ЛИНИЯ ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СОРТОВОГО СТАНА

Полезная модель относится к прокатному производству, в частности к конструкциям линий водяного охлаждения проволочных станов, и может быть использовано на высокоскоростных проволочных станах, применяющих технологию двухстадийного охлаждения катанки типа Стелмор.
Известно устройство для регулируемого охлаждения проката, которое содержит ряд последовательно установленных секций, включающих форсунку, камеру охлаждения, отсекающий блок, взаимосвязанный с системой отвода отработанного охладителя, и проводку для выравнивания температуры (RU 2174881 [1]).
По длине каждой камеры охлаждения, начиная с 0,1 от общей ее протяженности, дополнительно размещен по меньшей мере один отсекающий блок, содержащий системы отбора части охладителя и отвода отработанного охладителя, и золотниковый узел, состоящий из корпуса, разделенного на две полости подвижным относительно продольной оси камеры разделительным элементом с закрепленной в нем проводкой, концевые участки которой выполнены с возможностью образования с корпусом прямоточного и противоточного сопел. Каждая полость взаимосвязана через отсекающий клапан с системой отбора части охладителя, а полость с противоточным соплом взаимосвязана с системой отвода отработанного охладителя, снабженной сливным клапаном.
Недостатком известного устройства является невозможность регулирования величины теплосъема в процессе работы системы охлаждения. В подобных системах единственным способом регулирования теплосъема является изменение количества задействованных секций охлаждения, причем незадействованные секции во избежание повреждения должны быть выведены с линии прокатки. Осуществить это невозможно без остановки прокатного стана.
Другим недостатком такой системы является ее малая эффективность. Системы такого рода работают только на больших скоростях потока и высоких давлениях, и, как следствие, высоких расходах охладителя. Величина удельного теплосъема в них мала, как правило, повышение температуры охлаждающей воды на выходе системы не превышает единиц градусов.
Известно устройство для охлаждения горячекатаной полосы, содержащее рольганг и расположенные параллельно роликам коллекторы с установленными вдоль их осей плоскоструйными форсунками, выходные отверстия которых имеют эллипсоидальную форму, причем большая ось эллипса образует угол с продольной осью коллектора (SU 933735[2]). В таком устройстве форсунки установлены с шагом, равным 12÷19 малым диаметрам эллипса, а больший диаметр эллипса образует с продольной осью коллектора угол 70÷87°, при этом смежные коллекторы расположены на расстоянии, равном 1÷2 расстояниям от торца форсунки до опорной плоскости рольганга.
К недостаткам такого устройства можно отнести неравномерное охлаждение раската по его ширине, что обусловлено шагом установки форсунок без учета расстояния от них до опорной плоскости рольганга. Установка форсунок таким образом, что больший диаметр эллипса отверстия форсунки образует с продольной осью коллектора угол 70÷87°, обуславливает различное охлаждение краев полосы и ухудшение ее качества. Кроме того, неодинаковый по ширине полосы размер зоны охлаждения обуславливает ухудшение качества полосы. Расположение смежных коллекторов на расстоянии, равном 1÷2 расстояниям от торца форсунки до опорной плоскости рольганга, и направление осей струй перпендикулярно поверхности полосы обуславливают неэффективное использование охладителя. Вне факела плотность орошения резко уменьшается и охладитель используется неэффективно.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для охлаждения горячекатаного листа и полосы, известное из RU 2344893 [3].
β
β
Устройство содержит рольганг и расположенные параллельно роликам коллекторы с установленными вдоль их осей плоскоструйными форсунками, выходные отверстия которых имеют эллипсоидальную форму, причем большая ось эллипса образует угол с продольной осью коллектора, согласно изобретению смежные коллекторы установлены на расстоянии (0,3÷0,9)×Н, где Н - расстояние от торца форсунки до опорной плоскости рольганга, а форсунки размещены с шагом, равным (0,8÷1,7)×H×tg/2, где - угол раскрытия факела форсунки по большей оси, при этом на каждой паре смежных коллекторов форсунки расположены со смещением в направлении оси коллектора на половину шага между ними, угол их наклона навстречу друг другу относительно вертикали составляет 10÷20°, а большая ось эллипса выходного отверстия форсунки образует угол 5÷25° с продольной осью коллектора.
Установка смежных коллекторов на расстоянии (0,3÷0,9)×Н, где Н - расстояние от торца форсунки до опорной плоскости рольганга, позволяет создать между рядами струй охладителя, достигающими поверхности листа и полосы, неразрывную турбулентную зону охлаждения и обеспечивает эффективное перемешивание охладителя в турбулентной зоне, а следовательно, позволяет при относительно небольшой длине зоны охлаждения осуществлять стабильное и высокоинтенсивное охлаждение прокатываемых листа и полосы.
