DE19545101A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von Hütten- und Walzwerkserzeugnissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abkühlen von Hütten- und Walzwerkserzeugnissen, die entweder direkt aus einem Gußstrang, z. B. einer Dünnbrammen-Stranggießanlage, oder indirekt durch Auswalzen von Brammen erzeugt werden, wie Bleche, Stangen oder Blech-Bunde, mit einem den Kühlprozeß unterstützenden Kühlmedium.

Solchermaßen hergestellte Erzeugnisse weisen Temperaturen bis 800°C auf, und zur Weiterverarbeitung durch Walzen, Schleifen etc. muß die Temperatur um mehrere 100°C abgesenkt werden. Das geschieht im Regelfall durch Abkühlen in Heißgutlägern, in denen die flächig gelagerten oder gestapelten Erzeugnisse an der Raumluft abkühlen. Eine Beschleunigung des Abkühlvorgangs durch eine Zwangsbelüftung ist zwar möglich und wird auch praktiziert, führt aber meist zu einer unerwünscht inhomogenen Temperaturverteilung sowohl an der Oberfläche als auch am Inneren des Kühlgutes, d. h. der Erzeugnisse. Die inhomogene Temperaturverteilung bewirkt ein ungleichmäßiges Schrumpfen des Kühlguts mit unvermeidlichen lokalen Spannungsspitzen im Material; sie führt damit zur Ausbildung von unregelmäßig strukturierten Kerben und Rissen an der Oberfläche des Kühlguts sowie zu unerwünschten inneren Spannungen im Kühlgut, die die Weiterverarbeitung erschweren und/oder die Qualität der Enderzeugnisse nachteilig beeinflussen.

Das in ein Heißgutlager zur Abkühlung eingebrachte Heißgut gibt seine Wärme an die wesentlich kältere Umgebung überwiegend durch Wärmeabstrahlung ab. Bei genügend hoher Temperaturdifferenz zur Umgebung läßt sich mit dieser Art der Wärmeübertragung zwar eine sehr schnelle Abkühlung der Oberflächenzonen des Heißguts erreichen. Im Zeitverlauf fällt die Temperatur des Heißgutes dabei zunächst exponentiell ab, um sich abschließend der Umgebungstemperatur sehr langsam asymptotisch zu nähern, wie in Kurve 1 der Fig. 1a am Beispiel der äußeren Lagen eines Blech- Bundes dargestellt. Der starke exponentielle Abfall in der Anfangsphase der Abkühlung wie auch die langsame asymptotische Annäherung in der Endphase sind jedoch in vielen Anwendungsfällen unerwünschte Nebeneffekte des physikalisch bedingten Verlaufs der Abkühlung.

In besonderem Maße treten solche unerwünschten Nebeneffekte bei den inneren Windungen bzw. Lagen eines Blech-Bundes auf. Wie sich auf rechnerischem Wege in guter Übereinstimmung mit der Praxis nachweisen läßt, bewirken die geringen Temperaturdifferenzen zwischen inneren Lagen des Bundes, daß der Wärmeaustausch bei Überwiegen des Strahlungsanteils sehr gering ist. Das Abkühlverhalten der inneren und äußeren Lagen eines Blech-Bundes mit anfänglich gleichmäßiger Temperaturverteilung ist in dem Diagramm der Fig. 1a dargestellt; während die äußeren Bund-Lagen relativ schnell abkühlen, bleiben die inneren Bund-Lagen lange heiß und folgen erst allmählich den äußeren Lagen im Temperaturverlauf, wie sich das aus dem Vergleich der drei in Fig. 1a dargestellten Kurven zeigt. Der Abkühlprozeß dauert sehr lange und nimmt häufig mehrere Tage in Anspruch.

Zwar findet in dem engen Spalt zwischen den Bund-Lagen neben dem Wärmeübergang durch Strahlung weiterhin auch ein Wärmeübergang über Wärmeleitung des sich in dem Spalt befindenden Gases, üblicherweise Luft, statt, jedoch trägt dieser Wärmeübergang zwischen den Bund-Lagen nur etwa im gleichen Maße zur Abkühlung bei wie der Wärmeübergang durch Strahlung. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Spalt zwischen den Bund-Lagen nur einige Zehntelmillimeter beträgt. Diese Aussage gilt in erster Näherung unabhängig von den Bund-Abmessungen und ist physikalisch durch die Stoffwerte des Werkstoffes und des Gases (Luft) bedingt. Der Einfluß der Wärmeleitung entlang der spiralartig gewickelten Lagen des Blech-Bundes beschleunigt das Abkühlverhalten nicht merklich, obwohl die Wärmeleitfähigkeit von Stahl um drei Zehnerpotenzen höher liegt als der Wärmeleitwert von Luft. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Übertragungswege in der Bund-Windung lang sind, verglichen mit der Enge des Luftspalts, und die Übertragungsquerschnitte in der Bund-Windung, gemessen an der wirksamen Fläche des Luftspalts, sehr klein sind.

