DE102019205724A1

DE102019205724A1 - Kühlvorrichtung für nahtlose Stahlrohre

Info

Publication number: DE102019205724A1
Application number: DE102019205724.1A
Authority: DE
Inventors: Torsten Müller; Peter Thieven; Waldemar Vogel; Stefan Ernst
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2020-10-22
Also published as: US20220213570A1; WO2020212343A1; US11873538B2; CN113692451A

Abstract

Kühlvorrichtung (1) zum Abkühlen eines nahtlosen, gewalzten Rohrs (R) aus einem Metall, vorzugsweise Stahl, die eine Düsenanordnung (10) mit einer oder mehreren Düsen (14) aufweist, die eingerichtet sind, um die Außenumfangsfläche des Rohrs (R) mit einem Kühlmedium (K), vorzugsweise Wasser oder einem Wassergemisch, zu beaufschlagen, während das Rohr (R) entlang einer Förderrichtung (F) durch eine Kühlstrecke der Kühlvorrichtung (1) transportiert wird, wobei die Düsenanordnung (10) einen Zugang (Z) aufweist, über den das Rohr (R) in radialer Richtung des Rohrs (R), vorzugsweise nach oben, aus der Kühlstrecke herausnehmbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen eines nahtlosen, gewalzten Rohrs, vorzugsweise Stahlrohrs, mit einer Düsenanordnung zum Beaufschlagen der Außenumfangsfläche des Rohrs mit einem Kühlmedium.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Herstellung nahtloser Stahlrohre kommt ein Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk zum Einsatz, das mehrere in Förderrichtung des Rohrs hintereinander angeordnete Walzgerüste aufweist. Die aus einem Voraggregat kommenden Mutterrohre werden im walzheißen Zustand in das Maß- oder Streckreduzierwalzwerk eingesetzt. Die Einsatztemperaturen liegen bei Stahlrohren zumeist im Bereich zwischen 900°C und 1.000°C. Weist das Rohr nach dem Voraggregat eine für das Walzen zu niedrige Temperatur auf, wird dieses in einem Zwischenofen nacherwärmt.
Beim Austritt aus dem Walzwerk liegt die Materialtemperatur noch oberhalb des Austenitisierungspunktes (Ar3-Umwandlungspunkts), materialgüteabhängig etwa oberhalb von 820 bis 840°C. Die Rohre werden in der Regel an der Luft durch natürliche Konvektion abgekühlt. Damit wird ein normalgewalztes Gefüge hergestellt, d.h. das Rohr ist mäßig feinkörnig, zumeist im Wesentlichen frei von Verformungstexturen, welche die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen.
Für höherwertige Rohre, beispielsweise zur Öl- und Gasförderung oder bei Konstruktionsrohren, werden verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere eine höhere Festigkeit in Kombination mit einer hohen Zähigkeit und Schweißbarkeit, nachgefragt. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist es bekannt, die gewalzten und abgekühlten Rohre in speziellen Wärmebehandlungslinien zu vergüten. Dabei werden die Rohre in einem ersten Temperierungsschritt erneut auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt, anschließend in Abschreckeinrichtungen schnell abgekühlt, wodurch hochfeste Umwandlungsphasen wie Martensit gebildet werden, und schließlich zur Beseitigung innerer Eigenspannungen erneut erwärmt.
Diese zusätzliche Wärmebehandlung ist prozessual aufwändig und energieintensiv. Aus diesem Grund wurden Verfahren entwickelt, welche die Restwärme des Walzprozesses für eine Wärmebehandlung mitnutzen. Zu diesem Zweck wird das Rohr nach dem Maß- oder Streckreduzierwalzen sehr schnell abgekühlt, wobei Abkühlgeschwindigkeiten erzielt werden müssen, die gegenüber dem normalen Kühlbett deutlich erhöht sind. Die erforderlichen Abkühlgeschwindigkeiten werden durch besondere Kühlstrecken erreicht, die nicht zur gebräuchlichen Ausstattung von Nahtlosrohrwalzwerken gehören. Sie kühlen das Rohr unmittelbar nach dem Austritt aus dem Walzwerk durch äußere Beaufschlagung mit einem Kühlmedium, wie etwa Wasser oder einem Wasser-/Luftgemisch, beschleunigt ab.
So beschreibt die EP 2 682 485 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung nahtloser Stahlrohre mit einer Durchlaufkühlstrecke hinter dem letzten Walzgerüst, die eine Vielzahl von konzentrisch um das Walzgut angeordneten Verteilerringen aufweist. Die Verteilerringe haben drei oder mehr Düsen zum Aufsprühen des Kühlmediums auf das abzukühlende Rohr.
