EP2114584B1 - Dispositf et procede de refroidissement de cylindres de laminage en regime hautement turbulent - Google Patents

Dispositf et procede de refroidissement de cylindres de laminage en regime hautement turbulent Download PDF

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EP2114584B1
EP2114584B1 EP07855376A EP07855376A EP2114584B1 EP 2114584 B1 EP2114584 B1 EP 2114584B1 EP 07855376 A EP07855376 A EP 07855376A EP 07855376 A EP07855376 A EP 07855376A EP 2114584 B1 EP2114584 B1 EP 2114584B1
Authority
EP
European Patent Office
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roll
cooling
rolling stand
front face
box
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Active
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EP07855376A
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German (de)
English (en)
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EP2114584B8 (fr
EP2114584A1 (fr
Inventor
Hugo Uijtdebroeks
Patrick Van Poecke
Dirk Vanderschueren
Jean-François Noville
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre De Recherches Metallurgiques Asbl - Centrum
Original Assignee
Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
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Publication date
Priority to PL07855376T priority Critical patent/PL2114584T3/pl
Application filed by Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL filed Critical Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
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Publication of EP2114584B1 publication Critical patent/EP2114584B1/fr
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Publication of EP2114584B8 publication Critical patent/EP2114584B8/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • B21B27/06—Lubricating, cooling or heating rolls
    • B21B27/10—Lubricating, cooling or heating rolls externally
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B13/00—Metal-rolling stands, i.e. an assembly composed of a stand frame, rolls, and accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B31/00—Rolling stand structures; Mounting, adjusting, or interchanging rolls, roll mountings, or stand frames

Definitions

  • the present invention relates to a new method of cooling rolls (or rolls) rolling, optionally variable diameter, based on a highly turbulent flow regime (high turbulence , HTC).
  • the process is called high turbulence work roll cooling (HTRC).
  • the invention also relates to the device for implementing the method.
  • Document JP-A 03142009 discloses a rolling stand according to the preamble of claim 1.
  • the heating of the hot rolling rolls is due to the heat transfer to the rolls by conduction from the product, such as a metal strip, during rolling.
  • the cooling of the rolling rolls has been studied intensively because of the very strong influence thereof on the degradation of said rolls (wear) as a result of the thermomechanical fatigue generated and on the control of the cylinder crown. .
  • the degradation of the cylinders has a very great influence on the product quality.
  • Tubes or modules or cooling water tanks are equipped with sprayers and placed around each cylinder, with means for supplying cooling water.
  • cooling water guide plates In association with the upper cylinder and the lower cylinder are arranged cooling water guide plates. These plates are provided with a scraper, for example covered with rubber, associated with each of the cylinders to prevent water from flowing over the product being rolled.
  • An important problem to be solved in the case of working roll cooling is to obtain a uniform cooling over the width and the circumference.
  • a sensor such as an infrared thermometer (for example JP-A-12 24105 ).
  • Another solution is to use heads having water injection holes distributed in a suitable pattern, in the axial dimension and in the circumferential dimension ( JP-A-10 291011 ).
  • a third solution is to use a motorized sprinkler head on lateral guides ( EP-A-0 599 277 ).
  • the water can either be brought from one end of the head and evacuated from the other end ( JP-A-20 84205 ), be conveyed by both ends and be evacuated by the center ( EP-A-919,297 ), the evacuation being carried out through the head itself, scraper systems preventing leakage along the circumference of the rollers. Evacuation to the outside can still be done between one end of the head and the surface of the roll ( JP-A-11 277113 ).
  • a deformable cooling shoe is described by means of springs in order to be able to adapt to the surface of the roll.
  • the present invention aims to provide a solution to overcome the disadvantages of the state of the art.
  • this invention aims to provide efficient cooling of the rolling rolls while ensuring a reduction in thermomechanical fatigue and therefore less degradation of the roll surface.
  • Another object of the invention is to require, with equivalent heat exchange, a flow rate and a lower water pressure than the cooling systems of the state of the art, in particular those with flat jet.
  • Another object of the present invention is to design a cooling device capable of easily adapting to cylinders of variable diameter.
  • a first object of the present invention relates to a cooling device of a working cylinder belonging to a roll stand of a long or flat product, characterized in that it comprises a cooling head in the form of a substantially watertight box in itself, except on a front face being a short distance from said cylinder and in which a plurality of nozzles has been machined or positioned according to a two-dimensional drawing, said box, provided with means for supplying coolant, being concave and cylindrical at its front face with a radius such that, when the device is in the working position, the distance in the radial direction between said front face and the surface of the cylinder is increasing starting from the end of the caisson closest to the right-of-way and away from the product being rolled.
  • the cooling head is equipped with a transverse bottom plate arranged longitudinally with respect to the cylinder and located at a distance from the cylinder such that said bottom plate cooperates with the front face of the box, so as to ensure control of the flow of coolant and containment of it in the form of a highly turbulent water cushion.
