловой пластины 14 через сопловые отверстия 14с, является постоянным (см. фиг.4А, фиг.4В).
Если смотреть сверху, выпрямляющая пластина 16 расположена непосредственно под по меньшей мере соответствующей частью впуска 13 для газа в камере 11, как показано на фиг.5. Кроме того, предусмотрен зазор, позволяющий воздуху проходить между боковыми краями выпрямляющей пластины 16 и внутренними стенками широкой части 11а. В результате воздух, который поступает из впуска 13 для газа, распределяется выпрямляющей пластиной 16 и протекает равномерно по всей камере 11, при этом устраняются изменения в расходе капель внутри камеры 11.
Следует отметить, что, хотя это и не показано, в выпрямляющей пластине может быть выполнено множество отверстий, при этом, если отношение общей площади к единичной площади для отверстий, которые выполнены непосредственно под множеством впусков для газа, задано меньше отношения общей площади к единичной площади для отверстий, которые выполнены в других местах, может быть обеспечена равномерность тумана, распыляемого из сопловой пластины 14 через сопловые отверстия 14с, в продольном направлении камеры 11.
Фиг.6А представляет собой график, иллюстрирующий распределение выпускаемого воздуха и пропорцию расхода капель в тумане при отсутствии в камере 11 выпрямляющей пластины (см. Фиг.6В). Предполагая, что расстояние между соплом 15 для подачи охлаждающей воды и сопловой пластиной 14 составляет 100 мм, интервал между соседними соплами 15 для подачи охлаждающей воды составляет 500 мм, и впуск 13 для газа расположен между соплами 15 для подачи охлаждающей воды (указанные расстояние и интервал взяты из примеров испытаний).
В случае отсутствия выпрямляющей пластины в камере 11 выпускаемое количество воздуха, если рассматривать его распределение в продольном направлении этой камеры 11, является большим непосредственно под впуском 13 для газа и уменьшается с удалением от впуска 13 для газа. В этой ситуации, в случае подачи тумана из сопла 15 для подачи охлаждающей воды, так как туман вытесняется воздухом, находящимся непосредственно под впуском 13 для газа, где поток воздуха является сильным, то количество тумана, распыляемого из сопловой пластины 14 через сопловые отверстия 14с, уменьшается. Ввиду этого содержание воды в продольном направлении камеры 11 становится неравномерным.
Фиг.7А представляет собой график, иллюстрирующий распределение выпускаемого воздуха и пропорцию расхода капель в тумане в ситуации, когда выпрямляющая пластина 16 соответствующей формы установлена непосредственно под впуском 13 для газа (фиг.7В). Другие условия являются теми же, что и на фиг.6А и фиг.6В. Расстояние между выпрямляющей пластиной 16 и сопловой пластиной 14 составляет 185 мм (пример испытания).
В случае установки выпрямляющей пластины 16 непосредственно под впуском 13 для газа, так как воздух, вводимый через впуск 13 для газа в камеру 11, после столкновения с выпрямляющей пластиной 16 распределяется по всей камере 11, количество воздуха, выпускаемого из сопловой пластины 14 через сопловые отверстия 14с, выравнивается по всей камере 11.
Так как воздух, вводимый из впуска 13 для газа, от выпрямляющей пластины 16 проходит в продольном направлении камеры 11, становится равномерным распределение воды в продольном направлении камеры 11.
При охлаждении головки рельса с использованием системы 10, 20 охлаждения, имеющей рассмотренную выше конструкцию, соблюдаются следующие условия: отношение «воздух-вода» для охлаждающей среды, представляющей собой смесь воздуха и охлаждающей воды, которая распыляется из сопловых пластин 14, 24, составляет от 1,000 до 50,000, и скорость при столкновении тумана с головкой рельса составляет 50-200 м/с. Охлаждающая среда распыляется в виде тумана из сопловой пластины 14, обращенной к верхней части 31 головки рельса 30, через сопловые отверстия 14с в направлении верхней части 31 головки, одновременно с этим охлаждающая среда распыляется в виде тумана из сопловых пластин 24, обращенных к боковым частям 32 головки рельса 30, через сопловые отверстия в направлении боковых частей 32 головки. В результате головка рельса равномерно охлаждается от температурной области аустенита до 450-600°С.
Задание температуры охлаждения, как указано выше, объясняется следующим образом: если температура начала охлаждения не находится в температурной области аустенита или выше, а температура окончания охлаждения не составляет 600°С или менее, то это не является предпочтительным с точки зрения проведения закалки. С другой стороны, при продолжении ускоренного охлаждения при температуре ниже 450°С в головке рельса возникает мартенситная структура и, несмотря на увеличение твердости, так как снижается ударная вязкость, это не является предпочтительным.