Der sich in Blech-Bunden einstellende, in Fig. 1a dargestellte zeitliche Temperaturverlauf ist unerwünscht, weil die schnelle Abkühlung der äußeren Lagen des gewickelten Blech-Bundes und der Stirnseiten des Bundes ein Schrumpfen in diesen Bereichen zur Folge hat, was dann leicht zu Rißbildungen und hohen inneren Spannungen im Randbereich des Bundes führen kann. Die Charakteristik der in Fig. 1a gezeigten Kühlverläufe der äußeren und inneren Bund-Lagen ändert sich nur dann deutlich, wenn ein anderes Kühlmedium als Luft eingesetzt wird; es läßt sich dann der in Fig. 1b dargestellte Kühlverlauf erreichen, der auch für die Abkühlung von Brammen und den anderen eingangs genannten Erzeugnissen gilt, die ein Abkühlverhalten ähnlich den äußeren Lagen eines Blech-Bundes aufweisen. Als Kühlmedium gelegentlich vorgeschlagene und auch eingesetzte Flüssigkeiten, wie Wasser, Öle u. a. weisen allerdings erhebliche Nachteile auf. In den meisten Fällen ergeben sich bei Flüssigkeiten als Kühlmedium in Verbindung mit der hohen Temperatur des Heißguts unerwünschte Korrosionseffekte oder chemische Reaktionen, die zu einer Beeinträchtigung der Materialoberfläche und/oder des Materialinneren und seines Gefüges führen. Schließlich verläuft beim Einsatz von Flüssigkeiten die Abkühlung nahezu unbeeinflußbar und unter Umständen zu schnell, was sich wiederum auf die gewünschte Gefügeausbildung im Material sehr negativ auswirken kann.

Da heiße Blech-Bunde und anderes Heißgut aus Gründen der Flächenersparnis meist in mehr als einer Lage gestapelt werden, sind beim Einlagern des Heißgutes und beim Auslagern der gekühlten Erzeugnisse häufig Umstapelvorgänge in dem Heißgutlager erforderlich. Zur Bewältigung dieser Umstapelvorgänge ist es bekannt, manuell bediente oder gelegentlich auch automatisierte Kräne einzusetzen. Zumeist ist jedoch Personal notwendig, das die im Heißgutlager abgelegten Erzeugnisse identifiziert bzw. auf ihre Temperatur und ihren Abkühlungszustand prüft. Das bedienende Personal und die Kranfahrer in Heißgutlägern unterliegen erheblichen thermischen Belastungen. Es hat sich daher gezeigt, daß es infolge der stark erschwerten Umfeld- und Arbeitsbedingungen häufig zu Fehlidentifikationen und Verwechslungen der heißen Erzeugnisse kommt. Das begründet sich unter anderem darauf, daß die beispielsweise an Blech-Bunden angebrachten Markierungen mit temperaturbeständiger Farbe aufgrund der Handhabung mit Kranen unlesbar werden. Das Stapeln mit Kranen fühlt außerdem häufig zu unerwünschten Beschädigungen des Heißguts, insbesondere bei Blech-Bunden, und damit zu erhöhten Ausschußquoten und Produktionseinbußen.

Je nach Ausstoß einer vorgeschalteten Stranggußanlage sind erhebliche Mengen der Erzeugnisse in Heißgutlagern zwischenzulagern, bis sie eine für eine Weiterverarbeitung genügende Temperatur erreicht haben. Das behindert nicht nur den zügigen Ablauf der Weiterverarbeitung und schlägt sich in einem hohen Wert für unproduktiv gebundenes Umlaufvermögen nieder, sondern die notwendigen Heißgutläger beanspruchen zumeist auch große Flächen in den Hüttenwerken. Für weniger heiße Erzeugnisse ist deshalb bereits die Lagerung in Hochregalanlagen und anderen Kompakt-Lägern gebräuchlich, nicht aber für heiße Erzeugnisse, die ausschließlich in Flachlägern, gegebenenfalls in mehreren Stapellagen übereinander, zur Abkühlung gelagert werden. Dort dauert der Abkühlvorgang nicht nur zu lange, sondern läßt sich auch in seinem zeitlichen Verlauf nicht beeinflussen. Eine Einflußnahme wäre aber zum Beispiel gerade auch bei Brammen sehr wünschenswert, um die beschriebenen Vorschädigungen mechanischer Art auszuschließen und/oder die Gefügeausbildung im Kühlgut entsprechend metallurgischen Vorgaben zu beeinflussen. Ähnliches gilt in Fällen, bei denen der Abkühlvorgang zu schnell verläuft, mit dem Ergebnis, daß sich die gewünschte Gefügeausbildung im Kühlgut nicht oder nur unvollkommen erreichen läßt.

