CN112639139B - 磁性冷却辊 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却辊，该冷却辊包括轴和套筒，套筒具有直径和沿轴向方向的长度并且限定径向方向和周向方向，套筒从内到外包括：内筒；多个磁体，该多个磁体在内筒的外围上且沿着内筒的长度的至少一部分设置，每个磁体由沿周向方向的磁体宽度、沿径向方向的高度和沿轴向方向的长度限定；冷却系统，其围绕所述多个磁体的至少一部分，冷却系统和所述多个磁体通过由沿径向方向的间隙高度限定的间隙隔开，间隙高度是磁体与上方的冷却系统之间的最小距离，其中每个磁体的磁体宽度满足以下公式：间隙高度×1.1≤磁体宽度≤间隙高度×8.6。本发明还涉及一种用于上述冷却辊中对连续地移动的金属带材进行冷却的方法。由此减少或抑制辊与带材之间的接触不均匀。

Description

磁性冷却辊

技术领域

本发明涉及一种用于冷却连续地移动的金属带材的设备。本发明特别适合于冶金过程中的钢板的冷却。

背景技术

在热钢带材冷却过程中，用冷却辊对带材进行冷却是已知的过程。这种冷却辊可以被用于过程中的各个步骤，例如：熔炉或涂覆浴的下游。带材主要由于已冷却的冷却辊与带材之间的热传导而被冷却。然而，这种技术的效率极大地受到带材的平坦度以及辊与带材之间的表面接触的影响。带材平坦度会在辊与带材之间存在沿着带材宽度的接触不均匀时因不均匀的冷却速率而恶化。

专利JPH04346628涉及一种用于对带材进行冷却的设备、即辊。在辊本体内部连续地或以适当的间隔设置有磁体。磁体上方有绕着磁体以螺旋状的方式缠绕的一个冷却管、即冷却系统。辊的外壳优选涂覆有Al₂O₃/ZrO₂。

专利JP59-217446涉及一种用于冷却或加热金属带材的设备、即辊。辊的内部容纳有热载体、即冷却系统，而磁体则设置在辊的外壳中。

然而，通过使用上述设备，带材不能与辊充分地接触来克服带材的潜在平坦度缺陷，并且因此带材的平坦度在冷却过程中变差并且带材的质量因此下降。此外，冷却系统不允许充分且均匀地冷却带材，从而导致沿着带材宽度、尤其是带材的边缘与中心之间的温度变化。另外，由于冷却辊的不同部分的布置，热传递系数不是最佳的。

因此，需要找到一种减少或抑制辊与带材之间的接触不均匀的方法，以改善接触均匀性并且因此改善沿着带材宽度的冷却均匀性。还需要提高冷却系统的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种辊，该辊允许在带材的宽度方向上更均匀地冷却带材，而不会降低所述带材的平坦度。

该目的通过提供一种冷却辊来实现。该冷却辊包括轴和套筒，所述套筒具有直径和沿轴向方向的长度并且限定径向方向和周向方向，所述套筒从内到外包括内筒、多个磁体和冷却系统，所述多个磁体在内筒的外围上且沿着内筒的长度的至少一部分设置，每个磁体由沿周向方向的磁体宽度、沿径向方向的高度和沿轴向方向的长度限定，冷却系统围绕所述多个磁体的至少一部分，冷却系统和所述多个磁体通过由沿径向方向的间隙高度限定的间隙隔开，间隙高度是磁体与上方的冷却系统之间的最小距离，其中每个磁体的磁体宽度满足以下公式：间隙高度×1.1≤磁体宽度≤间隙高度×8.6。

可选地，磁体可以是永磁体。

可选地，冷却系统可以由金属部件制成，金属部件可以包括至少两个冷却通道，冷却剂能够经由冷却通道流动。

可选地，冷却通道平行于冷却辊的高度设置。

可选地，冷却系统包括用于将冷却剂注入冷却通道中的装置。

可选地，用于注入冷却剂的装置交替地设置在冷却通道的两侧。

优选地，磁体宽度满足以下公式：间隙高度×1.4≤磁体宽度≤间隙高度×6.0。进一步优选地，间隙高度×1.6≤磁体宽度≤间隙高度×5.0。

可选地，所述多个磁体沿着整个内筒的长度设置。

可选地，冷却系统围绕所述多个磁体。

该目的也可以通过提供一种用于在上述设备中对连续地移动的金属带材进行冷却的方法来实现。该方法包括以下步骤：将带材的一部分以磁力的方式吸引到至少一个冷却辊上并使带材与所述至少一个冷却辊接触。

