IT201900019181A1

IT201900019181A1 - Tubo distributore per raffreddare nastri metallici

Info

Publication number: IT201900019181A1
Application number: IT102019000019181A
Authority: IT
Inventors: Nikola Jacimovic
Original assignee: Danieli Off Mecc
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2021-04-17
Also published as: JP2022552551A; CN114641354A; EP4041468C0; EP4041468B1; WO2021074870A1; JP7305887B2; EP4041468A1; US20230256490A1; CA3157462A1; KR20220090528A

Description

TITOLO: TUBO DISTRIBUTORE PER RAFFREDDARE NASTRI METALLICI

CAMPO DELLA TECNICA

L’invenzione riguarda un tubo distributore per raffreddare prodotti metallici o simili, in particolare nastri in acciaio uscenti da un impianto di laminazione a caldo, che comprende a) lungo l’estensione longitudinale del tubo distributore una pluralità di aperture d’uscita attraverso le quali è eiettabile un fluido refrigerante;

b) un’entrata disposta a un’estremità di detto tubo distributore per detto fluido refrigerante e una chiusura del tubo distributore sull’altra estremità, e

c) un raccordo per collegare una fonte di fluido refrigerante e alimentare detto tubo distributore con detto fluido; in cui almeno sul lato d’entrata di detto tubo distributore è prevista una zona di cambiamento del diametro del tubo, che varia da un settore con diametro inferiore, seguito in direzione di flusso da un settore con diametro maggiore.

STATO DELLA TECNICA

Al termine della laminazione a caldo è necessario il raffreddamento del nastro metallico che sta uscendo da un impianto di laminazione. Il nastro viene raffreddato sia sulla superficie superiore, che su quella inferiore. In particolare, per il raffreddamento inferiore vengono impiegati tubi distributori, dotati di una pluralità di ugelli di spruzzo disposti normalmente in fila. Solo un raffreddamento uniforme del nastro, sia in lunghezza sia in larghezza, garantisce di ottenere un nastro di ottima qualità geometrica e meccanica. Lo stato dell’arte offre una vasta gamma di tubi distributori atti a realizzare un raffreddamento più o meno uniforme del nastro metallico. Gli inventori dell’invenzione descritta nel documento US 2018/0369887 propongono di regolare il raffreddamento fornito dal tubo refrigerante in base a dati ricevuti da un misuratore della planarità del nastro metallico. Un brevetto coreano, KR100797247B, varia con l’impiego di un gruppo di valvole la pressione dei getti del refrigerante durante il raffreddamento. Nella domanda di brevetto internazionale WO 2018/192968 A1 la soluzione proposta prevede di ridurre l’area della sezione della conduttura degli ugelli lungo l’estensione longitudinale del tubo utilizzando dei diaframmi o lamelle. Una proposta complessa interviene sulla chiusura controllata degli ugelli. In Giappone (JP61162223A) è stato sviluppato un doppio tubo in cui entrambi i tubi presentano dei fori e la misura dell’apertura d’uscita è aggiustata ruotando coassialmente un tubo nell’altro. Un altro tubo distributore complesso è descritto nel documento GB 2 529 072 A che si presenta come doppia camera con piastre di deviazione disposte all’interno delle camere. Un ulteriore tubo rotante è noto dal documento KR 101431033B. Spesso i tubi distributori dello stato dell’arte presentano diametri ridotti nella zona di entrata. Tipici disegni prevedono questa zona di transizione tra un diametro e l’altro nelle vicinanze del nastro. Questa transizione può comunque essere critica e comportare una distribuzione del flusso sfavorevole. Per ovviare a questa problematica sono state proposte diverse soluzioni in particolare per il lato di ingresso al tubo distributore, tra cui la predisposizione di uno spigolo acuto tra il settore a diametro minore e il settore di diametro maggiore, un allargamento graduale tra un settore e l’altro o l’inserimento di un secondo tubo, cioè un doppio tubo che mostra deviazioni minori della pressione totale e garantisce quindi un’uniformità migliore.

In termini di costi ed efficienza le soluzioni finora divulgate non sono ancora completamente soddisfacenti, soprattutto per la non uniformità della distribuzione di portata e pressione all’interno del tubo. Inoltre questo tipo di soluzioni predilige un minor numero di pezzi per quanto possibile, in modo da abbattere i costi di produzione del sistema di raffreddamento.

