DE102017104550A1

DE102017104550A1 - Einrichtung und Verfahren zum Abkühlen eines Flacherzeugnisses

Info

Publication number: DE102017104550A1
Application number: DE102017104550.3A
Authority: DE
Inventors: Bora Özkan; Dominikus Schröder
Original assignee: LOI Thermprocess GmbH
Current assignee: LOI Thermprocess GmbH
Priority date: 2017-03-04
Filing date: 2017-03-04
Publication date: 2018-09-06
Also published as: ES2824757T3; PL3370025T3; EP3370025B1; EP3370025A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abkühlen eines Flacherzeugnisses, insbesondere eines platten- oder bahnförmigen Bleches aus Stahl, mit Transportmitteln (5, 5') zum kontinuierlichen Transport des Flacherzeugnisses (1) in Durchlaufrichtung (D),mit mindestens einem oberen Düsenkörper (2), der mindestens eine erste Düsenaustrittsöffnung (3) zum Beaufschlagen der Oberseite (4) des Flacherzeugnisses (1) über dessen Breite mit einem flüssigen Kühlmittel (8) aufweist, mit mindestens einem unteren Düsenkörper (2'), der mindestens eine zweite Düsenaustrittsöffnung (3') zum Beaufschlagen der Unterseite (9) des Flacherzeugnisses (1) über dessen Breite mit dem flüssigen Kühlmittel (8) aufweist. Erfindungsgemäß erstreckt sich ein oberer Durchtrittsspalt (7) über die Breite des Flacherzeugnisses (1). Der Durchtrittsspalt ist von dem Kühlmittel (8) auf der Oberseite (4) des Flacherzeugnisses (1) in Durchlaufrichtung (D) durchströmbar, wobei der obere Durchtrittsspalt (7) von einem oberen Element (6) begrenzt wird. Ein unterer Durchtrittsspalt (7') erstreckt sich über die Breite des Flacherzeugnisses (1) und ist von dem Kühlmittel (8) auf der Unterseite (9) des Flacherzeugnisses (1) in Durchlaufrichtung (D) durchströmbar, wobei der untere Durchtrittsspalt (7) von einem unteren Element (6) begrenzt wird. Der obere Durchtrittsspalt (7) ist der ersten Düsenaustrittsöffnung (3) auf der Oberseite (4) und der untere Durchtrittsspalt (7') der zweiten Düsenaustrittsöffnung (3') auf der Unterseite (9) in Durchlaufrichtung (D) nachgeordnet. Mittels des oberen und des unteren Durchtrittsspaltes (7, 7') wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberseite (4) und Unterseite (9) des Flacherzeugnisses (1) erhöht und über die Breite des Flacherzeugnisses vergleichmäßigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abkühlen eines Flacherzeugnisses, insbesondere eines platten- oder bahnförmigen Bleches aus Stahl, mit Transportmitteln zum kontinuierlichen Transport des Flacherzeugnisses in Durchlaufrichtung, mit mindestens einem oberen Düsenkörper, der mindestens eine erste Düsenaustrittsöffnung zum Beaufschlagen der Oberseite des Flacherzeugnisses über dessen Breite mit einem flüssigen Kühlmittel aufweist und mit mindestens einem unteren Düsenkörper, der mindestens eine zweite Düsenaustrittsöffnung zum Beaufschlagen der Unterseite des Flacherzeugnisses über dessen Breite mit dem flüssigen Kühlmittel aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abkühlen eines Flacherzeugnisses, insbesondere eines platten- oder bahnförmigen Bleches aus Stahl, wobei das Flacherzeugnis mit Transportmitteln kontinuierlich in Durchlaufrichtung transportiert wird, mit den Schritten:

- Aufbringen eines flüssigen Kühlmittels auf die Oberseite des Flacherzeugnisses über dessen Breite mittels mindestens einem oberen Düsenkörper, der mindestens eine erste Düsenaustrittsöffnung aufweist,
- Aufbringen eines flüssigen Kühlmittels auf die Unterseite des Flacherzeugnisses über dessen Breite mittels mindestens einem unteren Düsenkörper, der mindestens eine zweite Düsenaustrittsöffnung aufweist.

Die Flacherzeugnisse können aus verschiedenen Materialien bestehen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Wärmebehandlung von Flacherzeugnissen, insbesondere Stahl-Grobblechen, die beispielsweise zur Herstellung von Kränen eingesetzt werden. Die Grobbleche werden zur Wärmebehandlung, insbesondere zum Härten in Wärmebehandlungsanlagen in einem Industrieofen erhitzt und anschließend im Durchlaufverfahren abgekühlt bzw. abgeschreckt. Durch Abkühlen bzw. Abschrecken von erhitztem Stahl lassen sich dessen mechanische Eigenschaften, wie insbesondere Härte oder Zugfestigkeit, gezielt verändern.
Während des Abkühlprozesses wird das erhitzte Blech mittels Transportmitteln, die in der Regel als obere und untere Transportrollen ausgebildet sind, kontinuierlich in Durchlaufrichtung durch die Einrichtung zum Abkühlen transportiert. Das Blech läuft zwischen den oberen und unteren Transportrollen, die paarweise in Durchlaufrichtung beabstandet voneinander angeordnet sind.
Grobbleche haben üblicherweise eine Dicke von 2mm bis 250mm. Die Bleche, die zunächst auf Austenitisierungstemperatur, typischerweise auf 800°C bis 950°C, erwärmt bzw. erhitzt wurden, werden im Durchlaufverfahren mit einem Kühlmedium, in der Regel Wasser, mittels Vollstrahldüsen sehr schnell abgekühlt, um ein martensitisches oder bainitisches Gefüge zu erzeugen.