Gemäß diesem Stand der Technik umschließen die Verteilerringe das abzukühlende Rohr konzentrisch zu dessen Mittelachse. Es muss eine Vielzahl solcher Verteilerringe vorgesehen sein, um das Rohr während des Transports aus dem Walzwerk ausreichend schnell abzukühlen. Nachteilig ist, dass es im Fall einer Störung, bei der das Rohr auf der Auslaufseite des Walzwerks liegen bleibt, nicht ohne weiteres möglich ist, das Rohr aus der Transportstrecke herauszuheben, da es von den Verteilerringen umschlossen ist. Vielmehr muss das Rohr in kleine Stücke geschnitten werden, die anschließend manuell aus der Kühlstrecke zu entfernen sind.
Gemäß einer anderen technischen Lösung, die aus der WO 2016/035103 A1 bekannt ist, wird das zu kühlende Rohr von unten in eine Kühlvorrichtung gehoben. Hierbei muss das Rohr bei der Abkühlung um die eigene Achse gedreht werden, um eine gleichmäßige Abkühlung zu erzielen. Bei einer Durchlaufkühlstrecke unmittelbar hinter einem Walzwerk ist es jedoch nicht möglich, das Rohr in Drehung zu versetzen, da es zu Beginn des Auslaufvorgangs, d.h. zu Beginn der Kühlung, noch mit dem hinteren Ende im Walzwerk eingebunden ist. Zudem sind die Rohrlängen hinter dem Walzwerk zumeist deutlich größer als in den Wärmebehandlungslinien, da in letzteren die Rohre schon auf Fertiglängen von beispielsweise 8 bis 14 m geschnitten sind, die Rohrstränge im Walzwerksauslauf hingegen noch ungeteilt und bis zu 100 m lang sind. Derartig lange Kühlstrecken sind technisch aufwändig und kaum wirtschaftlich zu betreiben.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Durchlaufkühlung nahtloser, gewalzter Rohre aus Metall, vorzugsweise Stahl, insbesondere deren Betriebssicherheit zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe mit einer Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dient dem Abkühlen eines nahtlosen, gewalzten Rohrs. Das Rohr ist ein Metallrohr, vorzugsweise Stahlrohr. Es sind jedoch sämtliche Legierungen umfasst, deren mechanische Eigenschaften, wie etwa Festigkeit, Zugfestigkeit, Zähigkeit, Schweißbarkeit usw., sich durch eine Wärmebehandlung verbessern lassen. Insbesondere ist das Rohr aus einer hochwertigen Legierung gefertigt, die für die Verwendung in der Öl- und Gasförderung oder für Konstruktionsrohre geeignet ist.
Die Kühlvorrichtung weist eine Düsenanordnung mit einer oder mehreren Düsen auf, die eingerichtet sind, um die Außenumfangsfläche des Rohrs mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Wasser oder einem Wassergemisch, zu beaufschlagen, während das Rohr entlang einer Förderrichtung durch eine Kühlstrecke der Kühlvorrichtung transportiert wird. Mit der Bezeichnung „Wassergemisch“ ist ein Kühlmedium auf Wasserbasis, das ein oder mehrere Zusätze aufweist, gemeint. Die Zusätze können gelöste Feststoffe, Flüssigkeiten oder auch Gase umfassen. So ist das Kühlmedium beispielsweise ein Wasser-/Luftgemisch. Als „Kühlstrecke“ sei hierin jener Abschnitt der Kühlvorrichtung entlang der Förderrichtung bezeichnet, in dem das Rohr mit dem Kühlmedium beaufschlagt wird. Die Kühlvorrichtung stellt eine Durchlaufkühlung bereit, da das Rohr während einer Förderung bzw. eines Transports durch die Kühlstrecke gekühlt wird.
Erfindungsgemäß weist die Düsenanordnung einen Zugang auf, über den das Rohr in radialer Richtung des Rohrs, d.h. senkrecht zur Längserstreckung des Rohrs, aus der Kühlstrecke herausnehmbar ist. In anderen Worten, die Düsenanordnung umschließt das Rohr in Umfangsrichtung nicht vollständig, sondern ist auf einer Seite offen oder zu öffnen. Der Zugang ist dabei so bemessen, dass das Rohr seitlich bzw. radial aus der Kühlstrecke herausgenommen werden kann. Vorzugsweise ist der Zugang so gelegt, dass das Rohr nach oben (in Schwerkraftrichtung gesehen) herausgenommen werden kann. Ferner erstreckt sich der Zugang vorzugsweise geradlinig parallel zur Rohrachse, um eine etwaige Entfernung des Rohrs aus der Kühlstrecke zu vereinfachen. Es sei darauf hingewiesen, dass auch mehrere Zugänge vorgesehen sein können.
