УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ГАЗА НА ПОВЕРХНОСТЬ МАТЕРИАЛА ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОЛОСЫ
DEVICE FOR DELIVERING GAS ON SURFACE OF MATERIAL OF MOVING STRIP

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к средствам подачи газов на поверхность материала движущейся полосы, в частности к линиям обработки стальной или алюминиевой полосы, использующим по меньшей мере одну камеру или секцию охлаждения струями газа, например, при термообработке, в частности, при непрерывном отжиге, или при нанесении покрытия, в частности, при оцинковке.
Вместе с тем, изобретение не ограничивается применением в вышеуказанных областях и в целом относится к нагнетанию газов на поверхность движущейся полосы, которая может быть не из металлического материала, а, например, бумагой или пластическим материалом, для таких видов обработки, как сушка, охлаждение или нанесение покрытия.
Уровень техники
Известно использование устройств для нагнетания газов на одну из сторон движущейся металлической полосы, в частности, с целью ее охлаждения. Например, в документах US 3116788 А и US 3262688 А описаны различные системы нагнетания газа из полых камер или полых трубчатых элементов, расположенных вдоль полосы или в направлении, поперечном направлению движения этой полосы. В этих документах раскрыто использование струй газа, имеющих наклон относительно нормали к плоскости движущейся полосы, чтобы улучшить устойчивость полосы во время движения.
В документах GB 940881 A, DE 4406846 A, FR 1410686 А и WO 2007/014 А описаны нагнетательные камеры с активной перфорированной стороной.
Известны также системы с двумя трубками охлаждения с регулируемым наклоном относительно плоскости полосы, описанные в документах JP 58185717 А и JP 58157914 А.
Позже было предложено направлять поток нагнетаемого газа с использованием камер, оборудованных нагнетательными трубками, с наклоном нагнетательных трубок в направлении краев полосы в основном с целью предотвращения вибраций движущейся полосы во время ее охлаждения струями газа, что описано в документе WO 01/09397 А.
В документе US 6054095 А описаны наклоненные нагнетательные в направлении краев полосы трубки камер, при этом нагнетательные трубки расположены таким образом, чтобы достичь большей равномерности распределения температуры в полосе.
Таким образом, вышеупомянутые устройства нагнетания газов содержат две полых камеры, каждая из которых оборудована множеством трубчатых сопел, направленных к соответствующей стороне полосового материала, при этом каждая полая камера со стороны, обращенной к соответствующей стороне полосового материала, имеет плоский профиль, параллельный плоскости полосы.
В вышеупомянутых устройствах отверстия трубчатых сопел находятся на достаточном расстоянии от полосы, чтобы избежать любой возможности контакта с ней, который мог бы оставить след на материале полосы или повредить ее или в результате которого могло бы произойти повреждение трубчатых нагнетательных сопел. Таким образом, на практике, даже в системах с нагнетательными соплами, наклоненными к краям полосы, расстояние между отверстием нагнетательных сопел и полосой редко уменьшается до значения менее 50-100 мм.
Для улучшения характеристик охлаждения необходимо либо существенно уменьшить это расстояние, либо скомпоновать нагнетательную систему таким образом, чтобы получить больший расход, что приводит к повышению стоимости, либо применить оба эти решения, но это повышает риски контакта между полосой и нагнетательными соплами по причине трудно контролируемых колебаний полосы во время ее движения. Таким образом, на практике сталкиваются с конструктивными ограничениями, которые приходится учитывать всем специалистам в данной области.
Наконец, из документа JP-A-2005089772 известна оросительная трубка, изогнутая в виде буквы V и оборудованная трубчатыми соплами, которые имеют одинаковую длину и нагнетают охлаждающую воду на вертикальную стальную полосу.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание устройства для нагнетания газов, в котором устранены недостатки, присущие вышеупомянутым известным системам, позволяющее одновременно оптимизировать термические и аэравлические характеристики нагнетания и минимизировать вибрации или смещения полосы во время ее движения без существенного повышения стоимости установки.
