CN111440941A - 一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：包括箱体和设置在箱体中的至少二个空气水雾喷射器，箱体设置在带材连续退火冷却工位处；所述空气水雾喷射器为偶数、在箱体中呈上下分布设置，形成上、下相向式空气水雾喷射结构，即形成从上往下及从下往上的双面均匀多点面空气水雾喷射结构；所述空气水雾喷射器的前端通过箱体法兰与箱体外壁固定连接、后端通过弧状支撑板与箱体内壁固定连接，所述箱体法兰连接有风管法兰，形成易装拆一体式连接结构。具有带材连续退火冷却均匀、消除应力效果好、保持带材(工件)形态不变等突出的实质性特点和显著技术进步。
Description
技术领域
本发明涉及一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，适用于金属带材退火冷却。属于冶金技术领域。
背景技术
随着金属带材轧机技术的发展，带材向更宽更薄发展，使得带材板形的平直度、板凸度要求更高。而带材板形的好坏决定于带材残余应力的分布，为了消除带材的残余内应力，对于轧制后退火的加热均匀性和冷却均匀性的控制有更高要求。在加热保温完全时，冷却均匀性的控制是消除带材内应力的关键因素之一。以不锈钢带退火冷却为例，从1080℃-900℃的冷却速度应小于20℃/S，从900℃-500℃的冷却速度应小于25℃/S，从500℃-80℃的冷却速度应小于50℃/S；为了保证冷却速度的前提下，确保均匀性，减少冷却内应力的产生，以得到良好的带材板形，选择正确的冷却方式是关键。现有技术中，一般采用气体冷却或水冷却二种方式。然而，无论是气体冷却还是水冷却，都存在冷却速度过快或过慢从而造成冷却不均匀、消除应力效果差、容易产生形变等问题。
发明内容
本发明的目的，是为了解决现有气体冷却或水冷却带材存在冷却不均匀、消除应力效果差、容易产生形变等问题，提供一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置。具有带材连续退火冷却均匀、消除应力效果好、保持带材(工件)形态不变等突出的实质性特点和显著技术进步。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其结构特点在于：包括箱体和设置在箱体中的至少二个空气水雾喷射器，箱体设置在带材连续退火冷却工位处；所述空气水雾喷射器为偶数、在箱体中呈上下分布设置，形成上、下相向式空气水雾喷射结构，即形成从上往下及从下往上的双面均匀多点面空气水雾喷射结构；所述空气水雾喷射器的前端通过箱体法兰与箱体外壁固定连接、后端通过弧状支撑板与箱体内壁固定连接，所述箱体法兰连接有风管法兰，形成易装拆一体式连接结构。
本发明的目的还可以通过采取如下技术方案达到:
进一步地，所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的喷射器，各包括风管和水管，水管套接在风管的内腔，水管的一端设有进水口、水管的另一端封闭，在沿水管的长度方向底部开有等距分布的出水孔；风管的一端设有进风口、风管的另一端封闭，沿风管的长度方向底部开有等距分布有出风孔；所述出风孔的数量及位置与出水孔的数量及位置一一对应、形成水雾喷射孔，由若干个空气水雾喷射孔形成从上往下或从下往上的均匀多点式喷射结构。
进一步地，上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的进水口位于水管的露出箱体的一端，所述上水管内置箱体的另一端各由密封塞封闭；上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的进风口位于风管的露出箱体的一端，所述上风管内置箱体的另一端各由封板焊接密封。
进一步地，所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构中的喷射孔的位置均布范围大于工件的最大带宽，以使冷却空气水雾可完全覆盖经过的工件(带材)表面。
进一步地，所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构相对于工件(带材)位于对称布置，以使工件(带材)整体上下的冷却速率一致性。
进一步地，所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的风管、水管的露出箱体的一端通过法兰连接固定在箱体上，位于箱体内腔的另一端通过圆弧弯板作支撑，形成上、下调节结构，以方便拆卸维修、更换及根据不同的带材设置不同的喷管高度以达到所要求的冷却速率。