ESPOSIZIONE DELL’INVENZIONE

L’invenzione si pone lo scopo di superare i suddetti inconvenienti e di proporre un tubo distributore alternativo che sia costruttivamente semplice e poco costoso e che ottimizzi allo stesso tempo le caratteristiche di efficienza in termini di fluidodinamica, in particolare in termini di portata e pressione uniformi all’interno del tubo per ottenere un raffreddamento omogeneo del nastro metallico relativamente alle quantità, temperature, velocità, e pressioni di refrigerante che raggiungono il nastro durante il suo raffreddamento.

Lo scopo viene raggiunto mediante un tubo distributore come inizialmente descritto, che si caratterizza per il fatto che a monte della pluralità di aperture d’uscita è previsto nell’area della sezione di flusso un orifizio. Vantaggiosamente, l’orifizio si estende per l’intera sezione del tubo distributore.

In una variante preferita dell’invenzione, l’orifizio si trova nel settore con diametro maggiore.

Rispetto a soluzioni a doppio tubo che presentano una già perfezionata distribuzione del flusso tra le aperture d’uscita, preferibilmente create in forma di ugelli di spruzzo, e quindi un raffreddamento più uniforme del nastro, la soluzione secondo l’invenzione è ottimizzata usando un design più semplice, meno costoso e molto efficiente applicabile in una vasta gamma di impianti diversi. Un orifizio installato in prossimità della zona di transizione tra diametro piccolo e diametro grande mostra da studi sperimentali e anche secondo simulazioni di flusso (studi del tipo Computational Fluid Dynamics (CFD) = fluidodinamica computazionale) profili di distribuzione del flusso molto soddisfacenti.

In una variante preferita dell’invenzione, l’orifizio è una piastra dotata di una pluralità di fori. La piastra ha preferibilmente la forma della sezione del tubo distributore, generalmente circolare, ma sono ipotizzabili altre forme. Vantaggiosamente, i fori hanno un diametro nell’intervallo da 5 a 10 mm. È importante ovviamente che il diametro dei fori sia sufficiente per evitare il bloccaggio del collettore principale. Ottimi risultati sono stati ottenuti con una disposizione triangolare (triangular pitch) dei fori. Vantaggiosamente il passo tra un foro e quelli a lui più vicini è scelto essere tra 7,5 e 15 mm. Con il termine passo si intende la distanza dei centri di due fori adiacenti.

Preferibilmente, la superficie libera, ovvero la somma delle superfici dei singoli fori di passaggio del fluido di raffreddamento (in altre parole la somma suddetta corrisponde al numero dei fori moltiplicato per la superficie del singolo foro), rispetto alla superficie interna del tubo distributore nella zona di maggior diametro, si trova nell’intervallo dai 30 ai 40%.

In una variante vantaggiosa dell’invenzione, tubo e orifizio sono fatti dello stesso materiale. Nella maggior parte delle applicazioni è, per esempio, sufficiente uno spessore dell’orifizio ≤ 3 mm in accordo con il codice ASME B31.3, in ogni caso anche orifizi di spessore maggiore sono idonei.

Preferibilmente, le aperture uscenti dal tubo distributore sono disposte su una retta. In alcune varianti dell’invenzione, dette aperture sono dotate di tubicini che indirizzano vantaggiosamente l’uscita del fluido refrigerante dal collettore principale inizialmente in un angolo sostanzialmente perpendicolare rispetto all’estensione longitudinale del tubo distributore. Sono tuttavia ipotizzabili anche aperture angolate rispetto al tubo, cioè angolazioni inferiori a 90°.

Sono vantaggiose in termini di uniformità del flusso aperture, ovvero ugelli, che presentano un calo di pressione Δp maggiore. Aumentare e concentrare la perdita di carico agli ugelli risulta in una minore variazione del flusso tra essi, ma richiede pressione maggiore all’ingresso nel collettore.

Il numero delle aperture per ciascun tubo può variare in base alla larghezza di nastro. Un numero vantaggioso è tra 22 e 32 per una lunghezza del tubo attorno a 1,5 a 2 m; anche i disegni con numero delle aperture più alto sono stati usati con successo. L’uniformità delle portate e della pressione totale agli inlets degli ugelli è applicato come criterio per individuare il migliore design tra i collettori esaminati.

