用于无缝钢管的冷却装置
阅读说明：本技术 用于无缝钢管的冷却装置 (Cooling device for seamless steel pipe ) 是由 T·米勒 P·蒂文 W·沃格尔 S·恩斯特 于 2020-04-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种冷却装置(1),所述冷却装置用于冷却由金属、优选钢制成的无缝的轧制管材(R),所述冷却装置具有带有一个或多个喷嘴(14)的喷嘴组件(10),所述喷嘴组件向所述管材(R)的外圆周面施加优选是水或者水混合物的冷却介质(K),而所述管材(R)沿着输送方向(F)被运送经过所述冷却装置(1)的冷却段,其中,所述喷嘴组件(10)具有入口(Z),经由所述入口能将所述管材(R)沿所述管材(R)的径向方向、优选向上从所述冷却段中取出。(The invention relates to a cooling device (1) for cooling a seamless rolled tube (R) made of metal, preferably steel, having a nozzle arrangement (10) with one or more nozzles (14) which apply a cooling medium (K), preferably water or a water mixture, to the outer circumferential surface of the tube (R), while the tube (R) is conveyed in a conveying direction (F) through a cooling section of the cooling device (1), wherein the nozzle arrangement (10) has an inlet (Z) via which the tube (R) can be removed from the cooling section in the radial direction of the tube (R), preferably upwards.)
技术领域
本发明涉及一种用于冷却无缝的轧制管材、优选钢管的冷却装置，所述冷却装置具有用于向管的外圆周面施加冷却介质的喷嘴组件。
背景技术
在制造无缝钢管时，使用张力减径轧机或者定径轧机，所述张力减径轧机或者定径轧机具有多个沿管材的输送方向依次布置的轧机机架。来自预制机组的母管在热轧状态中被置入到定径轧机或者张力减径轧机中。钢管的工作温度大多处于900℃至1000℃之间的范围中。如果经过预制机组后的管材具有对于轧制来说过低的温度，则需要在中间炉中重新进行加热。
在从轧机中送出后，材料温度仍处于奥氏体化点(即Ar3转变点)以上，取决于材料质量而定，大约在820℃至840℃以上。管材通常通过自然对流在空气中冷却。由此制成了正常轧制的结构，也就是说，所述管材适度地晶粒细化，大多基本上不含对机械性能存在负面影响的变形纹理。
对于高质量的管材、例如用输送石油和天然气的管材或者建造用管材来说，需要改进机械性能，尤其是更高的强度结合高韧性和高可焊性。为了改善机械性能已知的是，经轧制的和经冷却的管材在专门的热处理生产线中进行调质。在此在第一温度控制步骤中将管材重新加热到奥氏体化温度，紧接着在淬火装置中快速冷却，由此形成比如马氏体的高强度的转变相，并且最后重新加热以消除内部的内应力。
这种附加的热处理在工艺上是复杂的并且是能源密集型的。出于该原因开发了对于热处理来说一起使用轧制工艺的余热的方法。为此目的，管材在经过定径轧机或者张力减径轧机后非常快速地冷却，其中必须实现相对于正常的冷却床明显提高的冷却速度。所需的冷却速度通过特别的冷却段，所述冷却段不属于无缝管轧机的标准配备。该冷却段在管材离开轧机后通过从外部施加冷却介质、比如像水或者水/空气混合物直接加速冷却管材。
