DE1558798B2

DE1558798B2 - Verfahren zur kuehlung von eine temperatur von ueber 371 grad c aufweisenden formkoerpern aus kupfer, aluminium oder legierungen dieser metalle

Info

Publication number: DE1558798B2
Application number: DE1967O0012453
Authority: DE
Inventors: Joseph Bethany Conn. Clumpner (V.St.A.)
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1967-04-24
Filing date: 1967-04-24
Publication date: 1977-03-03
Also published as: DE1558798A1

Description

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In der Metallindustrie spielt das Erhitzen und die Wärmeübertragung eine überaus wichtige Rolle, z. B. bei den Fabrikationsstufen des Gießens, Vorerhitzens, Warmwalzens, Anlassens, des Lösungsglühens, des Abschreckens und Alterns.

Insbesondere erfordern Formkörper, wie Bänder, Bleche oder Preßstücke aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen dieser Metalle ein schnelles Abkühlen von Temperaturen über 371°C auf Umgebungstemperaturen, wobei das Arbeiten um so wirtschaftlicher ist, desto schneller das Abkühlen erfolgt.

Außerdem werden derartige Verarbeitungsschritte häufig am sich fortbewegenden Band durchgeführt, so daß es außerordentlich erwünscht ist, ein Verfahren zu entwickeln, das eine extrem schnelle Wärmeabführung erlaubt, damit Größe und Kosten von Abschreckanlagen begrenzt werden können.

Bei derartigen Verarbeitungsschritten müssen die Formkörper, wie Bleche, Bänder oder Preßlinge, innerhalb von Sekunden auf Umgebungstemperaturen gekühlt werden.

Das Abkühlen eines sich schnell bewegenden Bandes erläutert die Probleme, denen man sich in der Technil gegenübersieht. Beispielsweise bewegt sich ein Kupfer oder Aluminiumband von 2,54 cm Dicke längs eine: Produktionsstraße mit einer Geschwindigkeit von 182,S Meter pro Minute, wobei das Band von eine; Anfangstemperatur von 538°C auf unter 149⁰C gekühk wird. Bei der Verwendung üblicher Abschreckverfah ren, wie das Bespritzen des Bandes mit Wasser untei Verwendung von Spritzdüsen, die bei einem Druck vor 4,2 kp/cm² arbeiten, oder Durchleiten des Bandes durch einen Tauchtank mit gerührtem kalten Wasser sine wenigstens 8 Sekunden nötig, um die gewünschte Abkühlung zu erreichen. Da die Bandgeschwindigkeii 182,9 Meter pro Minute beträgt, bewegt sich das Band in 8 Sekunden 24,3 Meter weit fort. Dies bedeutet, daß eine übliche Abschreckanlage für das heiße Band wenigstens 24,3 Meter lang sein muß. Aus praktischen Gesichtspunkten wäre es daher sehr erwünscht, die Länge der Kühlzone abzukürzen, wobei offenbar eine Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit die Kühlzone verkürzen und beträchtliche finanzielle Ersparnisse zur Folge haben würde.

Leider wird jedoch die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit durch eine feste Oberfläche auf ein flüssiges Kühlmittel durch den Aufbau eines Dampffilmes in Berührung mit der Oberfläche, der als Sperre gegenüber der Wärmeübertragung wirkt, begrenzt. Dieser Dampffilm wird durch teilweises Verdampfen des flüssigen Kühlmittels an der auf hoher Temperatur befindlichen Oberfläche gebildet, und die niedrige Wärmeübertragungsgeschwindigkeit durch diesen Film reduziert drastisch die Kühlungsgeschwindigkeit, die durch die Verwendung flüssiger Kühlmittel erreicht werden kann.