可选地，使用了至少三个冷却辊并且带材同时与所述至少三个冷却辊接触。

可选地，与冷却辊接触的带材具有在0.3m.s-1与20m.s-1之间的速度。

可选地，这种冷却系统由金属部件制成，金属部件包括至少两个冷却通道，冷却剂能够经由冷却通道流动，冷却通道中的冷却剂在相邻的冷却通道中沿相反的方向流动。

本发明的其他特征和优点将根据本发明的以下详细描述而变得明显。

附图说明

为了说明本发明，将特别地参照以下附图来描述非限制性示例的多个实施方式和试验：

图1是辊的实施方式的横截面图，示出了不同元件的可能布置。

图2示出了辊的实施方式，其中，支承装置、即轴穿过该辊。

图3呈现了与带材宽度相比的优选的磁体长度。

图4示出了磁体的各磁极。

图5呈现了通过冷却通道的冷却流的优选取向。

图6示出了支承装置、冷却系统和连接支承装置与冷却系统的装置的可能的布置。

图7呈现了支承装置、冷却系统和连接支承装置与冷却系统的装置的第二种可能的布置。

图8示出了带材在冷却辊上的可能的位置。

图9呈现了涂覆过程之后的冷却辊的可能的用途。

图10呈现了精加工过程中的冷却辊的第二种可能的用途。

图11包括示出了沿着带材宽度的温度差异的演变的曲线图。

图12呈现了沿着辊的宽度的辊表面的温度以及带材的就辊长度而言的优选位置。

图13示出了磁体宽度同磁体与冷却系统之间的间隙高度之间的比率的影响。

具体实施方式

如图1所图示的，本发明涉及冷却辊1，该冷却辊1包括轴2和套筒3，所述套筒具有长度和直径并且从内到外被构造如下：

-内筒4，

-多个磁体5，所述多个磁体5在所述内筒的外围上且沿着内筒长度的至少一部分设置，每个磁体由宽度、高度和长度限定，

-冷却系统6，该冷却系统6围绕所述多个磁体5的至少一部分，

-所述冷却系统和所述多个磁体通过由高度限定的间隙7隔开，间隙高度是磁体5与上方冷却系统6之间的最小距离，

-所述磁体5具有使得满足以下公式的宽度：

间隙高度×1.1≤磁体宽度≤间隙高度×8.6。

在现有技术中，似乎不可能将带材充分地吸引到辊上以克服平坦度缺陷并获得均匀的接触。这会导致更加不均匀的平坦度，从而降低带材质量。此外，冷却系统的布置不允许执行充分且均匀的冷却，从而无法实现所需的微观结构和特性。

相反，使用根据本发明的设备，可以强烈且充分地吸引带材，从而克服现有的平坦度缺陷。因此，带材被冷却而不会引起平坦度缺陷或不均匀的特性。此外，冷却系统的布置使得沿着带材宽度产生均匀的冷却成为可能。

有利地，所述间隙高度满足以下公式：间隙高度×1.4≤磁体宽度≤间隙高度×6.0。看来遵守该公式允许具有至少70％的最大吸引力。

有利地，所述间隙高度满足以下公式：间隙高度×1.6≤磁体宽度≤间隙高度×5.0。看来遵守该公式允许具有至少80％的最大吸引力。

有利地，所述多个磁体沿着整个内筒长度设置。这样的布置增强了冷却的均匀性。

如图1所图示的，磁体优选地绕内筒4的外围固定至内筒4。

如图2所图示的，内筒4优选地包括用于支承、旋转和输送冷却辊的装置，该装置优选地位于两个侧面8上。这种装置可以是轴2，该轴2在两个侧面8上被插入以筒旋转轴线10为中心的孔9内。筒形孔9可以从一个侧面到另一侧面，使得轴2穿过筒。

如图3所图示的，磁体5优选地平行于辊旋转轴线10布置。甚至更优选地，每个磁体长度11大于带材宽度12。这种配置似乎增加了带材对冷却辊的吸引的均匀性。

如图4所图示的，北极面向冷却系统6，而南极面向内筒4。磁体高度可以被限定为北极面5N与南极面5S之间的距离。

有利地，所述磁体是永磁体。永磁体的使用允许在不需要电线或电流的情况下产生磁场，从而简化了冷却辊的管理。而且，似乎永磁体与电磁体相比产生更强的磁场。此外，电磁体在使用时会产生感应电流，从而加热辊和冷却剂，这似乎降低了冷却效率。所述磁体可以由钕基合金、例如NdFeB制成。

有利地，如图5所图示的，所述冷却系统6由金属层制成，其包括至少两个冷却通道12，冷却剂可以流过所述至少两个冷却通道12。优选地，所述冷却系统具有中空筒形形状。冷却系统优选具有多个冷却通道，因为与单个隔室相比，冷却剂可以容易且更频繁地更新，从而使得冷却剂温度更低。冷却系统6优选地是容纳冷却剂的套管。优选地，冷却系统至少覆盖进行冷却的、通过的带材的整个宽度，并且优选地甚至更多。这样允许增加沿着宽带材的冷却的均匀性。

