DE2829172A1

DE2829172A1 - Vorrichtung zum kuehlen von stahl

Info

Publication number: DE2829172A1
Application number: DE19782829172
Authority: DE
Inventors: Seiji Bando; Sadao Ebata
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1977-07-04
Filing date: 1978-07-03
Publication date: 1979-01-18
Also published as: DE2829172C2; US4232853A

Description

PAT ENTANWÄLTE

P 12 909

Vorrichtung zum Kühlen von Stahl

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A. GRÜNECKER

DlPL-ING.

H. KINKELDEY

W. STOCKMAIR

DR-INQ-AeE(CAl-TBCH

K. SCHUMANN

DRRERNAT.-DIPL-IWrS

P. H. JAKOB

DlPL-ING.

G. BEZOLD

DR RERNAT- OPL-CHEM

8 MÜNCHEN

MAXlMiLlANSTRASSE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen von Stahl mittels Wasser im Rahmen.einer Wärmebehandlung

des Stahls.

Für die Erzeugung von Stahlplatten von hoher Qualität bei verringerten Kosten wird seit einiger Zeit eine mit Wasserkühlung verbundene Wärmebehandlung des Stahls angewendet, wobei insbesondere sogenannte gesteuerte Kühlverfahren entwickelt wurden, in denen die Kühlung in Übereinstimmung

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mit einer gewünschten Kühlkurve durchgeführt wird.

Bei einem derartigen, kontinuierliche arbeitenden Kühlverfahren zum gleichmäßigen Abkühlen von Stahlplatten wird Wasser allein oder mit Luft vermischt auf eine sich inzwischen fortbewegende Stahlplatte aufgespritzt oder gesprüht. Je nach der gewünschten Kühlleistung wird das Wasser dabei in Form eines Düsenstrahls, eines Sprühstrahls oder eines Nebels aufgespritzt bzw. -gesprüht.

Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens finden vorzugsweise Düsen Verwendung, welche wahlweise mit Wassser oder mit Wasser und Luft gespeist werden können und in der Lage sind, die drei vorstehend genannten Arten von Spritz- bzw. Sprühstrahlen zu erzeugen, dadurch ist es möglich, durch die Verwendung von Düsen einer einzigen Art eine gleichmäßige Kühlung aufrechtzuerhalten und die Kühlleistung über einen weiten Bereich zu steuern.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung von kontinuierlichen Kühlverfahren der vorstehend beschriebenen Art wurde für die Erzeugung von hochwertigen Stählen eine Kühltechnik entwickelt, welche eine Kühlung in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Kühlkurve erlaubt. Zu diesem Zweck wurden mit zwei Strömungsmitteln, nämlich Wasser und Luft gespeiste Spritz- oder Sprühvorrichtungen vorgeschlagen, welche unter Verwendung von Düsen einer einzigen Art eine Steuerung der Kühlleistung über einen weiten Bereich ermöglichen.

Bekannte Spritz- und/oder Sprühvorrichtungen erfordern für ihre Herstellung jedoch eine äußerst aufwendige Bearbeitung, ihre Kühlwirkung ist auf eine kreisförmige Fläche begrenzt, und sie sind lediglich für die Kühlung von kleineren Flächen geeignet, nicht jedoch auch für größere Flächen. Zur Veränderung der Kühlleistung muß bei bekannten Vorrichtungen die Strömungsmenge und/oder der Druck des der Düse

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zugefiüirten Wassers und/oder der zugeführten Luft verändert werden, wodurch eine Änderung der Geschwindigkeit, des Drucks und anderer Parameter des aus der Düse austretenden Stahls eintritt. Vird bei einer solchen bekannten Steuereinrichtung allein die Wasser- oder die Luftzufuhr gesteuert, so ergibt sich der Nachteil, daß dann das jeweils andere Strömungsmittel im Überschuß vorhanden ist, was eine Vergeudung von Energie bedeutet und einer Steuerung der Kühlleistung über einen weiten Bereich entgegensteht. Eine getrennt Zufuhr und Steuerung der Wassermenge und des Luftdrucks bietet insofern Schwierigkeiten, als eine Veränderung des einen Parameters eine Inderung des anderen nach sich zieht, so daß zur Erzielung einer gewünschten Kühlleistung eine äußerst umständliche Betätigung von Ventilen notwendig ist. Derartige bekannte Steuereinrichtungen sind daher für Vorrichtungen zum gesteuerten Kühlen von Stahl ungeeignet, da hierfür eine schnell ansprechende und genaue Steuerung notwendig ist.