Ein herkömmliches Heißgutlager bedingt somit nicht nur einen sehr hohen Aufwand an Grundflächen, Personal, Betriebseinrichtungen etc., sondern ist auch noch mit erheblichen Energieverlusten verbunden. Dies nicht nur deshalb, weil die im Heißgut enthaltene Abwärme beim Abkühlen frei wird und ungenutzt an die Umgebung verlorengeht, sondern weil zudem auch noch erhebliche Investitionen und betriebliche Aufwendungen für beispielsweise Belüftungseinrichtungen anfallen, um die Abwärmemengen aus dem Bereich des Heißgutlagers an die Umgebung abzuführen. Es wird damit einhergehend weiterhin stark erschwert, eine individuelle Handhabung des Heißgutes zu ermöglichen, wie es bei der zunehmenden Spezialisierung der Hütten- und Walzwerke mehr und mehr erforderlich ist.

Die vorgenannten Kenntnisse und Überlegungen vorausschickend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Heißgutläger zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestatten, die Abkühlgeschindigkeit des Kühlguts entsprechend den jeweiligen Erfordernissen zu beschleunigen, zu verlangsamen und/oder so zu regeln, daß sich optimierte Ergebnisse hinsichtlich der Material- und Festigkeitseigenschaften, der Oberflächenstruktur und der Spannungsfreiheit erreichen lassen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem zu kühlenden Gut ein Gas mit einer Wärmeleitfähigkeit, die mindestens um den Faktor 5 bis 10 höher ist als der Wert des Produktes aus der effektiven Strahlungskonstanten des Heißgutes multipliziert mit der dritten Potenz der Umgebungstemperatur des abstrahlenden Heißgutes und multipliziert mit der für den Wärmeübertragungsvorgang maßgebenden Schichtdicke des Kühlgases zugeführt wird. Es wurde herausgefunden, daß sich als Kühlgas, das die entsprechenden guten Wärmeleiteigenschaften aufweist, ohne eine chemische Reaktion mit den heißen Oberflächen des Heißguts einzugehen, und eine Regelung der Kühlleistung in einem gewünschten Bereich erlaubt, Wasserstoff, vorzugsweise jedoch Helium verwenden läßt. Dem bevorzugten Einsatz von Helium liegt das Wissen darüber zugrunde, daß es sich dabei um ein Inertgas handelt, bei dem sich eine chemisch-korrosive Beeinträchtigung der heißen Werkstoffoberflächen ausschließen läßt. Beim Einsatz von Wasserstoff wäre das hingegen nicht der Fall. Es sind jedoch nicht nur die chemisch-korrosiven Eigenschaften, die Helium so geeignet machen, sondern vor allem dessen besonders hohe Wärmeleitfähigkeit, die insbesondere bei Walzgut aus Stahl, Nickel und deren Legierungen zum Tragen kommt. Für andere Metalle kann durchaus ein anderes, den vorstehenden Bedingungen genügendes Kühlgas eingesetzt werden.

