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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Walze in einem Walzgerüst zum Walzen von einem Walzgut, insbesondere Metallband.
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Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so z. B. aus der internationalen Patentanmeldung
US 2010/0089112 A1 . In den Figuren dort ist ein Walzgerüst gezeigt mit jeweils zwei gegenüberliegenden Arbeitswalzen, welche einen Walzspalt aufspannen zum Dickenreduzieren eines zu walzenden Walzgutes, insbesondere Metallbandes. Seitlich von den Arbeitswalzen sind Kühleinrichtungen angeordnet, entweder in Form eines Düsenbalkens mit Düsen zum Sprühen von Kühlmittel auf die Oberfläche der Walze (Sprühkühlung). Alternativ zu dieser Sprühkühlung offenbart die US-Patentanmeldung auch die Möglichkeit, eine Kühlschale vorzusehen, welche beabstandet gegen die Oberfläche der Walze angestellt wird zur Durchführung einer Wasserkissenkühlung. In beiden Fällen, d. h. sowohl bei der Sprühkühlung wie auch bei der Wasserkissenkühlung offenbart die US-Patentanmeldung Abstreifer, welche in Umfangsrichtung beabstandet zu der jeweiligen Kühleinrichtung angeordnet sind. Die Abstreifer sind jeweils zwischen der Kühleinrichtung und dem zu walzenden Walzgut angeordnet. Sie haben die Aufgabe, zu verhindern, dass im Falle einer Störung das zu walzende Walzgut die Kühleinrichtung beschädigt oder in den Kühlmittelspalt eindringt. Weiterhin hat der Abstreifer die Aufgabe, zu verhindern, dass Kühlmittel auf das Walzgut auftrifft und auf diese Weise dessen Oberflächengüte eventuell beeinträchtigt. Wenn auch nicht explizit offenbart, so kann davon ausgegangen werden, dass sich in einem Eckbereich zwischen dem Abstreifer und der Walze ein Kühlmittelstausee mit einem darin befindlichen Totwassergebiet ausbildet. Zur Veranschaulichung dieses Phänomens siehe die beigefügte
5 für den Fall einer Sprühkühlung und die ebenfalls beigefügte
6 für das Beispiel einer Konvektionskühlung. In diesen beiden
5 und
6, welche jeweils den Stand der Technik repräsentieren, bezeichnet das Bezugszeichen 20 eine Walze, insbesondere eine Arbeitswalze, das Bezugszeichen 40 das Kühlmittel, das Bezugszeichen 42 den Kühlmittelstausee, das Bezugszeichen 110 die Kühleinrichtung, 112 eine Düse des Kühlungsbalkens, 120 den Abstreifer und das Bezugszeichen 30 das Walzgut. WR bezeichnet die Transportrichtung des Walzgutes.
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Das Totwassergebiet zeichnet sich dadurch aus, dass es nur geringfügig von einer Strömung des Kühlmittels durchzogen wird und dass deshalb auch kaum Austausch des Kühlmittels in diesem Bereich erfolgt. In dem Totwasserbereich bilden sich zwar aufgrund der Rotation der Walze kleinere Wirbel aus; diese bewegen allenfalls das im Totwassergebiet bereits vorhandene Kühlmittel; sie sorgen jedoch nicht für einen wirksamen Kühlmittelaustausch.
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In dem Fachartikel „Implementation of High-Turbulence Roll Cooling at ArcelorMittal Dofasco's Hot Strip Mill“ in AIST.org, November 2014 ist offenbart, dass eine deutliche verbesserte Kühlwirkung an der Oberfläche der Walzen eines Walzgerüstes, insbesondere der dortigen Arbeitswalzen dadurch erreicht werden kann, dass eine hochturbulente Strömung entweder auf der Oberfläche der zu kühlenden Walze oder in einem Kühlspalt zwischen der Walzenoberfläche und einer Kühlschale generiert wird. Bei dem besagten Fachartikel ist der durch die Kühlschale aufgespannte Kühlmittelspalt bei der oberen Arbeitswalze nach unten, d. h. zu dem zu walzenden Walzgut hin abgedichtet. Die turbulente Strömung kann deshalb dort bereits unmittelbar oberhalb der besagten Abdichtung ansetzen und sie erstreckt sich typischerweise über die gesamte Länge des Kühlspaltes.