Die Düsenanordnung umfasst demnach keine geschlossen-ringartigen Gebilde. Vielmehr wird zumindest ein Zugang bereitgestellt, der es erlaubt, das Rohr im Fall einer Störung, etwa Havarie, in radialer Richtung aus der Kühlstrecke herauszunehmen. Der Arbeitsraum im Bereich des Zugangs ist nicht durch Leitungen, Rohre oder dergleichen verbaut. Es wird somit eine Kühlstrecke geschaffen, die einerseits kurz genug sein kann, um noch ungeteilte Rohrstränge von beispielsweise bis zu 100 m Länge zu verarbeiten, und aus der andererseits die Rohre seitlich entfernt werden können, ohne diese zuvor in der Kühlvorrichtung in kleinere Rohrabschnitte zerteilen zu müssen. Zudem erleichtert der Zugang etwaige Wartungs- und Reinigungsarbeiten an der Kühlvorrichtung.
Die Kühlvorrichtung ist besonders bevorzugt zur raschen Abkühlung des Rohrs unmittelbar hinter einem Walzwerk, etwa Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk, eingerichtet. Unter der Bezeichnung „unmittelbar hinter“ ist hierbei zu verstehen, dass das Rohr in die Kühlstrecke der Kühlvorrichtung eintritt, während es am hinteren Ende noch im Walzwerk eingebunden ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen „vor“ und „hinter“ relativ zur Förderrichtung des Rohrs zu sehen sind.
Um trotz Verzicht auf konzentrische Verteilerringe eine gleichmäßige Kühlung entlang des Rohrumfangs zu gewährleisten, können die Düsen so eingerichtet, angeordnet und ausgerichtet sein, dass die Menge des aufgesprühten Kühlmediums entlang des Rohrumfangs im Wesentlichen konstant ist. In anderen Worten, der Durchsatz des Kühlmediums pro Düse und die Abstrahlrichtung können so eingestellt sein, dass eine symmetrische und konzentrische Kühlung erzielt oder zumindest näherungsweise erzielt wird.
Vorzugsweise weist die Düsenanordnung zu diesem Zweck ein oder mehrere Düsenarme auf, die jeweils zumindest ein Verteilerrohr und ein oder mehrere daran angebundene und sich davon erstreckende Düsenlanzen mit jeweils einer oder mehreren Düsen aufweisen. Durch die Bereitstellung von Düsenarmen kann die Versorgung der Düsen mit Kühlmedium auf baulich einfache Weise sichergestellt werden, ohne dass die Versorgungsleitungen das Rohr in Umfangsrichtung vollständig umgeben müssen. Die Düsenlanzen können unterschiedliche Längen haben, um das Kühlmedium auf möglichst den gesamten Rohrumfang gleichmäßig zu versprühen. Im Fall geradliniger Verteilerrohre können die Düsenlanzen an den Randabschnitten länger als im Zentrum des entsprechenden Verteilerrohrs ausgebildet sein, wodurch sich die Düsen zumindest ungefähr auf einem gedachten Teilring befinden.
Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung ferner ein Fluidsystem auf, das eingerichtet ist, um die Verteilerrohre mit dem Kühlmedium zu versorgen, wobei hierbei mehrere Verteilerrohre zu jeweils einer Fluideinheit, die von einer gemeinsamen Pumpe bedient und/oder von einem gemeinsamen Ventilsystem geschaltet wird, zusammengefasst sein können. Durch eine solche modulartige Zusammenfassung der Fluidversorgung kann diese baulich vereinfacht werden, und gleichzeitig können die Düsen abschnittsweise mit unterschiedlichen Drücken, Volumendurchsätzen usw. betrieben werden, wodurch die Kühlung des Rohrs optimierbar ist.
Vorzugsweise sind die Verteilerrohre eingerichtet, um das Kühlmedium in der Querschnittsebene des Rohrs und/oder entlang der Förderrichtung zu fördern, wodurch auf baulich einfache Weise ein Zugang geschaffen werden kann, der sich geradlinig parallel zur Rohrachse erstreckt.
