DE3027846A1

DE3027846A1 - Verfahren und einrichtung zum abkuehlen von blech, insbesondere stahlblech, mittels wasser

Info

Publication number: DE3027846A1
Application number: DE19803027846
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Osaka Ban; Shuichi Izumisanoshi Osaka Hara; Haruo Yokosuka Kanagawa Kokubun; Osamu Mitaka Tokyo Takeuchi; Hisashi Osaka Yoshinaga
Original assignee: Ishikawajima Harima Jukogyo Tokyo KK; IHI Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Ishikawajima Harima Jukogyo Tokyo KK; IHI Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1980-07-23
Publication date: 1981-05-27
Also published as: CA1129643A; DE3027846C2; GB2062520B; GB2062520A; JPS5848019B2; FR2469461A1; FR2469461B1; US4371149A; JPS5669322A

Description

2o 472 2o/h

Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaisha Nr. 2-1, 2-chome- Ote-machi, Chiyoda-ku T ο k i o, Japan

Sumitomo Metal Industries Ltd.

Nr. 15, 5-chome, Kitahama,,Higashi-ku, Osaka-shi Osaka-fu, Japan

Verfahren und Einrichtung zum Abkühlen von Blech, insbesondere Stahlblech, mittels Wasser.

Im allgemeinen muß die Kühlbehandlung von Metallblech im Rahmen des Spannungsfreiglühens oder Normalisierens nach dem Warmwalzen ausgeführt werden. Hauptziel der Normalisierungsbehandlung sind eine Kornverfeinerung, eine Spannungsfreisetzung und eine chemische Homogenisierung, so daß die erwünschte mechanische Festigkeit als auch Duktilität erreicht werden. Warmgewalztes Metallblech muß auf eine gleichförmige Temperatur abgekühlt werden, ohne daß es örtlich abgeschreckt wird, sodaß an dem warmgewalzten Blech anschließend auszuführende Verfahrensweisen vereinfacht werden und eine hohe Produktivität gewährleistet ist.

Im Rahmen des üblichen Normalisierungsprozesses wird das Blech über die austenitische Umwandlungstemperatur erhitzt und anschließend abgekühlt. Wenn die Abkühlgeschwindigkeit innerhalb des Bereiches, in dem eine

130022/0652 COPY

Abschreckung nicht zu befürchten ist, variiert/ d.h. zweckmässigerweise auf die Legierung des Bleches optimal eingestellt werden kann, lässt sich der Kühltisch in seiner Grosse kompakt halten, und der Vorgang selbst kann mit dem erwünschten Ergebnis ausgeführt werden, weil die Zeitdauer, während der das hocherhitzte Blech auf dem Kühltisch liegt, dadurch beträchtlich abgekürzt werden kann. Jedoch muß sowohl bei der Kühlbehandlung im Rahmen des Spannungsfreiglühens als auch nach dem Warmwalzen grosse Sorgfalt angewendet werden, um die Gefahr eines Verwerfens der Bleche zu verhindern.

Die Verfahren zum Abkühlen von hocherhitztem Blech, insbesondere Stahlblech, lassen sich in das Luftkühlen, die Zwangskühlung und die Wasserkühlung unterteilen. In jüngster Zeit ist auch ein Kühlverfahren entwickelt und vorgeführt worden, bei dem dem Wasser ein geeignetes Zerstäubungsmittel wie Luft oder Dampf zugegeben wird und das Wasser auf die Oberflächen des heissen Stahlbleches gesprüht wird. Die einzelnen Verfahren sind folgende:

Beim Luftkühlen werden die heissen Blechtafeln in dem Kühlgestell oder auf dem Kühltisch belassen und an der Luft abgekühlt. Die Wärmeübergangszahl an Luft liegt jedoch in der Grössenordnung von nur 80 kcal/m .h.°C. sodaß die Abkühlgeschwindigkeit sehr gering ist. Daraus ergibt sich, daß Kühlgestelle oder Kühltische von beträchtlicher Grosse eingesetzt werden müssen. Zusätzlich ist die bei Luftkühlung erzielbare Feinkörnigkeit des Materials begrenzt.

Bei der Zwangskühlung werden grosse Luftmengen unter Druck gegen die Oberflächen des heissen Bleches unter Anwendung eines Gebläses od.dgl. geblasen. In diesem Fall liegt

130022/0652

die Wärmeübergangszahl zwischen dem Stahlblech und
der Luft in der Gr.össenordnung von 1oo kcal/m .h. C
im Maximum, sodaß im wesentlichen die gleichen Probleme
wie bei der gewöhnlichen Luftkühlung auftreten.

Bei der Wasser-Sprühkühlung wird Wasser durch Düsen
von Metallrohren auf die Oberflächen des heissen
Stahlbleches gesprüht oder gespritzt. Dieses Verfahren ist insoweit auch bereits zum Härten angewendet worden. Jedoch ist bei der Sprüheinrichtung,
die hierzu verwendet wird, eine vollständige Zerstäubung des Wassers nicht erzielbar, sodaß Wassertropfen und Wasserstrahlen auf die Oberflächen des
Stahlbleches gespritzt werden. Das hat zur Folge,
daß es schwer ist, die Wärmeübergangszahl zwischen
dem Stahlblech und dem Kühlwasser auf unter 1.000 kcal/m .h. C zu senken. Außerdem werden die Teile des Stahlbleches, auf die Wassertropfen auftreffen, abgeschreckt und dadurch gehärtet. Weiterhin muß, da die Wasser-Sprühkühl-Einrichtung auch zum Abschrecken verwendet wird, das Kühlwasser in

einer hohen Durchsatzmenge von 5oo bis 5.000 l/m - min aufgesprüht werden. Dabei ist es schwierig, bei dieser Einrichtung den I
einzustellen.

