РЕГУЛИРОВОЧНЫЙ КЛАПАН, ПРЕЖДЕ ВСЕГО ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА УЧАСТКАХ ОХЛАЖДЕНИЯ
CONTROL VALVE, PRIMARILY FOR USE IN COOLING SECTIONS

Изобретение относится к регулировочному клапану для установки поперечного сечения потока в трубопроводе, прежде всего для высокодинамичной регулировки количества холодной воды на участках охлаждения прокатных станов.
Регулировочный клапан - это работающее со вспомогательной энергией устройство, которое регулирует протекание в технологической системе.
В прокатных станах для изготовления стальной проволоки и стальных прутков применяются участки водяного охлаждения, чтобы влиять на механические характеристики материала. При этом применяются различные способы.
Способ «Темпкор» применяется по существу при изготовлении конструкционной стали. Здесь готовый прокатанный продукт перед холодильником прокатного стана (стальной пруток) или же перед укладчиком витков (проволока) подвергается термообработке с прокатного нагрева. Прокатываемый материал выходит с последней клети прокатного стана с температурой 950-1050°С. На участке охлаждения внешний слой охлаждается водой под высоким давлением (5-16 бар) до температур менее 400°С. За счет этого образуется мартенситная структура. Во время последующего выравнивания температуры, с одной стороны, мартенситный внешний слой снова нагревается (отпускается) и, с другой стороны, охлаждается сердцевина, вследствие чего образуется феррито-перлитная структура. За счет применения способа «Темпкор» могут быть достигнуты требуемые механические характеристики конечного продукта при одновременном значимом снижении добавок легирующих элементов. Потенциал экономии легирующих элементов определяется точным температурным режимом.
При термомеханической прокатке прокатываемый материал перед последним этапом обработки давлением охлаждается до определенной температуры. Это приводит к мелкозернистой структуре, которая при высокой прочности одновременно дает хорошую вязкость и деформируемость при холодной обработке давлением. Иначе говоря, за счет термомеханической прокатки достигаются механические характеристики, которые обычно могут быть достигнуты только за счет добавления легирующих элементов. Предпосылкой для применения способа термомеханической прокатки является точный температурный режим.
Нагрев непрерывно-литых сортовых заготовок в печи повторного нагрева перед станом горячей прокатки никогда не происходит полностью равномерно по длине сортовой заготовки. Печь повторного нагрева, расположенная непосредственно за установкой непрерывной разливки, служит для подогрева охладившихся непрерывно-литых сортовых заготовок. Для выдержки непрерывно-литых сортовых заготовок в печи повторного нагрева необходимы шины с водяным охлаждением, на которых во время нагрева лежат сортовые заготовки. В области шин возникают затемнения, которые проявляются за счет температурного профиля по длине сортовых заготовок. Для того чтобы избежать отклонений температуры по длине сортовых заготовок, требуется высокодинамичная регулировка охлаждающей воды.
Имеющиеся на рынке исполнительные органы для регулировки охлаждающей воды можно разделить на пневматические и электрические исполнительные органы.
Исполнительные органы с пневматическим приводом срабатывают в течение короткой до средней продолжительности реакции. Проблема, однако, состоит в том, что переход от трения покоя к трению скольжения приводит к неравномерности движения, что приводит к невоспроизводимой характеристике срабатывания и вместе с тем к неодинаковым продолжительностям реакции. Поэтому пневматические приводы не пригодны для высокоточных динамичных процессов регулировки.
Исполнительные органы с электрическим приводом базируются на самотормозящейся моноблочной конструкции двигателя и коробки передач с короткими продолжительностями реакции, высокой точностью позиционирования, но со слишком малыми скоростями позиционирования.
Хотя самый быстрый в настоящее время на рынке клапанный привод с максимальной скоростью позиционирования 10 мм/с достигает требуемой продолжительности реакции, тем не менее, не может достичь требуемой скорости позиционирования (50 мм/с).
