CN108431240B - 用于冷却金属基材的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却沿纵向方向(A)行进的金属基材(1)的方法，所述方法包括在所述基材(1)的第一表面上喷射至少一个第一冷却流体射流以及在所述基材(1)的第二表面上喷射至少一个第二冷却流体射流，所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流以高于或等于5m/秒的冷却流体速度喷射，以在所述第一表面上以及在所述第二表面上分别形成第一层流冷却流体流和第二层流冷却流体流，所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流与所述基材(1)相切，所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流分别延伸所述基材(1)的第一预定长度和第二预定长度，所述第一长度和所述第二长度被确定为使得所述基材通过核胞沸腾从第一温度冷却至第二温度。

Description

用于冷却金属基材的方法和装置
本发明涉及用于冷却金属基材的方法。
特别地，本发明适用于在制造金属基材期间，特别是在热轧结束时或在基材的热处理期间冷却该金属基材，例如钢板。
在这样的冷却期间，必须尽可能地控制冷却速率以确保在冷却结束时获得期望的显微组织和机械特性。
EP 1 428 589 A1公开了一种用于冷却钢板的方法，其中通过由板的上表面上的狭缝喷嘴和板的下表面上的管状喷嘴注射冷却流体的射流而形成冷却流体池，并且通过使钢板穿过该冷却流体池而被冷却。
然而，应用这样的冷却方法可能导致板的表面的平整度缺陷。这样的缺陷可能是由板内冷却速率的不均一性引起的，特别是在板的上表面与其下表面之间，以及在板的表面与芯之间的冷却速率差异。
因此本发明的目的是提供用于冷却基材的方法和装置，其允许金属基材的快速且可控的冷却，而不引起基材内(特别是在基材的厚度上)温度不均一。
出于这一目的，本发明的目的是用于冷却沿纵向方向行进的金属基材的方法，所述方法包括在所述基材的第一表面上喷射至少一个第一冷却流体射流以及在所述基材的第二表面上喷射至少一个第二冷却流体射流。
所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流以高于或等于5m/秒的冷却流体速度喷射，以在所述第一表面上以及在所述第二表面上分别形成第一层流冷却流体流和第二层流冷却流体流，所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流与所述基材相切，所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流分别延伸所述基材的第一预定长度和第二预定长度，所述第一长度和所述第二长度被确定为使得所述基材通过核胞沸腾从第一温度冷却至第二温度。
根据本发明的方法可包括单独地或根据任何技术上可能的组合而获得的以下特征中的一个或数个：
-第一长度与第二长度之差小于第一长度和第二长度的平均值的10％；
-第一冷却流体射流和第二冷却流体射流相对于基材的中平面对称；
-所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流各自在其喷射期间与纵向方向形成预定角，所述预定角为5°至25°；
-所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流分别从预定距离喷射在所述第一表面和所述第二表面上，所述预定距离为50nm至200nm；
-所述第一预定长度和所述第二预定长度各自为0.2m至1.5m；
-所述第一温度高于或等于600℃；
-所述第一温度高于或等于800℃；
-所述基材以0.2m/秒至4m/秒的速度行进；
-在从第一温度冷却至第二温度期间，从第一表面和第二表面中的每一者提取的平均热通量为3MW/m2至7MW/m2；
-基材的厚度为2mm至9mm，基材以高于或等于200℃/秒的冷却速率从800℃冷却至550℃；
-所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流中的每一者以360L/分钟/m2至2700L/分钟/m2的比冷却流体流量喷射；
-所述金属基材为钢板；
-所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流延伸基材的宽度。
本发明的目的还在于用于热轧金属基材的方法，所述方法包括热轧金属基材，以及用根据本发明方法冷却经热轧的金属基材。
本发明的目的还在于用于热处理金属基材的方法，所述方法包括热处理金属基材，以及用根据本发明的方法冷却经热处理的金属基材。
本发明的目的还在于金属基材的冷却装置，其包括：
-第一冷却单元，其被配置成在基材的第一表面上喷射至少一个第一冷却流体射流，
-第二冷却单元，其被配置成在基材的第二表面上喷射至少一个第二冷却流体射流，
所述第一冷却单元和所述第二冷却单元被配置成以高于或等于5m/秒的冷却流体速度分别喷射第一冷却流体射流和第二冷却流体射流，以在所述第一表面上以及在所述第二表面上分别形成第一层流冷却流体流和第二层流冷却流体流，所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流与基材相切并且分别延伸基材的第一预定长度和第二预定长度。
根据本发明的冷却装置可包括单独地或根据任何技术上可能的组合而获得的以下特征中的一个或数个：
-第一冷却单元包括至少一个第一冷却集管(header)，其被配置成喷射第一冷却流体射流；第二冷却单元包括至少一个第二冷却集管，其被配置成喷射第二冷却流体射流；