richtung den Wasserdurchsatz auf weniger als I00 l/m min

Bei dem Verfahren, bei dem Wasser unter Anwendung eines
Zerstäubungsmittels, wie z.B. Dampf oder Luft, zur Kühlung verwendet wird, besteht der Vorteil darin, daß die Abkühlgeschwindigkeit in einem weiten Bereich variiert
werden kann. Nachteilig ist jedoch, daß eine grosse Menge
an Zerstäubungsmittel notwendig ist und zusätzlich Energie zum Zerstäuben des Wassers verbraucht wird. Wenn z.B.
Luft als Zerstäubungsmittel eingesetzt wird, sind 3oo bis
4oo 1 Luft notwendig, um einen Liter Wasser zu zerstäuben. Das bedeutet einen Leistungsaufwand von 2.5oo W, der einem Kompressor zugeführt werden muß, um den Druck von 3oo 1
Luft auf 6 bar zu erhöhen, um dadurch ein Liter Wasser/min

130022/0653

zu zerstäuben. Darüber hinaus verursacht die Ausführung des bekannten Sprühverfahrens eine starke Geräuschentwicklung, da beim Durchströmen des Zerstäubungsmittels durch die Sprühdüsen aufgrund der hohen Geschwindigkeiten Schallpegel von 9o bis 11o dB erzeugt werden.

Beide vorstehend beschriebenen Wasser-Kühlverfahren haben folgende gemeinsame Nachteile: In Blechstrassen werden die Bleche über horizontale Tische od.dgl. von einer zur nächsten Station geführt oder transportiert. Daraus folgt, daß die Kühleinrichtung horizontal angeordnet sein muß, d.h. das Kühlwasser wird in vertikaler Richtung gegen die obere und untere Blechfläche gesprüht. Das gegen die Blechunterseite gesprühte Wasser tropft nunmehr davon aufgrund der Schwerkrafteinwirkung wieder ab, sodaß ein Problem nicht besteht. Das auf die Blechoberseite gespritzte Wasser verbleibt jedoch dort und bildet wärmeisolierende Schichten gegenüber dem neu hinzukommenden Kühlwasser. Da im Ergebnis das neu hinzukommende Kühlwasser die Wärme von der Blechoberseite nur durch die stehenden Wasserschichten hindurch abführen kann, wird eine effektive Kühlung nicht erreicht. Auch eine gleichmässige Kühlung der Blechoberseite ist unmöglich, weil das stehende Wasser nicht in Form einer Wasserschicht von gleichmässiger Dicke vorliegt, sondern die Dicke schwankt.

Bei der Sprühkühlung von Stahlblech, das auf über 1oo°C liegende Temperaturen erhitzt worden ist, bilden sich Dampfschichten zwischen dem Kühlwasser und dem Blech. Diese Dampfschichtenbildung ist auf der Blechoberseite und der Blechunterseite hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen Wassermengen, die auf Ober- und Unterseite verbleiben, verschieden. Die Filmschicht-

130022/0652

bildung schwankt sogar auf derselben Blechseite aufgrund einer stets vorhandenen ungleichförmigen Temperaturverteilung. Als Ergebnis hiervon schwankt die örtliche Wärmeflußdichte zwischen dem Stahlblech und dem Kühlwasser praktisch von einem Punkt zum andern. Durch die ungleichmässige Kühlung mit den daraus resultierenden ungleichmässigen örtlichen Wärmeübergängen ergeben sich Verwerfungen des Bleches. Diese Verwerfungen verursachen wieder eine Veränderung des Kühlwassers, das auf der Oberseite der Bleche steht, so daß hierdurch die Kühlbedingungen wiederum verändert, meistens sogar verschlechtert werden. Daraus folgt insgesamt, daß nach dem Stand der Technik abgekühltes Stahlblech keine gleichmässige Materialstruktur aufweist und folglich hochqualitatives Blech nicht erzielbar ist. Die auftretenden Verwerfungen des Bleches mussten bisher durch Streckeinrichtungen od.dgl. gerichtet oder korrigiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Probleme in Zusammenhang mit der Durchführung der bekannten Abkühlverfahren zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine dazugehörige Einrichtung vorzuschlagen, mit denen es möglich ist, auf hohe Temperaturen erhitztes Blech so gleichmässig mittels Wasser abzukühlen, daß ohne zusätzlichen Aufwand hochqualitatives Blech hergestellt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Kennzeichenteil des Anspruches 1. Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Einrichtung ergibt sich aus dem Kennzeichenteil des Patentanspruches 5.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren und bei Anwendung der. erf indungsgemässen Einrichtung wird eine optimale Wärmeübergangszahl von dem Blech an das Kühlwasser

130022/0652

- ίο -

erreicht, indem die Fördergeschwindigkeit des Bleches, die Zuführmenge an Sprühwasser, d.h. die Menge an Kühlwasser, die abgegeben wird, der Druck des Kühlwassers an den Düsen und der Sprühwinkel entsprechend eingestellt werden. Die daraus resultierende gleichmässige Kühlung ergibt unverworfene ebene Bleche.

Außerdem ist zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ein Leistungsaufwand von lediglich 5o W erforderlich, der von einer Pumpe aufgenommen wird, um einen Zerstäuberdruck von 1o bar zu erreichen. Der Energieverbrauch des erfxndungsgemässen Verfahrens gegenüber den geschilderten bekannten Wasserkühlverfahren beträgt somit nur etwa 1/5o.