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In anderen Fällen dagegen, bei denen die besagte Abdichtung an der Unterseite der Kühlschale fehlt und bei welchen stattdessen der oben beschriebene Abstreifer zwischen der Kühleinrichtung und dem Walzgut angeordnet ist, bildet sich stattdessen der oben ebenfalls beschriebene Kühlmittelstausee zwischen der Kühleinrichtung und dem dazu beabstandeten Abstreifer aus. Der Kühlmittelstausee beinhaltet dann das besagte Totwassergebiet. Der Kühlmittelstausee wird durch einen Teil der Oberfläche der Walze begrenzt und bedeckt diesen folglich. Insbesondere über einen Winkelbereich β, über den sich das Totwassergebiet 44 erstreckt, siehe 5 und 6 zum Stand der Technik, ist die Ausbildung einer turbulenten Strömung zur Verbesserung der Kühlung der Walze nicht möglich, weil, wie gesagt, in dem Totwassergebiet nur ein minimaler Austausch des Kühlmittels erfolgt. Der Umfangswinkelbereich β der Walze 20 geht insofern für eine effektive Kühlung der Walze verloren. Das gilt auch deshalb, weil sich das Kühlmittel in dem Totwasserbereich im Laufe der Zeit aufgrund der Wärme der Walze aufwärmt und dann erst recht nur einen geringen Beitrag mehr zur Kühlung der Walze leistet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren und eine bekannte Vorrichtung zum Kühlen einer Walze in einem Walzgerüst zum Walzen von Walzgut bei konstruktionsbedingt vorhandenem Kühlmittelstausee mit integriertem Totwassergebiet dahingehend weiterzubilden, dass die Kühlung der Walze verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Demnach ist diese Lösung gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt: Einspritzen von zusätzlichem Kühlmittel in das Totwassergebiet hinein in einer zweiten Strömungsrichtung auf die zu kühlende Walze hin.
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Durch das Einspritzen des zusätzlichen Kühlmittels in das Totwassergebiet wird das darin befindliche Kühlmittel aufgemischt und zusammen mit dem zusätzlich eingespritzten Kühlmittel weitgehend aus dem Totwassergebiet entfernt. Das Totwassergebiet als solches wird auf diese Weise deutlich reduziert, indem das darin ursprünglich befindliche Kühlmittel durch das zusätzlich zugeführte Kühlmittel permanent ausgetauscht wird.
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Alleine schon durch die beschriebene Entstehung der Turbulenz in dem Totwassergebiet wird eine verbesserte Kühlwirkung auf die Walze erreicht.
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Die Begriffe „erste Strömungsrichtung“ und „zweite Strömungsrichtung“ beziehen sich lediglich auf den Bereich, wo die beiden Strömungen im Wesentlichen parallel zur Längserstellung des Abstreifers verlaufen, wenn auch im Wesentlichen in umgekehrter Richtung. Konkret werden das Kühlmittel aus der Kühleinrichtung 110 durch den Abstreifer in der ersten Strömungsrichtung von der Walze weg und das zusätzliche Kühlmittel in der zweiten Strömungsrichtung in Richtung des Totwassergebietes auf die Walze zu gespritzt.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zusätzliche Kühlmittel unter solch hohem Druck gespritzt, dass es das Totwassergebiet durchdringt und unmittelbar auf die Oberfläche der Walze trifft. Auf diese Weise wird die Turbulenz und der Kühlmittelaustausch im Bereich des Totwassergebietes deutlich gesteigert und damit einhergehend auch die Kühlwirkung.