-第一冷却集管和第二冷却集管各自包括集管喷嘴，所述集管喷嘴包括用于分别喷射第一冷却流体射流和第二冷却流体射流的喷嘴开口；
-每个集管喷嘴与纵向方向形成预定角，该预定角为5°至25°；
-所述第一冷却单元和所述第二冷却单元中的至少一者包括用于停止冷却流体流动的装置，适于防止任何冷却流体流向所述第一预定长度和/或所述第二预定长度下游；
-第一冷却集管和第二冷却集管中的每一者连接至冷却流体供给回路，所述冷却流体供给回路被以1巴至2巴之间的冷却流体压力供给冷却流体；
–各个冷却流体供给回路被配置成使得冷却流体以至多2m/秒的速度在冷却流体供给回路中循环。
本发明的目的还在于热轧设备，其包括根据本发明的冷却装置。
本发明的目的还在于热处理设备，其包括根据本发明的冷却装置。
在阅读仅作为实例给出并参照附图的以下描述后将更好地理解本发明，在附图中：
-图1为包括根据本发明的一个实施方案的冷却装置的热轧线的示意图；
-图2为图1的冷却装置的冷却模块的示意图；
-图3为由图2的冷却模块的冷却集管和供给回路形成的组合件的从前面看的局部剖面示意图；
-图4为图3的组合件的沿图3的平面IV-IV的截面图；
-图5为示出对于板表面上不同的冷却流体射流喷射速率，通过图2至4的冷却模块从板提取的热流相对板表面的温度的图；
-图6和7为示出由冷却流体射流与基材的行进方向形成的角α对形成于基材表面上的流体流动的影响的示意图；
-图8为示出在其通过根据图2至4的冷却模块的冷却期间，板的上表面和下表面的温度的依赖时间的变化的图；
-图9为示出在根据图2至4的装置的冷却模块的入口处和出口处从板的头部至尾部在纵向方向上板表面的温度分布图的图；
-图10为示出通过根据现有技术的方法冷却的基材的平整度的图；
-图11为示出通过根据本发明的方法冷却的基材的平整度的图；
-图12为由根据另一个实施方案的冷却模块的冷却集管和供给回路形成的组合件的从前面看的局部剖面示意图；
-图13为图12的组合件的沿图12的平面IX-IX的截面图。
图1示出从炉2和轧机3排出的金属基材1沿行进方向A移动。例如，基材1的行进方向A是基本水平的。
然后基材1通过冷却装置4，其中基材从初始温度冷却至最终温度，该初始温度例如基本上等于基材的轧制结束时的温度，该最终温度为例如室温，即，约20℃。
基材1以优选为0.2m/秒至4m/秒的行进速度沿行进方向A通过冷却装置4。
基材1为例如厚度为3mm至110mm的金属板。
初始温度为例如高于或等于600℃，特别地高于或等于800℃，或者甚至高于1000℃。
在冷却装置4中，至少一个第一冷却流体射流被喷射在基材1的第一表面上，至少一个第二冷却流体射流被喷射在基材1的第二表面上。冷却流体为例如水。
第一冷却流体射流和第二冷却流体射流以高于或等于5m/秒的冷却流体速度沿行进方向A喷射，以在第一表面上以及在第二表面上分别形成第一层流冷却流体流和第二层流冷却流体流。
第一冷却流体射流和第二冷却流体射流优选以360L/分钟/m2至2700L/分钟/m2的比冷却流体流量射出。
第一冷却流体射流和第二冷却流体射流的喷射速度为例如小于或等于20m/秒，并且更优选小于或等于12m/秒。
优选地，第一冷却流体射流的喷射速度和第二冷却流体射流的喷射速度基本相等。
此处以绝对的方式表示冷却流体射流的喷射速度，即相对于冷却装置4的固定部分，而不相对于行进基材1。
本发明人实际上发现，如果以大于或等于5m/秒的速度喷射第一冷却流体射流和第二冷却流体射流，可以在第一表面和第二表面二者上获得在为至少0.2m，通常为至少0.5m，最高至1.5m的长度上的冷却流体的层流。特别地，当基材1沿水平平面行进时，尽管在第二表面(其为下表面)上流动的冷却流体上施加有重力，但仍可以在第一表面和第二表面上获得在为至少0.2m，通常为至少0.5m，最高至1.5m的长度上的冷却流体的层流。
优选地，第一冷却流体射流和第二冷却流体射流在相对于基材1的中平面(即，平行于基材1的第一表面和第二表面并且位于距该第一表面和第二表面一半距离处的纵向平面)对称的冲击线上分别冲击第一表面和第二表面。
第一层流冷却流体流和第二层流冷却流体流与基材1相切并且延伸基材1的宽度。此外，第一层流冷却流体流和第二层流冷却流体流各自延伸基材1的预定长度。特别地，第一层流冷却流体流延伸基材1的第一预定长度L1，并且第二冷却流体流延伸基材的第二预定长度L2。
第一预定长度L1和第二预定长度L2是相似的。特别地，第一预定长度L1与第二预定长度L2之差小于第一预定长度和第二预定长度的平均值的10％。
第一冷却流体射流和第二冷却流体射流的这种对称性与冷却流体速度相结合允许在第一表面上以及在第二表面上形成相对于基材1的中平面基本对称的冷却流体流，并且因此获得基材1的在其厚度上的均匀冷却。
第一预定长度L1和第二预定长度L2被确定为使得基材1通过核胞沸腾从第一温度冷却至第二温度。
优选地，第一预定长度L1和第二预定长度L2中的每一者为0.2m至1.5m，更优选为0.5m至1.5m。
核胞沸腾区别于过渡沸腾和膜沸腾。
当冷却基材时，膜沸腾通常在该基材的高温下发生，即在基材表面的温度高于较高温度阈值时发生。核胞沸腾在基材的低温度下发生，即在基材表面的温度低于较低的温度阈值时发生。过渡沸腾在中间温度下发生，特别是在基材表面的温度在较低温度阈值至较高温度阈值之间时发生。
在过渡沸腾中，在冷却期间提取的热流是温度的减函数。因此，基材的具有最低温度的区域比基材的其余部分被更快地冷却。特别地，在过渡沸腾中，基材两个表面的温度的不均一导致表面之间的冷却速率差异，这倾向于增强基材的温度的初始不均一性。
在基材中，这些温度不均一产生不对称内部约束，这又反过来引起基材的变形和基材表面的平整度缺陷。
相反，在核胞沸腾中，在冷却期间提取的热流是温度的增函数。因此，基材的最冷区域被更慢地冷却，这导致基材的温度不均一的减弱。
