用于热金属辊轧中的定向冷却的制造方法和设备

摘要

本发明公开了一种利用定向冷却进行热辊轧的辊轧机设备和方法。一方面，具有多个辊筒堆叠的辊轧机包含冷却系统，所述冷却系统将主冷却剂流引导到具有平行的第一热交换机和第二热交换机的热交换机。所述第一热交换机调适成将所加热的冷却剂冷却到用于辊轧期间通过第一组喷嘴排放的第一冷却剂流的第一温度，而所述第二热交换机调适成将所加热的冷却剂冷却到较低温度，所述较低温度用于第二温度的第二冷却剂流，所述第二温度低于用于通过第二组喷嘴沿下游的排放的所述第一温度以促进辊轧金属的辊轧或卷取。

说明书

技术领域

本发明涉及用于热辊轧金属板的制造方法和设备。特定 地说，本发明提供增强冷却以减少辊轧时间且增加辊轧金属板(诸如铝) 的产量和效率的制造方法和设备。

发明内容

本发明的实施例涉及用于辊轧金属板的改进的制造方 法和设备。特定地说，本发明的方面提供增强定向冷却以最大化辊轧 和/或冷却速度和总产量的辊轧机设备。本发明尤其有利于具有多个辊 架的辊轧和卷取机中的铝板热辊筒的冷却润滑。

在某些方面，本发明包含冷却剂系统，其在辊轧期间用 50℃或高于50℃的第一温度的冷却剂流体对辊轧的金属板进行冷却 且同时用低于50℃的第二温度的冷却剂流体在不同位置处对辊轧的 金属板进行冷却以促进所需辊轧温度下的辊轧。还可在辊架的金属入 口侧上使用第一温度的冷却剂流体以对辊筒提供润滑。在某些实施例 中，第二温度比第一温度低5℃到15℃。此特征允许冷却系统保留与 辊轧过程期间的50℃或高于50℃的温度的冷却剂排放相关联的优点， 而低于50℃的冷却剂流在选定位置处提供另外的冷却以增加辊轧或 卷取速度且改进效率。单独的冷却剂流可产生自使用由若干热交换机 组成的热交换机系统从所排放的冷却剂收集的单个冷却剂供应，若干 热交换机诸如具有第一热交换机和第二热交换机的热交换机，第一热 交换机将加热的排放冷却剂流体的第一部分冷却到大约第一温度，而 第二热交换机将加热的排放冷却剂流体的第二部分冷却到较低温度， 所述较低温度适用于低于第一温度的第二温度的较低温度冷却剂流。 按照冷却效率、设备空间和操作可靠度的要求，第一热交换机和第二 热交换机在系统设计中可表现为第一组热交换机和第二组热交换机。

在某些实施例中，现有的备用热交换机可用作第二热交 换机。在此情况中，设计冷却系统可包含管道系统和一或多个阀，如 果第一热交换机处于服务中，那么所述一或多个阀将主冷却剂流引导 通过第二热交换机。管道系统还可包含管道和一或多个阀以针对选定 辊架或带表面处的定向冷却而控制冷却剂的第二部分到所需组的喷嘴 的流动。

