CN101600519A - 用于在高湍流动态下冷却轧辊的冷却装置和冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于轧制长形或扁平产品的轧机机座，所述轧机机座包括工作轧辊(1、2)和用于冷却所述工作轧辊(1、2)的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包括冷却头，所述冷却头呈箱体(6A、6B)的形状，所述箱体(6A、6B)除位于距所述轧辊(1、2)短距离处的前表面(42)之外，自身基本是密封的；并且，在所述前表面中，多个喷嘴(41)已经按照一确定的网被加工与定位，所述箱体(6A、6B)在其前表面(42)处为凹形和圆柱形。箱体(6A、6B)还设有横板(5、7)和侧板(8)，所述侧板与箱体的前表面(42)相配合，以便保证对冷却液体流的控制以及保证将冷却液体流限定为高湍流垫体的形状。由此随所产生的湍流作用而引起的温度降低，在表面上获得轧辊最佳的均匀的冷却。

Description

用于在高湍流动态下冷却轧辊的冷却装置和冷却方法
技术领域
[01]本发明涉及基于在高湍流流动动态(high turbulence cooling，HTC)用于冷却可能具有变化的直径的轧辊(或滚筒)的新的方法。所述方法被称为高湍流动态的工作滚筒的冷却法(high turbulence work rollcooling，HTRC)。
[02]本发明还涉及使用所述方法的装置。
背景技术
[03]热轧轧辊的加热起因于通过从产品——诸如在轧制过程中的一金属带——开始传导到辊筒的热传递。近几年，轧辊的冷却已经被集中研究，因为轧辊的冷却对由于产生的热疲劳而对于所述轧辊的损害(磨损)和对轧辊的凸起的控制产生非常大的影响。轧辊的损害对于产品的质量具有非常大的影响。
[04]例如在文献JP-A-2001 340908、JP-A-2001 001017、JP-A-07 116714、JP-A-05 104114、JP-A-63 39712、JP-A-61 176411等中描述了轧机机座的工作轧辊的一典型的冷却装置。装有冷却水的管道或模件或容器配备喷射器且围绕各轧辊布置，具有用于供应冷却水的供应部件。用于冷却水的导向板与上轧辊和下轧辊配合设置。所述导向板设有例如覆盖橡胶的一刮刀，所述刮刀连接到各轧辊，用以防止水在轧制过程中在产品上流动。
[05]在工作轧辊的冷却的情况下需要解决的一重要问题在于在宽度上和圆周上获得均匀的冷却。存在的解决方法是，根据由诸如红外线温度计的一传感器提供的数据，独立地调节由冷却模件的不同喷嘴所供给的水流(例如JP-A-12 24105)。另一解决方法在于使用具有喷水孔的喷头，所述喷水孔按照恰当图案沿轴向尺寸和圆周尺寸分布(JP-A-10291011)。第三种解决方法在于使用在侧导向板上具有机动化的喷嘴的喷头(EP-A-0599277)。
[06]最新的设计者一方面认识到尽可能靠近辊缝(rollgap)的喷嘴的影响表现出更大的效率，另一方面认识到由扁平喷嘴的集中冷却对滚筒温度的影响小于对覆盖表面的温度的影响(YE，X.和SAMAVASEKARA，I.V.，The Role of Spray Cooling on Thermal Behaviour and CrownDevelopment in Hot Strip Mill Work Rolls，Transactions of the ISS，July1994，p.49)。在滚筒的输出点附近滚筒冷却的应用的一种可能结果是，滚筒的表面的张力梯度的增加以及烧裂(“fire crazing”)的加剧，但是在滚筒的表面之下具有较低的温度(SEKIMOTO et al，SEAISI Quarterly，April 1997，p.48)。