通常，基材的冷却开始于过渡沸腾，这倾向于加剧基材的温度不均一。
然而，本发明人已经发现，在基材的每个表面上以高于或等于5m/秒的冷却流体速度喷射冷却流体射流，以在基材的每个表面上形成与基材相切并延伸预定长度的层流冷却流体流，允许以核胞沸腾从高温度，特别是从可以高于600℃，并且甚至高于800℃或1000℃的温度冷却基材。
因此，基材1在倾向于减弱基材1在其冷却之前可能存在的温度不均一的条件下被排他性地冷却。
所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流在其喷射期间与纵向方向形成预定角，所述预定角优选为5°至25°。此外，第一冷却流体射流和第二冷却流体射流分别从距第一表面和第二表面的预定距离喷射，该预定距离优选为50mm至200mm。
实际上，本发明人已经发现，5°至25°的角和/或50mm至200mm的预定距离促进在基材的每个表面上形成层流冷却流体流，并且提供高冷却速率。特别地，在基材从第一温度冷却至第二温度期间，从每个表面提取的平均热通量为例如3MW/m2至7MW/m2。
特别地，本发明人已经发现，5°至25°的角允许在基材的每个表面上形成层流冷却流体流，并且允许以核胞沸腾从高温冷却基材。相比之下，本发明人已经发现，如果由第一冷却流体射流和/或第二冷却流体射流在其喷射期间与纵向方向形成的角大于25°，则在与基材的行进方向A相反的方向上发生流体的回流。该回流扰乱冷却流体的流动，其因此不是层流的。结果，基材没有通过核胞沸腾被冷却。
例如，当基材的厚度为2mm至9mm时，基材可以以高于或等于200℃/秒的冷却速率从800℃冷却至550℃。
在图2、3和4中更详细地示出了根据本发明的一个实施方案的冷却装置4。
在示出的实例中，基材1水平行进，因此基材1的第一表面为在基材1的行进期间向上定向的上表面，基材1的第二表面为在基材1的行进期间向下定向并且被支撑在辊上的下表面。
在以下所有内容中，所选方向是指示性的并且相对于图而言。特别地，术语“上游”和“下游”意指相对于图中选择的方向。这些术语相对于行进基材1而使用。此外，术语“横向”、“纵向”和“垂直”应理解为相对于基材1的行进方向A，其为纵向方向。特别地，术语“纵向”是指与基材1的行进方向A平行的方向，术语“横向”是指与基材1的行进方向A正交并且包含在与基材1的第一表面和第二表面平行的平面内的方向，术语“垂直”是指与基材1的行进方向A正交并且与基材1的第一表面和第二表面正交的方向。
此外，“长度”是指物体在纵向方向上的尺寸，“宽度”是指物体在横向方向上的尺寸，“高度”是指物体在垂直方向上的尺寸。
图2示出的装置4包括至少一个冷却模块5，冷却模块5包括预定数目的冷却装置8。
每个冷却装置8被配置成用于使基材1沿行进方向A行进，并且用于在该行进期间以核胞沸腾将基材1从第一温度冷却至第二温度。
特别地，如在下文中更详细描述的，每个冷却装置8被配置成用于在基材1的第一表面上和第二表面上产生冷却流体的层流，该层流在基材1的整个宽度上以及沿基材1的行进方向A延伸基材1的预定长度L1、L2。
出于这一目的，每个冷却装置8被配置成用于将第一冷却流体射流喷射到基材1的第一表面上并且将第二冷却流体射流喷射到基材1的第二表面上，第一冷却流体射流和第二冷却流体射流的喷射速度大于或等于5m/秒。
在示出的实例中，冷却模块5包括在基材1的行进方向A上彼此相继的两个冷却装置8。
因此，第一装置8旨在用于将基材1从第一温度冷却至第二温度，位于基材1的行进方向上第一装置8下游的第二装置8旨在用于将基材1从第二温度冷却至第三温度。
每个冷却装置8包括第一单元9和第二单元10。
旨在在基材1冷却期间位于基材1的第一表面前方(在该实例中在基材上方)的第一单元9被配置成用于在基材1的第一表面上产生冷却流体的层流，该层流延伸基材1的整个宽度以及基材1的第一预定长度L1。
旨在在基材1冷却期间位于基材1的第二表面前方(在该实例中在基材下方)的第二单元10被配置成用于确保基材1的行进并且用于在基材1的第二表面上产生冷却流体的层流，该层流延伸基材1的整个宽度以及基材1的第二预定长度L2。
出于这一目的，第一单元9包括第一冷却集管11；用于第一冷却集管11的冷却流体供给的回路13，在图2中示意性地示出并且在图3和4中更详细地示出；以及用于停止冷却流体的流动的装置15，其适于停止由第一冷却集管11产生的冷却流体的流动，并由此避免该冷却流体流延伸基材1的大于预定长度的长度。
类似于第一单元9，冷却装置8的第二单元10包括第二冷却集管17以及用于向第二冷却集管17供给冷却流体的回路19。第二单元10还包括被配置成确保基材1的行进的第二辊20。
在施用冷却方法期间，第一冷却集管11和第二冷却集管17相对于基材1的中平面基本对称。
此外，在施用冷却方法期间，供给回路13和19相对于基材1的中平面基本对称。
随后，将参照图3和4描述第一冷却集管11和供给回路13，认为该描述因对称性而适用于第二冷却集管17和供给回路19。
优选地，除了第一单元9和第二单元10之外，冷却模块5的第一装置8包括两个上游辊，所述两个上游辊包括第一上游辊23和第二上游辊21。相对于基材1的行进方向，上游辊21和23位于第一装置8的第一单元9和第二单元10的上游。
第二上游辊21旨在用于确保基材1的行进。
第一上游辊23具有大致圆柱形形状，并且横向延伸基材1的整个宽度。
第一上游辊23被配置成与基材1的行进第一表面接触，以防止冷却流体从冷却模块5流向基材1的上游侧。第一上游辊23进一步为旨在防止基材1和第一冷却集管11之间的可能接触的安全装置。
此外，冷却模块5的最后一个装置(在所描述的实例中为第二装置8)包括用于停止冷却流体流动的另外的装置25，其适于防止任何冷却流体从冷却模块5流向下游。