于是文献EP2682485B1描述了一种用于制造无缝钢管的方法和设备，该设备在最后的轧机机架下游具有连续冷却段，所述设备具有多个同心地围绕轧件布置的分配环。所述分配环具有三个或者多个用于将冷却介质喷射到有待冷却的管材上的喷嘴。
根据这种现有技术，分配器环相对于其中轴线同心地围绕有待冷却的管材。必须设置多个这种分配器环，以便在从轧机运送出的同时足够快地冷却管材。其缺点是，在出现故障时在管材仍然位于轧机出口侧的情况下，由于管材被分配环包围，所以不容易将管材从运送段中取出。相反地，管材必须被切割成小块，紧接着从冷却段中手动地移除。
根据另一种由文献WO2016/035103A1已知的技术方案，有待冷却的管材从下方提升到冷却装置中。在这种情况下，管材必须在冷却时围绕自身的轴线旋转，以便实现均匀的冷却。然而，在连续冷却段直接位于轧机下游的的情况下，不可能使管材处于旋转中，因为管材的后端部在送出过程开始时、也就是在冷却开始时仍然连接在轧机中。此外，轧机下游的管材长度大多明显大于热处理生产线中的管材长度，因为在后者中管材已经被切割成8到14米的成品长度，而轧机出口中的管线相反仍未切断，长达100米。这种长冷却段在技术上是复杂的并且难以经济地运行。
发明内容
本发明的目的在于，改进由金属、优选钢制成的无缝的轧制管材的连续冷却工艺，尤其是改进其运行安全性。
该目的利用具有权利要求1所述的特征的冷却装置以及具有权利要求15所述的特征的设备来实现。有利的改进方案由从属权利要求、本发明的以下示图以及对优选的实施例的描述得出。
根据本发明的冷却装置用于冷却无缝的轧制管材。所述管材是金属管、优选钢管。但是所述管材包括多种合金，其机械性能、比如像强度、抗拉强度、韧性、可焊接性等都能通过热处理来改善。所述管材尤其由高质量合金制成，其适于应用在石油和天然气运输中或者适用于建造用管材。
所述冷却装置具有带有一个或多个喷嘴的喷嘴组件，所述喷嘴组件向所述管材的外圆周面施加优选是水或者水混合物的冷却介质，而所述管材沿着输送方向被运送经过所述冷却装置的冷却段。术语“水混合物”是指具有一种或多种添加剂的水基冷却介质。所述添加剂可以包括溶解的固体、液体或者气体。于是，所述冷却介质例如是水/空气混合物。所谓的“冷却段”在此是指所述冷却装置沿着输送方向的、在其中向所述管材施加冷却介质的那个区段。所述冷却装置提供一种连续冷却工艺，因为所述管材在输送或者说运送期间通过冷却段进行冷却。
根据本发明，所述喷嘴组件具有入口，经由所述入口能将所述管材沿其径向方向、也就是垂直于管材的纵向伸展的方向从所述冷却段中取出。换句话说，所述喷嘴组件沿圆周方向并未完全包围所述管材，而是在一侧敞开或者能被打开。测量所述入口的尺寸，使得所述管材能侧向地或者说径向地从所述冷却段中取出。所述入口优选设计成，能够向上(沿重力方向看)取出所述管材。此外，所述入口优选笔直地平行于管轴线延伸，以便简化从冷却段中任意地移除所述管材。对此需要指出的是，也可以设置多个入口。
因此，所述喷嘴组件不包括封闭环状的结构。相反，却提供了至少一个入口，所述入口允许在出现故障、比如事故的情况下沿径向方向从所述冷却段中取出所述管材。在入口的区域中的工作空间不受管路、管材或者诸如此类阻碍。因此形成一种冷却段，该冷却段一方面可以足够短，以便能够处理还未断开的、例如长达100米的管线，并且另一方面能从所述冷却段中从一侧移除所述管材R，而不必事先在冷却装置中将所述管材切断成更小的管材区段。此外，所述入口便于在冷却装置处进行任意的维护和清洗工作。
所述冷却装置特别优选地用于直接在轧机、比如张力减径轧机或者定径轧机的下游迅速地冷却管材。术语“直接在下游”在此是指，所述管材进入到冷却装置的冷却段中，而在下游的端部处仍然连接在轧机中。对此需要指出的是，术语“上游”和“下游”都是相对于管材的输送方向而言。
尽管省略了同心的分配环，为了确保沿着管圆周均匀地冷却，可以设计、布置并且对准所述喷嘴，从而使得喷射出的冷却介质的量沿着管圆周基本上是恒定的。换句话说，可以调节每个喷嘴的冷却介质K的流量和喷射方向，从而实现或者至少近似实现对称的和同心的冷却。