Versuche, diese niedrigen Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten durch Aufspritzen von Wasser auf die heißen Metalloberflächen mit einer Temperatur oberhalb 371°C mittels üblicher Kühlmittelspritzdüsen bei Drücken bis zu 4,9 kp/cm² zu erhöhen, haben keine wesentlich höheren Abkühlungsgeschwindigkeiten erzielt als die durch Tauchabschreckung, also durch unmittelbares Eintauchen des erhitzten Formkörpers in eine unbewegte oder bewegte Flüssigkeitsmenge erzielbaren.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Kühlungsverfahren für Formkörper aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen dieser Metalle mit einer Temperatur über 371 °C zur Verfügung zu stellen, bei dem die gesamte Oberfläche extrem schnell auf Umgebungstemperaturen abkühlt und welches sich auch im technischen Maßstab ohne speziellen Aufwand durchführen läßt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung von eine Temperatur von über 37 Γ C aufweisenden Formkörpern aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen dieser Metalle mit einer Oberflächenabkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 83° C/s, ist dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche mit einem Strahl wäßriger Flüssigkeit in Tröpfchenform bespritzt wird, wobei

(1) der Strahl aus einer 15 bis 61 cm von der Metalloberfläche entfernten Düse gespritzt wird,

(2) der Strahl mit einem Druck von 10,5 bis 42 kp/cm² aufgespritzt wird,

(3) die Tröpfchen eine Geschwindigkeit von 30,5 bis 92 Meter pro Sekunde besitzen und

(4) die Kühlmittelmenge wenigstens 0,081 Liter pro Minute pro cm² der Oberfläche über die Aufschlagfläche beträgt.

Erfindungsgemäß wird die Wärme aus der gesamten Oberfläche eines Formkörpers mit einer hohen Körpertemperatur, die über dem Siedepunkt einer wäßrigen Kühlflüssigkeit liegt, dadurch abgeführt, daß die Materialoberfläche der Einwirkung von Tröpfchen mit kleinem Radius der Kühlflüssigkeit bei einer sehr hohen Geschwindigkeit, die zur Durchdringung des auf der Oberfläche durch Verdampfung der Flüssigkeit gebildeten Dampffilms ausreicht, ausgesetzt wird. Überraschenderweise wurde gefunden, daß es auf diese Weise möglich ist, die gesamte Oberfläche eines großen Formkörpers aus Kupfer oder Aluminium oder Legierungen dieser Metalle von Temperaturen über dem Siedepunkt der wäßrigen Kühlflüssigkeit mit einer bedeutend größeren Geschwindigkeit als die durch Tauchabschreckung erzielbare Kühlgeschwindigkeit abzukühlen.

Es wurde jedoch gefunden, daß eine solche »Superabschreckung«, d. h. eine größere Kühlgeschwindigkeit als die durch unmittelbares Eintauchen erreichbare Geschwindigkeit, nur dann erzielt werden kann, wenn die Flüssigkeit an die zu kühlende Metalloberfläche in der Form räumlich voneinander getrennter Flüssigkeitströpfchen von kleinem Radius gebracht wird und wenn außerdem die lineare Geschwindigkeit der an die zu kühlende Oberfläche gebrachten Flüssigkeit ausreichend hoch ist, um ein Durchdringen und Passieren des an der Formkörperoberfläche gebildeten Dampffilms zu gestatten. Die hohe lineare Geschwindigkeit der auf die Metalloberfläche gespritzten Kühlflüssigkeit ist wesentliehe Bedingung für die Verwirklichung sehr hoher Kühlgeschwindigkeiten über diejenige Kühlgeschwindigkeit hinaus, die durch Tauchabschreckung entweder in ruhender oder in fließender Kühlflüssigkeit erhalten wird. Zum Beispiel wird bei einer Oberflächentemperatür von 482°C erfindungsgemäß eine Oberflächenkühlgeschwindigkeit von etwa 166,6° C pro Sekunde erzielt, wenn das wäßrige Kühlmittel bei einem Druck von 14kp/cm² aufgespritzt wird. Im Gegensatz hierzu sind die durch Tauchabschreckung oder Spritzabschreckung bei Drücken bis zu 4,9 kp/cm² erreichbaren Kühlgeschwindigkeiten auf etwa 27,8° C pro Sekunde begrenzt, wenn die Oberflächentemperatur des abzuschreckenden Formkörpers 482° C beträgt.