  • This transverse bottom plate is mandatory in the case of small diameter cylinders.
  • the cooling head is further provided with adjustable side plates disposed on the side of the transverse ends of the cylinder and located at a distance from the cylinder such that said side plates cooperate with the front face of the box and with the transverse bottom plate, so as to to ensure the control of the coolant flow and confinement thereof in the form of a highly turbulent water cushion.
  • the curvature of the side plates corresponds to the maximum curvature of the cylinders used on the installation.
  • the front face comprises a plate or a sheet in which the sprinklers are positioned or machined, the orifices of which consist of small holes of right axial section.
  • the orifices of the nozzles are of round cross section, square or oval.
  • the radius of the cylindrical concave surface of the front face has a value greater than a predetermined maximum cylinder radius value, which limits the usable roll size range.
  • the machining pattern of the nozzles is chosen to make the cooling of the cylinder as homogeneous as possible over the entire surface of the cylinder and in particular over the width of the cylinder.
  • the machining pattern of the nozzles is defined by the number, the position and the diameter or the size of the orifices in the plate of said front face.
  • the orifices are machined according to a given network and the aforementioned drawing is obtained by closing certain orifices.
  • the coolant comprises water.
  • the coolant pressure in the box is less than 4 bar.
  • the coolant pressure is between 2 and 4 bar.
  • the distance between the lower transverse plate and the cylinder is adjusted so as to obtain a specific liquid flow rate in the gap between 2 and 10 m / s, and preferably greater than 3 m. / s.
  • the side plates are set to have a minimum opening of between 0 and 10 mm.
  • FIGS. 1A and 1B diagrammatically show two embodiments showing the principle of a working cylinder cooling head on a hot rolling line according to the state of the art (flat nozzles).
  • FIGS. 2A to 2D schematically show several embodiments showing the principle of such a cooling head in the case of the present invention (highly turbulent cooling).
  • the figure 3 graphically represents the evolution of the temperature over time, in different positions of the working cylinder respectively in a conventional installation at 8 bar of pressure and in the case of an HTRC installation according to the present invention, at 2.4 bars of pressure and with water guide plates.
  • the figure 4 shows an industrial layout of an HTRC cooling head.
  • the figure 5 shows graphically the cooling performance of the installation according to the invention at low pressure (only at the lower cylinder) compared to the high-pressure flat jet cooling, according to the state of the art.
  • the figure 6 shows the degradation of the surface of the upper and lower cylinders respectively in the case of 3 HTRC configurations and a configuration according to the state of the art.
  • the figure 7 shows the surface state of a cylinder after a rolling campaign using respectively cooling according to the state of the art (left) and cooling HTRC according to the present invention (right).
  • FIGS. 1A and 1B schematically show a cooling installation of working rolls in a rolling mill, according to the state of the art, with, in this example either nozzles mounted on independent tubes (FIG. 1A), or nozzles arranged on a module ( Figure 1B).
  • the pair of rollers has an upper roll 1 and a lower roll 2 rotating in opposite directions to advance the steel strip 3.
  • a cooling device 4A At the upper roll is a cooling device 4A, with its adjustment accessories, provided with nozzles Plates 40 facing the upper roller 1.
  • a cooling device 4B At the bottom roller is a cooling device 4B, with its adjustment accessories, provided with flat nozzles 40 facing the lower roller 2.
  • the nozzles are placed on 4 tubes whereas in the device of FIG. 1B, the nozzles are arranged in a module 4A, 4B.
  • the distance between the nozzles and the cylinder is 150-500 mm, which does not allow to use cylinders of different diameters with a single cooling device.
  • the cooling head is designed to implement the WPC technology, that is, to create a highly turbulent water cushion between the cooling head and the working roll surface. Turbulence is caused by low water injection pressure in the water cushion through jet sprinklers developed by the Applicant.
  • the cooling installation according to the invention consists of an upper box 6A facing the upper roller 1 and a lower box 6B facing the lower roller 2.
  • Each box 6A, 6B comprises a concave surface 42 screwed to the corresponding roller 1, 2.
  • This concave surface 42 consists of a wall provided with a plurality of orifice of a specific size forming straight jets 41 and forming a specific pattern.
  • the concave surface 42 may advantageously cover a larger part of the circumference in the case of the upper cylinder 1, than in the case of the lower cylinder 2.
  • the water cushion is formed in the space limited by the roll and the cooling head, but also, if necessary, by a transverse lower guide 7 ( Figure 2B ) and / or by transverse guides 5, 7 and lateral 8 ( Figures 2C and 2D ).
  • the lateral guides 8 can be mounted adjustably depending on the roll diameter.
  • the properties of the water cushion are also a function of the water flow. The heated water flows outward by gravity or pressure at the interstices between the cylinders and the guides, without additional evacuation device.