Angesichts der vorstehend geschilderten Mangel bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Kühlvorrichtung für Stahl, welche eine über einen weiten Bereich steuerbare Kühlleistung hat, mit geringem Aufwand herstellbar ist und sich zum Kühlen großer !Flächen eignet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer mühelos steuerbaren Stahl-Kühleinrichtung, welche eine verläßliche Steuerung der Wassermenge und des Luftdrucks erlaubt und deren Kühlleistung über einen weiten Bereich uneingeschränkt steuerbar ist.

Bei einer Stahl-Kühlvorrichtung der genannten Art ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß eine Anzahl von an einem Ende mit einer Wasser-Zufuhrkarmner strömungsverbundenen Spritzrohren an einem mittleren Teil jeweils wenigstens einen mit einer Luft-Zufuhrkammer strömüngsverbundenen Lufteinlaß aufweisen, so daß am anderen Ende der

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Spritzrolire jeweils ein aus Wasser und Luft gemischter Spritzstrahl abgebbar ist, wodurch eine Kühlung über einen weiten Bereich erzielbar ist. In einer mit der Luft-Zufuhrkammer strömungsverbundenen Luft-Zufuhrleitung ist eine Einrichtung zum Eonstanthalten der zugeführten Luftmenge angeordnet. An einer mit der Wasser-Zufuhrkammer strömungsverbundenen Wasser-Zufuhrleitung ist ein Durchflußventil zum Steuern der zugeführten Wassermenge angeordnet. Die Kühlleistung ist dabei durch .Änderung der zugeführten Wassermenge und der Austrittsgeschwindigkeit aus den Spritzrohren veränderbar.

Eine erfindungsgemäße Fitahl-Kühlvorrichtung weist somit also Spritzrohre auf, welche an jeweils einem Ende mit einer Wasser-Zufuhreinrichtung strömungsverbunden sind, am anderen Ende eine Spritzöffnung für den Ausstoß des von der Zufuhreinrichtung zugeführten Wassers aufweisen und an einem mittleren Teil jeweils wenigstens einen mit einer Luft-Zufuhreinrichtung strömungsverbundenen Lufteinlaß haben, so daß das zugeführte Wasser mit der über den Einlaß zugeführten Luft vermischt und in Form von Tröpfchen ausgespritzt bzw. versprüht wird. Das Muster des Spritz- oder Sprühstrahls hat die Form einer Ellipse, deren längere Achse in der Richtung des Lufteinlasses verläuft, so daß sich durch Veränderung der räumlichen Anordnung des Lufteinlasses verschiedene Spritzmuster erzielen lassen.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer bekannten Ausführung einer Düse zum Kühlen von Stahl,

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Stahl-Kühlvorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung,

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Fig. 3 eine Schnittansicht eines Düsenblocks,

Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie XV-IV in Fig. 3,

Fig. 5A eine schematisierte Darstellung des mit einer herkömmlichen Kühlvorrichtung erzielten Kühlmusters,

Fig. 5B eine Darstellung des mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung erzielten Kühlmusters,

Fig. 6A bis 60 schematisierte Darstellungen von Kühlmustern in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung und

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen der zugeführten Wassermenge und dem Druck der zugeführten Luft in einer erfxndungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Kühldüse, deren Kühlleistung über einen weiten Bereich steuerbar ist. Die dargestellte Düse hat einen Düsenkörper 10, welcher zwei damit einstükkige, unter Einschaltung eines gewissen Zwischenraums miteinander fluchtende Spritzdurchlässe 12, 14 und eine die einander zugewandten Enden der Durchlässe umgebende Luftkammer 16 aufweist. Bei dieser Anordnung werden der Druck des über den ersten Durchlaß 12 zugeführten Wassers sowie der Druck der über die Luftkammer 16 zugeführten Luft gesteuert, um die Kühlleistung des durch den zweiten Durchlaß 14 austretenden Spritzstrahls über einen weiten Bereich zu steuern.