Bei der für die Wärmeübertragung maßgebenden Schichtdicke handelt es sich im Falle der Oberflächenkühlung von Heißgut um die thermisch-konvektive Grenzschichtdicke. Im Falle der inneren Lagen eines Blech-Bundes entspricht diese Schichtdicke der Spaltweite zwischen den einzelnen Lagen des Bundes. Bei der an das zu verwendende Kühlgas erfindungsgemäß erkannten Bedingung für die Wärmeleitfähigkeit sind alle physikalischen Stoffgrößen und Parameter in gleichen physikalischen Maßeinheiten und Dimensionen angesetzt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Kühlgas dem Heißgut an dessen äußerem Umfang mit gleichmäßiger Geschwindigkeit zugeführt wird. Es läßt sich damit eine gleichmäßige Ausbildung der thermischen Grenzschicht erreichen und eine ungleichmäßige Abkühlung und Temperaturverteilung können bei der erzwungenen Abkühlung durch ein erfindungsgemäßes Kühlgas vermieden werden. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Geschwindigkeit lassen sich die Gasführungs-Einrichtungen am Heißgut entsprechend gestalten. Hiermit wird den sich bei der Wärmeübertragung von Heißgut-Oberflächen an die Umgebung an frei aufgestellten, heißen Körpern mit ungleichmäßiger Dicke ausbildenden thermischen Grenzschicht Rechnung getragen. Die Unterschiede in der Dicke der thermischen Grenzschicht resultieren einerseits aus dem geometrie- und temperaturbedingten Charakter der natürlichen Konvektion, andererseits aber auch aus Störungen der natürlichen Konvektion durch Einbauten oder in der Nähe befindliches Heißgut sowie aus dem Einfluß bewußt erzeugter oder umgebungsbedingt entstehender Gasströmungen, wie z. B. ein Luftzug.

Ein bevorzugter Vorschlag der Erfindung sieht vor, daß das Kühlgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Ein geschlossener Kühlgas-Kreislauf zur Abkühlung von Heißgut bringt mehrere erhebliche Vorteile mit sich. Es läßt sich damit nämlich eine steuer- und regelbare Abkühlung des Heißgutes ermöglichen, und zwar durch Regelung der Umwälzmenge und des Gasdrucks die Menge der abgeführten Wärme und damit der zeitliche Temperaturverlauf des Heißguts in weiten Bereichen einstellen bzw. regeln. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, die Abkühlgeschwindigkeit des Heißgutes in weiten Grenzen einzustellen und zu regeln, insbesondere sie gegenüber den herkömmlichen Kühlverfahren mit beispielsweise Raumluft erheblich zu beschleunigen. Wenn eine Temperaturerhöhung des Kühlgases um 100°C zugelassen wird, wird zur Abkühlung z. B. einer Bramme, die 10 m lang, 2 m breit und 0,2 m dick ist, um 100°C pro Stunde - am Beispiel von Helium - nur ein Helium-Umwälzvolumen von ca. 200 m³/h benötigt. Eine Beeinflussung der Ein- und Auslaßtemperatur des Kühlgases und damit der Kühlleistung auf vorgegebene Werte läßt sich hierbei durch eine By-Pass-Regelung erreichen. Die somit mögliche Regelung bietet einen breiten Spielraum zur Beeinflussung des zeitlichen Verlaufs der Abkühlung der zu kühlenden Erzeugnisse.

Wenn vorteilhaft das Kühlgas dem Heißgut mit turbulenter Strömung zugeführt wird, läßt sich ein stark beschleunigter Gasaustausch erreichen, in dem das Heißgut einem starken, turbulenten Gasstrom ausgesetzt wird. Dieser Maßnahme liegt die Überlegung zugrunde, daß die zu kühlenden Hütten- und Walzwerkserzeugnisse eine unregelmäßige Poren,- Riefen- und Walzhautstruktur aufweisen und bei zu Blech-Bunden gewickeltem Walzband notwendigerweise zwischen den einzelnen Lagen Spalte unvermeidlich sind. Aufgrund der turbulenten Strömung lassen sich die an der Oberfläche des Heißguts durch Sorptionskräfte gebundenen Luftmoleküle in möglichst kurzer Zeit gegen das Kühlgas austauschen; vor allem bei Blech-Bunden reicht es nicht aus, diese in eine ruhende Helium- bzw. Kühlgas-Atmosphäre zu bringen. Der Gasaustausch zwischen Luft und Kühlgas an der rauhen und von Walzhäuten bedeckten Oberfläche des Heißgutes, vornehmlich aber in den Wickelspalten von Blech-Bunden, würde in ruhiger Kühlgasatmosphäre erheblich mehr Zeit in Anspruch nehmen.

Als Alternative zu einem turbulenten Gasstrom wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Heißgut unter Vakuum entgast und dann mit dem Kühlgas beaufschlagt wird. Beide Maßnahmen, d. h. sowohl eine turbulente Strömung des Kühlgases als auch die Vakuum-Entgasung des Heißgutes haben im Prinzip die gleiche beschleunigende Wirkung auf den Gasaustausch. Es ist gleichwohl zu erwarten, daß die Entgasung im Vakuum speziell mit Blick auf den Gasaustausch in den Spalten von Blech-Bunden eine deutlich reduzierte Abkühlzeit mit sich bringt. So lassen sich z. B. die Wickelspalte eines Blech-Bundes von 1 m Durchmesser und 1 m Länge unter Vakuum in ca. 1 Minute entgasen und dann mit dem Kühlgas fluten, während der Gasaustausch in ruhiger Atmosphäre wegen der engen Spalte mehrere Tage beanspruchen würde.

