CN115635052B - 一种冷却速度能实时调控的铸轧辊及铸轧机 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料加工相关技术领域，其公开了一种冷却速度能实时调控的铸轧辊及铸轧机，铸轧辊包括辊芯、辊套、多个半导体制冷片、直流电源、PID控制器及温度传感器，多个半导体制冷片卡设在辊芯内，辊套套设在辊芯上；直流电源通过导电滑环连接于半导体制冷片；温度传感器用于检测辊面温度，并将检测到的温度数据传输给PID控制器；PID控制器用于依据接收到的温度数据来实时调控直流电源提供给半导体制冷片的电流大小；辊芯内设置有冷却通道，半导体制冷片的内外侧表面分别与辊套及冷却通道内的冷却水接触。本发明在突破铸轧理论冷却极限的同时可以实现局部位置定点加热，同时解决了偏析问题与弯月面尖端卷气问题。

Description

一种冷却速度能实时调控的铸轧辊及铸轧机

技术领域

本发明属于金属材料加工相关技术领域，更具体地，涉及一种冷却速度能实时调控的铸轧辊及铸轧机。

背景技术

双辊铸轧是一种将熔融金属直接轧制成成品或半成品带坯的工艺技术，是生产金属薄带的重要方法，其原理是将熔融金属液通过布流系统注入一对反向旋转的铸轧辊与侧封板共同围成的熔池，熔池内的金属液在铸轧辊表面降温凝固后，在熔池底部经过轧制作用成为薄板坯。它省去了传统连铸连轧工艺中的冷却、再加热以及反复热轧的过程，具有短流程、低能耗、低成本、低污染、多品种、占地面积小等优势，是21世纪最具前景的技术之一。

经由160余年的发展，铸轧技术目前已在部分有色金属和钢铁材料制备领域取得了巨大的成功。但是针对于部分合金体系，铸轧板带的偏析缺陷依然难以通过单纯的工艺参数调整彻底消除。例如，Cu-15Ni-8Sn合金铸轧过程中的Sn元素反偏析问题，以及7075等高合金元素含量铝合金的中心偏析问题等。同时，针对于部分钢铁材料，由于凝固坯壳在熔池液面位置形成，弯月面尖端的卷气问题也会显著影响带坯表面质量，致使废品率居高不下，极大地影响了铸轧工艺在更加广泛的成分体系中取得商业化成功。

针对于偏析问题而言，提供更高的冷却强度与对熔池内金属液进行搅拌是解决该问题的两个最为重要的技术手段。但是，通过振动、超声、电磁等方式对熔池内金属液进行搅拌虽然能够通过改变熔池流场，打破枝晶固有凝固规律，起到抑制偏析的作用效果，却同时会影响工艺过程的稳定性。而现有提供更高冷却强度的方式主要是靠改进铸轧辊冷却水道布局，改变辊套材料实现的，这种纯粹依靠结构设计，未引入外加能场的方式终究有其理论极限难以突破。因此，亟待开发一种通过引入外加能场突破铸轧理论冷却极限的铸轧辊，用以彻底解决铸轧偏析问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种冷却速度能实时调控的铸轧辊及铸轧机，所述铸轧辊通过半导体制冷片的帕尔帖效应将电能有效用于铸轧辊辊面温控，在突破铸轧理论冷却极限的同时可以实现局部位置定点加热，同时解决了偏析问题与弯月面尖端卷气问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种冷却速度能实时调控的铸轧辊，所述铸轧辊包括辊芯、辊套、多个半导体制冷片、直流电源、PID控制器及温度传感器，多个半导体制冷片卡设在所述辊芯内，所述辊套套设在所述辊芯上；所述直流电源通过导电滑环连接于所述半导体制冷片；所述温度传感器用于检测辊面温度，并将检测到的温度数据传输给所述PID控制器；所述PID控制器用于依据接收到的温度数据来实时调控所述直流电源提供给所述半导体制冷片的电流大小；所述辊芯内设置有冷却通道，所述半导体制冷片的内外侧表面分别与所述辊套及冷却通道内的冷却水接触。