进一步地，所述空气水雾喷射器，水管中带出水孔的侧壁与风管带出风孔的内壁之间留有间隙、以形成水气混合空间从而形成雾喷射孔，由若干个水雾喷射孔形成从上往下或从下往上的均匀多点式喷射结构。
进一步地，所述出风孔、出水孔等距设置并且出风孔与出水孔同轴；所述出水孔比出风孔小，出水孔的边缘与出风孔之间的连线为斜线并且该斜线与垂直线之间所形成的夹角α大于或等于15°，以确保水雾完全喷出。
进一步地，在所述风管的内腔设有若干个支架，所述支架焊接在水管的外壁上；在水管的入口端设有水管法兰，在风管入口端设有风管法兰，水管通过所述支架及水管法兰与风管法兰的连接配合固定在风管的内腔；水管外壁与风管内壁的间距为1-5 mm，以使水管方便抽出风管维护。
进一步地，水管的进水口和风管的进风口设置为箱体同一侧，使空气水雾喷射结构为同一方向进水、进风，以使喷射结构背压方向一致性。
进一步地，所述水管的封闭端由塞头进行密封，所述风管的封闭端由封板焊接密封。
进一步地，在所述风管的内壁与水管外壁之间设二条支撑棒，所述支撑棒设置在出风孔的两侧，形成对水管的架空支承结构，以使水管与风管内腔壁之间悬空，形成间隙。
本发明具有如下突出的实质性特点和有益效果：
1、本发明涉及的带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，包括箱体和设置在箱体中的至少二个空气水雾喷射器，箱体设置在带材连续退火冷却工位处；所述空气水雾喷射器为偶数、在箱体中呈上下分布设置，形成上、下相向式空气水雾喷射结构，即形成从上往下及从下往上的双面均匀多点面空气水雾喷射结构；所述空气水雾喷射器的前端通过箱体法兰与箱体外壁固定连接、后端通过弧状支撑板与箱体内壁固定连接，所述箱体法兰连接有风管法兰，形成易装拆一体式连接结构。；因此能够解决现有气体冷却或水冷却带材存在冷却不均匀、消除应力效果差、容易产生形变等问题，具有带材连续退火冷却均匀、消除应力效果好、保持带材(工件)形态不变等突出的实质性特点和显著技术进步。
2、本发明涉及的带材连续退火冷却用空气水雾喷射器，包括风管和水管，水管套接在风管的内腔，水管的一端设有进水口、水管的另一端封闭，在沿水管的长度方向底部开有等距分布的出水孔；风管的一端设有进风口、风管、的另一端封闭，沿风管的长度方向底部开有等距分布的出风孔；所述出风孔的数量及位置与出水孔的数量及位置一一对应，水管中带出水孔的侧壁与风管带出风孔的内壁之间留有间隙、以形成水气混合空间从而形成空气水雾喷射孔，由若干个空气水雾喷射孔形成从上往下或从下往上的均匀多点式喷射结构；因此能够解决现有气体冷却或水冷却带材存在冷却不均匀、消除应力效果差、容易产生形变等问题，具有带材连续退火冷却均匀、消除应力效果好、保持带材(工件)形态不变等突出的实质性特点和显著技术进步。
3、本发明是利用在出口处具有一定速度的水流和具有一定相对速度的低压大流量的空气相混合后形成完全雾化的空气水雾，并以一定的速度喷射到高温带面上冲刷带面表面的水蒸气膜后换热汽化带走带材表面的热量从而冷却带材，具有空气水雾喷射范围广，空气水雾可完全覆盖钢带使之得到充分冷却等特点。
4、本发明通过上下两喷管喷出的空气水雾作用可使钢带的上下面均匀冷却，在提高冷却速率的同时减小带面的冷却变形，保证工艺的同时，获得良好的板形，减少后工序的工作量。可保证不同带材连续退火时所需的冷却速率并要保证带材的冷却均匀性，以减少带材内应力，得到良好的板形。
附图说明
图1是本发明带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置的结构示意图。
图2是本发明带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置的结构剖视图。
图3是本发明带材连续退火冷却用空气水雾喷射结构的结构示意图。
图4是本发明带材连续退火冷却用空气水雾喷射结构的结构剖视图。
图5是图3中A-A向截面结构剖视图。
图6是图5的结构放大示意图。
图7是本发明风管中心到出风口距离的速度分布示意图。
图8是本发明上、下喷管流体从出风口到带面距离的速度分布示意图。
图9是本发明上喷管流体在竖直平面上不同高度位置的速度分布示意图。
图10是本发明下喷管流体在竖直平面上不同高度位置的速度分布示意图。
图11是本发明水管出口到风管出口之间水与空气的相对速度分布示意图。
图12是本发明上、下喷管水雾从水管口到带面距离的速度分布示意图。
图13是本发明雾滴直径与空气和水雾的相对速度的关系示意图。
具体实施方式
具体实施例1：