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Besonders effektiv ist die verbesserte Kühlung natürlich dann, wenn die Temperatur des zusätzlichen eingespritzten Kühlmittels geringer ist als die Temperatur des Kühlmittels in dem Totwassergebiet. Die Temperatur des Kühlmittels in dem Totwassergebiet verringert sich dann aufgrund des eingespritzten kälteren zusätzlichen Kühlmittels und die angestrebte Kühlung der Walze wird dadurch deutlich verbessert.
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Eine weitere Steigerung der Kühlwirkung kann dadurch erreicht werden, dass das zusätzliche Kühlmittel nicht nur über einen Teilbereich, sondern über die gesamte Breite der Walze in das Totwassergebiet eingespritzt wird.
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Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 5. Diese Lösung ist gekennzeichnet durch mindestens eine Einspritzdüse zum Einspritzen von zusätzlichem Kühlmittel in einer zweiten Strömungsrichtung in das Totwassergebiet hinein und auf die zu kühlende Walze hin. Die Vorteile dieser vorrichtungstechnischen Lösung entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist die Einspritzdüse zum Spritzen des zusätzlichen Kühlmittels auf dem Abstreifer montiert; diese Konstruktion ist besonders einfach.
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Die Kühleinrichtung kann entweder in Form eines Düsenbalkens oder einer Kühlschale ausgebildet sein. Im Falle des Kühlbalkens erfolgt eine Sprühkühlung; das Kühlmittel wird mittels Düsen auf die Oberfläche der Walze aufgesprüht. Im Falle einer Kühlschale erfolgt eine Konvektionskühlung; das Kühlmittel strömt in einem Kühlspalt zwischen der Oberfläche der Walze und der komplementär, d. h. konkav ausgeformten Kühlschale an der Oberfläche der Walze entlang und bewirkt auf diese Weise eine Kühlung derselben.
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Die erfindungsgemäße Verringerung des Totwasserbereiches mit einhergehender Verbesserung der Walzenkühlung kann sowohl angewandt werden auf Walzen, die oberhalb des zu walzenden Walzgutes angeordnet sind, wie auch auf Walzen, welche unterhalb des zu walzenden Walzgutes angeordnet sind. Die Einspritzdüse zum Spritzen des zusätzlichen Kühlmittels ist erfindungsgemäß in einem solchen Winkel α gegen den Abstreifer angestellt, dass für den Winkel α zwischen der Längserstreckung des Abstreifers und der zweiten Strömungsrichtung gilt: 0° ≤ α ≤ 90°, bevorzugt kleiner 70°, besonders bevorzugt kleiner 45°.Vorzugsweise ist der Winkel α möglichst klein, d. h. die zweite Strömungsrichtung sollte möglichst lange parallel zur Längserstreckung des Abstreifers verlaufen. Dadurch wird erreicht, dass das zusätzliche Kühlmittel tatsächlich in den Eckbereich zwischen dem Abstreifer und der Walze gelangen kann und auf diese Weise das Totwassergebiet möglichst weitgehend zerstört wird. Durch umgebungsbedingte Einschränkungen kann es jedoch sein, dass dies nicht möglich ist; dann muss der Winkel α entsprechend vergrößert werden. Einfluss auf den Winkel α und somit auf die Größe des verbleibenden Totwassergebietes hat auch der Abstand a, welcher die Länge des Strömungsweges des zusätzlichen Kühlmittels zwischen seinem Kühlmittelaustritt aus der Einspritzdüse und dem Kontaktpunkt von Abstreifer und Arbeitswalze bezeichnet. Wird der Abstand relativ klein und ist der Winkel α relativ groß, dann rückt der Kühlmittelaustritt relativ nahe an den Kontaktpunkt Abstreifer/Walze. Das verbleibende Totwassergebiet wäre dann relativ klein, wie gewünscht. Umgekehrt, wenn der Abstand a groß ist, so ist der optimale Anströmwinkel möglichst klein zu wählen, d. h. der Winkel α sollte gegen 0° gehen.
