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Verfahren zum Kühlen eines heissen Körpers und Kühlmittel-Sprühdüse zur Durchführung des
Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines heissen Körpers, insbesondere eines Metallstranges, durch Besprühen mit einem aus einer Kühlmittel-Sprühdüse austretenden und von einem Fluid gebildeten Kühlmittelstrahl sowie eine Kühlmittel-Sprühdüse zur Durchführung des Verfahrens und eine Stranggiessanlage, bei der das Verfahren bevorzugt zur Anwendung gelangt
Zum Kühlen heisser Körper sind Spritzkühlungen bekannt, bei denen ein Fluid mit einem Druck zwischen 1 bis 8 bar auf den heissen Körper mittels Einstoffdüsen gesprüht wird. Der Nachteil solcher Einstoffdüsen liegt darin, dass der Mengenregelbereich für das zur Kühlung eingesetzte Fluid nur gering ist. Es lässt sich die Menge in einem Bereich von ca. 1 : einstellen.
Versucht man die Menge des Kühlfluids weiter herunterzuregeln, bricht das Spritzbild der Düse zusammen, und es kommt zu einem undefinierten Herausrinnen des Kühlfluids aus der Düse, und damit zu einer äusserst ungleichmässigen Kühlwirkung auf dem heissen Körper.
Das Problem des genauen Regelns der auf einen heissen Körper aufgebrachten Kühlmittelmenge stellt sich insbesondere beim Stranggiessen von Metallen, insbesondere beim Stranggiessen von Stahlsträngen, u.zw. nach dem Austritt des Stranges aus der Stranggiesskokille.
Ab dem Austritt aus der Kokille muss der Strang gezielt, d. h. genau geregelt, mit Kühlmittel besprüht werden, um die Wärme entsprechend der fortschreitenden Erstarrung abzuführen Beim Stahlstranggiessen ist es erforderlich, die Strangschale auf Temperaturen unter etwa 1050 C zu kühlen, so dass sie eine ausreichende Festigkeit gegen "Bulging", d. h. gegen ein durch den flüssigen Kern im Inneren verursachtes Ausbauchen zwischen den den Strang stützenden Stützeinrichtungen, wie z. B. Stützrollen etc., aufweist. Hierbei handelt es sich um eine sogenannte metallurgische Sekundärkühlung, deren Länge je nach Strangdicke und Giessgeschwindigkeit 15 m und mehr betragen kann. Üblicherweise erfolgt die Sekundärkühlung in mehreren hintereinander angeordneten Sekundärkühlzonen, wobei die genaue Kühlmittel-Mengenregelung für die Strangqualität von besonderer Bedeutung ist.
Je feiner die Regelung ist, d. h je grösser die Zahl der Sekundärzonen und der Regelbereich und je genauer die Sprühverteilung sind, desto besser ist es für die Strangqualität.
Um die Nachteile von konventionellen Einstoffdüsen zu vermeiden, ist man dazu übergegangen Zweistoffdüsen (bekannt aus der DE-B - 24 44 613) einzusetzen, die einen wesentlich weiteren Mengen-Regelbereich aufweisen, nämlich einen Regelbereich von bis zu ca. 1 : 8. Bei den Zweistoffdüsen wird das Fluid den Düsen gemeinsam mit Druckluft zugeführt, wobei jedoch grosse Druckluftmengen benötigt werden. Hierdurch werden sehr hohe Betriebskosten verursacht, und es sind auch hohe Investitionskosten erforderlich, da Druckluftkompressoren für grosse Druckluftmengen sehr teuer sind. Zudem sind die Zweistoffdüsen ebenfalls aufwendig, und sie erfordern auch eine spezielle Verrohrung. Hierzu kommen noch Investionskosten für Regelventile und die dafür erforderliche Elektrik.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem lediglich ein Kühlmedium zur Anwendung gelangt, d. h. keine Druckluft erforderlich ist, und das trotzdem einen sehr weiten Mengen-Regelbereich von beispielsweise 1:10 oder mehr gestattet. Es soll eine gezielte Kühlung des heissen Körpers möglich sein. Insbesondere sollen Betriebs- und Investitionskosten bei Anwendung des Verfahrens in einer Stranggiessanlage erheblich gesenkt werden können, und trotzdem soll eine ausgezeichnete Strangqualität sichergestellt sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass unter Bildung eines intermittierenden Kühlmittelstrahles der Kühlmittelstrahl unmittelbar an seiner Entstehungsstelle, d. h. an der Austrittsstelle des Fluids aus der Kühlmittel-Sprühdüse, in kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgend kurzzeitig unterbrochen wird. Dadurch, dass der Kühlmittelstrahl unmittelbar an seiner Austrittsstelle unterbrochen wird, gelingt es, ein Ausrinnen von Fluid während der Zeit der Unterbrechung zu vermeiden. Es kommt somit nicht zu einem Zusammenbrechen des Kühlmittelstrahles, sondern dieser wird abrupt unterbrochen, wobei nach Ende der Unterbrechung der Kühlmittelstrahl wiederum voll wirksam ist.
