CN102025296A - 热回收装置 - Google Patents

Abstract

一种回收热轧生产线中金属材料的处理发出的热并将其作为电力储存的热回收装置。加热轧制金属材料(100)的热轧生产线(20)的热回收装置(10)包括：热电转换装置(11)，其将热轧生产线(20)中金属材料(100)的处理发出的热转换成电力；以及电力储存装置(12)，其储存由热电转换装置(11)转换得到的电力。

Description

热回收装置

技术领域

本发明涉及一种加工金属材料的热轧生产线的热回收装置。

背景技术

作为轧制金属材料的轧制生产线，有制造钢铁板的薄板热轧、厚板轧制、冷轧的生产线，钢铁的型钢轧制、棒钢、线材的轧制生产线，及铝和铜的轧制生产线等。这其中，消耗大量能量的轧制生产线是热轧生产线。这是由于在热轧生产线中，将作为处理对象的金属材料加热至高温使其变软后，让其产生大的变形的缘故。特别地，薄板热轧生产线和厚板热轧生产线的工厂本身就很大，消耗能量大。

从热轧生产线的高温金属材料产生的热能的回收和再利用现在还远远没有做到。各轧制工序中，来自金属材料的辐射和对流产生的热能只是加热了周围的空气。此外，冷却中使用的水所含有的热很少被回收再利用，回收的水大多只是在工厂的外部被冷却。

近年来，为了回收冷却水中含有的热，提出了轧制设备的冷却装置及热回收装置(例如参照专利文献1)。例如自治体运营的垃圾焚烧工厂中，在用焚烧垃圾产生的热将水加热得到足够高温的水的情形下，有时能使水变成蒸汽后驱动叶轮旋转，用于发电。此外，100℃以下的低温的水有时可提供给靠近垃圾焚烧工厂的温泉设施等。

专利文献1：日本专利特开2000-15322号公报

但是，即便回收热轧生产线的热，一般也很难直接再利用。在能获得足够高温的水等的情形下，有时可以产生高温蒸汽用于发电，但在不能获得足够高温的水和媒介物的情形下，热的再利用非常困难。一般来说，除了在温泉设施再利用等特殊的情形以外，将热转换成电力时作为能量形态利用的自由度高。电力也是难于储存的能量形态，但最近也在开发高性能的2次电池等电力储存装置。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种回收热轧生产线中金属材料的处理发出的热并将其作为电力储存的热回收装置。

本发明的一实施方式是加热轧制金属材料的热轧生产线的热回收装置，包括：热电转换装置，其将热轧生产线中金属材料的处理发出的热转换成电力；以及电力储存装置，其储存由热电转换装置转换得到的电力。

本发明能提供一种回收热轧生产线中金属材料的处理发出的热并将其作为电力储存的热回收装置。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的热回收装置的结构的示意图。

图2是表示本发明第一实施方式的热回收装置的热电转换装置的配置例的示意图。

图3是表示本发明第一实施方式的热回收装置的热电转换装置的结构例的示意图。

图4是表示本发明第二实施方式的热回收装置的结构的示意图。

图5是表示本发明第三实施方式的热回收装置的结构的示意图。

图6是表示本发明第三实施方式的热回收装置的配置场所的例子的示意图。

图7是用于说明热泵的动作的示意图。

图8是表示本发明第三实施方式的变形例的热回收装置的结构的示意图。

图9是表示本发明第三实施方式的其他变形例的热回收装置的结构的示意图。

图10是表示本发明第四实施方式的热回收装置的结构的示意图。

图11是表示用于判断本发明第四实施方式的热回收装置的热回收的有效性的效率曲线的例子的图表。

(符号说明)

10热回收装置

11热电转换装置

12电力储存装置

13显示装置

14电力预测装置

15判断装置

20热轧生产线

21加热炉

22粗轧机

23保温罩

24精轧机

25水冷装置

26卷绕机

27台辊

28上卷矫正装置

30卷材堆场

50房屋

61泵

62蒸发器

63冷凝器

100金属材料

110热电元件

111集热装置

112转换装置

113热凝集化装置

200成品卷材

210卷材移动台车

具体实施方式

接着，参照附图说明本发明的第一至第四实施方式。以下的附图的记述中，相同或类似的部分使用相同或类似的符号。但是，附图只是示意图。此外，以下所述第一至第四实施方式只是例示用于具体化本发明技术思想的装置和方法，本发明的实施方式的构成零件的构造、配置等并不局限于下述内容。本发明的实施方式能在权利要求的范围内加入各种变更。