附图说明

图1示出了常规的辊轧机和冷却剂系统的示意图。

图2到3示出了根据本发明的方面的辊轧机和冷却系统 的示意图。

图4A到4B以图表描绘通过辊轧机的产品的板坯温度。

图5以图表描绘热辊轧期间的多辊架辊轧机中的最后一 个辊架的辊轧速度对冷却剂温度。

图6以图表比较实例辊轧中的辊轧速度对冷却剂温度。

图7A到7D以图表描绘根据本发明的某些方面通过辊 轧机的产品的辊轧速度对冷却剂温度。

具体实施方式

本发明涉及热辊轧金属，尤其涉及如本文中描述以具有 多个辊架的辊轧机对铝进行的热辊轧和对在选定位置处的辊轧金属进 行的定向冷却。

热带辊轧机中的金属(诸如铝)的辊轧是一种众所周知的 金属形成过程。在辊轧金属形成过程中，金属坯料被输送通过一或多 个辊筒堆叠中的一对辊筒或多个辊筒。通常，金属经辊轧通过多个辊 筒堆叠，金属板随着其通过每一堆叠而减小厚度且形成光滑的加工表 面且随后被辊轧成卷盘。辊轧过程的类型是根据所辊轧的金属的温度 而分类。如果金属温度在辊轧期间超过其再结晶温度，那么所述过程 被称作热辊轧；如果温度保持低于再结晶温度，那么所述过程被称作 冷辊轧。在任一过程中，金属在辊轧期间的摩擦和变形在所辊轧的金 属板和每一堆叠的辊筒两者中产生大量的热量。为了解决与过量热量 相关联的问题，辊轧机包含冷却系统，其将冷却流体(诸如水或水基乳 状液)从各组冷却喷嘴排放到辊筒和所辊轧的金属板上。通常，如图1 中示出，一组冷却润滑喷嘴5定位成将冷却流体排放在辊轧机的入口 侧处的工作辊筒表面上。辊轧机的出口侧处的辊筒冷却喷嘴6也可能 是可用的。常规辊轧机中的冷却系统使用常见的冷却剂供应，其被泵 送到所有冷却喷嘴6和冷却润滑喷嘴5使得冷却流体的温度在所有排 放喷嘴处是相同的。

图1描绘具有三个辊筒堆叠A、B和C的常规辊轧机， 金属板坯1通过所述三个辊筒堆叠A、B和C辊轧以在热辊轧金属形 成过程中减小厚度。因为辊轧期间金属的摩擦和变形在经辊轧的金属 板和每一堆叠的辊筒两者中产生大量的热量，所以辊轧机包含冷却系 统，所述冷却系统将冷却流体(诸如水或水包油乳状液的润滑剂)排 放到辊筒和辊轧金属上以转移热量且防止金属形成过程期间辊筒或金 属过热。通常，冷却系统包含冷却泵(未示出)，所述冷却泵将冷却流 体泵送通过每一辊筒堆叠处的冷却系统的各个喷嘴。冷却系统可包含： 辊筒堆叠的入口侧上的辊筒冷却润滑喷嘴5，其将冷却流体排放到上 游侧上的辊筒表面上；和带冷却喷嘴，其将冷却流体排放到下游侧上 的一对辊筒6上。类似定位的辊筒冷却润滑喷嘴也可在另外的辊筒堆 叠下游上使用。常规的热铝连轧机是借助于以相同温度供应给辊轧机 的所有辊架的辊筒的冷却剂流体(通常是冷却剂乳状液)来冷却。在 将冷却剂排放在辊筒堆叠处之后，被加热到高温HT的冷却剂被收集 在收集贮槽中，然后泵送通过过滤/贮存系统且通过将冷却剂的温度降 低到较低温度LT的热交换机HX到辊筒冷却润滑喷嘴5和带冷却喷嘴 6。以此方式，在金属辊轧过程期间可连续地使用和再使用冷却剂。如 通过参考图1可知，来自热交换机HX的废水温度LT的冷却剂为所有 冷却排放喷嘴所共有。通常，所使用的冷却剂的温度基于各种因素(诸 如以下因素)被限于55+/-5℃。一些合金需要稍微升高冷却剂温度以 用于辊轧以产生脱油剂到工作辊筒上。另外，改变主冷却剂系统的温 度且响应于受辊轧的产品的需求，在将乳状液重新加热到以较暖冷却 剂辊轧更好的合金所需的温度时，能量输入成为必需。低于50℃的主 冷却剂温度由于与工人接触有关的风险的增加而通常是不合需要的， 且在一些辊轧机中，辊轧机冷却剂温度下降受限于冷却水的流量和温 度。

与使用此温度范围内的冷却剂相关联的一个缺陷是：经 辊轧的金属板温度可超过冶金原因所需的温度，或为了避免超过此温 度，将必须降低辊轧速度。这些方面的情况可限制辊轧过程之后经辊 轧金属板的可卷取速度。将希望提供一种冷却系统，其还对一或多个 位置处的经辊轧金属板进行冷却，同时在辊轧过程期间维持剩余冷却 润滑位置处的主冷却剂温度。如果此冷却系统可允许控制定向冷却温 度且如果可搭配具有收集共同流内的排放冷却剂的冷却系统的常规辊 轧机使用这些改进，那么所述冷却系统将是进一步所需的。

