专利名称：通过喷射液体对行进中的金属带进行冷却的方法和冷却段的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属带连续处理线冷却段的改进，所述金属带特别是退火金属带、电镀金属带或者白口铁金属带。金属带连续处理线由一系列热处理段组成，所述热处理特别是加热、保温、冷却、 老化等等。本发明涉及连续处理线的冷却段，更具体地说，涉及通过在金属带上喷射液体的快速冷却段。
背景技术：
冷却液一般是水，例如，水可以经过预处理，以便提取溶解的氧或矿物盐，并可以含有添加剂，以改善热交换或限制金属带的氧化。用水冷却允许获得非常大的冷却梯度，超过用气体冷却所能够获得的梯度。金属带的冷却同样可以通过在该金属带上喷射由气体和液体构成的混合物而获得。在这种情况下，气体一般作为气态载体，用来在该金属带上实现液体的喷雾和喷射。所用的气体往往是氮，但同样可以是由氮和氢或任何其他气体组成的混合物。该液体可以按带有较大的液滴的雾或雾化的形式或者按连续液体的形式投射。按照所实现的热周期，该金属带的冷却可以在例如750°C的高温下开始。当该金属带处于远远超过冷却液沸点的温度下时，人们发现它处于膜沸腾状态，英语为“film boiling(膜沸腾)”或蒸汽膜。这指的是球腾态(caMfaction)现象。蒸汽层稍微妨碍金属带和水之间的热转移，于是降低了水冷却的效率。以水为例，其沸点约为100°C。按照水的成分及其添加元素的含量可以改变几度。最后，在蒸汽膜的情况下，该问题可以归结为100°C的水虚拟壁部的冷却。这时，雾
化水的温度是控制冷却强度的头等重要的参数，φ = h (IOO0C -τ水。C )。有关球腾态现象，有一个金属带的临界温度，称为“Lindenfrost温度”。对于超过这个临界温度的温度，冷却在蒸汽膜中进行，因而冷却效率较低，但相对非常均勻。对于一个小于但接近于临界温度的温度值，冷却效率明显较佳，但相当混乱。在这种情况下，蒸汽层局部消失，这时人们说“再浸湿”，同时热量转移得到极大的提高。其结果是，在金属带的宽度上出现巨大的温度梯度，这可能是金属带出现塑性变形，例如，出现皱褶，或金属带的宽度上机械特性的异质性的根源。这个临界温度取决于大量参数，其中有雾化特征、雾化液体的温度或被冷却表面的性质和温度。人们主要考虑冷却液的温度的和诸如液滴的速度和直径等雾化参数对这个温度的作用。
发明内容
本发明的目的在于，尤其是保证金属带均勻的冷却，特别是避免在宽度和/或长度上形成皱褶或敏感的机械特征差异。按照本发明，金属带的冷却控制方法，在连续处理线的冷却段中通过在金属带上喷射液体或喷射由气体和液体构成的混合物的方式对行进中的金属带的冷却进行控制，该冷却取决于包括冷却流体的温度、速度、流动特征在内的参数，其特征在于 确定一个或一个以上区域，在所述区域中，冷却参数使得在热金属带的表面上能够产生、或会产生蒸汽膜的局部消失，从而使所述金属带再浸湿； 并在这样确定的一个或一个以上区域中作为冷却参数，至少调整所述冷却液的温度，在能够产生或会产生再浸湿的区域中提高所述冷却液的温度，以便在所述金属带表面上维持或回到蒸汽膜冷却状态。这种冷却状态由所述热金属带接触的冷却液的球腾态现象造成。因此，本发明首先是冷却控制方法，其在连续处理线中通过在金属带上喷射液体或喷射由气体和液体构成的混合物对行进中的金属带进行冷却，以便在金属带表面上维持所谓“蒸汽膜”的冷却，所述“蒸汽膜”由热金属带接触冷却液产生球腾态现象造成，该冷却控制方法在于在可能产生再浸湿或会产生再浸湿的区域中提高冷却液的温度——所述再浸湿因蒸汽膜的局部消失引发，以便在金属带表面上保持或回到蒸汽膜冷却状态。有利地，另一个被调整的冷却参数由用相关的一个或多个区域中冷却液的液滴速度和/或直径形成的雾化参数构成。