有利地，如图5所图示的，所述冷却通道12平行于辊旋转轴线10设置。显然地，冷却通道的这种定位允许缩短通道的冷却长度，因此，通道的端部处的冷却剂温度比在冷却通道是弯曲的情况下的通道的端部处的冷却剂温度低。这提高了冷却剂效率。

有利地，如图6和图7所图示的，冷却系统6包括用于将冷却剂注入所述冷却通道12中的装置13。优选地，用于注入冷却剂的装置13至少连接至辊的支承装置2，其中，冷却剂可以流动成使得冷却剂通过至少一个支承装置2和用于注入冷却剂的装置13而从允许对冷却剂进行连续冷却的系统(未示出)穿行到达冷却通道12。冷却系统6还包括回收装置14，该回收装置14用于使来自冷却通道12冷却剂流回到允许对冷却剂进行连续冷却的系统。因此，冷却剂优选地在闭合回路中流动。

有利地，如图6和图7所图示的，用于注入冷却剂的装置13交替地设置在冷却通道12的两侧。如图8所图示的，冷却通道12交替地连接至注入装置13或回收装置14。这种交替提高了冷却均匀性，因为相邻通道的冷却流方向是相反的。

有利地，所述冷却系统围绕所述多个磁体。这样的布置提高了冷却的均匀性和性能。

有利地，如图5所图示的，所述冷却通道中的冷却剂在相邻的冷却通道中沿相反的方向流动。这种冷却方法使得沿着带材宽度的冷却更加均匀。

如图8所图示的，本发明还涉及一种用于在根据本发明的设施中对连续地移动的带材15进行冷却的方法，该方法包括以下步骤：将所述带材的一部分以磁力的方式吸引到至少一个冷却辊1上并使所述带材15与所述至少一个冷却辊1接触。

与前述设备相结合的这种方法允许强烈且充分地吸引通过的带材，从而克服现有的平坦度缺陷。因此，通过的带材被冷却而不会引起平坦度缺陷或不均匀的特性。

有利地，使用至少三个冷却辊，并且所述带材同时与所述至少三个冷却辊接触。这种对多个辊的使用使得能够沿着带材进行良好的冷却。

有利地，与冷却辊接触的所述带材具有包括在0.3m.s^-1与20m.s^-1之间的速度。看来因为热传递系数增加了，带材需要更少的时间来接触辊以达到所需的温度，因此有可能以更高的辊转速工作。

以下描述将涉及本发明在用于使用冷却辊对带材进行冷却的不同设施中的两种用途。但是，本发明适用于例如在精加工、镀锌、包装或退火线中对金属带材进行冷却的每个过程。

如图9所表示的，在涂覆线中，至少可以将冷却辊1安置在涂覆浴(未示出)和冷却器16的下游，冷却器16在带材15’的每侧吹气。根据带材速度、带材的进入温度和目标温度——分别为T_E和T_T——以及辊表面温度，可以使用多个冷却辊1。在这种情况下，带材从约250℃的进入温度冷却成当离开最后的冷却辊时的大约100℃的目标温度。如图9所图示的，辊可以稍微移向带材与辊进行接触的那侧，以使辊与带材之间的接触面积最大。

如图10所表示的，在精加工线中，至少可以在慢冷却区17步骤和快冷却区18的下游使用冷却辊1，在该慢冷却区17步骤中，带材15”通过接触环境空气进行冷却，在该快冷却区18中，冷却器16’在带材的两侧吹气。通常，带材以大约800℃的温度进入慢冷却区19，并且然后根据等级，刚好在接触第一冷却辊之前进入温度T_E在400℃与700℃之间，并且目标温度T_T为大约100℃。

实验结果

为了评估本发明的各益处并示出本发明减少了或至少不增加沿着带材宽度的温度差，示出并解释了几种结果。

已经使用以下辊和带材获得了实验结果：

辊尺寸和特征：

-内筒1400mm长并且具有800mm的直径且由碳钢制成。

-磁体由Nd₂Fe₁₄B组成并平行于辊旋转轴线设置，该磁体具有30mm的高度和30mm的宽度，以2mm的间隙隔开，绕内筒布置并且布置在内筒上。

-冷却系统由不锈钢制成。冷却通道平行于辊的轴线设置。此外，冷却剂从冷却通道的横向侧流入冷却通道。冷却剂在所述冷却通道中的注入在连续的冷却通道的相反两侧上进行，从而允许在相邻的冷却通道中具有相反的冷却剂流方向。