在某些方面，本发明提供一种冷却系统，其用50℃或 高于50℃的第一温度的冷却剂流体对辊轧期间处于一个位置处的经 辊轧金属板进行冷却，且用低于50℃的第二温度的冷却剂流体对另一 位置处的经辊轧金属板进行冷却，以允许增加辊轧速度。此允许冷却 系统保留大部分辊轧过程期间大约50℃的冷却剂排放的优点，而选定 位置处低于50℃的冷却剂流允许增加辊轧或卷取速度且改进效率。不 同温度的冷却剂流可产生自使用双重温度热交换机系统从所排放的加 热冷却剂收集的单个冷却剂供应，所述双重温度热交换机系统例如包 括至少两个热交换机的热交换机系统，第一热交换机将所加热的排放 冷却剂流体的第一部分冷却到大约第一温度且第二热交换机将所加热 的排放冷却剂流体的第二部分冷却到适用于较低温度冷却剂流的第二 较低温度。

在某些方面，冷却系统包含管道系统，所述管道系统具 有一或多个阀以允许转换通常存在的备用热交换机以使用第二热交换 机来提供更冷温度的冷却剂流。在许多应用中，尤其是在铝热辊轧和 卷取中，如果第一温度是大约55℃且第二温度比第一温度低大约5℃ 到15℃(诸如大约40℃)，那么这是有利的。此允许冷却系统保留与 辊轧期间较高温度的冷却剂流相关联的优点，并同时根据各种用途的 需要来提供选定位置处的另外冷却，诸如来改进辊轧或卷取速度。此 特征优于常规的冷却系统，因为其允许根据特定过程或应用的需要， 而独立于第一冷却剂流中的主温度来控制第二较低温度的冷却剂流的 温度。

如与常规辊轧机中的冷却系统相比，根据本发明的定向 冷却允许通过允许直接从选定位置处的带进行有效热量提取来显著增 加辊轧速度。此特征还允许不干扰润滑喷射温度(辊轧机入口处)的 操作，从而对经辊轧的产品提供最优润滑和辊轧机冷却速度的最优调 整而无需另外的能量输入来重新加热冷却剂。另外，定向冷却允许以 足够高的主冷却剂温度进行操作以避免所述工人接触且冷却水无需另 外的要求。

一方面，定向冷却利用以下降的温度供应给选定辊架处 的冷却剂喷射头7的辊轧机冷却剂的定向供应。冷却剂扩散头7可为 指定的低温冷却剂喷射器，或可利用通过使用一或多个阀8选定的系 统的任何喷射喷嘴。定向冷却剂流比主冷却剂温度低至少5℃到15℃。 “主冷却剂”在这里被定义为存在于贮槽中且通过所述辊轧机的大多数 喷射头施加的冷却剂。定向“低温”冷却剂喷射头是针对如所需的一或 多个选定位置。在某些实施例中，定向“低温”冷却剂喷射头是针对如 所需的多辊架连轧机的单个辊轧机辊架或区域，以在可具有更大效果 之处产生显著冷却。另一方面，还可放置定向“低温”冷却剂喷射头， 放置的方式是在辊轧机的中间辊架区域中的板坯上形成“低温”冷却剂 池，这尤为有利，因为此进一步增加从经辊轧板坯移除热能的速度且 因此允许更快的辊轧速度，并同时维持所需辊轧或卷取温度。

本发明的某些方面提供一种辊轧机，所述辊轧机具有多 个辊架；第一冷却剂流，其给上游辊架附近的第一组冷却喷嘴进料； 和第二冷却剂流，其给下游辊架附近的第二组冷却喷嘴进料，第一冷 却剂流处于主冷却剂温度(第一温度)且第二冷却剂流处于低于主冷 却剂温度的“低温”冷却剂温度(第二温度)，第二温度通常比主冷却 剂温度冷大约5℃到15℃。每一组冷却喷嘴可包含一组或一子组的喷 嘴，诸如分别将冷却剂定向到顶侧和底侧上的辊筒表面的顶部组的冷 却喷嘴和底部组的冷却喷嘴。在某些实施例中，第一冷却剂流和第二 冷却剂流同时由第一冷却剂流和第二冷却剂流排放，且所排放的冷却 剂被收集在共同流体流中，第一冷却剂流和第二冷却剂流是通过管道 系统由所述共同流体流形成。