进一步地，所述温度传感器嵌设在所述辊套内或者设置在所述辊套的表面；所述温度传感器的数量为多个，多个所述温度传感器沿辊芯的圆周均匀排布。

进一步地，所述辊芯中部的表面开设有多个辊面冷却水道，所述辊芯还开设有多个主冷却水道及多个分支冷却水道；多个所述分支冷却水道分成多组，每组所述分支冷却水道沿平行于所述辊芯的中心轴的同一个方向间隔设置，多组所述分支冷却水道绕所述辊芯的中心轴均匀排布；所述分支冷却水道的一端与所述主冷却水道相连通，另一端与所述辊面冷却水道相连通，所述辊面冷却水道、所述主冷却水道及所述分支冷却水道组成所述冷却通道。

进一步地，所述辊面冷却水道为环形，多个辊面冷却水道等间隔设置。

进一步地，所述辊面冷却水道的侧壁上开设有卡槽，所述半导体制冷片卡设在所述卡槽内，其外层表面与辊套接触，内侧表面与冷却水接触。

进一步地，多个所述半导体分别通连接于多个所述直流电源，所述直流电源的数量与所述半导体制冷片的数量相同。

进一步地，冷却水为自来水、软水、去离子水或者冷凝水。

进一步地，沿铸轧辊周向分布的多个半导体制冷片所通入的电流大小及方向保持一致或者不一致。

本发明还提供了一种铸轧机，所述铸轧机包括如上所述的铸轧辊及机架，所述铸轧辊通过导电滑环安装于所述机架上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的冷却速度能实时调控的铸轧辊及铸轧机主要具有以下有益效果：

1.本发明可以通过半导体制冷片的帕尔帖效应，将电能引入铸轧温度场调控，提供了一种将外源能场引入铸轧温度场而非流场的思路，既可以有效避免外源能场引入流场对工艺稳定性造成影响，同时又同样可以通过提升冷却强度起到细化枝晶、抑制偏析的作用效果。

2.本发明可以通过采用沿铸轧辊周向分布的半导体制冷片独立控温的方式实现铸轧辊旋转过程中局部区域的定点加热，融化弯月面尖端，弯月面尖端卷气问题，提升带坯表面质量，促进铸轧工艺在更加广泛的成分体系中取得了商业化成功。

3.冷却水道及半导体制冷片均设置在辊芯内，半导体制冷片安装于辊芯的卡槽内，外表面与辊套接触，内表面与冷却水接触，通电后通过两表面的吸放热作用，改变铸轧辊的辊面冷却速度，且结构紧凑，体积较小。

4.直流电源用于向所述半导体制冷片提供电流，其电流大小由PID控制器根据温度传感器采集到的辊面温度数据实时调控；半导体制冷片的吸放热速率可保持一致，也可对铸轧辊辊面局部产生强冷或加热效果。

附图说明

图1是本发明提供的冷却速度能实时调控的铸轧辊的局部剖视图；

图2是半导体制冷片的工作原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-辊芯，2-分支冷却水道，3-辊套，4-辊面冷却水道，5-半导体制冷片，6-主冷却水道，7-绝缘体，8-P型半导体，9-N型半导体，10-金属导体，11-冷却水，12-直流电源，13-PID控制器，14-温度传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种冷却速度能实时调控的铸轧辊，所述铸轧辊包括辊芯1、辊套3、多个半导体制冷片5、直流电源12、PID控制器13及温度传感器14，多个半导体制冷片5卡设在所述辊芯1内，所述辊套3套设在所述辊芯1上。所述直流电源12通过导电滑环连接于所述半导体制冷片5，以为所述半导体制冷片5提供电流。所述温度传感器14嵌设在所述辊套3内或者设置在所述辊套3的表面。所述温度传感器14用于检测辊面温度，并将检测到的温度数据传输给所述PID控制器13。所述PID控制器13用于依据接收到的温度数据来实时调控所述直流电源12提供给所述半导体制冷片5的电流大小。所述辊芯1内设置有冷却通道，所述半导体制冷片5的内外侧表面分别与所述辊套3及冷却通道内的冷却水11接触。

所述辊芯1中部的表面开设有多个辊面冷却水道4。所述辊芯1还开设有多个主冷却水道6及多个分支冷却水道2，多个所述主冷却水道6相互平行，且沿所述辊芯1中心轴设置。多个所述主冷却水道6分别作为进水道及出水道。多个分支冷却水道2分成多组，每组分支冷却水道2沿平行于所述辊芯1的中心轴的同一个方向间隔设置，多组分支冷却水道2绕所述辊芯1的中心轴均匀排布。分支冷却水道2的一端与所述主冷却水道6相连通，另一端与所述辊面冷却水道4相连通。所述辊面冷却水道4、所述主冷却水道6及分支冷却水道2组成所述冷却通道。

