CN1802444A - 用于冷却移动的金属带材的方法和组件 - Google Patents
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Abstract
为了冷却以连续方式移动的金属带材(2)：－将所述带材(2)压在主冷却辊(10)上，从而由形成圆弧的带材的内表面与主冷却辊的外表面所限定的接触区域适合于将所述带材的部分热排放向所述辊的内侧；－通过在所述带材外表面上的支撑辊(14)，使所述带材(2)与主冷却辊(10)保持接触，所述支撑辊由可弹性变形的热容性材料构成；和－从所述带材(2)传导到支撑辊(14)的热借助辅助冷却装置(16)排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于冷却移动的金属带材的方法和组件。
本发明尤其是可以用于该种带材的真空处理，尤其是用于热涂敷。
背景技术
为了正确地对带材实施诸如退火处理和连续涂敷之类的热处理操作，通常必须以预定速度依次加热和冷却带材。为了以可控的方式冷却这种带材，可通过气体喷射、液体喷射或通过与该带材接触的至少一个冷却辊对该带材进行淬火。
利用辊冷却的公知方法在于，将连续运动的带材压在至少一个冷却辊上，冷却流体尤其是冷水在该冷却辊的内部侧流动。所述辊可绕其轴线转动，或者由移动带材的摩擦力驱动或者由单独的机动组件驱动。以这种方式被压到辊上的带材形成一圆弧，其内表面与辊的外表面所限定的接触区域适合于将带材的部分热排放到辊的内侧。
为了改善带材与冷却辊之间的接触，以前提出了利用带材圆弧外表面上的金属支撑辊使带材的圆弧与辊保持接触。为了确保将带材平整地压在冷却辊上的效果，将这些冷却辊的每一个都安装在刚性臂的末端并可以绕其轴线自由旋转，根据带材的厚度确定这些支撑辊相对于冷却辊的间隔。
虽然这种金属支撑辊产生了带材在冷却辊上的预期滞留，但是它们带来这样的危险：一方面，可能会划伤带材的外表面，如果冷却辊与支撑辊轴线之间的平行度存在误差则该划痕会非常深；另一方面，由于热在支撑辊内的迅速聚集而影响了带材的冷却。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于冷却移动的金属带材的方法和组件，由此在控制冷却操作的同时，将所述带材安全地抵靠在所述冷却辊上，并且没有因此而损害所述带材的表面条件。
为此，本发明涉及一种用于冷却移动的金属带材的方法，其中：
-以连续的方式移动待冷却的金属带材；
-所述带材被压在能够绕其轴线运动的主冷却辊上，从而形成圆弧，该圆弧的内表面与所述主冷却辊的外表面限定了适合于将所述带材的部分热排放向该辊内侧的接触区域；和
-通过在由所述带材所形成的圆弧的外表面上的至少一个支撑辊，使所述带材与所述主冷却辊保持接触，所述支撑辊或每一所述支撑辊基本上平行于所述主冷却辊布置，从而可绕其轴线转动；
所述方法的特征在于，所述支撑辊或每一所述支撑辊至少其外围由可弹性变形的热容性材料构成，并且从所述带材传导到所述支撑辊或每一所述支撑辊的热由辅助冷却装置排放，所述辅助冷却装置适合于与所述支撑辊或每一所述支撑辊的部分外表面形成向这些辅助冷却装置传导热的区域。
所述方法还具有如下特征，包括单个特征或所有技术上可能的组合：
-所述支撑辊或每一所述支撑辊至少在所述带材的整个宽度上延伸，从而施加在由所述带材所形成的圆弧外表面上的压力在其整个宽度上基本上均匀；
-压在所述主冷却辊入口处的所述带材的温度低于构成所述支撑辊的材料的裂解温度；和
-压在所述入口处的带材的温度低于大约200℃。
本发明还涉及一种用于冷却移动的金属带材的组件，其中以连续的方式移动待冷却的金属带材，所述组件包括：
主冷却辊，所述带材被压在该主冷却辊上，使得该带材形成一圆弧，该圆弧的内表面所述辊的外表面所限定的接触区域适合于将所述带材的部分热向所述主冷却辊的内侧排放；和
在由所述带材所形成的圆弧的外表面上的至少一个支撑辊，所述支撑辊适合于使所述带材与所述主冷却辊保持接触，所述支撑辊或每一所述支撑辊基本上平行于所述主冷却辊布置，从而可绕其轴线转动；
所述组件的特征在于所述支撑辊或每一所述支撑辊至少其外围由可弹性变形的热容性材料构成，并且所述组件包括辅助冷却装置，其适合于与所述支撑辊或每一所述支撑辊的部分外表面形成向这些辅助冷却装置传导热的区域，以便排放从所述带材传导到所述支撑辊或每一所述支撑辊的热量。