在所述冷却方法涉及一冷却段的情形中——所述冷却段沿着所述金属带行进方向具有相继的多个冷却单元，调整所述冷却液的温度，以便使所述所述冷却液的温度在所述冷却段的相继的两个冷却单元之间是不同的。可以结合冷却液的温度和流量进行调整，以便允许调整从所述金属带取出的热流量。可以在所述金属带宽度上调整所述冷却液的温度。多个冷却液喷射单元沿着所述金属带的宽度分布；并且在所述金属带宽度上对每个喷射单元调整所述冷却液的温度和流量。可以在冷却开始就调整所述液体温度，以便限制因相对于以前加热或保温而言的冷却造成的温度斜率的变化。可以按照力求达到的冷却能力调整所述液体温度，以便限制所述冷却液流量的变化。有利地，为了确定冷却段的一个或一个以上区域——在所述区域中所述冷却参数使得在热金属带的表面上蒸汽膜的局部消失能够产生或会产生进而导致金属带的再浸湿， 进行预先的试验，在此过程中 改变操作条件； 观察金属带的再浸湿何时产生，及在冷却段的哪个区域产生； 并且，固定所有其他操作条件，保证产生再浸湿的区域的液体温度逐步上升，以便允许确定在所研究的区域中消除再浸湿并回到蒸汽膜状态所要求的液体温度。可以在金属带的行进方向上的下一个区域再次进行所述试验，以便在整个冷却段上保持蒸汽膜，或者当这不可能时，把所述再浸湿的起点推向更低的温度。有利地，为了确定产生再浸湿的时刻和产生再浸湿的区域，在可能会产生再浸湿的区域中，借助于所述金属带的温度测量装置，确定所述金属带的横向温度梯度急剧提高的出现，和在不存在蒸汽膜的情形较强烈的冷却造成的冷却梯度的明显的突变。优选地，所述试验在位于所述金属带长度上的这样的区域进行——在所述区域中所述金属带的温度在450°C和250°C之间，并在所述金属带宽度上的多个点位上进行，以便发现温度的急剧变化。本发明同样涉及执行先前定义的所述的冷却控制方法用的连续处理线的冷却段， 其包括在金属带喷射液体的或者喷射由气体和液体构成的混合物的单元，其特征在于，对于至少一个在金属带上喷射冷却液的单元，所述冷却段包括供应冷却液的供应组件，所述供应组件包括供应冷水和热水的两个不同的线路，每一线路都配备一个调节阀，并连接至同一出口管道；混合物流量控制器，其设置在所述出口管道上；以及混合物温度控制器。所述供应组件(A)包括调节器，所述调节器允许调整冷水流量和热水流量的比例，以便在所希望温度处获得目标总液体流量，而且对于每个喷射装置都是这样。按照本发明，可以根据希望的热流量和根据金属带的温度调节所述冷却液的温度。因此，刚好在冷却起点之后——例如金属带温度为700°C，雾化冷水——甚至接近0°C的冷水，但当金属带达到较低的温度——例如450°C时，要用较热的水以保持蒸汽膜 (film boiling)状态。在冷却的结束处采用较热的水(例如，在冷却起点35°C和在冷却结束处80°C )，本发明允许保证对冷却的掌控，同时让蒸汽膜停留更长时间。该水温控制——必要时结合在金属带宽度上水流量的调整——允许在其宽度上获得均勻的金属带温度。通过计算确定Lindenfrost温度是非常困难的，因为有大量参数对它有影响。雾化参数非常重要。于是，液滴的尺寸、液滴之间的距离、液滴的速度、液体雾化温度、雾化气体的比例和温度都影响Lindenfrost温度。金属带的温度、表面粗糙度、其发射率同样对其有影响。通过金属带交换的热量流同样是决定性的。Lindenfrost温度事实上取决于液滴达到其蒸发温度的速度。速度越快Lindenfrost温度越低。由于该现象的复杂性，临界温度或Lindenfrost温度主要通过试验获得，理想的是在投产时直接在设备上进行。试验时，不同的手段都可以用来确定产生再浸湿的时刻和产生再浸湿的区域。再浸湿的出现导致金属带横向温度梯度的急剧提高，而蒸汽膜不存在的情况下，较强烈的冷却造成冷却梯度的明显突变。