优选地，所述喷嘴组件为了该目的而具有一个或多个喷嘴臂，所述喷嘴臂分别具有至少一个分配管以及一个或多个与其相连的并且从其上延伸出来的喷枪，所述喷枪分别带有一个或多个喷嘴。通过提供喷嘴臂能以结构上简单的方式确保为喷嘴供给冷却介质，而不必使供给管路沿圆周方向完全包围所述管材。所述喷枪可以具有不同的长度，以便将冷却介质尽可能均匀地喷射到整个管圆周上。在笔直的分配管的情况下，在边缘部分处的喷枪可以比在相应分配管的中间的喷枪更长地构造，由此所述喷嘴至少大约位于假想的分配环上。
优选地，所述冷却装置还具有流体系统，所述流体系统为所述分配管供给冷却介质，其中在此将多个分配管分别组合成一流体单元，所述流体单元由共同的泵操作和/或由共同的阀系统切换。通过流体供给装置的这种模块化的组合方式，能够在结构上简化流体供给，并且同时能够局部地以不同的压力、体积流量等等操作所述喷嘴，由此可以优化管材的冷却。
优选地，所述分配管在所述管材的横截面中输送所述冷却介质和/或沿着输送方向输送所述冷却介质，由此能以结构上简单的方式形成一入口，该入口笔直地平行于管轴线延伸。
优选地，所述冷却段比所述管材更短，其例如大约为8至16米长。以这种方式形成一紧凑的冷却装置，由此可以通过热处理以结构上合理的耗费实现管材的调质。
优选地，能够调节所述喷嘴组件的一个或多个喷嘴的位置和/或取向和/或体积流量，由此例如根据产品参数和/或工艺参数可以灵活地调整冷却效果。
优选地，所述喷嘴组件的喷嘴形成多个喷射平面，能够大致沿着输送方向调整或者说移动所述喷射平面。于是每个喷射平面例如可以具有两个分别带有多个喷枪的喷嘴臂。通过合适地定位所述喷射平面例如根据产品参数和/或工艺参数可以灵活地调节冷却效果。
优选地，所述冷却装置将所述管材冷却到低于Ar3转变点的最终温度，从而由此形成比如马氏体的高强度的转变相。为此目的，所述管材优选被冷却到大约450℃至600℃。输出温度、也就是管材大约离开轧机的那个温度，在此例如为820℃至840℃。
优选地，所述冷却装置优选根据产品和/或基于测量值、经验值和/或过程模型局部地或者近似连续地调节冷却介质的压力值和/或流量值。可调节性在此与沿着冷却段的区段相关，由此可以灵活地调节沿输送方向的导热系数。可调节的区段可以分别包括一个或多个喷射平面、喷嘴臂等等；然而其也可以细化到单个喷嘴的结构水平。这就是术语“近似连续”的意思。
优选地，所述冷却段被分隔开，从而在第一区段中设置用于优选具有超过10bar的压力的高压喷射的喷嘴组件，并且在沿着输送方向接下来的区段中设置用于更低的压力的喷嘴组件。于是在高压区域中可以实现例如超过10000W/(m2K)的导热系数，由此能实现所述管材的突然冷却。
优选地，所述冷却装置用于不连续的运行，从而使得一个或多个喷嘴能相应地随着所述管材被送入冷却段中、也就是随着前管端部的经过而接通，并且能随着所述管材被送出冷却段、也就是随着后管端部的经过而断开，其中优选在所述冷却段的内部或者下游布置有一个或多个用于识别管端部的传感器。因此可以避免冷却介质进入到管材中。
优选地，所述冷却装置还具有完全地或者部分地包围所述喷嘴组件的外壳，和/或一个或多个压缩空气消除器(Druckluftabstreifer)。通过外壳避免了冷却介质对环境的污染，尤其是能够减少环境的喷射水负荷和水蒸汽负荷。为了类似的目的可以使用压缩空气消除器，以防止冷却介质进入到特别危险的装置中，比如像辐射测量的壁厚测量点或者冷却段的上游和/或下游的其余测量点。
优选地，所述管材沿着所述冷却段的输送方向相对于水平线倾斜，也就是说其下降或者上升，由此可以在从轧机过渡到任意的冷却床时缩短结构空间。
以上提到的发明目的此外通过一种设备来实现，该设备具有轧机、优选张力减径轧机或者定径轧机以及根据以上所描述的冷却装置。所述冷却装置沿输送方向位于所述轧机的下游，并且用于冷却经由所述轧机轧制的管材。
关于冷却装置所描述的特征、技术效果、优点和实施例类似地适用于上述设备。