所述组件还具有如下特征，包括单个特征或所有技术上可能的组合：
-所述支撑辊或每一所述支撑辊至少其外围由弹性体材料尤其是硫化的硅酮(vulcanized silicone)制成；
-至少构成所述支撑辊或每一所述支撑辊的外围的材料具有小于1W/m·K的导热系数；
-所述支撑辊或每一所述支撑辊的直径大约为所述主冷却辊的直径的四分之一至十分之一；
-所述辅助冷却装置包括至少一个第二冷却辊，该冷却辊可绕其轴线转动并基本上平行于所述支撑辊布置；和
-所述组件包括用于提供热交换流体的装置，该装置是所述主冷却辊和所述辅助冷却装置所共用的。
附图说明
通过参考附图阅读纯粹以实施例方式给出的下列说明将有助于更好地理解本发明，其中：
-图1是根据本发明的冷却组件的示意图；
-图2和3是与图1相类似的视图，其中给出了根据本发明的两种不同组件。
具体实施方式
在图1中示出的组件1旨在冷却沿箭头4所示方向移动的带材2。该组件在例如带材的涂敷处理期间，尤其是在真空条件下使用。
所述组件包括：
-两个用于使带材2转向的圆筒8A和8B，它们任选配有机动驱动系统(未示出)；
-主冷却辊10，其具有轴X-X并面向转向圆筒8A和8B布置，从而使上述圆筒在辊10的入口和出口分别以适当的方式引导带材2；
-用于带材支撑在冷却辊10上的辊14，其具有基本上与辊10的轴X-X平行的轴Z-Z，并优选其基本上垂直于带材绕辊10移动的区域布置；和
-第二冷却辊16，其具有平行于辊14的轴Z-Z的轴X’-X’，并在与辊10相对的那一侧与这些辊14相接触地布置，共同平面P形成在辊10和16的中心平面上。
更准确地，当将热构件施加到主冷却辊10和第二冷却辊16上时，它们能够从辊的外表面向辊的内侧排放热能。为此，辊10和16以公知的方式包括双层外壳(double casing)，其允许冷却流体例如冷水在这些辊的内部周边循环。也可设想使用为本领域技术人员所公知的，通过接触冷却的其它类型的冷却辊。
支撑辊14本身由具有轴Z-Z的单个圆筒部件构成或者由一套相关或不相关的同轴薄圆筒体构成。辊14由可弹性变形的材料制成，尤其是弹性体材料。在本发明中，术语“可弹性变形材料”通常指其弹性模量(或杨氏模量)明显低于形成带材2的材料的弹性模量的材料，其原因将在下面解释。合适弹性体材料的例子包括硫化的硅酮。
构成支撑辊14的材料在热导性和电容方面也具有优选的性能，也就是说其一定不能完全或几乎完全阻止热传导(例如象陶瓷材料那样)，但是也不必象传统的金属合金那样具有高的传导性。进一步，其必须能够在其芯部存储从带材上吸收的热能。构成支撑辊14的弹性体材料具有例如低于大约1W/m·K(瓦特每米每开尔文)的导热系数和例如约1000J/kg·K(焦耳每公斤每开尔文)的高热容，。
辊14的直径优选在辊10的直径的四分之一和十分之一之间。此外，该辊14的长度至少稍微大于带材2的宽度。
组件1的操作(解释了根据本发明的方法)如下：
来自组件1上游的相邻生产组件(如带卷或加热组件(未示出))的带材2以被认为是较高的温度到达组件1的入口，该温度尤其是指在环境温度和高于构成支撑辊14的材料被裂解的危险的高温之间，也就是说，例如在环境温度和大约200℃之间。可由圆筒8A引起其至少部分地运动。
在圆筒8A出口处的带材2被压在主冷却辊10上，所述带材绕该冷却辊形成尽可能大的圆弧，例如超过大约240°的圆弧，其内表面与圆筒10的外表面接触。当被压到辊10上时，由带材2形成的圆弧优选在其开始卷绕的区域被支撑辊14压在辊10上，从而与辊10保持接触。
辊14相对于辊10外表面的相对位置既可以是预调的，尤其是根据带材2的厚度，也可以是由可弹性变形的支撑装置控制，从而使所述带材2的外表面承受使带材沿着其宽度充分平整的接触压力，并通过增加所述带材的内表面与所述辊的外表面之间的接触表面积来促进从带材到冷却辊10的热传导。
形成支撑辊的材料的低刚性限制了带材外表面有划痕的危险，即使当出现轴Z-Z与X-X之间平行度问题的时候也是如此。此外，带材2具有良好的横截面均匀性。
此外，由于形成支承辊14的材料为热容性材料，所述带材的部分热从带材传导到支承辊，因而为带材提供了补充冷却。