Es wird vorgeschlagen, daß das Heißgut in einer geschlossenen Kammer durch kontinuierliche Umwälzung des Kühlgases gekühlt wird. Das eine hohe Wärmekapazität besitzende Kühlgas, wie insbesondere im Falle von Helium, läßt sich dabei zur Verbesserung des Wärmetransportes zwischen dem Heißgut und dem Bereich, wo die Abwärme entweder freigesetzt oder einer weiteren Nutzung zugeführt wird, einsetzen. Durch die Umwälzung läßt sich bereits mit relativ geringen Mengen des Kühlgases eine hohe Wärmeabfuhr aus dem Bereich, d. h. der geschlossenen Kühlkammer erreichen, in dem das Heißgut zur Abkühlung lagert.

Einem in einem geschlossenen Kreislauf durch Umwälzung zugeführten Kühlgas läßt sich vorzugsweise die mitgeführte Wärmeenergie entziehen - beispielsweise durch Wärmetauscher - und wiederverwenden. Gerade in den die genannten Erzeugnisse herstellenden Hütten- und Walzwerken bietet es sich an, das aufgeheizte Kühlgas zur Beheizung oder zur Vorwärmung von Öfen und anderen Einrichtungen mit Wärmebedarf zu nutzen, von denen in Hütten- und Walzwerken üblicherweise zahlreiche vorhanden sind. Die Wiederverwendung der abgeführten Wärmeenergie läßt sich aber auch so erreichen, daß dem Wärmeleitmedium die Energie durch Entspannung in einer Heißgasturbine oder einem Heißgasmotor, z. B. ein Sterling-Motor, entzogen wird. Für die Auswahl des jeweiligen Verfahrens ist hierbei letztendlich die Wirtschaftlichkeit ausschlaggebend.

Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sieht vor, daß eine Kühlgasleitung an eine Abkühlkammer angeschlossen ist. Abgesehen von Ausnahmefällen und in Anbetracht der in den Hütten- und Walzwerken in großer Zahl anfallenden Erzeugnisse wäre es allerdings sehr unwirtschaftlich, für jedes einzelne Stück Heißgut eine Abkühlkammer vorzusehen. Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht daher vor, daß die Abkühlkammer als ein geschlossenes, mit Ein- und Austrittsschleusen versehenes Abkühllager ausgebildet ist. Wenn im folgenden von einer Abkühlkammer die Rede ist, ist daher stets ein mit einer großen Stückzahl an Heißgut zu belegendes Abkühllager zu verstehen. Eine geschlossene Abkühlkammer ermöglicht es, auch einzelne Stücke des Heißguts einer individuellen Abkühlprozedur zu unterziehen, wenn Werkstoff und/oder Abmessungen des Heißguts dies sinnvoll bzw. wünschenswert erscheinen lassen. Die Abkühlkammer ist in diesem Fall so zu gestalten, daß in ihrem Inneren ein geeignetes statisches oder dynamisches Lagersystem mit entsprechenden Bedieneinrichtungen vorhanden ist. Im einfachsten Falle läßt sich der Heißguttransport mit bekannten Transporteinrichtungen wie Wagen, Kettentransport, Hubbalken usw. realisieren. Mit Hilfe entsprechender Hub- und Verschiebeeinrichtungen läßt sich das Heißgut innerhalb der Kammer an feste oder auch bewegte, d. h. mitlaufende Lagerorte plazieren. Hierbei liegt es im Rahmen der technischen Möglichkeiten, das Innere der Abkühlkammer nach Art eines Regallagers auszubilden. Es könnte dann z. B. ein Bediengerät oder eine Hebeeinrichtung das Ein- und Auslagern der Heißgut-Stücke in die zugeordneten Lagerplätze übernehmen.