本实施方式中，所述辊面冷却水道4为环形，多个辊面冷却水道4等间隔设置；当然在其他实施方式中，所述辊面冷却水道4可以为弧形，同一个辊面冷却水道4与至少两个分支冷却水道2相连通，对应的至少两个分支冷却水道2中的至少一个与作为出水道的主冷却水道6相连通，同时至少一个分支冷却水道2与作为进水道的主冷却水道6相连通。

所述辊面冷却水道4的侧壁上开设有卡槽，所述半导体制冷片5卡设在所述卡槽内，其外层表面与辊套3接触，内侧表面与冷却水11接触，通电后通过两表面的吸放热作用，改变铸轧辊的辊面冷却速度。

其中，多个所述半导体制冷片5可以串联为一路，也可以分成多路，分别与多个所述直流电源12连接，从而实现多个所述半导体制冷片5的分别独立控温。对应的，所述直流电源12的数量可以为一个或者多个，其输出电流的大小和方向均可以实时调控。

所述半导体制冷片5包括两个间隔设置的绝缘体7、多个金属导体10、多个P型半导体8及多个N型半导体9。多个所述金属导体10分别设置在两个所述绝缘体7的内侧上，且两侧的金属导体10错位重叠设置，如其中一侧的金属导体10相背的两端分别与另一侧的相邻两个金属导体10相对的两端分别相对设置，且该两端分别设置有N型半导体9及P型半导体8，多个所述N型半导体9及多个所述P型半导体8交错间隔设置。所述直流电源12的两端分别连接于所述金属导体10。

所述导电滑环安装于铸轧机机架或主轧辊轴承座等不动部件上，用于将所述直流电源12的电流引入旋转状态下的铸轧辊的所述半导体制冷片5中，其进线端连接所述直流电源12，出线端连接所述半导体制冷片5。冷却水11可以为但不限于为自来水、软水、去离子水与冷凝水。所述温度传感器14可以为一个或多个，多个所述温度传感器14可沿辊面周圈均匀分布。

所述铸轧辊的应用方法主要包括以下步骤：

S1：设定辊缝宽度，开启铸轧辊传动电机，使铸轧辊旋转，向铸轧辊内通入冷却水11；

S2：开启直流电源12经由导电滑环向半导体制冷片5通入电流；

S3：由温度传感器14采集辊面温度数据，反馈PID控制器13，调控直流电源12的输出电流，直至辊面温度达至预设温度；

S4：向熔池中注入熔融金属液，由金属液与辊面换热使辊面发生的温度变化由温度传感器14采集，反馈PID控制器13，调控直流电源12的输出电流，控制半导体制冷片5的吸放热速率，直至辊面温度分布达到新的预期要求的平衡状态。

S3与S4步骤中，沿铸轧辊周向分布的多个半导体制冷片5，其所通入的电流大小及方向可保持一致，也可不一致，如果多个半导体制冷片5的吸放热速率有所差别，可以对铸轧辊辊面局部产生强冷或加热效果。

本发明还提供了一种铸轧机，所述铸轧机包括如上所述的铸轧辊及机架，所述铸轧辊通过导电滑环安装于所述机架上。

以下以具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

铸轧材料选取Cu-15Ni-8Sn合金，目标产品薄带厚度2mm，铸轧辊直径500mm，宽度500mm，分支冷却水道2与主冷却水道6选用直通形，沿铸轧辊周向分布4个，2个进水水道2个出水水道。辊面冷却水道4为环形水道。沿辊面周圈布置20个半导体制冷片5组元，各组元串联为一路，由一个直流电源12统一控制。温度传感器14采用辊面接触式设置1支，安装于铸轧辊轧制反向侧水平位置。

设定辊缝宽度2mm，开启铸轧辊传动电机，使铸轧辊以5m/min的线速度旋转，向铸轧辊内通入冷凝水。开启直流电源12经由导电滑环向半导体制冷片5通入电流。由温度传感器14采集辊面温度数据，反馈PID控制器13，调控直流电源12的输出电流，直至辊面温度达至0℃。将Cu-15Ni-8Sn合金融化，待温度达至1350℃注入熔池，铸轧出Cu-15Ni-8Sn合金2mm厚的产品薄带。由金属液与辊面换热使辊面发生的温度变化由温度传感器14采集，反馈PID控制器13，调控直流电源12的输出电流，控制半导体制冷片5的吸放热速率，保持测温点位置辊面温度10℃。