所述冷却装置尤其直接布置在轧机的下游，由此轧制工艺的余热以协同的方式一起用于通过热处理对管材进行调质。
优选地，所述轧机具有一个或多个冷却元件，所述冷却元件将轧机中所述管材的温度降低至低于Ar3转变点，优选降低至低于Ar3转变点的大约30°。以这种方式能够增强冷却效果。由此根据这种实施例已经降低了轧机中的工作温度或者说轧制温度，从而应用比通常普通更低的最终轧制温度。
从以下对优选的实施例的描述中可以看出本发明的其他优点和特征。在那里描述的特征可以单独地实施或与上述特征中的一个或多个结合实施，只要这些特征彼此不矛盾。下面参照附图对优选的实施例进行说明。
附图说明
图1是连续冷却段的根据一种实施方式的、具有附接的流体单元的喷嘴组件的示意性的横截面视图；
图2是图1所示的喷嘴组件的俯视图；
图3是连续冷却段的根据另一种实施方式的喷嘴组件的示意性的横截面视图；
图4示出了根据图3所示的、具有附接的流体单元的喷嘴组件的俯视图。
具体实施方式
接下来根据附图描述优选的实施例。其中相同的、类似的或者作用相同的元件在不同的附图中设有相同的附图标记，并且部分地省略了针对这些元件的重复描述，以避免赘述。
图1是连续冷却段的根据一种实施方式的、具有附接的流体单元20的喷嘴组件10的示意性的横截面视图。图2示出了喷嘴组件10的俯视图。
所述喷嘴组件10是冷却装置1的一部分，该冷却装置作为连续冷却段优选直接布置在用于轧制无缝管材R的轧机的下游。此处术语“直接”是指：所述管材R进入到所述连续冷却段中，而沿管材R的输送方向F(参见图2)看其在下游的端部处仍连接在轧机中。
所述管材R由金属、优选钢制成，其中尤其包括适合于使用在石油和天然气输送中的或者适用于建筑管材的高质量合金。
在图中并未示出以上提到的轧机，所述轧机优选是张力减径轧机或者定径轧机，其具有多个沿管材R的输送方向F前后依次布置的轧机机架。来自预制设备的母管在热轧状态中被送入到轧机中。送入温度例如处于900℃至1000℃之间的范围中。在从轧机中送出时，所述管材R优选具有超过820℃至840℃的温度。
所述喷嘴组件10具有一个或多个喷嘴臂11，所述喷嘴臂分别具有至少一个分配管12以及一个或多个与其相连的并且从其上延伸出来的喷枪13，所述喷枪分别带有一个或多个喷嘴14。经由流体系统为所述分配管12供给冷却介质K、优选水或水混合物，所述冷却介质紧接着经由喷枪13流动到喷嘴14处并且从这里释放或者说喷射到管材R上。
所述喷嘴臂11能够利用其分配管12和喷枪13布置在一平面中，该平面被称为“喷射平面”S。在本实施例中，每个喷射平面S例如具有两个喷嘴臂11，每个喷嘴臂各带有一个分配管12和五个与其相连的喷枪13。但是关于这方面并没有限制。
更确切地说，可以自由选择喷嘴臂11、喷枪13以及喷嘴14的数量和布置方式，只要确保均匀地冷却所述管材R，并且正如以下进一步描述的那样，所述喷嘴组件10不包括封闭环状的结构。
在图2的截取区段中仅示出了两个喷射平面S。当然在正常情况下，沿着管材S的输送路径布置的喷射平面S的数量更多，以便发挥充分的冷却效果。冷却段，也就是输送路径的、在其中向管材R施加冷却介质K的那一段，可以按照喷嘴14的数量、位置和取向、冷却介质K的流量等等相对较短地伸展，例如总计8至16米。
可以设计所述喷嘴组件10，从而使得所述喷射平面S或者其一部分沿着输送方向F是可调节的。为此目的，所述喷嘴臂11或者其一部分能够可移动地得到支承。替代地或者附加地，所述喷枪13或者其一部分能够可枢转地布置，方式为例如相应的喷嘴臂11围绕其自身的轴线可转动地得到支承。此外，所述喷嘴组件10并不一定需要构造多个明确限定的喷射平面。于是，带有其喷嘴14的喷枪13例如能够如此定位和/或取向，从而沿输送方向F看基本上向所述管材R均匀地施加冷却介质K。
多个分配管12可以组合成各一个流体单元20，所述流体单元由一共同的泵21操作和/或由一共同的阀系统切换。