130022/0652

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 7 eine Seitenansicht einer Kühleinrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Kühleinrichtung gem. Fig. 1;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Wasser-Sprühdüse, die in der Einrichtung gemäß den Fig. 1/2 zur Anwendung kommt;

Fig. 4 eine Stirnansicht eines Düsenhalters;

Fig. 5a, b Detailansichten des Düsenhalters gemäß Fig. zum Zweck der Veranschaulichung der Arbeitsweise davon;

Fig. 6 eine grafische Darstellung, aus der sich die Beziehung zwischen der Wasser-Sprühdichte und der Wärmeübergangs zahl ergibt, und

Fig. 7 eine grafische Darstellung, die den zeitlichen Temperaturverlauf der Kühlung eines Stahlbleches von 35 mm Dicke zeigt.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 weist die erfindungsgemässe Einrichtung zum Kühlen von Stahlblech durch Aufsprühen von Wasser einen unteren Rollenfördererabschnitt 1a und einen oberen Rollenfördererabschnitt 1b auf. Jeder der genannten Abschnitte 1a und 1b besteht aus einer Vielzahl von Rollen, die auf einer

130022/0652

. ₁₂_ 3027C46

durchgehenden Achse oder Welle montiert sind. Der untere Rollenfördererabschnitt la ist an eine Antriebseinheit 2 angekoppelt (Fig. 2), z.B. an einen Elektromotor, der von einer Umkehrsteuerung 3 gesteuert ist. Damit ist es möglich, ein auf dem unteren Rollenfördererabschnitt liegendes Stahlblech 4 für Zwecke, die anschließend näher erläutert werden, vor- und rückwärts zu bewegen.

Der obere Rollenfördererabschnitt 1b ist an einem vertikal beweglichen Rahmen 5 aufgehängt und symmetrisch zu dem unteren Rollenfördererabschnitt 1a angeordnet. Der bewegliche Rahmen 5 ist in vertikaler Richtung an einem Portalrahmen mittels einer Hubeinrichtung 6 auf- und abverstellbar. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Hubeinrichtung 6 aus Kraftzylindern, so daß der obere Rollenfördererabschnitt 1b in Abhängigkeit von der Dicke oder dem Kaliber des Bleches 4 an den unteren Rollenfördererabschnitt 1a angenähert oder von diesem weg bewegt werden kann.

Die Kühleinrichtung umfasst weiterhin ein unteres Kühlwasser-Sprühsystem, das unmittelbar urierhalb dem unteren Rollenfördererabschnitt 1a angeordnet ist, sowie ein oberes Kühlwasser-Sprühsystem, das wiederum unmittelbar über dem oberen RoIlenfordererabschnitt 1b symmetrisch zu dem unteren Kühlwasser-Sprühsystem liegt. Das obere Kühlwasser-Sprühsystem ist ebenfalls an dem beweglichen Rahmen 5 montiert, so daß es zusammen mit dem oberen Rollenfördererabschnitt 1b auf- und abbewegbar ist.

Die beiden Kühlwasser-Sprühsysteme sind hinsichtlich Konstruktion und Betriebsweise einander so weitgehend ähnlich, daß es ausreicht, lediglich das obere Kühlwasser-Sprühsystem für das Verständnis der Erfindung zu erläutern:

130022/0652

Das obere Kühlwasser-Sprühsystem besteht im wesentlichen aus einer Matrixanordnung von Sprühdüsen 7, von denen in den Fig. 1 und 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel vier in der Breitenrichtung (Spalte) und sechs in der Längsrichtung (Zeile), also insgesamt vierundzwanzig vorgesehen sind. Die vier Sprühdüsen in derselben Spalte sind hydraulisch miteinander verbunden und zwar über ein gemeinsames Verteilerrohr 8, das querverlaufend angeordnet ist. Die Erfindung sieht eine besondere Gruppenaufteilung der Sprühdüsen 7 vor: Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die Düsen in eine vordere Gruppe bestehend aus den Sprühdüsen der ersten und zweiten Spalte der Matrix (beginnend von rechts in Fig. 1) und eine hintere Gruppe bestehend aus den Sprühdüsen der dritten bis fünften Spalte der Matrix aufgeteilt. Die Sprühdüsen der vorderen Gruppe sind hydraulisch mit ihren jeweiligen Verteilerrohren 8 an ein gemeinsames vorderes Druckrohr 9 angeschlossen, während die hintere Gruppe durch die jeweiligen Verteilerrohre 8 mit einem gemeinsamen Druckrohr 1o verbunden sind. Die vordere Düsengruppe an der Eingangsseite der Kühleinrichtung ist somit zahlenmässig kleiner als die hintere Gruppe.

Die Anzahl von Druckrohren 9 und 1o> die in Längsrichtung an dem beweglichen Rahmen 5 montiert sind, muß somit der Anzahl von Gruppen entsprechen, in welche die Sprühdüsen 7 aufgeteilt sind. Die Druckrohre 9 und 1o sind durch biegsame Anschlüsse, z.B. durch biegsame Schläuche 11, Mengenregelventile 12 und Zuleitungsrohre an eine gemeinsame Kühlwasserversorgung 13 angeschlossen, die. das Kühlwasser unter Druck den Sprühdüsen 7 zuführen. Die Mengenregelventile 12 stehen mit einer Durchfluß-Steuereinheit 14 in Verbindung, so daß die Abgabemenge (je Zeiteinheit) jeder Sprühdüsengruppe optimal und unabhängig von den anderen Düsengruppen gesteuert werden kann. Beispielsweise wird in der gezeigten Ausführung

1 30022/0652

jedes Mengenregelventil 12 durch die Steuereinheit 14 so gesteuert, daß die Du:
eingestellt verden kann.

so gesteuert, daß die Durchflußmenge zwischen 5 und 5o. 1/m · min

Die Fig. 3zeigt eine Ausführung einer Sprühdüse 7, die für die Ziele der vorliegenden Erfindung besonders geeignet ist und nachfolgend im einzelnen erläutert wird. Die Konstruktion der Sprühdüse 7 gemäß Fig. 3 ist so, daß das durch einen Einlaß 15 zugeführte Kühlwasser in zwei Stromzweige aufgeteilt wird, die unterschiedliche Vektoren haben, d.h. in unterschiedlicher Richtung und ggf. mit unterschiedlicher Geschwindigkeit strömen. Die beiden Stromzweige oder Strahlen stossen unmittelbar innerhalb einer Mündung 7a aufeinander. Aufgrund des dadurch resultierenden Aufpralls und der entstehenden Turbulenz werden die beiden Kühlwasserströme aufgebrochen und intensiv zerkleinert.

