DE2040610A1

DE2040610A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kuehlen von Stahlgegenstaenden

Info

Publication number: DE2040610A1
Application number: DE19702040610
Authority: DE
Inventors: Masaru Hirata; Kazuo Kunioka; Shigenari Shimizu
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1969-12-01
Filing date: 1970-08-14
Publication date: 1971-06-16
Also published as: FR2071643A5; GB1323757A; SE355507B; NL7017431A; CA936076A; US3659428A; ZA708055B

Description

Nippon Kokan Kabushiki Kaisha "I*

Tokio, Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von Stahlgegenständen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen verschiedener Arten von heißen Stahlprodukten, wie heißen Brammen, Knüppeln, Blöcken, Blechen, Röhren oder sonstigen vor- oder fertiggewalzten Gußstücken, zum Härten von verfeinertem Stahlmaterial, insbesondere unmittelbar nach dem Heißwalzen, zum Abschrecken von Walzgut unmittelbar nach dem Walzen, zum Abschrecken von sehr dicken Stahlplatten nach dem Normalisieren, zur Wärmebehandlung von heißen Stahlröhren und für ähnliche Zwecke.

Bisher erfolgte das Kühlen von heißen Stahlplatten oder heißen Knüppeln im wesentlichen auf zwei Arten, nämlich einerseits nach Verfahren, welche im wesentlichen Luft verwenden, und andererseits nach Verfahren, welche mit Wasser arbeiten. Das einfachste Verfahren zur Anwendung von Luft ist das natürliche Kühlen, während die künstliche Kühlung mittels Anblasen von Druckluft erfolgen kann. Bei den mit Wasser arbeitenden Verfahren sind sowohl das Absprühen mit Wasserstrahlen als auch laminare Strömungen verwendende Methoden bekannt.

Bei der natürlichen Kühlung wird wegen der geringen Abkühlgeschwindigkeit eine sehr große Lagerfläche für das zu kühlende Gut benötigt und auch bei Anwendung von Druckluft ergeben sich ähnliche Nachteile. Andererseits erfordert das Kühlen mittels Wasserstrahlen erhebliche Wassermengen und hat darüberhinaus den Nachteil, daß sich auf den heißen

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Knüppeln ο.dg. ein die Kühlwirkung stark herabsetzender Dampffilm bildet, sofern das Wasser nicht unter verhältnismäßig hohem Druck aufgesprüht wird. Bei Anwendung von laminarer Strömung besteht wieder ein großer Nachteil in dem Erfordernis einer größeren Menge an Kühlwasser als bei der Verwendung von unter Druck aufgespritztem Wasser.

Es wurde daher schon ein Verfahren vorgeschlagen, welches sowohl Wasser als auch Druckluft verwendet» Dieses bekannte Verfahren sieht eine große Anzahl von Düsen zum Aufspritzen von Kuhlwasser und unabhängig hiervon eine große Anzahl von Druckluftdüsen vor, wobei ein Kühlwasserstrahl, der durch Versprühung des Kühlwassers in kleinste Teile hergestellt worden ist, gleichmäßig über die gesamte Überfläche des zu kühlenden Stahlgegenstands verteilt wird, wodurch die Kontaktierungsgeschwindigkeit des Strahls mit dem Stahl durch auf den Kühlwasserstrahl gerichteten Druckluftstrom erhöht wird, so daß der durch den Kontakt zwischen dem heißen Stahl und dem Sprühstrom hervorgerufene Aufwärtsfluß des Sprühstroms unterdrückt wird» Ein derartiges Kühlverfahren erfordert aber nicht nur eine große Anzahl von Düsen, was die Vorrichtung kompliziert macht, sondern auch eine große Wassermenge. Außerdem hat dieses Verfahren den Nachteil, daß das Kühlwasser durch die Luft zerstreut und dadurch die KUhlwirkung verringert wird, wenn der Druckluftstrom und der Wasserstrahl so angewandt werden, daß sie an der Oberfläche der Knüppel o. dgl. zusammentreffen,

Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der Nachteile der bisher bekannten Kühlverfahren und die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Kühlung von Gegenständen, welche die Kühlung schnell und wirksam mit Hilfe von nur· wenig Kühlwasser ermöglicht.

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Eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung besteht darin, daß zur Erzielung einer schnellen, äußerst wirksamen Kühlung mittels verhältnismäßig geringer Wassermengen eine kleine Wassermenge in ein großes Volumen strömender Luft eingeblasen wird, wobei die Flüssigkeit durch den Hochgeschwindigkeits-Luftstrom in einen Nebel zerstäubt wird und es auf die heißen Knüppel o.dgl. als ein aus zwei physikalischen Phasen zusammengesetzter Stahl aufgesprüht wird.