[07]已知在滚筒冷却中所使用的喷射器(或喷嘴)的类型对HTC值具有重要作用。VAN STEDEN和TELLMAN，在“A new method ofdesigning work roll cooling system for improved productivity and strip quality，Fourth International hot Rolling Conference，Deauville，France，1987”中，当轧辊处于旋转中时，通过在400℃加热后，然后通过喷淋(pulvérisation)水冷却，来测量连接在轧辊上的一板的热反应，已经比较了扁平、四方或椭圆喷射式喷嘴的性能。对于所考虑的喷嘴的范围(gamme)，获得直到140kW/m2.K的值。该项工作已经显示出，与喷淋峰值相关的最高HTC值由扁平喷射类型的喷嘴得到。然而，该项研究显然忽视了以下事实，相同的冷却性能(性能)可以通过具有略低于峰值的HTC值的喷嘴获得，但是其中喷射被施加在滚筒的表面的更大的部分上。因此，注意到文献中存在重要的区别，所述文献同时涉及有关喷嘴的HTC值以及为了有效地冷却滚筒而需要的不同类型的喷嘴的相符性。
[08]确定的是，在扁平带的轧制中，基于扁平喷射式喷嘴的冷却系统可以进一步改进。然而，一旦在高压和高流速下工作，所述改进受到限制且成本很高。
[09]最近几年，在工作轧辊的表面的附近的喷头以及具有流循环(circulation de flux)的喷头的基础上，不同的交替冷却技术已获得专利(例如EP-A-919297、JP-A-11033610)。然而，并未了解所述冷却系统的工业应用。因此，还需了解滚筒冷却装置，在所述滚筒冷却装置中使冷却头成型以保证将水导向到滚筒的表面。喷头的表面与滚筒的表面被一间隔分开，冷却水在该间隔中流动，创造出一种“镶套”(JP-A-61266110、JP-A-63 303609、JP-A-20 84205)。水可以或者被喷头的一端引导，并被另一端排放(JP-A-20 84205)，或者被两端引导且被中心排放(EP-A-919 297)，所述排放穿过喷头自身实施，刮刀系统防止沿滚筒的圆周的渗漏。朝向外部的排放还可以在喷头的一端和滚筒的表面(JP-A-11 277113)之间进行。在文献JP-A-58 047502中，还描述一冷却闸瓦，该冷却闸瓦通过弹簧可变形以适应滚筒的表面。
[10]在所述系统中，不存在分布在冷却头的整个表面上的多个供水喷射器，而通常为单个的喷射器。
[11]专利申请人在1993年已经开始研究更迭冷却技术。试验以在高湍流动态和在低压下(High Turbulence Low Pressure，HTLP)的一冷却头以及位于刮刀之外的一水垫冷却头(Water Pillow Cooling，WPC)实施。所述两项技术允许在滚筒的表面创造出强烈的湍流。以所述方式获得十分均匀的冷却模式。高湍流冷却的预先模拟显示出该项技术对于冷却工作轧辊的潜力。高湍流冷却减少热疲劳以及因此减少工作轧辊的表面的损害。而且，对于在冷却期间被分散的相同热流，该项技术比起用于通过扁平喷射式喷雾冷却的传统构型，需要较小的流速和较小的压力。
发明目的
[12]本发明旨在提供能消除现有技术的缺点的一方法。
[13]特别地，本发明的目的在于提供对轧辊的有效冷却，同时保证减少热疲劳以及因此保证轧辊的表面的较少的损害。
[14]本发明的目的还在于，在等同的热交换下，比现有技术的冷却系统——特别是扁平喷射式冷却系统，需要更小的水流速度和水压力。
[15]本发明的目的还在于设计能被方便地适应直径可变的轧辊上的一冷却装置。
发明内容
[16]本发明的第一目的涉及用于轧制长形或扁平产品的轧机机座，所述轧机机座包括工作轧辊和用于冷却所述工作轧辊的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置包括冷却头，所述冷却头呈箱体的形状，所述箱体除位于距所述轧辊短距离处的前表面之外，自身基本是密封的；并且，在所述前表面中，多个喷嘴已经按照二维图案被加工或定位，设有用于供应冷却液体的供应部件的所述箱体，在其前表面处为凹形和圆柱形，所述前表面具有这样的半径，从而，当所述冷却装置处于工作位置时，沿径向方向的在所述前表面和所述轧辊的表面之间的距离从所述箱体最靠近辊缝的端部开始并远离所述正在轧制的产品地逐渐增大。
[17]按照本发明，所述冷却头配设有一下方的横板，所述下方的横板相对于所述轧辊纵向设置且位于距所述轧辊这样的一距离处：所述下方的横板与所述箱体的所述前表面相配合，以便保证对冷却液体流的控制以及保证将所述冷却液体流按高湍流的垫体的形式加以限定。在所述轧辊直径较小的情况下，下方的横板的存在是必须的。