参照图1-图2，本发明具体实施例1涉及的带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，包括箱体10和设置在箱体10中的至少二个空气水雾喷射器，箱体10设置在带材连续退火冷却工位处；所述空气水雾喷射器为偶数、在箱体10中呈上下分布设置，形成上、下相向式空气水雾喷射结构，即形成从上往下及从下往上的双面均匀多点面喷射结构；所述空气水雾喷射器的前端通过箱体法兰10-1与箱体10外壁固定连接、后端通过弧状支撑板5与箱体10内壁固定连接，所述箱体法兰10-1连接有风管法兰1-3，形成易装拆一体式连接结构。
本实施例中:
所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的喷射器，各包括风管1和水管2，水管2套接在风管1的内腔，水管2的一端设有进水口2-1、水管2的另一端封闭，在沿水管2的长度方向底部开有等距分布的出水孔2-2；风管1的一端设有进风口1-1、风管1的另一端封闭，沿风管1的长度方向底部开有等距分布的出风孔1-2；所述出风孔1-2的数量及位置与出水孔2-2的数量及位置一一对应形成空气水雾喷射孔，由若干个水雾喷射孔形成从上往下或从下往上的均匀多点式喷射结构。
上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的进水口2-1位于水管2的露出箱体10的一端，所述上水管2内置箱体10的另一端各由密封塞2-4封闭；上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的进风口1-1位于风管1的露出箱体10的一端，所述上风管1内置箱体10的另一端各由封板1-4焊接密封。
所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构中的水雾喷射孔的位置均布范围大于工件的最大带宽，以使冷却空气水雾可完全覆盖经过的工件20(带材)表面。
所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构相对于工件20(带材)位于对称布置，以使工件20(带材)整体上下的冷却速率一致性。
所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的风管1、水管2的露出箱体10的一端通过法兰连接固定在箱体10上，位于箱体10内腔的另一端通过圆弧弯板作支撑，形成上、下调节结构，以方便拆卸维修、更换及根据不同的带材设置不同的喷管高度以达到所要求的冷却速率。
参见图3-图6，本发明具体实施例1涉及的带材连续退火冷却用空气水雾喷射结构，包括风管1和水管2，水管2套接在风管1的内腔，水管2的一端设有进水口2-1、水管2的另一端封闭，在沿水管2的长度方向底部开有等距分布的出水孔2-2；风管 1的一端设有进风口1-1、风管1的另一端封闭，沿风管1的长度方向底部开有等距分布的出风孔1-2；所述出风孔1-2的数量及位置与出水孔2-2的数量及位置一一对应，水管2中带出水孔2-2的侧壁与风管1带出风孔1-2的内壁之间留有间隙6、以形成水气混合空间从而形成雾喷射孔，由若干个水雾喷射孔形成从上往下或从下往上的均匀多点式空气水雾喷射结构。
本实施例中:
所述出风孔1-2、出水孔2-2等距设置并且出风孔1-2与出水孔2-2同轴；所述出水孔2-2比出风孔1-2小，出水孔2-2的边缘与出风孔1-2之间的连线为斜线并且该斜线与垂直线之间所形成的夹角α大于或等于15°，以确保水雾完全喷出。
在所述风管1的内腔设有若干个支架3，所述支架3焊接在水管2的外壁上；在水管2的入口端设有水管法兰2-3，在风管1入口端设有风管法兰1-3，水管2通过所述支架3及水管法兰2-3与风管法兰1-3的连接配合固定在风管1的内腔；水管2 外壁与风管1内壁的间距为1-5mm，以使水管2方便抽出风管1维护。
水管2的进水口2-1和风管1的进风口1-1设置为箱体同一侧，使空气水雾喷射结构为同一方向进水、进风，以使空气水雾喷射结构背压方向一致性。
所述水管2的封闭端由塞头2-4进行密封，所述风管1的封闭端由封板1-4焊接密封。
在所述风管1的内壁与水管2外壁之间设二条支撑棒4，所述支撑棒4设置在出风孔1-2的两侧，形成对水管的架空支承结构，以使水管2与风管内腔壁之间悬空，形成间隙6。
本发明涉及的箱体10及支架3、支撑棒4、水管法兰2-3、风管法兰1-3、塞头 2-4、焊板1-4由304不锈钢构成，即使用不锈钢304材料焊接构成带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置主体。
