DE2703852C3

DE2703852C3 - Vorrichtung zum Kühlen der Innenfläche eines zur Vertikalen geneigt geführten Metallrohres

Info

Publication number: DE2703852C3
Application number: DE19772703852
Authority: DE
Inventors: Takao Yokohama Noguchi
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1977-01-31
Filing date: 1977-01-31
Publication date: 1985-02-21
Also published as: DE2703852B2; DE2703852A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen der Innenfläche eines zur Vertikalen geneigt geführten Metallrohres gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist in der DE-AS 17 58 839 beschrieben. Bei ihr ist durch die doppelte Neigung der Düsen sichergestellt, daß Kühlmittel nicht in den zum Aufheizen des Metallrohres vorgesehenen Induktor gelangt

Sowohl aus der DE-AS 17 58 839 als auch aus der DE-PS 7 52 084 sind Kühlvorrichtungen bekannt, bei welchen das abzukühlende Rohr in vertikaler Richtung geführt ist und der im Inneren des Rohres angeordnete Spritzkopf schräg nach unten geneigte Kühlmittelstrahlen abgibt. Die Kühlmittelstrahlen, welche, auf die Innenfläche des Rohres gelangen, laufen bei diesen Vorrichtungen in Ebenen, die die Rohrachse enthalten. Man erhält daher beim Bewegen des Rohres bezüglich des Spritzkopfes in axialer Richtung auf der Rohrinnenfläche eine Vielzahl parallel zur Rohrachse verlaufender Streifen abwechselnd hoher und niederer Temperatur. Hierdurch erhält man thermische Spannungen in Umfangsrichtung des Rohres. Dieser Nachteil tritt noch verstärkt auf, wenn — wie dies in der Praxis oft der Fall ist — der Kühlmitteldurchsatz durch die verschiedenen Spritzdüsen des Spritzkopfes nicht genau gleich eingestellt werden kann. In der DE-AS 17 58 839 ist bei vertikaler Führung des zu kühlenden Rohres zusätzlich auch vorgeschlagen, die Düsen eines die Außenfläche des Rohres kühlenden Spritzkopfes sowohl zu einer zur Rohrachse senkrechten Ebene als auch zu einer die Rohrachse enthaltenden radialen Ebene zu neigen, wodurch wiederum ein Eindringen von Kühlmittel in den Induktor verhindert werden soll.

In der US-PS 32 94 599 ist ferner eine Vorrichtung zum Kühlen der Innenfläche eines horizontal geführten

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65 Rohres beschrieben, bei der die Kühlmittelstrahlen mit einer senkrecht auf der Rohrachse siehenden Ebene einen von Null verschiedenen Winkel einschließen. Die KühJmittelstrahlen liegen aber in einer die Rohrachse enthaltenden Ebene, und das Rohr wird um seine Achse gedreht und zugleich axial vorgeschoben. Damit erzielt man zwar eine in Umfangsrichtung des Rohres gleichmäßige Abkühlung, die Vorschubeinrichtung hat aber verhältnismäßig komplizierten Aufbau und ist schwer zu warten, insbesondere bei Auslegung für Rohre mit großem Durchmesser. Außerdem muß zur Sicherstellung einer völlig gleichförmigen Abkühlung der Innenwand die Drehgeschwindigkeit des Rohres groß verglichen mit dem axialen Vorschub des Spritzkopfes gewählt werden. Letzeres erhöht aber die Dauer des Abkühlvorgangs.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Vorrichtung der eingangs genannten Art geschaffen werden, mit der die Innenwand eines horizontal geführten Rohres ohne großen maschinellen Aufwand gleichförmig abgekühlt werden kann.

Diese Ajfgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

Bei den bekannten Vorrichtungen zum Kühlen der Innenwand eines Rohres erfolgt die Vorgabe der Richtung, in der die Kühlmittelstrahlen vom Spritzkopf abgegeben werden, und damit auch der Richtung, in der die Kühlmittelstrahlen auf die Innenwand des Rohres auftreffen, durch entsprechende Orientierung langer, dünner Düsenkanäle. Dies führt zu ungünstigen Strömungsverhältnissen und nur kleinem Kühlmitteldurchsatz durch die Spritzdüsen, insbesondere auch dann, wenn dieses Prinzip der Kühlmittelstrahlausrichtung auf Spritzköpfe übertragen werden soll, bei denen die Kühlmittelstrahlen zugleich schräg aus der Umfangsfläche des Spritzkopfes austreten sollen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind nun zusätzlich zwischen der Speiseleitung für das Kühlmittel und dem Spritzkopf selbst dünne Zufuhrleitungen vorgesehen, die selbst schräg in den Spritzkopf einmünden. Auf diese Weise erhält schon das in die Kammer des Spritzkopfes eintretende Kühlmittel einen Drall und tritt mit einer Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung aus dem Spritzkopf aus, also in der gewünschten schrägen Richtung. Die Außenwand des Spritzkopfes kann also verhältnismäßig dünn sein, da die Spritzdüsen nicht für das schräge Austreten der Kühlmittelstrahlen bezüglich einer die Rohrachse bzw. die mit dieser zusammenfallende Spritzkopfachse enthaltenden Ebene sorgen müssen. Dies bedeutet nicht nur eine Materialersparnis und einfachere Herstellbarkeit, man kann auch den öffnungswinkel der Kühlmittelstrahlen vergrößern und zugleich trotzdem die Achse der Kühlmittelstrahlen in der gewünschten Weise orientieren. Bei den bekannten Vorrichtungen muß bei guter Orientierung der Kühlmittelstrahlachse zugleich ein enger öffnungswinkel des Kühlmittelstrahls in Kauf genommen werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 einen transversalen Schnitt durch ein Metallrohr mit einer eingesetzten Vorrichtung zum Kühlen seiner Innenwand;