每个装置8还包括上部导流板27和下部导流板28，其被配置成引导和控制装置8下游的冷却流体径流。特别地，上部导流板27防止被装置15停止的行进的冷却流体流回基材1上。
图3和4示意性示出了第一冷却集管11和相关联的供给回路13。
图3是由第一冷却集管11和供给回路13形成的组合件的沿与行进方向A相反的方向的局部剖开的正视图，图4是图3示出的组合件沿图3的平面IV-IV的截面图。
第一冷却集管11通过供给回路13被供给加压的冷却流体，并且被配置成在基材1的第一表面上喷射至少一个第一冷却流体射流。该冷却流体射流优选为横向延伸基材1的整个宽度的连续射流。
第一冷却集管11包括集管喷嘴33和通道35。
集管喷嘴33相对于行进的基材1沿横向方向延伸大于或等于待冷却的基材1的宽度的宽度。
集管喷嘴33设置有形成用于输送冷却流体的导管37的通孔。导管37横向延伸大于或等于待冷却的基材1的宽度的宽度，并且沿连接至通道35的上游端和下游端之间的垂直纵向平面延伸。下游端形成孔，由供给回路13注入并穿过通道35然后穿过导管37的冷却流体通过所述孔作为冷却流体射流被喷射在基材1上。
所述孔形成相对于行进的基材1沿横向方向延伸的连续狭槽或开口39。开口39的宽度大于或等于待冷却的基材1的宽度。
优选地，导管37具有从导管37的上游侧至下游侧的减小的截面，这允许在开口39的出口处从在供给回路13中小于2m/秒的冷却流体的初始速度形成以至少5m/秒的速度喷射的冷却流体射流。实际上，如下文所述，冷却流体在供给回路13中以小于2m/秒的速度循环允许在该供给回路13中的压力损失的最小化，并且因此降低供给回路13所需的压力。
优选地，导管37的下游端与行进方向A形成角α，角α为5°至25°，特别地10°至20°。因此，在由第一冷却集管11喷射冷却流体射流期间，该冷却流体射流与行进方向A形成角α，角α为5°至25°，特别地10°至20°。
这样的角α允许在基材1上获得冷却流体的层流，并且有助于达到基材1的快速冷却速率。实际上，如上所述，高于25°的角α将产生沿与基材的行进方向A相反的方向的流体的回流。该回流将扰乱冷却流体的流动，因此其将不是层流的。
此外，第一冷却集管11被配置成位于行进的基材1的上方，以使当冷却基材1时，开口39位于距基材1的第一表面预定距离H处。
距离H优选为50mm至200mm。
由于开口39位于距基材1的表面预定距离H处，所以可以控制冷却流体射流在其与基材1冲击时的速度。特别地，在基材1的表面上流动的冷却流体保持层流，并且该冷却流体的流在预定长度L上具有足够的速度以用于获得基材1的快速冷却。
通道35被配置成用于输送由供给回路13提供的冷却流体直至集管喷嘴33。
通道35沿横向方向延伸基本等于开口39的宽度的宽度，并且沿旨在连接至供给回路13的上游端和连接至导管37的上游端的下游端之间的基本垂直的方向延伸。因此，通道35沿基本垂直的方向延伸导管37。
通道35由两个基本垂直的横向壁35a、35b界定。
优选地，通道35在其上游端和下游端之间具有基本恒定的截面。特别地，通道35的两个横向壁35a、35b是平行的。
供给回路13旨在输送从冷却流体分配网络接收的冷却流体流直至第一冷却集管11。
供给回路13从下游到上游包括：冷却集管11的供给导管43、分配导管45和用于提供冷却流体的主导管47。因此，从冷却流体分配网络接收的冷却流体流由主导管47，然后由分配导管45，然后由供给导管43输送直至冷却集管11，特别地直至通道35。
供给导管43旨在将冷却流体供给至通道35。
供给导管43横向延伸基本等于通道35的宽度的宽度。供给导管43具有大致圆柱形形状，并且包括基本圆柱形的侧壁和两个端壁。因此，供给导管43的两端是封闭的。
如下文所述，供给导管43在其侧壁上包括允许主导管47通过的基本圆形的孔。
供给导管43在其侧壁上还包括连接至通道35的上游端的横向孔51。孔51基本上横向延伸供给导管43的整个宽度。
优选地，孔51被限定在连接至通道35的第一壁35a的上边缘的供给导管43的第一横向边缘和连接至通道35的第二壁35b的第二横向边缘之间，距该第二壁35b的上边缘的一定距离处。
分配导管45旨在在供给导管43的整个宽度上分配由用于提供冷却流体的主导管47提供的冷却流体流。
分配导管45在供给导管43内部延伸基本等于通道35的宽度和供给导管43的宽度的宽度。
分配导管45具有大致圆柱形形状，并且包括基本圆柱形侧壁和两个端壁。因此分配导管45的两端是封闭的。
分配导管45的侧壁与供给导管43的侧壁一起限定用于在供给导管43内部循环冷却流体的空间53。空间53通常为环形。
如下文所述，分配导管45在其侧壁上包括允许与主导管47连接的基本圆形的孔55。孔55与在供给导管43的侧壁上制成的对应孔对齐。
优选地，这些孔位于距导管33和35的端部一半距离处。
分配导管45的侧壁还设置有复数个孔口57，其旨在使包含在分配导管45中的冷却流体分配至供给导管43的空间53中。
孔口57例如在横向方向上对齐，并且延伸分配导管45的整个宽度。
空口57为例如等距的。
孔口57因此允许确保将冷却流体从分配导管45分配至沿横向方向均一的供给导管43中。
优选地，如在图4所示，分配导管45的侧壁与通道35的第二壁35b的上边缘连接在一起，并且孔口57位于分配导管45的下部，面向通道35的第二壁35b。
以这样的方式，供给导管43的空间53形成用于从孔口57输送冷却流体直至通道35的单向通道。
这样的布置确保冷却流体沿横向方向在导管43的整个空间53中均一分布，并且使导管43内部的压降最小化。
用于提供冷却流体的主导管47被配置成连接至冷却流体分配网络，并且输送由该分配网络提供的冷却流体直至分配导管45。
主导管47因此在旨在连接至冷却流体分配网络的上游端和连接至分配导管45的下游端之间延伸。