最简单的方法是把温度测量装置放置在可能产生再浸湿的区域中，例如，放置在金属带温度在450°C和250°C之间的一段长度上，和在金属带宽度上的几个点位上，以便发现温度的这些强烈的变化。对于生产线的每种生产情况，为避免或延迟金属带的再浸湿而在每个区域中要求的冷却液温度，这些试验允许建立精确的表格。接着，把这些表格集成到该设备的控制系统和控制器中，以便视生产线的生产情况而定，为每个区域自动地考虑冷却液温度的最佳设定值。正如先前公开的，大量参数对金属带的再浸湿有影响，因此在生产线正常生产中可能在没有预期到的区域产生。按照本发明，由操作者在有关区域中提高冷却液的温度，以便推迟到下一个区域中再浸湿。按照产生再浸湿的区域，操作者同样可以通过预期在下一个或多个区域中提高冷却水的温度，以便以此推迟再浸湿的起点。要使用的温度上升值预先在投产试验期间确定，所述温度上升值例如是5°C。它同样可以由操作者调整。在一个区域中提高冷却液温度可以伴随另一个雾化参数的调整进行，以便在不降低生产线的速度的情况下维持力求达到的金属带上的温度斜率。例如，在这个区域可以提高冷却水的流量。水流量的提高可以自动地通过该生产线的控制系统和控制器实现，以便在冷却区域的出口又一次达到金属带温度设定值。另外，最佳调整值是在生产线投产时定义的或者在其运营期间通过自动学习程序定义的。本发明以下的描述对应于为保持蒸汽膜模式而进行的冷却液温度的调整。在恒定的液体温度下获得该结果用的另一个手段是改变液滴的尺寸及其达到该金属带上的速度。在用气体的雾化冷却液的情况下，液滴速度和直径的重新调整是通过改变气体的比例实现的。在不用气体雾化液体的情况下，液滴速度和直径的重新调整是通过在液体雾化孔水平地机械上改变管嘴实现的。先前描述的优化冷却液温度的同一操作模式是用来通过试验确定雾化参数而实施的。不难理解，为了保持蒸汽膜模式，可以把冷却液温度的改变和雾化参数的变化结
合起来。按照本发明的方法，人们可以在由于蒸汽膜局部消失而可能产生或会产生再浸湿的区域调整冷却液温度和雾化参数，亦即液滴速度和直径，以便保持或回到金属带表面的蒸汽膜的冷却状态。一般，在通过喷水进行冷却的装置上主要的冷却控制参数是用kg/m2/s表达的水流量密度。用气体作为喷射介质时，通过气体流量的调节并非是必不可少的。按照该喷射装置，气体流量自然与水的流量适配。按照另一个实施例，气体流量保持恒定。
本发明除上面公开的设置外，还包括若干其他设置，其中按参照附图所描述的非限制性的实施例，将明确地加以讨论。附图中图1是按照本发明向冷却液喷射单元供液用的一个配置的示意图；图2是按照本发明的冷却段的立面示意透视图；图3是一个类似于图2的带有沿着金属带的宽度分段的冷却单元的一个实施变型的示意图；图4是类似于图3的示意图，其表示沿着金属带的宽度和长度方向分段的冷却单元的实施变型；而图5是冷却段的实施例的示意垂直剖面图。
具体实施例方式图1是按照本发明供应冷却液的供应组件A的实施例的示意图，其用于在向下垂直行进的待冷却的金属带B上喷射液体的喷射单元DI. . . DIII (图幻。每个单元DI. . . DIII 都与一个组件A相关联。
组件A保证对冷却水流量和温度的控制。组件A的配置包括供应冷水1和热水2 的两个不同的线路，每一个线路都配备调节阀一分别为CVl和CV2，并连接至同一出口管道3。在管道3上设置混合物流量控制器⑶以及混合物温度控制器TE。调节器R允许调整冷水流量和热水流量，以便获得所希望的温度的液体的目标总流量，并且对于每个喷射单元——亦称冷却单元DI，DII, DIII (图2)都是如此。在图2至5示出在该组件中由每个冷却单元雾化的液体的液滴呈棱柱形，其底部位于金属带B上，然而相对的棱边对应于冷却单元液体出口管嘴。按照本发明的雾化水的温度的控制和/或雾化参数的控制构成雾化水流量控制的辅助部件。这些辅助部件提供较大的灵活性和较高的冷却均勻性。