图2示意地说明根据本发明的实施例的具有冷却系统的 辊轧机。热交换机系统HX包含第一热交换机HX1和第二热交换机 HX2，第二热交换机调适成提供大于第一热交换机的温度降低。当退 出热交换机系统时，经冷却的冷却剂水形成稍微低于主冷却剂温度 LT1的第一冷却剂流和使用来自HX2的较冷冷却剂流体形成较冷温度 LT2的第二冷却剂流。计算和建模指示对总体积冷却剂流的相对较小 部分(诸如大约5％到20％)进行冷却允许第二冷却剂流的温度与第一 “主”冷却剂流的主温度LT1相比降低大约5℃到15℃。本文中描述的 定向冷却技术的意外优点是：如果施加在正确位置中，对辊轧机冷却 剂供应的仅仅一小部分(诸如大约5％到20％)进行冷却可基于热力学 建模产生冷却效果，所述冷却效果允许辊轧速度比对100％的冷却剂流 进行冷却时将产生的辊轧速度增大约75％。因此，通过限制所冷却的 冷却剂的量和定向其应用，由于大幅下降的冷却成果，可获得使用整 个冷却剂流中的较低冷却剂温度时所见的效果的75％。

一方面，紧靠热交换机的一或多个阀8可用于控制通过 第二热交换机HX2的冷却剂流，从而控制“低温”冷却剂流的温度，且 还可用于通过控制“低温”冷却剂流到主冷却剂流中的流动来调整主流 的温度。另一方面，更紧靠冷却喷嘴的一或多个阀可用于按照需要选 择性地控制“低温”冷却剂流到一或多组喷嘴的流动，以提供本文中描 述的定向冷却方面中的任一个。图2和3中示出了这些方面的实例实 施例，根据本发明的这些方面可使用各种其它配置。

另一方面，供应定向“低温”辊轧机冷却剂(第二较低温 度的冷却剂流)，供应的方式是在两个最后的辊轧机辊架之间的中间 辊架处的板坯上产生冷却剂的“低温”池。这可通过将“低温”冷却剂定向 于第一辊架的第一辊架出口侧喷射头和/或第三辊架上的入口喷射头 以及第二辊架的出口侧喷射头下游的第二辊架的所有喷射头处或优选 地以极小程度通过仅仅将“低温”冷却剂定向于辊架B或C的顶部出口 冷却喷射头来实现。如图3中示出，经定向更冷的辊轧机冷却剂(T＝ 40℃)被供应到选定辊筒堆叠的选定顶部出口辊轧机喷射头，而标称 温度(T＝55℃)的冷却剂被供应到给入口冷却喷嘴和底部出口喷嘴 进料的剩余喷射头。一旦由冷却喷嘴排放，冷却剂便对加热的辊轧金 属进行冷却，这继而又加热所排放的冷却剂，所述冷却剂然后被收集 在集水槽中。所收集的加热冷却剂然后在过滤之前被泵送到一或多个 除油贮槽中且然后在被泵送到热交换机系统HX中之前贮存在一或多 个贮存槽(例如，贮存过滤水的清洁贮槽)中。热轧机冷却剂从冷却 剂贮槽泵送且通过专用热交换机送到定向冷却喷射头。在示出的实施 例中，所排放的冷却剂流在被泵送到热交换机中之前被收集在共同流 动路径内且在其内泵送，且分成分别在第一热交换机和第二热交换机 内的第一部分和第二部分。选择专用热交换机的大小和操作条件，选 择的方式是允许退出低温冷却剂流的温度比被泵送通过此辊轧机的其 它喷射头的主冷却剂的温度低至少5℃到15℃。选择喷嘴的位置和类 型以及通过此定向中间辊架冷却喷射头的冷却剂流速，选择的方式是 借助于在喷射辊筒与下一组辊筒下游之间产生冷却剂池来最大化来自 中间辊架区域处的板的热量提取。