Die Sprühdüse 7 weist hierzu ein Düsengehäuse 16 auf, in dem ein zylindrischer Abweiskörper 19 mit einer schraubenförmig verlaufenden Rippe 17 und einem axialen Kanal 18 angeordnet ist. Das durch den Einlaß 15 zugeführte Kühlwasser wird somit in einen axialen Stromzweig und einen schraubenförmig rotierenden Stromzweig aufgespalten, von denen der erstere den Axialkanal 18 durchsetzt während der letztere längs des durch die schraubenförmige Rippe erzeugten schraubenförmigen Durchlasses strömt. Genau im Bereich der Düsenmündung 7a durchschlägt der axiale Stromzweig den rotierenden Stromzweig, so daß beide aufgrund des entstehenden Aufpralls und der resultierenden Turbulenz aufgebrochen und zerstäubt werden.

In den Fig. 4 und 5 ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Winkellage der Sprühdüsen 7 dargestellt. Jede Sprühdüse 7 ist am unteren Ende eines 9o -Krümmers 2o angesetzt, der hydraulisch mittels einer flexiblen und drehbaren Verbindung 21 an das Verteilerrohr 8 angeschlossen

130022/0662

ist. Anstelle der flexiblen drehbaren Verbindung 21 kann jede geeignete nachgiebige Verbindung eingesetzt werden, die - wie weiter unten noch erläutert wird - eine Drehung des Krümmers 2o durch einen kleinen Winkelbereich zulässt, so daß die Düse 7 in die durch Pfeile in Fig. 4 und 5a angegebenen Richtungen verstellt werden kann.

Der Krümmer 2o, der die Sprühdüse 7 an seinem unteren Ende trägt, ist mit einer Tastrolle 24 durch eine Kreuzkopf-Lenkführung 26 verbunden, die eine an dem horizontalen Arm des Krümmers 2o fest angeordnete Scheibe 27 betätigt. Die Scheibe 27 ist drehfest mit dem Krümmer 2o verbunden. Die Gelenkanordnung 26 umfasst einen Gleitstein oder Kreuzkopf 25, der auf- und abbeweglich gleitend in einem Führungsblock 23 angeordnet ist, der auf einem Tragrahmen 22 montiert ist. Der Tragrahmen 22 verläuft parallel zu den und unterhalb der Verteilerrohre 8. Zwischen der Scheibe 27 und dem Gleitstein 25 ist eine Lenkerstange 28 eingeschaltet. Die Tastrolle 24 ist drehbar am unteren Ende des Gleitsteines 25 gelagert. Wenn daher der Gleitstein 25, wie nachfolgend noch erläutert wird, sich auf- und abbewegt, wird die Scheibe 27 um einen entsprechenden kleinen Winkel jeweils verdreht, sodaß dadurch auch die Sprühdüse 27 durch einen Winkelbereich zwi;
zur Vertikalen verschwenkt wird.

27 durch einen Winkelbereich zwischen 0 und 7o relativ

Anstelle der Lenkerstange 28 mit einer vorbestimmten Länge, die nicht veränderbar ist, kann diese auch aus zwei Abschnitten bestehen, die miteinander durch eine spannerartige Gewindehülse 28a (s. Fig. 5b) verbunden sind, welche mit oberen und unteren, entgegengesetzt zueinander steigenden Gewinden versehen ist. Auf diese Weise kann die Länge der Lenkerstange 28 vergrössert oder verkleinert

130022/0652

werden, so daß die Sprühdüse 27 dadurch in die gewünschte optimale Ausgangsstellung eingestellt verden kann.

Die Wirkungsweise der Kühleinrichtung nach dem oben geschilderten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis ist folgende:

Das zu behandelnde Blech 4 läuft in die vor- und rückwärts fördernde "Pilgerschritf'-Kühlstrecke zwischen dem oberen und dem unteren Rollenfördererabschnitt 1b und 1a ein, wie das in Fig. 1 mit Pfeil angedeutet ist. Aufgrund des reversierenden Antriebes unter dem Einfluss der Umkehrsteuerung 3 wird es in Längsrichtung vorwärts und rückwärts bewegt. Die Zuflußmengen an unter Druck stehendem Kühlwasser, die durch die Wasserversorgung 13 den jeweiligen Sprühdüsengruppen zugeführt werden, werden durch die Mengenregelventile 12 eingestellt. Die Abgabemenge der jeweiligen Sprühdüsengruppen ist unabhängig von den jeweils anderen Düsengruppen steuerbar. Das Kühlwasser wird über beide Großflächen des Bleches 4 während dessen Vor- und Rückbewegung gesprüht, so daß eine Schwankung der Abgabemenge innerhalb der Sprühdüsen 7 einer selben Düsengruppe kompensiert wird und folglich das Blech 4 gleichmässig gekühlt wird. Eine Deformation des Bleches 4 wird dadurch vermieden. Zusätzlich wird das Gewicht des Bleches 4 während des Kühlvorganges gleichmässig auf die Rollen der Rollenförderer verteilt, so daß auch dadurch eineunter der Gewichtsbelastung hervorgerufene Verformung vermieden werden kann.

