DE2456079C3 - - Google Patents
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- C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines heißen Gegenstandes, insbesondere von Tafeln für
die Walzblechherstellung, heißgewalzten Blechen oder kontinuierlich gegossenen Tafeln, durch Aufstrahlen
eines Kühlmittels unter Druck auf dessen Oberfläche.
Es ist bekannt, heiße Gegenstände durch Aufsprühen von Wasser mit niedriger Temperatur oder durch
Eintauchen der heißen Gegenstände in Wasser mit niedriger Temperatur zu kühlen. Für große Kühlkapazitäten
werden große Wassermengen benötigt. Zur Verminderung der benötigten Wassermenge ist ein
Nebelkühlverfahren entwickelt worden, nach dem der zu kühlende Gegenstand mit einem Wasserstrahl
abgesprüht wird, der unter Luftdruck gegen seine Oberfläche getrieben wird. Bei diesem Verfahren kann
zwar die benötigte Wassermenge verkleinert werden, statt dessen wird jedoch eine große Menge unter hohem
Druck stehende Druckluft benötigt. Größere erforderliche KUhlkapazitäten erfordern bei Verminderung der
Kühlwassermengen statt dessen also größere Anlagenkapazitäten, insbesondere also einen größeren Druckluftkompressor
und einen größeren Druckluftspeicher. Zusätzlich wird ein umfangreicheres Leitungssystem
benötigt. Weiterhin sind bei diesem Verfahren die Druckschwankungen in dem aus Wasser und Luft
bestehenden Zweiphasenstrom, der auf das zu kühlende Objekt gerichtet ist, so groß, daß die Strahlen zu
schwingen oder zu pulsieren anfangen, so daß ein konstanter Kühlmittelfluß, also auch eine konstante
Kühlmittelflußleitung, nicht mehr gewährleistet ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Überwindung dieser Schwierigkeiten und die Schaffung eines verbesserten
Kühlverfahrens, das keine Druckluft benötigt, gleichzeitig aber eine große Kühlkapazität mit vermindertem
Wasserbedarf schafft.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man aus einem heizbaren DruckgefäD über 100° C warmes Wasser aus mindestens
einer Düse unter dem Innendruck des Druckgefäßes austreten läßt und den oder die durch Entspannung
erzeugten Strahl(en) des Zweiphasengemisches aus Wasserdampf und feinverteilten Wassertröpfchen auf
die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes richtet
Die unter diesen Bedingungen unter hohem Druck stehenden und austretenden, aus zwei Phasen bestehenden
Kühlmittelstrahlen, die auf das zu kühlende Objekt gerichtet werden, weisen vorzugsweise eine außerordentlich
hohe Volumendurchsatzgeschwindigkeit auf, wobei diese Volumendurchsatzgeschwindigkeit beispielsweise
durch die Wahl der Austrittsdüsen beeinflußt werden kann.
Durch das erfindungsgemäß verbesserte Verfahren wird mit Hilfe relativ einfacher und kompakter Anlagen
bei vermindertem Druckverlust eine stabile Strahlleistung des Zweiphasenstrahls gewährleistet Es ist
gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlverfahren vor allem dahingehend verbessert, daß
bei gleicher Kühlleistung der Wasserbedarf spürbar verringert, die erforderliche Anlage billig, kompakt und
einfach gehalten und eine gewährleistet stabile Kühlmittelstrahlleistung
ohne Pulsationen auch bei hohen absoluten Sjtrahlleistungen gewährleistet werden kann.