Поставленная задача решена в устройстве для нагнетания газов на поверхность материала движущейся полосы, содержащем по меньшей мере одну полую камеру с множеством трубчатых сопел, направленных к соответствующей стороне полосового материала, причем со стороны, обращенной к соответствующей стороне полосового материала, камера содержит поверхность, профиль которой меняется, по меньшей мере, в данном направлении симметрично по отношению к центральной плоскости, перпендикулярной к плоскости полосы, а трубчатые сопла закреплены на поверхности с переменным профилем таким образом, чтобы их соответствующая ось в основном ортогональна к указанному переменному профилю в рассматриваемой точке, при этом длина трубчатых сопел выбрана так, что их выходные отверстия находятся в одной общей плоскости, по существу параллельной плоскости полосы.
За счет наличия переменного профиля активной поверхности полой камеры или полых камер можно добиться значительного улучшения воздействия газов, не усложняя при этом расположения трубчатых сопел. За счет того, что оси трубчатых сопел по существу перпендикулярны к несущей поверхности, а длина этих сопел адаптирована к переменному профилю, нагнетание газа является однородным по всему обрабатываемому участку, что приводит к лучшему распределению температур в полосовом материале и положительно влияет на устойчивость указанного полосового материала во время его движения независимо от выбранного переменного профиля.
Заданное направление, в котором может меняться профиль, может быть поперечным или, как вариант, параллельным направлению движения полосового материала. В другом варианте профиль может одновременно меняться в направлении, поперечном к направлению движения полосового материала, и в направлении, параллельном указанному направлению движения.
Предпочтительно переменный профиль является профилем в виде двугранного угла, чтобы обеспечить постоянный наклон трубчатых сопел по обе стороны от центральной плоскости. Вышеуказанный двугранный профиль может быть выпуклым или вогнутым, чтобы центральное ребро поверхности с переменным профилем соответствовало наименьшему или наибольшему расстоянию до плоскости полосы в зависимости от требуемого технического эффекта для данного варианта применения. В частности, угол при вершине двугранного профиля может составлять от 150° до 170°.
Как вариант, можно использовать профиль в виде ломаной линии или в виде кривой линии, чтобы получить переменный наклон трубчатых сопел по обе стороны от центральной плоскости.
Предпочтительно отверстия в поверхности с переменным профилем с внутренней стороны полой камеры и на уровне основания каждого трубчатого сопла могут иметь раструб, а отверстие каждого трубчатого сопла на свободном его конце имеет расширение в виде конуса, что является существенным преимуществом с точки зрения снижения потерь напора. Это позволяет использовать очень большое число нагнетательных сопел с целью оптимизации эффективности как с точки зрения аэравлики, так и в термическом плане при разумном расходовании мощности.
Согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления изобретения, устройство содержит две полые камеры, между которыми перемещают полосовой материал, так что нагнетание газа позволяет одновременно обрабатывать обе стороны движущейся полосы, при этом по меньшей мере одна из указанных камер имеет поверхность с переменным профилем для установки соответствующих трубчатых сопел.
Предпочтительно обе полые камеры имеют поверхность с переменным профилем, и эти две поверхности симметричны относительно плоскости прохождения полосы.
Наконец, трубчатые сопла обеих полых камер могут быть установлены таким образом, чтобы точки воздействия газа, нагнетаемого на движущуюся полосу, располагались в шахматном порядке по обе стороны от указанной полосы, когда заданное направление, в котором профиль меняется, является поперечным к направлению движения полосового материала. В случае направления, параллельного направлению движения, можно тоже точки воздействия газа, нагнетаемого на движущуюся полосу, расположить в шахматном порядке, но по длине указанной полосы, а в случае профиля, одновременно меняющегося в поперечном направлении и в направлении, параллельном направлению движения, можно расположить точки воздействия газа в шахматном порядке по ширине и по длине указанной полосы.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из дальнейшего описания со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано устройство для нагнетания газов в соответствии с настоящим изобретением, содержащее в данном случае две полые камеры, между которыми перемещается полосовой материал, при этом каждая камера содержит активную поверхность, оборудованную трубчатыми соплами и имеющую профиль в виде выпуклого двугранного угла, в данном случае меняющийся в направлении, поперечном к направлению движения указанного полосового материала, вид в перспективе;