Als eine geeignete Anordnung einer Kühlkammer wird ein rohrartig liegend oder eine turmartig angeordnete Abkühlkammer vorgeschlagen. In einem Lagerturm läßt sich das Heißgut beispielsweise über eine aufzugsartige Bedieneinrichtung zu den vorgesehenen Lagerplätzen befördern und dort ein- bzw. auslagern. Bei einer turmartigen Bauweise der Abkühlkammer läßt sich thermisch bedingt in einfacher Weise eine Temperaturzonung des Lagers erreichen, was einer individuellen Abkühlung des Heißgutes sehr entgegenkommt. Eine rohrartige, liegende oder stehende Bauweise hat weiterhin den Vorteil, daß die Kühlkammer als Unter- und Überdruckbehälter ausgeführt werden kann; hierdurch wird die erfindungsgemäß mögliche Steuer- und Regelbarkeit des Abkühlprozesses, z. B. über den Gasdruck bzw. die Gasdichte, technisch einfach wirksam verbessert.

Durch die einer Abkühlkammer vor- bzw. nachgeschalteten Ein- und Austrittsschleusen läßt sich eine Abtrennung bzw. Beschränkung des Kühlgas-Kreislaufes in der bzw. auf die eigentliche Abkühlkammer erreichen und damit eine Verunreinigung des Kühlmediums mit Luft vermeiden, was auf Dauer ansonsten zu einer Beeinträchtigung der Kühlwirkung führen könnte mit der Folge, daß dieses erneuert bzw. ausgetauscht werden müßte. Hierbei ist zu beachten, daß es sich insbesondere bei Helium als Kühlgas um ein teueres Medium handelt. Aus den gleichen Gründen empfiehlt es sich, die das Kühlgas führenden Kreise und Kammern besonders dicht (Dichtheit vorzugsweise besser als ca. 10^-2 mbar l/s) auszuführen. Ein regelmäßiger Austausch des Kühlgases bzw. ein kontinuierliches Anreichern mit frischem Kühlgas sind dann weitestgehend entbehrlich bzw. nur noch erforderlich, wenn ein die Kühlwirkung beeinträchtigender Verunreinigungsgrad erreicht ist. Die gleiche strikte Trennung ist bei einem Gasaustausch durch Vakuumentgasung vorzusehen, wobei allerdings das aus den Ein- und Austrittsschleusen durch Evakuierung wiedergewonnene Kühlgas in den Kühlgas-Vorrat zurückgespeist werden könnte.

Nach einer Ausführung der Erfindung sind den Wänden der Abkühlkammer innen Strahlungsschutzschilde vorgeschaltet. Die Strahlungsbelastung einer Abkühl- bzw. Gasaustauschkammer läßt sich hiermit sehr einfach und maßgeblich abbauen. Schon ein einziges zwischen dem Heißgut und der Kammerwand angeordnetes Strahlungsschutzschild reduziert die thermische Belastung der Kammerwand auf ca. die Hälfte. Jedes weitere Strahlungsschutzschild hat den gleichen Effekt, so daß sich die thermische Belastung der Kammerwände auf nahezu beliebig geringe Werte begrenzen läßt. Es wurde weiterhin erkannt, daß sich die Strahlungsschutzschilde neben ihrer Funktion zur thermischen Abschirmung der Kammerwände weiterhin gleichzeitig auch dazu nutzen lassen, die Gasführung an der Oberfläche des Heißgutes so zu gestalten, daß die für den Gasaustausch und für die Oberflächenkühlung wichtigen Grenzschichten in gewünschter Dicke mit dem angestrebten Turbulenzgrad und der erforderlichen Gleichmäßigkeit ausgebildet werden. Daß unterstützt zudem die By-Pass-Regelung der Auslaßtemperatur des Kühlgases und damit das Einregeln der Kühlleistung auf vorgegebene Werte.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung empfiehlt es sich, daß die Abkühlkammer an ein übergeordnetes Lagerverwaltungssystem mit einer EDV-gestützten Prozeßführung angeschlossen ist. Das trägt dazu bei, das aus Gasaustauschschleusen und Abkühlkammern bestehende Abkühlsystem ohne größeren manuellen Aufwand zu betreiben und die Identifizierung des Heißguts ohne personelle Eingriffe zu erreichen; außerdem ist eine detaillierte Verfolgung des Materialflusses möglich. Die EDV-gestützte Prozeßführung steuert, regelt und überwacht zudem den gesamten Prozeß im Heißgutlager. Das EDV-System zur Prozeßführung kommuniziert entweder mit dem Lagerverwaltungs- und Materialflußsystem über geeignete Schnittstellen oder stellt einen integralen Bestandteil des Systems dar. Der Abkühlprozeß läuft folglich in Abhängigkeit von den Auftragsdaten des Heißguts sowie von den Vorgaben für den zeitlichen Verlauf der Abkühlung, den Gasdrücken und -durchsätzen in allen Teilen der Anlage entsprechend den Erfordernisseen des Prozesses und des Produktionsauftrags ab. Es versteht sich, daß neben der Regelung der Gasumwälzung, der Evakuierung sowie Flutung der Schleusenkammern und der Prozeßführung der Gasumwälzung in der bzw. den Abkühlkammern Vorkehrungen getroffen werden können, die es erlauben, verschiedene Kammern der Abkühlanlage mit unterschiedlichen Drücken zu betreiben. Das läßt sich z. B. durch Druckausgleichs- und Druckangleichungsprozesse sowie ausreichende Sicherheitsverriegelungen, z. B. beim Öffnen und Schließen der Schleusenkammern, erreichen.