在某些实施例中，辊轧机中的冷却喷嘴的组数是在1与 辊轧机中的辊架的总数减1之间。通常，所述组的冷却喷嘴指向每一 辊架的顶部工作辊筒。除了将冷却剂排放到顶部和底部工作辊筒的入 口侧和每一辊架的底部工作辊筒的出口侧的标准冷却/润滑组的喷嘴 以外，还可使用这些组的冷却喷嘴。

一方面，经选择用于定向冷却的喷射头是有很大机会产 生冷却剂池的喷射头。例如，这些喷射头可能位于连轧机的中间辊筒 中的一个的上部辊筒的出口侧处或最后一个辊架的入口侧处。现有的 辊轧机喷射头或另外的专用喷射头可用于此目的。专用喷射头在不具 有现有出口侧喷射头的辊轧机上可能是有利的。

图4A到4B描绘两种产品的辊轧模型预测，其示出了沿 辊轧机的长度的温度对每一产品的辊轧期间的温度。图4A描绘CES (易拉罐罐体底料)铝，即产品1(5182，0.095”x66.7”)和CBS(易 拉罐罐体底料)，即产品4(3104-01，0.110”x61.0”)的辊轧。在图 4A和4B中的每一个中，虚线F1、F2和F3分别表示堆叠1、堆叠2 和堆叠3处的位置。如上文提及的辊架之间的板坯上的冷却剂池的存 在由于其对中间辊架区域处的板坯冷却的影响而特别有利。如图4A 到4B中说明的辊轧模型预测示出，表明板坯温度降低在由润滑剂池覆 盖的区域中，尤其是堆叠2与堆叠3之间(图4A和4B中的每一个中 的虚线F2与F3之间)的中间辊架区域2-3处，大于与工作辊筒直接 接触的区域。此特征的另外优点是：大部分辊轧机和冷却剂系统且特 别是具有用于冷却的出口喷射头的咬合入口处的条件与现行方法相比 大部分保持不变。这些预测模型使用以下每个辊筒的流速(以GPM/ 英寸宽度为单位)，从辊筒的第一辊架到最后一个辊架：在图4A中， 入口侧：[6.0，4.0，4.0]/出口侧：[4.0，4.0，6.0]，和在图4B中，入口侧： [9.0，9.0，9.0]/出口侧：[9.0，9.0，6.0]，且成功匹配辊筒温度与常规设备 中观察到的温度。流量计可用于测量输送到每一喷嘴的冷却剂流速， 或冷却剂流速可基于用于辊轧具体产品的喷射图案、冷却剂压力和喷 嘴容量信息而加以计算。下文分别在表1A到1B中示出所计算的冷却 剂流速和用于产品1的辊轧的模型的冷却剂流速。总辊轧机冷却剂流 的7％到10％的冷却将基于用于模型的流速或所计算流速，而对辊轧速 度产生所需影响。应明白，辊轧机的其它不同区域处的定向“低温”冷 却剂提供另外的优势，其取决于可用的另外冷却剂流速。

表1A：产品1的所计算冷却剂流速

表1B：产品1仿真的模型中使用的流速

一方面，可以经验建立冷却剂温度与辊轧速度之间的关 系。例如，获自CBS的辊轧的操作数据表明冷却剂温度降低大约5℃， 则辊轧速度增加大约10％。图5中说明此数据，其示出了辊轧速度(以 英尺/每分钟为单位)(FPM)对辊轧期间的冷却剂温度。另外，表明 CBS的辊轧速度增加5％的记录数据与冷却剂温度降低大约10℃相关 联。图6中的此数据(示出上图表中示出的辊轧速度对下图表中示出 的冷却剂温度)表明在一些辊轧过程中辊轧机冷却剂温度降低10℃可 提供超过10％的辊轧机速度增加。

