СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКИ
METHOD AND DEVICE FOR COOLING OF METAL SUBSTRATE

Настоящее изобретение относится к способу охлаждения металлической подложки.
В частности, настоящее изобретение относится к охлаждению металлической подложки, например, стальной пластины, в процессе изготовления этой подложки, а именно, в конце горячей прокатки или во время термической обработки этой подложки.
В процессе такого охлаждения скорость охлаждения необходимо контролировать в максимально возможной степени, чтобы гарантировать в конце охлаждения получение желаемых микроструктуры и механических свойств.
В патентном документе EP 1 428 589 A1 описан способ охлаждения стальной пластины, в котором формируют массу (объем) жидкости за счет инжекции струй охлаждающей жидкости из щелевого сопла на верхнюю поверхность пластины и из трубчатых сопел на нижнюю поверхность пластины, и указанная стальная пластина охлаждается при прохождении через эту массу охлаждающей жидкости.
Однако применение такого способа охлаждения может привести к дефектам ровности поверхностей пластины. Такие дефекты могут быть обусловлены неравномерностями скорости охлаждения в пластине, в частности, различием скоростей охлаждения верхней поверхности пластины и её нижней поверхности, и, кроме того, различием скоростей охлаждения поверхностей и внутренней части пластин.
Задача изобретения в связи с этим заключается в создании способа и устройства для охлаждения подложки, которые обеспечивают быстрое и контролируемое охлаждение металлической подложки без образования температурных неоднородностей в подложке, в частности, по толщине этой подложки.
Объектом изобретения, направленного на решение этой задачи, является способ охлаждения металлической подложки, движущейся в продольном направлении, при этом указанный способ включает эжекцию по меньшей мере одной первой струи охлаждающей жидкости на первую поверхность указанной подложки и по меньшей мере одной второй струи охлаждающей жидкости на вторую поверхность указанной подложки,
указанные первая и вторая струи охлаждающей жидкости эжектируются со скоростью охлаждающей жидкости, которая больше или равна 5 м/с, что позволяет создать на указанной первой поверхности и на указанной второй поверхности первый ламинарный поток охлаждающей жидкости и второй ламинарный поток охлаждающей жидкости соответственно, при этом указанные первый и второй ламинарные потоки охлаждающей жидкости направлены тангенциально к подложке, и указанные первый и второй ламинарные потоки охлаждающей жидкости протекают по первой предварительно заданной длине и второй предварительно заданной длине подложки, соответственно, причем указанные первая и вторая предварительно заданные длины рассчитаны так, чтобы подложка охлаждалась от первой температуры до второй температуры в режиме пузырькового кипения.
Способ в соответствии с изобретением может включать одну или несколько следующих характерных особенностей, используемых по отдельности или в соответствии с любой возможной их комбинацией:
разность между первой длиной и второй длиной составляет менее 10% от средней величины первой и второй длин;
первая струя охлаждающей жидкости и вторая струя охлаждающей жидкости симметричны относительно срединной (медианной) плоскости подложки;
указанные первая и вторая струи охлаждающей жидкости образуют каждая в процессе их эжекции предварительно заданный угол с продольным направлением движения подложки, при этом указанный предварительно заданный угол находится в интервале от 5 до 25°;
указанные первая и вторая струи охлаждающей жидкости эжектируются с предварительно заданного расстояния на первую и вторую поверхности соответственно, при этом указанное предварительно заданное расстояние находится в интервале от 50 до 200 мм;
каждая из первой и второй предварительно заданных длин составляет от 0,2 м до 1,5 м;
указанная первая температура больше или равна 600°С;
указанная первая температура больше или равна 800°С;
указанная подложка перемещается со скоростью в интервале от 0,2 м/с до 4 м/с;
2
средняя величина теплового потока, отводимого от каждой из первой и второй поверхностей в процессе охлаждения от первой температуры до второй температуры, находится в интервале от 3 до 7 МВт/м;
подложка имеет толщину в интервале от 2 до 9 мм и охлаждается от 800°С до 550°С со скоростью охлаждения, которая выше или равна 200°С/сек;
2
каждая из первой и второй струй охлаждающей жидкости эжектируется с определенным расходом охлаждающей жидкости в интервале от 360 до 2700 л/мин/м;
указанная металлическая подложка представляет собой стальную пластину;
указанные первый и второй ламинарные потоки охлаждающей жидкости протекают по всей ширине подложки.
Объектом изобретения является также способ горячей прокатки металлической подложки, при этом указанный способ включает горячую прокатку металлической подложки и охлаждение горячекатаной металлической подложки с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением.
Объектом изобретения является также способ термической обработки металлической подложки, при этом указанный способ включает термическую обработку металлической подложки и охлаждение термообработанной металлической подложки с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением.
Объектом изобретения является также устройство для охлаждения металлической подложки, содержащее:
первый блок охлаждения, выполненный с возможностью эжекции по меньшей мере одной первой струи охлаждающей жидкости на первую поверхность подложки;
второй блок охлаждения, выполненный с возможностью эжекции по меньшей мере одной второй струи охлаждающей жидкости на вторую поверхность подложки;
при этом первый и второй блоки охлаждения выполнены с возможностью эжекции первой и второй струй охлаждающей жидкости, соответственно, причем скорость охлаждающей жидкости больше или равна 5 м/с, чтобы образовать на указанной первой поверхности и на указанной второй поверхности первый ламинарный поток охлаждающей жидкости и второй ламинарный поток охлаждающей жидкости, соответственно, при этом указанные первый и второй ламинарные потоки охлаждающей жидкости направлены к подложке тангенциально и протекают на первой предварительно заданной длине и второй предварительно заданной длине подложки, соответственно.
Охлаждающему устройству в соответствии с изобретением могут быть присущи одна или некоторое количество отмеченных ниже характерных особенностей, используемых по отдельности или в соответствии с любой технически возможной их комбинацией:
первый блок охлаждения содержит по меньшей мере один первый коллектор системы охлаждении, выполненный с возможностью эжекции первой струи охлаждающей жидкости, а второй блок охлаждения содержит по меньшей мере один второй коллектор системы охлаждении, выполненный с возможностью эжекции второй струи охлаждающей жидкости;
первый коллектор системы охлаждения и второй коллектор системы охлаждения содержат каждый сопло, имеющее сопловое отверстие для эжекции первой струи охлаждающей жидкости и второй струи охлаждающей жидкости, соответственно;
каждое сопло коллектора образует предварительно заданный угол с продольным направлением, при этом указанный предварительно заданный угол находится в интервале от 5° до 25°;
по меньшей мере, один из указанных первого и второго блоков охлаждения содержит средства прерывания потока охлаждающей жидкости, приспособленные для предотвращения протекания любого потока охлаждающего жидкости ниже по ходу движения относительно указанной первой предварительно заданной длины и/или второй предварительно заданной длины;
каждый из первого и второго коллекторов системы охлаждения соединен с линией подачи охлаждающей жидкости, при этом указанная линия подачи охлаждающей жидкости обеспечивает подачу охлаждающей жидкостью под давлением в интервале от 1 до 2 бар;
каждая линия подачи охлаждающей жидкости выполнена так, чтобы охлаждающая жидкость циркулировала на линию подачи охлаждающей жидкости со скоростью не более 2 м/с.
Объектом изобретения является также установка для горячей прокатки, содержащая охлаждающее устройство в соответствии с изобретением.
Объектом изобретения является также установка для термообработки, содержащая охлаждающее устройство в соответствии с изобретением.
Изобретение будет более понятным из нижеследующего описания, приведенного лишь в качестве примера и со ссылками на приложенные чертежи.
Фиг. 1 – схематическое изображение линии горячей прокатки, содержащей систему охлаждения в соответствии с воплощением изобретения.