Der Fachmann wird ferner ohne weiteres erkennen, daß das erfindungsgemäß verbesserte Verfahren nicht nur
auf die Kühlung von heißgewalzten oder kontinuierlich gegossenen Blechtafeln, sondern allgemein beim Kühlen
eines heißen Gegenstandes angewandt werden kann, wie beispielsweise beim Kühlen gegossener oder
gesinterter Gegenstände oder von Quarzglas, da das Verfahren nicht zwangsläufig materialspezifisch arbeilet.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungübeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 in schematischer Darstellung eine der einfachsten Anlagen zur Durchführung des Verfahrens,
Fig. 2 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung des
Verfahrens,
Fig. 3 in schematischer Darstellung ein etwas aufwendigeres Ausführungsbeispiel einer Anlage zur
Durchführung des Verfahrens mit Energierückführung,
Fig. 4 ein Gleichgewichtsdiagramm für den im Druckgefäß herrschenden Druck als Funktion der
Wassertemperatur,
F i g. 5 in graphischer Darstellung die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes als Funktion der Zeit für
das Verfahren der Erfindung und Verfahren nach dem Stand der Technik und
Fig. 6 in graphischer Darstellung die Streckgrenze eines nach dem Verfahren der Erfindung gekühlten und
nach dem Stand der Technik gekühlten Gegenstandes als Funktion des Ortes auf seiner Oberfläche, also die
Verteilung der mechanischen Eigenschaften des gekühlten Gegenstandes.
Die Grundausführung eines Systems zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist in F i g. I gezeigt.
Im Druckgefäß 10) ist über 100°C warmes Wasser enthalten, das über eine Strahldüse 102 auf den zu
lihlenden Gegenstand 104 gestrahlt wird. Die Durchflußleistung und die Strahlleistung wird über das
Regelventil 103 geregelt, das in der Verbindungsleitung
zwischen dem Druckgefäß und dem Austrittsdüsensystem liegt Das Druckgefäß 101 ist weiterhin mit einem
Manometer !05 und einem Temperaturmeßwertgeber 106 ausgerüstet
In der F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Systems zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung
gezeigt bei dem das Druckgefäß 201 über ein Wasserdampfregelventil 209 aus einer Heißdampfleitung
208 mit Heißdampf gespeist wird. In das Druckgefäß 201 mündet über ein Stellventil 211
weiterhin eine Wasserversorgungsleitung 210. Das Druckgefäß ist weiterhin mit einem Auslaßventil 213,
einem Manometer 205 und einem Temperaturmeßwertgeber 206 sowie einem Füllstandsniesser 207 versehen.
Das durch den Heißdampf im Druckgefäß auf über 100° C aufgeheizte Wasser wird durch eine Strahldüse
202 hindurch auf den zu kühlenden Gegenstand 204 gestrahlt Ein Durchflußwächter und ein Regelventil 203
liegen zwischen dem Druckgefäß 201 und dem Düsensystem 2OZ Das Wasser im Druckgefäß 201 kann
zusätzlich zum Wasserdampf oder statt des Wasserdampfes durch andere Wärmequellen, beispielsweise
durch eine elektrische Heizung, aufgeheizt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Anlage zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist in
F i g. 3 schematisch dargestellt. Die Anlage entspricht in den wesentlichen Elementen der in F i g. 2 gezeigten
Anlage, ist jedoch zusätzlich mit einer Energierückführung zur Verbesserung der Wärmebilanz ausgestattet.
Diese Energierückführung sieht eine Rückführung des aufgeheizten Kühlwassers vor. In einem Auffangbecken
214 wird das von dem zu kühlenden Gegenstand 204 ablaufende und abprallende aufgeheizte Kühlwasser
gesammelt und in einen Vorratstank 215 überführt. Aus diesem Speichertank wird das aufgeheizte Wasser
mittels einer Druckpumpe 216 unter Vorschaltung eines Reinigers 217 über ein Rücklaufwasser-Regelventil 218
und eine Rückführungsleitung 219 wieder in das Druckgefäß 201 eingespeist.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß die Temperatur des Wassers im Druckgefäß und der
Innendruck im Druckgefäß im Siedegleichgewicht miteinander stehen. Dieses Gleichgewichtsdiagramm ist
in der Fig.4 gezeigt. Für die Temperatur des Wassers
von (100+/^"C ist der Gleichgewichtsdruck (I + P)kp/cm2. Beim Ausblasen des aufgeheizten Wassers
aus dem Druckgefäß heraus in eine Atmosphäre mit einem Druck von rd. 1,0 kp/cm2 sinkt die Temperatur
der flüssigen Wasserphase am Ausgang der strahldüse auf 100°C, wobei ein Teil dieses überhitzten Wassers
verdampft. Das Gewicht χ und das Volumen >des pro Mengeneinheit des überhitzten Wassers verdampften
Wasserdampfes berechnet sich zu
(KK) M)- 100
Di(TQ
Di(TQ
DiffQ 54«
(kg/1 Heißwasser)
= (rx= IWM)V= ' ι = 2.96/(1/1 Heißwasser) .