带材2的运动驱动支承辊14绕其轴线旋转，该辊14本身又驱动第二冷却辊16。保持在支撑辊14与辊16之间的接触区域允许热量从辊14的外围部分传导到辊16的内侧。由于形成支撑辊的材料为高热容性材料，因此从带材传导到支承辊14的热量在其被传导到冷却辊16之前被存储在辊14的外围。
形成支承辊14的材料的弹性确保了即使在轴Z-Z与X’-X’之间平行度(parallelism)不足的情况下，在辊14和辊16的外表面之间形成大的接触表面积，和因此具有的高水平的热导。
在辊10的出口处，带材2绕转向圆筒8B转动并离开组件1。
因此，根据本发明的方法允许带材2以可控的方式被冷却，而不损害或划伤其表面。所获得的冷却是均匀和迅速的，因此既确保了所冷却的带材的性质的均匀，又缩短了冷却的时间以及所对应的区域的长度。
利用弹性体材料形成支承辊14并不是很复杂，而制造第二冷却辊16则基于现有的技术。此外，可有利地利用送入到主冷却辊10的冷却流体的循环网路，例如利用供应第二冷却辊16的支路，也就是说，基于现已存在的冷却装置，因此根据本发明所提供的组件的投资费用极小。
图2显示了不同于图1中的组件1的变体，一方面，其中代替一个支承辊将两个支承辊14布置在主冷却辊10和第二冷却辊16之间；另一方面，出口转向圆筒8B被例如类似于辊10的第二主冷却圆筒12代替。该组件的操作基本上类似于图1中组件1的操作。
根据现有技术的方法的应用实施例以及利用图2中的组件1的根据本发明的方法的应用实施例在以下详细说明。在下面的两个表中，公布了该组件的操作参数：
表1
| 导热系数(W/m·K) | 弹性模量(杨氏模量)(MPa) | |
| 带材2 | 60 | 205000 |
| 冷却辊10、12和16 | 20 | 205000 |
| 支承辊14 | 0.2 | 9.4 |
表2
| 冷却辊10、12和16的半径 | 支承辊14的半径 | 带材2的移动速度 | 送入辊10、12和16的冷却水的流速 | 带材2绕辊10形成的圆弧的长度 |
| 300mm | 62.5mm | 20m/min | 101/min | 240° |
下面的表概述了测试结果
表3
| 测试序号N° | 是否有辊14的支撑 | 在辊10入口的带材2的温度(℃) | 带材2和辊10之间的热交换系数(W/m2·K) | 带材2在辊12入口处的温度(℃) | 带材2和辊12之间的热交换系数(W/m2·K) |
| 1 | 否 | 75 | 10 | 70 | 8 |
| 2 | 否 | 135 | 15 | 125 | 10 |
| 3 | 是 | 75 | 150 | 45 | 100 |
| 4 | 是 | 145 | 235 | 65 | 170 |
测试1和2是在没有支承辊的情况下进行的，而测试3和4是在使用两个由弹性体材料制成的支承辊14的情况下进行的，如图2中所示。
当第一主冷却辊10与两个支撑辊14相联时，发现第一主冷却辊10上的冷却效率增大15倍，而且第二冷却辊12上的冷却效率也大幅增加。该结果说明支承辊14为带材2提供了高水平的横截面均匀度，允许在带材的整个宽度上高水平且均匀地进行冷却。利用红外热成像法的温度测量进一步证实冷却温度是均匀的。
此外，考虑到由支承辊14所达到的温度，可能确定的是，辊14的材料外层在预定的接触期间内，可在相对短的时间内局部达到与这些辊相接触的带材2的温度。尤其是当带材的运动速度较低时，例如在上面的表1和2中详细公开的应用实施例中约20m/min的运动速度。
然而，当带材的运动速度增加时，弹性体材料在带材上的接触时间并不足以完成热交换，从而弹性体材料的温度仍然低于带材的温度。因此，对大约150m/min的运动速度(对应于工业组件的运动速度)，并对于约150℃的带材初始温度，弹性体材料局部达到约100℃的最高温度，这对应于大多数硫化弹性体材料的普通工作温度。
可以考虑上面描述的方法和组件的变体和不同方案。尤其是，支撑辊和第二冷却辊的数量，它们的尺寸以及它们的布置都只受限于主冷却辊周围可利用的空闲空间。任何组合都是可能的，只要每一个支撑辊被至少一个第二辊所冷却。作为实例，图3例示了一个与五个支撑辊14和四个第二冷却辊16相联的主冷却辊10。