Beim Abkühlvorgang muss sowohl die Oberseite als auch die Unterseite der Bleche auf gleiche Art und Weise gleichmäßig abgekühlt bzw. abgeschreckt werden. Der Verlauf der Abkühlung an der Blechoberseite muss deckungsgleich mit dem Verlauf der Abkühlung der Unterseite sein, weil ansonsten innere Spannungen auftreten, die in der Regel zu einem Verziehen der Bleche führen.
Zur schnellen Abkühlung mit großen Durchsätzen an Kühlmittel, in der Regel Wasser, werden Vollstahldüsen, in der Regel Düsenkörper mit einer schlitzförmigen Düsenöffnung verwendet. Derartige Düsen werden auch Schlitzdüsen genannt. Das flüssige Kühlmittel tritt als flacher Vollstrahl aus, d. h. die Auftrefffläche des Kühlmittelstrahls auf der Oberfläche des Flacherzeugnisses ist im Wesentlichen rechteckig und verläuft quer zur Durchlaufrichtung. Die Düsenaustrittsöffnung kann sich über die gesamte Breite des Bleches erstrecken. Aus der Praxis ist bekannt, drei über die Breite des Bleches in Reihe nebeneinander angeordnete Düsenaustrittsöffnungen zu verwenden, um die Blechränder gezielter abkühlen zu können.
Eine Vorrichtung zum Abkühlen von platten- oder bahnförmigem Blech aus Stahl mittels eines flachen Vollstrahls, der auf das zu kühlende Flacherzeugnis gerichtet ist, ist beispielsweise aus der EP1420912 B1 bekannt. Ein Düsenkörper weist einen Anschluss zum Einleiten eines flüssigen Kühlmittels in eine Düsenaustrittsöffnung auf, aus der das Kühlmedium austritt. Die Düsenaustrittsöffnung wird zwischen planparallelen Flächen gebildet. Der Düsenkörper ist in seinem Inneren derart gestaltet, dass das Kühlmedium nicht vertikal auf das Blech auftritt, sondern schräg unter einem Anströmwinkel. Der Offenbarungsgehalt der EP1420912 B1 , insbesondere die Konstruktion der Vorrichtung, wird ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der Erfindung einbezogen.
Um zu gewährleisten, dass sich kein Wasserdampf-Film zwischen dem sehr heißen Blech und dem nachströmenden Wasser ausbilden kann, muss das Kühlmittel, in der Regel Wasser, mit einem hohen Austrittsimpuls auf das abzuschreckende Blech einwirken. Daher steht das Wasser unter erhöhtem Druck. Ein Wasserdampf-Film würde den direkten Kontakt der Blechoberfläche mit dem Wasser verhindern und die Abschreckgeschwindigkeiten deutlich reduzieren.
Zur Abschreckung von Grobblechen aus Stahl im Durchlaufverfahren werden hohe Durchsätze an Kühlwasser benötigt. Das Kühlwasser muss nach dem Auftreffen auf der Blech-Oberseite und der Blech-Unterseite von der Oberseite und der Unterseite des Bleches abgeführt werden.
Aus der Praxis ist bekannt, bei Einrichtungen zum Kühlen von Grobblechen stromab der Auftreffstelle des Kühlwassers in Durchlaufrichtung eine Rolle vorzusehen, die als Scheibenrolle oder Spiralrolle ausgebildet sein kann, um das Kühlwasser abzuführen. Aus der DE 22 45 390 A1 ist eine Einrichtung zum Abschrecken von heißen Metallplatten bekannt, bei der eine Rolle mit Spiralen zum Abführen des Kühlwassers eingesetzt wird.
Die bekannten Rollen dienen neben dem Abführen des Kühlwassers auch dem Transport und/oder der Halterung des Flacherzeugnisses in einer Ebene und liegen daher auf dem Flacherzeugnis auf und greifen an dessen Oberseite und Unterseite an. Mit den bekannten Rollen wird in der Regel Druck auf das Blech ausgeübt, d. h. es werden Kräfte auf das Blech übertragen, insbesondere um ein Verziehen des Bleches zu vermeiden. Die bekannten Rollen weisen zwischen den Scheiben oder den Spiralen Durchtrittsquerschnitte für das Kühlwasser auf, um das Kühlwasser, welches sich stromauf der Rolle staut, in Durchlaufrichtung mittels Scheiben oder mittels Spiralen schräg nach außen über die Längskanten des Bleches abzuführen. Die zwischen den Scheiben oder Spiralen gebildeten Durchtrittsquerschnitte für das Kühlwasser sind großflächig, um große Mengen an Kühlwasser in kürzester Zeit abtransportieren zu können.
Die beim Abkühlen erzielte Qualität, d. h. die Gleichmäßigkeit, mit der die gewünschten Eigenschaften erreicht werden, wird entscheidend dadurch bestimmt, wie zeitlich exakt und räumlich gleichmäßig die Wärme aus dem Flacherzeugnis abgeführt wird. Kleine Abweichungen vom idealen Abschreckvorgang können zu erheblichen Schwankungen der mechanischen Eigenschaften des abgeschreckten Materials, insbesondere von Stahl, führen.
Versuche haben gezeigt, dass in den freien Durchtrittsquerschnitten zwischen den Scheiben oder Spiralen das Kühlwasser mit einem geringen Strömungswiderstand fließt. Dadurch wird ein großes Volumen abgefördert, bei einer gleichzeitig relativ geringen Strömungsgeschwindigkeit in unmittelbarer Nähe der Blechoberfläche, so dass die Abschreckwirkung nicht optimal ist.