  • the shape of the cooling head as well as the distribution pattern of the jet jets are specific to the present development, in particular with regard to the taking into account of the variations of diameter, the automatic changes of working rolls, for the control roller profiles, maintenance requirements as well as offset and curvature of the work rolls.
  • the shape of the cooling head has been machined to have intensive cooling close to the right of way.
  • the distance between the surface of the head and the surface of the working roller thus decreases toward the end of the head closest to the right-of-way 9, where this distance is the smallest.
  • the radius of the concave part of the cooling head must be greater than the maximum possible radius of the working roller.
  • adaptable transverse plates 5, 7 and side plates 8 have been provided to control the flow of water but also to ensure the formation and stabilization of the water cushion ( Figures 2C and 2D ).
  • the pattern of distribution of the jet jets was selected to obtain an optimal homogeneity of the turbulence in the water cushion and also to control the thermal evolution and the cylinder crown, taking into account the distribution of differential water over the entire width of the working roller.
  • the figure 3 shows a comparison of the temperature decrease over time of the Cryotron probe, used to determine the transfer coefficient, between a conventional flat fan cooling system 21 (in gray) operating at 8 bar water pressure and an installation 22 (in black) according to the invention, with plates as described, working under a pressure of 2.4 bar (only at the lower cylinder). Different curves were plotted in each case corresponding to different measuring points on the circumference of the cylinder. The figure 3 shows that there is a much greater homogeneity of cooling in the case of the device of the invention.
  • the figure 5 shows the temperature differential between the lower and upper cylinders as a function of the width measurement position on the roller, counted from the motor side (squares: HTRC on lower cylinder, triangles: state of the art). The performances are very similar. If HTRC cooling is performed on both the upper and lower rolls, the roll temperature is at least 7 ° C lower than the performance achieved with the prior art systems (no represent).
  • the figure 6 shows the effect of cooling on the degradation of the surface of the working rolls (installation of the figure 4 ).
  • the four upper views correspond to a flat nozzle cooling of the upper roller according to the state of the art.
  • Bottom views # 1, 2 and 4 are cooling lower roll according to the present invention; the view No. 3 corresponds to a cooling of the lower roller according to the state of the art.
  • the figure 7 shows in detail the surface condition of the upper roll (conventional cooling, on the left) and the lower roll (cooling HTRC, on the right) respectively, after a typical rolling campaign.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Metal Rolling (AREA)
  • Metal Rolling (AREA)
  • Reduction Rolling/Reduction Stand/Operation Of Reduction Machine (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Description

    Objet de l'invention
  • La présente invention se rapporte à un nouveau procédé de refroidissement des cylindres (ou rouleaux) de laminage, éventuellement à diamètre variable, basé sur un régime d'écoulement hautement turbulent (high turbulence cooling, HTC). Le procédé est appelé refroidissement de rouleaux de travail en régime hautement turbulent (high turbulence work roll cooling, HTRC).
  • L'invention se rapporte également au dispositif pour la mise en oeuvre du procédé.
  • Document JP-A 03142009 décrit une cage de laminage selon le preambule de la revendication 1.
    • Arrière-plan technologique et état de la technique
  • L'échauffement des cylindres de laminage à chaud est dû à la transmission de chaleur aux rouleaux par conduction à partir du produit, tel qu'une bande métallique, en cours de laminage. Ces dernières années, le refroidissement des cylindres de laminage a été étudié de manière intensive à cause de la très forte influence de celui-ci sur la dégradation desdits cylindres (usure) par suite de la fatigue thermomécanique engendrée et sur le contrôle du bombé des cylindres. La dégradation des cylindres a une très grande influence sur la qualité de produit.
  • Une installation typique de refroidissement de cylindres de travail d'une cage de laminage est décrite par exemple dans les documents JP-A-2001 340908 , JP-A-2001 001017 , JP-A-07 116714 , JP-A-05 104114 , JP-A-63 39712 , JP-A-61 176411 , etc. Des tubes ou modules ou bacs à eau de refroidissement sont équipés de pulvérisateurs et placés autour de chaque cylindre, avec des moyens d'alimentation en eau de refroidissement. En association avec le cylindre supérieur et le cylindre inférieur sont disposées des plaques de guidage de l'eau de refroidissement. Ces plaques sont munies d'un racloir, par exemple recouvert de caoutchouc, associé à chacun des cylindres pour empêcher l'eau de s'écouler sur le produit en cours de laminage.
  • Un problème important à résoudre dans le cas du refroidissement de cylindres de travail est l'obtention d'un refroidissement homogène sur la largeur et sur la circonférence. Des solutions existent où les flux fournis par les différents gicleurs d'un module de refroidissement sont régulés individuellement, en fonction de données fournies par un capteur tel qu'un thermomètre infrarouge (par exemple JP-A-12 24105 ). Une autre solution consiste à utiliser des têtes présentant des trous d'injection d'eau répartis selon un dessin approprié, dans la dimension axiale et dans la dimension circonférentielle ( JP-A-10 291011 ). Une troisième solution est d'utiliser une tête de gicleurs motorisés sur des guides latéraux ( EP-A-0 599 277 ).