Wenn die .Achse der Sprühdüsen 7 zunächst in einem Winkel zur Vertikalen geneigt ist, wie dies aus den Fig. 4 und hervorgeht, schlagen die Sprühtropfen auf die Blechoberfläche unter einem entsprechenden Winkel zur Vertikalen auf, so daß die Horizontalkomponenten der Aufprall— kräfte der Wassertröpfchen auf die Wasserschicht ein-

130022/06S2

wirken, di_e über der Blechoberfläche steht. Auf diese Weise wird das verbleibende Wasser der Wasserschicht längs der Oberfläche in Richtung auf die Ränder des Bleches 4 bewegt. Als Ergebnis davon wird nur eine minimale Menge an Wasser auf der Blechoberfläche stehen bleiben oder praktisch eine stehende Wasserschicht völlig vermieden, so daß eine gleichmässige Kühlung gewährleistet ist. Dadurch wird eine Verwindung oder Verzerrung des Bleches unter dem Einfluß von Wärmespannungen ausgeschaltet.

Wie erläutert, kann eine unzulässige Deformation des Bleches 4 während des KühlVorganges aufgrund der erfindungsgemässen Einrichtung vermieden werden. Sollte sich zeigen, daß bei der gewählten Einstellung trotzdem Verformungen über zulässige Toleranzgrenzen hinaus auftreten, so lässt sich dies mittels der Einrichtung zur Steuerung der' Winkelposition der Sprühdüsen 7 effektiv korrigieren. Zu diesem Zweck sind die Tastrollen 24 in einem bestimmten Vertikalabstand von der Oberseite des Bleches 4 angeordnet. Sollte sich das Blech 4 unter Überschreitung eines vorbestimmten Toleranzbereiches werfen, so kommt es mit irgendeiner der Tastrollen 24 in Kontakt und schiebt diese nach oben, so daß die zugehörigen Sprühdüsen in der beschriebenen Weise verschwenkt werden und somit auch die Aufsprührichtung an Kühlwasser geändert wird. Dadurch wird das Wasser der Wasserschichten, die sich aufgrund der Verwerfung des Bleches 4 gebildet haben, durch die Kraft der Sprühstrahlen weggeschoben. Folglich kann eine ungleichmässige Kühlung aufgrund von Wasserschichten, die auf der Oberseite des Bleches stehenbleiben, vermieden werden und die ebene Ausrichtung des Bleches 4 kann in einem bestimmten und einstellbaren Toleranzbereich gewährleistet werden.

130022/0652

Wie bereits erwähnt, sind die Sprühdüsen 7 in Bereiche, d.h. mindestens zwei Gruppen, unterteilt, wobei die Abgabemenge an Kühlwasser innerhalb jeder Gruppe unabhängig von der anderen Gruppe gesteuert werden kann, so daß dementsprechend auch die Abkühlrate gesteuert und während des Kühlprozesses verändert werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Eigenschaften des Bleches überwachen. Wenn z.B. die Abgabemenge der Sprühdüsen 7 in der vorderen Düsengruppe grosser als diejenige der Düsen 7 in der hinteren Gruppe eingestellt wird, so kann das Blech 4 einer intensiveren und schnelleren Kühlung an Eintritt in die Einrichtung unterzogen werden. Bei seiner weiteren Förderung nach links in Richtung auf die Abgabeseite erfolgt dann eine mildere oder langsamere Kühlung.

Der Abstand zwischen den oberen und unteren Rollenfördererabschnitten 1b und 1a und der Abstand zwischen den Sprühdüsen 7 und der Oberseite des Bleches 4 können in Abhängigkeit von der Dicke oder dem Kaliber des Bleches 4 durch Betätigung des Hubantriebes 6 eingestellt werden. Unabhängig von der Dicke der zu behandelnden Bleche kann dieser Abstand aber auch während des Kühlvorganges in einer gewünschten Weise zur Erzielung optimaler Ergebnisse verändert werden, so daß eine gleichmässige Kühlung auf Ober- und Unterseite des Bleches zugleich durch horizontale und vertikale Veränderungen des Kühleffektes erzielbar ist.

Wenn das Blech 4 in der geschilderten Weise auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt ist, schaltet die Umkehr steuerung 3 in die Antriebseinheit 2 weiter, so daß das abgekühlte Blech auf der linken Seite (in Fig. 1) der Kühleinrichtung weggefördert werden kann»

130022/06S2

Die vorstehend allgemein beschriebene Wirkungsweise der Einrichtung wird nunmehr im einzelnen unter Heranziehung einiger vorteilhafter und in der Praxis bedeutsamer Parameter erläutert: Die Strömungs- oder Abgabemenge jeder Flächeneinheit des zu behandelnden Bleches wird zwischen 5 und

l/m · min verändert, während der Sprühdruck an der Düsenmündung zwischen o,5 und 2o bar eingestellt wird. Zugleich wird das Produkt v.t auf einen Wert zwischen 2o und 15o mm . m/min gehalten, wobei mit ν die Geschwindigkeit der Vor- und Rückwärtsbewegung des Bleches in m/min und mit t die Blechdicke in mm bezeichnet ist. Wenn der Abkühlvorgang unter Einhaltung dieser Bedingungen ausgeführt wird, können die Bleche ohne Abschreckung gekühlt werden. Dementsprechend treten auch keine unerwünschten Struktur- oder Kristallumwandlungen, die durch eine Abschreckung hervorgerufen sein können, auf.

Der angegebene Geschwindigkeitsbereich für die Geschwindigkeit der Vor- und Rückwärtsbewegung von 2o bis 15o mm . m/min wird aus folgendem Grund gewählt: Eine gleichmässige Kühlung des Bleches hängt von der Dicke und von der Geschwindigkeit der Vor- und Rückwärtsbewegung des Bleches ab. Wenn das zu behandelnde Blech nur eine geringe Dicke aufweist und je höher die Bewegungsgeschwindigkeit ist, umso geringer ist die Gefahr einer Blechdeformation. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei Einhaltung des Produktes v.t zwischen 2o und 15o mm.m/min eine Verwerfung des Bleches auf einem Minimum gehalten werden kann.