本实施例喷管通过水和低压大流量的空气混合雾化，形成空气水雾，使冷却速率介于空气和水雾之间，在25-50℃/s范围内可调节。
本实施例将水管的开孔设计为D1＝2mm，风管开孔D2＝10mm，且两管壁间隙h约为4mm，两孔所形成的角度ɑ为70°大于所要求的最小15°夹角，确保从水管喷出来的水形成的水雾不会喷到空气管内部。
本实施例采用了水管的管径D3为DN40，空气管的管径D4为150mm，且两管壁间隙h为4mm。由于两管位置的配合使空气管中有一个截面变化的趋势，使空气管中的气体流动的速度从管中心位置处到出风口位置逐渐加快，并且使管内气体有一个相对于带材位置的一个流动趋势，使气体可从管内有序地向一个方向流动，减少湍流的发生，保证出风孔处流体的均匀性。
本实施例喷管上开小孔径出风孔的目的是使空气从喷射口处达到一定的高速，与水滴混合后得到较好的雾化效果，并确保水雾到带面上有一定的速度可冲刷带面表面的水蒸气膜，提高冷却速度。
本实施例喷水管和喷风管上按一定的间距开孔，上下喷孔的横向均匀分布实现空气水雾可均匀喷射到经过喷孔处的带材。
本实施例喷口的位置均布范围L1大于最大带宽L2，因此通过上下喷管的配合，喷雾可以完全覆盖到带面上。
本实施例上下喷管通过圆弧支撑板和喷管固定法兰与箱体法兰配合固定，组成可拆卸式结构的冷却装置，便于维护和安装。
本实施例所述的冷却装置除连接用的法兰外其余都为不锈钢材质，大大增加了装置的耐用度。
下面描述本具体实施例的作用原理：
具体地，向每条水管2通入0.3Mpa，4.5m3/h循环冷却水，由于水管2端部有塞头2-4密封，水将会从每个水管开孔2-2处流出；同时，向每条风管1通入12Kpa,700m 3/h的空气，由于风管中1中内置有水管2，使风从进入风管内腔后到出风口1-2路径的横截面积不断地减少，因此随着离出风口1-2越近，风速越快。当风(空气)流经出风口1-2处时，由于孔径只有φ10mm，使空气速度增长到了高速的状态，并与出水孔2-2流出的水相遇后形成空气水雾。通过上下喷管及多个喷孔的配合保证空气水雾可以充分均匀地喷到钢带表面上，实现均匀冷却。
水的雾化原理根据公式(1)，当韦伯常数We>14时，水滴完全雾化，且We越大，水滴雾化成的液滴越小。所以在保证供水压力不变的情况下，通过调节空气的流量，即可改变风管开口出的流速，水滴与空气的相对速度也将改变，韦伯常数We的值也可改变，从而根据不同的带型，可通过改变不同的供风流量即可改变需要的冷却效果。
We：韦伯常数
ρ空：空气的密度，1.29kg/m3
V：水与空气的相对速度
d水：水滴的直径
σf水：水的表面张力,0.0728N/m
根据公式(1)，当10.7<We<14时，水将开始破碎雾化，当≥14时，水滴完全雾化，相对速度越大，雾滴越细；当水从水管喷孔口喷出，水的速度为20m/s，若要水可以破碎成水雾，即We为10.7时，视水柱的直径为水管开孔直径2mm，代入公式(1) 可得水与空气的相对速度不小于17.4m/s；若以完全雾化，We要≥14,则需要的相对速度V≥20m/s。参见图11和图13，当离水管喷口4mm时，相对速度V达到130m/s，水完全雾化成0.05mm细小的雾滴。当到风管出口即离水管喷口6mm处，相对速度V 达到了200m/s,水将完全雾化成0.025mm更小的雾滴。所以，当离风管出口越近时，雾滴与空气的相对速度越大，水雾化的效果越好。
参见图9和图10，可知，虽然出口处流体的速度不稳定，速度在±10m/s范围内波动，但是到带面上的速度均在±2m/s范围浮动。说明了本发明冷却效果的均匀性。
参见图6和图13，水雾与空气的混合流体经过出风口后，速度逐渐减少。由于下管要克服水的重力作用，所以出风口处的速度比上管出风口得速度小。最后空气以 10m/s的速度喷射到带材表面，水雾将以约23m/s的速度喷射到带面上,说明了本发明上下喷管的冷却效果的一致性。
经申请人使用证明，空气水雾冷却正好介乎于空气与水雾之间，可调整空气与水雾的流量比例，实现以25℃/S-50℃/S冷速进行冷却，减少冷却变形。具有均匀性及板形良好性。
Claims (10)
1.一种带材连续退火冷却用的空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：包括箱体(10)和设置在箱体(10)中的至少二个喷射器，箱体(10)设置在带材连续退火冷却工位处；所述喷射器为偶数、在箱体(10)中呈上下分布设置，形成上、下相向式喷射结构，即形成从上往下及从下往上的双面均匀多点面空气水雾喷射结构；所述空气水雾喷射器的前端通过箱体法兰(10-1)与箱体(10)外壁固定连接、后端通过弧状支撑板(5)与箱体(10)内壁固定连接，所述箱体法兰(10-1)连接有风管法兰(1-3)，形成易装拆一体式连接结构。