Es war bereits bekannt, bei Metallbändern oder -blechen dadurch eine bestimmte Gefügestrüktur im Anschluß an eine Walzbehandlung auszubilden, daß man durch einseitiges Aufspritzen von Kühlmittel auf den betreffenden Teil der Oberfläche einen Temperaturgradienten innerhalb des Walzgutes erzeugt, wobei die Inhomogenität des Abkühlungsvorganges Voraussetzung für den angestrebten technischen Effekt ist. Demgemäß werden auch keine speziellen Bedingungen für die Art, in welcher das Kühlmittel auf die Oberfläche auftreffen muß, genannt, sondern es kommt nur darauf an, in dem Formkörper einen Temperaturgradienten aufrechtzuerhalten, bis sich die gewünschte Gefügestruktur stabilisiert hat.

Erfindungsgemäß muß hingegen die gesamte Oberfläche des abzukühlenden Formkörpers mit den Kühlmitteltröpfchen in Berührung kommen, wobei die Mindestkühlmittelmenge je Flächeneinheit durch das Merkmal (4) vorgegeben ist und nicht unterschritten werden darf.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf das Kühlen von Formkörpern aus Aluminium oder Kupfer bzw. aus Legierungen dieser Metalle anwendbar, deren gesamte Oberfläche eine Temperatur über 37 ΓC, vorzugsweise über 426° C hat, da dann die vorstehend erörterten Probleme einer Dampfsperrenwirkung besonders deutlich auftreten.

Formkörper aus Kupfer und Aluminium und aus Legierungen dieser Metalle geben Anlaß zu besonderen Kühlungsproblemen wegen der Tatsache, daß sie Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind und ein hohes Wärmediffusionsvermögen besitzen. Das Wärmediffusionsvermögen ist eine Materialeigenschaft, die als Wärmeleitfähigkeit dividiert durch die Wärmekapazität pro Volumeneinheit definiert ist. Das Wärmediffusionsvermögen eines Materials gibt eine genaue Anzeige dafür, wie schnell die Wärme aus dem Innern eines Materials zu dessen Oberfläche diffundiert, wenn ein Formkörper daraus abgeschreckt wird.

Zum Beispiel betragen bei Kupfer und Aluminium die Wärmediffusionswerte etwa 0,9 cm²/sec. Zum Vergleich beträgt das Wärmediffusionsvermögen für Flußstahl etwa 0,129 cm²/sec. Diese Werte zeigen, daß bei gleicher Gestalt in Formkörpern aus Aluminium oder Kupfer die Wärme etwa siebenmal schneller fließt als in Formkörpern aus Flußstahl.

Wegen dieses schnelleren Wärmeflusses im Inneren der Formkörper ist es schwieriger, die Oberflächen von Formkörpern aus Kupfer und Aluminium schneller abzukühlen als die Oberfläche von Flußstahl. Sobald Wärme aus der Oberfläche der Kupfer- und Aluminiumformkörper abgezogen wird, wandert Wärme aus dem Innern schnell an die Oberfläche und hält diese Oberfläche auf fast der gleichen Temperatur wie das Innere des Formkörpers. Im Gegensatz dazu fließt zum Beispiel bei Wärmeentzug aus der Oberfläche eines Flußstahlformkörpers die Wärme aus dem Innern langsamer nach und erleichtert so die Abkühlung der Oberfläche auf eine Temperatur, die wesentlich niedriger ist als die des Innern.

Erfindungsgemäß wird praktisch die gesamte Oberfläche des Formkörpers mit einem Strahl hoher Geschwindigkeit einer wäßrigen Flüssigkeit bespritzt, der die Form kleiner Tröpfchen hat, um die Dampfsperre zu durchdringen. Der Strahl wird vorzugsweise aus einer Entfernung von 15 bis 38,1 cm von der Metalloberfläche aufgedüst, wobei der Spritzdruck vorzugsweise 14 bis 28 kp/cm² beträgt.

Bei größeren Entfernungen der Düse von der Metalloberfläche neigt die Tröpfchengeschwindigkeit zur Verlangsamung, und die Tröpfchen werden weniger wirksam bei der Durchdringung der Dampfsperre.