Nachteilig ist weiterhin, dass der Einsatz der bekannten Scheibenrollen bläuliche Streifen oder Verfärbungen auf der Oberseite und der Unterseite des Bleches zur Folge hat, weil die Flächen, an denen die Rolle mit den Scheiben oder Rollen auf dem Blech angreifen, anders abgekühlt werden als die übrigen Flächen, so dass ungleiche Abkühlverhältnisse vorliegen. Die spiralförmig ausgeführten Rollen nach dem Stand der Technik führen zu V-förmigen Streifen oder Verfärbungen, die auch als Fischgrätenmuster (fishbone pattern) bekannt sind. Je nach Ausführung einer Spiralrolle kann in der Mitte des Bleches ein durchgängiger blauer Streifen entstehen.
Die bläulichen Verfärbungen auf der Oberfläche des Bleches entstehen infolge von Oxidation und sind nicht nur optisch nachteilig, was sich auf die Verkaufseigenschaften auswirkt, sondern haben auch den technologischen Nachteil, dass dort die Härte des Bleches aufgrund geringer Abkühlgeschwindigkeiten deutlich niedriger ausfällt als vorgesehen. Die Anforderungen an die Qualität von Blechen steigen ständig, so dass Härteunterschiede ein ernsthaftes Problem darstellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, eine Einrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass bei hoher Abkühlintensität Qualitätsprobleme, insbesondere Streifenbildung auf der Oberseite und der Unterseite des Flacherzeugnisses und/oder unterschiedliche Materialeigenschaften, insbesondere Härteunterschiede vermieden werden.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Einrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst.
Ein oberer Durchtrittsspalt erstreckt sich über die Breite des Flacherzeugnisses, vorzugsweise über die gesamten Breite des Flacherzeugnisses und ist von dem Kühlmittel auf der Oberseite des Flacherzeugnisses in Durchlaufrichtung durchströmbar. Ein unterer Durchtrittsspalt erstreckt sind über die Breite des Flacherzeugnisses, vorzugsweise über die gesamte Breite des Flacherzeugnisses und ist von dem Kühlmittel auf der Unterseite des Flacherzeugnisses in Durchlaufrichtung durchströmbar. Der obere Durchtrittsspalt ist der ersten Düsenaustrittsöffnung auf der Oberseite und der untere Durchtrittsspalt der zweiten Düsenaustrittsöffnung auf der Unterseite in Durchlaufrichtung nachgeordnet, wobei der Durchtrittsspalt jeweils von der Düsenaustrittsöffnung beabstandet ist.
Der obere Durchtrittsspalt wird von einem oberen Element und der untere Durchtrittsspalt wird von einem unteren Element begrenzt, welche sich quer zur Durchlaufrichtung des Flacherzeugnisses erstrecken. Das obere und das untere Element weisen zu dem Flacherzeugnis einen Abstand auf und begrenzen mit dem Flacherzeugnis den oberen und unteren Durchtrittsspalt für das Kühlmittel.
Im Auftreffbereich des aus der ersten und der zweiten Düsenaustrittsöffnung strömenden Kühlmittels bildet sich jeweils eine Abkühlzone mit hohem Wärmeübergang auf der Oberseite und der Unterseite aus. Beabstandet von dem Auftreffbereich werden auf der Oberseite und der Unterseite spaltförmige Durchtrittsspalte für das Kühlmittel gebildet, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels stromab der Auftreffstelle des Kühlmittels auf der Oberseite und Unterseite des Flacherzeugnisses zu erhöhen und zu vergleichmäßigen. Das obere und das untere Element greifen nicht an dem Flacherzeugnis an, so dass keine Kräfte auf das Flacherzeugnis übertragen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass flüssiges Kühlmittel, welches durch den Durchtrittsspalt parallel zu der heißen Oberfläche des Flacherzeugnisses beschleunigt wird und somit durch den Durchtrittsspalt mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit fließt, zu optimalen Abschreckbedingungen führt. Die Erfindung löst zugleich die Problematik der ungleichen Abkühlverhältnisse.
Vorzugsweise erfolgt der Transport des Flacherzeugnisses durch die Einrichtung zum Kühlen mittels einer Rollenbahn, bei der die Transportmittel als Vielzahl von oberen und unteren Transportrollen ausgebildet sind, die in Durchlaufrichtung eine Entfernung relativ zueinander aufweisen, wobei der ersten Düsenaustrittsöffnung der obere Durchtrittsspalt und der zweiten Düsenaustrittsöffnung der untere Durchtrittsspalt in Durchlaufrichtung mit einem vordefinierten Abstand nachgeordnet sind und wobei vorzugsweise der Abstand im Wesentlichen der Hälfte der Entfernung zwischen zwei in Durchlaufrichtung benachbarten Transportrollen entspricht.
Vorzugsweise entspricht der vordefinierte Abstand zwischen der ersten Düsenaustrittsöffnung und dem oberen Durchtrittsspalt bzw. zwischen der zweiten Düsenaustrittsöffnung und dem unteren Durchtrittsspalt im Wesentlichen der die Hälfte der Entfernung zwischen zwei in Durchlaufrichtung benachbarten Transportrollen bzw. Transportrollen-Paaren.
Der obere und der untere Durchtrittsspalt weisen jeweils vorzugsweise über die gesamte Breite des Flacherzeugnisses einen gleich großen freien Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel auf, so dass die Strömungsgeschwindigkeit über die Breite des Flacherzeugnisses konstant ist. Folglich ist der Querschnitt des oberen und des unteren Durchtrittsspaltes jeweils über die Breite des Flacherzeugnisses gleich groß bzw. konstant.
Alternativ kann sich der Durchtrittsquerschnitt des oberen und des unteren Durchtrittsspaltes ausgehend von der Mitte des Flacherzeugnisses hin zu dessen seitlichen Kanten stetig vergrößern. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit des Kühlmittels im Bereich der seitlichen Ränder bzw. Kanten optimiert werden.