Un ulteriore aspetto dell’invenzione riguarda un impianto di laminazione a caldo, preferibilmente per prodotti piani, che comprende nella zona di raffreddamento una via a rulli per il trasporto dei prodotti da raffreddare in cui almeno un tubo distributore secondo l’invenzione è disposto tra detti rulli. Con una tale disposizione il nastro viene raffreddato sulla sua parte inferiore.

Un procedimento secondo l’invenzione prevede in un altro aspetto dell’invenzione l’alimentazione del tubo distributore, in particolare in un impianto secondo l’invenzione, con un refrigerante che esce dalla pluralità di aperture disposte lungo il tubo per essere spruzzato su un prodotto metallico appena laminato per raffreddarlo dalla parte inferiore.

In un ultimo aspetto dell’invenzione è previsto un uso di un tubo distributore o di un impianto secondo l’invenzione per raffreddare nastri che hanno un rapporto larghezza/spessore che varia da 2000 a 75. Tale rapporto tra due dimensioni che sono unità di lunghezza (usualmente espresse in mm) è adimensionale.

Le caratteristiche descritte per un aspetto dell’invenzione possono essere trasferite mutatis mutandis agli altri aspetti dell’invenzione.

Le varianti dell’invenzione descritte raggiungono gli scopi prefissati dell’invenzione. Il tubo distributore proposto raggiunge grazie al suo orifizio prestazioni simili al doppio tubo, finora considerata la soluzione migliore in termini di uniformità del raffreddamento, e questo in maniera meno complessa e più economica. L’orifizio uniforma il flusso a valle creando una perdita di carico sufficiente, ma non eccessiva.

Gli scopi e i vantaggi sopra menzionati verranno ulteriormente evidenziati nella descrizione di un esempio preferito di esecuzione dell'invenzione che va considerata a titolo indicativo, non limitativo.

Varianti dell’invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. La descrizione del preferito esempio di esecuzione del tubo distributore, dell’impianto di laminazione a caldo, del procedimento di raffreddamento di nastri metallici e dell’uso del tubo distributore per nastri di certe dimensioni viene data a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento agli allegati disegni.

In pratica i materiali impiegati, nonché le dimensioni, i numeri e le forme purché compatibili con l'uso specifico e non diversamente specificati, potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze. Inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

DESCRIZIONE DI UN PREFERITO ESEMPIO DI ESECUZIONE

La fig.1 illustra nelle parti a), b) e c) dei tubi distributori dello stato dell’arte e nella parte d) un tubo distributore secondo l’invenzione.

La fig.2 illustra in due diagrammi un confronto della distribuzione del flusso per i vari tipi di tubi distributori rappresentati nella figura 1.

La fig.3 illustra un confronto delle distribuzioni di flusso nei diversi tipi di tubi distributori della figura 1.

La fig.4 illustra un confronto delle distribuzioni di pressione statica nei diversi tipi di tubi distributori della figura 1.

Nelle figure 3 e 4 i tubi indicati con a), b), c) e d) corrispondono ai relativi tubi come definiti con le relative lettere a), b), c) e d) nella figura 1.