Фиг. 2 – схематическое изображение модуля охлаждения системы охлаждения, показанной на фиг. 1.
Фиг. 3 - схематический вид с частичным вырезом, видимым спереди, сборной конструкции, образованной коллектором системы охлаждения и линией подачи охлаждающей жидкости модуля охлаждения, показанного на фиг. 2.
Фиг. 4 – сборная конструкция в соответствии с фиг. 3, вид в разрезе вдоль секущей плоскости IV-IV, показанной на фиг. 3
Фиг. 5 – кривые, иллюстрирующие зависимость теплового потока, отводимого от пластины с помощью модуля охлаждения, отображенного на фиг. 2-4, от температуры поверхности пластины, для различных скоростей струй охлаждающей жидкости, эжектируемых на поверхность пластины.
Фиг. 6 и 7 – схематические изображения, иллюстрирующие влияние угла α, образованного струями охлаждающей жидкости с направлением движения подложки, на поток жидкости, образованный на поверхности подложки.
Фиг. 8 – кривые, иллюстрирующие зависимость от времени температуры верхней и нижней поверхностей пластины в процессе её охлаждения с помощью модуля охлаждения в соответствии с фиг. 2-4.
Фиг. 9 - графические зависимости, иллюстрирующие профиль температуры поверхности пластины в продольном направлении, от переднего конца пластины к заднему концу, на входе и на выходе из модуля охлаждения системы охлаждения, представленной на фиг. 2-4.
Фиг. 10 – график, отображающий неровности поверхности подложки, охлаждаемой согласно способу, известному из уровня техники.
Фиг. 11 – график, отображающий неровности поверхности подложки, охлаждаемой с использованием способа, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг. 12 - схематический вид с частичным вырезом, видимым спереди, сборной конструкции, образованной коллектором системы охлаждения и линией подачи охлаждающей жидкости модуля охлаждения в соответствии с другим воплощением.
Фиг. 13 – сборная конструкция в соответствии с фиг. 12, вид в разрезе вдоль секущей плоскости IX-IX, показанной на фиг. 12.
На фиг. 1 показана металлическая подложка 1, которая после выгрузки из 2 и прохождения через прокатные вальцы 3 транспортируется в направлении движения А. Например, направление А движения подложки 1 по существу горизонтальное.
Подложка 1 затем транспортируется через систему охлаждения 4, где эта подложка охлаждается с понижением температуры от начальной температуры, которая, например, по существу равна температуре в конце прокатки подложки, до конечной температуры, которая равна, например, комнатной температуре, т.е. приблизительно 20°С.
Подложка 1 перемещается через систему охлаждения 4 в направлении А со скоростью перемещения, которая предпочтительно составляет от 0,2 до 4 м/с.
Подложка 1, например, представляет собой металлическую пластину толщиной в интервале от 3 до 110 мм.
Начальная температура, например, больше или равна 600°С, в частности, больше или равна 800°С или даже больше 1000°С.
В системе охлаждения 4 по меньшей мере одна первая струя охлаждающей жидкости эжектируется на первую поверхность подложки 1, и по меньшей мере одна вторая струя охлаждающей жидкости эжектируется на вторую поверхность подложки 1. В качестве охлаждающей жидкости, используется, например, вода.
Первые и вторые струи охлаждающей жидкости эжектируются в направлении А движения подложки со скоростью, которая больше или равна 5 м/с, что позволяет образовать на первой поверхности и на второй поверхности первый ламинарный поток охлаждающей жидкости и второй ламинарный поток охлаждающей жидкости, соответственно.
2
Первая и вторая струи охлаждающей жидкости предпочтительно эжектируются с определенным расходом охлаждающей жидкости, составляющим от 360 до 2700 л/мин/м.
Скорость эжекции первой и второй струй охлаждающей жидкости составляет, например, менее 20 м/с или равна 20 м/с, более предпочтительно эта скорость меньше или равна 12 м/с.
Предпочтительно скорость эжекции первой струи охлаждающей жидкости и скорость эжекции второй струи охлаждающей жидкости по существу равны.
Скорость эжекции струй охлаждающей жидкости приведена здесь как абсолютная количественная величина, т.е. по отношению к неподвижной части системы охлаждения 4, а не относительно движущейся подложки.1.
В действительности было обнаружено, что если эжекция первой и второй струй охлаждающей жидкости осуществляется со скоростью большей или равной 5 м/с, может быть создан ламинарный поток охлаждающей жидкости как на верхней, так и на нижней поверхности подложки, причем на длине по меньшей мере равной 0,2 м, в большинстве случаев равной по меньшей мере 0,5 м, вплоть до 1,5 м. В частности, если подложка 1 перемещается в горизонтальной плоскости, ламинарный поток охлаждающей жидкости может быть создан на первой и второй поверхностях на всей длине, составляющей по меньшей мере 0,2 м, в большинстве случаях равной по меньшей мере 0,5 м, вплоть до 1,5 м, несмотря на действие силы гравитации на охлаждающую жидкость, протекающую по второй поверхности, которая является нижней поверхностью.
Предпочтительно первая струя охлаждающей жидкости и вторая струя охлаждающей жидкости падают на первую и вторую поверхности соответственно, на линии падения, которые расположены симметрично по отношению к срединной плоскости подложки 1, т.е. продольной плоскости, параллельной первой и второй поверхностям подложки 1, и расположенной на половине расстояния от первой до второй поверхности подложки.
Первый и второй ламинарные потоки охлаждающей жидкости направлены тангенциально относительно подложки 1 и протекают по ширине подложки 1. Кроме того, первый и второй ламинарные потоки охлаждающей жидкости протекают каждый по всей предварительно заданной длине подложки 1. В частности, первый ламинарный поток охлаждающей жидкости протекает по всей первой предварительно заданной длине L1, а второй ламинарный поток охлаждающей жидкости протекает по всей второй предварительно заданной длине L2 подложки.
Первая предварительно заданная длина L1 и вторая предварительно заданная длина L2 подложки являются сходными. В частности, разность между первой предварительно заданной длиной L1 и второй предварительно заданной длиной L2 подложки составляет менее 10% от средней величины первой и второй предварительно заданных длин.
Отмеченная выше симметрия первой и второй струй охлаждающей жидкости в сочетании со скоростью охлаждающей жидкости обеспечивают формирование потоков охлаждающей жидкости на первой поверхности и на второй поверхности, которые по существу симметричны относительно срединной плоскости подложки 1, и, таким образом, обеспечивается равномерное охлаждение подложки по её толщине.
Первую и вторую предварительно заданные длины L1 и L2 определяют так, чтобы подложка 1 охлаждалась от первой температуры до второй температуры в режиме пузырькового кипения.
Предварительно каждая из первой и второй предварительно заданных длин L1 и L2 находятся в интервале от 0,2 м до 1,5 м, более предпочтительно от 0,5 м до 1,5 м.
Пузырьковое кипение следует отличать от переходного режима кипения и пленочного режима кипения.
Пленочное кипение обычно имеет место в случае охлаждения подложки при высокой температуре этой подложки, т.е. когда температура поверхностей подложки превышает более высокую пороговую температуру. Переходный режим кипения имеет место при промежуточных температурах, в частности, когда температура поверхностей подложки находится в промежутке между более низким и более высоким пороговым значением температуры.
При переходном режиме кипения тепловой поток, отводимый в процессе охлаждения, является убывающей функцией температуры. Соответственно, участки с самыми низкими температурами подложки охлаждаются быстрее, чем остальная часть подложки. В частности, при переходном кипении неравномерности температуры на двух поверхностях подложки приводят к различию скорости охлаждения этих поверхностей, что обуславливает увеличение начальной неоднородности температуры подложки.
Эти неоднородности температуры создают внутри подложки ассиметричные условия, которые, в свою очередь, вызывают деформацию подложки и создают дефекты неровности поверхностей подложки.