Vorzugsweise ist die Kühlstrecke kürzer als das Rohr; sie beträgt beispielsweise etwa 8 bis 16 m. Auf diese Weise wird eine kompakte Kühlvorrichtung geschaffen, wodurch die Vergütung der Rohre durch Wärmebehandlung mit einem vertretbaren baulichen Aufwand realisierbar ist.
Vorzugsweise ist die Position und/oder Ausrichtung und/oder der Volumendurchsatz einer oder mehrerer Düsen der Düsenanordnung einstellbar, wodurch die Kühlwirkung flexibel angepasst werden kann, beispielsweise in Abhängigkeit von Produkt- und/oder Prozessparametern.
Vorzugsweise sind die Düsen der Düsenanordnung so eingerichtet, dass mehrere Sprühebenen gebildet werden, die etwa entlang der Förderrichtung einstellbar bzw. verschiebbar sein können. So kann jede Sprühebene beispielsweise zwei Düsenarme mit jeweils mehreren Düsenlanzen aufweisen. Durch geeignete Platzierung der Sprühebenen kann die Kühlwirkung flexibel eingestellt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von Produkt- und/oder Prozessparametern.
Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung eingerichtet, um das Rohr auf eine Endtemperatur unterhalb des Ar3-Umwandlungspunkts abzukühlen, um dadurch hochfeste Umwandlungsphasen wie Martensit zu bilden. Vorzugsweise wird das Rohr zu diesem Zweck auf etwa 450°C bis 600°C abgekühlt. Die Ausgangstemperatur, d.h. jene Temperatur, mit der das Rohr etwa das Walzwerk verlässt, beträgt hierbei beispielsweise 820°C bis 840°C.
Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung eingerichtet, um eine abschnittsweise oder quasi-kontinuierliche Regelung von Druck- und/oder Durchflussmengen des Kühlmediums, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Produkt und/oder basierend auf Messwerten, Erfahrungswerten und/oder einem Prozessmodel, durchzuführen. Die Regelbarkeit bezieht sich hierbei auf Abschnitte entlang der Kühlstrecke, wodurch die Wärmeübergangszahlen in Förderrichtung flexibel einstellbar sind. Die regelbaren Abschnitte können jeweils ein oder mehrere Sprühebenen, Düsenarme usw. umfassen; sie können jedoch auch bis auf das Strukturniveau einzelner Düsen verfeinert werden. Dies ist mit der Bezeichnung „quasikontinuierlich“ gemeint.
Vorzugsweise ist die Kühlstrecke so unterteilt, dass in einem ersten Abschnitt die Düsenanordnung für ein Hochdrucksprühen, vorzugsweise mit Drücken von mehr als 10 bar, und in einem in Förderrichtung nachfolgenden Abschnitt für niedrigere Drücke eingerichtet ist. So sind im Hochdruckbereich Wärmeübergangszahlen von beispielsweise mehr als 10.000 W/(m²K) erzielbar, wodurch ein schlagartiges Abkühlen des Rohrs erzielbar ist.
Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung so für einen diskontinuierlichen Betrieb eingerichtet, dass ein oder mehrere Düsen entsprechend mit Einlauf des Rohrs in die Kühlstrecke, d.h. mit Durchlauf des vorderen Rohrendes, zuschaltbar und mit Auslauf des Rohrs aus der Kühlstrecke, d.h. mit Durchlauf des hinteren Rohrendes, abschaltbar sind, wobei vorzugsweise ein oder mehrere Sensoren, die zur Erkennung der Rohrenden eingerichtet sind, innerhalb oder hinter der Kühlstrecke angeordnet sind. Somit kann verhindert werden, dass Kühlmedium in das Rohr eintritt.
Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung ferner eine Einhausung, welche die Düsenanordnung vollständig oder teilweise umgibt, und/oder einen oder mehrere Druckluftabstreifer auf. Durch eine Einhausung wird eine Kontamination der Umgebung mit Kühlmedium vermieden, insbesondere lässt sich so eine Sprühwasser- und Wasserdampfbelastung der Umgebung verringern. Für einen ähnlichen Zweck können Druckluftabstreifer verwendet werden, um einen Eintritt des Kühlmediums in besonders gefährdete Einrichtungen, wie etwa radiometrische Wanddicken- oder sonstige Messstellen vor und/oder hinter der Kühlstrecke, zu vermeiden.