按照本发明，调整冷却液温度和/或雾化参数，使之在金属带行进方向上在相继的两个冷却单元DI，DII，DIII (图2)之间是不同的。按照本发明的装置允许在冷却段的长度上通过对冷却区域I，II，III (图2)的长度分段，控制雾化水的温度和/或雾化参数。对于每个区域，在金属带的每一侧都设置一个冷却单元，分别为DI，D' I,. ..DIILD' III。每个冷却单元都配备一个调整机构，所述调整机构调整所述液体的温度和/或所述喷射器的管嘴，所述调整机构不同于其它区域的调整机构。按照本发明的装置同样允许如图3所示在冷却段宽度上逐段控制雾化水的温度， 在宽度上为分段的冷却单元DIa，DIb,... Die,每一个冷却单元都安置一个调整所述液体的温度的调整机构，所述调整机构不同于其它区域的调整机构。按照本发明的一个实施例，构成所述组件A的温度的调整机构是冷热水调温龙头，其由热水管网和冷水管网供水。按照温度设定值，冷热水调温龙头调整冷水和热水流量的比例。按照本发明另一个实施例，所述温度的调整机构是一个在冷却液和另一种流体例如空气或水之间的热交换器。同样可能在横向上控制雾化水的温度和/或雾化参数，以便在金属带的宽度上实现热均勻性。于是，在金属带的宽度上调整冷却液的温度和/或雾化参数——例如使液体流量恒定，以便在整个金属带的宽度上维持蒸汽膜并控制热交换水平。图3是按照本发明的横向调节冷却液的温度的一个实施例的示意图，其中，在金属带的宽度上有5个不同的冷却单元。如图4所示，有可能的是，在金属带的长度上实现冷却液温度的这种横向调节，以便通过在冷却段的所有点位上调整金属带的冷却参数的方式获得调节灵活性的优点。本发明同样涉及一种冷却方法，用以沿着冷却段在金属带宽度的每个点位上达到要求的冷却曲线。水温的调整同样允许限制在冷却起点处形成皱褶(冷变形)的危险。这种危险可能是金属带通过加热段或保温段到快速冷却段时热行程中巨大的斜率突变引起的。专利FR 观02552(或者美国专利6464808)更详细地描述这个问题。在冷却起点上把水的温度上升到例如80°C时，本发明允许限制金属带的初始冷却，并因而限制由于斜率较小的突变形成皱褶(冷变形)的危险。于是，本发明同样涉及冷却控制方法，其通过在起点处在金属带上喷射液体或喷射由气体和液体构成的混合物对在连续处理线上行进的金属带进行冷却——其中所述液体的温度被调整，以限制相对于以前的加热或保温由于所述冷却造成的温度斜率变化。对于同一冷却液流量，按照本发明其温度的提高——例如从40°C提高到60°C—— 允许用较低的流量进行冷却，这允许实现具有较小冷却斜率的周期，进而允许获得冷却段的灵活性。冷却液的温度和流量的结合调整允许调适从该金属带取出的热流量。按照本发明，正如图4举例说明的，在金属带的宽度和长度上调整冷却液的温度和流量，以增大设备的灵活性，有利于金属带冷却速度更大范围的调节。冷却单元在宽度上 (下标用字符a. . . e标示)和在长度上被分段(下标用罗马数字I，II，III标示)成基本单元 DIa. · .Dllle。同样按照本发明，通过在金属带的宽度上冷却能力的调整引起的在金属带的宽度上温度曲线的控制，允许通过相对于金属带中心实现长边缘或短边缘改善所述金属带在输送辊上的引导。通过在金属带宽度上冷却能力的再调整进行的在金属带宽度上温度曲线的控制， 允许通过控制边缘相对于金属带中心的长度改善金属带的平面度。通过在金属带宽度上冷却能力的调整进行的在金属带宽度上温度曲线的控制，允许通过控制边缘相对于金属带中心的长度，改善金属带的稳定性。有利地，在冷却段长度上和在金属带宽度上冷却能力的调整，最好以采用计算机的生产线控制系统和控制器(未示出)的方式，从数学模型出发，考虑到冷却段中及其下游段中金属带及其环境之间热交换的变化，实时地实现。