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Optimal wäre, dass der Kühlmittelaustritt auf den Mittelpunkt der Walze ausgerichtet ist. Mit einem kleinen Abstand a und einem korrespondierenden Winkel α kann das Totwassergebiet entsprechend minimiert werden. Ist dies aus bestimmten Gründen, die z. B. die Umgebung vorgibt, nicht möglich, so kann das Totwassergebiet mit Hilfe der angelegten Strömung minimiert werden. Dabei ist die Drehung der Walze, insbesondere der Arbeitswalze hilfreich.
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Der Erfindung sind insgesamt 6 Figuren beigefügt, wobei
- 1 die Erfindung am Beispiel einer oberhalb des Walzgutes angebrachten Arbeitswalze;
- 2 die Erfindung am Beispiel einer unterhalb des Walzgutes angebrachten Arbeitswalze;
- 3 1 mit einem anderen Einspritzwinkel für das zusätzliche Kühlmedium;
- 4 ein mögliches Spritzbild, d. h. Kühlmuster über der Walzenbreite
- 5 den Stand der Technik für eine Sprühkühlung; und
- 6 den Stand der Technik für eine Konvektionskühlung
zeigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form vom Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren, auch den 5 und 6 zum Stand der Technik, sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus den 5 und 6 betreffend jeweils die obere Arbeitswalze in Vergrößerung, allerdings mit erfindungsgemäßer Ergänzung. 1 zeigt eine Walze 20, welche oberhalb eines zu walzenden Walzgutes angeordnet ist und sich in Pfeilrichtung U1 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Der Pfeil bezeichnet gleichzeitig die Umfangsrichtung U1 der Walze 20.
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Im Unterschied zum Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen der Walze mindestens eine zusätzliche Einspritzdüse 130 auf zum Einspritzen von zusätzlichem Kühlmittel 48 in einer zweiten Strömungsrichtung D2 in das Totwassergebiet 44 hinein und auf die zu kühlende Walze 20 hin. Der Verlauf der Strömung des zusätzlich eingespritzten Kühlmittels 48 ist in 1 durch die Pfeillinien dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass das zusätzliche Kühlmittel unter einem Einspritzwinkel α von hier beispielhaft α = 0° zum Abstreifer 120 direkt in das Totwassergebiet 44 hineingespritzt wird und dieses aufmischt. Das ursprünglich kaum bewegte Kühlmittel in dem Totwasserbereich, d. h. im Eckbereich zwischen dem Abstreifer 120 und der Walze 20, wird durch das zusätzlich eingespritzte Kühlmittel 48 aus dem Totwasserbereich verdrängt und zusammen mit dem Kühlwasser aus der Kühleinrichtung 110 letzten Endes in der ersten Strömungsrichtung D1 aus dem Kühlmittelstausee von der Walze weg abgeleitet.
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Alleine schon durch den besagten Kühlmittelaustausch in dem Totwassergebiet 44 wird bereits eine verbesserte Kühlung der Walze im Winkelbereich β der Walze bewirkt. Dies gilt jedoch erst recht dann, wenn das zusätzliche Kühlmittel deutlich kälter ist als das ursprünglich in dem Totwassergebiet 44 angesammelte und von der Walze 20 erwärmte Kühlmittel.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einspritzdüse zum Einspritzen des zusätzlichen Kühlmittels 48 auf dem Abstreifer 120 montiert, wie in 1 gezeigt. Die Einspritzdüse 130 wird über eine Zuleitung 132 mit dem zusätzlichen Kühlmittel versorgt. Das Kühlmittel ist vorzugsweise Wasser. Das zusätzliche Kühlmittel wird vorzugsweise nicht nur über eine, sondern über eine Mehrzahl von Sprühdüsen 130, welche über die Breite der Walze 20 verteilt angeordnet sind, in das Totwassergebiet 44 des Kühlmittelstausees 42 eingespritzt. Die Einspritzung erfolgt vorzugsweise so, dass die Ausdehnung des Totwassergebietes möglichst minimiert wird. Je kleiner das Totwassergebiet wird und je kleiner das verbleibende Totwassergebiet ist, desto größer ist die Kühlwirkung auf die Walze 20. Gemäß 1 ist die Einspritzdüse 130 so ausgerichtet, dass das zusätzliche Kühlmittel in der zweiten Strömungsrichtung D2 parallel zur Längserstreckung des Abstreifers 120 in das Totwassergebiet 44 eingespritzt wird. Der Winkel α ist in diesem Fall zumindest näherungsweise 0°.