Vorzugsweise ist die Förderrichtung des Rohrs entlang der Kühlstrecke relativ zur Horizontalen geneigt, d.h. sie fällt oder steigt, wodurch der Bauraum beim Übergang vom Walzwerk auf ein etwaiges Kühlbett verkürzt werden kann.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung gelöst, die ein Walzwerk, vorzugsweise Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk, und eine Kühlvorrichtung gemäß der obigen Beschreibung aufweist. Die Kühlvorrichtung befindet sich in Förderrichtung hinter dem Walzwerk und ist zum Abkühlen des durch das Walzwerk gewalzten Rohrs eingerichtet.
Die Merkmale, technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsbeispiele, die in Bezug auf die Kühlvorrichtung beschrieben wurden, gelten analog für diese Vorrichtung.
Insbesondere ist die Kühlvorrichtung unmittelbar hinter dem Walzwerk angeordnet, wodurch die Restwärme des Walzprozesses für die Vergütung des Rohrs durch Wärmebehandlung auf synergetische Weise mitgenutzt wird.
Vorzugsweise weist das Walzwerk ein oder mehrere Kühlelemente auf, die eingerichtet sind, um die Temperatur des Rohrs im Walzwerk unter den Ar3-Umwandlungspunkt zu senken, vorzugsweise um ca. 30° unter den Ar3-Umwandlungspunkt. Auf diese Weise lässt sich die Kühlwirkung verstärken. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt somit bereits im Walzwerk eine Absenkung der Einsatz- bzw. Walztemperatur, so dass eine niedrigere Endwalztemperatur als normalerweise üblich angewendet wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale realisiert werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
Figurenliste

Die 1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Düsenanordnung einer Durchlaufkühlstrecke mit angebundener Fluideinheit gemäß einer Ausführungsform;
Die 2 zeigt die Düsenanordnung der 1 in einer Draufsicht;
Die 3 ist eine schematische Querschnittsansicht der Düsenanordnung einer Durchlaufkühlstrecke gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Die 4 zeigt die Düsenanordnung gemäß der 3 mit angebundener Fluideinheit in einer Draufsicht.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Die 1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Düsenanordnung 10 einer Durchlaufkühlstrecke mit angebundener Fluideinheit 20 gemäß einer Ausführungsform. Die 2 zeigt die Düsenanordnung 10 in einer Draufsicht.
Die Düsenanordnung 10 ist Teil einer Kühlvorrichtung 1, die als Durchlaufkühlstrecke vorzugsweise unmittelbar hinter einem Walzwerk zum Walzen nahtloser Rohre R angeordnet ist. Die Bezeichnung „unmittelbar“ bedeutet hierin, dass das Rohr R in die Durchlaufkühlstrecke eintritt, während es am hinteren Ende, in Förderrichtung F (vgl. 2) des Rohrs R gesehen, noch im Walzwerk eingebunden ist.
Das Rohr R ist aus einem Metall gefertigt, vorzugsweise Stahl, wobei insbesondere hochwertige Legierungen, geeignet zur Verwendung in der Öl- und Gasförderung oder für Konstruktionsrohre, umfasst sind.
Das vorstehend genannte Walzwerk, in den Figuren nicht dargestellt, ist vorzugsweise ein Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk, das mehrere in Förderrichtung F des Rohrs R hintereinander angeordnete Walzgerüste aufweist. Die aus einem Voraggregat kommenden Mutterrohre werden im walzheißen Zustand in das Walzwerk eingesetzt. Die Einsatztemperaturen liegen beispielsweise im Bereich zwischen 900°C und 1.000°C. Beim Austritt aus dem Walzwerk weist das Rohr R vorzugsweise eine Temperatur von über 820 °C bis 840 °C auf.
Die Düsenanordnung 10 weist ein oder mehrere Düsenarme 11 auf, die jeweils zumindest ein Verteilerrohr 12 und ein oder mehrere daran angebundene und sich davon erstreckende Düsenlanzen 13 mit jeweils einer oder mehreren Düsen 14 aufweisen. Die Verteilerrohre 12 werden über ein Fluidsystem mit einem Kühlmedium K, vorzugsweise Wasser oder einem Wassergemisch, versorgt, das anschließend über die Düsenlanzen 13 an die Düsen 14 strömt und von diesen auf das Rohr R abgegeben bzw. gesprüht wird.
Die Düsenarme 11 mit ihren Verteilerrohren 12 und Düsenlanzen 13 können in Ebenen angeordnet sein, die hierin als „Sprühebenen“ S bezeichnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jede Sprühebene S beispielhaft zwei Düsenarme 11 mit je einem Verteilerrohr 12 und fünf daran angebunden Düsenlanzen 13 auf. Eine diesbezügliche Beschränkung besteht jedoch nicht. Vielmehr können die Anzahl und Anordnung der Düsenarme 11, Düsenlanzen 13 sowie Düsen 14 frei gewählt werden, solange eine gleichmäßige Kühlung des Rohrs R gewährleistet ist und die Düsenanordnung 10, wie weiter unten ausgeführt, keine geschlossen-ringartigen Gebilde umfasst.