Beträgt die Abgabemenge an Kühlwasser weniger als 5 l/m min, dann wird die Abkühlgeschwindigkeit zu gering und sogar kleiner als diejenige, die durch die oben geschilderte Zwangskühlung erreichbar ist. Wenn andererseits die

2
Abgabemenge an Kühlwasser 5o l/m min übersteigt, wird die Abkühlgeschwindigkeit zu groß, sodaß eine Abschreckung des Stahlbleches die Folge ist. Folglich liegt die einzu-

130022/06S2

haltende Abgabemenge zur Erzielung zufriedenstellender Resultate bei spannungsfreier Abkühlung zwischen 5 und

2
5o l/m ■ min.

Um den optimalen Bereich für den Sprühdruck in den Düsen zu ermitteln, der nunmehr als zwischen o,5 und bar liegend erachtet wird, wurden ausgedehnte Studien und Versuche durchgeführt, anlässlich denen auch die Mündungsgrösse und die Abgabemenge in dem erwähnten

2
Bereich zwischen 5 und 5o l/m min verändert wurden.

Die Grosse der Wassertröpfchen beim Spannungsfreikühlen von Stahlblech muß unter 7oo ,u liegen. Beträgt der Sprühdruck weniger als o,5 bar, so lässt sich eine gleichförmige räumliche Verteilung nicht erreichen.

2 Bei einer Abgabemenge von 5o l/m min erhält man eine zufriedenstellende räumliche Verteilung mit einer Tropfchengrösse von unter 7oo ,u, wenn der Druck an der Düsenmündung unter 2o bar liegt. Dies ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die obere Grenze. Bemerkenswerte Verbesserungen bezüglich der räumlichen Verteilung lassen sich nicht mehr erreichen, selbst wenn der Sprühdruck auf über 2o bar angehoben werden. Dies führt nur noch zur Steigerung des Energiebedarfes.

Der Winkelbereich für den Schwenkwinkel der Sprühdüsen 7 wird mit 7o gewählt, weil bei einem Einstellen der Sprühdüsen 7 auf mehr als 7o° praktisch keine Wassertröpfchen mehr auf das Stahlblech auftreffen.

Im folgenden werden einige mittels des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung erzielbare Effekte, Merkmale und Vorteile erläutert. Im Fall der Abkühlung von Stahlblech, das auf eine Temperatur über der austenitischen Ümwandlungstemperatur erhitzt war, zeigte sich bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens und der zugehörigen Einrichtung, daß man eine

130022/0662

" ²¹ ■ 3Q2T846

zufriedenstellende Normalisierung der Kornstruktur erhält, wenn die Wärmeübergangszahl zwischen 1oo und 800 kcal/m .h. C eingestellt wird, wobei die Höhe der letztgenannten Zahl zu beachten ist. Dieser Bereich der Wärmeübergangszahl kann aber eingestellt werden, wenn das Produkt v.t auf dem Wert von 2o bis 15o mm . m/min, die Abgabemenge zwischen

2
5 und 5o l/m min und der Düsendruck zwischen o,5 und 2o bar gehalten werden. Unter diesen Bedingungen erfolgt eine gleichmassige spannungsfreie Abkühlung und Normalisierung des Stahlbleches mit einer annehmbaren Kühlgeschwindigkeit, ohne daß örtlich eine Abschreckung auftritt.

Die Beziehung zwischen der Abgabemenge an Kühlwasser und der Wärmeübergangszahl geht aus der Darstellung in Fig. hervor. Der Bereich A zeigt die erzielbaren örtlichen und Gesamt-Wärmeübergangszahlen, wenn das Kühlwasser in einer

2 Abgabemenge zwischen 5 und 5o l/m min aufgesprüht wird, sodaß dadurch das Stahlblech ohne Abschreckung spannungsfrei abgekühlt wird. Der Bereich B hingegen gibt die örtlichen Wärmeübergangszahlen an, die man erhält, wenn Kühlwasserstrahlen auf das Blech aufgespritzt werden, ohne versprüht oder zerstäubt zu werden. Es ist offensichtlich, daß mittels der Kühlverfahren nach dem Stand der Technik, bei denen das Kühlwasser in Form von Wasserstrahlen auf das Stahlblech aufgespritzt wird, ohne daß es zerstäubt wird, der durch das erfindungsgemässe Verfahren und die zugehörige Einrichtung erzielbare Effekt nicht erreicht werden kann.

Zur Beurteilung der Erfindung wurde auch ein Vergleich bezüglich der Abkühlgeschwindigkeit in der Mitte eines Stahlbleches von 35 mm Dicke einerseits bei Luftkühlung, andererseits bei Kühlung nach dem erfindungsgemässen Verfahren angestellt. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 wiedergegeben, in der die Kurve I die Abkühlgeschwindigkeit zeigt, wenn das Stahlblech nach dem erfindungs-

130022/0652

gemässen Verfahren mit einer Abgabemenge von 5 l/m min gekühlt wird. Die Kurve II zeigt die Abkühlgeschwindig-

boL 2

keit/einer Abgabemenge von 5o l/m min und die Kurve III die Abkühlgeschwindigkeit bei Luftkühlung. Es zeigt sich, daß die notwendige Kühldauer zur Abkühlung eines Bleches von einer Temperatur von 85o C auf eine Temperatur von 3oo C bei Luftkühlung 2.ooo Sekunden beträgt, während sie bei 1.ooo bzw. 2oo Sekunden bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, einerseits bei einer