Fig.2 eine seitliche Ansicht der in das Metallrohr eingesetzten Kühlvorrichtung nach Fig. 1, wobei ein Teil des Metallrohres weggebrochen ist;

Fig.3a einen axialen Schnitt durch eine zweite

Vorrichtung zum Kühlen der Innenwand eines Metallrohres;

Fig.3b einen transversalen Schnitt durch die Kühlvorrichtung nach F i g. 3a längs der Linie IH-III;

Fig.4 eine grafische Darstellung der maximalen relativen Schwankung der Abkühlgeschwiiidigkeit in verschiedenen Abschnitten der Innenwand in Abhängigkeit von dem zwischen den Kühlmittelstrahlen und einer zur Rohrachse senkrechten Ebene eingeschlossenen Winkel λ; und

Fig.5 eine grafische Darstellung der maximalen relativen Schwankung der Abkühlgeschwindigkeit in verschiedenen Abschnitten der Innenwand in Abhängigkeit von dem zwischen den Kühlmittelstrahlen und einer die Rohrachse enthaltenden Ebene eingeschlossenen Winkel ß.

In der. F i g. 1 und 2 ist ein Metallrohr 1 gezeigt, in dessen Inneres ein ringförmiger Spritzkopf 2 eingeführt ist Dieser weist eine große Anzahl von Spritzdüsen 4 auf, die so angeordnet sind, daß die aus ihnen austretenden Kühlmittelstrahlen mit. einer senkrecht auf der Spritzkopfachse stehenden Ebene einen Winkel α einschließen, der nachstehend auch als Anstellwinkel bezeichnet wird. Die aus den Spritzdüsen 4 austretenden Kühlmittelstrahlen schließen ferner mit einer die Spritzkopfachse enthaltenden Ebene einen Winkel β ein, der nachstehend auch als Azimuthwinkel bezeichnet

Auf der Spritzkopfachse ist eine Speiseleitung 5 für Wasser angeordnet, die über eine Mehrzahl kleiner >*.-Zuführleitungen 7 mit dem Spritzkopf 2 verbunden ist. Diese Zuführleitungen 7 sind derart mit dem Spritzkopf 2 verbunden, daß sie ihn unter einem Azimuthwinkel ß\ schneiden. In die Speiseleitung 5 für Wasser ist ein Regelventil geschaltet, durch das der Kühlmitteldurchsatz und Kühlmitteldruck beliebig regelbar ist. Der Spritzkopf 2 wird je nach Bedarf mit Kühlwasser 6 oder gleichmäßig mit mit Druckluft vermischtem Kühlwasser beaufschlagt.

Wird das Kühlwasser oder mit Druckluft vermischtes und zerstäubtes Kühlwasser über die Speiseleitung 5 mit hohem Druck zugeführt, so strömt es unter dem Azimuthwinkel jSi in den Spritzkopf 2 ein. Die Flüssigkeit bildet somit in dem Spritzkopf 2 einen Winkel und tritt aus den Spritzdüsen 4 unter Einhaltung des Anstellwinkels λ und des Azimuthwinkels β aus. Man erhält so auf der Innenwand des Metallrohres eine schnelle, wendeiförmige Flüssigkeitsströmung. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsstrahlen muß mehr als 5 m/s betragen, damit die nach oben gerichteten so Flüssigkeitsstrahlen entgegen der Schwerkraft sicher die Innenwand des Metallrohres erreichen und auf dieser zwangsläufug eine spiralige Strömung längs der Innenwand des Metallrohres erzeugen können. Hierdurch ist es möglich, die Innenwand des Metallrohres gleichmäßig zu kühlen und ein Auftreten harter Stellen beim Härten der Rohrwand zu vermeiden, die dadurch hervorgerufen werden, daß sich Kühlflüssigiceit im unteren Bereich der Rohrinnenwand ansammelt oder dort langer verweilt. Durch entsprechende Wahl der Größe des Anstellwinkels und des Azimuthwinkels kann außerdem eine entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Metallrohres erfolgende Flüssigkeitsströmung verhindert werden, so daß auch insofern eine gleichmäßigere Kühlung gewährleistet ist.