на фиг.2 - то же, вид сверху;
на фиг.3 - то же, вид сбоку;
на фиг.4 показана активная поверхность одной из полых камер, оборудованная множеством трубчатых сопел, и имеет переменный профиль в данном случае в виде двугранного угла с центральным ребром;
на фиг.5 показана часть двух камер вышеуказанного нагнетательного устройства с двумя находящимися друг против друга профилями в виде выпуклого двугранного угла;
на фиг.6 - то же, но активная поверхность одной из камер выполнена традиционного типа (плоская поверхность);
на фиг.7 - то же, но обе камеры содержат активную поверхность, имеющую профиль в виде выпуклого, а не вогнутого двугранного угла;
на фиг.8 показано расположение трубчатых сопел в шахматном порядке точек их воздействия на движущуюся полосу, вид в увеличенном масштабе;
на фиг.9 - трубчатое сопло, геометрия и расположение которого способствуют снижению потерь напора, вид в разрезе;
на фиг.10 и 11 виды, аналогичные виду на фиг.8, но для других типов переменных профилей, в данном случае профиля в виде ломаной линии и криволинейного профиля, соответственно, для придания трубчатым соплам переменного наклона;
на фиг.12 и 13 показаны виды, аналогичные видам на фиг.1 и 2, но для варианта, согласно которому направление изменения профиля параллельно направлению движения полосового материала;
на фиг.14 и 15 показан другой вариант выполнения устройства, в котором профиль меняется одновременно в поперечном направлении и в направлении, параллельном указанному направлению движения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 показана часть установки, содержащей устройство для нагнетания газов в соответствии с настоящим изобретением, обозначенное общей позицией 10.
По обе стороны от движущегося полосового материала 15, направление движения которого показано стрелкой 100, устройство 10 содержит два конструктивных элемента 11 Ω-образной формы с полками 13. На каждом из конструктивных элементов 11 закреплена полая камера 20, при этом полосовой материал 15 движется между двумя расположенными друг против друга этими полыми камерами.
Каждая полая камера 20 содержит заднюю сторону 21, с которой связан патрубок 12 подачи нагнетаемого газа, а также фронтальную или активную поверхность 22, противоположную стороне 21, обращенную к соответствующей стороне полосового материала 15, и две боковые стороны 23.
Каждая полая камера 20 снабжена множеством трубчатых сопел 30, направленных к соответствующей стороне полосового материала 15.
Поверхность 22 каждой полой камеры 20, обращенная к соответствующей стороне полосового материала 15, имеет профиль Р, меняющийся, по меньшей мере, в направлении D, которое в данном случае является направлением, поперечным к направлению 100 движения полосового материала 15, симметрично по отношению к центральной плоскости Q, перпендикулярной к плоскости полосы 15 (фиг.1). Трубчатые сопла 30 закреплены своими основаниями на поверхности 22 таким образом, что их соответствующая ось по существу перпендикулярна к указанному переменному профилю в рассматриваемой точке (более подробно показано на фиг.9). Кроме того, соответствующая длина l каждого из трубчатых сопел 30 выбрана так, что выходные отверстия указанных сопел лежат в общей плоскости (эта плоскость, обозначенная R, показана на фиг.8), по существу параллельной плоскости полосы 15. Благодаря этому, длина струй идентична по всей ширине полосы и по обе стороны от нее, что способствует оптимальной устойчивости полосы во время движения, а также равномерному распределению температур в указанной полосе. Это может показаться неожиданным для специалиста, так как разные длины (которые при этом являются большими по абсолютной величине) трубчатых сопел практически не изменяют скорость истечения нагнетаемого газа и равномерность его воздействия на указанную полосу, что обеспечивается одинаковой удаленностью отверстий сопел от плоскости полосы.
Согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.1-5, переменный профиль Р является профилем в виде двугранного угла, что обеспечивает постоянный наклон трубчатых сопел 30 по обе стороны от центральной плоскости Q, и этот профиль в виде двугранного угла в данном случае является выпуклым, то есть центральное ребро 24 поверхности 22 с переменным профилем соответствует наименьшему расстоянию от плоскости полосы 15.