Der obere und der untere Durchtrittsspalt weisen eine vordefinierte Höhe auf, wobei die Höhe 3mm bis 10mm, vorzugsweise 5mm beträgt. Die vordefinierte Höhe bezieht sich bei einem Durchtrittsspalt, dessen Querschnitt über die Breite nicht konstant ist, auf die geringste Höhe in der Mitte des Flacherzeugnisses.
Das obere Element und das untere Element können plattenförmig ausgebildet sein. Das plattenförmige Element kann einen Einlaufbereich aufweisen, der das Kühlmittel in Richtung auf den Durchtrittsspalt lenkt. Vorzugsweise sind das obere und das untere Element rollenförmig bzw. als Rollen ausgebildet, welche vorzugsweise drehbar sind. Das rollenförmige obere Element und rollenförmige untere Element können mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Transportrollen angetrieben werden, so dass die Strömung des Kühlmittels in Richtung des Durchtrittsspaltes begünstigt wird.
Das obere und untere Element, welches plattenförmig oder rollenförmig ausgebildet sein kann, kann angrenzend zu dem oberen und unteren Durchtrittsspalt parallel zum Flacherzeugnis verlaufen. Alternativ kann das obere und untere Element ein Profil aufweisen, das sich über die Breite ausgehend von der Mitte des Flacherzeugnisses hin zu den seitlichen Kanten des Flacherzeugnisses stetig verändert, derart, dass sich der obere und untere Durchtrittsquerschnitt in Richtung der seitlichen Kanten des Flacherzeugnisses stetig vergrößert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind das obere Element und das untere Element parallel zu dem Flacherzeugnis höhenverstellbar gelagert. Auf diese Weise kann die Höhe des oberen und des unteren Durchtrittsspaltes verändert und damit der freie Durchtrittsquerschnitt der Durchtrittsspalte verändert werden.
Vorzugsweise weisen das obere und das untere Element Rillen auf, die mittels Stegen voneinander beabstandet sind. Eine Vielzahl von Rillen ist vorzugsweise parallel und mit Abstand zueinander über die gesamte Breite des oberen und unteren Elements angeordnet. Bei den Rillen handelt es sich um einschnittartige Vertiefungen.
Mittels der Rillen wird Kühlmittel, welches sich bei sehr hohen Kühlmittel-Durchsätzen vor dem oberen und dem unteren Element stauen könnte, besser abgeführt, so dass das Kühlmittel nicht in Anlagenbereiche gelangt, wo es stört, insbesondere wird das Zurücklaufen von Kühlmittel in Richtung des Industrieofens vermieden.
Die Rillen erstrecken sich vorzugsweise in Durchlaufrichtung. Es ist auch möglich, dass die Rillen spiralförmig sind, um das Kühlmittel schräg nach außen abzuführen. Im Rahmen der Erfindung kann sich ein Teil der Rillen in Durchlaufrichtung erstrecken und ein Teil der Rillen spiralförmig sein.
In Versuchen wurden gute Ergebnisse erzielt, wenn der freie Durchtrittsquerschnitt, der von dem oberen und unteren Durchtrittsspalt gebildet wird, mittels der freien Durchtrittsquerschnitte der Rillen um 12,5% bis 250,00%, vorzugsweise um etwa 40% vergrößert wird.
Infolge der Vergrößerung des freien Durchtrittsquerschnittes wird das Kühlmittel optimal abgeführt, ohne dass es zu unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten kommt.
Dieser Weiterbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der freie Durchtrittsquerschnitt der Rillen so gering wie möglich sein muss, damit die Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit gering bleiben und es somit nicht zu unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten kommt, d. h. dass die Abkühlgeschwindigkeit so gleichmäßig ist, dass keine messbaren Härteunterschiede mehr auftreten. Gleichzeitig soll der freie Durchtrittsquerschnitt der Rillen bewirken, dass die Menge des Kühlmittels, welche sich vor dem oberen und dem unteren Element stauen könnte, so klein wie möglich bleibt.
Die Stege sind breiter als die Rillen, d. h. die Rillenbreite ist geringer als die Stegbreite ausgebildet. Das Verhältnis der Rillenbreite zu der Stegbreite beträgt vorzugsweise zwischen 1 zu 1,5 (1:1,5) und 1 zu 6 (1:6), besonders bevorzugt etwa 1 zu 3 (1:3).
Der Querschnitt der Rillen kann beliebig geformt sein und ist vorzugsweise rechteckig, quadratisch oder sägezahnförmig. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Querschnitt der Rillen rechteckig. Das Breite-Höhe-Verhältnis der Rillen beträgt vorzugsweise zwischen 1 zu 0,5 (1:0,5) und 1 zu 1,5 (1:1,5), vorzugsweise 1 zu 0,8 (1:0,8).
Die Rillen weisen einen Rillengrund und zwei sich gegenüberliegende Seitenwände auf, wobei die Übergangsbereiche zwischen dem Rillengrund und den Seitenwänden abgerundet sind und/oder wobei der Rillengrund gerundet ist.
Der Rillengrund der Rillen kann beispielsweise die Form einer Kurve aufweisen. Die Ecken und die Übergangsbereiche der Seitenwände und des Rillengrunds der Rillen sind vorzugsweise abgerundet, um die Strömungseigenschaften zu optimieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Düsenaustrittsöffnung und zweite Düsenaustrittsöffnung gegenüber dem Flacherzeugnis höhenverstellbar und/oder so ausgestaltet sind, dass das Kühlmittel unter einem Winkel (a) zwischen 10° und 45°, vorzugsweise zwischen 20° und 30° auf der Oberseite und der Unterseite des Flacherzeugnisses in Durchlaufrichtung auftrifft. Folglich trifft das Kühlmittel beim Austritt in Durchlaufrichtung hinter der jeweiligen Düsenaustrittsöffnung auf die Oberseite oder die Unterseite auf.