Поэтому точный температурный режим с минимальными отклонениями температуры после участка охлаждения от целевой температуры в настоящее время еще не возможен. Тем не менее, согласно изобретению подобный температурный режим может быть реализован за счет высокодинамичной регулировки количества холодной воды в сочетании с подходящим исполнительным органом для регулировки холодной воды.
В GB 2460336 А раскрыт подводный устьевой запорный элемент, который имеет несколько запорных клапанов для управления течением жидкостей в буровой скважине и из нее. Для возвратно-поступательного движения закрывающего элемента запорного клапана из положения открытия в положение закрытия закрывающий элемент через стержень клапана соединен с линейным двигателем.
В WO 2009/048995 А1 раскрыт двухходовой запорный клапан, содержащий корпус клапана, движущийся возвратно-поступательно в корпусе клапана цилиндрический закрывающий элемент, который через стержень соединен с линейным исполнительным элементом. Соединенный с закрывающим элементом линейный исполнительный элемент содержит несколько кольцевидных статорных шайб, несколько кольцевидных статорных катушек, которые расположены между статорными шайбами, несколько зубьев, которые образуют цилиндрическое отверстие, расположенную подвижно в цилиндрическом отверстии задвижку с несколькими зубьями, поверхности которых образуют цилиндрическую внешнюю оболочку задвижки, причем задвижка движется через магнитный поток статорных катушек, который вызывается за счет прохождения электрического тока в катушках. Принцип функционирования линейного исполнительного элемента основывается на снижении магнитного сопротивления между внутренними зубьями цилиндрического отверстия, с одной стороны, и внешними зубьями задвижки, с другой стороны.
В US 2008/191825 А1 раскрыт линейный исполнительный элемент для приведения в действие электроприводного клапана. Линейный исполнительный элемент содержит верхний стационарный постоянный магнит и находящийся на одной линии в осевом направлении с верхним постоянным магнитом нижний магнит, причем верхний и нижний постоянные магниты имеют разные намагниченности, верхнюю катушку, которая расположена внутри верхнего магнита, и нижнюю катушку, которая расположена внутри нижнего магнита, а также расположенную подвижно деталь из ферромагнитного материала, причем подвижная деталь движется за счет сил, которые вызываются протеканием электрического тока в стационарных катушках.
В US 6,329,728 В1 раскрыт синхронный линейный двигатель с расположенным стационарно на внутренней стенке трубовидного корпуса катушечным блоком, а также выполненный в форме стержня орган управления с блоком постоянного магнита. Внутри корпуса синхронного линейного двигателя расположен датчик для определения относительного положения между подвижным элементом и статором в осевом направлении.
Исходя из этого уровня техники, в основе изобретения лежит задача, состоящая в том, чтобы предложить регулировочный клапан для установки поперечного сечения потока в трубопроводе, прежде всего для высокодинамичной регулировки количества холодной воды на участках охлаждения прокатных станов, который имеет воспроизводимую характеристику срабатывания, короткое время реакции и высокую точность позиционирования.
В регулировочном клапане упомянутого вначале типа эта задача решена с помощью признаков п. 1 формулы изобретения.
Изобретение относится, прежде всего, к регулировочному клапану, содержащему:
- тело клапана (корпус клапана),
- по меньшей мере один ведомый дроссельный элемент,
- по меньшей мере одно седло клапана, причем каждый дроссельный элемент взаимодействует по меньшей мере с одним седлом клапана, а также
- исполнительный привод, выполненный для изменения положения каждого дроссельного элемента в корпусе клапана.
Регулировочный клапан может быть оформлен в виде односедельного регулировочного клапана, прежде всего двухседельного регулировочного клапана. За счет применения многоседельных регулировочных клапанов могут быть снижены перестановочные усилия.
Кроме того, регулировочный клапан может быть выполнен в виде многоходового регулировочного клапана, чтобы смешивать или делить потоки массы.
Геометрическая форма каждого дроссельного элемента определяет кривую расхода. За счет изменяемого расхода можно регулировать давление, температуру или также сам расход среды.