[18]有利地，所述冷却头还设置有可调节的侧板，所述可调节的侧板被设置在所述轧辊的横向端部一侧且位于距所述轧辊这样的一距离处：所述侧板与所述箱体的所述前表面相配合且与所述下方的横板相配合，以便保证对所述冷却液体流的控制以及保证将所述冷却液体流按高湍流垫体的形式加以限定。
[19]有利地，所述侧板的曲度对应于设备上所使用的轧辊的最大曲度。
[20]按照一优选的实施方式，所述前表面包括一板体或一板材，所述喷嘴被定位或加工在所述板体或板材上，所述喷嘴的开口由小孔构成，所述小孔具有笔直的轴向截面。
[21]再优选地，所述喷嘴的开口具有圆形的、正方形的或椭圆形的横截面。
[22]有利地，所述前表面的圆柱形的凹形表面的半径具有一数值，该数值大于轧辊半径的预定的最大值，所述最大值限制可使用的轧辊尺寸范围。
[23]还按照本发明，所述喷嘴的加工图案被选择成用于：在所述轧辊的整个表面上，尤其是在所述轧辊的宽度上，尽可能均匀地冷却所述轧辊。
[24]有利地，所述喷嘴的加工图案由在所述前表面的所述板中的开口的数量、位置和直径或尺寸确定。
[25]按照另一优选的实施方式，所述开口按照一确定的网进行加工，并且上述图案通过封闭某些开口获得。
[26]有利地，所述冷却液体包括水。
[27]本发明的另一目的涉及轧机机座的工作轧辊的方法，其通过使用按照上述权利要求中任一项所述的冷却装置，冷却所述工作轧辊，所述轧机机座用于轧制一长形产品或扁平产品，尤其是一金属带，其特征在于：
[28]-把所述冷却头设置在所述轧辊的表面附近，以产生介于5mm至200mm之间、位于所述箱体的前表面和所述轧辊的所述表面之间的一空间，所述空间按离开辊缝的方式以及按远离所述正在轧制的产品的方式逐渐增大；
[29]-为所述冷却头供应冷却液体——优选地为水，且通过所述喷嘴，将所述水注射进入所述空间，所述喷嘴具有直径在1mm至6mm之间的开口；
[30]-调节冷却液体的压力到一数值，所述数值介于1巴至6巴之间，且调节比流量介于100m3/小时/m2至500m3/小时/m2之间，以便在上述空间内产生一高湍流动态的液体垫。
[31]优选地，所述箱体内的所述冷却液体的压力小于4巴。
[32]再优选地，所述冷却液体的压力介于2巴至4巴之间。
[33]还按照本发明的方法，调节所述下方的横板和所述轧辊之间的距离，以便在所述缝隙中获得介于2m/s至10m/s、且优选地大于3m/s的液体比流量。
[34]优选地，调节所述侧板以具有介于0mm至10mm之间的最小开口度。
附图说明
[35]图1A和1B示意性示出两实施方式，其显示了现有技术的(扁平喷嘴)在热轧线上的工作轧辊的冷却头的原理。
[36]图2A至2D示意性示出多种实施方式，其显示了在本发明的情况下(高湍流冷却)这样一种冷却头的原理。
[37]图3用图表示出，分别在8巴的压力下的一传统设备中，以及在2.4巴的压力下、具有水导向板的本发明的HTRC设备的情况下，在工作轧辊的不同位置随时间推移的温度的变化。
[38]图4显示HTRC冷却头的工业安装。
[39]图5通过与现有技术的在高压下的扁平喷射式冷却相比较，用图表显示本发明的设备在低压下的冷却性能(仅在下轧辊处)。
[40]图6显示分别在3种HTRC构型和现有技术的构型的情况下的上轧辊和下轧辊的表面的损害。
[41]图7显示通过分别使用现有技术的冷却(左图)和本发明的HTRC冷却(右图)，在轧制运动之后的轧辊的表面的状态。
已有技术的一实施方式描述
[42]图1A和1B示意性显示现有技术的用于轧制机中的工作滚筒的一冷却设备，且在该示例中，所述冷却设备或者具有安装在独立管道上的喷嘴(图1A)，或者具有安设在一模件上的喷嘴(图1B)。一对滚筒包括一上滚筒1和一下滚筒2，两滚筒在相反的方向上旋转，以驱使钢带3前进。一冷却装置4A位于上滚筒处，所述冷却装置4A具有调节配件，所述调节配件设有面对上滚筒1的扁平喷嘴40。一冷却装置4B位于下滚筒处，所述冷却装置4B具有调节配件，所述调节配件设有面对下滚筒2的扁平喷嘴40。
[43]在图1A的装置中，喷嘴被设置在4管道上，而在图1B的装置中，喷嘴被安设在模件4A、4B上。
[44]通常，喷嘴和轧辊之间的距离为150mm-500mm，这不允许使用具有唯一的冷却装置的不同直径的轧辊。
本发明多个优选的实施方式描述