Vorzugsweise kann auf der Oberseite des Flacherzeugnisses eine obere Leitvorrichtung und auf der Unterseite eine untere Leitvorrichtung vorgesehen werden, um das auf der Oberseite und der Unterseite befindliche Kühlmittel gezielt zu den Durchtrittsspalten zu leiten.
Jede der beiden Leitvorrichtungen weist jeweils eine vordefinierte Distanz von der Oberseite und der Unterseite des Flacherzeugnisses auf und bildet jeweils einen kanalförmigen, an den Kanten des Flacherzeugnisses offenen Raum für das Kühlmittel. Mittels der oberen und der unteren Leitvorrichtung wird der Strömung des abzutransportierenden Kühlmittels eine Vorzugsrichtung in Richtung auf den Durchtrittsspalt aufgeprägt. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Distanz der oberen und unteren Leitvorrichtung zu der Oberseite und der Unterseite des Flacherzeugnisses verstellbar ist. Die Distanz der oberen Leitvorrichtung von der Oberseite kann sich von der Distanz der unteren Leitvorrichtung von der Unterseite unterscheiden.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Abkühlen eines Flacherzeugnisses, insbesondere eines platten- oder bahnförmigen Bleches aus Stahl, wobei das Flacherzeugnis mit Transportmitteln kontinuierlich in Durchlaufrichtung transportiert wird, mit den Schritten:

- Aufbringen eines flüssigen Kühlmittels auf die Oberseite des Flacherzeugnisses über dessen Breite mittels mindestens einem oberen Düsenkörper, der mindestens eine erste Düsenaustrittsöffnung aufweist,
- Aufbringen eines flüssigen Kühlmittels auf die Unterseite des Flacherzeugnisses über dessen Breite mittels mindestens einem unteren Düsenkörper, der mindestens eine zweite Düsenaustrittsöffnung aufweist,
- Leiten des Kühlmittels auf der Oberseite des Flacherzeugnisses in Durchlaufrichtung durch einen oberen Durchtrittsspalt und Leiten des Kühlmittels auf der Unterseite in Durchlaufrichtung durch einen unteren Durchtrittsspalt zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Oberseite und Unterseite in Durchlaufrichtung, wobei sich der obere und untere Durchtrittsspalt jeweils über die Breite des Flacherzeugnisses erstreckt und in Durchlaufrichtung der ersten und zweiten Düsenaustrittsöffnungen nachgeschaltet ist.

Der obere und der untere Durchtrittsspalt sind mit einem vordefinierten Abstand in Durchlaufrichtung hinter der ersten und der zweite Düsenaustrittsöffnung angeordnet und werden jeweils von einem oberen und unteren Element gebildet, welche sich auf der Unterseite und der Oberseite des Flacherzeugnisses über dessen Breite erstrecken.
Auf der Oberseite und der Unterseite wird das aus der jeweiligen Düsenaustrittsöffnung austretende Kühlmittel beabstandet von der Auftreffstelle mit einem vordefinierten Abstand durch spaltförmige Durchtrittsspalte geleitet, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels stromab der Auftreffstelle des Kühlmittels auf der Oberseite und Unterseite des Flacherzeugnisses zu erhöhen und zu vergleichmäßigen. Dies führt im Bereich der Durchtrittsspalte zu hohen Wärmeübergangskoeffizenten und damit zu einer optimalen Abschreckwirkung. Weil die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels über die Breite des Flacherzeugnisses gleich groß ist, wird die Streifenbildung und das Auftreten von unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere Härteunterschieden vermieden.
Vorzugsweise beträgt die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels beim Austritt aus der ersten und zweiten Düsenaustrittsöffnung zwischen 5m/s und 60m/s, vorzugsweise zwischen 20m/s und 35m/s. Die Geschwindigkeit des Kühlmittelstrahls am Austritt aus der Düsenaustrittsöffnung entspricht jeweils im Wesentlichen der Auftreffgeschwindigkeit des Kühlmittels auf dem Flacherzeugnis.
Das Kühlmittel, das aus der ersten oder zweiten Düsenaustrittsöffnung austritt, trifft vorzugsweise unter einem Anströmwinkel schräg auf dem Flacherzeugnis auf. Das Kühlmittel kann auf der Oberseite und der Unterseite des Flacherzeugnisses mit einem Winkel (a) zwischen 10° und 45°, vorzugsweise zwischen 20° und 30°, auftreffen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und die zweite Düsenaustrittsöffnung so ausgestaltet, dass der Winkel (a) verstellbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung;
2 in schematischer Darstellung eine Vorderansicht eines rollenförmigen Elements zur Bildung des oberen und unteren Durchtrittsspaltes nach 1;
3 in schematischer Darstellung einen Teilschnitt des rollenförmigen Elements aus 2;
4 eine perspektivische Ansicht des rollenförmigen Elements aus 1;
5 in schematischer Darstellung eine Ansicht auf eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung.

1 zeigt schematisch eine Einrichtung nach der Erfindung zum Abkühlen von Grobblech aus Stahl mit Wasser als Kühlmittel. Oberhalb eines Bleches 1, welches kontinuierlich in Durchlaufrichtung D bewegt wird, befindet sich ein oberer Düsenkörper 2, der einen nicht dargestellten Anschluss für das Kühlwasser aufweist. Der Anschluss dient zum Einleiten des Wassers in mindestens eine erste Düsenaustrittsöffnung 3, die auf die Oberseite 4 eines Bleches 1 gerichtet ist. Die obere erste Düsenaustrittsöffnung 3 ist als Schlitz ausgebildet und erstreckt sich quer zur Durchlaufrichtung D über die gesamte Breite des Bleches 1. Die erste Düsenaustrittsöffnung 3 ist derart gestaltet, dass das austretende Kühlwasser unter einem Winkel α als flacher Vollstrahl auf die Oberseite 4 des Bleches 1 gerichtet ist. Der Winkel α beträgt im Ausführungsbeispiel vorzugsweise zwischen 20° und 30°.