Bei der in den Fig. 3a und 3b gezeigten zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Kühlen der Innenwand eines Rohres wird das Kühlwasser mit Druckluft vermischt und dann einem Spritzkopf zugeführt. Dort besteht eine insgesamt mit 9 bezeichnete Speiseleitung aus einer Koaxialanordnung, die aus einer zentralen Speiseleitung 5 für Wasser und einer diese umschließenden Speiseleitung 8 für Druckluft besteht Von den Speiseleitungen 5 und 8 gehen dünnere Wasserleitungen 10 bzw. dünnere Druckluftleitungen 11 aus. Eine jede dieser Wasserleitungen 10 und Druckluftleitungen 11 enthält ein Regelventil 12 und ein Manometer 13. Diese Leitungen sind jeweils mit einer der dünnen Zuführleitungen 7 verbunden, die auch schon bei der ersten Ausführungsform der Kühlvorrichtung vorgesehen waren. Durch entsprechende Einstellung der Regelventile unter Berücksichtigung der Anzeigen der Manometer kann so Kühlwasser und Druckluft unter solchem Druck zugeführt werden, daß man einen gleichmäßigen Sprühdruck der aus den Spritzdüsen austretenden "Cühlmittelstrahlen und eine einfache Steuerung der Geschwindigkeit der Kühlmittelstrahlen erhält

In den F i g. 4 und 5 sind grafisch Versuchsergebnisse dargestellt die die Gleichmäßigkeit der Abkühlung der Rohrinnenwand veranschaulichen. Bei diesen Versuchen wurde die zum Abkühlen eines Metallrohres von 800⁰C auf 400⁰C erforderliche Zeitspanne t an mehreren Punkten des Umfanges von Metallrohren durch Thermoelemente gemessen, die in einer senkrecht auf der Rohrachse stehenden Ebene angeordnet waren. Die Abkühlgeschwindigkeit Van jeder dieser Stellen ist somit gegeben durch 400° C/1 (°C/s). Bezeichnet man mit Δ Vden Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Abkühlgeschwindigkeit an den verschiedenen Meßstellen und mit Va die mittlere Abkühlgeschwindigkeit, so stellt die mittlere relative Schwankung der Abkühlgeschwindigkeit dV/Va ein Maß für die Gleichförmigkeit der Abkühlung dar. Die Gleichförmigkeit ist umso besser, je kleiner der Wert von Δ V/Va ist. Die Geschwindigkeit der Kühlmittelstrahlen betrug mehr als 5 m/s. Bei festem Azimuthwinkel β von 45° und Änderung des Anstellwinkels λ erhält man die in F i g. 4 gezeigten Verhältnisse. Hält man dagegen den Wert für λ konstant auf 45° und ändert den Azimuthwinkel ß, so erhält man die in F i g. 5 gezeigten Verhältnisse. Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß der Anstellwinkel λ im Bereich von 30—70° und der Azimuthwinkel β im Bereich von 30—90° gewählt werden sollte. Im Hinblick auf die Gewährleistung einer gleichmäßigen Strömung des Kühlmittels sollte der Wert für den Winkel ß\ im Bereich von 30-60° gewählt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Kühlen der Innenfläche eines zur Vertikalen geneigt geführten Metallrohres mit einem in das Rohr einführbaren Spritzkopf, der eine Vielzahl von Spritzdüsen aufweist, die jeweils sowohl mit einer senkrecht auf der Spritzkopfachse stehenden ersten Ebene als auch mit einer die Spritzkopfachse enthaltenden zweiten Ebene einen von Null verschiedenen Winkel einschließen, und mit einer zum Spritzkopf führenden Speiseleitung für Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (λ), den die Spritzdüsen mit der ersten Ebene einschließen, 30 - 70° und der Winkel [ß\, den die Spritzdäsen mit der zweiten Ebene einschließen, 30—90° beträgt und daß der Spritzkopf (2) mit der Speiseleitung (5; 9) über eine Mehrzahl dünner Zuführleitungen (7) verbunden ist, die in den Spritzkopf (2) unter einem Winkel (ß\) zu der den Einmündungspunkt und die Spritzkopfachse enthaltenden Ebene einmünden, der zwischen 30 und 60° beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung durch eine einzige Speiseleitung (5) für Wasser gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung durch eine Koaxialanordnung aus einer Speiseleitung (5) für Wasser und aus einer Speiseleitung (8) für Druckluft besteht.

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