(第一实施方式)

本发明第一实施方式所涉及的热回收装置10是对加热轧制金属材料100的热轧生产线20中发出的热进行回收的热回收装置，如图1所示，包括：热电转换装置11，其将热轧生产线20中对金属材料100的处理发出的热转换成电力；以及电力储存装置12，其储存由热电转换装置11转换得到的电力。热电转换装置11包括：收集金属材料100发出的热的集热装置111，以及将集热装置111收集的热转换成电力的转换装置112。此外，热回收装置10还包括显示电力储存装置12中储存的电量的显示装置13。

图1表示热轧生产线20是薄板热轧生产线的情形的结构例。热轧生产线中，将称作“板坯”的长方体状金属材料100在加热炉21内加热，用粗轧机22进行多次轧制，制出厚度30mm～40mm左右的棒。金属材料100在经过热轧生产线20中进行的轧制的各处理工序时，其名称变成棒、带钢、板等，但以下统一称呼为“金属材料”。

经粗轧机22轧制后的金属材料100被搬运到精轧机24。在将金属材料100从粗轧机22搬运到精轧机24的期间，为了防止金属材料100的温度降低也可用保温罩23覆盖搬运路。保温罩23也可以是能开闭的，在保温时为了覆盖搬运路而关闭，在不使用时打开搬运路。在精轧机24中，将金属材料100轧制到成品厚度1.2mm～12mm左右。

其后，通过利用水冷装置25对金属材料100注水，使得金属材料100在卷绕机26前被冷却。金属材料100最终被卷绕机26卷绕，制出成品卷材200。成品卷材200从卷绕机26上拔下后被装载于卷材移动台车210，并被搬运到作为成品卷材200的储存场所的卷材堆场30。成品卷材200被保管于卷材堆场30的规定场所直至发货。成品卷材200有时还会经过冷轧工序，根据建材等用途有时也被直接使用。

薄板热轧生产线中代表的金属材料100的温度是：加热炉21出口侧为1200℃～1250℃，粗轧机22出口侧为1100℃～1150℃，精轧机24入口侧为1050℃～1100℃，精轧机24出口侧为850℃～900℃，卷绕温度500℃～700℃。为了制出高品质的材质，有时也将卷绕温度降到300℃前后。

为了高效地收集上述热轧生产线20内高温的金属材料100发出的热，本发明的实施方式所涉及的热回收装置10的热电转换装置11最好配置于最靠近在热轧生产线20内搬运的金属材料100的位置。

热回收装置10具有一个或多个热电转换装置11，为了维持高效率，在集热装置111的边上安装有转换装置112。适于配置集热装置111的场所是：除氧化皮机等的水不会飞溅到的场所，金属材料100的上卷小的场所，金属材料100比较滞留的场所，金属材料100处于高温的场所等。例如，在离开加热炉21后的金属材料100到达粗轧机22的入口侧前的搬运路(图1中以“R1”表示)、配置于粗轧机22与精轧机24之间的搬运台(图2中以“R2”表示)等处配置集热装置111。其他位置的搬运台只要满足上述条件，即便是短的搬运台，也能在热轧生产线20内的任意场所设置集热装置111。

因此，配置热电转换装置11的场所并不局限于图1的场所R1或R2，也可配置于场所R1、R2两处。此外，也能在场所R1、R2以外的任意场所配置多个热电转换装置11。

图2表示集热装置111和转换装置112的配置例。利用台辊27在热轧生产线20内搬运金属材料100。保温罩23具有能开闭的机构来覆盖搬运台上的金属材料100和搬运台。图2表示打开保温罩23的状态。上卷矫正装置28设置于保温罩23的入口侧，以避免在关上保温罩23时上卷的金属材料100与保温罩23发生碰撞。