这些图中示出的辊轧模型预测表明类似趋势。此外，其 表明只需要对总辊轧机冷却剂流的小部分进行冷却来产生所需效果。 图7A到7D说明辊轧速度的增加随两种不同产品的辊轧期间三个辊架 的连轧机上的冷却剂温度变化而变化。图7A和7B分别说明两个CBS 样本(产品1(5182，0.095”x66.7”)和产品2(5182，0.110”x66.7”)) 的辊轧，且图7C和7D分别说明两个CES样本(产品3(3104-03， 0.085”x76.7”)和产品4(3104-01，0.110”x61.0”))的辊轧。图7A 到7B中的每一个说明所预测的辊轧速度对产品辊轧期间从辊轧金属 的卷料的尾端到头端的冷却剂温度。建模方案是具有三个堆叠的辊轧 机；辊架1、辊架2和辊架3(c)；辊架1与2之间的中间辊架池，IS1-2； 和辊架2与3之间的中间辊架池，IS2-3(b)。基准条件是“所有辊架”(a)。 在此条件下，用图表上指示的温度的冷却剂喷射所有三个辊架，且在 中间辊架区域中形成相同温度的池。指示为IS1-2和IS2-3的定向冷 却条件取决于通过降低出口喷射器的温度产生的中间辊架池的位置。 没有示出对应于IS1-2的曲线，因为IS1-2和IS2-3的曲线太接近而 使一条曲线隐藏了另一曲线。施加于所有剩余入口和出口喷射器的冷 却剂的温度是55℃。仅仅将较低温冷却剂施加于第二下游辊架的出口 上同时辊轧产品1和2，其冷却效果被确定为是低温冷却剂施加于所 有辊架的情况下的大约75％。单独施加“低温”冷却剂流于辊架2和3 使中间辊架池中的冷却剂维持在55℃的标称温度。

根据模型，对于产品1和2两者的辊轧，当辊架#2处的 出口喷射器冷却剂温度下降到40℃时，辊轧速度增加10.4％和4.4％。 令人惊讶的是，在某些产品(诸如CBS)的辊轧中，辊架2或辊架3 的工作辊筒的辊轧冷却(F2或F3)允许辊轧速度的增加大于中间辊架 池冷却。施加40℃冷却剂于这些辊筒中的任何一个造成辊轧速度按预 期增加3％到6％。所述两种产品之间的区别涉及最后一个辊架上缺少 前滑和限制CBS的预测加速的加工处理速度差。

一方面，定向冷却剂流对主冷却剂温度的影响可相对较 小，即便其间的温度差是15℃也是如此。在一个实例中，随着20％ 的辊轧机冷却剂流被引导朝向40℃的定向冷却流，辊轧机集水槽中的 总体主冷却剂温度将是57℃。通过将剩余流引导通过热交换机进行的 另外适度冷却可用于使主冷却剂温度达到所需55℃，如下文的表2和 3中示出。因为主冷却剂温度目标不变(55℃)且只改变热量提取点， 所以从冷却剂提取的净热量将大约与冷却剂系统的正常操作下所需要 的温度相同。

表2：各种冷却模式中的预期集水槽冷却剂温度

表3：从冷却剂到热交换机的水的热量提取

一方面，分别退出第一热交换机和第二热交换机的主冷 却剂流和“低温”冷却剂流的流动受管道系统内的一或多个阀控制，所 述管道系统将热交换机系统耦接到“低温”冷却喷嘴(第二组喷嘴)， 诸如图2和图3中示出。阀可通过用户或根据控制算法自动地调整， 以将一部分冷却剂引导到第二热交换机以使“低温”冷却剂供应流给“低 温”冷却喷嘴进料。每一设备的定向冷却剂流温度的详细计算可基于其 热交换机的容量和效率以及冷却水的进入温度和流速而执行。

在其它方面，可包含一或多个热交换机的热交换机系统 的第二热交换机可调适成提供冷却剂温度的显著降低。目前可用于商 用热轧机冷却剂系统的热交换机能够在流速适度降低的情况下产生 15℃冷却效果。

虽然在铝的热辊轧的背景内且特别关于对选定位置进 行冷却以促进辊轧或卷取讨论了本发明的特征，但是应明白，本文中 描述的定向冷却可以多种不同方式在金属形成过程期间和各种其它应 用中的其它选定位置处使用。例如，此定向冷却可有利于不同产品之 间的辊轧机辊架的冷却以将辊筒堆叠转变为新产品的平坦度需求；可 能对铝低温辊轧机进行冷却，或可能在其它材料的辊轧期间进行冷却。

已经就实现本发明的各个目标描述了本发明的各个实 施例。应认识到，这些实施例仅仅说明本发明的原理。所属领域技术 人员将容易明白，在不脱离如以下权利要求书中界定的本发明的精神 和范围的情况下，可对本发明作出许多修改和调适。