Drücke oberhalb 28 kp/cm² sind zwar aufwendiger zu realisieren und erfordern kompliziertere Vorrichtungen, sie können jedoch bei Bedarf für bestimmte Ausführungsformen ohne Schwierigkeiten angewendet werden.

Die Kühlmittelmenge beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,81 Liter pro Minute pro cm² der Oberfläche über die Aufschlagfläche.

Erfindungsgemäß läßt sich ein überraschender Effekt der »Superabschreckung« erhalten, d. h. die gesamte Metalloberfläche wird mit einer überraschenden Geschwindigkeit von vorzugsweise mehr als 138,9° C pro Sekunde abgekühlt. Bei Drücken über 21 kp/cm² werden sogar Kühlgeschwindigkeiten von mehr als 222°C pro Sekunde erhalten. Diese Geschwindigkeiten werden auf Momentanbasis bestimmt, d. h. sie werden bestimmt in dem Augenblick, wo die Formkörperoberfläche auf 482°C ist. Anders ausgedrückt, befindet sich der Formkörper auf 482° C, so kühlt er in diesem Augenblick mit mindestens dieser Geschwindigkeit ab.

Diese Geschwindigkeiten können durch übliche Methoden errechnet werden, oder sie können durch Aufzeichnung von genau gemessenen Oberflächentemperaturen als Funktion der Abschreckzeit erhalten werden.

Die Erfindung ist insbesondere auf Bänder, Bleche oder Preßlinge von Aluminium und Kupfer bzw. Legierungen dieser Metalle anwendbar und kann am vorteilhaftesten angewendet werden, wenn diese Formkörper transportiert werden. Bei großtechnischer Anwendung wird bevorzugt, eine Vielzahl in Abständen voneinander angebrachter Wasserstrahlen zu verwenden, insbesondere wenn große Formkörper vorliegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf jeden Formkörper aus Aluminium, Kupfer, Aluminiumlegierungen oder Kupferlegierungen anwendbar. Es wird ein Kühlmittel auf der Basis von Wasser verwendet. Dem Wasser können Substanzen zugesetzt sein, oder das Wasser kann mit anderen Kühlmitteln vermischt sein, um besondere Resultate gemäß der Erfindung zu erzielen. Zum Beispiel können dort, falls bei bestimmten Kühlvorgängen chemische Reaktionen mit der Oberfläche oder Fleckenbildung vermieden werden sollen, dem Kühlwasser chemische Inhibitorzusätze zugegeben werden. Es können auch oberflächenaktive Mittel oder ähnliche Substanzen verwendet werden.

Wasser ist das bevorzugte Kühlmittel, da es in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht und eine besonders hohe latente Verdampfungswärme von annähernd 550 cal/g besitzt.

Die nachfolgenden Beispiele erläutern das erfindungsgemäße Verfahren.

B e i s ρ i e 1 1

Eine quadratische Aluminiumplatte von 1,27 cm Dicke und 15,2 cm Kantenlänge wurde auf der Rückseite isoliert und wie folgt mit Thermoelementen versehen:

1. ein Thermoelement wurde in die Platte nahe deren Vorderfläche eingebettet;

2. ein Thermoelement wurde 1,27 cm von der Oberfläche entfernt nahe der Rückseite eingebettet.

Die Thermoelemente wurden so angebracht, daß sie kontinuierlich die Temperaturen an der Vorderseite und der Rückseite der Platte messen und wiedergeben konnten.

Die isolierte Platte mit den Thermoelementen wurde dann auf eine Temperatur von etwa 537° C erhitzt. Die Platte wurde mit Wasser in der Form kleiner Tröpfchen bei einem Druck von etwa 19,3 kp/cm² und einer Geschwindigkeit von etwa 45,6 m/sec bespritzt. Das Wasser wurde auf die Oberfläche der Platte in Form kleiner Tröpfchen aufgespritzt, um die Dampfsperre zu durchdringen, die sich auf der Plattenoberfläche durch Verdampfung der Flüssigkeit ausbildete. Die Eingangstemperatur des Wassers betrug etwa 32°C. Das Wasser strömte mit einer Geschwindigkeit von annähernd 0,405 Litern pro Minute pro cm² Oberfläche über die Aufschlagfläche.