Недостатком известного устройства является его неприменимость для охлаждения круглого проката. Конфигурация устройства предусматривает плоскую геометрию - например, расположение коллекторов, на которых расположены форсунки, перпендикулярно оси прокатки.
Заявляемая линия водяного охлаждения сортового стана направлена на обеспечение регулирования процесса охлаждения в процессе прокатки и повышения эффективности процесса за счет снижения расхода охладителя и его рабочего давления.
Указанный результат достигается тем, что линия водяного охлаждения сортового стана, содержит расположенные вдоль оси прокатки модули охлаждения, корпуса которых снабжены входной проводкой и патрубком удаления отработанного охладителя и размещенными в них несколькими форсунками, присоединенными к коллектору подачи охладителя через дистанционно управляемые клапаны, форсунки выполнены с эллиптическим факелом распыления, ориентированным большой осью эллипса вдоль оси прокатки, при этом форсунки размещены в плоскости, перпендикулярной оси прокатки под углом 360°/N друг к другу, где N - число форсунок в корпусе и смещены друг относительно друга на расстояние, превышающее b, при этом
a≥d+2x и b/а=3÷7,
где: а - малая ось эллиптического сечения факела форсунки, м;
b -большая ось эллиптического сечения факела форсунки, м;
d - максимальный диаметр катанки, м;
х - нестабильность оси прокатки, м.
Указанный результат достигается также тем, что линия снабжена вспомогательным коллектором охладителя, подключенным к общей магистрали охладителя через дистанционно управляемый клапан, а к коллектору присоединены малорасходные форсунки с широким факелом распыления, размещенные в каждом модуле линии.
Наличие дистанционно управляемых клапанов обеспечивает включение расхода только при наличии металла на участке ускоренного охлаждения, и, тем самым, снижает расход охладителя и себестоимость проката. Выполнение форсунок с эллиптическим факелом распыления, ориентированным большой осью эллипса вдоль оси прокатки позволяет обеспечить максимально эффективное использование охладителя за счет уменьшения его доли, не попадающей на поверхность проката.
Размещение форсунок в плоскости, перпендикулярной оси прокатки под углом 360°/N друг к другу, где N - число форсунок в корпусе, обеспечивает равномерное распределение теплосъема по поверхности проката и нулевое суммарное усилие воздействия струй охладителя на прокат, действующее перпендикулярно оси прокатки.
Смещение форсунок друг относительно друга на расстояние, превышающее размер большой оси эллиптического сечения факела форсунки позволяет избежать гидродинамического взаимодействия струй охладителя от разных форсунок, и, как следствие, обеспечить равномерное орошение поверхности проката.
Выполнение соотношений
a≥d+2x и b/а=3÷7,
где: а - малая ось эллиптического сечения факела форсунки, м;
b -большая ось эллиптического сечения факела форсунки, м;
d - максимальный диаметр катанки, м;
х - нестабильность оси прокатки, м.
обеспечивает равномерность орошения поверхности проката, высокую эффективность работы системы охлаждения и простоту подготовки устройства к работе. Если «а» будет меньше чем d+2x, то из-за нестабильности оси прокатки часть поверхности металла будет выходить за пределы факела распыления форсунок, что приведет к возникновению на поверхности металла пятен, не подвергавшихся охлаждению.
Если b/а будет меньше чем 3, то количество тепла, снимаемое одной секцией системы охлаждения, будет недостаточно высоким. Это приведет к необходимости установки большего количества секций и увеличению стоимости системы. Кроме того, увеличивается относительное количество охладителя, не попадающего на поверхность проката. Если b/а будет больше чем 7, то это приведет к снижению удельной (на единицу расхода охладителя) эффективности системы и увеличению неравномерности распределения потока охладителя в факеле распыления. Кроме того, слишком большое отношение Ь/а приводит к повышению требований к точности юстировки форсунок в секции, а, следовательно, к повышению стоимости оборудования и его эксплуатации.
Поэтому целесообразно поддерживать приведенные выше соотношения в указанных пределах.
В частных случаях реализации линия снабжена вспомогательным коллектором охладителя, подключенным к общей магистрали охладителя через дистанционно управляемый клапан, а к коллектору присоединены малорасходные форсунки с широким факелом распыления, размещенные в каждом модуле линии. Поскольку модуль охлаждения, не использованный в данном режиме, не выводится с оси прокатки, то для того чтобы исключить перегрев форсунок, проводки и конструктивных элементов выключенного модуля, необходимо обеспечить его охлаждение, например, кратковременным включением в паузе между штуками. Однако этого, как показывает опыт, не всегда достаточно. И этот недостаток может быть устранен за счет форсунок, которые практически не влияют на изменение температуры катанки при проходе через выключенный модуль, но позволяют сохранить его работоспособность при контакте с горячим металлом.