Die vorstehend beschriebene Kühldüse hat einen komplizierten Aufbau, und ihr Kühlmuster ist auf eine kreisförmige Fläche beschränkt. Die Steuerung der Kühlleistung der

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Düse.erfolgt darüber hinaus noch mittels herkömmlicher Steuereinrichtungen.

Eine in Fig. 2 dargestellte Stahl-Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung hat einen Düsenblock 20, eine an diesem angeschlossene Luft-Zufuhrleitung 22 mit einer darin angeordneten Einrichtung 24 zum Aufrechterhalten einer konstanten Strömung, eine am Düsenblock 20 angeschlossene Wasser-Zufuhrleitung 26 und ein in dieser angeordnetes Strömungs-Steuerventil 28.

Wie man in 3?ig. 2 und 3 erkennt, hat der Düsenblock 20 einen Körper 30 mit einer sich von einer Stirnseite 32 desselben in ihn hinein erstreckenden, eine Wasser-Zufuhrkammer 34 darstellenden Blindbohrung und einer in gewissem Abstand parallel dazu verlaufenden, eine Luft-Zufuhrkammer 36 darstellenden Blindbohrung. Die Wasser-Zufuhrkammer 34 und die Luft-Zufuhrkammer 36 sind durch eine Zwischenwand 38 voneinander getrennt. An ihrer Ausmündung in der Stirnseite 32 haben die Bohrungen 34, 36 jeweils ein Innengewinde 34A bzw. 36A für den Anschluß der Wasserbzw. Luft-Zufuhrleitung 26 bzw. 22.

In den Körper 30 des Düsenblocks 20 sind in gegenseitigen Abständen mehrere Spritzrohre 40 lotrecht zu den Achsen der Wasser- und Luft-Zufuhrkammern 34 bzw. 36 eingesetzt.

Die Spritzrohre 40 durchsetzen mit jeweils einem Ende die Zwischenwand 38, so daß sie mit der Wasser-Zufuhrkammer strömungsverbunden sind, und münden am anderen Ende jeweils in einer Spritzöffnung 42 an der Außenseite des Körpers 30. Die mittleren Teile der Spritzrohre 40 durchsetzen die Luft-Zufuhrkammer 36 lotrecht zur Achse derselben und weisen Lufteinlässe 44 auf über welche der Innenraum der einzelnen Spritzrohre mit der Luft-Zufuhrkammer 34 strömungsverbunden ist. Die Achsen der Lufteinlässe 44

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verlaufen lotreclit zu den Achsen der Spritzrohre 40 und parallel zur Achse der Luftzufuhrkammer 34·.

Die Wasserzufuhrkammer 34· ist über die Leitung 26 mit Wasser und die Luftzufuhrkammer 36 über die Leitung 22 mit Druckluft gespeist. Das die Spritzrohre 40 von der Was s er zufuhr kamm er 34· aus durchströmende Wasser wird mit über die Einlasse 44 zuströmender Luft vermischt, so daß an der Spritzöffnung 42 ein aus Tröpfchen bestehender Strahl austritt, mittels dessen eine wirksame Kühlung erzielbar ist. Die der Wasserzufuhrkammer 34- des Düsenblocks 20 über die Leitung 26 zugeführte Wassermenge ist steuerbar, wodurch wiederum die von der Luftzufuhrkammer in die Spritzrohre 40 einströmende Luftmenge gesteuert ist, so daß die Menge des ausgespritzten Wassers sowie die Austrittsgeschwindigkeit der beiden Strömungsmittel aus der Spritzöffnung verändert werden können, um damit eine Änderung der Kühlleistung zu ermöglichen.

Der Spritzstrahl hat die Querschnittsform einer Ellipse, deren längere Achse in der Richtung der Lufteinlässe 44 verläuft (Fig. 5B). Durch Änderung des Abstands L1 zwischen dem Lufteinlaß 44 und der Spritzöffnung 42 und des Durchmessers d der Lufteinlässe 44 läßt -sich das Spritzmuster verändern.

