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C 2503.-Dispositif de refroidissement d'un élément cylindrique en défilement.
La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un élément cylindrique en défilement, tel qu'un tube métallique, permettant d'opérer un refroidissement homogène de cet élément cylindrique.
La description qui va suivre se réfère plus particulièrement au refroidissement d'un tube d'acier à la sortie d'un laminoir réducteur. Il va de soi que cette application particulière n'a été choisie que dans le simple but d'illustrer l'invention sans aucun effet de limitation à l'égard de celle-ci. Le dispositif de l'invention est utilisable pour le refroidissement de tout type d'élément cylindrique, plein ou creux, en métal ferreux ou non ferreux, susceptible de subir le traitement considéré.
Par élément cylindrique en défilement, on entend ici un produit de forme allongée, par exemple une barre ou un tube, qui se déplace par translation le long de son axe longitudinal sans tourner autour de cet axe.
On connaît déjà, par le document BE-A-08801224, un dispositif de refroidissement d'un élément cylindrique en défilement, qui comporte une enveloppe disposée autour d'un conduit tubulaire perforé, avec lequel elle forme une chambre annulaire entourant l'élément cylindrique à refroidir. Le conduit tubulaire présente des perforations livrant passage au liquide de refroidissement de l'élément cylindrique. Les perforations sont disposées en couronnes planes perpendiculaires à l'axe longitudinal du conduit tubulaire, à égale distance dans chaque couronne, et chaque couronne est angulairement décalée par rapport à la couronne voisine.
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Dans la variante la plus courante de ce dispositif connu, les différentes couronnes de perforations sont décalées angulairement l'une par rapport à l'autre d'un angle constant et elles sont en outre équidistantes dans le sens longitudinal du conduit tubulaire.
De cette façon, les perforations sont disposées suivant des hélices régulières dans la paroi de ce conduit tubulaire. Ce dispositif permet d'opérer un refroidissement, éventuellement intense, de l'élément cylindrique qui le traverse.
Dans la pratique industrielle, on constate cependant que l'inten- sité de ce refroidissement n'est pas toujours répartie de manière uniforme selon le pourtour de l'élément cylindrique. Il peut en résulter une hétérogénéité dans la microstructure de la couche superficielle de cet élément. Cet effet est particulièrement sensible lors du traitement de trempe et auto-revenu de tubes d'épaisseur relativement faible, par exemple inférieure à 5 mm. On observe en effet la présence d'îlots de martensite revenue ayant l'épaisseur désirée, formés aux endroits de la surface du tube refroidis par les jets d'eau provenant des perforations qui constituent les premières couronnes rencontrées par le tube.
Entre ces îlots, l'épaisseur de la couche de martensite revenue peut être moindre, et quelquefois même nulle, ce qui influence de manière défavorable les propriétés et donc le comportement du tube.
La présente invention a pour objet de proposer un dispositif de refroidissement du type précité, dans lequel les perforations sont disposées de façon à garantir l'homogénéité de l'intensité du refroidissement sur toute la périphérie de l'élément cylindrique en défilement.
Conformément à la présente invention, un dispositif de refroidissement d'un élément cylindrique en défilement, qui comporte un conduit tubulaire rectiligne ouvert à ses extrémités, à l'intérieur duquel passe ledit élément cylindrique à refroidir, ledit conduit tubulaire étant percé d'une pluralité de passages disposés en couronnes planes, perpendiculaires à l'axe longitudinal dudit conduit tubulaire et angulairement décalées l'une par rapport à l'autre,
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est caractérisé en ce que, vu dans le sens de défilement dudit élément cylindrique, chaque passage appartenant à une quelconque desdites couronnes, à l'exception de la première,
est situé sensiblement au milieu de la distance circonférentielle séparant les génératrices dudit conduit tubulaire qui passent par deux passages angulairement successifs dans l'ensemble des couronnes précédant ladite quelconque couronne.
Selon une réalisation particulière de ce dispositif, toutes lesdites couronnes comprennent le même nombre de passages et elles sont de préférence disposées à égale distance l'une de l'autre.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdites couronnes sont divisées en groupes qui se succèdent dans le sens de défilement dudit élément cylindrique, chaque groupe comprenant un nombre de couronnes suffisant pour que ledit groupe comporte un passage situé au milieu de chacune des distances circonférentielles séparant les génératrices qui passent par deux passages angulairement successifs dans l'ensemble des couronnes précédant ledit groupe.