La fig.1 illustra nelle parti a), b) e c) dei tubi distributori 100, 200, 300 dello stato dell’arte e nella parte d) un tubo distributore 400 secondo l’invenzione. Ogni tubo rappresentato presenta un’entrata rispettivamente 102, 202, 302, 402 e una chiusura 104, 204, 304, 404. Lungo l’estensione longitudinale di ogni tubo distributore 100, 200, 300, 400 è prevista lungo una retta una pluralità di ugelli 106, 206, 306, 406. Nelle zone tra la transizione da un diametro minore a un diametro maggiore sul lato d’entrata del tubo sono previste diverse soluzioni. Lo stato dell’arte prevede uno spigolo acuto 108, un allargamento graduale 210 oppure la realizzazione di un doppio tubo 312 che si estende per l’intero collettore principale, per cui il fluido prima percorre il tubo interno 312, per poi risalire all’interno lungo lo spazio tra tubo esterno 300 e tubo interno 312 ed uscire dagli ugelli 306. La soluzione secondo l’invenzione invece prevede l’inserimento di un orifizio 414 nel tubo di distribuzione nella zona con diametro maggiore. La fig.2 illustra in due diagrammi un confronto della distribuzione del flusso per i vari tipi di tubi distributori rappresentati nella figura 1. L’asse delle ascisse rappresenta il numero dell’ugello lungo il tubo distributore, l’asse delle ordinate la portata volumetrica sull’ugello interessato in % rispetto alla portata volumetrica media (100 % rappresenta la portata totale del collettore divisa per numero totale degli ugelli). Le curve a, b e c della figura 2 a) indicano per un primo tipo di collettore rispettivamente l’andamento delle portate totale lungo il tubo per le varianti dello stato dell’arte da a) a c), mentre la curva d concerne il relativo andamento delle portate volumetriche per la soluzione a orifizio secondo l’invenzione. I tassi di flusso della figura sono stati attenuati con il metodo dei minimi quadrati. I profili per il tubo ad allargamento graduale e a orifizio sono simili con un leggero vantaggio del tubo secondo l’invenzione è offrono una distribuzione delle portate volumetriche migliore rispetto al tubo a spigolo acuto e al doppio tubo. Nella figura 2 b) c’è un relativo confronto tra un doppio tubo (curva c) e un tubo distributore secondo l’invenzione (curva d) per un altro tipo di collettore, la soluzione a orifizio è simile e leggermente migliore rispetto al doppio tubo. Il doppio tubo è più uniforme per i primi ugelli e il tubo a orifizio per gli ultimi ugelli. In questo caso, i benefici rispetto al calo di pressione non sono così importanti, ma il design più semplice e una distribuzione del flusso migliore rendono la soluzione a orifizio preferibile. Il profilo differente per collettore del tipo c riportato nelle figure 2 a) e 2 b) risulta da condizioni differenti di fine linea. Nel caso della figura 2 a) la velocità nel tubo più piccolo è minore risultando in un fermo del flusso e ritorno prima dell’arrivo all’estremità cieca del tubo maggiore. Nel caso della figura 2 b) la velocità nel tubo minore è maggiore, confluendo in un flusso che colpisce l’estremità cieca del tubo largo. Si può ipotizzare che maggiore è la velocità nel tubo più piccolo, peggiore è la distribuzione del flusso vicino all’estremità del tubo chiuso e vice-versa, più bassa è la velocità migliore è la distribuzione totale nel collettore (soprattutto vicino all'estremità del tubo chiuso). Negli ugelli c’è una disuniformità di pressione per il tubo a spigolo acuto, mentre negli altri tubi è abbastanza uniforme.

La fig. 3 illustra un confronto delle distribuzioni di flusso nei diversi tipi di tubi distributori della figura 1 per una geometria corrispondente a quella della figura 2 a). La distribuzione dei flussi nel tubo secondo l’invenzione è simile a quelle del tubo a spigolo acuto e con allargamento graduale, mentre quella del doppio tubo è diversa, costringendo la maggior parte del refrigerante a passare in modo lineare attraverso il tubo interno. Le velocità del flusso cambiano con la gradazione del grigio: in particolare le velocità elevate sono le più chiare. Nel caso dei tubi a spigolo acuto e ad allargamento graduale, la velocità cala dal primo all’ultimo ugello, mentre nel doppio tubo è più bassa nello spazio tra i tubi rispetto al tubo interno, ma relativamente uniforme lungo la lunghezza del tubo interno. Nel caso del spigolo acuto si creano le zone di ricircolo in vicinanza allo spigolo, risultando in una distribuzione del flusso molto sfavorevole nella zona dei primi ugelli. Nel tubo a orifizio la velocità è abbastanza uniforme lungo tutto il tubo.

La fig. 4 illustra un confronto tra le distribuzioni di pressione statica nei diversi tipi di tubi distributori della figura 1 con la stessa geometria che è stata alla base dei risultati della figura 2 a). I colori più scuri corrispondono alle pressioni maggiori. Nel caso del tubo a spigolo acuto la pressione all’interno del tubo aumenta dopo i primi ugelli per restare abbastanza costante per i restanti ugelli. Nel caso del tubo ad allargamento graduale, la pressione è inferiore rispetto al tubo sopra descritto e cala in modo suddiviso per zone dall’inizio alla fine del tubo. Nel caso del doppio tubo, la pressione diminuisce leggermente all’interno del tubo interno ed è più bassa, ma uniforme, nella zona tra tubo interno ed esterno. Nel tubo a orifizio, infine, la pressione si abbassa notevolmente subito dopo l’orifizio per stabilizzarsi a un valore stabile dopo i primi ugelli.