■
■
In den Gleichungen 1 und 2 ist (100+1) die
Temperatur in °C im Druckfaß unter Innendruck und
100 die Temperatur in 0C im entspannten Zustand, Diff(? die Verdampfungswärme des Wassers, die
540 kcal/kg beträgt, und a das Volumenverhältnis von Dampf zu Wasser bei 1000C, das 1600 beträgt, für
Normaldruck.
Es sei angenommen, daß das Heißwasser eine
Temperatur von 150° C hat Dem in der F i g. 4 gezeigten
Gleichgewichtsdiagramm kann entnommen werden, daß der entsprechende Gleichgewichtsdruck
4,85 kp/cm2 beträgt Aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich mit diesen Werten für das Gewicht χ des
Wascerdampfes und das Wasserdampfvolumen y je
Einheitsmasse des Heißwassers
x=0,0903; y= 148.
Wenn das Heißwasser mit einer Geschwindigkeit von 20 l/min ausgestrahlt wird, verdampft es also mit einer
Geschwindigkeit von etwa 1,8 l/min, so daß die Volumenleistung des gebildeten Wasserdampfes
2,7 mVmin beträgt.
Die im Rahmen der Erfindung eingesetzten Volumendurchsatzgeschwindigkeiten
sind jedoch höher als im vorstehend durchgerechneten Beispiel angenommen.
Die Voiumendurchsatzgeschwindigkeit kann sowohl durch die öffnung des Steuerventils oder Regelventil
als auch durch die Temperatur des Heißwassers geregelt werden. Der Temperaturregelung liegt zugrunde,
daß das Wasserdampfgewicht je Einheitsmenge des Heißwassers eine Funktion der Temperatur des
Heißwassers ist (F i g. 4).
Die erhöhte Kühlkapazität, die das Verfahren der Erfindung ermöglicht, ist darin begründet, daß beim
Auf treffen von 100° C heißem Wasser mit hoher
Geschwindigkeit aut die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes die Bildung einer Dampfschicht unterbunden
wird. Gleichzeitig wird dadurch gegenüber der Verwendung von Wasser mit niedrigerer Temperatur
eine deutlich höhere Verdampfungsleistung erzielt.
In der Praxis wird jedoch aus wirtschaftlichen Gründen das nach erfolgter Kühlung ablaufende heiße
Abwasser aufgefangen und rückgeführt. Dieses Wasser wird jedoch mit einer Temperatur der durch die Düsen
ausgestrahlten Wassertröpfchen von etwa 100°Cauf die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes aufgestrahlt.
Ein Teil des Heißwassers wird durch diesen Wärmeübergang auf der Oberfläche des zu kühlenden
Gegenstandes verdampft. Das noch in kondensierter Phase ablaufende Wasser hat unter diesen Bedingungen
noch immer eine Temperatur von praktisch 100°C. Dämmt man die Wärmeverluste im Rückführungskreislauf
dieses Heißwassers weiter ein, so kann das Wasser noch immer mit einer Temperatur von mindestens 90°C
rückgeführt werden. Der durch Verdampfungsverluste und Umwälzverluste entstehende Wasserverlust wird
durch dosierten Frischwasserzusatz ausgeglichen.
Einer der wesentlichen Vorteile des Verfahrens der Erfindung liegt darin, daß die Tendenz zum Druckabfall
im Druckgefäß beim Ausstrahlen des Heißwassers durch ein teilweises Verdampfen des Heißwassers im
Druckgefäß durch die GleichgewichtsDedingungen ausgeglichen wird, so daß im Inneren des Druckgefäßes
bei konstanter Heißwassertemperatur stets ein konstanter vorgegebener Druck herrscht. Dadurch wird eine
außerordentlich stabilisierte Ausstrahlleistung erzielt. Zusätzlich wird das Heißwasser bis zur Austrittsöffnung
der Strahldüsen: in flüssiger Phase gefördert, so daß der Druckverlust in dem Leitungssystem auf ein Minimum
reduziert werden kann, was wiederum dazu führt, daß der Düsendruck außerordentlich hoch gehalten werden
kann und hohe Strahlgeschwindigkeiten erhältlich sind.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Verfahrens der Erfindung liegt darin, daß das Volumen des im
Druckgefäß verdampfenden Wasserdampfes sehr groß ist. so daß das Heißwasser im Druckgefäß in der
Hauptmasse in flüssiger Phase vorliegt und gehalten werden kann, so daß das Druckgefäß klein und kompakt
ausgelegt werden kann. Die großen Druckluftspeicher, die zur Durchführung des Verfahrens nach dem Stand
der Technik zur Nebelerzeugung durch Druckluft für Kühlzwecke erforderlich sind, können entfallen.