特别地，主导管47的下游端通过供给导管43的对应孔连接至分配导管45的孔55。
主导管47包括沿横向方向延伸的具有圆柱形形状的第一部分47a和将第一部分连接至分配导管45的孔55的具有圆形截面的第二弯曲部分47b。
孔49的边缘与主导管47密封地连接在一起，以避免任何冷却流体通过孔49泄漏到供给导管43的外面。
以这样的方式设计，供给回路13能够输送由冷却流体分配网络以小于或等于2巴的压力提供的冷却流体的流直至第一冷却集管11，以在第一冷却集管11的出口处获得以大于5m/秒的速度和360L/分钟/m2至2700L/分钟/m2的表面流量喷射的冷却流体射流。
特别地，供给回路13使压降最小化，这允许由相对低的压力获得这样的喷射速度。特别地，由于上述供给回路13的配置，在该回路13中保持冷却流体的循环速度小于2m/秒，这使压降最小化。
使用小于或等于2巴，并且例如大于1巴的低压使冷却装置1的能量消耗最小化，特别是与其中冷却流体分配网络的压力等于4巴的装置相比，将冷却流体供给所需的电力消耗减少约5倍。
用于停止冷却流体流动的装置15适于停止由第一冷却集管11产生的冷却流体流动，并因此避免该冷却流体流延伸基材1的大于预定长度L的长度。
用于停止冷却流体流动的装置15位于基材1的行进方向上第一冷却集管11的下游。用于停止冷却流体流动的装置15例如包括第一辊61，所述第一辊61被配置成与行进基材1的第一表面接触，以防止来自第一冷却集管11的冷却流体在基材1的行进方向上流过第一辊61。
第一辊61具有大致圆柱形形状，并横向延伸基材1的整个宽度。
第一辊61位于第一冷却集管11下游，使得由第一冷却集管11喷射在基材1的第一表面上的冷却流体射流的冲击区域与第一辊61在基材1的第一表面上的接触区域之间的距离等于预定距离L。
第二辊20优选地相对于行进的基材1的中平面与第一辊61对称布置。
用于停止冷却流体流动的另外的装置25(其在所描述的实例中位于第二装置8的第一单元9下游)旨在防止任何冷却流体在冷却模块5的下游流动超过预定长度L1。
另外的停止装置25位于第一辊61下游。
装置25例如包括喷嘴，该喷嘴被配置成用于在正交于基材或与基材1的行进方向A相反的方向将加压的冷却流体射流输送至基材1上。例如，在基材的行进方向A和该加压的冷却流体射流之间形成的角在60°和90°之间。
在操作期间，基材1被设置为通过辊3、21和19以优选0.5m/秒至2.5m/秒的行进速度沿行进方向A行进。
在该行进期间，基材1在冷却模块5，特别是在每个冷却装置8中循环。
基材1在进入冷却模块5期间的初始温度大于600℃，特别地大于800℃。例如，基材1在其进入冷却模块5时的初始温度大于900℃。
在基材1在每个装置8中行进期间，第一冷却流体射流被第一冷却集管11喷射在基材1的第一表面上，并且第二冷却流体射流被第二冷却集管17喷射在基材1的第二表面上。
出于这一目的，冷却流体分配网络在小于2巴，并优选大于1巴的压力下供给冷却流体供给回路13和19中的每一者。
冷却流体流在用于提供冷却流体的主导管47中的回路13和19中的每一者中循环，然后在分配导管45中循环，然后通过孔口57在供给导管43中在该导管43的整个宽度上循环。
冷却流体流以小于或等于2m/秒的速度在回路13和19中的每一者中循环。
然后冷却流体流在第一集管17和第二集管11中的每一者的通道35中循环，然后在集管喷嘴33的导管37中循环。
然后温度优选低于30℃的冷却流体，作为第一冷却流体射流和第二冷却流体射流通过第一集管11和第二集管17的开口39被喷射。
第一冷却流体射流和第二冷却流体射流通过在基材1的第一表面和下表面中的每一者上形成基本平行于基材1的冷却流体的层流而以大于或等于5m/秒，优选小于12m/秒的喷射速度沿基材1的行进方向A喷射。
该冷却流体流延伸基材1的整个宽度，基材1的第一表面上的第一预定长度L1，以及基材1的第二表面上的第二预定长度L2。
因此，基材1以核胞沸腾从第一温度冷却至第二温度。
第一温度对应于基材1的在第一冷却流体射流和第二冷却流体射流冲击区域处的温度，第二温度对应于基材1的在停止装置15处的温度。
特别地，基材1的在第一冷却装置8的入口处的温度等于基材1的在冷却模块5的入口处的初始温度。因此，在其通过第一冷却装置8期间，在核胞沸腾条件下，将基材1从高于600℃的温度，特别地高于800℃，例如高于900℃的温度冷却。
根据本发明的冷却装置和方法因此允许以受控的方式有效地冷却基材，而不引起在基材内的，特别是在基材的第一表面和第二表面之间的任何温度不均一。
本发明人从图2至4的装置研究了冷却流体的喷射速度对由基材的第一表面和第二表面上的冷却流体流从基材1提取的热流的影响，其取决于基材1的温度。该影响示出于图5。
在该图5上可以看出，当冷却流体的喷射速度小于5m/秒，例如等于2.8m/秒(曲线A)时，仅当基材1的温度低于370℃时，所述基材1以核胞沸腾冷却。
在这些条件下，基材1的温度或经冷却的基材1的面积越低，所提取的热流越低。在这样的条件下，基材1的最冷区域冷却得更慢，这使得可减弱基材1的可能温度不均一。
然而，当冷却流体喷射速度等于2.8m/秒时，仅当基材1的温度低于370℃时才获得核胞沸腾条件，并因此在热轧或热处理之后不能从基材1的冷却开始时获得。
事实上，当基材1的温度为约370℃至800℃时，基材1以过渡沸腾被冷却。在这些条件下，基材1的温度或经冷却的基材1的面积越低，所提取的热流越大。在这样的条件下，基材1的最冷区域冷却得更快，这倾向于增强基材1的可能的温度不均一。
当基材1的温度大于约800℃时，基材1以膜沸腾被冷却。在这些条件下，所提取的热流随温度基本不变，但仍小于可在核胞沸腾中(例如在400℃下)提取的热流。