Transportmittel in Form von oberen Transportrollen 5 und unteren Transportrollen 5' dienen zum kontinuierlichen Transport des Bleches 1 in Durchlaufrichtung D.
Beabstandet von der ersten Düsenaustrittsöffnung 3 ist in einem Abstand A in Durchlaufrichtung D auf der Oberseite 4 des Bleches 1 ein oberes Element 6 in Form einer Rolle angeordnet. Der Abstand A bezieht sich auf den Mittelpunkt des oberen rollenförmigen Elements 6. Das rollenförmigen Element 6 verläuft parallel zu dem Blech 1 quer zur Durchlaufrichtung D über die gesamte Breite des Bleches 1 und ist auf nicht dargestellte Art und Weise höhenverstellbar gelagert. Das rollenförmige obere Element greift nicht an dem Flacherzeugnis an. Es werden keine Kräfte auf das Flacherzeugnis übertragen. Zwischen dem oberen rollenförmigen Element 6 und der Oberseite 4 des Bleches 1 wird ein Durchtrittsspalt 7 für das Kühlmittel 8 gebildet, welches schraffiert dargestellt ist. Die Höhe H des Durchtrittsspaltes 7 ist verstellbar. Das obere rollenförmigen Element 6 ist drehbar und wird vorzugsweise mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Transportrollen 5, 5' angetrieben. Die Höhe H des oberen Düsenspaltes 7 ist relativ gering und beträgt zwischen vorzugsweise 3mm bis 10mm, besonders bevorzugt 5 mm.
Unterhalb des Bleches 1 sind spiegelbildlich gleiche Bauteile wie oberhalb des Bleches 1 angeordnet. Ein unterer Düsenkörper 2' weist eine zweite Düsenaustrittsöffnung 3' auf, die als Schlitz ausgebildet ist und sich quer zur Durchlaufrichtung D über die gesamte Breite des Bleches 1 erstreckt. Beabstandet von der zweiten Düsenaustrittsöffnung 3' ist in einem Abstand A in Durchlaufrichtung D auf der Unterseite 9 des Bleches 1 ein unteres Element 6' in Form einer Rolle angeordnet. Das untere rollenförmige Element 6' verläuft parallel zu dem Blech 1 quer zur Durchlaufrichtung D über die gesamte Breite des Bleches 1 und ist auf nicht dargestellte Art und Weise höhenverstellbar gelagert.
Das Kühlwasser 8, welches mit hoher Geschwindigkeit aus der schlitzförmigen ersten und der zweiten Düsenaustrittsöffnung 3, 3' auf die Oberseite 4 und die Unterseite 9 des Bleches 1 ausgetreten ist, strömt größtenteils unter Nutzung des Austrittsimpulses beabstandet von der Auftreffstelle durch den jeweiligen oberen und unteren Durchtrittsspalt 7, 7'.
Der Abstand A zwischen der ersten Düsenaustrittsöffnung 3 und dem oberen Durchtrittsspalt 7 bzw. der zweiten Düsenaustrittsöffnung 3' und dem unteren Durchtrittsspalt 7' entspricht im Wesentlichen der Hälfte der Entfernung R zwischen zwei in Durchlaufrichtung D benachbarten Transportrollen bzw. Transportrollen-Paaren 5, 5'.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels 8 auf der Oberseite 4 und Unterseite 9 des Bleches 1 wird somit beabstandet von der jeweiligen Düsenaustrittsöffnung 3, 3' und somit beabstandet von der Auftreffstelle des aus der jeweiligen Düsenaustrittsöffnung 3, 3' austretenden Kühlwassers auf der Oberseite 4 und der Unterseite 9 des Bleches 1 erhöht. Dies führt zu hohen Wärmeübergangskoeffizenten und einer hohen Abschreckintensität. Weil die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels 8 über die Breite des Bleches 1 gleich groß ist, wird die Streifenbildung und das Auftreten von unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere Härteunterschiede, vermieden. Das obere und untere rollenförmige Element 6, 6' weist Rillen 10 auf, die in Durchlaufrichtung D verlaufen und in 2 dargestellt sind.
In 2 ist in schematischer Darstellung das rollenförmige Element 6 zur Bildung des Durchtrittsspaltes 7 aus 1 dargestellt. Das untere rollenförmige Element 6', ist in 2 nicht dargestellt, weil es identisch zu dem oberen rollenförmigen Element 6 ausgeführt ist.
Das obere rollenförmige Element 6 weist Rillen 10 auf, die mittels Stegen 11 voneinander beabstandet sind. Die Rillen 10 sind schmaler ausgebildet als die Stege 11. Das Verhältnis B/C der Breite B der Rillen 10 zu der Breite C der Stege 11 beträgt zwischen 1 zu 1,5 (1:1,5) und 1 zu 6 (1:6). In dem Ausführungsbeispiel beträgt die Breite C des Steges 11 ungefähr das 3-fache der Breite B der Rillen 10, welche im Ausführungsbeispiels 10 mm breit ist.
Mittels der Rillen 10 wird der freie Durchtrittsquerschnitt, der von dem oberen und unteren Durchtrittsspalt 6, 6'gebildet wird, um 32 % vergrößert. Versuche haben gezeigt, dass auf diese Weise das Kühlwasser optimal abgeführt werden kann.
In 3 ist ein Teilschnitt des rollenförmigen Elementes 6 aus 2 dargestellt. Das obere rollenförmige Element 6 bildet mit dem Blech 1 auf dessen Oberseite 4 den oberen Durchtrittsspalt 7 mit einer Höhe H. Die Höhe H des oberen Durchtrittspaltes 7 beträgt im Ausführungsbeispiel 5mm.