В данном варианте используются две полых камеры 20, между которыми перемещается полосовой материал 15, и нагнетаемый газ одновременно обрабатывает две стороны движущейся полосы 15. Показанные на фиг.1-5 полые камеры 20 имеют поверхности с переменным профилем Р в виде выпуклого двугранного угла, и эти две поверхности симметричны по отношению к плоскости полосы 15. Наклон каждой стороны двугранного угла показан углом β (фиг.5), а угол при вершине (тупой угол) обозначен α. В частности, при угле β около 10° возможно выполнение трубчатых сопел 30 длиной от 250 до 300 мм, при этом трубчатые сопла, закрепленные на ребре 24 двугранного угла, в данном случае перпендикулярны к плоскости полосы в центральной плоскости Q и имеют длину l около 100 мм. Промежуток d между осями 35 смежных трубчатых сопел 30 (более детально показаны на фиг.8) в этом случае будет составлять примерно 60 мм.
Профиль Р в виде двугранного угла выпуклого типа может представлять особый интерес, если предпочтение отдается боковому воздействию нагнетаемых газов, поскольку эти газы выходят сбоку в направлении стрелок 101, показанных на фиг.1-5, при этом на фиг.5 показан расходящийся эффект, обеспечиваемый наклонным расположением двух поверхностей 22 с каждой стороны от центральной плоскости Q, причем расширяющийся коридор, естественно, способствует оптимальному боковому воздействию нагнетаемых газов.
Разумеется, как вариант, возможно и другое выполнение двух находящихся друг против друга камер 20, как показано на фиг.6 и 7.
Как показано на фиг.6, только одна из камер 20 содержит поверхность 22 с переменным профилем Р в виде выпуклого двугранного угла, тогда как другая камера 20 имеет традиционную форму поверхности 22, которая является плоской и параллельной плоскости движущейся полосы 15. Здесь тоже достигается вышеуказанный эффект расходящегося бокового воздействия, но он является менее выраженным, чем в варианте, показанном на фиг.5.
Как показано на фиг.7, обе находящиеся друг против друга камеры 20 имеют поверхность с переменным профилем Р, который в данном случае является профилем в виде вогнутого двугранного угла, т.е. центральное ребро 24 поверхности 22 с переменным профилем расположено на наибольшем расстоянии от плоскости полосы 15. Этот вариант выполнения предназначен для умеренных мощностей нагнетания, создающих меньше проблем воздействия газов, и с целью преимущественного обдувания центральной зоны движущейся полосы.
При переменных профилях Р в виде выпуклого или вогнутого двугранного угла в вариантах осуществления, показанных на фиг.5-7, наклон относительно плоскости полосы 15 по обе стороны от центральной плоскости Q соответствует углу β, значение которого, как правило, выбирают между 5° и 15°. Это соответствует углу при вершине двугранного профиля Р, обозначенному α, значение которого находится в пределах от 150° до 170°.
С учетом перпендикулярности оси каждого трубчатого сопла 30 профилю в виде двугранного угла оси трубчатых сопел 30 параллельны одинаковому направлению по обе стороны от центральной плоскости Q.
В некоторых случаях, когда необходимо получить переменный наклон трубчатых сопел 30 по обе стороны от центральной плоскости Q в направлении краев движущейся полосы 15, можно использовать другие типы переменных профилей Р, как показано, например, на фиг.10 и 11.
1
2
3
i
На фиг.10 показан профиль Р' в виде ломаной линии, содержащий три смежные зоны, соответствующие углам β, β, β по отношению к плоскости полосы, при этом углы β предпочтительно возрастают по мере приближения к краям полосы, если более предпочтительным является расходящийся эффект при оптимальном боковом воздействии нагнетаемых газов, что относится, в частности, к случаю, показанному на фиг.5, с профилем в виде выпуклого двугранного угла.
На фиг.11 показан другой профиль Р", который является криволинейным, например, в виде эллипсоиды, при этом ортогональность сохраняется местно у основания каждого из трубчатых сопел 30.
На фиг.8 и 9 более детально показаны расположение и геометрия трубчатых сопел 30, которыми оборудована полая камера 20, активная поверхность которой имеет переменный профиль, в данном случае наклонная активная поверхность, являющаяся частью профиля в виде выпуклого двугранного угла.
Как показано на фиг.8, трубчатые сопла 30 установлены таким образом, чтобы точки 40 воздействия нагнетаемого газа на движущуюся полосу 15 располагались в шахматном порядке с двух сторон указанной полосы. Такое расположение способствует устойчивости полосы во время ее движения, а также равномерности охлаждения в линиях охлаждения металлической полосы за счет создания смежных зон охлаждения с соответствующим перекрыванием с двух сторон движущейся полосы.