因此可以看出，当冷却流体喷射速度小于5m/秒时，例如当该速度等于2.8m/秒时，从高于600℃或甚至高于800℃或甚至高于900℃的初始温度的冷却开始时获得的冷却条件为过渡沸腾条件，或膜沸腾条件(其随后是过渡沸腾条件)。
在这两种情况下，基材1至少部分以过渡沸腾从其初始温度冷却至最终温度，这趋向于加剧温度的不均一。
当朝向基材1的第一表面和第二表面的冷却流体的喷射速度增加时，例如当其等于4m/秒(曲线B)时，可以看到所获得的核胞沸腾条件达到更高的温度(约400℃)。
此外，在过渡沸腾中，所提取的热流随温度的变化，即所提取的热流对温度的代表性曲线的斜率的绝对值减小。
换言之，当冷却流体喷射速度等于4m/秒时，与冷却流体喷射速度等于2.8m/秒时相比，过渡沸腾条件下的冷却在较小程度上加剧了基材1的温度不均一。
当冷却流体喷射速度进一步增加并且变得大于5m/秒，特别是等于6m/秒(曲线C)和7.4m/秒(曲线D)时，从基材1提取的热流是在延伸直至达到或甚至超过900°温度的温度范围内的基材1的温度的增函数。
因此，基材1可以以核胞沸腾从高于900℃的温度被排他性地冷却至室温。
因此，图5示出了当第一冷却流体射流和第二冷却流体射流的喷射速度大于或等于5m/秒时，基材1可以以核胞沸腾从高于600℃，或者甚至高于800℃，或甚至高于900℃的初始温度被排他性地冷却。
因此基材1可以在倾向于减弱基材1在其冷却之前可能包括的温度不均一的条件下被排他性地冷却。
在图5中还看出，由于冷却流体射流的喷射速度高，因此至少在400℃至1000℃的温度范围内从基材1提取的热流均较大。
因此，图5示出以大于或等于5m/秒的速度喷射第一冷却流体射流和第二冷却流体射流使基材1获得有效冷却。
本发明人还对基材1研究了开口39与基材1的表面之间的距离H以及由第一冷却流体射流或下部冷却流体射流在其喷射期间与行进方向A形成的角α对基材1的冷却速率的影响。
这些影响分别在下表1和2中以及图6和7上示出。
表1中记录了以不同距离H获得的相对冷却速率。表1中将相对冷却速率计算为以距离H获得的冷却速率与以距离H＝60mm获得的冷却速率之比。
表1：距离H对冷却速率的影响
距离H(mm) 相对冷却速率
60 1
100 0.92
200 0.98
表2中记录了以不同角α获得的相对冷却速率。在表2中将相对冷却速率计算为以角α获得的冷却速率与以角α＝10°获得的冷却速率之比。
表2：角α对冷却速率的影响
角α(°) 相对冷却速率
10 1
19 1.1
25 0.98
图6和7示出了对两个不同角α基材1上的流体流动。在图6和7，仅示出了基材1的第一表面和冷却流体射流和流动。
在图6中，由冷却流体射流与纵向方向A形成的角α为约35°，即大于25°。如图6所示，由于该角度，部分冷却流体与行进方向A相反地向B回流，结果，基材表面的冷却流体流动被扰乱而不是层流，使得基材不是排他性地通过核胞沸腾冷却，而是至少部分通过过渡沸腾冷却。
相反，在图7中，由冷却流体射流与纵向方向A形成的角α为25°。以该角度，相反于行进方向A没有冷却流体的回流。相反，沿行进方向A流动的冷却流体是层流的，使得基材排他性地通过核胞沸腾冷却。
为了研究冷却流体表面流量对冷却速率的影响，并将根据现有技术的方法所获得的冷却速率而获得的冷却速率与相同的表面流量进行比较，还进行了测试。
因此，表3示出了对于表面流量为3360L/秒/m2以及对于表面流量为1020L/秒/m2，通过根据本发明的方法获得的在800℃至550℃之间，以℃/秒表示的冷却速率相对经冷却的基材1的厚度。
对于3360L/秒/m2和1020L/秒/m2的冷却流体表面流量，将这些性能与通过其中将冷却流体射流正交地喷射至基材1的表面的现有技术的标准方法获得的这些性能相比。
表3：根据本发明的方法和根据现有技术的方法在800℃至550℃之间的冷却速率与基材的厚度和表面流量的关系
Figure BDA0001711558720000181
表3示出了对于最小表面流量(1020L/秒/m2)，通过根据本发明的方法获得的基材1的冷却速率大于通过标准方法获得的基材1的冷却速率，特别是对于最大表面流量(3360L/秒/m2)获得的速率。
因此这些测试表明，根据本发明的方法提供了得到基材1的特别有效的冷却的可能性，然而不需要比已有方法更大的冷却流体流量。
本发明人还研究了厚度为30mm的基材1的第一表面和第二表面的冷却曲线，从约1150℃的初始温度冷却降至室温。
因此，图8示出了作为上表面和下表面的基材1的第一(曲线I)和第二(曲线J)表面的温度对时间的依赖时间的变化。该图示出基材1的第一表面和第二表面的冷却曲线类似。
特别地，以大于或等于5m/秒的喷射速度将冷却流体射流喷射在第二表面(在该实例中为下表面)上，使得可以确保在基材1的下表面上形成的冷却流体流，在长度L2上保持与基材1的下表面接触，这使得可以获得基材1的上表面和下表面的对称冷却，因此基材1在其厚度上均一地冷却。
该图还显示了基材1的冷却非常迅速，在小于50秒内，上表面和下表面从1150°冷却至小于200℃的温度。
图9示出了在如图2和4所示的冷却模块5的入口(曲线K)和在该模块5的出口(曲线L)处沿纵向方向在基材1的表面上的温度分布图。
这些曲线的横坐标表示在基材1上的测量点在纵向方向上的标准化位置。
因此可以看出，基材1在其进入冷却模块5之前，在基材1的头部和尾部之间在纵向方向上具有温度不均一，并且该不均一在模块5的出口处强烈地减弱。
因此图9示出了基材1排他性地在核胞沸腾条件下被模块5冷却的事实，允许温度不均一的减弱最初存在于基材1的头部和尾部之间。
因此根据本发明的方法允许获得具有非常好的平整度性质的基材1。
作为实例和比较，图10和11示出了两个基材的在基材的宽度上的表面的轮廓，其通过根据现有技术(图10)或根据本发明的冷却方法(图11)冷却。