De manière connue en soi ledit conduit tubulaire peut être entouré par une enveloppe avec laquelle il forme une chambre annulaire coaxiale à l'élément cylindrique à refroidir.
Selon une autre variante, les perforations dudit conduit tubulaire peuvent être raccordées, individuellement ou en nombre quelconque, à des moyens d'alimentation en liquide de refroidissement, tels que des tuyaux flexibles et des vannes de réglage de débit.
D'autres particularités de l'invention pourront encore apparaître dans la description qui va suivre, consacrée à un mode de réalisation particulier du dispositif de l'invention qui est illustré dans les dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 montre une vue en perspective d'un conduit tubulaire réalisé conformément à l'invention ; et la Fig. 2 présente une vue développée d'une portion du conduit tubulaire de la Figure 1, précisant les dispositions
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relatives des passages dans les différentes couronnes.
Ces figures constituent des représentations schématiques, volontairement limitées au conduit tubulaire perforé proprement dit, et dans lesquelles les mêmes éléments sont toujours désignés par les mêmes repères.
La figure 1 montre une vue en perspective d'un conduit tubulaire (1), pourvu de huit couronnes (CI - C8) comprenant chacune douze passages équidistants. Ces passages sont numérotés à partir de la génératrice supérieure (2) du conduit tubulaire (1), prise comme génératrice de référence ; ils sont comptés dans le sens horaire, vu dans le sens de la flèche (3) indiquant le sens de défilement de l'élément cylindrique, et ils sont désignés par les repères (Cl. 01,
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Cl. 02,... Cl. 12 ; C2. 01, C2. 02... ;... ; C8. 01, C8. 02...) selon la couronne à laquelle ils appartiennent.
La disposition relative des passages du liquide de refroidissement sera décrite en se référant à la portion dudit conduit tubulaire (1), délimitée par un trait gras dans le dessin de la Figure 1. En raison de la symétrie axiale du conduit tubulaire d'une part et de l'élément cylindrique d'autre part, il est clair que cette disposition se répète sur toute la périphérie dudit conduit tubulaire (1).
La portion précitée du conduit tubulaire (1) est représentée en une vue développée dans la Figure 2.
En direction axiale, la portion représentée comprend les huit couronnes précitées (Cl-C8) ; en direction circonférentielle, considérée à la première couronne (CI), elle s'étend du premier passage (Cl. 01), situé sur la génératrice de référence (2), jusqu'au milieu de la distance séparant les passages (Cl. 04) et (Cl. 05). Comme les couronnes comprennent chacune douze passages dans l'exemple représenté, deux passages voisins, dans une même couronne, sont séparés par un arc de 30-, et la portion représentée dans la Figure 2 couvre un arc de 105'.
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En toute généralité, une couronne comprenant n passages conduit à un écartement angulaire a = 360*/n entre deux passages voisins.
La première couronne (Cl) sert de référence pour la disposition des passages des couronnes suivantes. Dans toutes les couronnes, les passages (Ci. 01 à Ci. 12) sont distribués de manière uniforme ; seul le décalage angulaire des couronnes varie pour respecter la condition précitée.
La deuxième couronne (C2) est disposée de telle façon que ses passages (C2.01 à C2.12) soient respectivement situés au milieu d'un arc séparant deux passages voisins de la première couronne. La deuxième couronne est donc décalée d'un angle de 15 dans le sens horaire par rapport à la première couronne. L'ensemble formé par les première et deuxième couronnes présente une distribution uniforme des passages de liquide de refroidissement, qui sont ainsi angulairement espacés de 15., si l'on regarde dans le sens de la flèche (3).
La deuxième couronne (C2) constitue ainsi, à elle seule, un premier groupe (Gl) de couronnes dont les passages sont situés au milieu des distances circonférentielles séparant les génératrices qui passent par deux passages angulairement successifs dans l'ensemble des couronnes précédentes, suivant la caractéristique de la présente invention.
De manière analogue, la couronne (C3) est décalée par rapport à la couronne de référence (Cl), d'un angle tel, ici 22*30', que chacun de ses passages (C3.01 à C3.12) se situe au milieu d'une distance circonférentielle séparant les génératrices qui passent par deux passages angulairement successifs dans l'ensemble des couronnes (Cl) et (C2) ; dans le présent exemple, le passage (C3. 01) est situé entre (C2. 01) et (Cl. 02), (C3.02) est situé entre (C2.02) et (Cl. 03), etc.