  • Des auteurs récents reconnaissent d'une part qu'un impact des gicleurs se trouvant le plus près possible de l'emprise (rollgap) se traduit par une plus grande efficacité et d'autre part que le refroidissement intensif par gicleurs plats a une plus faible influence sur la température de rouleau que la surface couverte (YE, X. et SAMAVASEKARA, I.V., The Role of Spray Cooling on Thermal Behaviour and Crown Development in Hot Strip Mill Work Rolls, Transactions of the ISS, July 1994, p.49). Une conséquence possible de l'application du refroidissement de rouleau à proximité du point de sortie du rouleau est une augmentation du gradient de tensions à la surface du rouleau et une aggravation du fissurage (« fire crazing »), mais avec une température sous la surface du rouleau plus faible (SEKIMOTO et al, SEAISI Quarterly, April 1977, p.48).
  • Il est connu que le type d'injecteur (ou gicleur) utilisé dans le refroidissement de rouleaux a un effet significatif sur les valeurs HTC. VAN STEDEN et TELLMAN, dans A new method of designing work roll cooling system for improved productivity and strip quality, Fourth International hot Rolling Conference, Deauville, France, 1987, ont comparé les performances de gicleurs à jet plat, carré ou ovale en mesurant la réponse thermique d'une plaque attachée à un cylindre après un échauffement à 400°C suivi d'un refroidissement par pulvérisation d'eau lorsque le cylindre est mis en rotation. On a obtenu des valeurs allant jusqu'à 140 kW/m2.K pour la gamme de gicleurs considérée. Ce travail a montré que la valeur HTC la plus haute, relative au pic de pulvérisation est atteinte par le gicleur de type à jet plat. Cependant, cette étude ignore manifestement le fait que les mêmes performances de refroidissement peuvent être obtenues par un gicleur ayant une valeur HTC de pic moindre, mais dont le jet est appliqué sur une beaucoup plus grande partie de la surface du rouleau. On constate donc des différences significatives dans la littérature en cè qui concerne à la fois la valeur HTC liée au gicleur et l'adéquation de différents types de gicleurs pour le refroidissement effectif de rouleaux.
  • Il est certain que, dans le laminage de bandes plates, les systèmes de refroidissement basés sur des gicleurs à jet plat peuvent encore être améliorés. Cependant, ces améliorations sont limitées et les coûts sont très importants dès lors que l'on travaille aux hautes pressions et aux hautes vitesses de flux.
  • Dans les dernières années, différentes technologies de refroidissement alternatives ont été brevetées sur base de têtes situées à proximité de la surface du cylindre de travail et avec une circulation de flux (par exemple EP-A-919297 , JP-A-11 033610 ). On ne connaît cependant pas d'application industrielle de ces systèmes de refroidissement. Ainsi, on connaît également des dispositifs de refroidissement de rouleau dans lesquels une tête de refroidissement est conformée pour assurer un guidage de l'eau à la surface du rouleau. La surface de la tête est séparée de celle du rouleau par un intervalle dans lequel circule l'eau de refroidissement, créant une sorte de « chemisage » ( JP-A-61 266110 , JP-A-63 303609 , JP-A-20 84205 ). L'eau peut soit être amenée par une extrémité de la tête et évacuée par l'autre extrémité ( JP-A-20 84205 ), soit être acheminée par les deux extrémités et être évacuée par le centre ( EP-A-919 297 ), l'évacuation étant réalisée au travers de la tête elle-même, des systèmes de racloirs empêchant la fuite le long de la circonférence des rouleaux. L'évacuation vers l'extérieur peut encore être effectuée entre une extrémité de la tête et la surface du rouleau ( JP-A-11 277113 ). Dans le document JP-A-58 047502 , on décrit en outre un sabot de refroidissement déformable au moyen de ressorts pour pouvoir s'adapter à la surface du rouleau.
  • Dans ces systèmes, il n'y a pas de pulvérisateurs d'alimentation en eau répartis sur toute la surface de la tête de refroidissement, mais en général un seul pulvérisateur.
  • La Demanderesse a commencé à examiner les technologies alternatives de refroidissement en 1993. Des essais ont été réalisés avec une tête de refroidissement en régime hautement turbulent et à basse pression (High Turbulence Low Pressure, HTLP) et avec une tête de refroidissement à coussin d'eau (Water Pillow Cooling, WPC), située au-delà du racloir. Ces deux technologies permettent de créer une forte turbulence à la surface du rouleau. De cette manière, un motif de refroidissement très homogène est obtenu. Des simulations préalables de refroidissement hautement turbulent ont montré le potentiel de cette technologie pour le refroidissement des cylindres de travail. Le refroidissement hautement turbulent réduit la fatigue thermique et par suite la dégradation de la surface du cylindre de travail. De plus, pour le même flux de chaleur dissipé pendant le refroidissement, cette technologie requiert une vitesse de flux et une pression moindres en comparaison avec les configurations traditionnelles de refroidissement par vaporisation à jet plat.