在图10和图11中，x轴表示测量点在基材的宽度上的位置，并且y轴表示每个测量点的平整度，表示为平整度＝(ε11-(ε11)平均值).105，其中(ε11)平均值为ε11在基材宽度上的平均值。
图10的基材至少部分通过过渡沸腾进行冷却，而根据本发明的图11的基材排他性地通过核胞沸腾冷却。
这些图的比较表明，与现有技术的方法相比，根据本发明的通过核胞沸腾来冷却基材的方法允许获得改善的基材平整度。
图12和13示出了根据在图3和4中示出的组合件的另一个实施方案的冷却集管11’和供给回路13’。
该实施方案与参照图3和4描述的实施方案的不同之处主要在于，冷却集管11’不包括通道35，并且供给回路13’不包括用于提供冷却流体的任何主导管47。
因此，在该实施方案中，冷却集管11’形成有集管喷嘴71。
集管喷嘴71在功能上类似于参照图3和4描述的集管喷嘴33。
特别地，集管喷嘴71相对于行进的基材1沿横向方向延伸大于或等于待冷却基材1的宽度的宽度。
集管喷嘴71提供有形成用于输送冷却流体的导管73的通孔。导管73横向延伸大于或等于待冷却的基材1的宽度的宽度，并且沿上游端和下游端之间的垂直纵向平面延伸。导管73的上游端直接连接至供给回路13’。下游端形成孔，由供给回路13’注入并穿过导管37的冷却流体通过所述孔作为冷却流体射流被喷射到基材上。
该孔形成开口75，类似于参照图3和4描述的开口39。
导管73具有从导管73的上游侧向下游侧减小的部分，其允许在开口75的出口处形成以至少5m/秒的速度喷射的冷却流体射流，从小于2m/秒的冷却流体的初始速度进入供给回路13’。事实上，如下文所述，供给回路13’中的冷却流体以小于2m/秒的速度循环，使在该供给回路13’中的压降最小化，因此降低了供给回路13’所需的压力。
优选地，导管73的下游端与行进方向A形成5°至25°，特别地10°至20°的角α。
此外，根据该替代方案，供给回路13’包括冷却集管11’的供给导管83和分配导管85。因此，由冷却流体分配网络接收的冷却流体的流被输送通过分配导管85，然后通过供给回路83，直至冷却集管11’。
供给回路83用于向集管喷嘴73供给冷却流体。
供给导管83横向延伸基本等于集管喷嘴73的宽度的宽度。供给导管83具有大致圆柱形形状，并且包括基本圆柱形的侧壁和两个端壁。如下文所述，这两个端壁均各自设置有基本圆形的通孔87，用于使供给导管83通过。
此外，供给导管83在其侧壁上包括通向导管73的横向孔89。孔89基本上横向延伸供给导管83的整个宽度。
分配导管85用于连接至冷却流体分配网络，并且在供给导管83的整个宽度上分配由该分配网络提供的冷却流体流。
分配导管85具有大致圆柱形形状，并且在各自连接至冷却流体分配网络的两个端部85a、85b之间横向延伸。导管85在端部85a、85b之间包括在供给导管83内延伸的中心部分。两端85a、85b从供给导管83通过通孔87开口。
因此分配导管85的侧壁与供给导管83的侧壁限定用于在供给导管83内循环冷却流体的空间91。空间91通常为环形。
此外，分配导管85的侧壁设置有复数个孔口95，其旨在允许冷却流体从分配导管85分配至空间91中。
例如孔口95在横向方向上对齐，并且延伸导管85的整个宽度。
例如孔口95是等距的。
根据该替代方案，供给回路13’能够输送由冷却流体分配网络以小于或等于2巴的压力提供的冷却流体的流直至冷却集管11’，以在冷却集管11’的出口获得以大于5m/秒的速度和1000L/分钟/m2至3500L/分钟/m2的表面流量喷射的冷却流体射流。
特别地，供给回路13’像回路13那样使压降最小化，这使得可由相对低的压力获得大于5m/秒的喷射速度。
应理解，以上示出的示例性实施方案是非限制性的。
特别地，根据另一个实施方案，冷却装置和模块被集成到热处理线。然后冷却装置和模块旨在用于通过对基材淬火而将基材1以核胞沸腾从基本等于基材的热处理温度的初始温度冷却至室温。初始温度为例如高于800℃，并且可甚至高于100℃。
此外，尽管所述模块5包括两个冷却装置8，但是模块中装置8的数目可以变化并且可以大于或小于两个。
此外，导流板可以省略，或者这些装置可以仅包括一个上部导流板或仅一个下部导流板。
此外，根据一个替代方案，除了辊61之外或作为辊61的替代，用于停止冷却流体流动的装置15包括喷嘴，所述喷嘴被配置成用于将加压的冷却流体射流沿正交于基材的方向或与基材1的行进方向相反的方向输送至基材1上。

Claims (24)

1.一种用于冷却沿纵向方向(A)行进的金属基材(1)的方法，所述方法包括在所述基材(1)的第一表面上喷射至少一个第一冷却流体射流以及在所述基材(1)的第二表面上喷射至少一个第二冷却流体射流，
所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流以高于或等于5m/秒的冷却流体速度喷射，以在所述第一表面上以及在所述第二表面上分别形成第一层流冷却流体流和第二层流冷却流体流，所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流与所述基材(1)相切，所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流分别延伸所述基材(1)的第一预定长度(L1)和第二预定长度(L2)，