Фиг.8 представляет собой график, иллюстрирующий взаимосвязь между скоростью тумана при столкновении и скоростью охлаждения, полученную экспериментальным путем.
Сопло для подачи охлаждающей воды представляет собой сопло для создания мелкого тумана BIMJ 2015, изготавливаемое компанией H.Ikeuchi&Co, образец представляет собой рельс весом 141 фунт с длиной 100 мм, в котором в положении на глубине 2 мм от поверхности верхней части головки установили термопару.
2
После нагрева образца до 820°С в нагревательной печи он был вынут из нее, и с использованием данной системы охлаждения было начато охлаждение от 750°С, которое выполнялось до достижения 500°С или менее. Охлаждение выполнялось в условиях поддержания при выпуске постоянного расхода охлаждающих капель на уровне 70 литров на квадратный метр в минуту (л/м/мин), а скорость тумана при столкновении была задана равной пяти значениям, составляющим 10, 20, 50, 150 и 200 м/с, путем изменения количества воздуха. Следует отметить, что давление воздуха при этом составляло от 1,1 до 1,2 атмосфер.
a
e
Скорость V тумана при столкновении вычислялась по приведенному ниже уравнению, где скорость выпуска обозначена V, расстояние между дутьевым отверстием и рельсом обозначено h, а диаметр дутьевого отверстия обозначен d.
a
e
V=6,39×V/(h/d+0,6).
Испытание проводилось 10 раз для каждой скорости при столкновении, и скорость охлаждения определялась на основании времени, требующегося для падения температуры термопары от 750°С до 500°С. В результате при увеличении скорости при столкновении получали более высокую скорость охлаждения, и когда скорость при столкновении составляла 50 м/с или более, изменение в скорости охлаждения снижалось до приблизительно ±1,5°С, и было оценено как стабильное. Следует отметить, что невозможно обеспечить скорость при столкновении, превышающую 200 м/с, из-за увеличения размеров установки и роста стоимости эксплуатации.
Ниже, в Таблице 1 приведена взаимосвязь между отношением «воздух-вода» и скоростью охлаждения. Из таблицы видно, что при отношении «воздух-вода», составляющем 1,000 или более, стандартное отклонение скорости охлаждения составляет 2,2 или менее, а при отношении «воздух-вода», равном 50,000, эффект не изменяется, достигнув предельного значения, и можно обеспечить стабильное охлаждение. Следует отметить, что на фиг.9 приведен график, построенный на основании данных Таблицы 1.
<b>Таблица 1</b>
Отношение «воздух-вода» (Количество газа/количество воды) и скорость охлаждения
Отношение
Скорость охлаждения, °С/с
Среднее
σ
295
5
12
26
30
7
16
10,1
540
7
10
12
17
23
13,8
5,6
980
15
15
16
17
21
16,8
2,2
3,000
15
15
16
17
21
16,8
2,2
8,000
17
15
19
17
19
17,4
1,5
10,000
18
18
19
16
16
17,4
1,2
20,000
17,6
17,8
16,5
17,7
17,7
17,5
0,5
25,000
17
16,4
17,5
18,7
18,2
17,6
0,8
30,000
17,1
17,5
17
18,2
17,6
17,5
0,4
50,000
16,8
18,2
18,7
17,5
17,2
17,7
0,7
80,000
17,4
18
18,2
17,5
17,2
17,7
0,4
10,0000
17,5
17,6
17,6
17,8
17,8
17,7
0,1
Следует отметить, что в случае охлаждения шейки и основания рельса с использованием данной системы охлаждения, так как скорость охлаждения этих секций выше, чем головки, необходимо задавать отдельные условия охлаждения.
Выше был описан вариант осуществления настоящего изобретения, но настоящее изобретение не ограничивается конфигурацией, описанной для указанного варианта осуществления, и включает другие варианты и модификации, которые допустимы в пределах объема, определенного в приложенной формуле изобретения. Например, в указанном выше варианте осуществления настоящего изобретения в качестве сжатого газа для охлаждения, который вводится в камеру, используется воздух, но также может использоваться и азот.
Промышленная применимость
В настоящем изобретении предлагаются система и способ охлаждения прокатанной стальной балки, которые помимо значительного повышения скорости охлаждения за счет препятствования образованию паровой пленки на поверхности длинной прокатанной стальной балки обеспечивают равномерное ускоренное охлаждение.