Durch Wahl der zugeführten Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit und Einstellung einer bestimmten Frequenz der Unterbrechung lässt sich ein sehr weiter Regelbereich für die Kühlmittelmenge einstellen.
Eine bevorzugte Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Ventilkopf einer Kühlmittel-Sprühdüse ständig eine den Ventilkopf in Schliessposition drückende Schliesskraft einwirken gelassen wird und der Druck des Kühlmittels der Schliesskraft entgegenwirken gelassen
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wird, wobei die vom Kühlmittel am Ventilkopf bei dessen Schliessposition einwirkende Kraft die Schliesskraft übersteigt.
Vorzugsweise wird die Frequenz der Unterbrechungen in einem Bereich bis zu 2000 Hz eingestellt, wobei zum Kühlen eines in einer Stranggiessanlage gegossenen Stahlstranges wegen der gewünschten grossen Kühlmittelmenge die Frequenz der Unterbrechungen zweckmässig zwischen 20 und 500 Hz eingestellt wird.
Hierbei liegt vorzugsweise die Kühlmittelmenge des einer Kühlmittel-Sprühdüse zugeleiteten Kühlmittels in einem Bereich zwischen 1 bis 40 Ilmin.
Die Kühlmittel-Sprühdüsen arbeiten besonders effizient, wenn sie mit einem Druck zwischen 2 bis 20 bar, vorzugsweise zwischen 3 bis 7 bar, beaufschlagt werden.
Vorzugsweise sind zur Kühlung des heissen Körpers mehrere Kühlmittelstrahlen vorgesehen, und werden die Kühlmittelstrahlen mit unterschiedlichen Kühlmittelmengen je Zeiteinheit gebildet.
Eine bevorzugte Variante zur Kühlung eines Metallstranges in einer Stranggiessanlage, insbesondere eines Stahlstranges, ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Kühlmittelstrahlen zu Gruppen zusammengefasst sind, wobei die Kühlmittelstrahlen jeweils einer Gruppe mit untereinander gleichen Kühlmittelmengen pro Zeiteinheit gebildet werden, von Gruppe zu Gruppe jedoch unterschiedliche Kühlmittelmengen pro Zeiteinheit einstellbar sind
Eine Kühlmittel-Sprühdüse zur Durchführung des Verfahrens mit einem Düsenkörper und einer Düsenöffnung ist gekennzeichnet durch einen an der Düsenöffnung bewegbar angeordneten Ventilkopf, der in rascher Folge von einer die Düsenöffnung freigebenden ersten Position in eine die Düsenöffnung verschliessende zweite Position und retour bewegbar ist,
wobei zweckmässig der Ventilkopfmittels Federkraft in die die Düsenöffnung verschliessende Position bringbar ist.
Aus dem Stand der Technik sind Düsen, bei denen der Kühlmittelstrahl unmittelbar an seiner Entstehungsstelle kurzzeitig, u. zw. in rascher Folge hintereinander unterbrechbar ist, bekannt, u. zw. unter dem Namen "Schnarrventile" (Bosch, "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch"). Solche Schnarrventile werden für Benzineinspritzungen im Verbrennungsmotorenbau eingesetzt, also zur Lösung einer ganz anderen Aufgabe und für ganz andere Fluid-Mengen, als sie für die Kühlung eines heissen Körpers, insbesondere eines stranggegossenen Metallstranges, wie eines Stahlstranges, erforderlich sind.
Zweckmässig ist als Feder zur Erzeugung der Federkraft eine Stahlfeder, insbesondere eine Schraubenfeder, vorgesehen.