В качестве материалов для регулировочных клапанов используются, например, серый чугун, латунь, стальное литье, высококачественная сталь или пластмасса.
Регулировочный клапан может быть вмонтирован в трубопровод или же трубопроводную сеть различным способом. Принимаются во внимание, например, приваривание, зажатие или, преимущественным образом, соединение через фланцы.
Линейный двигатель перемещает дроссельный элемент или дроссельные элементы регулировочного клапана в ведомом поступательном движении. Линейный двигатель в качестве непосредственного привода предоставляет возможность того, чтобы непосредственно вызывать поступательное движение с разными усилиями и/или скоростями. Линейный двигатель обладает короткой продолжительностью реакции при высокой скорости позиционирования и высокой точности позиционирования, причем в дополнение к этому продолжительность реакции является воспроизводимой. Регулировочный клапан с подобным исполнительным приводом наилучшим образом пригоден для высокодинамичной регулировки количества холодной воды на участках охлаждения прокатных станов.
Линейный двигатель содержит первичную часть, через которую протекает электрический ток, а также реактивную, или же вторичную, часть; он выполнен в виде синхронного линейного двигателя.
Постоянные магниты синхронного линейного двигателя взаимодействуют со стационарной первичной частью. Для энергоснабжения синхронного линейного двигателя, прежде всего, не требуются никакие подвижные провода.
Согласно изобретению блок постоянного магнита расположен непосредственно на органе управления каждого дроссельного элемента. За счет этого может быть еще более повышена точность позиционирования исполнительного привода, так как между исполнительным приводом и связанным непосредственно с органом управления дроссельным элементом не предусмотрены никакие, имеющие зазоры передаточные звенья.
Блок постоянного магнита выполнен в виде интегрированной составной части выполненного в форме стержня органа управления. Выполненный в форме стержня орган управления как составная часть линейного привода совершает поступательное движение, чтобы возвратно-поступательно перемещать дроссельный элемент.
Для того чтобы, несмотря на колебания давления и объема управляемой регулировочным клапаном охлаждающей среды, можно было точно настраивать регулировочный клапан, для линейного двигателя предусмотрено позиционное регулирование (регулирование по положению в пространстве). Несмотря на малую инертную массу линейного двигателя позиционное регулирование способствует необходимой высокой точности позиционирования даже при колебаниях давления и объема управляемой охлаждающей среды.
Исполнительный привод согласно изобретению имеет, например, следующие технические характеристики:
- перестановочное усилие:
малая версия (DN 100, давление воды 10 бар): 3 кН
крупная версия (DN 300, давление воды 15 бар): 40 кН
- ход:
20-150 мм
- скорость позиционирования:
минимально 50 м/с, преимущественным образом 150 м/с
- точность позиционирования:
0,05 мм
- продолжительность реакции:
t ≤ 0,1 с
В предпочтительной форме выполнения изобретения исполнительный привод дополнительно содержит мембранный привод с мембраной, которая, по меньшей мере, на первой стороне мембраны является нагружаемой передающей давление средой. Линейный двигатель принимает очень высокое пиковое усилие для открытия регулировочного клапана, которое вслед за этим, по меньшей мере, частично принимается мембранным приводом. При условии, что первая сторона мембранного привода нагружается передающей давление средой, а вторая сторона мембраны - по меньшей мере одной пружиной, в случае прекращения подачи электропитания на линейный двигатель может следовать автоматическое закрытие или же открытие регулировочного клапана. Альтернативно, пневматический привод может быть выполнен с индивидуально нагружаемой с обеих сторон передающей давление средой мембраной.
Дополнительный мембранный привод, предпочтительно, конструктивно интегрируется в исполнительный привод посредством того, что мембрана крепится на верхнем конце выполненного в форме стержня органа управления.