Der Querschnitt der Rillen 10 ist im Wesentlichen rechteckig. Die Rillen 10 weisen einen Rillengrund 10a und zwei sich gegenüberliegende Seitenwände 10b und 10b' auf. Die Übergangsbereiche zwischen dem Rillengrund 10a und den Seitenwänden 10b, 10b' der Rillen 10 sind abgerundet, um die Strömungsverhältnisse zu optimieren. Das Breite-Höhe-Verhältnis der Rillen 10 beträgt zwischen 1 zu 0,5 (1:0,5) und 1 zu 1,5 (1:1,5), vorzugsweise 1 zu 0,8 (1:0,8).
4 zeigt in perspektivischer Ansicht das rollenförmige Element 6, 6' aus 1. Das obere und untere rollenförmige Element 6, 6' liegt nicht auf dem Blech 1 auf, sondern dient zur Bildung des oberen und unteren Durchtrittsspaltes 7, 7'.
5 zeigt in schematischer Darstellung eine Ansicht auf eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung in Durchlaufrichtung D des Bleches 1. Zwischen der ersten Düsenaustrittsöffnung 3 und dem oberen Durchtrittsspalt 7 befindet sich eine Leitvorrichtung 12, die das Kühlmittel 8 kanalisiert. Die Leitvorrichtung 12 ist beabstandet von der Oberseite 4 des Bleches 1. Die vordefinierte Distanz E der Leitvorrichtung 12 von der Oberseite 4 des Bleches 1 ist verstellbar. Die Leitvorrichtung 12 erstreckt sich über die Breite des Bleches 1 mindestens bis zu den Blechkanten und bildet einen kanalförmigen, an den Blechkanten offenen Raum für das Kühlmittel 8. Auf der Unterseite 9 des Bleches 1 ist eine gleich aufgebaute Leitvorrichtung 12' angeordnet.
Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungen möglich. So können das obere Element 6 und das untere Element 6' plattenförmig ausgebildet sein. Das plattenförmige Element 6, 6' kann so gestaltet sein, dass in Durchlaufrichtung ein sich verengender Einlaufbereich für den Durchtrittsspalt 7, 7' gebildet wird.
Die Rillen 10 in dem oberen und dem unteren Element 6, 6' können spiralförmig sein. Der Querschnitt der Rillen 10 kann quadratisch oder sägezahnförmig sein. Der Rillengrund 10a kann auch rund oder kurvenförmig ausgeführt werden. Als flüssiges Kühlmittel kann außer Wasser jedes andere geeignete Kühlmedium benutzt werden. Die obere und untere Leitvorrichtung 12, 12' kann gewölbt sein.
Bezugszeichenliste

1: Blech
2, 2': oberer und unterer Düsenkörper
3, 3': erste und zweite Düsenaustrittsöffnung
4: Oberseite Blech
5,5': Transportmittel
6, 6': oberes und unteres Element
7,7': oberer und unterer Durchtrittsspalt
8: Kühlmittel
9: Unterseite Blech
10: Rillen
10a: Grund der Rillen 10
10b, 10b': Seitenwände der Rillen 10
11: Steg
12, 12': obere und untere Leitvorrichtung
A: Abstand zw. Düsenaustrittsöffnung 3, 3' und Durchtrittsspalt 7, 7'
B: Breite der Rille 10
C: Breite des Steges 11
D: Durchlaufrichtung des Flacherzeugnisses 1
E: Höhe der Rillen 10
F: Distanz zw. Leitvorrichtung 12 und Flacherzeugnis 1
H: Höhe des Durchtrittsspaltes 7, 7'
α: Winkel zw. Kühlmittelstrahl / Flacherzeugnis 1
R: Abstand Transportrollen in Durchlaufrichtung des Flacherzeugnisses 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1420912 B1 [0008]
DE 2245390 A1 [0011]

Claims

Einrichtung zum Abkühlen eines Flacherzeugnisses, insbesondere eines platten- oder bahnförmigen Bleches aus Stahl, mit Transportmitteln (5, 5') zum kontinuierlichen Transport des Flacherzeugnisses (1) in Durchlaufrichtung (D), mindestens einem oberen Düsenkörper (2), der mindestens eine erste Düsenaustrittsöffnung (3) zum Beaufschlagen der Oberseite (4) des Flacherzeugnisses (1) über dessen Breite mit einem flüssigen Kühlmittel (8) aufweist, mindestens einem unteren Düsenkörper (2'), der mindestens eine zweite Düsenaustrittsöffnung (3') zum Beaufschlagen der Unterseite (9) des Flacherzeugnisses (1) über dessen Breite mit dem flüssigen Kühlmittel (8) aufweist, einem oberen Durchtrittsspalt (7), der sich über die Breite des Flacherzeugnisses (1) erstreckt und welcher von dem Kühlmittel (8) auf der Oberseite (4) des Flacherzeugnisses (1) in Durchlaufrichtung (D) durchströmbar ist, wobei der obere Durchtrittsspalt (7) von einem oberen Element (6) begrenzt wird, einem unteren Durchtrittsspalt (7'), der sich über die Breite des Flacherzeugnisses (1) erstreckt und welcher von dem Kühlmittel (8) auf der Unterseite (9) des Flacherzeugnisses (1) in Durchlaufrichtung (D) durchströmbar ist, wobei der untere Durchtrittsspalt (7') von einem unteren Element (6') begrenzt wird und wobei der obere Durchtrittsspalt (7) der ersten Düsenaustrittsöffnung (3) auf der Oberseite (4) und der untere Durchtrittsspalt (7') der zweiten Düsenaustrittsöffnung (3') auf der Unterseite (9) des Flacherzeugnisses (1) in Durchlaufrichtung (D) nachgeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportmittel (5, 5') als obere und untere Transportrollen ausgebildet sind, dass der ersten Düsenaustrittsöffnung (3) der obere Durchtrittsspalt (7) und der zweiten Düsenaustrittsöffnung (3') der untere Durchtrittsspalt (7') in Durchlaufrichtung (D) mit einem vordefinierten Abstand (A) nachgeordnet sind und dass vorzugsweise der Abstand (A) im Wesentlichen der Hälfte der Entfernung (R) zwischen zwei in Durchlaufrichtung (D) benachbarten Transportrollen entspricht.