В то же время, при пузырьковом кипении тепловой поток, отводимый в процессе охлаждения, является возрастающей функцией температуры. Следовательно, самые холодные участки подложки охлаждаются более медленно, что приводит к уменьшению температурных неоднородностей подложки.
Обычно охлаждение подложки начинается в переходном режиме кипения, что обуславливает тенденцию усиления температурных неоднородностей в подложке.
Однако было обнаружено, что эжекция струи охлаждающей жидкости на каждую поверхность при скорости охлаждающей жидкости, большей или равной 5 м/с, позволяющей создать на каждой поверхности подложки ламинарный поток охлаждающей жидкости, который направлен тангенциально к подложке и протекает на предварительно заданной длине, обеспечивает охлаждение подложки при пузырьковом кипении от высоких температур, в частности, от температур, которые могут быть выше 600°С и даже выше 800°С или 1000°С.
Таким образом, подложка 1 охлаждается исключительно при параметрах, способствующих уменьшению температурных неоднородностей, которые могут быть присущи подложке 1 перед её охлаждением.
Первая и вторая струи охлаждающей жидкости образуют во время эжекции с продольным направлением предварительно заданный угол, который предпочтительно находится в интервале от 5° до 25°. Кроме того, первая и вторая струи охлаждающей жидкости эжектируются с предварительно заданного расстояния от первой и второй поверхностей соответственно, и это предварительно заданное расстояние предпочтительно находится в интервале от 50 до 200 мм.
2
В этой связи было установлено, что угол, находящийся в интервале от 5° до 25°, и/или упомянутое предварительно заданное расстояние, составляющее от 50 до 200 мм, способствуют формированию ламинарного потока охлаждающей жидкости на каждой поверхности подложки и обеспечивают высокие скорости охлаждения. В частности, в процессе охлаждения подложки от первой температуры до второй температуры средняя величина теплового потока, отводимого от каждой поверхности, находится, например, в интервале от 3 до 7 МВт/м.
В частности было обнаружено, что угол, составляющий от 5° до 25°, обеспечивает формирование ламинарного потока охлаждающей жидкости на каждой поверхности подложки и обеспечивает охлаждение подложки в режиме пузырькового кипения от высоких температур до более низких. С другой стороны, было обнаружено, что если угол, образованный с продольным направлением первой и/или второй струей охлаждающей жидкости во время их эжекции, составляет более 25°, создается обратный поток жидкости в направлении противоположном направлении А перемещения подложки. Этот обратный поток возмущает поток охлаждающей жидкости, который, следовательно, уже не является ламинарным. В результате подложка не охлаждается посредством пузырькового кипения.
Например, если подложка имеет толщину в интервале от 2 до 9 мм, она может быть охлаждена от 800°C до 550°C со скоростью охлаждения больше или равной 200°C/сек.
Система охлаждения 4 в соответствии с одним воплощением изобретения представлена более подробно на фиг. 2, 3 и 4.
В иллюстрируемом на чертежах примере подложка 1 перемещается горизонтально, при этом первая поверхность подложки 1 является верхней поверхностью, обращенной вверх во время движения подложки 1, а вторая поверхность подложки 1 является нижней поверхностью, обращенной вниз в процессе движения подложки 1, и опирается на ролики.
Во всем приведенном ниже описании выбранные направления и расположения носят указательный характер и понимаются применительно к упомянутым фигурам. В частности, термины «выше по ходу движения» и «ниже по ходу движения» относятся к направлению, выбранному на фигурах. Эти термины используются в отношении движущейся подложки 1. Кроме того, термины «поперечный», «продольный» и «вертикальный» следует понимать по отношению к направлению А движения подложки 1, которое является продольным направлением. В частности, термин «продольный» относится к направлению, параллельному направлению А движения подложки 1, термин «поперечный» относится к направлению, ортогональному направлению А движения подложки 1 и находящемуся в плоскости, параллельной первой и второй поверхности подложки 1, а термин «вертикальный» относится к направлению, ортогональному направлению А движения подложки 1 и ортогональному первой и второй поверхностям подложки 1.
Кроме того, используемый термин «длина» относится к размеру объекта в продольном направлении, термин «ширина» относится к размеру объекта в поперечном направлении и термин «высота» относится к размеру объекта в вертикальном направлении.
Система охлаждения 4, представленная на фиг. 2, содержит по меньшей мере один модуль охлаждения 5, при этом указанный модуль охлаждения 5 содержит предварительно заданное количество охлаждающих устройств 8.
Каждое охлаждающее устройство 8 выполнено так, что обеспечивает перемещение подложки 1 в направлении А движения и охлаждение подложки 1 в процессе этого перемещения, с понижением температуры подложки от первой температуры до второй температуры при пузырьковом кипении.
В частности, каждое охлаждающее устройство 8, более подробно описанное ниже, выполнено с возможностью создания ламинарного потока охлаждающей жидкости на первой поверхности и на второй поверхности подложки 1, причем ламинарный поток распространяется по всей ширине подложки 1 и на предварительно заданной длине L1, L2 подложки 1 вдоль направления А перемещения подложки 1.
В этой связи каждое охлаждающе устройство 8 выполнено с возможностью эжекции первой струи охлаждающей жидкости на первую поверхность подложки 1 и второй струи охлаждающей жидкости на вторую поверхность подложки 1, при этом скорость эжекции первой и второй струй охлаждающей жидкости больше или равна 5 м/с.
В иллюстрируемом примере модуль охлаждения 5 содержит два охлаждающих устройства 8, которые размещены один за другим в направлении А движения подложки 1.
Первое устройство 8 предназначено для охлаждения подложки 1 с понижением её температуры от первой температуры до второй, а второе устройство 8, размещенное в направлении движения подложки 1 ниже по ходу движения относительно первого устройства 8, предназначено для охлаждения подложки 1 с понижением температуры от второй температуры до третьей температуры.
Каждое охлаждающее устройство 8 содержит первый блок 9 и второй блок 10.
Первый блок 9, предназначенный для размещения напротив первой поверхности подложки 1 в процессе её охлаждения, в данном примере над подложкой, выполнен с возможностью создания ламинарного потока охлаждающей жидкости на первой поверхности подложки 1, и этот ламинарный поток протекает по всей ширине подложки 1 и по первой предварительной заданной длине L1 подложки 1.
Второй блок 10, который предназначен для размещения напротив второй поверхности подложки 1 в процессе её охлаждения, в данном примере ниже подложки, выполнен с возможностью обеспечения перемещения подложки 1 создания ламинарного потока охлаждающей жидкости на второй поверхности подложки 1, и этот ламинарный поток протекает по всей ширине подложки 1 и по второй предварительной заданной длине L2 подложки 1.
В этой связи первый блок 9 содержит первый коллектор 11 системы охлаждения, линию 13 подачи охлаждающей жидкости для первого коллектора 11 системы охлаждения, схематически показанные на фиг. 2 и более подробно на фиг. 3 и фиг. 4, и средства 15 для прерывания потока охлаждающей жидкости, предназначенное для прерывания потока охлаждающей жидкости, создаваемого с помощью коллектора 11 системы охлаждения, и позволяющего тем самым предотвратить протекание потока охлаждающей жидкости по длине подложки 1 большей, чем предварительно заданная длина.
Второй блок 10 устройства 8 для охлаждения содержит, подобно первому блоку 9, второй коллектор 17 системы охлаждения и линию 19 подачи охлаждающей жидкости для второго коллектора 17 системы охлаждения. Второй блок 10, кроме того, содержит второй ролик 20, обеспечивающий перемещение подложки 1.
Первый коллектор 11 системы охлаждения и второй коллектор 17 системы охлаждения расположены по существу симметрично относительно срединной плоскости положки 1 во время проведения процессе охлаждения.