图2所示例中，保温罩23的内部安装有许多作为转换装置112的一部分的热电元件110。因此，当关上保温罩23时，金属材料100与热电元件110相对。此时，金属材料100与和金属材料100相对的保温罩23的内表面的间隔例如是300mm～500mm左右。

但是，由于经粗轧机22轧制后的金属材料100的温度为1100℃前后，因此也可能存在热电元件100被损坏的情形。此外，将热电元件100没有间隙地配置，在成本上有时是困难的。因此，如图3所示，为了保护热电元件110并减少热的不均匀，均匀化热分布，例如设置集热板作为集热装置111来覆盖热电元件100。图3是沿与金属材料100的搬运方向垂直方向剖切的剖视图。

保温罩23的与金属材料100相对的内表面上使用例如石棉和玻璃纤维等隔热材。这是为了避免金属材料100发出的热传到保温罩23的外部。集热板可采用满足以下条件的材料：(1)在配置有保温罩23的位置上能承受表面温度为1000℃～1100℃左右的金属材料100发出的热，(2)热传导率小，(3)容易吸收热、容易将热传递给热电元件110，等。为了满足条件(3)，集热板最好是比热小的材料。

例如，平均地满足条件(1)～(3)的一般的钢铁材料能用于集热板。另一方面，铜虽然热传导率大，但由于熔点在1100℃以下，因此不满足条件(1)。从条件(2)、(3)来看，陶瓷材料不适用于集热板。

即便在没有配置保温罩23的场所，通过采用与上述相同的结构，设置热电元件110和集热板来覆盖搬运台的上部，也能利用热电元件110获取与金属材料100的温度相近的高温的热。其结果是，能高效地将热转换成电力。将热变成电力的热电元件110，例如可采用利用了给热时产生电压的塞贝克效应的元件。塞贝克元件的现状的热电转换效率是7～8％左右，一般具有类似二次曲线的、周围温度越高则热电转换效率越高的特征。

如上所述利用热电转换装置11从热转换得到的电力储存于电力储存装置12内。由于金属材料100间歇地通过热电转换装置11的附近，不能一直从热转换成电力，因此将图1所示的热回收装置10直接与电力系统连接是困难的。电力储存装置12例如可采用2次电池等。储存于电力储存装置12中的电量通过显示装置13显示。因此，将电力储存装置12与电力系统连接，或作为工厂内的电源使用的可动化的判断是容易的。显示装置13例如是以数值或图表来显示电量的显示器等。

如上述说明，图1所示的热回收装置10中，通过在热轧生产线20的附近配置一个或多个热电转换装置11，能将热轧生产线20内进行的多个处理工序中至少一个处理工序引起的，金属材料100发出的热转换成电力。也就是说，在从热轧生产线20的加热炉21到卷绕机26反复进行搬运和轧制的过程中，能从高温金属材料100高效地回收热。

例如，从加热炉21取出的金属材料100的温度是1200℃，在金属材料100的重量为20吨、比热为0.15×4.19(kJ/kg/℃)的情形下，金属材料100最终被冷却到600℃时，7,542,000kJ的热能被周围的空气和冷却水夺走。若不考虑空气冷却，只用20℃的冷却水冷却金属材料100，且冷却水全部被加热到100℃，则需要22,500kg(＝7,542,000/4.19/(100-20))的冷却水。也就是说，产生22.5吨的沸水。此外，假设7,542,000kJ的能量中，被空气冷却和辐射夺走的热为30％，若能回收其中的5％，就能将113,130kJ(＝千瓦秒)的热能转换成31千瓦时的电能。31千瓦时的电量相当于能在额定状态下驱动额定功率10kW的小型电动机大约3小时的电力。在此假设回收效率为5％是由于，即便热电元件110的热电转换效率是7～8％左右，考虑到周边设备的效率等，热电转换效率低于7～8％是确实存在的。

上述数值例只是1根金属材料100的估算，当金属材料100以数十、数百根为单位时，能产生非常多的电力。此外，通过改善上述例中假设为5％的热电元件100的热电转换效率，能期待将更多的热转换成电力。

热轧生产线是发出很多热的设备，但一般只能回收低温的能量，即低品质的能量是主要的。例如，冷却金属材料后的水上升到数十℃，但从数十℃的水中回收能量是非常困难的。因此，以往一般的做法是将这些能量释放到大气中去。