Im Ausschnitt der 2 sind nur zwei Sprühebenen S gezeigt. Allerdings ist die Anzahl der Sprühebenen S, die entlang des Förderwegs des Rohrs S angeordnet sind, im Normalfall größer, um eine ausreichende Kühlwirkung zu entfalten. Die Kühlstrecke, d.h. jener Abschnitt des Förderwegs, in dem das Rohr R mit dem Kühlmedium K beaufschlagt wird, kann je nach Anzahl, Lage und Ausrichtung der Düsen 14, Durchsatz des Kühlmediums K usw. vergleichsweise kurz ausfallen, beispielsweise 8 bis 16 m betragen.
Die Düsenanordnung 10 kann so eingerichtet sein, dass die Sprühebenen S oder ein Teil derselben entlang der Förderrichtung F verstellbar sind. Zu dem Zweck können die Düsenarme 11 oder ein Teil derselben verschiebbar gelagert sein. Alternativ oder zusätzlich können die Düsenlanzen 13 oder ein Teil derselben schwenkbar angeordnet sein, indem beispielsweise die entsprechenden Düsenarme 11 um deren eigene Achsen drehbar gelagert sind. Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die Düsenanordnung 10 mehrere wohl definierte Sprühebenen ausbildet. So können die Düsenlanzen 13 mit deren Düsen 14 beispielsweise so positioniert und/oder ausgerichtet sein, dass das Rohr R in der Förderrichtung F gesehen im Wesentlichen gleichmäßig mit dem Kühlmedium K beaufschlagt wird.
Es können mehrere Verteilerrohre 12 zu jeweils einer Fluideinheit 20 zusammengefasst sein, die von einer gemeinsamen Pumpe 21 bedient und/oder von einem gemeinsamen Ventilsystem geschaltet wird.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 fördern die Verteilerrohre 12 das Kühlmedium K in der Querschnittsebene des Rohrs R. Alternativ kann das Kühlmedium K auch entlang der Rohrlängsachse (=Förderrichtung F) gefördert werden, wie es im Ausführungsbeispiel der 3 und 4 dargestellt ist. Selbstverständlich können die Verteilerrohre 12 auch auf andere Weise angeordnet sein, so lange der nachstehend dargelegte Zugang Z sichergestellt ist.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Düsenanordnung 10 keine geschlossen-ringartigen Gebilde umfasst. Vielmehr sind die Düsenarme 11 zumindest einseitig offen ausgebildet, um das Rohr R im Fall einer Störung (Havarie) in radialer Richtung, vorzugsweise nach oben, aus der Kühlstrecke herausnehmen zu können. In anderen Worten, die Düsenanordnung 10 belässt entlang der Förderrichtung F einen unverbauten Spalt oder Zugang Z, über den das Rohr R entfernt werden kann, sofern erforderlich. Der Arbeitsraum im Bereich des Zugangs Z ist nicht durch Leitungen, Rohre oder dergleichen verbaut. Die Abmessung des Zugangs Z ist größer als der Durchmesser des Rohrs R, um ein behinderungsfreies Entfernen des Rohrs R aus der Kühlstrecke zu gewährleisten.
Es wird somit eine Kühlstrecke geschaffen, die einerseits kurz genug ist, um noch ungeteilte Rohrstränge von beispielsweise bis zu 100 m Länge verarbeiten zu können, und aus der andererseits die Rohre R beispielsweise im Fall einer Störung leicht entfernt werden können, insbesondere ohne diese zuvor an den Sprühebenen S zerschneiden zu müssen.
Um trotz Verzicht auf konzentrische Verteilerringe eine gleichmäßige Kühlung entlang des Rohrumfangs zu gewährleisten, können die Düsen 14 so eingerichtet, angeordnet und ausgerichtet sein, dass die Menge des aufgesprühten Kühlmediums K entlang des Rohrumfangs im Wesentlichen konstant ist. In anderen Worten, der Durchsatz des Kühlmediums K pro Düse 14 und die Abstrahlrichtung können so eingestellt werden, dass eine symmetrische und konzentrische Kühlung erzielt oder zumindest näherungsweise erzielt wird. Im Fall geradliniger Verteilerrohre 12, wie in der 1 gezeigt, können zu diesem Zweck die Düsenlanzen 13 an den Randabschnitten länger als im Zentrum des entsprechenden Verteilerrohrs 12 ausgebildet sein, wodurch sich die Düsen 14 zumindest ungefähr auf einem gedachten Teilring befinden.