Beträgt der Abstand L1 zwischen dem Lufteinlaß 44 und der Spritzöffnung 42 beispielsweise 9 mm, der Innendurchmesser der Spritzrohre 2,5 mm und der Durchmesser d der Lufteinlässe 44 ebenfalls 2,5 mm, so hat der Spritzstrahl in einer Entfernung von 500 mm von der Spritzöffnung 42 die Querschnittsform einer Ellipse, deren Längere Achse 150 mm und deren kürzere Achse 75 mm mißt. Beträgt demgegenüber bei der in Fig. 1 gezeigten bekannten Kühldüse der Abstand L2 zwischen dem ersten und dem zweiten Durchlaß 12 bzw. 14 z.B. 1,5 mm, der Abstand L3 von

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dem Zwischenraum bis zur Mündung des zweiten Durchlasses 8,5 mm und der Durchmesser des zweiten Durchlasses 14 2,5 m, so ergibt sich in einer Entfernung von 500 mm von der Mündung des zweiten Durchlasses 14 eine kreisförmige Querschnittsform des Sprühstrahls mit einem Durchmesser von 75 mm (Fig. 5A). Daraus ist klar ersichtlich, daß mit der erfindungs gemäß en Vorrichtung eine hervorragende Kühlleistung erzielbar ist. Soll die von dem elliptischen Spritzstrahl bestrichene Fläche vergrößert werden, so braucht lediglich der Abstand L1 zwischen den Lufteinlässen 44 und den Spritzöffnungen 42 verkleinert zu werden. Gemäß der Erfindung ist es außerdem nicht notwendig, den Wasserdruck und den Luftdruck besonders zu begrenzen, wobei der eine Druck wahlweise auch höher sein kann als der andere. Mit der beschriebenen Ausführungsform wurden Versuche bei einem Wasserdruck von 5 kp/cm durchgeführt.

Zur wirksamen Kühlung von Stahlplatten kann eine Vielzahl von Spritzrohren 40 so angeordnet sein, daß ihre Spritzstrahlen sich gegenseitig überlappen. Fig. 6A bis 6C zeigen verschiedene Kombinationen von Kühlmustern, wie sie durch entsprechend gewählte Anzahlen und Anordnungen von Spritzrohren 40 sowie Anzahlen und Anordnungen der Lufteinlässe 44 erzielbar sind.

Die an einem Ende mit der Luftzufuhrkammer 36 strömungsverbundene Luftzufuhrleitung 22 ist mit dem anderen Ende an einer Druckluftquelle 46 angeschlossen, und die Einrichtung 24 zum Konstanthalten der Durchströmung ist in einem mittleren Teil der Leitung angeordnet. Zwischen der Einrichtung 24 und dem Düsenblock 20 ist ein Druckmesser 48 vorgesehen. Die Luftzufuhrkammer 36 des Düsenblocks 20 ist also von der Druckluftquelle 46 aus über die Einrichtung 24 mit einer gegebenen konstanten Luftmenge gespeist.

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Die Wasserzuführleitung 26 ist mit einem Ende an der Wasserzufuhrkammer 34 des Düsenblocks 20 und mit dem anderen Ende an einer Zapfstelle 50 angeschlossen und enthält an einem mittleren Teil das Durchfluß-Steuerventil 28. Die der Wasserzufuhrkammer 34 des Düsenblocks 20 zugeführte Wassermenge läßt sich also durch entsprechende Einstellung des Steuerventils 28 variieren.

Zur Steigerung der durch den Ausstoß der beiden Strömungsmittel erzielbaren Kühlleistung müssen der Luftdruck sowie die dem Düsenblock 20 zugeführte'Wassermenge erhöht werden. Dies ist auf einfache Weise möglich, indem die Menge und damit der Druck des dem Düsenblock 20 zugeführten Wassers durch Betätigung des Steuerventils erhöht wird, während die zugeführte Luftmenge konstant bleibt. Durch die Erhöhung der die Spritzrohre 40 durchströmenden Wassermenge wird nämlich die zugeführte Luft innerhalb der Spritzrohre verdichtet und in ihrem Volumen verringert, so daß sich ihr Druck also erhöht. Eine Vergrößerung der zugeführten Wassermenge bewirkt also automatisch eine Erhöhung des Drucks der zugeführten Luft.