[45]按照本发明，如图2A至2D所示，冷却头被设计成使用WPC技术，即目的在于，在冷却头和工作滚筒的表面之间创造高湍流垫体。通过由专利申请人开发的直线喷射式喷嘴在低压下在垫体内注射水产生湍流。
[46]按照图2A至2D，本发明的冷却设备由面对上滚筒1的一上箱体6A和面对下滚筒2的一下箱体6B组成。各箱体6A和6B包括与相应的滚筒1、2相对的一凹形表面42。该凹形表面42由一壁构成，该壁设有多个尺寸确定的开口，所述开口形成直线形喷嘴41且形成一确定的图案。有利地，在上轧辊1的情况下，凹形表面42可以比在下轧辊2的情况下，覆盖圆周的更大部分。
[47]垫体在由滚筒和冷却头限定的空间中形成，但是，如有必要，也在由一下方的横向导向板7(图2B)和/或横向导向板5、7和侧导向板8(图2C和2D)限定的空间中形成。可能地，侧导向板8可以根据滚筒的直径，以可调节的方式被安装。垫体的性质还可以根据水流量变化。加热的水通过重力或在压力作用下，在轧辊和导向板之间的空隙处流向外部，而无需附加的排放装置。
[48]冷却头的形状以及直线喷射式喷嘴的分布图案对目前的开发是特定的，尤其涉及到为了对滚筒轮廓的控制、维修以及工作滚筒的偏移和曲度的要求，而需要考虑直径的变化、工作滚筒的自动更换的情况。——
[49]按照本发明，冷却头的形状被加工用于取得靠近辊缝(emprise)的强力冷却。喷头的表面和工作滚筒的表面之间的距离因此按朝喷头的最靠近辊缝9的端部方向降低，其中，在该端部处该距离最小。为了考虑直径的变化，冷却头的凹形部分的半径需要比工作滚筒的可能的最大半径更大。而且，如已所述，已经设置合适的横板5、7和侧板8，用于控制水流，但也用于保证垫体的形成和稳定，(图2C和2D)。
[50]通过考虑在工作滚筒的整个宽度上水的不同分布，直线喷射式喷嘴的分布图案已被选择成获得垫体内湍流的最佳的均匀度并且也被选择成控制热进化和轧辊凸起。
[51]图3显示低温管(Cryotron)探头随时间变化的温度降低的比较，该低温管探头被用来在8巴的水压力下工作的带有扁平喷嘴的传统冷却设备21(灰色表示)和在2.4巴的水压力下工作(仅在下轧辊处)的具有诸如以上所述的板的本发明的冷却设备22(黑色表示)之间确定传递系数(coefficient de transfert)。在对应轧辊的圆周上的不同测量点的各情况下，已经描绘出不同的曲线。图3显示，在本发明的装置的情况下，具有更大的冷却均匀度。
[52]用具有一HRTC喷头样机的热轧机已经成功实施工业试验(见图4，在下轧辊上的HTRC模件和在上轧辊上的传统的冷却模件)。新系统的主要优点在于，能耗较低、冷却水分布均匀、更大的冷却性能以及在轧辊表面处测量到的温度中的较小的分散度。
[53]图5根据从发动机一侧开始计算的滚筒上的宽度的测量位置显示下轧辊和上轧辊之间的温度差(正方形：下轧辊上的HTRC；三角形：现有技术)。性能十分相似。如果同时在上轧辊和下轧辊处进行HTRC冷却，相对于以现有技术的系统(未示出)获得的性能，轧辊温度低至少7℃。
[54]与现有技术的冷却系统相比较，更小的且有利地介于2巴和4巴之间的水流压力已经足够。这允许例如在一年的周期内大量的节约。
[55]从第一试验开始，通过使用本发明的冷却设备，已经发现工作滚筒的较少的磨损的趋势。图6显示冷却对工作滚筒(图4的设备)的表面退化的影响。四张上方的图对应于现有技术的以扁平喷嘴对上滚筒的冷却。下方的1、2和4号图对应于本发明的下滚筒的冷却；3号图对应于现有技术的下滚筒的冷却。图7详细显示，在一典型的轧制运动之后，上滚筒(经典冷却，左侧)和下滚筒(HTRC冷却，右侧)的各自的表面状态。
[56]最近，已经实施一新项目以确定在轧制长形产品的情况下的HTC冷却程度。

Claims (16)

1.用于轧制长形或扁平产品的轧机机座，所述轧机机座包括工作轧辊(1、2)和用于冷却所述工作轧辊(1、2)的冷却装置，
其特征在于，所述冷却装置包括冷却头，所述冷却头呈箱体(6A、6B)的形状，所述箱体(6A、6B)除位于距所述轧辊(1、2)短距离处的前表面(42)之外，自身基本是密封的；并且，在所述前表面(42)中，多个喷嘴(41)已经按照二维图案被加工或定位，设有用于供应冷却液体的供应部件的所述箱体(6A、6B)，在其前表面(42)处为凹形和圆柱形，所述前表面(42)具有这样的半径，从而，当所述冷却装置处于工作位置时，沿径向方向的在所述前表面(42)和所述轧辊(1、2)的表面之间的距离从所述箱体(6A、6B)最靠近辊缝(9)的端部开始并远离所述正在轧制的产品地逐渐增大。