    • Buts de l'invention
  • La présente invention vise à fournir une solution permettant de s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.
  • En particulier, cette invention a pour but de fournir un refroidissement efficace des cylindres de laminage tout en garantissant une réduction de la fatigue thermomécanique et par suite une dégradation moindre de la surface des cylindres.
  • L'invention a encore pour but de demander, à échange thermique équivalent, une vitesse de flux et une pression d'eau moindres que les systèmes de refroidissement de l'état de la technique, en particulier ceux à jet plat.
  • La présente invention a encore pour but de concevoir un dispositif de refroidissement capable de s'adapter facilement à des cylindres de diamètre variable.
    • Principaux éléments caractéristiques de l'invention
  • Un premier objet de la présente invention se rapporte à un dispositif de refroidissement d'un cylindre de travail appartenant à une cage de laminage d'un produit long ou plat, caractérisé en ce qu'il comprend une tête de refroidissement se présentant sous la forme d'un caisson essentiellement étanche en soi, excepté sur une face avant se trouvant à courte distance dudit cylindre et dans laquelle une pluralité de gicleurs a été usinée ou positionnée selon un dessin à deux dimensions, ledit caisson, muni de moyens d'alimentation en liquide de refroidissement, étant concave et cylindrique au niveau de sa face avant avec un rayon tel que, lorsque le dispositif est en position de travail, la distance selon la direction radiale entre ladite face avant et la surface du cylindre va en croissant en partant de l'extrémité du caisson le plus proche de l'emprise et en s'éloignant du produit en cours de laminage.
  • Selon l'invention, la tête de refroidissement est équipée d'une plaque inférieure transverse disposée longitudinalement par rapport au cylindre et située à une distance du cylindre telle que ladite plaque inférieure coopère avec la face avant du caisson, de manière à assurer le contrôle du flux de liquide de refroidissement et le confinement de celui-ci sous forme d'un coussin d'eau hautement turbulent. La présence de cette plaque inférieure transverse est obligatoire dans le cas de cylindres de faible diamètre.
  • Avantageusement, la tête de refroidissement est munie en outre de plaques latérales réglables disposées du côté des extrémités transversales du cylindre et situées à une distance du cylindre telle que lesdites plaques latérales coopèrent avec la face avant du caisson et avec la plaque inférieure transverse, de manière à assurer le contrôle du flux de liquide de refroidissement et le confinement de celui-ci sous forme d'un coussin d'eau hautement turbulent.
  • Avantageusement, la courbure des plaques latérales correspond à la courbure maximale des cylindres utilisés sur l'installation.
  • Selon une forme d'exécution préférée, la face avant comprend une plaque ou une tôle dans laquelle sont positionnés ou usinés les gicleurs, dont les orifices sont constitués de petits trous de section axiale droite.
  • De préférence encore, les orifices des gicleurs sont de section transverse ronde, carrée ou ovale.
  • Avantageusement, le rayon de la surface concave cylindrique de la face avant a une valeur supérieure à une valeur maximale de rayon de cylindre prédéterminée, qui limite la gamme de taille de cylindres utilisable.
  • Toujours selon l'invention, le dessin d'usinage des gicleurs est choisi pour rendre le refroidissement du cylindre le plus homogène possible sur toute la surface du cylindre et en particulier sur la largeur du cylindre.
  • Avantageusement, le dessin d'usinage des gicleurs est défini par le nombre, la position et le diamètre ou la taille des orifices dans la plaque de ladite face avant.
  • Selon une autre forme d'exécution préférée, les orifices sont usinés selon un réseau déterminé et le dessin précité est obtenu en obturant certains orifices.
  • Avantageusement, le liquide de refroidissement comprend de l'eau.
  • Un autre objet de la présente invention concerne un procédé de refroidissement d'un cylindre de travail appartenant à une cage de laminage d'un produit long ou d'un produit plat, en particulier d'une bande métallique, mettant en oeuvre le dispositif précité, caractérisé par le fait que :
    • l'on dispose la tête de refroidissement à proximité de la surface du cylindre pour créer un espace compris entre 5 et 200 mm entre la face avant du caisson et ladite surface du cylindre, ledit espace allant en croissant en partant de l'emprise et en s'éloignant du produit en cours de laminage ;
    • on alimente la tête de refroidissement en liquide de refroidissement, de préférence de l'eau, et on injecte cette eau dans ledit espace au travers de gicleurs présentant un orifice de diamètre compris entre 1 et 6 mm ;
    • on règle la pression de liquide de refroidissement à une valeur comprise entre 1 et 6 bar et le débit spécifique entre 100 et 500 m3/heure/m2, pour créer dans l'espace précité un coussin de liquide en régime hautement turbulent.