Кроме того, линии 13 и 19 подачи также расположены по существу симметрично относительно срединной плоскости подложки 1 в процессе охлаждения.
Далее, со ссылками на фиг. 3 и фиг. 4, будет описан первый коллектор 11 системы охлаждения, при этом предполагается, что это описание применимо, ввиду симметрии, ко второму коллектору 17 системы охлаждения и линии 19 подачи охлаждающей жидкости.
Предпочтительно первое устройство 8 модуля 5 охлаждения содержит, помимо первого 9 и второго 10 блоков, два ролика, расположенные выше по ходу движения, включающие первый расположенный выше по ходу движения ролик 23 и второй расположенный выше по ходу движения ролик 21. Упомянутые ролики 21 и 23 находятся выше по ходу движения подложки 1 относительно первого 9 и второго 10 блоков первого устройства 8 .
Второй расположенный выше по ходу движения ролик 21 служит для перемещения подложки 1.
Первый расположенный выше по ходу движения ролик 23 имеет обычную цилиндрическую форму и расположен в поперечном направлении по всей ширине подложки 1.
Первый расположенный выше по ходу движения ролик 23 выполнен с возможностью контактирования с движущейся первой поверхностью подложки 1 для того, чтобы предотвратить протекание охлаждающей жидкости от модуля 5 охлаждения в сторону поверхности подложки 1, находящейся выше по ходу движения. Первый расположенный выше по ходу движения ролик 23, кроме того, является средством защиты, предназначенным для предотвращения возможного контакта между подложкой 1 и первым коллектором 11 системы охлаждения.
Помимо этого, последнее устройство модуля 5 охлаждения, которым в рассматриваемом примере является второе устройство 8, снабжено дополнительными средствами 25 для прерывания потока охлаждающей жидкости, способными предотвращать любое протекание охлаждающей жидкости ниже по ходу движения от модуля 5 охлаждения.
Каждое устройство 8, кроме того, содержит верхний отражательный экран 27 и нижний отражательный экран 28, которые выполнены и размещены с возможностью направлять и контролировать отвод охлаждающей жидкости ниже по ходу движения от устройства 8. В частности, верхний отражательный экран 27 предотвращает возвращение потока охлаждающей жидкости, остановленного средствами 15, обратно на подложку 1.
Первый коллектор 11 системы охлаждения и соответствующая линия подачи 13 охлаждающей воды схематически представлены на фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 3 представлен вид спереди вдоль направления, противоположного направлению А перемещения подложки, с частичным вырезом, сборной конструкции, образованной первым коллектором 11 системы охлаждения и линий подачи 13 охлаждающей жидкости, и на фиг. 4 представлен вид в разрезе вдоль секущей плоскости IV-IV, показанной на фиг. 3, сборной конструкции, иллюстрируемой на фиг. 3.
Первый коллектор 11 системы охлаждения снабжается охлаждающей жидкостью под давлением посредством линии 13 подачи и выполнен с возможностью эжекции по меньшей мере одной первой струи охлаждающей жидкости на первую поверхность подложки 1. Эта струя охлаждающей жидкости предпочтительно является непрерывной струей, которая распространяется в поперечном направлении по всей ширине подложки 1.
Первый коллектор 11 системы охлаждения содержит сопло 33 коллектора и канал 35.
Сопло 33 коллектора имеет в поперечном направлении относительно движущейся подложки 1 ширину, которая больше или равна ширине охлаждаемой подложки 1.
Сопло 33 коллектора выполнено со сквозным проходом, образующим выводной канал 37 для охлаждающей жидкости. Выводной канал 37 проходит в поперечном направлении по ширине, большей или равной ширине охлаждаемой подложки 1, и расположен в вертикальной продольной плоскости между концом, находящимся выше по ходу движения, соединенным с каналом 35, и концом, находящимся ниже по ходу движения. Конец выводного канала 37, находящийся ниже по ходу движения, образует проход, через который охлаждающая жидкость, нагнетаемая с помощью линии 13 подачи охлаждающей жидкости и проходящая канал 35 и затем выводной канал 37, эжектируется в виде струи охлаждающей жидкости на подложку 1.
Указанный проход образует непрерывную щель или выпускное отверстие 39 в поперечном направлении относительно движущейся подложки 1. Выпускное отверстие 39 имеет ширину, которая больше или равна ширине охлаждаемой подложки 1.
Предпочтительно выводной канал 37 имеет сужающийся участок, проходящий со стороны выводного канала 37, находящейся выше по потоку, к стороне ниже по потоку, и обеспечивающий на выходе выпускного отверстия 39 образование струи охлаждающей жидкости, эжектируемой со скоростью по меньшей мере 5 м/с, при начальной скорости охлаждающей жидкости в линии 13 подачи, составляющей менее 2 м/с. Конечно, как будет описано ниже, циркуляция охлаждающей жидкости на линии 13 подачи со скоростью менее 2 м/с обеспечивает минимизацию потерь давления на этой линии 13 подачи, и уменьшение, таким образом, давления, необходимого для питания линии 13 подачи.
Предпочтительно расположенный ниже по потоку конец выводного канала 37 образует угол α с направлением А движения, который находится в пределах от 5° до 25°, в частности, от 10° до 20°. Таким образом, в процессе эжекции струи охлаждающей жидкости с помощью первого коллектора 11 системы охлаждения, эта струя охлаждающей жидкости образует с направлением А движения подложки угол α, который составляет от 5° до 25°, в частности, от 10° до 20°.
Такой угол α позволяет получить ламинарный поток охлаждающей жидкости на подложке 1 и способствует достижению высокой скорости охлаждения подложки 1. Конечно, как отмечено выше, угол α более 25° приведет к возникновению обратного потока жидкости в направлении, противоположном направлению А движения подложки 1. Этот обратный поток будет возмущать поток охлаждающей жидкости, который в результате не будет ламинарным.
Кроме того, первый коллектор 11 системы охлаждения выполнен с возможностью размещения выше движущейся подложки 1, причем так, чтобы в процессе охлаждения подложки 1 выпускное отверстие 39 располагалось на предварительно заданном расстоянии Н от первой поверхности подложки 1.
Указанное расстояние Н предпочтительно находится в интервале от 50 до 200 мм.
Благодаря размещению выпускного отверстия 39 на предварительно заданном расстоянии Н от поверхности подложки 1 скорость струи охлаждающей жидкости при её соударении с подложкой 1 можно контролировать. В частности, поток охлаждающей жидкости на поверхности подложки 1 остается ламинарным, и этот поток охлаждающей жидкости имеет достаточную скорость на предварительно заданной длине L для получения быстрого охлаждения подложки 1.
Канал 35 выполнен с возможностью транспортирования охлаждающей жидкости, которая поступает из линии 13 подачи, к соплу 33 коллектора.
Канал 35 располагается в поперечном направлении по ширине по существу равной ширине выпускного отверстия 39 и продолжается по существу в вертикальном направлении от конца, находящегося выше по ходу движения потока, который соединен с линией подачи охлаждающей жидкости, до конца, находящегося ниже по потоку, соединенного с концом выводного канала 37, находящимся выше по потоку. Таким образом, канал 35 продолжается выводным каналом 37 в вертикальном направлении.
Указанный канал 35 ограничен двумя по существу вертикальными поперечными стенками 35а, 35b.
Предпочтительно канал 35 имеет по существу постоянное сечение между его упомянутыми концами, расположенными выше и ниже по ходу движения потока, причем обе поперечные стенки 35а и 35b канала 35 параллельны друг другу.
Линия 13 подачи служит для транспортирования потока охлаждающей жидкости, поступающей от сети распределения охлаждающей жидкости в первый коллектор 11 системы охлаждения.