A son tour la couronne (C4) est décalée, par rapport à la couronne de référence (Cl), d'un angle tel, ici 7*30', que chacun de ses passages (C4.01 à C4. 12) soit situé au milieu de la distance-
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circonférentielle séparant les génératrices qui passent par deux autres passages angulairement successifs dans l'ensemble des couronnes (Cl) et (C2) ; dans le présent exemple, le passage (C4.01) est situé entre (Cl. 01) et (C2.01), (C4.02) est situé entre (Cl. 02) et (C2.02), etc.
De ce fait, l'ensemble des passages des couronnes (C3) et (C4) assurent la division de toutes les distances circonférentielles séparant les génératrices qui passent par les passages de l'ensemble des couronnes précédentes ; ils conduisent ainsi à une distribution uniforme des passages de liquide de refroidissement, avec des distances d'écartement de ces passages égales au quart de la distance séparant deux passages de la couronne de référence (Cl). Les couronnes (C3) et (C4) constituent dès lors un deuxième groupe (G2) de couronnes respectant la caractéristique de la présente invention. Il faut d'ailleurs noter que les couronnes (C3) et (C4) peuvent être interchangées sans modifier la répartition globale des passages à la sortie du deuxième groupe (G2).
Le même raisonnement montre que les distances circonférentielles séparant les passages de l'ensemble des couronnes (Cl à C4) peuvent à leur tour être divisées en deux, cette fois au moyen de quatre couronnes successives (C5 à C8). Ces quatre couronnes de passages, dont l'ordre peut être modifié sans inconvénient, constituent un troisième groupe (G3) de couronnes respectant la condition fondamentale de la présente invention.
Il est évidemment possible d'accroître encore la densité de distribution angulaire desdits passages dans le conduit tubulaire (1). Il suffit d'ajouter un ou plusieurs autres groupes de couronnes à la suite des groupes précités. A titre d'exemple, on a schématisé en trait d'axe un prolongement du conduit tubulaire (1), où l'on a indiqué la position des premiers passages appartenant à deux couronnes (C9) et (CIO) d'un quatrième groupe (G4). Suivant le raisonnement exposé plus haut, ce groupe (G4) doit comporter huit couronnes pour assurer une division supplémentaire et complète, suivant la présente invention, de toutes les distances circonféren-
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tielles existant à la sortie du groupe (G3).
Le grand avantage de la subdivision des couronnes en groupes successifs, qui vient d'être décrite, est qu'elle assure le respect de la condition de base de l'invention chaque fois que l'un desdits groupes de couronnes est complet.
La disposition des passages du liquide de refroidissement dans le conduit tubulaire (1) conduit à une distribution angulaire uniforme de ces passages, vue dans le sens de défilement de l'élément cylindrique à refroidir. Il en résulte un refroidissement d'intensité uniforme, même dans le cas des tubes minces.
L'invention n'est cependant pas limitée au mode de réalisation qui a été décrit et illustré. En particulier, on pourrait rassembler dans une même couronne au moins une partie des passages appartenant à au moins deux couronnes d'un même groupe sans perdre l'avantage de la subdivision par groupe. Ce rassemblement pourrait même porter sur au moins une partie des passages appartenant à des groupes différents, si l'on renonce à l'avantage précité. Il est également possible, sans sortir du cadre de l'invention, de modifier les distances axiales entre les diverses couronnes de façon à disposer les passages suivant des lignes hélicoïdales tout en respectant les conditions de la présente invention.
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C 2503.-Cooling device for a scrolling cylindrical element.
The present invention relates to a device for cooling a cylindrical element in movement, such as a metal tube, making it possible to operate a homogeneous cooling of this cylindrical element.
The following description refers more particularly to the cooling of a steel tube at the outlet of a reducing rolling mill. It goes without saying that this particular application was chosen only for the simple purpose of illustrating the invention without any limiting effect with regard thereto. The device of the invention can be used for cooling any type of cylindrical element, solid or hollow, made of ferrous or non-ferrous metal, capable of undergoing the treatment considered.
The expression “cylindrical element in movement” is understood here to mean a product of elongated shape, for example a bar or a tube, which moves by translation along its longitudinal axis without turning around this axis.