Vorteilhaft ist erfindungsgemäss als Feder zur Erzeugung der Federkraft eine Membran vorgesehen, an der der Ventilkopf befestigt und mit der der Ventilkopf geführt ist.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist vorteilhaft als Feder zur Erzeugung der Federkraft eine Gummifeder, vorzugsweise eine Gummimembran, vorgesehen.
Zur Erzielung eines fächerartigen Kühlmittelstrahles sind die Düsenöffnung schlitzförmig und der Ventilkopf korrespondierend hierzu linear ausgebildet.
Eine besonders einfache Ausführungsform einer Kühlmittelsprühdüse ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkopf in dem Düsenkörper schiebbar geführt ist
Zur Erzeugung eines fächerartigen Kühlmittelstrahles ist vorteilhart der Ventilkopf im Düsenkörper schwenkbar gelagert.
Eine Anlage mit einer Kühlmittel-Sprühdüse ist dadurch gekennzeichnet, dass eine das Kühlmittel unter Druck setzende Einrichtung vorgesehen ist, wobei der Ventilkopf in seiner die Düsenöffnung verschliessenden Position einer vom Kühlmittel bewirkten resultierenden Kraft ausgesetzt ist, die der den Ventilkopf in Schliessposition bewegenden Federkraft entgegenwirkt und grösser ist als die Federkraft.
Eine Stranggiessanlage mit erfindungsgemässen Kühlmittel-Sprühdüsen ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung der Kühlmittel-Sprühdüsen mit einem Fluid die Kühlmittel-Sprühdüsen an Zuführungsleitungen angeschlossen sind, wobei jeweils mehrere Kühlmittel-Sprühdüsen zu einer Gruppe zusammengefasst über die Zuführungsleitungen an eine Kühlmittel-Hauptleitung angeschlossen sind, und dass in jeder Kühlmittel-Hauptleitung ein Mengenregelventil zur Einstellung der Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit vorgesehen ist
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei die Fig.
1 bis 6 jeweils eine Kühlmittel-Sprühdüse erfindungsgemässer Bauart im Schnitt zeigen Fig 7 veranschaulicht den weiten Regelbereich des erfindungsgemässen Verfahrens in Diagrammform und in Gegenüberstellung zum Regelbereich von konventionellen Einstoffdüsen Fig 8 stellt eine Stranggiessanlage in schematischer Darstellung mit den erfindungsgemäss gestalteten Kühlmittel-Sprühdüsen dar.
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Fig. 1 zeigt einen Düsenkörper 1, der unter Zwischenschaltung einer Dichtung 2 an eine Zuführungsleitung 3, durch die ein als Kühlmittel dienendes Fluid in Richtung der Pfeile 4 zugeführt wird, angeschlossen ist, beispielsweise mittels eines Gewindes 5 an der Zuführungsleitung 3 befestigt ist. Eine Düsenöffnung 6 ist mit einem tellerförmigen Ventilkopf 7 verschliessbar, wobei in Fig. 1 die geschlossene Stellung dargestellt ist. Der Ventilkopf 7 ist mittels einer Ventilstange 8 an einem im Inneren des Düsenkörpers 1 angeordneten Widerlager 9 verschiebbar geführt, wobei sich die Verschieberichtung in Längsachsrichtung des Düsenkörpers 1 erstreckt. Die Ventilstange 8 durchsetzt das Widerlager 9 und ist am freien Ende mittels aufgeschraubter Muttern 10 od. dgl. gegen ein Herausfallen aus dem Widerlager 9 gesichert.
Zwischen dem Widerlager 9 und dem vorderen Ende des Düsenkörpers 1, d. h. einem am vorderen Ende des Düsenkörpers 1 sich nach innen erstreckenden Ringwulst 11, der die Düsenöffnung 6 begrenzt, ist eine vorgespannte Feder 12 vorgesehen, d. h die Feder 12, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Schraubenfeder ausgebildet ist, steht unter Spannung, wenn der Ventilkopf 7 die Düsenöffnung 6 verschliesst. Sowohl die Düsenöffnung 6 als auch der Ventilkopf 7 können kreisförmigen Querschnitt aufweisen oder auch eine andere Form haben, je nach gewünschter Sprühcharakteristik des Sprühstrahls, der durch die Pfeile 13 veranschaulicht ist.