На фиг.9 показана пластина дна 25 камеры 20 с одним из его отверстий 26, соответствующим трубчатому соплу 30, ось которого является ортогональной к плоскости этой пластины. Каждое трубчатое сопло 30 закреплено своим основанием 33, и отверстие 26 на уровне этого основания 33 имеет форму раструба 34, радиус которого определяют таким образом, чтобы свести к минимуму потерю напора на уровне прохождения газа через отверстие 26. Кроме того, само трубчатое сопло 30 содержит первую входную часть 31 в виде усеченного конуса, жестко соединенную, в частности, сваркой, с пластиной дна 25, и вторую выходную часть 32 цилиндрической формы, свободный конец 37 которой имеет внутреннее отверстие, конусообразно расширяющееся до выходного отверстия 36. Угол расхождения может составлять, например, около 15°. Эта двойная конусность канала прохождения газов создает эффект сопла, способствующий их течению, и позволяет минимизировать потерю напора.
Возможен также другой вариант (не показан), в котором входная часть 31 в виде усеченного конуса заменена частью, имеющей колоколообразную или воронкообразную форму, сопрягающуюся по касательной с цилиндрической выходной частью 32, что позволяет дополнительно снизить потерю напора.
Выше были представлены варианты установки трубчатых сопел, в которых ось этих сопел перпендикулярна к несущей стенке в продольной вертикальной плоскости в направлении полосы (что показано на фиг.3). Однако в другом варианте выполнения (не показан) оси некоторых трубчатых сопел могут располагаться в основном перпендикулярно к переменному профилю (то есть в направлении, поперечном к направлению движения полосы), но с наклоном в сторону входа или выхода относительно движения полосы. Это несколько усложняет установку соответствующих трубчатых сопел, но зато позволяет еще больше повысить устойчивость полосы.
Как показано на фиг.12 и 13, можно также, чтобы выбрать направление D, в котором меняется профиль Р, не поперечным к направлению движения полосового материала 100, как в предыдущих вариантах, а параллельным этому направлению движения. В этом случае предпочтение отдается аэравлическому эффекту, так как устройство представляет собой отличный продольный стабилизатор для движущейся полосы. Действительно, такая конструкция позволяет лучше контролировать частоты вибраций полосы. Это представляет особенный интерес для применения в системах обдувки при нанесении цинка на стальные полосы.
В этом случае можно располагать точки 40 воздействия нагнетаемого газа на полосу в шахматном порядке по длине указанной полосы, как это показано на фиг.8, 10, 11.
Как показано на фиг.14 и 15, можно также использовать полые камеры, одновременно имеющие профиль Р, меняющийся в поперечном направлении D1, и профиль Р, меняющийся в продольном направлении D2, например, со сторонами, примыкающими к вершине (вершина 24') тупой четырехугольной пирамиды, или с центральной площадкой, что позволит сочетать вышеуказанные технические эффекты в обоих направлениях полосы.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет реализовать очень эффективное устройство для нагнетания газов, которое является при этом простым и экономичным в изготовлении. Конструкция в соответствии с настоящим изобретением позволяет также минимизировать расстояние между полосой и отверстиями трубчатых сопел. Это расстояние может составлять, например, 50 мм, иногда даже меньше при определенных габаритах. Наконец, эта конструкция существенно способствует эффекту предупреждения вибраций и автоматической стабилизации движущейся полосы даже при очень высоких скоростях ее движения.
Кроме того, можно, разумеется, переоборудовать уже существующие установки путем замены полых камер с плоской активной поверхностью полыми камерами с активной поверхностью переменного профиля в соответствии с настоящим изобретением, что позволяет обеспечить эффективность в соответствии с настоящим изобретением.
Как было указано выше, несмотря на то, что предпочтительной областью применения являются линии охлаждения или нанесения покрытий на металлическую полосу, устройство в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать для бумажных полос, которые являются более чувствительными, чем металлические, для сушки, охлаждения или нанесения покрытий.
Изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления и охватывает любые варианты его осуществления, которые при использовании эквивалентных средств обеспечивают указанные выше характеристики.