Already known from document BE-A-08801224, a device for cooling a scrolling cylindrical element, which comprises an envelope disposed around a perforated tubular conduit, with which it forms an annular chamber surrounding the cylindrical element to cool. The tubular conduit has perforations providing passage to the coolant of the cylindrical element. The perforations are arranged in flat rings perpendicular to the longitudinal axis of the tubular conduit, at equal distance in each ring, and each ring is angularly offset with respect to the neighboring ring.
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In the most common variant of this known device, the various perforation rings are angularly offset with respect to each other by a constant angle and they are also equidistant in the longitudinal direction of the tubular conduit.
In this way, the perforations are arranged in regular helices in the wall of this tubular conduit. This device makes it possible to operate a cooling, possibly intense, of the cylindrical element which passes through it.
In industrial practice, however, it can be seen that the intensity of this cooling is not always distributed uniformly around the periphery of the cylindrical element. This may result in heterogeneity in the microstructure of the surface layer of this element. This effect is particularly noticeable during the quenching and self-tempering treatment of tubes of relatively small thickness, for example less than 5 mm. In fact, the presence of islands of returned martensite having the desired thickness is observed, formed at the locations on the surface of the tube cooled by the water jets coming from the perforations which constitute the first crowns encountered by the tube.
Between these islands, the thickness of the returned martensite layer may be less, and sometimes even zero, which adversely affects the properties and therefore the behavior of the tube.
The object of the present invention is to provide a cooling device of the aforementioned type, in which the perforations are arranged so as to guarantee the homogeneity of the intensity of the cooling over the entire periphery of the cylindrical element in movement.
According to the present invention, a device for cooling a cylindrical element in movement, which comprises a straight tubular duct open at its ends, inside which passes said cylindrical element to be cooled, said tubular duct being pierced with a plurality passages arranged in flat rings, perpendicular to the longitudinal axis of said tubular conduit and angularly offset with respect to each other,
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is characterized in that, seen in the direction of travel of said cylindrical element, each passage belonging to any one of said crowns, with the exception of the first,
is located substantially in the middle of the circumferential distance separating the generatrices of said tubular conduit which pass through two angularly successive passages in the set of crowns preceding said any crown.
According to a particular embodiment of this device, all of said crowns comprise the same number of passages and they are preferably arranged at equal distance from each other.
According to another characteristic of the invention, said rings are divided into successive groups in the direction of travel of said cylindrical element, each group comprising a number of rings sufficient for said group to have a passage located in the middle of each of the circumferential distances separating the generators which pass through two angularly successive passages in the set of crowns preceding said group.
In a manner known per se, said tubular conduit can be surrounded by an envelope with which it forms an annular chamber coaxial with the cylindrical element to be cooled.
According to another variant, the perforations of said tubular conduit can be connected, individually or in any number, to means for supplying coolant, such as flexible pipes and flow control valves.
Other features of the invention may also appear in the description which follows, devoted to a particular embodiment of the device of the invention which is illustrated in the accompanying drawings, in which FIG. 1 shows a perspective view of a tubular conduit produced in accordance with the invention; and Fig. 2 presents a developed view of a portion of the tubular conduit of FIG. 1, specifying the arrangements
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relative passages in the different crowns.
These figures constitute schematic representations, deliberately limited to the perforated tubular conduit proper, and in which the same elements are always designated by the same references.
Figure 1 shows a perspective view of a tubular conduit (1), provided with eight rings (CI - C8) each comprising twelve equidistant passages. These passages are numbered from the upper generator (2) of the tubular conduit (1), taken as a reference generator; they are counted clockwise, seen in the direction of the arrow (3) indicating the direction of travel of the cylindrical element, and they are designated by the marks (Cl. 01,
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Cl. 02, ... Cl. 12; C2. 01, C2. 02 ...; ...; C8. 01, C8. 02 ...) according to the crown to which they belong.
The relative arrangement of the coolant passages will be described with reference to the portion of said tubular conduit (1), delimited by a bold line in the drawing of Figure 1. Due to the axial symmetry of the tubular conduit on the one hand and of the cylindrical element on the other hand, it is clear that this arrangement is repeated over the entire periphery of said tubular conduit (1).
The aforementioned portion of the tubular conduit (1) is shown in a view developed in Figure 2.