2
Abgabemenge von 5 l/m min, andererseits bei einer

2
Abgabemenge von 5o l/m min, liegt. Angenommen, es müssen zehn Stahlbleche von jeweils zehn Meter Länge und 35 mm jeweils 2.000 Sekunden lang abgekühlt werden, dann wird zur Durchführung des Luftkühlungsverfahrens III ein Kühltisch von I00 Meter Länge erforderlich, während bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit einer Abgabemenge von 5o l/m min eine Kühleinrichtung von 1o m Länge und entsprechend eine. Kühltischlänge von 1o Meter genügt. Auf den Kühltisch wird das Stahlblech aus der Kühleinrichtung zur Hand- :■■■ ■ r Vv.λ Lo

habung mittels eines Kranes abgelegt. Somit kann die

ti " ^: l

Gesamtlänge der Einrichtung im Vergleich mit der Luftkühleinrichtung auf ein Fünftel reduziert werden.

Folgende Wirkungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich zusammenfassen:

1. Wenn beispielsweise Stahlblech von 35 mm Dicke

von einer Temperatur von 85o C auf eine Temperatur von 3oo°C abgekühlt werden soll, kann die Abkühlgeschwindigkeit, d.h. die Wärmeübergangszahl in einem Bereich zwischen I00 und 800 kcal/m .h.°C ausgewählt werden, indem entsprechend die Abgabemenge zwischen

2
5 und 5o l/m min auf beiden Blechflächen eingestellt

wird. Damit lässt sich im KühlVorgang eine spannungsfreie Behandlung bei optimaler Abkühlgeschwindigkeit + Dicke

130022/0852

erreichen, die außerdem entsprechend den Eigenschaften des zu behandelnden Stahles veränderbar ist.

2. Aufgrund der Vorgangsweise nach 1. kann man eine optimale Kühlgeschwindigkeit einstellen, die erheblich höher als diejenige ist, die sich mittels Luftkühlung erzielen lässt. Als Ergebnis davon kann die Gesamtlänge der Kühlstation, d.h. einschließlich Kühleinrichtung und Ausgabetisch, beträchtlich verkürzt werden.

3. Das Kühlwasser wird durch die Sprühdüsen mit einer

2 Abgabemenge von 5 bis 5o l/m min und unter einem

Düsendruck von o,5 bis 2o bar ausgesprüht. Dabei wird das dem Einlaß der Sprühdüsen zugeführte Kühlwasser in zwei Stromzweige unterteilt, die unterschiedliche Strömungsvektoren haben. In dem geschilderten Ausführungsbeispiel wird das Wasser in einen axialen Strahl und in einen Wirbelstrahl unterteilt, und diese beiden Strahlen prallen unmittelbar in der Mündung der Sprühdüse aufeinander. Als Ergebnis davon wird jeder Strahl in Sprühtröpfchen von unter 7oo ,u 0 aufgebrochen. Somit prallen fein zerstäubte Wassertröpfchen auf die beiden Blechflächen, wodurch eine gleichmässige Abkühlung ohne die sonst feststellbaren Begleiterscheinungen von örtlichem Abschrecken erzielbar ist. Zusätzlich kann die Abkühlgeschwindigkeit bzw. die Wärmeübergangszahl in dem bereits erwähnten Bereich zwischen 1oo und 8oo ckal/m .h.°C verändert werden, indem lediglich die Abgabemenge und der Düsendruck in den oben angegebenen Bereichen verändert wird. Das hat im Vergleich zu den Kühlverfahren nach dem Stand der Technik auch eine beträchtliche Einsparung an Wasser zur Folge.

130022/0S52

4. Das Wasser kann allein durch entsprechende Drucksteuerung vollständig und ohne Anwendung eines Zerstäubungsmittels zerstäubt werden. Damit spart man die ansonsten notwendige Energie zum Mischen des Zerstäubungsmittels mit dem Kühlwasser ein. Auch die Geräuscherzeugung kann beträchtlich gesenkt werden.

5. Die Sprühdüsen werden in mindestens zwei Düsengruppen in Längsrichtung der Kühleinrichtung unterteilt, sodaß auch während des Kühlvorganges die Kühlbedingungen verändert werden können.

6. Aufgrund der Anwendung von Rollenfördererη mit deren im wesentlichen punktförmiger Auflage für das

Stahlblech können auch nachteilige Auswirkungen bezüglich einer ungleichmässigen Kühlung des Bleches vermieden werden, die sonst durch eine unmittelbare Körperkühlung an den Förderrollen selbst auftreten würden.

7. Die oberen Sprühdüsen können in vertikaler Richtung gegenüber der Oberseite des Stahlbleches eingestellt werden, sodaß gleichmässige Kühlbedingungen unabhängig von der Blechdicke erreichbar sind.

8. Die Achslage der Sprühdüsen kann automatisch verändert werden, wenn während des Kühlvorganges das

zu behandelnde Blech sich werfen sollte, so daß ein übermässiger Verzug vermieden bzw. auf eine Verformung innerhalb zulässiger Toleranzgrenzen zurückgeführt wird.

9. Gegenüber den bekannten Abkühlverfahren lässt sich in erheblich höherem Maße eine Kornverfeinerung des

130022/0652

3027848

Stahlbleches erreichen. Auch ein höherer Grad an
Duktilität ist erzielbar. Somit kann Stahlblech, das bestimmten mechanischen und chemischen Anforderungen gewachsen sein soll, schon bei Anwendung geringerer
Mengen an Legierungszusätzen (Metallen) erreicht
werden. Zusätzlich kann mit der Absenkung der Mengen an Legierungsmetall- der Kohlenstoffgehalt äquivalent reduziert werden, sodaß die Schweißeigenschaften des Stahlbleches beträchtlich verbessert werden.

130022/0652

Claims

; , PjUE^TA,WWÄtlE . .