Um den Tropfen der Flüssigkeit des Kühlwassers die Geschwindigkeit des Luftstroms zu erteilen, wird das Kühlwasser vor dem Drosselabschnitt der Düse in den Luftstrom eingespritzt, und wird eine möglichst langsame und gleichmäßige Drosselung in der Düse vorgenommen. Hierdurch wird die Kühlwirkung erheblich verbessert.

Bei der Kühlung von heißem Stahl mittels Dampf oder Flüssigkeit erhöht sich der Wärmeübergang infolge Konvektion proportional zum Temperaturgradienten an der Oberfläche des heißen Stahls unter sonst gleichbleibenden üblichen Bedingungen. Wenn daher Flüssigkeit allein auf das zu kühlende Material aufgesprüht wird, wird die Oberflächenschicht (S 1) bei vorgegebener Geschwindigkeit (V _w ) und Temperatur dick und kann die Wärmeübertragung nicht vergrößert werden, da die Strömungsgeschwindigkeit nicht so stark erhöht werden kann. Mit anderen Worten berechnet sich die abgegebene Wärmemenge (q) nach der Formel

q = h Δ Τ

- k (-Ii-) y = O

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worin h das Verhältnis des Wärmeübergangs,

k das Verhältnis des Wärmeübergangs der Flüssigkeit

und

^T die Differenz von Oberflächentemperatur zur Temperatur der FlUssigkeltsmasse
bedeuten.

Aus Gleichung (1) ergibt sich, daß die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs bei geringem Temperaturgradient kleiner wird, d.h. daß die Dicke der Oberflächenschicht (S ^) dick wird.

Andererseits kann im Fall eines aus einem Dampf-Flüssigkeitsgemisch bestehenden Fluidums die Strahlgeschwindigkeit dieselbe große Strömungsgeschwindigkeit, die ggf. sogar Ultraschallgeschwindigkeit annehmen kann, wie der Gasstrom besitzen, wenn die FlUssigkeitsmenge im VergMch zur Dampfmenge gering ist. Bei Kühlung mittels eines derartigen Fluidums kann die Flüssigkeits-Oberflächenschicht daher außerordentlich dünn gehalten werden, so daß der Temperaturgradient an der Oberfläche des heißen Stahlmaterials groß wird und der Wärmeübergang erhöht werden kann.

α Die Erfindung zeichnet sich durch die Ausnutzung dieses technischen Gedankens aus. Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Strömungsdiagramm der Flüssigkeit bei einem herkömmlichen, nur Flüssigkeit verwendenden Kühlsystem,

Fig. 2 ein Strömungsdiagramm bei Verwendung eines Dampf-Flüssigkeitsgemisches nach der Erfindung,

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Fig, 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Düse in vergrößertem Maßstab,

Pig· ^* 5 und 6 Darstellungen wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung von Stahlplatten angewandt werden kann, wobei die Darstellung a jeweils eine Seitenansicht und die Darstellung b jeweils die zugehörige Aufsicht zeigen,

Pi. 7 und 8 Darstellungen, wie das erfindungsgemäße Ver-Verfahren zum Kühlen von Rohren angewandt werden kann, wobei Fig. Ί& und 8a Stirnseitenansichten, Fig. 7b einen Schnitt längs der Linie 7b - 7b in Fig. ¹Ja. und Fig. 8a eine Seitenansicht zeigen,

Fig. 9 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit bei verschiedenen Kühlverfahren einschließlich der erfindungsgemäßen Kühlverfahren in Anwendung auf das Kühlen von Stahlplatten und

Fig. 10 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit sowohl bei einem herkömmlichen KUhlverfahren als auch beim erfindungsgemäßen Kühlverfahren in Anwendung auf das Kühlen von Rohren»

Die folgende Darstellung bezieht sich zum Zweck der Erläuterung auf das Kühlen von Stahlplatten und Rohren, doch sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf diese Anwendungsgebiete beschränkt ist, sondern auch zum Kühlen sonstiger heißer Stahlprodukte, wie Platten, Knüppel, Blöcke o.dgl. verwendet werden kann.