In the axial direction, the portion shown comprises the above-mentioned eight crowns (Cl-C8); in the circumferential direction, considered at the first crown (CI), it extends from the first passage (Cl. 01), located on the reference generator (2), to the middle of the distance separating the passages (Cl. 04 ) and (Cl. 05). As the crowns each comprise twelve passages in the example shown, two neighboring passages, in the same crown, are separated by an arc of 30-, and the portion shown in Figure 2 covers an arc of 105 '.
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In general, a ring comprising n passages leads to an angular spacing a = 360 * / n between two neighboring passages.
The first crown (Cl) serves as a reference for the arrangement of the passages of the following crowns. In all the crowns, the passages (Ci. 01 to Ci. 12) are distributed uniformly; only the angular offset of the crowns varies to meet the above condition.
The second ring (C2) is arranged such that its passages (C2.01 to C2.12) are respectively located in the middle of an arc separating two neighboring passages from the first ring. The second ring is therefore offset by an angle of 15 clockwise with respect to the first ring. The assembly formed by the first and second rings has a uniform distribution of the coolant passages, which are thus angularly spaced by 15., if one looks in the direction of the arrow (3).
The second ring (C2) thus constitutes, by itself, a first group (Gl) of rings whose passages are located in the middle of the circumferential distances separating the generatrices which pass through two angularly successive passages in all of the preceding crowns, according to the feature of the present invention.
Similarly, the crown (C3) is offset with respect to the reference crown (Cl), by an angle such, here 22 * 30 ', that each of its passages (C3.01 to C3.12) is located in the middle of a circumferential distance separating the generatrices which pass through two angularly successive passages in the set of crowns (Cl) and (C2); in the present example, the passage (C3. 01) is located between (C2. 01) and (Cl. 02), (C3.02) is located between (C2.02) and (Cl. 03), etc.
In turn the crown (C4) is offset, with respect to the reference crown (Cl), by an angle such, here 7 * 30 ', that each of its passages (C4.01 to C4. 12) is located in the middle of the distance-
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circumferential separating the generatrices which pass through two other angularly successive passages in the set of crowns (Cl) and (C2); in the present example, the passage (C4.01) is located between (Cl. 01) and (C2.01), (C4.02) is located between (Cl. 02) and (C2.02), etc.
Therefore, all of the passages of the crowns (C3) and (C4) ensure the division of all the circumferential distances separating the generatrices which pass through the passages of all of the preceding crowns; they thus lead to a uniform distribution of the coolant passages, with spacing distances between these passages equal to a quarter of the distance separating two passages from the reference ring (Cl). The crowns (C3) and (C4) therefore constitute a second group (G2) of crowns respecting the characteristic of the present invention. It should also be noted that the rings (C3) and (C4) can be interchanged without modifying the overall distribution of passages at the exit of the second group (G2).
The same reasoning shows that the circumferential distances separating the passages from the set of crowns (C1 to C4) can in turn be divided into two, this time by means of four successive crowns (C5 to C8). These four passage crowns, the order of which can be modified without disadvantage, constitute a third group (G3) of crowns meeting the fundamental condition of the present invention.
It is obviously possible to further increase the angular distribution density of said passages in the tubular conduit (1). It suffices to add one or more other groups of crowns after the aforementioned groups. As an example, an extension of the tubular conduit (1) is shown diagrammatically in axis, where the position of the first passages belonging to two crowns (C9) and (CIO) of a fourth group has been indicated. (G4). According to the reasoning explained above, this group (G4) must include eight crowns to ensure an additional and complete division, according to the present invention, of all the circumferential distances.
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existing at the exit of the group (G3).
The great advantage of the subdivision of the crowns into successive groups, which has just been described, is that it ensures compliance with the basic condition of the invention each time one of said groups of crowns is complete.
The arrangement of the coolant passages in the tubular conduit (1) leads to a uniform angular distribution of these passages, seen in the direction of travel of the cylindrical element to be cooled. This results in uniform intensity cooling, even in the case of thin tubes.
The invention is however not limited to the embodiment which has been described and illustrated. In particular, one could gather in the same crown at least a portion of the passages belonging to at least two crowns of the same group without losing the advantage of the subdivision by group. This gathering could even relate to at least part of the passages belonging to different groups, if the above-mentioned advantage is renounced. It is also possible, without departing from the scope of the invention, to modify the axial distances between the various crowns so as to arrange the passages along helical lines while respecting the conditions of the present invention.