2.按照权利要求1所述的轧机机座，其特征在于，所述冷却头(6A、6B)配设有一下方的横板(5、7)，所述下方的横板(5、7)相对于所述轧辊(1、2)纵向设置且位于距所述轧辊(1、2)这样的一距离处：所述下方的横板(5、7)与所述箱体的所述前表面(42)相配合，以便保证对冷却液体流的控制以及保证将所述冷却液体流按高湍流的垫体的形式加以限定。
3.按照权利要求2所述的轧机机座，其特征在于，所述冷却头(6A，6B)还设置有可调节的侧板(8)，所述可调节的侧板(8)被设置在所述轧辊(1、2)的横向端部一侧且位于距所述轧辊(1、2)这样的一距离处：所述侧板(8)与所述箱体的所述前表面(42)相配合且与所述下方的横板(5、7)相配合，以便保证对所述冷却液体流的控制以及保证将所述冷却液体流按高湍流垫体的形式加以限定。
4.按照权利要求3所述的轧机机座，其特征在于，所述侧板(8)的曲度对应于设备上所使用的轧辊(1、2)的最大曲度。
5.按照上述权利要求中任一项所述的轧机机座，其特征在于，所述前表面(42)包括一板体或一板材，所述喷嘴(41)被定位或加工在所述板体或板材上，所述喷嘴的开口由小孔构成，所述小孔具有笔直的轴向截面。
6.按照权利要求5所述的轧机机座，其特征在于，所述喷嘴(41)的开口具有圆形的、正方形的或椭圆形的横截面。
7.按照上述权利要求中任一项所述的轧机机座，其特征在于，所述前表面(42)的圆柱形的凹形表面的半径具有一数值，该数值大于轧辊(1、2)半径的预定的最大值，所述最大值限制可使用的轧辊尺寸范围。
8.按照上述权利要求中任一项所述的轧机机座，其特征在于，所述喷嘴(41)的加工图案被选择成用于：在所述轧辊(1、2)的整个表面上，尤其是在所述轧辊的宽度上，尽可能均匀地冷却所述轧辊。
9.按照权利要求5至8中任一项所述的轧机机座，其特征在于，所述喷嘴(41)的加工图案由在所述前表面(42)的所述板中的开口的数量、位置和直径或尺寸确定。
10.按照权利要求9所述的轧机机座，其特征在于，所述开口按照一确定的网进行加工，并且上述图案通过封闭某些开口获得。
11.按照上述权利要求中任一项所述的轧机机座，其特征在于，所述冷却液体包括水。
12.轧机机座的工作轧辊的方法，其通过使用按照上述权利要求中任一项所述的冷却装置，冷却所述工作轧辊，所述轧机机座用于轧制一长形产品或扁平产品，尤其是一金属带(3)，其特征在于：
-把所述冷却头设置在所述轧辊的表面附近，以产生介于5mm至200mm之间、位于所述箱体(6A、6B)的前表面(42)和所述轧辊(1、2)的所述表面之间的一空间，所述空间按离开辊缝(9)的方式以及按远离所述正在轧制的产品的方式逐渐增大；
-为所述冷却头供应冷却液体——优选地为水，且通过所述喷嘴(41)，将所述水注射进入所述空间，所述喷嘴(41)具有直径在1mm至6mm之间的开口；
-调节冷却液体的压力到一数值，所述数值介于1巴至6巴之间，且调节比流量介于100m3/小时/m2至500m3/小时/m2之间，以便在上述空间内产生一高湍流动态的液体垫。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，所述箱体(6A、6B)内的所述冷却液体的压力小于4巴。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，所述冷却液体的压力介于2巴至4巴之间。
15.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，调节所述下方的横板(5、7)和所述轧辊(1、2)之间的距离，以便在所述缝隙中获得介于2m/s至10m/s、且优选地大于3m/s的液体比流量。
16.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，调节所述侧板以具有介于0mm至10mm之间的最小开口度。
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