Линия 13 подачи охлаждающей жидкости содержит, в направлении вверх по ходу движения потока подающий трубопровод 43 коллектора 11 системы охлаждения, распределительный трубопровод 45 и магистральный трубопровод 47 для нагнетания охлаждающей жидкости. Таким образом, поток охлаждающей жидкости, поступающий из сети распределения охлаждающей жидкости, транспортируется через магистральный трубопровод 47, затем через распределительный трубопровод 45 и подающий трубопровод 43 и достигает коллектора 11 системы охлаждения, в частности, канала 35.
Подающий трубопровод 43 служит для подачи охлаждающей жидкости в канал 35.
Подающий трубопровод 43 проходит в поперечном направлении по ширине по существу равной ширине канала 35. Подающий трубопровод 43 имеет обычно цилиндрическую форму, и содержит по существу цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки. Таким образом, оба конца подающего трубопровода 43 выполнены закрытыми.
Подающий трубопровод 43 содержит на боковой стенке по существу круговое отверстие, обеспечивающее прохождение через него магистрального трубопровода 47 так, как это описано ниже.
Кроме того, подающий трубопровод 43 содержит на боковой стенке поперечное проходное отверстие 51, соединенное с концом канала 35, расположенным выше по ходу движения потока. Указанное проходное отверстие 51 продолжается в поперечном направлении по существу по всей ширине подающего трубопровода 43.
Предпочтительно проходное отверстие 51 образовано между первой поперечной кромкой подающего трубопровода 43, присоединенной к верхней кромке первой стенки 35а канала 35, и второй поперечной кромкой, соединенной со второй стенкой 35b канала 35, на некотором расстоянии от верхней кромки этой второй стенки 35b.
Распределительный трубопровод 45 служит для распределения по всей ширине подающего трубопровода 43 потока охлаждающей жидкости, нагнетаемой из магистрального трубопровода 47 для подачи охлаждающей жидкости.
Распределительный трубопровод 45 расположен внутри подающего трубопровода 43 в поперечном направлении по ширине по существу равной ширине канала 35 и ширине подающего трубопровода 43.
Распределительный трубопровод 45 имеет цилиндрическую форму и содержит по существу цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки. Следовательно, оба конца распределительного трубопровода 45 выполнены закрытыми.
Боковая стенка распределительного трубопровода 45 образует вместе с боковой стенкой подающего трубопровода 43 зазор 53 для циркуляции охлаждающей жидкости внутри подающего трубопровода 43. Этот зазор 53 обычно имеет кольцеобразную форму.
На боковой стенке распределительного трубопровода 45 имеется по существу круговое отверстие 55, обеспечивающее соединение с магистральным трубопроводом 47, как это описано выше. Отверстие 55 расположено на одной линии с соответствующим отверстием, выполненным на боковой стенке подающего трубопровода 43.
Предпочтительно эти отверстия расположены по середине между торцами каналов 33 и 35.
Боковая стенка распределительного трубопровода 45, кроме того, содержит множество выпускных отверстий 57, предназначенных для распределения охлаждающей жидкости, протекающей в распределительном трубопроводе 45, в зазор 53 подающего трубопровода 43.
Упомянутые выпускные отверстия 57 находятся на одной линии в поперечном направлении и по всей ширине распределительного трубопровода 45.
Выпускные отверстия 57 расположены, например, на одинаковом расстоянии друг от друга.
Выпускные отверстия 57 обеспечивают равномерное распределение в поперечном направлении охлаждающей жидкости, поступающей из распределительного трубопровода 45 в подающий трубопровод 43.
Как показано на фиг. 4, предпочтительно боковая стенка распределительного трубопровода 45 присоединена к верхней кромке второй стенки 35b канала 35, а выпускные отверстия 57 выполнены на нижнем участке стенки распределительного трубопровода 45, обращенном в сторону второй стенки 35b канала 35.
При указанном взаимном расположении зазор 53 в подающем трубопроводе 43 образует однонаправленный канал для транспортирования охлаждающей жидкости от выпускных отверстий 57 до самого канала 35.
Такое выполнение обеспечивает равномерное распределение охлаждающей жидкости по всему зазору 53 подающего трубопровода 43 вдоль поперечного направления, и обеспечивает минимизацию потерь давления в подающем трубопроводе 43.
Магистральный трубопровод 47 для подачи охлаждающей жидкости выполнен с возможностью соединения с трубопроводною сетью распределения охлаждающей жидкостью и транспортирования охлаждающей жидкости, нагнетаемой из этой сети, в распределительный трубопровод 45.
Магистральный трубопровод 47 продолжается от конца, находящегося выше по ходу движения потока, предназначенного для соединения с трубопроводной сетью распределения охлаждающей жидкости, до конца, расположенного ниже по потоку, предназначенного для соединения с распределительным трубопроводом 45.
При этом расположенный ниже по потоку конец магистрального трубопровода 47 соединен с отверстием 55 распределительного трубопровода 45 посредством соответствующего отверстия в подающем трубопроводе 43.
Магистральный трубопровод 47 содержит первый участок 47а цилиндрической формы, проходящий в поперечном направлении, и второй изогнутый участок 47b с круговым сечением, соединяющий первый участок с отверстием 55 распределительного трубопровода 45.
Кромки упомянутого отверстия 49 герметично соединены с магистральным трубопроводом 47 так, чтобы предотвратить любые утечки охлаждающей жидкости из подающего трубопровода 43 через упомянутое отверстие 49.
2
При таком выполнении линия 13 подачи способна транспортировать поток охлаждающей жидкости, нагнетаемой под давлением, меньшем или равным 2 бара, из сети распределения охлаждающей жидкости, в первый коллектор 11 системы охлаждения так, чтобы получить на выходе первого коллектора 11 системы охлаждения струю охлаждающей жидкости, эжектируемую со скоростью более 5 м/с, при этом расход, отнесенный к поверхности подложки, находится в интервале от 360 до 2700 л/мин/м.
В частности, линия 13 подачи минимизирует перепад давления, что позволяет обеспечить такую скорость эжекции при относительно низком давлении. В частности, за счет описанного выше конструктивного выполнения линии 13 подачи охлаждающей жидкости в этой линии 13 подачи поддерживается скорость циркуляции охлаждающей жидкости менее 2 м/с, что позволяет минимизировать перепад давления.
Использование низкого давления, которое составляет 2 бара или менее, например, более 1 бара, минимизирует потребление энергии в устройстве 1 для охлаждения, в частности, снижает приблизительно в 5 раз потребление электрической энергии, необходимой для подачи охлаждающей жидкости, по сравнению с устройством, в котором давление в сети распределения охлаждающей жидкости может быть равно 4 бар.
Средства 15 прерывания потока охлаждающей жидкости предназначены для прерывания потока охлаждающей жидкости, создаваемого первым коллектором 11 системы охлаждения и, таким образом, не позволяют этому потоку охлаждающей жидкости распространяться на длину подложки 1, превышающую предварительно заданную длину L.
Средства 15 прерывания потока охлаждающей жидкости размещены ниже по ходу движения от первого коллектора 11 системы охлаждения в направлении перемещения подложки 1. Упомянутые средства 15 прерывания потока охлаждающей жидкости содержат, например, первый ролик 61, выполненный и размещенный с возможностью контактирования с первой поверхностью движущейся подложки 1 для предотвращения протекания потока охлаждающей жидкости, поступающей из первого коллектора 11 системы охлаждения, за пределы первого ролика в направлении движения подложки 1.
Первый ролик 61 имеет обычную цилиндрическую форму и продолжается в поперечном направлении по всей ширине подложки 1.
Первый ролик 61 размещен ниже по ходу движения относительно первого коллектора 11 системы охлаждения так, что расстояние между участком падения струи охлаждающей жидкости, эжектируемой первым коллектором 11 системы охлаждения, на первую поверхность подложки 1, и контактным участком первого ролика 61 на первой поверхности подложки 1 равно предварительно заданному расстоянию L.