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchtrittsquerschnitt des oberen und des unteren Durchtrittsspaltes (7, 7') über die Breite des Flacherzeugnisses (1) gleich groß ist oder dass sich der Durchtrittsquerschnitt des oberen und des unteren Durchtrittsspaltes (7, 7') ausgehend von der Mitte des Flacherzeugnisses (1) hin zu dessen seitlichen Kanten stetig vergrößert.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und der untere Durchtrittsspalt (7, 7') eine Höhe (H) aufweisen und dass die Höhe (H) des oberen und des unteren Durchtrittsspaltes (7, 7') 3mm bis 10mm, vorzugsweise 5mm beträgt.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das obere und untere Element (6, 6') rollenförmig ausgebildet und vorzugsweise drehbar ist.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das obere und untere Element (6, 6') im Profil angrenzend zu dem oberen und unteren Durchtrittsspalt (7, 7') parallel zum Flacherzeugnis (1) verläuft oder ein Profil aufweist, welches sich von der Mitte des Flacherzeugnisses (1) über die Breite zu den seitlichen Kanten des Flacherzeugnisses (1) stetig verändert, derart, dass sich der Durchtrittsquerschnitt des oberen und de unteren Durchtrittsspaltes (7, 7') in Richtung der seitlichen Kanten des Flacherzeugnisses (1) stetig vergrößert.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das obere und das untere Element (6, 6') höhenverstellbar gelagert sind.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das obere und untere Element (6, 6') Rillen (10) aufweist, die mittels Stegen (11) voneinander beabstandet sind und/oder dass sich die Rillen (10) vorzugsweise in Durchlaufrichtung (D) erstrecken und/oder vorzugsweise spiralförmig sind.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchtrittsquerschnitt, der von dem oberen und unteren Durchtrittsspalt (7, 7') gebildet wird, mittels der Durchtrittsquerschnitte der Rillen (10) um 10% bis 250 %, vorzugsweise um 40%, vergrößert wird.
Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Rillen (10) kleiner ausgebildet ist als die Breite (C) der Stege (11) und dass das Verhältnis (B/C) der Rillenbreite (B) zu der Stegbreite (C) vorzugsweise zwischen 1 zu 1,5 (1:1,5) und 1 zu 6 (1:6), besonders bevorzugt 1 zu 3 (1:3) beträgt.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (10) einen Rillengrund (10a) und zwei sich gegenüberliegende Seitenwände (10b, 10b') aufweisen und dass die Übergangsbereiche zwischen dem Rillengrund (10a) und den Seitenwänden (10b, 10b') abgerundet sind und/oder dass der Rillengrund (10 a) gerundet ist.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Düsenaustrittsöffnung (3) und die zweite Düsenaustrittsöffnung (3') gegenüber dem Flacherzeugnis (1) höhenverstellbar und/oder so ausgestaltet sind, dass das Kühlmittel unter einem Winkel (a) zwischen 10° und 45°, vorzugsweise zwischen 20° und 30° auf der Oberseite (4) und der Unterseite (9) des Flacherzeugnisses (1) in Durchlaufrichtung (D) auftrifft.
Einrichtung nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der ersten Düsenaustrittsöffnung (3) und dem oberen Element (6) eine obere Leitvorrichtung (12) erstreckt, dass sich zwischen der zweiten Düsenaustrittsöffnung (3') und dem unteren Element (6') eine untere Leitvorrichtung (12') erstreckt, um das auf der Oberseite (4) und der Unterseite (9) befindliche Kühlmittel (8) zu dem jeweiligen oberen Durchtrittsspalt (7) oder unteren Durchtrittsspalt (7') zu leiten.
Verfahren zum Abkühlen eines Flacherzeugnisses, insbesondere eines platten- oder bahnförmigen Bleches aus Stahl, wobei das Flacherzeugnis (1) mit Transportmitteln (5, 5') kontinuierlich in Durchlaufrichtung (D) transportiert wird, mit den Schritten: - Aufbringen eines flüssigen Kühlmittels (8) auf die Oberseite (4) des Flacherzeugnisses (1) über dessen Breite mittels mindestens einem oberen Düsenkörper (2), der mindestens eine erste Düsenaustrittsöffnung (3) aufweist, - Aufbringen eines flüssigen Kühlmittels (8) auf die Unterseite (9) des Flacherzeugnisses (1) über dessen Breite mittels mindestens einem unteren Düsenkörper (2'), der mindestens eine zweite Düsenaustrittsöffnung (3') aufweist, - Leiten des Kühlmittels auf der Oberseite (4) in Durchlaufrichtung (D) durch einen oberen Durchtrittsspalt (7) und Leiten des Kühlmittels auf der Unterseite (9) in Durchlaufrichtung (D) durch einen unteren Durchtrittsspalt (7') zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels (8) in Durchlaufrichtung (D), wobei sich der obere und untere Durchtrittsspalt (7, 7') jeweils über die Breite des Flacherzeugnisses (1) erstreckt und in Durchlaufrichtung (D) der ersten und zweiten Düsenaustrittsöffnungen (3, 3') nachgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels (8) beim Austritt aus der ersten und zweiten Düsenaustrittsöffnung (3, 3') zwischen 5m/s und 60m/s, vorzugsweise zwischen 20m/s und 35m/s beträgt.