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Die in Pig. 3 vergrößert dargestellte erfindungsgemäße Düsenanordnung 10 weist einen zylindrischen Behälter 12 für Druckluft auf, der mit einem Druckluft-Einblasrohr 11 kommuniziert. Am Behälter 12 ist eine Düse 15 mit einer schlitzförmigen Sprühöffnung 14 ausgebildet. In der Nähe der Basis der Düse 13 ist eine Kühlwasser-Speiseleitung 15 vorgesehen, die mittels einer Speiseöffnung 16 von kleinem Durchmesser vor dem Drosselabschnitt der Sprühöffnung 14 in letztere mündet, über welche das Kühlwasser in die Düse 13 eingeführt wird. Die Düse 13 hat praktisch dieselbe Länge ^ wie der Behälter 12. Das der Düse 13 zugeführte Kühlwasser w wird zu einem Gemisch mit der aus dem Behälter 12 eingeblasenen Druckluft zerstäubt und in dem sich langsam und gleichmäßig verjüngenden Drosselabschnitt der Sprühöffnung auf dieselbe Geschwindigkeit wie die Druckluft beschleunigt, um dann aus der Sprühöffnung 14 gegen das zu kühlende Gut geblasen zu werden.

Es hat sich gezeigt, daß gute Ergebnisse erzielt werden, wenn das Strömungsverhältnis (Gewichtsverhältnis) von Kühlwasser zu Druckluft (Kühlwassermenge : Luftmenge) 1,0 bis 5,0 beträgt. Das KUhlvermögen hängt von der Strömungsgeschwindigkeit im Augenblick des Auftreffens auf die heißen Stahlplatten ab, φ so daß die Abkühlgeschwindigkeit durch Änderung der Aufblasgeschwindigkeit geändert werden kann. Eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit kann normalerweise erzielt werden, wenn die Strömungsgeschwindigkeit auf 10 m/s oder mehr eingestellt wird.

Falls jedoch eine höhere Kühlgeschwindigkeit gewünscht wird, kann die Strömungsgeschwindigkeit auch auf 100 m/s oder mehr und sogar bis xur Schallgeschwindigkeit hinauf erhöht werden. In diesem Fall wird die KUhlwirkung 8 χ 10⁴ Kcal/m² · h ·⁰G und man erhält ein außerordentlich hohes Kühlvermögen.

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In den Fig. 4 bis 6 ist die Kühlung von Stahlplatten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit Hilfe der erfindungsgemaßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für das Kühlen von verhältnismäßig schmalen Stahlplatten. In diesem Fall erstrecken sich der Druckluftbehälter 12 und die Düse 15 der Düsenanordnung 10 über die gesamte Breite der Stahlplatte A und kommunizieren ein einziges Druckluft-Einblasrohr 11 und eine einzige Kühlwasser-Speiseleitung 15 mit dem Mittelabschnitt der Düsenanordnung.

In Fig. 5 ist dagegen die Kühlung von verhältnismäßig breiten Stahlplatten erläutert. In diesem Fall sind mehrere Düsenanordnungen 10 parallel zueinander angeordnet, die alle denselben Aufbau wie die in Fig. 4 dargestellte Düsenanordnung besitzen.

Die in Fig. 6 dargestellte Düsenanordnung unterscheidet sich von der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Anordnung dadurch, daß eine große Anzahl von Düsen 15' parallel zueinander am Behälter 12 angeordnet sind. Mit einer derartigen Düsenanordnung 10 können breite Stahlplatten A mit Hilfe einer einzigen Düsenanordnung gekühlt werden, was die Verrohrung für die Druckluft und das Kühlwasser vereinfacht. Im übrigen besteht kein merklicher Unterschied zwischen den in den Fig. 4 und 6 dargestellten Düsenanordnungen und derjenigen gemäß Fig. 5·

Der Auftreffwinkel θ des Sprühstrahls auf die Stahlplatte, d.h. der Winkel zwischen Stahlplatte A und Blasrichtung der Düse 15 kann zwischen 1° und 90° liegen.

Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, wird durch die Erfindung im Vergleich zu anderen KUhlverfahren eine ausgezeichnete Kühlwirkung erzielt. In Fig. 9 stellt die Kurve f die Temperatur an der Oberfläche und in der Mitte einer Stahlplatte von 20 mm

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Dicke bei natürlicher Kühlung dar, während die Kurven w- und Wg den Temperaturverlauf in der Mitte bzw. an der Oberfläche bei Wasserkühlung (Eintauchen in einen Wassertank) angeben. Die Kurven m und η beziehen sich auf die Kühlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei sich die Kurven m auf eine Stahlplatte von 40 mm Dicke bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 m/s und die Kurven η auf eine Stahlplatte von 40 mm Dicke bei £lner Strömungsgeschwindigkeit von 70 ro/s φ beziehen und die mit dem Index 1 bezeichneten Kurven jeweils die Temperatur im Innern und die mit dem Index 2 bezeichneten Kurven jeweils die Temperatur an der Oberfläche der Platte wiedergeben.