Nach einem Vorschlag der Erfindung kann eine in der vorbeschriebenen Weise arbeitende Heißgut-Kühlanlage aus einer Heißgutzuführung, einer einlaufseitigen Kühlkammer, einer Kühlkammer mit geschlossenem Kühlkreislauf, einer auslaufseitigen Kühlkammer und einem Kühlgutabförderer bestehen, womit sich ein automatisches Abkühllager verwirklichen läßt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1a für ein links dargestelltes Blech-Bund ein Diagramm des zeitlichen Temperaturverlaufs in den inneren und äußeren Bund-Lagen während der Abkühlung eines Bundes bei Überwiegen der Wärmeübertragung durch Strahlung;

Fig. 1b für ein links dargestelltes Blech-Bund ein Diagramm des zeitlichen Temperaturverlaufs in den inneren und äußeren Bund-Lagen während der Abkühlung des Bundes bei Überwiegen der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung eines zugeführten Kühlgases; und

Fig. 2 eine Schema- bzw. Prinzip-Darstellung eines automatischen Heißgutlagers.

In einem in der linken Hälfte von Fig. 1a dargestellten Blech- Bund 10 sind die einzelnen Windungen bzw. Lagen des gewickelten Bleches von außen nach innen mit 1 bis 3 beziffert. Bei der Abkühlung des Blech-Bundes 10 in einem herkömmlichen Kühllager gibt das Heißgut- bzw. Blech-Bund 10 seine Wärme an die wesentlich kältere Umgebung überwiegend durch Wärmeabstrahlung ab. Bei genügend hoher Temperaturdifferenz zur Umgebung kommt es hierbei zu einer sehr schnellen Abkühlung der Oberflächenzonen, und zwar dergestalt, daß im Zeitverlauf die Temperatur zunächst exponentiell abfällt, um sich anschließend der Umgebungstemperatur sehr langsam asymptotisch zu nähern, wie durch die Kurve 1 in dem Diagramm der Fig. 1a am Beispiel der äußeren Blechwindung bzw. Lage 1 des Blech-Bundes 10 verdeutlicht. Die sich hieraus ergebenden Nachteile sind eingangs bereits erläutert worden. Das unterschiedliche Abkühlverhalten der inneren und äußeren Lagen 1 bis 3 des Blech-Bundes mit anfänglich gleichmäßiger Temperaturverteilung entspricht dem Kurvenverlauf des Diagramms. Während die äußeren Bund-Lagen 1 relativ schnell abkühlen, bleiben die inneren Lagen 2 bzw. 3 des Blech-Bundes 10 lange heiß und folgen erst allmählich den äußeren Lagen im Temperaturverlauf.

Der nachteilige Temperaturverlauf gemäß Fig. 1a läßt sich entscheidend dadurch beeinflussen, daß dem Heißgut bzw. - im Ausführungsbeispiel - dem Blech-Bund 10 in einem vorzugsweisen geschlossenen Kreislauf ein Kühlgas zugeführt wird, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens um den Faktor 5 bis 10 höher ist als der Wert des Produkt es aus der effektiven Strahlungskonstanten des Blech-Bundes 10 multipliziert mit der dritten Potenz der Umgebungstemperatur des abstrahlenden Blech- Bundes und multipliziert mit der für den Wärmeübertragungsvorgang maßgebenden Schichtdicke des Kühlgases. Ein diesen Anforderungen entsprechendes Kühlgas stellt insbesondere Helium dar. Der sich durch die Beaufschlagung des Blech-Bundes 10 mit Helium einstellende Temperaturverlauf bei somit Überwiegen der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung des eingesetzten Kühlgases ist in dem Diagramm gemäß Fig. 1b gezeigt. Auffällig sind der nahezu gleichmäßige Kühlverlauf sowohl der inneren als auch der äußeren Windungen 1 bis 3 des Blech-Bundes 10 und die sehr viel geringere Abkühlzeit.