  • De préférence, la pression de liquide de refroidissement dans le caisson est inférieure à 4 bar.
  • De préférence encore, la pression de liquide de refroidissement est comprise entre 2 et 4 bar.
  • Toujours selon le procédé de l'invention, on règle la distance entre la plaque inférieure transverse et le cylindre de manière à obtenir dans l'interstice un débit de liquide spécifique compris entre 2 et 10 m/s, et de préférence supérieur à 3 m/s.
  • De préférence, les plaques latérales sont réglées pour avoir une ouverture minimale comprise entre 0 et 10 mm.
    • Brève description des figures
  • Les figures 1A et 1B représentent schématiquement deux formes d'exécution montrant le principe d'une tête de refroidissement de cylindres de travail sur une ligne de laminage à chaud selon l'état de la technique (gicleurs plats).
  • Les figures 2A à 2D représentent schématiquement plusieurs formes d'exécution montrant le principe d'une telle tête de refroidissement dans le cas de la présente invention (refroidissement hautement turbulent).
  • La figure 3 représente graphiquement l'évolution de la température au cours du temps, en différentes positions du cylindre de travail respectivement dans une installation conventionnelle à 8 bar de pression et dans le cas d'une installation HTRC selon la présente invention, à 2,4 bars de pression et avec des plaques de guidage de l'eau.
  • La figure 4 montre une implantation industrielle d'une tête de refroidissement HTRC.
  • La figure 5 montre graphiquement les performances de refroidissement de l'installation selon l'invention à basse pression (uniquement au niveau du cylindre inférieur) par comparaison avec le refroidissement à jet plat à haute pression, selon l'état de la technique.
  • La figure 6 montre la dégradation de la surface des cylindres supérieur et inférieur respectivement dans le cas de 3 configurations HTRC et une configuration selon l'état de la technique.
  • La figure 7 montre l'état de surface d'un cylindre après une campagne de laminage en utilisant respectivement un refroidissement selon l'état de la technique (à gauche) et un refroidissement HTRC selon la présente invention (à droite).
    • Description d'une forme d'exécution selon l'état de la technique
  • Les figures 1A et 1B montrent schématiquement une installation de refroidissement de rouleaux de travail dans un laminoir, selon l'état de la technique, avec, dans cet exemple soit des gicleurs montés sur des tubes indépendants (figure 1A), soit des gicleurs agencé sur un module (figure 1B). La paire de rouleaux comporte un rouleau supérieur 1 et un rouleau inférieur 2 tournant en sens contraire pour faire avancer la bande d'acier 3. Au niveau du rouleau supérieur se trouve un dispositif de refroidissement 4A, avec ses accessoires de réglage, munis de gicleurs plats 40 faisant face au rouleau supérieur 1. Au niveau du rouleau inférieur se trouve un dispositif de refroidissement 4B, avec ses accessoires de réglage, munis de gicleurs plats 40 faisant face au rouleau inférieur 2.
  • Dans le dispositif de la figure 1A, les gicleurs sont placés sur 4 tubes tandis que dans le dispositif de la figure 1B, les gicleurs sont agencés dans un module 4A, 4B.
  • En général, la distance entre les gicleurs et le cylindre est de 150-500 mm, ce qui ne permet pas d'utiliser des cylindres de différents diamètres avec un seul dispositif de refroidissement.
    • Description de plusieurs formes d'exécution préférées de l'invention
  • Selon l'invention, représentée sur les figures 2A à 2D, la tête de refroidissement est conçue pour mettre en oeuvre la technologie WPC, c'est-à-dire en vue de créer un coussin d'eau hautement turbulent entre la tête de refroidissement et la surface du rouleau de travail. La turbulence est provoquée par injection d'eau à basse pression dans le coussin d'eau à travers des gicleurs à jet droit développés par la Demanderesse.
  • Selon les figures 2A à 2D, l'installation de refroidissement selon l'invention se compose d'un caisson supérieur 6A faisant face au rouleau supérieur 1 et d'un caisson inférieur 6B faisant face au rouleau inférieur 2. Chaque caisson 6A, 6B comprend une surface concave 42 en vis-à-vis du rouleau correspondant 1, 2. Cette surface concave 42 est constituée d'une paroi munie d'une pluralité d'orifice de taille déterminée formant des gicleurs droits 41 et formant un dessin déterminé. La surface concave 42 peut couvrir avantageusement une plus grande partie de circonférence dans le cas du cylindre supérieur 1, que dans le cas du cylindre inférieur 2.