2.根据权利要求1所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的喷射水雾器，各包括风管(1)和水管(2)，水管(2)套接在风管(1)的内腔，水管(2)的一端设有进水口(2-1)、水管(2)的另一端封闭，在沿水管(2)的长度方向底部开有等距分布的出水孔(2-2)；风管(1)的一端设有进风口(1-1)、风管(1)的另一端封闭，沿风管(1)的长度方向底部开有等距分布有出风孔(1-2)；所述出风孔(1-2)的数量及位置与出水孔(2-2)的数量及位置一一对应而形成喷射孔，由若干个喷射孔形成从上往下或从下往上的均匀多点式空气水雾喷射结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的进水口(2-1)位于水管(2)的露出箱体(10)的一端，所述上水管(2)内置箱体(10)的另一端各由密封塞(2-4)封闭；上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的进风口(1-1)位于风管(1)的露出箱体(10)的一端，所述上风管(1)内置箱体(10)的另一端各由封板(1-4)焊接密封。
4.根据权利要求1或2所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构中的喷射孔位置分布范围大于工件的最大带宽，以使冷却空气水雾可完全覆盖经过的工件表面。
5.根据权利要求1或2所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：所述上喷射水雾结构和下喷射水雾结构相对于工件位于对称布置，以使工件整体上下的冷却速率一致性。
6.根据权利要求1或2所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：所述上空气水雾喷射结构和下空气水雾喷射结构的风管(1)、水管(2)的露出箱体(10)的一端通过法兰连接固定在箱体(10)上，位于箱体(10)内腔的另一端通过圆弧弯板作支撑，形成上、下喷射结构，以方便拆卸维修、更换及根据不同的带材设置不同的喷管高度以达到所要求的冷却速率。
7.根据权利要求1或2所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：所述空气水雾喷射器，水管(2)中带出水孔(2-2)的侧壁与风管(1)带出风孔(1-2)的内壁之间留有间隙(6)、以形成水气混合空间从而形成空气水雾喷射孔，由若干个空气水雾喷射孔形成从上往下或从下往上的均匀多点式喷射结构。
8.根据权利要求7所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：所述出风孔(1-2)、出水孔(2-2)等距设置并且出风孔(1-2)与出水孔(2-2)同轴；所述出水孔(2-2)比出风孔(1-2)小，出水孔(2-2)的边缘与出风孔(1-2)之间的连线为斜线，两斜线之间所形成的夹角α大于15°，以确保水雾完全喷出，水不残留。
9.根据权利要求8所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：在所述风管(1)的内腔设有若干个支架(3)，所述支架(3)焊接在水管(2)的外壁上；在水管(2)的入口端设有水管法兰(2-3)，在风管(1)入口端设有风管法兰(1-3)，水管(2)通过所述支架(3)及水管法兰(2-3)与风管法兰(1-3)的连接配合固定在风管(1)的内腔；水管(2)外壁与风管(1)内壁的间距为1-5mm，以使水管(2)方便抽出风管(1)维护。
10.根据权利要求8所述的一种带材连续退火冷却用空气水雾喷射冷却装置，其特征在于：水管(2)的进水口(2-1)和风管(1)的进风口(1-1)设置为箱体同一侧，使空气水雾喷射结构为同一方向进水、进风，以使空气水雾喷射结构背压方向一致性；所述水管(2)的封闭端由塞头进行密封，所述风管(1)的封闭端由封板焊接密封；在所述风管(1)的内壁与水管(2)外壁之间设二条支撑棒(4)，所述支撑棒(4)设置在出风孔(1-2)的两侧，形成对水管的架空支承结构，以使水管(2)与风管内腔壁之间悬空，形成间隙(6)。
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