В последующем регулировочный клапан согласно изобретению разъясняется подробнее с помощью фигур. Показано на:
Фиг. 1 регулировочный клапан согласно изобретению с линейным двигателем,
Фиг. 2А-Г разные корпуса клапана для регулировочного клапана с линейным двигателем, а также
Фиг. 3А-Е разные формы выполнения дроссельных элементов для регулировочного клапана с линейным двигателем.
Регулировочный клапан (1) содержит корпус (2) клапана с впуском и выпуском (2а, 2b), дроссельный элемент (3), а также седло (4) клапана. Соединенный с дроссельным элементом (3) стержень (4а) клапана за пределами корпуса (2) клапана соединен с выполненным в форме стержня органом (5) управления.
Орган (5) управления является поступательно направляемым в вертикальном направлении с возможностью возвратно-поступательного перемещения, чтобы возвратно-поступательно перемещать соединенный с органом (5) управления дроссельный элемент (3) между изображенным на фиг. 1 закрытым положением и открытым положением.
Сужающийся вниз дроссельный элемент (3) образован таким образом, что в закрытом положении он прерывает протекание между дроссельным элементом (3) и седлом (4) клапана. При поднятии сужающегося вниз дроссельного элемента (3) между седлом (4) клапана и дроссельным элементом (3) образуется кольцевидное поперечное сечение потока, которое во время перемещения в полностью открытое положение увеличивается за счет формы поперечного сечения дроссельного элемента.
Исполнительный привод (7, 8) содержит линейный двигатель (7) и мембранный привод (8). Линейный двигатель (7) образуется расположенным стационарно в корпусе (6) привода катушечным блоком (7а) и блоком (7b) постоянного магнита. Блок (7b) постоянного магнита образован как интегрированная составная часть, а именно как элемент выполненного в форме стержня органа (5) управления.
Насаженный на корпус (6) привода и закрепленный на нем мембранный привод (8) содержит мембрану (8а), которая зажата между половинами (8b, 8с) корпуса корпуса (8d) мембраны. Через газонепроницаемый ввод (8е) верхний конец выполненного в форме стержня органа (5) управления введен к корпус мембраны и закреплен на мембране (8а) посредине. С нижней стороны мембрана (8а) является нагружаемой передающей давление средой. Верхняя сторона мембраны нагружается пружинами (8f), которые опираются на верхнюю половину (8b) корпуса.
Пружины (8f) действуют так, что при падении давления в нижней камере привода (8) мембраны мембрана (8а) нагружается в направлении закрытия регулировочного клапана (1).
На фиг. 2А-2Г показаны разные формы выполнения корпусов клапана, которые предназначены для трехходовых регулировочных клапанов. Каждая из форм выполнения согласно фиг. 2А и 2Б имеет по одному дроссельному элементу, который взаимодействует с двумя седлами клапана. Формы выполнения согласно фиг. 2В и 2Г имеют два дроссельных элемента, каждый из которых взаимодействует с одним седлом клапана.
Следует указать на то, что различные формы выполнения регулировочных клапанов в закрытом положении лишь существенно снижают протекание, но не прерывают его. Здесь говорят об объеме утечки, который вполне может находиться в районе 10% от номинального потока.
На фиг. 3 показаны разные формы выполнения дроссельного элемента, которые влияют на кривую расхода. На фиг. 3А показан дроссельный элемент, оформленный в виде конуса параболической формы, на фиг. 3Б - в виде перфорированного конуса, на фиг. 3В - в виде перфорированного конуса с перфорированной корзиной, на фиг. 3Г - в виде перфорированного конуса для регулировочного клапана в трехходовой конструктивной форме, на фиг. 3Д - в виде конуса с колпаками и на фиг. 3Е - в виде конуса с колпаками со снижением давления.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 регулировочный клапан
2 корпус клапана
2а впуск
2b выпуск
3 дроссельный элемент
4 седло клапана
4а стержень клапана
5 орган управления
6 корпус привода
7 исполнительный привод
7а катушечный блок
7b блок постоянного магнита
8 мембранный привод
8а мембрана
8b, с половины корпуса
8d корпус мембраны
8е ввод
8f пружины