Sowohl die Vorder- wie die Rückseite der Platte wurden in weniger als Vh Sekunden auf unter 149°C gekühlt, obwohl kein Wasser auf die Rückseite gespritzt wurde und die Rückseite mit Isoliermaterial bedeckt war. Im Gegensatz dazu wurde das gleiche Probestück, das in der gleichen Weise isoliert war, durch Eintauchen in Wasser von 32° C gekühlt. Die Vorderfläche erreichte 149°C in etwa 5 Sekunden, und die Rückseite erreichte 149° C auch nach etwa 7 Sekunden noch nicht.

Die momentane Kühlgeschwindigkeit bei etwa 482°C des bespritzten Probestückes betrug 161°C pro Sekunde bei der Vorderfläche, während bei dem durch Eintauchen abgeschreckten Probestück die Kühlgeschwindigkeit nur etwa 27,8° C pro Sekunde betrug.

Vergleichsbeispiel 2

Eine Stahlplatte mit den gleichen Abmessungen wie die Aluminiumplatte in Beispiel 1 wurde isoliert und in dergleichen Weise wie in Beispiel 1 mit Thermoelementen versehen. Das Verfahren in diesem Versuch war sonst identisch wie in Beispiel 1. Die Stahlplatte wurde dann auf eine Temperatur von etwa 537°C erhitzt und mit einem Spritzstrahl kleiner Tröpfchen wie in Beispiel 1 gekühlt.

Die Temperaturen auf der Vorderseite und der Rückseite der Stahlplatte wurden kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet. Die Vorderfläche wurde auf weniger als 149° C in etwa 6 Sekunden abgekühlt, während die Rückseite wesentlich länger brauchte und nach 6 Sekunden noch immer etwa 315,5°C hatte. Die momentane Kühlgeschwindigkeit an der Vorderfläche betrug 361 ° C pro Sekunde.

Diese Zahlen bestätigen das ganz unterschiedliche Verhalten der Metalle Aluminium bzw. Stahl. Insbesondere ist beachtlich, daß die Rückseite der Stahlplatte mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit gekühlt wurde, verglichen mit der Vorderseite, was auf der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit des Stahls beruht.

Beispiel 3

Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wurde unter den gleichen Spritzbedingungen wiederholt, jedoch wurde der Spritzdruck variiert. Die Kühlgeschwindigkeiten sind in folgender Tabelle angegeben:

Tabelle

Spritzdruck.	Momentane Kühlge-
kp/cm²	schwindigkeit bei
	482° C, in °C/sec.
1.8	27,8
3.5	27,8
5,3	38,9
7,0	55,5
10.5	133,3
14	166,6
18	194,4
21	222,2
25	250

Der scharfe Anstieg der Kühlgeschwindigkeit bei Drücken über 10,5 kp/cm² ist deutlich und zeigt die Wichtigkeit des Spritzens bei hohen Drücken. Es ist überraschend, daß bei den niedrigeren Druckbereichen nur ein kleiner Anstieg der Kühlgeschwindigkeit erhalten wird, während im scharfen Gegensatz dazu die höheren Drücke einen wesentlichen Anstieg der Kühlgeschwindigkeit ermöglichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kühlung von eine Temperatur von über 371⁰C aufweisenden Formkörpern aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen dieser Metalle mit einer Oberflächenabkühigeschwindigkeit von mindestens 83°C/s, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche mit einem Strahl wäßriger Flüssigkeit in Tröpfchenform bespritzt wird, wobei

(2) der Strahl mit einem Druck von 10,5 bis 42 kp/cm² aufgespritzt wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formkörper mit einer Temperatur von über 426°C mittels der Maßnahmen (1) bis (4) gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl aus einer 15 bis 38,1 cm von der Metalloberfläche entfernten Düse gespritzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl mit einem Druck von 14 bis 28 kp/cm² aufgespritzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelmenge 0,2 bis 0,81 Liter pro Minute pro cm² der Oberfläche über die Aufschlagfläche beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenabkühlgeschwindigkeit mehr als 138,9° C/s beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Bänder, Bleche oder Preßlinge gekühlt werden.