-磁性层与冷却系统之间的间隙高度为10mm。

-带材速度可以从0.3m.s^-1变化成20m.s^-1。

带材为1090mm宽并且由钢制成。

示例1

为了验证在冷却辊之后的温度比在冷却辊之前的温度更均匀，在通过冷却辊进行的带材冷却之前和之后比较沿着带材宽度的温度极值之间的温度差。

如果沿着带材宽度的最热点与最冷点之间的差在冷却辊之前为20℃，而在冷却辊之后为10℃，那么热间隙差为10℃。如果沿着带材宽度的最热点与最冷点之间的差在辊之前为20℃，而在辊之后为30℃，那么热间隙差为-10℃。

这意味着，所获得的热间隙差大于0，则沿着带材宽度的温度均匀性得到了提高。此外，热间隙差值越大，温度均匀性改善越好。

从图11中的曲线图明显看出，在冷却之后，沿着带材宽度的温度均匀性得到了改善。在竖向轴线上表示热间隙差的各值，这些值都在0以上并且绝大多数在40℃以上。因此，在绝大多数情况下，带材宽度的最热点与最冷点之间的温度差降低了至少40℃。与现有技术的结果相比，该结果是明显的改善。

示例2

为了验证温度均匀性沿着带材宽度的改善，已经沿着不同宽度11’测量了的辊温度轮廓，如在图12中可以看到的。温度沿着与带材宽度12’接触的部分是均匀的。因此，带材在宽度方向上被均匀地冷却，使得带材宽度的边界和中心处于相同温度。该结果清楚地证明了本发明的预期结果以及相比于现有技术的改善。

示例3

为了评估间隙高度与磁体宽度之间的比率，根据该比率确定由磁体在辊的外表面上产生的吸引力。

从图13中绘制的这个曲线图可以明显看出，最佳范围是针对遵循该等式的比率：

间隙高度×1.1≤磁体宽度≤间隙高度×8.6，

对应于最大吸引力的约50％。

Claims (14)

1.一种冷却辊(1)，所述冷却辊(1)包括轴(2)和套筒(3)，所述套筒具有直径和沿轴向方向的长度并且限定径向方向和周向方向，所述套筒从内到外包括：

-内筒(4)，

-多个磁体(5)，所述多个磁体(5)在所述内筒的外围上且沿着所述内筒的长度的至少一部分设置，每个磁体由沿所述周向方向的磁体宽度、沿所述径向方向的高度和沿所述轴向方向的长度限定，

-冷却系统(6)，所述冷却系统(6)围绕所述多个磁体(5)的至少一部分，

-所述冷却系统和所述多个磁体通过由沿所述径向方向的间隙高度限定的间隙(7)隔开，所述间隙高度是磁体(5)与上方的所述冷却系统(6)之间的最小距离，

-其中每个所述磁体(5)的磁体宽度满足以下公式：

间隙高度×1.1≤磁体宽度≤间隙高度×8.6。

2.根据权利要求1所述的冷却辊，其中，所述磁体(5)是永磁体。

3.根据权利要求1或2所述的冷却辊，其中，所述冷却系统(6)由金属部件制成，所述金属部件包括至少两个冷却通道(12)，冷却剂能够经由所述冷却通道(12)流动。

4.根据权利要求3所述的冷却辊，其中，所述冷却通道(12)平行于所述冷却辊的高度设置。

5.根据权利要求3所述的冷却辊，其中，所述冷却系统(6)包括用于将冷却剂注入所述冷却通道(12)中的装置(13)。

6.根据权利要求5所述的冷却辊，其中，用于注入冷却剂的所述装置(13)交替地设置在所述冷却通道(12)的两侧。

7.根据权利要求1或2所述的冷却辊，其中，所述磁体宽度满足以下公式：间隙高度×1.4≤磁体宽度≤间隙高度×6.0。

8.根据权利要求7所述的冷却辊，其中，所述磁体宽度满足以下公式：间隙高度×1.6≤磁体宽度≤间隙高度×5.0。

9.根据权利要求1或2所述的冷却辊，其中，所述多个磁体沿着整个所述内筒的长度设置。

10.根据权利要求1或2所述的冷却辊，其中，所述冷却系统(6)围绕所述多个磁体(5)。

11.一种用于在根据权利要求1至8中的任一项所述的冷却辊中对连续地移动的金属带材进行冷却的方法，所述方法包括以下步骤：

-将所述带材(15)的一部分以磁力的方式吸引到至少一个冷却辊(1)上并使所述带材(15)与所述至少一个冷却辊(1)接触。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，使用了至少三个冷却辊(1)并且所述带材同时与所述至少三个冷却辊(1)接触。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，与所述冷却辊接触的所述带材具有在0.3m.s^-1与20m.s^-1之间的速度。

14.根据权利要求11或12所述的方法，其中，这种冷却系统(6)由金属部件制成，所述金属部件包括至少两个冷却通道(12)，冷却剂能够经由所述冷却通道(12)流动，所述冷却通道(12)中的冷却剂在相邻的冷却通道(12)中沿相反的方向流动。

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