此外，冷却辊14可包括多层结构，为了实施本发明，仅外层必须具有上面所公开的在弹性与热容性方面的特性。
此外，冷却辊16可以被其它辅助冷却装置所代替，例如借助气体喷射淬火的系统，只要这些装置与支撑辊的部分外表面形成适当的热排放区域。
Claims (10)
1、一种用于冷却移动的金属带材的方法，其中：
-以连续的方式移动待冷却的金属带材(2)；
-所述带材(2)被压在能够绕其轴线(X-X)运动的主冷却辊(10)上，从而形成圆弧，该圆弧的内表面与所述主冷却辊的外表面限定了适合于将所述带材的部分热排放向该辊内侧的接触区域；和
-通过在由所述带材所形成的圆弧的外表面上的至少一个支撑辊(14)，使所述带材(2)与所述主冷却辊(10)保持接触，所述支撑辊或每一所述支撑辊基本上平行于所述主冷却辊(10)布置，从而可绕其轴线(Z-Z)转动；
所述方法的特征在于，所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)至少其外围由可弹性变形的热容性材料构成，并且从所述带材(2)传导到所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)的热由辅助冷却装置(16)排放，所述辅助冷却装置适合于与所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)的部分外表面形成向这些辅助冷却装置(16)传导热的区域。
2、权利要求1的方法，其特征在于所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)至少在所述带材(2)的整个宽度上延伸，从而施加在由所述带材所形成的圆弧外表面上的压力在其整个宽度上基本上均匀。
3、权利要求1或2的方法，其特征在于压在所述主冷却辊(10)入口处的所述带材(2)的温度低于构成所述支撑辊(14)的材料的裂解温度。
4、权利要求3的方法，其特征在于压在所述入口处的带材的温度低于大约200℃。
5、一种用于冷却移动的金属带材的组件，其中以连续的方式移动待冷却的带材(2)，所述装置包括：
主冷却辊(10)，所述带材(2)被压在该主冷却辊上，使得该带材形成一圆弧，该圆弧的内表面与所述辊(10)的外表面限定了适合于将所述带材的部分热向所述主冷却辊的内侧排放的接触区域；和
在由所述带材所形成的圆弧的外表面上的至少一个支撑辊(14)，所述支撑辊适合于使所述带材与所述主冷却辊(10)保持接触，所述支撑辊或每一所述支撑辊基本上平行于所述主冷却辊布置，从而可绕其轴线(Z-Z)转动；
所述装置的特征在于所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)至少其外围由可弹性变形的热容性材料构成，并且所述装置(1)包括辅助冷却装置(16)，其适合于与所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)的部分外表面形成向这些辅助冷却装置传导热的区域，以便排放从所述带材(2)传导到所述支撑辊或每一所述支撑辊的热量。
6、权利要求5的组件，其特征在于所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)至少其外围由弹性体材料尤其是硫化的硅酮制成。
7、权利要求5或6的组件，其特征在于至少构成所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)的外围的材料具有小于1W/m·K的导热系数。
8、权利要求5至7中任一项所述的组件，其特征在于所述支撑辊或每一所述支撑辊(14)的直径大约为所述主冷却辊(10)的直径的四分之一至十分之一。
9、权利要求5至8中任一项所述的组件，其特征在于所述辅助冷却装置包括至少一个第二冷却辊(16)，该冷却辊可绕其轴线(X’-X’)转动并基本上平行于所述支撑辊(14)布置。
10、权利要求5至9中任一项所述的组件，其特征在于所述组件包括用于提供热交换流体的装置，该装置是所述主冷却辊(10)和所述辅助冷却装置(16)所共用的。
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