该计算机控制不同的组件A的调节阀门CVl禾口 CV2。本发明同样在金属带的宽度方向上及其长度方向上在一个分段上包括冷却装置的多个单元，如图4所示。每个单元都独立于其他单元地配备改变冷却液温度和流量和/ 或雾化参数所需要的装备。沿着冷却段，冷却单元DI... DIII的尺寸是不同的，在球腾态现象可能变得不稳定的冷却段部分，冷却单元尺寸较小，以便更好地控制该现象。在这一部分，冷却单元的长度在金属带行进方向上较小。冷却单元的宽度同样可以在金属带的宽度上缩小。在用由气体和液体构成的混合物冷却的情况下，每个单元都可以配备两个控制机构，改变气体的流量和液体的流量。每个单元都同样可以配备一个允许改变气体、液体或由气体和液体构成的混合物的温度用的装置，以便影响球腾态现象并改变冷却能力。对于冷却介质的流量恒定能够实现冷却介质温度的这种变化，或者冷却介质温度的这种变化能够与冷却介质流量变化相结合，以便加强该装置调节的灵活性。连续生产线的生产能力在很大程度上按金属带的规格——具体地说其厚度，及按照热周期而变化。于是，按照生产水平，喷射的水流量会发生非常大的变化，使得由于控制流量的机构的灵活性有限，对于大的和小的流量控制困难。为了提高水流量的调节精度，本发明同样包括使冷却液温度改变，以便限制水流量的变化幅度。于是，按照本发明，对于要求冷却流量非常大的高产量，人们使冷水雾化，以便限制水流量，但是对于低的产量，例如，薄的厚度，人们对稍微热一些的水进行雾化，以便稍微提高所需要的水流量。于是，本发明同样涉及一个连续处理线中通过在金属带上喷射液体或者由气体和液体构成的混合物对移动中的金属带进行冷却的控制方法，同时按照所要求的冷却能力调整液体温度，以便限制冷却液流量的变化。图5所示的下面将要讨论的实施例，按照本发明，使冷却水温度出现变化 在冷却起点处(区域DI，D' I)金属带是750°C，而雾化水是80°C，以便限制在金属带上形成皱褶(冷皱褶)的危险； 接着，雾化水是40°C，以便在金属带的温度明显地超过Lindenfrost温度的所有区域(DII，DIII，DIV ；D' II ；DIIII ；D' IV)中获得快速的冷却； 接着，在金属带温度约为Lindenfrost温度的临界区域(DV，D’ V)或过渡区域中，水温增至80°C，以便使蒸汽膜保持尽可能长的时间； 最后，在金属带温度低于Lindenfrost温度的区域(DVI，D' VI)中，水温变为 40°C，以便使金属带温度迅速地达到最后冷却所要求的温度(60°C )。
权利要求
1.金属带的冷却控制方法，在连续处理线的冷却段中通过在金属带上喷射液体或喷射由气体和液体构成的混合物的方式对行进中的金属带(B)的冷却进行控制，该冷却取决于包括冷却流体的温度、速度、流动特征在内的参数，其特征在于 确定一个或一个以上区域，在所述区域中，冷却参数使得在热金属带的表面上能够产生、或会产生蒸汽膜的局部消失，从而使所述金属带再浸湿； 并在这样确定的一个或一个以上区域中作为冷却参数，至少调整所述冷却液的温度，在能够产生或会产生再浸湿的区域中提高所述冷却液的温度，以便在所述金属带表面上维持或回到蒸汽膜冷却状态，这种冷却状态由所述热金属带接触的冷却液的球腾态现象造成。
2.按照权利要求1所述的冷却控制方法，其特征在于，作为冷却参数，调整由冷却液液滴的速度和/或直径形成的一个雾化参数。
3.按照权利要求1或2所述的冷却控制方法，其有一冷却段，所述冷却段沿着所述金属带行进方向具有相继的多个冷却单元(DI，DII，DIII)，其特征在于，调整所述冷却液的温度，以便使所述所述冷却液的温度在所述冷却段的相继的两个冷却单元之间是不同的。
4.按照上述权利要求中任一项所述的冷却控制方法，其特征在于，结合冷却液的温度和流量进行调整，以便允许调整从所述金属带取出的热流量。