本发明第一实施方式所涉及的热回收装置10中，在热轧生产线20中搬运的金属材料100的边上配置将热转换成电力的热电转换装置11，将从金属材料100发出的热转换成电力。其结果是，能将逃入大气中的能量高效地回收。也就是说，利用图1所示的热回收装置10能高效地回收热轧生产线20中金属材料100发出的热，并将其作为电力储存。

(第二实施方式)

如图4所示，本发明的第二实施方式所涉及的热回收装置10以利用热轧生产线20进行制造的成品卷材200为热回收对象，这与图1的热回收装置10不同。关于其他的结构与图1所示的第一实施方式相同。

与图1中说明的热轧生产线20内的搬运路相同，在将从卷绕机26拔出并装载于卷材移动台车210的成品卷材200搬运到卷材堆场30的搬运路上设置集热装置111和转换装置112。但是，与在热轧生产线20内设置集热装置111和转换装置112的情形不同，在搬运成品卷材200的搬运路上设置集热装置111和转换装置112时，没有水的飞溅和金属材料100的上卷的问题，此外，温度也比较低。因此，基本不需特殊考虑集热装置111的配置。莫如说有时不需要集热装置111。

在卷材堆场30设置热电转换装置11的情形下，对于刚制造的还很热的成品卷材200必须设置集热装置111和转换装置112。因此，先决定热的成品卷材200的放置场所，然后在该场所设置集热装置111和转换装置112。或者，也可使集热装置111和转换装置112、及电力储存装置12一体化并可移动，在热的成品卷材200附近使用。

刚从卷绕机26拔出的成品卷材200处于400℃～600℃的高温状态，且能容易地在成品卷材200的搬运路的最近距离处配置热交换装置11。因此，在第二实施方式所涉及的热回收装置10中，也可进行高效的热电转换。此外，当然也可在成品卷材200从热轧生产线20被搬运到卷材堆场30之间的搬运路、及卷材堆场30中设置热电转换装置11，并且在热轧生产线20中设置热电转换装置11。其他与第一实施方式实质上是相同的，省略重复记述。

(第三实施方式)

如图5所示，本发明的第三实施方式所涉及的热回收装置10中，热电转换装置11还包括对集热装置111收集的热进行凝集化的热凝集化装置113，这与图1的热回收装置10不同。转换装置112将利用热凝集化装置113凝集化的热转换成电力。关于其他的结构与图1所示的第一实施方式相同。

图1及图4所示的热回收装置10中，集热装置111设置于金属材料100或成品卷材200的边上。由此，主要高效地吸收来自金属材料100和成品卷材200的辐射热。

与此相对，图5所示的热回收装置10中，不是对来自金属材料100和成品卷材200的辐射热进行回收，而主要对于对流产生的热进行回收。因此，在热轧生产线20或金属材料100的上方设置集热装置111。例如，由于打开加热炉21的门时，加热炉21内的热跑出，因此加热炉21的门的上方温度会很高。因此，在加热炉21的门的上方和粗轧机22的上方等金属材料100的温度高的热轧生产线20的上游侧，能更有效地集热。

根据上述目的，集热装置111最好采取有效收集对流产生的热的方式。例如，可采用具有像打开伞那样的越往上部越窄的形状的集热装置111。在该窄的上部安装转换装置112。

图5所示的热回收装置10中利用了从金属材料100和加热炉21漏出的热作为对流的一种现象一直上升这一事实。因此，集热装置111需要设置于高的场所。因此，集热装置111配置于热轧生产线20和成品卷材200的数m上方、收纳有热轧生产线20和成品卷材200的房屋的顶棚附近。顶棚的高度有时是20m～30m。例如，如图6所示，若收纳有热轧生产线20的房屋50的屋顶是三角形，如果在热容易流入的顶棚顶部附近设置热回收装置10，能有效地回收热。图6中，金属材料100沿与纸面垂直的方向被搬运。此外，图6所示的箭头表示热的流动。