Сущность заявляемой линии водяного охлаждения сортового стана поясняется графическими материалами и примерами реализации. На фиг.1 представлен схематично модуль охлаждения в разрезе. На фиг.2 схематично показаны варианты расположения форсунок с разным их числом N в корпусе («а» при N=4, «b» при N=3) На фиг.3 представлен схематично частный случай реализации модуля охлаждения в разрезе. На фиг.4 приведены результаты расчета режима охлаждения для стали 70.
Пример 1. Линия водяного охлаждения сортового стана, содержит расположенные вдоль оси прокатки модули охлаждения, корпуса 1 которых снабжены входной проводкой 2, патрубком 3 удаления отработанного охладителя и размещенными вних несколькими форсунками 4, присоединенными к коллектору 5 подачи охладителя через дистанционно управляемые клапаны 6. Форсунки выполнены с эллиптическим факелом распыления, ориентированным большой осью эллипса вдоль оси прокатки, при этом форсунки размещены в плоскости, перпендикулярной оси прокатки под углом 360°/N друг к другу, где N - число форсунок в корпусе. Линия водяного охлаждения сортового стана функционирует следующим образом.
Пусть мелкосортно - проволочный стан производит катанку диаметром 6 мм из стали 70. Скорость прокатки 120 м/с, температура конца прокатки 1100°С, длина линии водяного охлаждения 33 м (геометрия и режимы соответствуют стану 170 ОАО «ММК»). Рассмотрим работу линии охлаждения из 20 равномерно расположенных модулей, каждый из которых включает 3 форсунки, например, серии Vee-Jet компании «Spraying Systems», расположенные под углом 120° на кольцевом коллекторе. Будем считать, что нестабильность оси прокатки в зоне действия форсунок не превышает 0,5 мм, поэтому выберем форсунку, которая на оси прокатки обеспечивает ширину факела 7 мм и длину 30 мм. На фиг.4 приведены результаты расчета режима охлаждения, характерного для сталей данной марки. Для достижения среднемассовой температуры 800°°С задействованы 10 модулей охлаждения, при этом температура поверхности такова, что риск образования закалочных структур отсутствует. В таблице 1 приведены результаты расчета возможных режимов охлаждения. Из таблицы видно, что изменение набора включенных модулей обеспечивает большее изменение температуры, чем изменение количества модулей на единицу. Таким образом, линия охлаждения обеспечивает регулирование теплосъема с поверхности проката без изменения расхода охладителя (давления в гидросистеме). Шаг регулирования при этом сравним с погрешностью измерителей температуры.
Результаты расчетов режимов охлаждения
Табл.1
№п/п
Кол-во вкл. модулей
Конфигурация модулей
Температура на виткоукладчике
1
9
11111111000100000000
832
2
9
11111110001000100000
827
3
9
11111100010001000100
820
4
9
10101010101010101000
815
5
9
11111001001001001000
814
6
10
11111111110000000000
815
7
10
11111111101000000000
812
8
10
11111111100010000000
810
9
10
11111101010101000000
803
10
10
11111101010100010000
801
11
10
11111101010100000001
800
12
10
11111010101010000001
796
13
10
10101010101010101010
789
14
11
11111111111000000000
798
Рабочее давление форсунок выбранной серии составляет 2-5 Бар, что существенно ниже рабочих давлений охладителя, типичных для современных линий Стелмор (не менее 12-15 Бар). Расход охладителя при рассчитанных выше режимах охлаждения в несколько раз ниже расхода действующих линий охлаждения.
Пример 2. Линия водяного охлаждения сортового стана, содержит расположенные вдоль оси прокатки модули охлаждения, корпуса 1 которых снабжены входной проводкой 2 и патрубком 3 удаления отработанного охладителя и размещенными в них несколькими форсунками 4, присоединенными к коллектору 5 подачи охладителя через дистанционно управляемые клапаны 6. Форсунки выполнены с эллиптическим факелом распыления, ориентированным большой осью эллипса вдоль оси прокатки, при этом форсунки размещены в плоскости, перпендикулярной оси прокатки под углом 360°/N друг к другу, где N - число форсунок в корпусе. Линия снабжена вспомогательным коллектором 7 охладителя, подключенным к общей магистрали охладителя через дистанционно управляемый клапан 8, а к коллектору присоединены малорасходные форсунки 9 с широким факелом распыления, размещенные в каждом модуле линии.
Линия водяного охлаждения сортового стана функционирует следующим образом. В качестве вспомогательных форсунок могут быть использованы, например, широкоугольные форсунки FullJet компании «Spraying Systems». Включение этих форсунок обеспечит охлаждение незадействованных модулей линии, и, вместе с тем, не помешает работе задействованных. Поскольку расход охладителя через вспомогательные форсунки мал, их работа не влияет на процессы заправки металла в линию и экономические показатели стана. В этой связи подача охладителя во вспомогательный коллектор может осуществляться с началом прокатки и прекращаться с ее завершением (без отключения между штуками проката).