5.按照上述权利要求中任一项所述的冷却控制方法，其特征在于，在所述金属带宽度上调整所述冷却液的温度。
6.按照权利要求5所述的冷却控制方法，其特征在于，多个冷却液喷射单元 (DIa. . . Die)沿着所述金属带的宽度分布；并且在所述金属带宽度上对每个喷射单元调整所述冷却液的温度和流量。
7.按照上述权利要求中任一项所述的冷却控制方法，其特征在于，在冷却开始就调整所述液体温度，以便限制因相对于以前加热或保温而言的冷却造成的温度斜率的变化。
8.按照上述权利要求中任一项所述的冷却控制方法，其特征在于，按照力求达到的冷却能力调整所述液体温度，以便限制所述冷却液流量的变化。
9.按照上述权利要求中任一项所述的冷却控制方法，其特征在于，为了确定冷却段的一个或一个以上区域——在所述区域中所述冷却参数使得在热金属带的表面上蒸汽膜的局部消失能够产生或会产生进而导致金属带的再浸湿，进行预先的试验，在此过程中眷改变操作条件； 观察金属带的再浸湿何时产生，及在冷却段的哪个区域中产生； 并且，固定所有其他操作条件，保证产生再浸湿的区域的液体温度逐步上升，以便允许确定在所研究的区域中消除再浸湿并回到蒸汽膜状态所要求的液体温度。
10.按照权利要求9所述的冷却控制方法，其特征在于，在金属带的行进方向上的下一个区域再次进行所述试验，以便在整个冷却段上保持蒸汽膜，或者当这不可能时，把所述再浸湿的起点推向更低的温度。
11.按照权利要求9或10所述的冷却控制方法，其特征在于，为了确定产生再浸湿的时刻和产生再浸湿的区域，在可能会产生再浸湿的区域中，借助于所述金属带的温度测量装置，确定所述金属带的横向温度梯度急剧提高的出现，和在不存在蒸汽膜的情形较强烈的冷却造成的冷却梯度的明显的突变的出现。
12.按照权利要求9至11中任一项所述的冷却控制方法，其特征在于，所述试验在位于所述金属带的带长度上的这样的区域进行——在所述区域中所述金属带的温度在450°C和 250°C之间，并在所述金属带宽度上的多个点位上进行，以便发现温度的急剧变化。
13.执行按照上述权利要求中任一项所述的冷却控制方法用的连续处理线的冷却段，其包括在金属带上喷射液体的或者喷射由气体和液体构成的混合物的单元(DI，DII, DIII)，其特征在于，对于至少一个在金属带上喷射冷却液的单元，所述冷却段包括供应冷却液的供应组件(A)，所述供应组件(A)包括供应冷水(1)和热水O)的两个不同的线路， 每一线路都配备一个调节阀(CV1，CM)，并连接至同一出口管道(3)；混合物流量控制器 (CD)，其设置在所述出口管道C3)上；以及混合物温度控制器(TE)。
14.按照权利要求13所述的冷却段，其特征在于，所述供应组件(A)包括调节器(R)， 所述调节器(R)允许调整冷水流量和热水流量的比例，以便在所希望温度处获得目标总液体流量，而且对于每个喷射装置(DI，DII，DIII)都是这样。
全文摘要
金属带的冷却控制方法，在连续处理线的冷却段中通过在金属带上喷射液体或喷射由气体和液体构成的混合物的方式对行进中的金属带(B)的冷却进行控制，该冷却取决于包括冷却流体的温度、速度、流动特征在内的参数，按照该方法确定一个或一个以上区域，在所述区域中，冷却参数使得在热金属带的表面上能够产生、或会产生蒸汽膜的局部消失，从而使所述金属带再浸湿；并在这样确定的一个或一个以上区域中作为冷却参数，至少调整所述冷却液的温度，在能够产生或会产生再浸湿的区域中提高所述冷却液的温度，以便在所述金属带表面上维持或回到蒸汽膜冷却状态。这种冷却状态由所述热金属带接触的冷却液的球腾态现象造成。
文档编号C21D1/667GK102272338SQ201080004262
公开日2011年12月7日 申请日期2010年1月7日 优先权日2009年1月9日
发明者C·克拉韦鲁拉斯, F·马尔莫尼耶 申请人:法孚斯坦因公司