In den Fig. 2 bis 6 ist jeweils in geschnittener Schrägansicht eine Kühlmittel-Sprühdüse veranschaulicht, die alle mit schlitzartigen Düsenöffnungen 6 versehen sind, die jeweils von einem hierzu korrespondierend gestalteten, sich linear erstreckenden Ventilkopf 7 verschliessbar sind.
Gemäss Fig. 2 ist der Ventilkopf 7 im Querschnitt L-förmig gestaltet, wobei er mit einem Schenkel 7' des L gegen eine Seitenwand 6' der Düsenöffnung 6 mittels Federkraft, im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Schraubenfedern 12, pressbar ist. Der andere Schenkel 7" des L ist an einer im Inneren des Düsenkörpers 1 angeordneten Konsole 14 schwenkbar befestigt. Die Schraubenfedern 12 stehen auch hier in geschlossenem Zustand der Düsenöffnung 6 unter Vorspannung, so dass zunächst bei keinem oder nur geringem Druck des Kühlmediums die Düsenöffnung 6 durch Anliegen des Ventilkopfes 7 an der Wand 6' der Düsenöffnung 6 geschlossen ist.
Gemäss der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist ebenfalls ein linear gestalteter Ventilkopf 7 über L-förmige Hebel 15 schwenkbar am Düsenkörper 1 angelenkt, u. zw. mittels eines Schenkels 15' des L-förmigen Hebels 15, wobei der andere Schenkel 15" des L-förmigen Hebels 15 mit einer Federkraft beaufschlagt wird, beispielsweise mittels Schraubenfedem 12 oder mittels einer Gummimembran 16. Diese Ausführungsform mit Gummimembran ist in Fig. 3 mit strichlierten Linien veranschaulicht.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Kühlmittel-Sprühdüse ist folgende:
Durch die auf den Ventilkopf 7 wirkende Federkraft ist die Düsenöffnung 6 mittels des Ventilkopfes 7 zunächst geschlossen. Durch den ankommenden Kühlmittelstrom, der in Richtung der in den Fig. 1 bis 3 eingezeichneten Pfeile 4 strömt, baut sich ein Druck auf, der schliesslich so hoch wird, dass er gegen die vorgespannten Federn 12, d. h. bei Überschreiten einer gewissen Höhe, den Ventilkopf 7 von der Düsenöffnung 6 drängt, d. h. die Düsenöffnung 6 wird frei und es bildet sich ein Kühlmittelstrahl 13. Es kommt also zum Ausströmen einer gewissen Menge an Kühlmittel. Dies geht so lange vor sich, bis der Druck des Kühlmittels wieder so weit gefallen ist, dass die Federkraft den Ventilkopf 7 wieder gegen die Düsenöffnung 6 bewegt, so dass die Düsenöffnung 6 wiederum verschlossen ist.
Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch mit hoher Frequenz, u. zw. in Abhängigkeit von der Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Kühlmittels. Die Kühlmittel-Sprühdüse arbeitet vollautomatisch ; ist weder ein Magnetventil noch irgendeine Steuerleitung zur Kühlmittel-Sprühdüse erforderlich.
Die Vorteile einer solchen Kühlmittel-Sprühdüse sind darin zu sehen, dass ein sehr weiter Regelbereich von etwa 1:10 und mehr erreichbar ist, u. zw. ohne die Verwendung von Druckluft, wie sie beispielsweise bei Zweistoffdüsen zur Erzielung eines ähnlichen Regelbereiches erforderlich ist.
Der weite Regelbereich für die Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit ist in den Fig. 7A, 7B in Diagrammform veranschaulicht, u.zw. im jeweils rechten Teil der Figuren. Im linken Teil jeder der Fig. 7A, 7B ist der Regelbereich für eine herkömmliche Einstoffdüse gezeigt. Dieser liegt bei etwa 1 : 3, für die erfindungsgemässe Kühlmittel-Sprühdüse hingegen, wie oben erwähnt, bei 1.10 und mehr.
Durch den Ventilkopf 7 ist ein plötzliches komplettes Schliessen der Düsenöffnung 6 sichergestellt, so dass ein Nachlaufen von Kühlmittel vermieden wird.
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Weiters sind die erfindungsgemässen Kühlmittel-Sprühdüsen einfach herzustellen; es handelt sich um eine billige Bauart von Kühlmittel-Sprühdüsen.