Второй ролик 20 предпочтительно размещен симметрично первому ролику 61 по отношению к срединной плоскости движущейся подложки 1.
Дополнительное средство 25 для прерывания потока охлаждающей жидкости, которое в рассматриваемом примере размещено ниже по ходу движения от первого блока 9 второго устройства 8, служит для предотвращения протекания любого потока охлаждающей жидкости ниже по ходу движения от модуля 5 охлаждения, за пределы предварительно заданной длины L1.
Это дополнительное средство 25 прерывания потока размещено ниже по ходу движения относительно первого ролика 61.
Указанное средство 25, например, содержит сопло, выполненное с возможностью направить струю охлаждающей жидкости под давлением на подложку 1 в направлении ортогональном подложке или оппозитном направлению А движения подложки 1. Угол, образованный между направлением А движения подложки 1 и этой струей охлаждающей жидкости, например, находится в интервале от 60° до 90°.
В процессе работы подложку 1 устанавливают так, чтобы она перемещалась с помощью роликов 3, 21 и 19 в направлении А движения со скоростью перемещения предпочтительно в интервале от 0,5 м/с до 2,5 м/с.
Во время этого движения подложка 1 перемещается в пределах модуля 5 охлаждения, в частности, в пределах каждого из охлаждающих устройств 8.
Начальная температура подложки 1 во время её поступления в модуль 5 охлаждения составляет более 600°С, в частности, более 800°С. Например, начальная температура подложки 1 при её поступлении в модуль 5 охлаждения превышает 900°С.
В процессе движения подложки 1 в каждом из устройств 8 первая струя охлаждающей жидкости эжектируется с помощью первого коллектора 11 системы охлаждения на первую поверхность подложки 1, а вторая струя охлаждающей жидкости эжектируется с помощью второго коллектора 17 системы охлаждения на вторую поверхность подложки 1.
Для обеспечения указанной эжекции трубопроводная сеть распределения охлаждающей жидкости питает каждую из линий 13 и 19 подачи охлаждающей жидкости под давлением, составляющим менее 2 бар, предпочтительно более 1 бара.
Поток охлаждающей жидкости из каждой линии 13 и 19 подачи поступает в магистральный трубопровод 47 для нагнетания охлаждающей жидкости, затем в распределительный трубопровод 45 и посредством выпускных отверстий 57 в подающий трубопровод 43 по всей ширине этого трубопровода 43.
Поток охлаждающей жидкости циркулирует в каждой из линий 13 и 19 подачи со скоростью менее или равной 2 м/с.
Поток охлаждающей жидкости затем направляется в канал 35 каждого из первого 11 и второго 17 коллекторов, и затем в выводной канал 37 сопла 33 коллектора.
Охлаждающая жидкость, температура которой предпочтительно составляет менее 30°С, затем эжектируется в виде первой и второй струй охлаждающей жидкости через выпускные отверстия 39 первого 11 и второго 17 коллекторов.
Первая и вторая струи охлаждающей жидкости эжектируются в направлении А движения подложки 1 со скоростью эжекции, составляющей 5 м/с или более, и предпочтительно менее 12 м/с, при этом на каждой из первой и нижней поверхностей подложки 1 формируется ламинарный поток охлаждающей жидкости, параллельный подложке 1.
Поток охлаждающей жидкости распространяется по всей ширине подложки 1, на первой предварительно заданной длине L1 на первой поверхности подложки 1, и на второй предварительно заданной длине L2 на второй поверхности подложки 1.
Таким образом, подложка 1 охлаждается с понижением температуры от первой температуры до второй температуры при пузырьковом кипении.
Первая температура соответствует температуре подложки 1 на участке соударения с ней первой и второй струй охлаждающей жидкости, а вторая температура соответствует температуре подложки 1 у средств 15 прерывания потока.
В частности, температура на входе первого охлаждающего устройства 8 равна начальной температуре подложки 1 на входе модуля 5 охлаждения. Таким образом, во время прохождения первого охлаждающего устройства 8 подложка 1 охлаждается от температуры более 600°С, в частности, более 800°С, например, более 900°С, в условия пузырькового режима кипения.
Охлаждающее устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают, таким образом, эффективное охлаждение подложки с возможностью контроля процесса при отсутствии появления неоднородностей температуры в пределах подложки, в частности, между первой и второй поверхностями подложки.
На основе устройства, представленного на фиг. 2-4, было исследовано влияние скорости эжекции охлаждающей жидкости на тепловой поток, отводимый от подложки 1 потоками охлаждающей жидкости на первой и второй поверхностях подложки, в зависимости от температуры подложки 1. Это влияние иллюстрируется на фиг. 5.
На фиг. 5 видно, что если скорость эжекции охлаждающей жидкости составляет менее 5 м/с, например, равна 2,8 м/с (кривая А), подложка 1 охлаждается в режиме пузырькового кипения только в том случае, когда температура подложки 1 составляет менее 370°С.
При этих параметрах, чем ниже температура подложки 1 или участка охлаждаемой подложки 1, тем меньше отводимый тепловой поток. При указанных параметрах самые холодные участки подложки 1 охлаждаются более медленно, что создает возможность уменьшения возможных неравномерностей температуры подложки 1.
Однако, если скорость эжекции охлаждающей жидкости равна 2,8 м/с, условия пузырькового кипения достигаются только при температуре подложки 1 менее 370°С, и, следовательно, не достигаются с начала охлаждения подложки 1 после горячей прокатки или термической обработки.
В действительности, если температура подложки 1 находится в интервале приблизительно от 370°С до 800°С, подложка 1 охлаждается в режиме переходного кипения. В этих условиях, чем ниже температура подложки 1 или упомянутого участка охлаждаемой подложки 1, тем больше отводимый тепловой поток. При таких условиях самые холодные участки подложки 1 охлаждаются быстрее, что обуславливает увеличение возможных неоднородностей температуры подложки 1.
Если температура подложки 1 составляет более чем приблизительно 800°С, подложка 1 охлаждается в режиме пленочного кипения. В таких условиях отводимый тепловой поток по существу не зависит от температуры, но остается меньше теплового потока, который может быть отведен при пузырьковом кипении, например, при температуре 400°С.
Таким образом, видно, что если скорость эжекции охлаждающей жидкости составляет менее 5 м/с, например, равна 2,8 м/с, условия охлаждения, которые достигаются в начале охлаждения от начальной температуры, составляющей более 600°С или даже более 800°С или даже 900°С, являются условиями режима переходного режима кипения или условиями пленочного кипения, после которого при более низкой температуре следует переходное кипение.
В обоих рассмотренных случаях подложка 1 охлаждается от начальной температуры до конечной температуры по меньшей мере частично в режиме переходного кипения, что обуславливает увеличение температурных неоднородностей.
Если скорость эжектируемой струи охлаждающей жидкости в направлении первой и второй поверхностей подложки 1 увеличивается, например, если она равна 4 м/с (кривая В), то видно, что условия пузырькового кипения сохраняются до достижения более высоких температур (приблизительно до 400°С).
Кроме того, при переходном режиме кипения изменение отводимого теплового потока с температурой, т.е. наклон соответствующей кривой зависимости отводимого теплового потока от температуры, уменьшается по абсолютной величине.
Другими словами, если скорость эжекции охлаждающей жидкости равна 4 м/с, охлаждение в условиях переходного кипения усиливает температурные неоднородности в подложке 1 в меньшей степени, чем в случае охлаждения со скоростью эжекции охлаждающей жидкости равной 2,8 м/с.