Die hierin dargelegte Kühlvorrichtung 1 ist geeignet, um die Rohre R auf Endtemperaturen von etwa 450°C bis 600°C abzukühlen, wodurch ein besonders feinkörniges Gefüge erzielbar ist. Im Anschluss an die Abkühlung durch die Kühlvorrichtung 1 kann das Rohr R durch Luftkonvektion weiter auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
In Verbindung mit einer vorgelagerten Walzstrecke erfolgt vorzugsweise zunächst eine Abkühlung des Mutterrohrs auf Temperaturen unterhalb des Ar1-Umwandlungspunkts und anschließend ein Wiedererwärmen auf Walztemperatur. Das Rohr R wird dann im Walzwerk gewalzt und zur anschließenden Schnellabkühlung an die Kühlvorrichtung 1 übergeben bzw. transportiert.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Kühlstrecke in mehrere Abschnitte unterteilt, wobei in einem ersten Abschnitt die Düsenanordnung 10 für ein Hochdrucksprühen, beispielsweise mit Drücken von mehr als 10 bar, und in einem in Förderrichtung F nachfolgenden Abschnitt für niedrigere Drücke eingerichtet ist. So sind im Hochdruckbereich Wärmeübergangszahlen von beispielsweise mehr als 10.000 W/(m²K) erzielbar.
Alternativ oder zusätzlich kann eine in Förderrichtung F gesehene abschnittsweise oder quasi-kontinuierliche Regelung von Druck- und/oder Durchflussmengen des Kühlmediums K in Abhängigkeit vom Produkt und/oder basierend auf Messwerten, Erfahrungswerten und/oder einem Prozessmodel realisiert sein.
Die Kühlvorrichtung 1 kann für einen diskontinuierlichen Betrieb eingerichtet sein, indem Düsenarme 11 beispielsweise entsprechend dem Durchlauf des vorderen Rohrendes zugeschaltet und mit Durchlauf des hinteren Rohrendes abgeschaltet werden können, wodurch verhindert werden kann, dass Kühlmedium K in das Rohr R eintritt. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Sensoren, die zur Erkennung der Rohrenden eingerichtet sind, innerhalb oder hinter der Kühlstrecke angeordnet sein.
Vorzugsweise befindet sich die Kühlstrecke vollständig oder abschnittsweise in einer Einhausung, um eine Kontamination der Umgebung mit Kühlmedium K zu vermeiden, insbesondere eine Sprühwasser- und Wasserdampfbelastung der Umgebung zu verringern. Für einen ähnlichen Zweck können Druckluftabstreifer verwendet werden, um einen Eintritt des Kühlmediums K in besonders gefährdete Einrichtungen, wie etwa radiometrische Wanddicken- oder sonstige Messstellen vor und/oder hinter der Kühlstrecke, zu vermeiden.
Die Förderrichtung F des Rohrs R entlang der Kühlstrecke kann geneigt (steigend oder fallend) sein, wodurch der Bauraum beim Übergang vom Walzwerk auf ein etwaiges Kühlbett verkürzt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Kühlstrecke in den Übergangsbereich zum Kühlbett integriert werden. Da der Sprühraum aufgrund des Zugangs Z nicht geschlossen ist, kann das Rohr R aus der Kühlstrecke herausgehoben und auf das Kühlbett übergeben werden.