Fig. 8 veranschaulicht eine Stranggiessanlage in schematischer Darstellung. In eine Durchlaufkokille 17 wird flüssiger Stahl 18 einströmen gelassen. In dieser bildet sich ein Strang 19 mit einem flüssigen Kern 20, der von einer zunächst noch sehr dünnen Strangschale 21 umgeben ist. Unterhalb der Durchlaufkokille wird der Strang 1 beidseitig mittels Stützrollen 22 gestützt, wobei die Stützrollen 22 in Bogenform angeordnet sind und der Strang 19 über einen etwa Viertelkreisbogen in eine Horizontale geführt wird.
In der Horizontalen wird der Strang 19 ebenfalls mittels Stützrollen 22 gestützt, u.zw beidseitig solange im Inneren noch ein flüssiger Kern 20 vorhanden ist Die Länge des flüssigen Kerns 20 wird als metallurgische Länge 23 des Stranges 19 bezeichnet.
Die Stützung des Stranges 19 mittels Stützrollen 22 ist erforderlich, um ein Ausbauchen der sehr heissen, zunächst noch dünnen und allmählich dicker werdenden Strangschale 21 zu vermeiden. Um ein kontinuierlich starkes Wachstum der Strangschale 21 und auch ein Ausbauchen des Stranges zwischen den Stützrollen 22 zu verhindern, ist es weiters erforderlich, den Strang effizient zu kühlen, wobei jedoch eine zu langsame und auch eine zu schnelle Wärmeabfuhr vermieden werden müssen.
Es kommt daher auf eine genaue Regelungsmöglichkeit an, d. h es ist erforderlich, die Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit, die auf die Strangschale 21 auftrifft, genau zu dosieren, u. zw. in Abhängigkeit von der Strangschalendicke, der Temperatur im Kern etc
Zu diesem Zweck sind zwischen den Strangführungsrollen 22 die erfindungsgemäss ausgebildeten Kühlmittel-Sprühdüsen vorgesehen, wobei jeweils mehrere zu einer Gruppe A, B, C,... zusammengefasst sind, und jede dieser Gruppen A, B, C... mit einer bestimmten Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit beaufschlagt wird. Dies geschieht durch Mengenregelventile 24, die in Kühlmittel-Hauptleitungen 25, von denen mindestens eine je Gruppe A, B, C, . vorhanden ist, vorgesehen sind.
In Fliessrichtung des Kühlmittels nach dem Mengenregelventil 24 wird das Kühlmittel über einzelne Zuführungsleitungen 3, von denen jeweils eine zu einer Kühlmittel- Sprühdüse führt, weitergeleitet. Eine Einrichtung zum Erzeugen des erforderlichen Kühlmitteldrucks ist mit 26 bezeichnet ; handelt sich beispielsweise um eine Kolbenpumpe mit Speicher.
Gemäss der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform einer Kühlmittel-Sprühdüse ist die der Düsenöffnung 6 liegende Vis-a-vis-Seite von einer Membran 27 gebildet, wie z. B. von einer Gummimembran oder einer Metallmembran, welche Membran 27 den Düsenkörper 1 abschliesst Die Membran 27 ist mit dem Düsenkörper 1 und auch mit dem Ventilkopf 7 mit Schrauben verbunden, so dass der Ventilkopf 7 durch die Membran eine Vertikalführung in Richtung des Doppelpfeils 28 erfährt. Damit der Ventilkopf 7 von beiden Seiten mit Kühlmittel beaufschlagt werden kann, weist er mindestens eine Durchgangsöffnung 29 auf.
Gemäss der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der Ventilkopf 7 als Kolben ausgebildet, an dessen Rückseiten eine Schraubenfeder 30 angreift Diese Schraubenfeder 30 ist an der Rückwand 31 der Kühlmittel-Sprühdüse, die in diesem Fall einen hutförmigen Querschnitt aufweist, abgestützt. Um ein Eindringen von Kühlmittel zwischen dem an der Schraubenfeder abgestützten Ende des Ventilkopfs 7 und der Rückwand 31 zu verhindern, sind Dichtungen 32 vorgesehen
Die in Fig. 6 dargestellte Variante zeigt einen sich linear erstreckenden Ventilkopf 7 zur Erzeugung eines Flachstrahles, wobei der Ventilkopf 7 analog zur in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform beweglich am Düsenkörper 1 abgestützt ist, allerdings mit zwei oder mehreren Ventilstangen 8 und Schraubenfedem 12.