Rispetto ad un tubo ad allargamento graduale, un vantaggio importante del tubo a orifizio sta nel fatto che la soluzione proposta è relativamente indipendente della velocità in ingresso del distributore principale. In caso di velocità in ingresso elevate, il tubo ad allargamento graduale può portare ad una distribuzione sfavorevole, soprattutto nella zona iniziale del distributore principale. I vantaggi del tubo a orifizio rispetto a un tubo doppio risultano anche da un confronto delle pressioni d’entrata e delle perdite di pressione calcolate, come evidenzia la seguente tabella 1.

Tabella 1

* Valore di riferimento.

Il confronto economico delle soluzioni a tubo doppio e a orifizio favorisce il tubo a orifizio. Per collettori con riferimento alla figura 2 b), l’uso dell’orifizio risulta in risparmi stimati (rispetto a un tubo doppio) di più di 2.000 kg di acciaio ASTM A312 TP304. Assumendo un prezzo indicativo di questi tubi di 5 €/kg, l’uso di orifizi risulterebbe in un risparmio di materiale di più di 10.000,00 €.

L’invenzione ha raggiunto lo scopo di proporre un tubo distributore con una distribuzione del flusso uniforme, un design più semplice, benefici economici e un calo di pressione sufficiente ma non eccessivo.

In fase esecutiva, al tubo distributore, impianto di laminazione a caldo e procedimento di raffreddamento, oggetto dell’invenzione, potranno essere apportate ulteriori modifiche o varianti esecutive non descritte. Qualora tali modifiche o tali varianti dovessero rientrare nell’ambito delle rivendicazioni che seguono, si dovranno ritenere tutte protette dal presente brevetto.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Tubo distributore (400) per raffreddare prodotti metallici o simili, in particolare nastri in acciaio, uscenti da un impianto di laminazione a caldo comprendente a) lungo l’estensione longitudinale di detto tubo distributore (400) una pluralità di aperture d’uscita (406) attraverso le quali è eiettabile un fluido refrigerante; b) un’entrata (402) disposta a un’estremità di detto tubo distributore (400) per detto fluido refrigerante e una chiusura (404) del tubo distributore sull’altra estremità, c) un raccordo per collegare una fonte di fluido refrigerante e alimentare detto tubo (400) con detto fluido; in cui almeno sul lato d’entrata (402) di detto tubo distributore (400) è prevista una zona di cambiamento del diametro del tubo, che varia da un settore con diametro inferiore, seguito in direzione di flusso da un settore con diametro maggiore, caratterizzato dal fatto che a monte di detta pluralità di aperture d’uscita (406) è previsto nell’area della sezione di flusso un orifizio (414).
2) Tubo distributore (400) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto orifizio (414) è una piastra, preferibilmente circolare, dotata di una pluralità di fori.
3) Tubo distributore (400) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti fori hanno un diametro nell’intervallo da 5 a 10 mm.
4) Tubo distributore (400) secondo una delle rivendicazioni 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detti fori sono disposti in una disposizione triangolare.
5) Tubo distributore (400) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il passo tra fori adiacenti si trova tra 7,5 e 15 mm.
6) Tubo distributore (400) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la superficie libera ovvero la somma delle superfici dei singoli fori di passaggio del fluido di raffreddamento, rispetto alla superficie interna del tubo distributore nella zona di maggior diametro, si trova nell’intervallo dai 30 ai 40%.
7) Tubo distributore (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette aperture (406) sono disposte su una retta.
8) Tubo distributore (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto orifizio si trova in detto settore con diametro maggiore.
9) Tubo distributore (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il numero delle aperture (406) è tra 22 e 32 per una lunghezza del tubo attorno a 1,5 a 2 m.
10) Impianto di laminazione a caldo comprendente nella zona di raffreddamento una via a rulli per il trasporto dei prodotti da raffreddare in cui almeno un tubo distributore (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti è disposto tra i rulli.
11) Uso di un tubo distributore (400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9 o di un impianto secondo la rivendicazione 10 per raffreddare nastri che hanno un rapporto larghezza/spessore che varia da 2000 a 75.