Если скорость эжекции охлаждающей жидкости увеличивается ещё больше и становится больше 5 м/с, в частности, равной 6 м/с (кривая С) и 7,4 м/с (кривая D), отведенный тепловой поток от подложки 1 является возрастающей функцией температуры подложки 1 в интервале до температур, достигающих или даже превышающих 900°С.
Следовательно, подложка 1 может быть охлаждена от температуры выше 900°С до комнатной температуры исключительно при пузырьковом кипении.
Фиг. 5, таким образом, показывает, что если скорость эжекции первой и второй струй охлаждающей жидкости больше или равна 5 м/с, подложка 1 может быть охлаждена непосредственно в режиме пузырькового кипения от начальной температуры, составляющей более 600°С, или даже более 800°С или даже более 900°С.
Подложка 1, следовательно, может быть непосредственно охлаждена при параметрах, способствующих уменьшению температурных неоднородностей, которые могут существовать в подложке 1 перед её охлаждением.
Из фиг. 5 также видно, что тепловой поток, отводимый от подложки 1 по меньшей мере в интервале температур от 400°С до 1000°С, имеет тем большую величину, чем выше скорость эжекции струй охлаждающей жидкости.
Фиг. 5 показывает, что эжекция первой и второй струй охлаждающей жидкости при скорости равной 5 м/с или более позволяет получить эффективное охлаждение подложки 1.
Было исследовано влияния расстояния Н между выпускным отверстием 39 и поверхностью подложки 1 и угла α, образованного первой или нижней струей охлаждающей жидкости, при её эжекции, и направлением А движения подложки, на скорость охлаждения подложки 1.
Эти эффекты иллюстрируются ниже в таблицах 1 и 2, соответственно, и на фиг. 6 и фиг. 7.
В таблице 1 приведены данные по относительной скорости охлаждения, полученные для различных расстояний Н. Относительные скорости охлаждения, приведенные в таблице 1, вычислены как отношение скорости охлаждения, полученной при определенном расстоянии Н, к скорости охлаждения, полученной при расстоянии равном Н=60 мм.
Таблица 1. Влияние расстояния Н на скорость охлаждения
Расстояние H (мм)
Относительная скорость охлаждения
60
1
100
0,92
200
0,98
В таблице 2 приведены данные по относительной скорости охлаждения, полученные для различных величин углов α. Относительные скорости охлаждения, приведенные в Таблице 2, вычислены как отношение скорости охлаждения, полученной для угла конкретного α, к скорости охлаждения, полученной для угла α =10°.
Таблица 2. Влияние угла α на скорость охлаждения
Угол α (°)
Относительная скорость охлаждения
10
1
19
1,1
25
0,98
Фиг. 6 и 7 иллюстрируют поток охлаждающей жидкости на подложке 1 для двух различных углов α. При этом на упомянутых фиг. 6 и 7 показаны только первая поверхность подложки 1, струя и поток охлаждающей жидкости.
На фиг. 6 угол α, образованный струей охлаждающей жидкости с продольным направлением А, составляет приблизительно 35°, т.е. больше 25°. Как показано на фиг. 6, при такой величине угла α часть охлаждающей жидкости создает обратный поток В в направлении, противоположном направлению А движения подложки, и в результате поток охлаждающей жидкости на поверхности подложки возмущается и становится не ламинарным, так что подложка охлаждается не только за счет пузырькового кипения, а охлаждается по меньшей мере частично, за счет переходного режима кипения.
В то же время на фиг. 7, в отличие от рассмотренного выше случая, угол α, образованный струей охлаждающей жидкости с продольным направлением А, составляет 25°. При такой величине угла не существует никакого обратного потока охлаждающей жидкости, противоположного по направлению А движения. Наоборот, охлаждающая жидкость протекает в направлении А в виде ламинарного потока так, что подложка охлаждается исключительно за счет пузырькового кипения.
Кроме того, были проведены опыты для исследования влияния расхода охлаждающей жидкости, отнесенного к поверхности подложки, на скорость охлаждения, и для сравнения полученных скоростей охлаждения со скоростью охлаждения, достигаемой в способе согласно известному аналогу, при одинаковом расходе охлаждающей жидкости.
2
2
Таблица 3 иллюстрирует скорость охлаждения, в °С/сек, полученную в способе согласно изобретению, от 800°С до 550°С в зависимости от толщины охлаждаемой подложки 1, для расходов равных 3360 л/с/м и 1020 л/с/м.
2
2
Эти данные сопоставлены с полученными традиционным способом согласно известному аналогу, в котором струи охлаждающей жидкости эжектируются ортогонально поверхности подложки 1, для расходов охлаждающей жидкости, отнесенных к поверхности подложки, равных 3360 л/с/м и 1020 л/с/м.
Таблица 3. Скорости охлаждения от температуры 800°С до 550°С в зависимости от толщины подложки и расхода с использованием способа, соответствующего настоящему изобретению, и способа согласно известному аналогу.
Толщина(мм)
Расход, отнесенный к поверхности подложки(л/с/м<sup>2</sup>)
1020 (изобретение)
3360(изобретение)
1020(аналог)
3360(аналог)
5
240
380
50
190
10
140
180
25
80
30
40
45
10
25
60
18
20
5
10
80
10
10
3
5
2
2
Приведенные в таблице 3 данные показывают, что скорости охлаждения подложки 1, полученные с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением для наименьшего расхода (1020 л/с/м), превышают скорости охлаждения подложки 1, достигнутые с помощью традиционного способа, в частности, при скоростях, полученных для самого большого расхода (3360 л/с/м).
Проведенные опыты, таким образом, показывают, что способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить в особенности эффективное охлаждение подложки 1, при отсутствии необходимости большей скорости потока охлаждающей жидкости, чем в известных способах.
Кроме того, был проведен анализ кривых охлаждения первой и второй поверхностей подложки 1 толщиной 30 мм от начальной температуры, приблизительно равной 1150°С, до комнатной температуры.
Фиг. 8 иллюстрирует изменение во времени температуры первой (кривая I) и второй (кривая J) поверхностей подложки 1, которые являются верхней и нижней поверхностями, в зависимости от времени. Как видно из фиг. 8, кривые охлаждения первой поверхности и второй поверхности подложки 1 являются сходными.
В частности, эжекция струй охлаждающей жидкости на вторую, в данном примере на нижнюю поверхность со скоростью эжекции равной 5 м/с или более, позволяет сохранять контакт потока охлаждающей жидкости, созданного на нижней поверхности подложки 1, с нижней поверхностью подложки 1 на длине L2, что обеспечивает симметричное охлаждение верхней и нижней поверхностей подложки 1, и, следовательно, равномерное охлаждение подложки 1 по её толщине.
Из фиг. 8 также видно, что охлаждение подложки происходит очень быстро, при этом верхняя поверхность и нижняя поверхность охлаждаются от 1150°С до температуры менее 200°С в течение менее 50 сек.
Фиг. 9 иллюстрирует распределение температуры на поверхности подложки 1 в продольном направлении на входе модуля 5 охлаждения, показанного на фиг. 2 и фиг. 4 (кривая К), и на выходе этого модуля 5 (кривая L).
Абсцисса этих кривых представляет нормированную координату точки измерения на подложке 1 в продольном направлении.
Видно, что подложка 1 имеет, перед её входом в модуль 5 охлаждения, температурную неоднородность в продольном направлении, между передней частью и концевой частью подложки 1, и что эта неоднородность в значительной степени уменьшается на выходе модуля 5.
Фиг. 9, таким образом, иллюстрирует тот факт, что подложка 1 охлаждается с помощью модуля 5 исключительно в условиях пузырькового кипения, что обеспечивает уменьшение неоднородностей температуры, первоначально существующих между передним и задним участками подложки 1.
Способ в соответствии с изобретением обеспечивает получение подложки 1, обладающей очень хорошими плоскостными качествами.