Außerdem entfällt das Erfordernis, Kühltürme zur Rückkühlung des aufgewärmten Rücklaufwassers vorzusehen.
Die Erfindung ermöglicht dadurch sowohl anlagesei· tig als auch im Hinblick auf die Material- und
Energiebilanz wesentliche wirtschaftliche Einsparungen.
In der Fig.5 sind die Kühlgeschwindigkeiten nach
dem herkömmlichen Verfahren des Aufsprühens von Wasser und nach dem Verfahren der Erfindung des
Aufsprühens von Heißwasser vergleichend dargestellt. Es werden Stahltafeln mit einer Dicke von 32 mm
gekühlt. Jede der Tafeln wird beidseitig gekühlt. Die Temperatur der Tafel wird durch zwei Thermoelemente
gemessen, von denen eines 2 mm unter der Oberfläche und das andere genau in der Mittelebene der Tafel, also
ir. c'ner Tiefe von 16 mm, angeordnet sind. Die in der
Figur mit S bezeichneten Kurven geben die am 2 mm unter der Oberfläche liegenden Thermoelement gemessenen
Temperaturen wieder, während die in der F i g. 5 mit Cbezeichneten Kurven die am mittig angeordneten
Thermoelement gemessenen Temperaturen zeigen. Die mit dem Index 1 bezeichneten Kurven geben die
Ergebnisse für die Kühlung nach dem Stand der Technik, die mit dem Index 2 bezeichneten Kurven die
Ergebnisse für die Kühlung nach dem Verfahren der Erfindung wieder. Ein Vergleich der in F i g. 5
dargestellten Kurven Q und Si mit den Kurven Ci und
S2 zeigt deutlich die besseren Kühlleistungen, die das
Verfahren der Erfindung erbringt.
Weitere Vergleichsdaten werden in der Weise erhalten, daß man die aufgestrahlten Wassermengen im
Verfahren allmählich und so weit vermindert, bis die erhaltenen Abkühlkennlinien 5j und Ci praktisch den
Kennlinien C\ und S\ entsprechen. Die in diesem Fall für das Verfahren der Erfindung benötigte Kühlwassermenge
beträgt etwa 20% der für die gleiche Kühlleistung nach dem Verfahren des Standes der Technik
erforderlichen Wassermenge.
Gleiche Stahltafeln werden nach dem Verfahren des Standes der Technik und nach dem Verfahren der
Erfindung abgekühlt. Der mit beiden Verfahren erzielte Wirkungsgrad ist in der Tabelle 1 dargestellt.
Tafel- Wasserdicke menge
(mm) (l/min ·
m2)
m2)
Wasserverhält
nis
nis
Temperatur (X)
Anfangs- Endtem-
Anfangs- Endtem-
temperatur
peratur
Kalt- 40 2000 5 920 380
wasser
Heiß- 40 400 1 920 390
wasser
Die in der Tabelle 1 wiedergegebenen Temperaturen sind an der Oberfläche der Stahltafeln gemessen. Die
Daten lassen erkennen, das für die gleiche Kühlleistung nach dem Verfahren der Erfindung lediglich 20% de
Wassers benötigt werden, daß für das Verfahren nach dem Stand der Technik erforderlich ist.