In Fig. 2 ist in sehr schematischer Weise das Prinzip eines automatischen Heißgutlagers 4 zum Abkühlen von Heißgut unter Einsatz eines den vorbeschriebenen Bedingungen entsprechenden Kühlgases, insbesondere Helium, gezeigt. Dieses besteht aus einem Drei-Kammer-System, von dem die in Durchlaufrichtung (vgl. den Pfeil 5) des Kühlguts vordere Abkühl- bzw. Gasaustauschkammer 6 als Eintrittsschleuse 7, die mittlere Abkühlkammer 8 mit einer Zuführung des Kühlgases in einem geschlossenen Kreislauf 9 und die dritte, hintere Kühlkammer 11 als Austrittsschleuse 12 ausgebildet ist.

Das zu kühlende Heißgut 100 wird dem Heißgutlager 4 über eine geeignete Zuführung 13 zugeleitet und dort zunächst in die Eintrittsschleuse 7 eingebracht, in der ein Austausch zwischen dem über eine Kühlleitung 14 zugeführten Kühlgas und der Luft stattfindet, die gemäß Pfeil 15 abgeleitet, z. B. der Wiederverwendung der mitgeführten Wärmeenergie zugeführt wird. Das Heißgut 100a gelangt danach in die zentrale Abkühlkammer 8, verbleibt dort bis zur Abkühlung auf die gewünschte Temperatur und wird dann in die Austrittsschleuse 12 übergeleitet, wo das Kühlgas entsprechend dem Pfeil 16 von zugeleitet er Luft gemäß Pfeil 17 ausgetrieben wird. Nach dem Ausfördern des Kaltgutes 100b wird dieses von einem Abförderer 18 abtransportiert. Zur EDV-gestützten Prozeßführung, die den gesamten Prozeß im Heißgutlager steuert, regelt und überwacht, ist ein Lagerverwaltungs- und Materialflußsystem 19 (dargestellt als Black-Box) vorgesehen, an das das Heißgutlager 4 angeschlossen ist.

Claims (15)

1. Verfahren zum Abkühlen von Hütten- und Walzwerkserzeugnissen, die entweder direkt aus einem Gußstrang oder indirekt durch Auswalzen von Brammen erzeugt werden, wie Bleche, Stangen oder Blech-Bunde, mit einem den Kühlprozeß unterstützenden Kühlmedium, dadurch gekennzeichnet, daß dem kühlenden Gut ein Gas mit einer Wärmeleitfähigkeit, die mindestens um den Faktor 5 bis 10 höher ist als der Wert des Produktes aus der effektiven Strahlungskonstanten des Heißguts multipliziert mit der dritten Potenz der Umgebungstemperatur des abstrahlenden Heißgutes und multipliziert mit der für den Wärmeübertragungsvorgang maßgebenden Schichtdicke des Kühlgases zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas dem Heißgut an dessen äußerem Umfang mit gleichmäßiger Geschwindigkeit zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas dem Heißgut mit turbulenter Strömung zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißgut unter Vakuum entgast und dann mit dem Kühlgas beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißgut in einer geschlossenen Kammer durch kontinuierliche Umwälzung des zugeführten Kühlgases gekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlgas die mitgeführte Wärmeenergie entzogen und wiederverwendet wird.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abkühlkammer (6 bzw. 7; 8; 11 bzw. 12) an eine Kühlgasleitung (14, 9, 16) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine als geschlossenes, mit Ein- und Austrittsschleusen (7, 12) versehenes Abkühllager ausgebildete Abkühlkammer (8).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine rohrartige, liegend angeordnete Abkühlkammer (8).

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine turmartig angeordnete Abkühlkammer (8).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Wänden der Abkühlkammer (8) innen Strahlungsschutzschilde vorgeschaltet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlgas-Kreislauf (9) durch Absperrorgane von den Ein- und Austrittsschleusen (7, 12) abgetrennt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlkammer (8) an ein übergeordnetes Lagerverwaltungssystem (19) mit einer EDV-gestützten Prozeßführung angeschlossen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch ein aus einer Heißgutzuführung (13), einer einlaufseitigen Kühlkammer (6 bzw. 7), einer Kühlkammer (8) mit geschlossenem Kühlkreislauf (9), einer auslaufseitigen Kühlkammer (11 bzw. 12) und einem Kaltgutabförderer (18) bestehendes automatisches Abkühllager (4).