此外，为了使集热装置111收集的温度较高的空气变得温度更高，将热凝集化装置113配置于集热装置111与转换装置112之间。作为热凝集化装置113的一部分，例如能使用热泵。

热一般从高温物体流向低温物体，但通过使用热泵，能获得相反的热的流动。图7是简单说明热泵原理的图。液体变成气体时从周围夺取热，从气体变成液体时向周围放热。利用该原理，使用泵61压缩媒介物，并在蒸发器62内气化，从周围夺取热，使周围低温化。膨胀变成气体的媒介物在冷凝器63内液化，向周围供热。通过这样的结构，低温侧变得更低温，高温侧变得更高温。作为媒介物，以前使用氟利昂，最近使用代氟利昂等。热泵即便在一般家庭中也被用于冰箱和空调等中。

通过使集热装置111与图7所示的蒸发器62连接，转换装置112与冷凝器36连接，转换装置112能获得比集热装置111收集的空气的温度更高的温度，提高热电转换效率。

由于热的空气具有上升的性质，因此通过在远离热轧生产线20的上方设置热回收装置10，能有效地回收热。图5所示的热回收装置10中，能覆盖来自热轧生产线20的热上升的较大范围。因此，即便下方有除氧化皮机等，也不会被其阻碍，热回收装置10能回收热。也就是说，将集热装置111设置在金属材料100的边上时，受是否有水的飞溅等影响，被局限于周围环境好的场所。但是，将集热装置111和转换装置112设置在热轧生产线20和金属材料100的上方时，就不会受这种周围环境的影响。

如上述说明，利用第三实施方式所涉及的热回收装置10，通过收集从热轧生产线20上升的热，能不受热轧生产线20的环境影响地将热转换成电力。其他与第一实施方式实质上是相同的，省略重复记述。

<变形例>

如上所述在热轧生产线20的上方收集的热在利用集热装置111集热的阶段有数十℃。因此，热电转换装置11的设置场所比较有限。将集热装置111、转换装置112及热凝集化装置113如图5所示作为一个整体的单元设置时，有时会在成本上不利。因此，如图8所示，对应多个集热装置111及热凝集化装置113配置一个转换装置112，精简转换装置112。藉此，抑制转换装置112的初期成本，能获得运转效率提高的效果。

在与精简转换装置112的想法相同的想法下，图9所示的热回收装置10进一步精简了热凝集化装置113。也就是说，对应多个集热装置111配置一个热凝集化装置113。

(第四实施方式)

如图10所示，本发明的第四实施方式所涉及的热回收装置10还包括：电力预测装置14，其分别预测由转换装置112产出的产出电力、及由热凝集化装置113消耗的消耗电力；以及判断装置15，其根据产出电力和消耗电力判断是否进行热回收，这与图9所示的热回收装置10不同。关于其他的结构与图9所示的第三实施方式相同。

第三实施方式所涉及的热回收装置10不一定能利用收集的热一直进行高效的热电转换。这是由于热凝集化装置113消耗电力的缘故。例如，热凝集化装置113具有图7所示的热泵时，需要驱动泵61的电力。因此，预测转换装置112产出的产出电力和热凝集化装置113等消耗的消耗电力，若消耗电力比产出电力大，则最好不要驱动热回收装置10。

利用电力预测装置14的电力预测方法例如可采用将过去的消耗电力和产出电力的实绩做成数据库、在类似运转状态的指标下从该数据库调出产出电力和消耗电力的预测的方法等。

或者，也可使用图11(a)～图11(b)所示的效率曲线，根据产出电力与消耗电力的关系判断利用热回收装置10进行的热回收的有效性。图11(a)～图11(b)根据热电转换装置11的热电转换效率与热泵的效率之间的关系，表示当产出电力超过消耗电力时，热回收装置10的运转是有效的。效率曲线X是热电转换装置11的热电转换效率曲线。

图11(a)是热泵的效率存在差异的情形的例子。热泵效率曲线A的情形下，即便向热泵通入输入电力Pa产生温度Ta，但由于热电转换装置11的输出电力Wa比输入电力Pa小，因此使用热回收装置10没有意义。另一方面，热泵效率曲线B的情形下，产生温度Tb时的输入电力Pb比输出电力Wb小，因此热回收装置10的使用是有效的。