B e i s ρ i e I 3
Die stabilen stationären Heißwasserstrahlleistungen im Verfahren der Erfindung gegenüber den Strahllei
stungen, die mit dem Verfahren nach dem Stand de Technik erzielbar sind, führen zu einer hohen Homoge
nität der mechanischen Eigenschaften in den nach dem Verfahren der Erfindung gekühlten Stahltafeln. Dieser
Vorteil wird anhand des Beispiels der Verteilung der Streckgrenze in Längsrichtung der gekühlten Stahlta
fein im Vergleich zu nach dem Stand der Technik
π gekühlten Stahltafeln nachgewiesen. Die Ergebnisse
dieser Prüfungen sind in der Fig. 6 graphisch dargestellt. Dabei ist die Gesamtlänge der Tafel von der
Anfangskante bis zur Endkante gleich 100% gesetzt.
Auf der Abszisse ist in der F i g. 6 die relative Länge der Tafel aufgetragen, wobei jeder Meßpunkt auf den
Ort bezogen ist, der dieser relativen Länge, beginnend von der Einlaufkante, entspricht.
Ein Vergleich der beiden dargestellten Kurven zeigt daß die Streuung der für die Streckgrenze ermittelter
r> Werte in Stahltafeln, die nach dem Verfahren der
Erfindung gekühlt sind, wesentlich geringer als die Streuung der entsprechenden Werte in Stahltafeln, die
nach dem Stand der Technik gekühlt sind, ausfällt. Die Zweiphasenheißwasserkühlung der Erfindung führt also
jo zu mechanisch wesentlich homogeneren Produkten.
In geschlossenen Kühlwasserkreisläufen geht das Bestreben des Fachmanns üblicherweise dahin, die
ü rückgeführte Kühlwassermenge so groß wie möglich zt
halten. Die zum Ausgleich der Kühlwasserverluste erforderliche Frischwassermenge ist also wesentlich
geringer als die zur tatsächlichen Kühlung erforderliche Kühlwassermenge. In der Tabelle 2 sind die Vergleichsdaten
der Kaltwasserkühlung nach dem Stand der Technik und der Heißwasserkühlung der Erfindung
hinsichtlich der benötigten Frischwasserzufuhr wieder gegeben.
4-, Tabelle 2
Kühlwasserverhältnis
Verlustwassermenge
">o Kaltwasser 5
Heißwasser 1
Heißwasser 1
10%
20%
20%
Von den 10% Verlustwasser im Verfahren nach derr
Stand der Technik sind 9% Kühlverlust, während vor den 20% Verlustwasser im Verfahren der Erfindung
19% Verdampfungsverluste sind. Berücksichtigt man daß der Kühlwasserbedarf im Verfahren der Erfindung
'/5 des Kühlwasserbedarfes des bekannten Verfahren« beträgt, so ergibt sich für den Frischwasserbedarl
folgende Rechnung: (1 · 20%)/(5 · 10%)=2/s. Bei gleicher
Kühlleistung beträgt der Frischwasserbedarf im Verfahren der Erfindung also nur 40% des für das
Verfahren nach dem Stand der Technik erforderlichen Kühlwassers. Die kühlwasserseitig und frischwasserseitig
für gleiche Kühlleistung wesentlich geringeren erforderlichen Kühlwassermengen ermöglichen gleichzeitig
eine deutlich schwächere und kleinere Auslegung der Pumpen, also eine spürbare Verbilligung der Anlage.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zum Kühlen eines heißen Gegenstandes, insbesondere von Tafeln für die Walzblechher- >
stellung, heißgewalzten Blechen oder kontinuierlich gegossenen Tafeln, durch Aufstrahlen eines Kühlmittels
unter Druck auf dessen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem heizbaren Druckgefäß über 100° C warmes Heiß- i<
> wasser aus mindestens einer Düse unter dem Innendruck des Druckgefäßes austreten läßt und den
oder die durch Entspannung erzeugten Strahl(en) des Zweiphasengemisches aus Wasserdampf und
fein verteilten Wassertröpfchen auf die Oberfläche ι > des zu kühlenden Gegenstandes richtet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Volumendurchsatzgeschwindigkeit
der Zweiphasenkühlmittelstrahlen durch Regelventile steuert ·?'>
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Volumendurchsatzgeschwindigkeit
der Zweiphasenkühlmittelstrahlen durch Regelung der Temperatur im Druckgefäß steuert. 2ϊ
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das vom gekühlten
Objekt ablaufende heiße Wasser im Kreislauf zum Druckgefäß rückführt.
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