  • Le coussin d'eau est formé dans l'espace limité par le rouleau et la tête de refroidissement, mais également, le cas échéant, par un guide inférieur transversal 7 (figure 2B) et/ou par des guides transversaux 5, 7 et latéraux 8 (figures 2C et 2D). Eventuellement, les guides latéraux 8 peuvent être montés de manière ajustable en fonction du diamètre de rouleau. Les propriétés du coussin d'eau sont également fonction du débit d'eau. L'eau réchauffée s'écoule vers l'extérieur par gravité ou sous l'effet de la pression au niveau des interstices entre les cylindres et les guides, sans dispositif d'évacuation supplémentaire.
  • La forme de la tête de refroidissement ainsi que le dessin de distribution des gicleurs à jet droit sont spécifiques au présent développement, en particulier pour ce qui concerne la prise en compte des variations de diamètre, des changements automatiques de rouleaux de travail, pour le contrôle des profils de rouleaux, les exigences de maintenance ainsi que le décalage et la courbure des rouleaux de travail.
  • Selon l'invention, la forme de la tête de refroidissement a été usinée pour avoir un refroidissement intensif proche de l'emprise. La distance entre la surface de la tête et la surface du rouleau de travail va ainsi en diminuant en direction de l'extrémité de la tête la plus proche de l'emprise 9, où cette distance est la plus faible. En vue de prendre en compte les variations de diamètre, le rayon de la partie concave de la tête de refroidissement doit être plus grand que le rayon maximal possible du rouleau de travail. De plus, comme déjà mentionné, des plaques transversales 5, 7 et latérales 8 adaptables ont été prévues pour contrôler le flux d'eau mais aussi pour assurer la formation et la stabilisation du coussin d'eau (figures 2C et 2D).
  • Le dessin de distribution des gicleurs à jet droit a été sélectionné pour obtenir une homogénéité optimale de la turbulence dans le coussin d'eau et aussi pour contrôler l'évolution thermique et le bombé de cylindre, en prenant en compte la distribution d'eau différentielle sur toute la largeur du rouleau de travail.
  • La figure 3 montre une comparaison de la diminution de température au cours du temps de la sonde Cryotron, utilisée pour déterminer le coefficient de transfert, entre une installation conventionnelle 21 (en gris) de refroidissement à gicleurs plats travaillant sous une pression d'eau de 8 bar et une installation 22 (en noir) selon l'invention, avec plaques telles que décrites, travaillant sous une pression de 2,4 bar (uniquement au niveau du cylindre inférieur). On a tracé différentes courbes dans chaque cas correspondant à différents points de mesure sur la circonférence du cylindre. La figure 3 montre qu'il y a une homogénéité de refroidissement beaucoup plus grande dans le cas du dispositif de l'invention.
  • Un essai industriel a été réalisé avec succès au laminoir à chaud avec un prototype de tête HTRC (voir figure 4, module HTRC sur cylindre inférieur et module de refroidissement conventionnel sur cylindre supérieur). Les principaux avantages du nouveau système sont une consommation faible en énergie, l'homogénéité de la distribution de l'eau de refroidissement, une plus grande performance de refroidissement et une dispersion moindre dans la température mesurée à la surface du cylindre.
  • La figure 5 montre le différentiel de température entre les cylindres inférieur et supérieur en fonction de la position de mesure en largeur sur le rouleau, comptée à partir du côté du moteur (carrés : HTRC sur cylindre inférieur ; triangles : état de la technique). Les performances sont très similaires. Si on effectue un refroidissement HTRC à la fois au niveau du cylindre supérieur et du cylindre inférieur, la température de cylindre est inférieure d'au moins 7°C par rapport à la performance obtenue avec les systèmes de l'état de la technique (non représenté).
  • En comparaison avec les systèmes de refroidissement de l'état de la technique, une pression de flux d'eau plus faible et avantageusement comprise entre 2 et 4 bars est suffisante. Cela permet de substantielles économies sur une période d'une année par exemple.
  • Dès les premiers essais, une tendance à une usure moindre des rouleaux de travail a été constatée en utilisant l'installation selon la présente invention. La figure 6 montre l'effet du refroidissement sur la dégradation de la surface des rouleaux de travail (installation de la figure 4). Les quatre vues supérieures correspondent à un refroidissement à gicleurs plats du rouleau supérieur selon l'état de la technique. Les vues inférieures n° 1, 2 et 4 correspondent à un refroidissement du rouleau inférieur selon la présente invention ; la vue n° 3 correspond à un refroidissement du rouleau inférieur selon l'état de la technique. La figure 7 montre en détail l'état de surface respectivement du rouleau supérieur (refroidissement classique, à gauche) et du rouleau inférieur (refroidissement HTRC, à droite), après une campagne de laminage typique.
  • Récemment, un nouveau projet a été mis en route pour déterminer l'aptitude du refroidissement HTC au cas du laminage de produits longs.