图11(b)表示热泵效率曲线C的热泵的效率与热电转换装置11的热电转换效率的差在运转范围内不同的情形。向热泵通入输入电力Pc产生温度Tc时，由于热电转换装置11的输出电力Wc比输入电力Pc小，因此热回收装置10的使用是有效的。由于产生温度Td时的输入电力Pd比输出电力Wd大，因此使用热回收装置10是没有意义的。

由于一般来说，预先知道效率曲线的情形多，因此根据效率的关系，判断装置15能判断是否驱动热回收装置10进行热回收。此外，也可以不是在产出电力比消耗电力大的情形下判断进行热回收，而是在产出电力与消耗电力的差处于预先设定的一定值以上的情形下判断进行热回收。由于产出电力与消耗电力的预测伴随有误差，因此有必要使用设定的固定值，进行合理的判断。

图10所示的热回收装置10以图9所示的热回收装置10的结构为基础，但也可将图5或图8所示的热回收装置10的结构作为基础，附加电力预测装置14及判断装置15。

如上述说明，利用本发明第四实施方式所涉及的热回收装置10，根据金属材料100的热的状态和热回收装置10的消耗电力的关系，能判断热回收装置10的运转是否有效。藉此，能有效地回收从金属材料100和成品卷材200发出的热。其他与第三实施方式实质上是相同的，省略重复记述。

(其他实施方式)

如上所述，本发明记述了第一至第四实施方式，但作为公开的一部分的论述及附图不应理解为限定本发明。根据本公开，本领域技术人员可明确各种代替实施方式、实施例及运用技术。

已述第一至第四实施方式的说明中，表示了热轧生产线20是薄板热轧生产线的例子，但对于厚板轧制生产线、型钢轧制生产线、棒钢轧制生产线、线材轧制生产线等处理高温金属材料的各种轧制生产线，作为回收轧制生产线中发出的热的热回收装置，本发明也是可适用的。

这样，本发明包括在此没有记述的种种实施方式等是毋庸置疑的。因此，本发明的技术范围只由从上述的说明中妥当的权利要求的范围所涉及的发明特定事项所决定。

本发明的热回收装置可应用于利用热轧生产线加工金属材料的制造业中。

Claims (9)

1.一种对金属材料进行加热、轧制的热轧生产线的热回收装置，其特征在于，包括：

热电转换装置，该热电转换装置将所述热轧生产线中所述金属材料的处理发出的热转换成电力；以及

电力储存装置，该电力储存装置储存由所述热电转换装置转换得到的电力。

2.如权利要求1所述的热回收装置，其特征在于，所述热电转换装置包括：收集所述金属材料发出的热的集热装置、以及将所述集热装置收集的热转换成电力的转换装置。

3.如权利要求2所述的热回收装置，其特征在于，所述热电转换装置还包括进行所述集热装置收集的热的凝集化的热凝集化装置，所述转换装置将由所述热凝集化装置凝集化的热转换成电力。

4.如权利要求3所述的热回收装置，其特征在于，所述集热装置配置于所述金属材料的上方。

5.如权利要求3或4所述的热回收装置，其特征在于，还包括：

电力预测装置，该电力预测装置分别预测由所述热电转换装置产出的产出电力、及由所述热凝集化装置消耗的消耗电力；以及

判断装置，该判断装置根据所述产出电力和所述消耗电力来判断是否进行热回收。

6.如权利要求5所述的热回收装置，其特征在于，在所述产出电力比所述消耗电力大时，或所述产出电力比所述消耗电力大预先设定值以上时，所述判断装置判断为进行热回收。

7.如权利要求1至6中任一项所述的热回收装置，其特征在于，所述热电转换装置将所述热轧生产线内进行的多个处理工序中至少一个处理工序引起的、所述金属材料发出的热转换成电力。

8.如权利要求1至7中任一项所述的热回收装置，其特征在于，所述热电转换装置将利用所述热轧生产线从所述金属材料制造出的成品由于所述热轧生产线的处理而发出的热转换成电力。

9.如权利要求1至8中任一项所述的热回收装置，其特征在于，还包括显示所述电力储存装置中储存的电力的显示装置。

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