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Aufgrund von umgebungsbedingten Einschränkungen kann es sein, dass es nicht möglich ist, den Strahl des zusätzlichen Kühlmittels parallel zum Abstreifer 120 zu führen. Dann kann der Winkel α auch größer 0 mit 0° ≤ α ≤ 90°, vorzugsweise bevorzugt 70°, besonders bevorzugt 45°gewählt werden, siehe 3. Einfluss auf den Winkel α und somit auf die Größe des Totwassergebietes 44 hat auch der Abstand a gemäß 1. Dieser Abstand a beschreibt die Länge zwischen dem Austritt des zusätzlichen Kühlmittels 48 aus der Einspritzdüse 130 und dem Kontaktpunkt bzw. Eckpunkt zwischen dem Abstreifer 120 und Oberfläche der Walze 20. Wird der Abstand a kleiner, d. h. rückt der Austritt des zusätzlichen Kühlmittels relativ nahe an den Kontaktpunkt Abstreifer/Walze, so ist der Winkel α zu vergrößern, siehe 3. Dort gilt a1 < a und α > 0°, hier beispielhaft α = 47°. Das Totwassergebiet 44 ist dann relativ klein. Umgekehrt, wenn der Abstand a groß gewählt wird, so ist der optimale Anströmwinkel möglichst klein zu wählen, bzw. sollte dann der Winkel α gegen 0° gehen. Abgekürzte Schreibweise: je größer der Abstand a ist, desto kleiner sollte der Winkel α gewählt werden; und umgekehrt. Die Parameter Abstand a und Winkel α sind den jeweiligen Umgebungsbedingungen anzupassen und können dann jeweils optimal gewählt werden. Optimal bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das verbleibende Totwassergebiet möglichst klein werden soll.
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Bei dem zusätzlichen Kühlmittel handelt es sich vorzugsweise um frisches Wasser, welches vorzugsweise deutlich kälter ist als das in dem ursprünglichen Totwassergebiet 44 befindliche Wasser. Es wird vorzugsweise durch das Totwassergebiet 44 hindurch auf die Oberfläche der Walze 20 gespritzt; dort findet dann ein Wärmeaustausch mit der Walzenoberfläche statt. Die Kühlwirkung der Walze 20 wird auf diese Weise insgesamt deutlich verbessert, weil das Totwassergebiet 44, repräsentiert durch den Winkelbereich β, der traditionell nicht oder nur wenig zur Kühlung beitrug, deutlich verringert werden kann. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird der Abstand a minimiert und der Winkel a, welcher die zweite Strömungsrichtung D2 für das zusätzliche Kühlmittel 48 bezeichnet, derart vergrößert, dass eine optimale Kühlwirkung entsteht, siehe 3.
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Diese Betrachtungen gelten analog für eine Walze, insbesondere eine Arbeitswalze und einen Kühlmittelstausee 42, die auf der Unterseite des Walzgutes angeordnet sind; siehe 2. Wie gesagt, bewirkt die vorliegende Erfindung insbesondere eine Verbesserung bzw. eine Steigerung der Effektivität der Kühlung der Walze 20 in den Fällen, in denen sich während des Betriebs der Walze ein Kühlmittelstausee 42 zwischen der Walzenoberfläche und dem Abstreifer 120 bildet.