Soll die Kühlleistung dagegen verringert werden, so braucht lediglich das Steuerventil 28 betätigt zu werden, um die zugeführte Wassermenge und damit den Wasserdruck innerhalb der Spritzrohre 40 zu verringern. Die Kühlleistung ist somit also allein durch Betätigung des Steuerventils 28 steuerbar. Bei den herkömmlichen Steuerungsverfahren sind demgegenüber Ventile für die Steuerung der Zufuhr sowohl von Wasser als auch von Luft und demgemäß eine sehr umständliche Betätigung dieser Ventile notwendig.

Pig. 7 zeigt die Beziehungen zwischen der zugeführten Wassermenge V (Kl/min) und dem Druck der zugeführten Luft P (kp/cm -.." G) bei einem Düsenblock 20 mit neun

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Spritzroliren 40 von 2,5 nim Innendurchmesser, wobei von der Steuereinrichtung 24 eine konstante Luft-Zufuhrmenge von 500 Nl/tnin aufrecht erhalten wird. Da hier eine Änderung der Zufuhrmenge des Wassers eine proportionale Änderung des Luftdrucks bewirkt, läßt sich die entlang der Abszisse aufgetragene Wasser-Zufuhrmenge anhand des vom Druckmesser 48 angezeigten Luftdrucks ermitteln, so daß die Kühlleistung des Düsenblocks 20 also über einen weiten Bereich genau steuerbar ist.

Ein die Beziehungen zwischen der Zufuhrmenge des Wassers und dem Luftdruck darstellendes Diagramm der vorstehend beschriebenen Art läßt sich für einen gegebenen Düsenblock bzw. für einzelne Spritzdüsen im Vorhinein aufstellen, wobei dann die jeweils zugeführte Wassermenge durch Messung des Drucks der den Düsen zugeführten Luft ermittelt werden kann, so daß die jeweilige Kühlleistung bei einer gewünschten Wasser-Zufuhrmenge oder einem gewünschten Luftdruck mühelos und genau feststellbar ist.

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Λ. Stahl-Kühlvorrichtung zum Kühlen von Stahl durch Aufspritzen eines Gemische von Wasser und Luft, gekennzeichnet durch jeweils an einem Ende mit einer Wasser-Zuführeinrichtung (50» 26, 34) strömungsverbundene und am anderen Ende eine Spritzöffnung (42) für den Austritt des zugeführten Wassers aufweisende Spritzrohre (40), welche in ihrem mittleren Bereich jeweils wenigstens einen mit einer Luft-Zufuhreinrichtung (46, 22, 36) stromungsverbundenen Lufteinlaß (44) aufweisen.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser- und Luftzufuhreinrichtungen jeweils eine in einem Körper (30) eines Düsenblocks (20) geformte Kammer (34 bzw. 36) aufweisen, und daß die Achsen der beiden Kammern parallel zueinander verlaufen.

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3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser-Zufuhrkammer (34-) und die Luft-Zuführkammer (36) als zylindrische Bohrungen ausgeführt sind.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzrohre (40) geradlinig sind und die Wasser-Zufuhrkammer (34) sowie die Luft-Zufuhrkammer (36) lotrecht schneiden.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinlässe (44) die Achsen der Spritzrohre (40) lotrecht schneidende Bohrungen sind.
6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser-Zufuhrkammer (34) und die Luft-Zufuhrkammer (36) jeweils ein Innengewinde (34A bzw. 36A) für den Anschluß einer Wasser- bzw. Luftzuleitung (26 bzw. 22) haben.
7· Kühlvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserzuleitung (26) in ihrem mittleren Bereich ein Durchfluß-Steuerventil (28) aufweist und daß die Luftzuleitung (26) eine Einrichtung (24) zum Aufrechterhalten einer konstanten Durchströmung enthält.
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