根据图1和图2所示的实施例，所述分配管12在所述管材R的横截面中输送冷却介质K。替代地，也可以沿着管材纵轴线(相当于输送方向F)输送所述冷却介质K，正如在图3和图4中所示出的实施例那样。当然，也能够以其他方式布置所述分配管12，只要保证如下所阐述的入口Z。
对此已知指出的是，所述喷嘴组件10不包括封闭环状的结构。更确切地说，所述喷嘴臂11至少在一侧构造为敞开的，以便在出现故障(事故)的情况下能够将管材R沿径向方向、优选向上从冷却段中取出。换句话说，所述喷嘴组件10沿着输送方向F保留无阻碍的缝隙或者入口Z，如有必要，能经由所述缝隙或者入口移除所述管材R。在所述入口Z的区域中的工作空间不受管路、管材或者诸如此类的阻碍。所述入口Z的尺寸大于所述管材R的直径，以确保无阻碍地从冷却段中移除所述管材R。
因此形成一冷却段，该冷却段一方面足够短，以便能够处理还未断开的、例如长达100米的管线，并且另一方面例如在出现故障的情况下能容易地从所述冷却段中移除所述管材R，尤其是不必事先在喷射平面S处将该冷却段切断。
尽管省略了同心的分配环，为了确保沿着管圆周均匀地冷却，可以设计、布置并且对准所述喷嘴14，从而使得喷射出的冷却介质K的量沿着管圆周基本上是恒定的。换句话说，可以调节每个喷嘴14的冷却介质K的流量和喷射方向，从而实现或者至少近似实现对称的和同心的冷却。在笔直的分配管12的情况下，正如在图1中所示的那样，为了该目的在边缘部分处的喷枪13可以比在相应分配管12的中间的喷枪更长地构造，由此所述喷嘴14至少大约位于假想的分度环上。
这里所阐述的冷却装置1适合于将管材R冷却到大约450℃至600℃的最终温度，由此可以实现特别精细的晶粒结构。紧接在通过所述冷却装置1进行冷却之后，所述管材R可以通过空气对流进一步冷却至室温。
结合前置的轧制区段，母管优选首先冷却至低于Ar1转变点的温度，并且接下来再加热至轧制温度。然后所述管材R在轧机被轧制并且被转移或者说运送到冷却装置1处，以进行随后的快速冷却。
根据一种有利的实施例，所述冷却段被划分成多个区段，其中，用于例如具有超过10bar的压力的高压喷射的喷嘴组件10设置在第一区段中，并且在沿着输送方向F接下来的区段中设置用于更低的压力的喷嘴组件。于是在高压区域中可以实现超过10000W/(m2K)的导热系数。
替代地或者附加地，可以根据产品和/或基于测量值、经验值和/或过程模型实现针对冷却介质K的压力值和/或流量值的、沿输送方向F看局部的或者近似连续的调节。
所述冷却装置1可以用于不连续的运行，方式为喷嘴臂11例如可以根据前管端部的经过而接通并且随着后管端部的经过而断开，由此可以避免冷却介质K进入到所述管材R中。为了该目的，一个或多个用于识别管端部的传感器可以布置在所述冷却段的内部或者下游。
优选地，所述冷却段完全地或者局部地位于外壳中，以避免冷却介质K对环境的污染，尤其是减少环境的喷射水负荷和水蒸汽负荷。为了类似的目的可以使用压缩空气消除器，以防止冷却介质K进入到特别危险的装置中，比如像辐射测量的壁厚测量点或者冷却段的上游和/或下游的其余测量点。
所述管材R的沿着冷却段的输送方向F可以倾斜(上升或者下降)，由此可以缩短在从轧机过渡到任意的冷却床时的结构空间。附加地或者替代地，所述冷却段可以集成到通向冷却床的过渡区域中。因为喷射腔由于入口Z的缘故而并非封闭的，所以可以从冷却段中取出所述管材R并且转送到冷却床中。
这里所阐述的冷却装置1此外适合于与轧机中的附加冷却元件组合，以便增强冷却效果。根据一种实施例，降低了轧机中的工作温度或者说轧制温度，从而应用比通常普通更低的最终轧制温度。于是在轧机中可以实现将所述管材R过冷却到低于Ar3转变点的、大约30℃的温度。
只要在适用的范围内，在实施例中所阐述的所有单独特征可以在不脱离本发明的范围的情况下彼此组合和/或替换。
附图标记列表
1 冷却装置
10 喷嘴组件
11 喷嘴臂
12 分配管
13 喷枪
14 喷嘴
20 流体单元
21 泵
R 管材
F 输送方向
K 冷却介质
S 喷射平面
Z 入口
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