实施例2

铸轧材料选取20CrMn合金钢，目标产品薄带厚度2mm，铸轧辊直径500mm，宽度500mm，分支冷却水道2与主冷却水道6选用直通形，沿铸轧辊周向分布4个，2个进水水道2个出水水道。辊面冷却水道4为环形水道。沿辊面周圈均匀布置40个半导体制冷片5组元，分别与40个直流电源12连接，各组元独立控温。温度传感器14预埋于辊套3内，预埋深度3mm，数量设置40支，沿沿辊面周圈均匀布置。

设定辊缝宽度2mm，开启铸轧辊传动电机，使铸轧辊以20m/min的线速度旋转，向铸轧辊内通入软水。开启直流电源12经由导电滑环向半导体制冷片5通入电流。由温度传感器14采集辊面温度数据，反馈PID控制器13，调控直流电源12的输出电流，直至辊面温度达至10℃。将20CrMn合金钢融化，待温度达至1550℃注入熔池，铸轧出20CrMn合金钢2mm厚的产品薄带。由金属液与辊面换热使辊面发生的温度变化由温度传感器14采集，反馈PID控制器13，调控直流电源12的输出电流，控制半导体制冷片5的吸放热速率，其中在铸轧辊旋转过程中持续保持处于熔池液面位置的半导体制冷片5反向通电放热，其余半导体制冷片5正向通电吸热，以融化熔池液面位置的凝固坯壳弯月面尖端，避免卷气问题影响带坯表面质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种冷却速度能实时调控的铸轧辊，其特征在于：

所述铸轧辊包括辊芯、辊套、多个半导体制冷片、直流电源、PID控制器及温度传感器，多个半导体制冷片卡设在所述辊芯内，所述辊套套设在所述辊芯上；所述直流电源通过导电滑环连接于所述半导体制冷片；所述温度传感器用于检测辊面温度，并将检测到的温度数据传输给所述PID控制器；所述PID控制器用于依据接收到的温度数据来实时调控所述直流电源提供给所述半导体制冷片的电流大小；所述辊芯内设置有冷却通道，所述半导体制冷片的内外侧表面分别与所述辊套及冷却通道内的冷却水接触；

所述铸轧辊通过控制所述半导体制冷片的内外侧表面的吸放热作用来改变铸轧辊的辊面冷却速度；其中，所述铸轧辊还能采用半导体制冷片独立控温的方式实现铸轧辊旋转过程中局部区域的定点加热；

所述辊芯中部的表面开设有多个辊面冷却水道，所述辊芯还开设有多个主冷却水道及多个分支冷却水道；多个所述分支冷却水道分成多组，每组所述分支冷却水道沿平行于所述辊芯的中心轴的同一个方向间隔设置，多组所述分支冷却水道绕所述辊芯的中心轴均匀排布；所述分支冷却水道的一端与所述主冷却水道相连通，另一端与所述辊面冷却水道相连通，所述辊面冷却水道、所述主冷却水道及所述分支冷却水道组成所述冷却通道；所述辊面冷却水道的侧壁上开设有卡槽，所述半导体制冷片卡设在所述卡槽内，其外层表面与辊套接触，内侧表面与冷却水接触。

2.如权利要求1所述的冷却速度能实时调控的铸轧辊，其特征在于：所述温度传感器嵌设在所述辊套内或者设置在所述辊套的表面；所述温度传感器的数量为多个，多个所述温度传感器沿辊芯的圆周均匀排布。

3.如权利要求1所述的冷却速度能实时调控的铸轧辊，其特征在于：所述辊面冷却水道为环形，多个辊面冷却水道等间隔设置。

4.如权利要求1-3任一项所述的冷却速度能实时调控的铸轧辊，其特征在于：多个所述半导体分别连接于多个所述直流电源，所述直流电源的数量与所述半导体制冷片的数量相同。

5.如权利要求1-3任一项所述的冷却速度能实时调控的铸轧辊，其特征在于：冷却水为自来水、软水、去离子水或者冷凝水。

6.如权利要求1-3任一项所述的冷却速度能实时调控的铸轧辊，其特征在于：沿铸轧辊周向分布的多个半导体制冷片所通入的电流大小及方向保持一致或者不一致。

7.一种铸轧机，其特征在于：所述铸轧机包括权利要求1-6任一项所述的铸轧辊及机架，所述铸轧辊通过导电滑环安装于所述机架上。

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