Die hierin dargelegte Kühlvorrichtung 1 ist zudem für eine Kombination mit Zusatzkühlelementen im Walzwerk geeignet, um die Kühlwirkung zu verstärken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt im Walzwerk eine Absenkung der Einsatz- bzw. Walztemperatur, so dass eine niedrigere Endwalztemperatur als normalerweise üblich angewendet wird. So kann im Walzwerk eine Unterkühlung des Rohrs R auf eine Temperatur von ca. 30°C unterhalb des Ar3-Umwandlungspunkts erfolgen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargelegt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kühlvorrichtung
10: Düsenanordnung
11: Düsenarm
12: Verteilerrohr
13: Düsenlanze
14: Düse
20: Fluideinheit
21: Pumpe
R: Rohr
F: Förderrichtung
K: Kühlmedium
S: Sprühebene
Z: Zugang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2682485 B1 [0006]
WO 2016/035103 A1 [0008]

Claims

Kühlvorrichtung (1) zum Abkühlen eines nahtlosen, gewalzten Rohrs (R) aus einem Metall, vorzugsweise Stahl, die eine Düsenanordnung (10) mit einer oder mehreren Düsen (14) aufweist, die eingerichtet sind, um die Außenumfangsfläche des Rohrs (R) mit einem Kühlmedium (K), vorzugsweise Wasser oder einem Wassergemisch, zu beaufschlagen, während das Rohr (R) entlang einer Förderrichtung (F) durch eine Kühlstrecke der Kühlvorrichtung (1) transportiert wird, wobei die Düsenanordnung (10) einen Zugang (Z) aufweist, über den das Rohr (R) in radialer Richtung des Rohrs (R), vorzugsweise nach oben, aus der Kühlstrecke herausnehmbar ist.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung (10) ein oder mehrere Düsenarme (11) aufweist, die jeweils zumindest ein Verteilerrohr (12) und ein oder mehrere daran angebundene und sich davon erstreckende Düsenlanzen (13) mit jeweils einer oder mehreren Düsen (14) aufweisen.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner ein Fluidsystem aufweist, das eingerichtet ist, um die Verteilerrohre (12) mit dem Kühlmedium (K) zu versorgen, wobei vorzugsweise mehrere Verteilerrohre (12) zu jeweils einer Fluideinheit (20), die von einer gemeinsamen Pumpe (21) bedient und/oder von einem gemeinsamen Ventilsystem geschaltet wird, zusammengefasst sind.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerrohre (12) eingerichtet sind, um das Kühlmedium (K) in der Querschnittsebene des Rohrs (R) und/oder entlang der Förderrichtung (F) zu fördern.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstrecke kürzer als das Rohr (R) ist, vorzugsweise 8 bis 16 m lang ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder Ausrichtung und/oder der Volumendurchsatz einer oder mehrerer Düsen (14) der Düsenanordnung (10) einstellbar ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (14) der Düsenanordnung (10) so eingerichtet sind, dass mehrere Sprühebenen (S) gebildet werden, die vorzugsweise entlang der Förderrichtung (F) einstellbar sind.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eingerichtet ist, um das Rohr (R) auf eine Endtemperatur unterhalb des Ar3-Umwandlungspunkts, vorzugsweise auf etwa 450°C bis 600°C abzukühlen.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eingerichtet ist, um eine abschnittsweise oder quasi-kontinuierliche Regelung von Druck- und/oder Durchflussmengen des Kühlmediums (K), vorzugsweise in Abhängigkeit vom Produkt und/oder basierend auf Messwerten, Erfahrungswerten und/oder einem Prozessmodel, durchzuführen.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstrecke in mehrere Abschnitte unterteilt ist, wobei in einem ersten Abschnitt die Düsenanordnung (10) für ein Hochdrucksprühen, vorzugsweise mit Drücken von mehr als 10 bar, und in einem in Förderrichtung (F) nachfolgenden Abschnitt für niedrigere Drücke eingerichtet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese so für einen diskontinuierlichen Betrieb eingerichtet ist, dass ein oder mehrere Düsen (14) entsprechend mit Einlauf des Rohrs (R) in die Kühlstrecke zuschaltbar und mit Auslauf des Rohrs (R) aus der Kühlstrecke abschaltbar sind, wobei vorzugsweise ein oder mehrere Sensoren, die zur Erkennung der Rohrenden eingerichtet sind, innerhalb oder hinter der Kühlstrecke angeordnet sind.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner eine Einhausung, welche die Düsenanordnung (10) vollständig oder teilweise umgibt, und/oder einen oder mehrere Druckluftabstreifer aufweist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrichtung (F) des Rohrs (R) entlang der Kühlstrecke relativ zur Horizontalen geneigt ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese unmittelbar hinter einem Walzwerk zum Walzen des Rohrs (R) angeordnet ist, so dass das Rohr (R) in die Kühlstrecke eintritt, während es am hinteren Ende noch im Walzwerk eingebunden ist.
Vorrichtung mit einem Walzwerk, vorzugsweise Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk, und einer Kühlvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, die sich in Förderrichtung (F) hinter dem Walzwerk befindet und zum Abkühlen des durch das Walzwerk gewalzten Rohrs (R) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerk ein oder mehrere Kühlelemente aufweist, die eingerichtet sind, um die Temperatur des Rohrs (R) im Walzwerk unter den Ar3-Umwandlungspunkt zu senken, vorzugsweise um ca. 30° unter den Ar3-Umwandlungspunkt.