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Durch die Erfindung wird ein in dem Kühlmittelsee vorhandenes Totwassergebiet 44 in seiner Ausdehnung, welche durch den Winkel β repräsentiert wird, verringert. Dies hat den Vorteil, dass ein größerer Umfangswinkelbereich der Walze effektiv gekühlt werden kann. Die Verringerung des Totwassergebietes 44 erfolgt mit Hilfe der vorliegenden Erfindung typischerweise entgegen der Drehrichtung U1 der Walze. Dies bedeutet, dass sich der Winkel β insofern verkleinert, als dass sich der dem Eckpunkt Walzenoberfläche/Abstreifer 120 abgewandte Schenkel des Winkels β auf den Schenkel zubewegt, welcher durch den besagten Eckpunkt geht. In Drehrichtung der Walze gesehen bedeutet dies vorteilhafterweise, dass der Zeitpunkt des Beginns der Kühlung in Drehrichtung der Walze zeitlich früher liegt, als wenn das Totwassergebiet 44 noch vollständig ausgedehnt ist, wie im Stand der Technik üblich. Auf diese Weise wird damit auch die Zeitdauer minimiert, die der Wärme zur Verfügung steht, um in die Walze 20 einzudringen. Gemeint ist dabei diejenige Wärme, die durch die Temperatur des Walzgutes und den Umformprozess des Walzens in die Oberfläche der Walze 20 eingebracht wird.
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4 zeigt eine Draufsicht auf ein zu walzendes Walzgut 30, insbesondere ein Metallband während dieses von einer Walze 20 gewalzt wird. Der Walze ist eine Mehrzahl einzelner Einspritzdüsen 130 über der Breite der Walze verteilt zugeordnet, die wiederum über eine Zuleitung 132 versorgt werden. Die Düsen 130 dienen zum Aufspritzen des zusätzlichen Kühlmittels auf die Walze 20. Erfindungsgemäß können diese Düsen 130 in beliebiger Weise angesteuert werden bzw. angeordnet oder ausgebildet sein, sodass sie ein beliebiges Spritzbild bzw. Kühlmuster 133 über der Breite der Walze 20 verteilt erzeugen können. So kann die Verteilung des ausgebrachten zusätzlichen Kühlmittels z. B. parabolisch, konkav oder konvex, rechteckförmig, dreiecksförmig oder aus einer Kombination der genannten unterschiedlichen Formen gestaltet sein. Die Verteilung ist vorzugsweise jederzeit änderbar.
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Das Kühlmuster 133 kann so ausgestaltet sein, dass es zumindest näherungsweise proportional zu dem sogenannten thermischen Crown, d. h. der radialen Ausdehnung der Walze über ihre Breite ausgebildet ist. D. h.: Dort wo die radiale Ausdehnung der Walze am größten ist, soll auch die Kühlung am größten sein, und umgekehrt. In diesem Fall dient das zusätzliche Kühlmittel nicht nur zur Verringerung des Totwassergebietes, sondern auch dazu, den besagten thermischen Crown zu reduzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Walze
- 30
- Walzgut
- 40
- Kühlmittel
- 42
- Kühlmittelstausee
- 44
- Totwassergebiet
- 48
- zusätzliches Kühlmittel
- 100
- Vorrichtung
- 110
- Kühleinrichtung
- 112
- Düse
- 115
- Kühlmittelspalt
- 120
- Abstreifer
- 130
- Einspritzdüse
- 132
- Zuleitung
- 133
- Spritzmuster
- α
- Spritzwinkel der Einspritzdüse zum Abstreifer
- β
- Winkel Größe Überdeckungsbereich Totwassergebiet
- a
- Abstand
- D1
- erste Strömungsrichtung
- D2
- zweite Strömungsrichtung
- U1
- Umfangsrichtung/Drehrichtung der Walze
- WR
- Förderrichtung des zu walzenden Walzgutes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0089112 A1 [0002]