所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流各自在其喷射期间与所述纵向方向(A)形成预定角(α)，所述预定角(α)为5°至25°，所述第一预定长度(L1)和所述第二预定长度(L2)被确定为使得所述基材(1)通过核胞沸腾从第一温度冷却至第二温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一预定长度(L1)与所述第二预定长度(L2)之差小于所述第一预定长度(L1)和所述第二预定长度(L2)的平均值的10％。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流相对于所述基材(1)的中平面对称。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流分别从预定距离(H)喷射在所述第一表面和所述第二表面上，所述预定距离(H)为50mm至200mm。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述第一预定长度(L1)和所述第二预定长度(L2)各自为0.2m至1.5m。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述第一温度高于或等于600℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一温度高于或等于800℃。
8.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述基材(1)以0.2m/秒至4m/秒的速度行进。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中在从所述第一温度冷却至所述第二温度期间从所述第一表面和所述第二表面中的每一者提取的平均热通量为3MW/m2至7MW/m2。
10.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，所述基材的厚度为2mm至9mm，所述基材以高于或等于200℃/秒的冷却速率从800℃冷却至550℃。
11.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流中的每一者以360L/分钟/m2至2700L/分钟/m2的比冷却流体流量喷射。
12.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述金属基材为钢板。
13.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流延伸所述基材(1)的宽度。
14.一种用于热轧金属基材的方法，所述方法包括热轧所述金属基材，以及用根据权利要求1或2中任一项所述的方法冷却经热轧的金属基材。
15.一种用于热处理金属基材的方法，所述方法包括热处理所述金属基材，以及用根据权利要求1或2中任一项所述的方法冷却经热处理的金属基材。
16.一种金属基材(1)的冷却装置(8)，包括：
-第一冷却单元(9)，其被配置成在所述基材(1)的第一表面上喷射至少一个第一冷却流体射流，
-第二冷却单元(10)，其被配置成在所述基材(1)的第二表面上喷射至少一个第二冷却流体射流，
所述第一冷却单元(9)和所述第二冷却单元(10)被配置成分别喷射所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流，使得所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流与纵向方向(A)形成预定角(α)，所述预定角(α)为5°至25°，
所述第一冷却单元(9)和所述第二冷却单元(10)被配置成以高于或等于5m/秒的冷却流体速度分别喷射所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流，以在所述第一表面上以及在所述第二表面上分别形成第一层流冷却流体流和第二层流冷却流体流，所述第一层流冷却流体流和所述第二层流冷却流体流与所述基材(1)相切并且分别延伸所述基材(1)的第一预定长度(L1)和第二预定长度(L2)。
17.根据权利要求16所述的冷却装置(8)，其中所述第一冷却单元(9)包括至少一个第一冷却集管(11；11’)，其被配置成喷射所述第一冷却流体射流；所述第二冷却单元(10)包括至少一个第二冷却集管(17)，其被配置成喷射所述第二冷却流体射流。
18.根据权利要求17所述的冷却装置(8)，其中所述第一冷却集管(11；11’)和所述第二冷却集管(17)各自包括集管喷嘴(33；71)，所述集管喷嘴(33；71)包括用于分别喷射所述第一冷却流体射流和所述第二冷却流体射流的喷嘴开口(39；75)。
19.根据权利要求18所述的冷却装置(8)，其中各个集管喷嘴(33；71)与所述纵向方向(A)形成所述预定角(α)。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的冷却装置，其中所述第一冷却集管(11；11’)和所述第二冷却集管(17)中的每一者连接至冷却流体供给回路(13，19；13’)，所述冷却流体供给回路被以1巴至2巴之间的冷却流体压力供给冷却流体。
21.根据权利要求20所述的冷却装置，其中各个冷却流体供给回路(13，19；13’)被配置成使得冷却流体以至多2m/秒的速度在所述冷却流体供给回路(13，19；13’)中循环。
22.根据权利要求16至19中任一项所述的冷却装置，其中所述第一冷却单元(9)和所述第二冷却单元(10)中的至少一者包括用于停止冷却流体流动的装置(25)，适于防止任何冷却流体流向所述第一预定长度(L1)和/或所述第二预定长度(L2)下游。
23.一种热轧设备，包括根据权利要求16至19中任一项所述的冷却装置。
24.一种热处理设备，包括根据权利要求16至19中任一项所述的冷却装置。
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