В качестве примера и сравнения фиг. 10 и фиг. 11 иллюстрируют профиль поверхности двух подложек по ширине подложки, охлажденной или с использованием способа охлаждения согласно аналогу (фиг. 10) или в соответствии с изобретением (фиг. 11).
11
11
mean
11
mean
11
5
На фиг. 10 и фиг. 11 ось «х» представляет положение точек измерения по ширине подложки, а ось «у» показывает ровность в каждой точке измерения, выраженную как Плотность = (ε-(ε))×10, где (ε) - средняя величина ε по ширине подложки.
Подложка на фиг. 10 была охлаждена по меньшей мере частично в переходном режиме кипения, в то время как подложка на фиг. 11 была охлаждена в соответствии с изобретением только при пузырьковом кипении.
Сравнение этих фигур показывает, что способ в соответствии с изобретением, в котором подложка охлаждается при пузырьковом кипении, обеспечивает получение улучшенной ровности подложки по сравнению со способом, соответствующим аналогу.
Фиг. 12 и 13 иллюстрирует коллектор 11' системы охлаждения и линию 13' подачи охлаждающей жидкости в соответствии с другим воплощением сборной конструкции, представленной на фиг. 3 и 4.
Это воплощение отличается от воплощения, описанного выше со ссылками на фиг. 3 и 4, главным образом, тем, что коллектор 11' системы охлаждения не содержит канала 35, а линия подачи 13' не содержит какого-либо магистрального трубопровода 47 для подачи охлаждающей жидкости.
В рассматриваемом воплощении коллектор 11' системы охлаждения образован соплом 71 коллектора.
Сопло 71 коллектора в функциональном отношении подобно соплу 33, описанному выше со ссылками на фиг. 3 и 4.
В частности, сопло 71 коллектора продолжается в поперечном направлении относительно движущейся подложки 1 по ширине большей или равной ширине охлаждаемой подложки 1.
Сопло 71 коллектора содержит проходное отверстие, образующее канал 73 для транспортирования охлаждающей жидкости. Канал 73 расположен в поперечном направлении по ширине большей или равной ширине охлаждаемой подложки 1 и проходит в вертикальной продольной плоскости от конца, расположенного выше по ходу движения потока до конца, расположенного ниже по потоку. Расположенный выше по потоку конец канала 73 соединен непосредственно с линией 13' подачи охлаждающей жидкости. Конец канала, расположенный ниже по потоку, образует щелевое отверстие, через которое охлаждающая жидкость, нагнетаемая линией 13' подачи жидкости и проходящая через канал 73, эжектируется в виде струи охлаждающей жидкости на подложку.
Указанная щель образует выпускное отверстие 75, подобное отверстию 39, указанному выше со ссылкой на фиг. 3 и 4.
Канал 73 имеет участок, который сужается от стороны, находящейся выше по потоку, в направлении стороны канала 73, находящейся ниже по потоку, и обеспечивает тем самым на выходе отверстия 75 образование струи охлаждающей жидкости, эжектируемой со скоростью по меньшей мере 5 м/с, от начальной скорости охлаждающей жидкости, поступающей на линию 13' подачи, составляющей менее 2 м/с. Конечно, как будет описано ниже, циркуляция охлаждающей жидкости на линии 13' подачи со скоростью менее 2 м/с позволяет минимизировать потери давления на линии 13' подачи и, таким образом, уменьшить давление, необходимое для питания линии 13' подачи охлаждающей жидкости.
Предпочтительно расположенный ниже по потоку конец канала 73 образует с направлением А движения подложки угол, который находится в интервале от 5° до 25°, в частности, от 10° до 20°.
Кроме того, в соответствии с рассмотренной альтернативой линия 13' подачи содержит трубопровод 83 подачи жидкости коллектора 11' системы охлаждения и распределительный трубопровод 85. Таким образом, поток охлаждающей жидкости, поступающей из трубопроводной сети распределения охлаждающей жидкости, транспортируется через распределительный трубопровод 85, и затем через подающий трубопровод 83 поступает в коллектор 11' системы охлаждения.
Подающий трубопровод 83 предназначен для подачи охлаждающей жидкости в сопло 73 коллектора.
Подающий трубопровод 83 проходит в поперечном направлении по ширине по существу равной ширине сопла 73 коллектора. Подающий трубопровод 83 имеет обычную форму цилиндра и содержит по существу цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки. Обе эти торцевые стенки снабжены, по существу, круглым сквозным отверстием 87, предназначенным для пропускания подающего трубопровода 83, как описано ниже.
Кроме того, в боковой стенке подающего трубопровода 83 выполнено поперечное проходное отверстие 89, ведущее в канал 73. Отверстие 89 проходит в поперечном направлении по существу по всей ширине подающего трубопровода канала 83.
Распределительный трубопровод 85 предназначен для соединения с сетью распределения охлаждающей жидкости и для распределения по всей ширине подающего трубопровода 83 потока охлаждающей жидкости, нагнетаемого из этой распределительной сети.
Распределительный трубопровод 85 имеет обычную форму цилиндра и проходит в поперечном направлении между концами 85а и 85b, каждый из которых соединен с сетью распределения охлаждающей жидкости. Указанный распределительный трубопровод 85 содержит между концами 85а и 85b центральный участок, который находится внутри подающего трубопровода 83. Оба конца 85а, 85b выступают из подающего трубопровода 83 через сквозные проходные отверстия 87.
Боковая стенка распределительного канала 85 образует, таким образом, с боковой стенкой питающего канала 85 зазор 91 для циркуляции охлаждающей жидкости внутри питающего канала 83. Зазор 91 обычно имеет кольцевую форму.
Боковая стенка распределительного трубопровода 85, кроме того, выполнена с множеством проходных отверстий 95, обеспечивающих распределение охлаждающей жидкости из распределительного трубопровода 85 в зазор 91.
Проходные отверстия 95 расположены, например, на одной линии в поперечном направлении и по всей ширине трубопровода 85.
При этом упомянутые проходные отверстия 95 расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.
2
В соответствии с этой альтернативой линия 13' подачи охлаждающей жидкости способна транспортировать поток охлаждающей жидкости под давлением равном 2 бара или менее из сети распределения охлаждающей жидкости до коллектора 11' системы охлаждения так, чтобы на выходе коллектора 11' системы охлаждения получить струю охлаждающей жидкости, эжектируемую со скоростью более 5 м/с, при этом расход, отнесенный к поверхности подложки, составляет от 1000 до 3500 л/мин/м.
В частности, линия 13' подачи обеспечивает, подобно линии 13 подачи минимизацию потерь давления, что позволяет получить скорость менее 5 м/с при относительно низком давлении.
Следует понимать, что рассмотренные выше примеры воплощений не являются ограничивающими изобретение.
В частности, в соответствии с другим воплощением охлаждающее устройство и модуль охлаждения встроены в линию термической обработки. Охлаждающее устройство и модуль охлаждения предназначены для охлаждения подложки 1 в режиме пузырькового кипения при быстром охлаждении подложки от начальной температуры, которая по существу равна температуре термической обработки подложки, до комнатной температуры. Упомянутая начальная температура, например, составляет более 800°С, может быть даже выше 1000°С.
Кроме того, хотя описанный модуль 5 охлаждения содержит два охлаждающих устройства 8, количество устройств 8 в составе модуля может изменяться и может составлять больше или меньше двух.
Помимо этого, могут быть исключены отражательные экраны, или устройства могут содержать только один верхний или только один нижний отражательный экран.
Кроме того, в соответствии с одной альтернативой средства 15 прерывания потока охлаждающей жидкости содержат, в дополнение или вместо ролика 61, сопло, выполненное с возможностью направить струю охлаждающей жидкости под давлением на подложку 1 в направлении, ортогональном подложке или противоположном направлению перемещения подложки 1.