_t ·' ,Dr.Jrrfr. Jiai: DJETfRlLOGls! ο λ *■* 1 O / £>

·!·· BtV>I.-Phv%r CL'AUS PCfHLÄÜ 3027 OHO

Dlpl.-Ing. KRANZ LOHRENTZ Dlpl.-Phyi.WOLFGANG SEGETH FERDINAND-MARIA-STR. 6

8 130 STARNBERG 2o472 2o/h

Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaisha Nr. 2-1, 2-chome, Ote-machi, Chiyoda-ku

Tokio, Japan

Sumitomo Metal Industries Ltd. Nr. 15, 5-chome, Kitahama, Higashi-ku, Osaka-shi

Osaka-fu, Japan

Patentansprüche

Verfahren zum Abkühlen von Stahlblech mittels Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu behandelndes Stahlblech (4) während des Kühlvorganges derart vor- und zurückbewegt wird, daß das Produkt aus Bewegungsgeschwindigkeit ν (gemessen in m/min) und Blechdicke t (gemessen in mm) in einem Bereich von 2o bis 15o mm . m/min liegt, daß das Kühlwasser mit einem auf die Flächeneinheit des zu behandelnden Bleches bezogenen

2
Durchsatz von 5 bis 5o l/m · min und mit einem Druck von o,5 bis 2o bar in fein zerstäubter Form und unter einem bestimmten Winkel auf die Flächen des Bleches aufgesprüht wird, und daß bei Auftreten von Deformationen des Bleches während des Abkühlvorganges der Sprühwinkel und/oder der Durchsatz an Kühlwasser in dem angegebenen Bereich innerhalb eines Kühlintervalles von 85o bis 3oo°C verändert wird.

130022/0662
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei auftretenden£)eformationen des Bleches der Sprühwinkel/ gemessen zu einer Normalen zur Blechoberfläche, in einem Bereich von O bis 7o° vergrössert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser durch den Zusammenprall von zwei Kühlwasserstrahlen zerstäubt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des Sprühwinkels automatisch durch Abtastung der Blechoberfläche ausgeführt wird.
5. Einrichtung zum Abkühlen von Stahlblech mittels Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß durch den beiden Seiten'des Bleches (4) zugeordnete Rollenförderer (1a, b), von denen mindestens einer (1a) reversierend antreibbar ist, eine Kühlstrecke gebildet ist, auf deren beiden den Blechflächen zugeordneten Seiten eine Mehrzahl von auf das Blech gerichteten Zerstäuberdüsen (7) angeordnet ist, daß die Zerstäuberdüsen

(7) von einer Kühlwasserversorgung (13, 12) mit Kühlwasser von regelbarer Menge beaufschlagt sind, und daß die Achsrichtung der Zerstäuberdüsen (7) quer zur Förderrichtung des Bleches (4) verstellbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenförderer (1a, b) zu beiden Seiten der-Kühlstrecke symmetrisch ausgebildet und mit den Zerstäuberdüsen (7) zusammen in einem gemeinsamen Rahmen (5) angeordnet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Rollenförderer (1b) zusammen mit den Zerstäuberdüsen (7) senkrecht zu dem zu behandelnden Blech (4) verstellbar ist.

130022/0662
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüsen (7) in Förderrichtung in mindestens zwei Düsengruppen zusammengefasst sind, die getrennt voneinander mit Kühlwasser in regelbarer Menge beaufschlagbar sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüsen (7) jeweils zwei zu der Düsenöffnung (7a) führende Strömungskanäle (17, 18) aufweisen, die in der Düsenöffnung (7a) münden, wodurch die Zerstäubung allein unter dem Druck des Kühlwassers erfolgt.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet/ daß die beiden Strömungskanäle (17, 18) an einen gemeinsamen Einlaß (15) zu der Zerstäuberdüse (7) angeschlossen sind und zur Erzielung unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung der darin geführten Wasserstromzweige unterschiedliche Länge und Richtung aufweisen.
11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 1o, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zerstäuberdüse (7) einen Abweiskörper (19) enthält, der einen axialen geraden Strömungskanal (18) und einen schraubenförmig verlaufenden Strömungskanal (17) an seiner zylindrischen Umfangsflache aufweist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung der Achsrichtung der Zerstäuberdüsen (7) eine Verstelleinrichtung vorgesehen ist, die eine von dem zu behandelnden Blech (4) unmittelbar mechanisch betätigbare Lenkerstange (28) aufweist, welche an einer Scheibe (27) der verschwenkbar gelagerten Zerstäuberdüse (7) angreift.

130022/0652
13. Einrichtung- nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zerstäuberdüse (7) an einem 9o -Krümmer (2o) angeordnet ist, dessen einer Arm parallel zur Längsachse der Kühlstrecke gerichtet und mittels eines nachgiebigen und drehbaren Anschlusses (21) an ein Verteilerrohr (8) angeschlossen ist, während dessen anderer Arm in einer zu dem Blech (4) senkrecht stehenden Ebene verschwenkbar ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Drehscheibe (27) an dem zur Kühlstrecke parallelen A:
festigt ist.

parallelen Arm des 9o -Krümmers (2o) drehfest be-
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkerstange (28) mittels einer Gewindehülse mit gegensinnig steigenden Gewinden längenverstellbar ist.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkerstange (28) an einen in einer zum Blech (4) senkrecht stehenden Führung (23) geführten Gleitstein (25) angelenkt ist, der an seinem unteren Ende eine Tastrolle (24) trägt.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastrolle (24)auf einen bestimmten Abstand von dem Blech (4) einstellbar ist und bei Überschreitung dieses Abstandes durch eine Kühldeformation des Bleches (4) während dessen Förderbewegung auf diesem abrollt.

130022 /-0 652

COF*