In den Fig. 7 und 8 ist die Anwendung der Erfindung auf das Kühlen von Rohren dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen besteht die Düsenanordnung 20 aus einem das zu kühlende Rohr B umgebenden Ring, in dessen Mitte das zu kühlende Rohr eingeführt und gekühlt wird.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform besteht die Düsenanordnung 20 aus einem ringförmigen Behälter 22 für ™ Druckluft, an welchem eine Ringdüse 23 vorgesehen ist. Das Kühlwasser wird über eine Speiseleitung 25 zugeführt, die sich um denselben Umfang wie die Düse 23 erstreckt.

Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 die Düse 23 die Form eines durchgehenden Rings hat, sind bei der Ausführungsform der Düsenanordnung 20* gemäß Fig. 8 mehrere Einzeldüsen 23¹ vorgesehen, die in Abständen voneinander radial einwärts vom Behälter 22 abstehen, während die Düsenanordnung sonst genau-so wie die Ausführungsform gemäß Fig. 7 aufgebaut ist.

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Aus Pig. 10, welche die Änderung der Oberflächentemperatur für den Fall eines geschweißten Rohrs vom Typ 80 A darstellt, ist ersichtlich, daß bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 m/s und bei Wasserkühlung (Eintauchen in Wasser) jeweils praktisch dieselbe Kühlwirkung erzielt wird, während andererseits eine wesentlich bessere Kühlung erreicht wird, wenn eine Strömungsgeschwindigkeit von 70 m/s angewandt wird. In Fig. 10 stellt die Kurve f den Temperaturverlauf im Fall von natürlicher Kühlung dar, während die Kurven m und η den Temperaturverlauf bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Strömungsgeschwindigkeiten von 15 m/s bzw. 70 m/s darstellen.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden insbesondere die folgenden Vorteile erzielt:

1. Ausgezeichnete Kühlgeschwindigkeit bei Verwendung einer geringen Kühlwassermenge;

2. die Kühlgeschwindigkeit läßt sich durch Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluidums einstellen)

j5. durch Verwendung einer Schlitzdüse wird für das Kühlen nur ein äußerst geringer Bereich benötigtj

4. durch die verhältnismäßig schnelle Kühlung wird die Verarbeitbarkeit wesentlich verbessert.

Zusammenfassend schafft die Erfindung also ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von heißen Metallgegenständen durch Besprühen, bei welchem eine verhältnismäßig kleine Wassermenge in einer Düsenanordnung in einer verhältnismäßig großen Luftmenge zerstäubt wird, indem das Wasser zwischen einem

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Druckluftbehälter und dem Drosselbereich der Düsenanordnung in den Luftstrom eingesprüht wird, und anschließend der auf diese Weise gebildete aus zwei physikalischen Phasen bestehende Hochgeschwindigkeitsstrahl auf den heißen Metallgegenstand gerichtet wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum schnellen Kühlen von heißen Metallen, insbesondere heißen Stahlgegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß eine verhältnismäßig kleine Menge einer Kühlflüssigkeit in einen verhältnismäßig großen Gasstrom eingespritzt wird, der durch eine Düse fließt, daß der auf diese Weise gebildete Zwei-Phasen-Strom durch Hindurchdrücken durch die Düse auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird und daß das heiße Metall mit diesem Hochgeschwindigkeit sstrahl in Kontakt gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit Wasser und als gasförmiges Medium Luft verwendet wird.

J5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Gewichtsteil Wasser in fünf Gewichtsteile Luft eingespritzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl auf eine Geschwindigkeit von 10 m/s beschleunigt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche> dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidumstrom unter einem Winkel von 1 - 90° gegen das heiße Metall gerichtet wird.

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6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine an einen Druckgasbehälter (12} 22) angeschlossene Düse (1Ji 25) mit einem verhältnismäßig langen gleichmäßigen Drosselabschnitt, in welche zwischen dem Behälter und dem Drosselabschnitt eine Speiseleitung (15; 35) für Kühlflüssigkeit ein- m mündet und aus welcher ein durch Einspritzen von Kühl

flüssigkeit in das Gas gebildeter, im Drosselabschnitt beschleunigter Zwei-Phasen-Strom durch eine Sprühöffnung (14) ausgetragen werden kann.

7β Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Verwendung von Wasser als Kühlflüssigkeit und Luft als Kühlgas ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (13, 23) eine schlitzförmige Sprühöffnung (14) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Düsen (13, 13*) parallel zueinander am Druckgasbehälter (12) befestigt sind.

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