Claims (16)

  1. Cage de laminage pour le laminage d'un produit long ou plat comprenant un cylindre de travail (1, 2) et un dispositif de refroidissement dudit cylindre de travail (1, 2), la cage de laminage comprenant une tête de refroidissement se présentant sous la forme d'un caisson essentiellement étanche en soi (6A, 6B), excepté sur une face avant (42) se trouvant à courte distance dudit cylindre (1, 2) et dans laquelle une pluralité de gicleurs (41) a été usinée ou positionnée selon un dessin à deux dimensions, ledit caisson (6A, 6B), muni de moyens d'alimentation en liquide de refroidissement, caracterisé en ce que : ledit caisson (6A, 6B) est concave et cylindrique au niveau de sa face avant (42) avec un rayon tel que, lorsque le dispositif est en position de travail, la distance selon la direction radiale entre ladite face avant (42) et la surface du cylindre (1, 2) va en croissant en partant de l'extrémité du caisson (6A, 6B) le plus proche de l'emprise (9) et en s'éloignant du produit en cours de laminage.
  2. Cage de laminage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de refroidissement (6A, 6B) est équipée d'une plaque inférieure transverse (5, 7) disposée longitudinalement par rapport au cylindre (1, 2) et située à une distance du cylindre (1, 2) telle que ladite plaque inférieure (5, 7) coopère avec la face avant (42) du caisson, de manière à assurer le contrôle du flux de liquide de refroidissement et le confinement de celui-ci sous forme d'un coussin d'eau hautement turbulent.
  3. Cage de laminage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tête de refroidissement (6A, 6B) est munie en outre de plaques latérales réglables (8) disposées du côté des extrémités transversales du cylindre (1, 2) et situées à une distance du cylindre (1, 2) telle que lesdites plaques latérales (8) coopèrent avec la face avant (42) du caisson et avec la plaque inférieure transverse (5, 7), de manière à assurer le contrôle du flux de liquide de refroidissement et le confinement de celui-ci sous forme d'un coussin d'eau hautement turbulent.
  4. Cage de laminage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la courbure des plaques latérales (8) correspond à la courbure maximale des cylindres (1, 2) utilisés sur l'installation.
  5. Cage de laminage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face avant (42) comprend une plaque ou une tôle dans laquelle sont positionnés ou usinés les gicleurs (41), dont les orifices sont constitués de petits trous de section axiale droite.
  6. Cage de laminage selon la revendication 5, caractérisé en ce que les orifices des gicleurs (41) sont de section transverse ronde, carrée ou ovale.
  7. Cage de laminage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rayon de la surface concave cylindrique de la face avant (42) a une valeur supérieure à une valeur maximale de rayon de cylindre (1, 2) prédéterminée, qui limite la gamme de taille de cylindres utilisable.
  8. Cage de laminage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dessin d'usinage des gicleurs (41) est choisi pour rendre le refroidissement du cylindre le plus homogène possible sur toute la surface du cylindre (1, 2) et en particulier sur la largeur du cylindre.
  9. Cage de laminage selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le dessin d'usinage des gicleurs (41) est défini par le nombre, la position et le diamètre ou la taille des orifices dans la plaque de ladite face avant (42).
  10. Cage de laminage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les orifices sont usinés selon un réseau déterminé et en ce que le dessin précité est obtenu en obturant certains orifices.
  11. Cage de laminage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement comprend de l'eau.
  12. Procédé de refroidissement d'un cylindre de travail appartenant à une cage de laminage d'un produit long ou d'un produit plat, en particulier d'une bande métallique (3), mettant en oeuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que :
    - l'on dispose la tête de refroidissement à proximité de la surface du cylindre pour créer un espace compris entre 5 et 200 mm entre la face avant (42) du caisson (6A, 6B) et ladite surface du cylindre (1, 2), ledit espace allant en croissant en partant de l'emprise (9) et en s'éloignant du produit en cours de laminage ;
    - on alimente la tête de refroidissement en liquide de refroidissement, de préférence de l'eau, et on injecte cette eau dans ledit espace au travers de gicleurs (41) présentant un orifice de diamètre compris entre 1 et 6 mm ;
    - on règle la pression de liquide de refroidissement à une valeur comprise entre 1 et 6 bar et le débit spécifique entre 100 et 500 m3/heure/m2, pour créer dans l'espace précité un coussin de liquide en régime hautement turbulent.
  13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la pression de liquide de refroidissement dans le caisson (6A, 6B) est inférieure à 4 bar.
  14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la pression de liquide de refroidissement est comprise entre 2 et 4 bar.
  15. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on règle la distance entre la plaque inférieure transverse (5, 7) et le cylindre (1, 2) de manière à obtenir dans l'interstice un débit de liquide spécifique compris entre 2 et 10 m/s, et de préférence supérieur à 3 m/s.
  16. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les plaques latérales sont réglées pour avoir une ouverture minimale comprise entre 0 et 10 mm.
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