DE3129254C1 - Vorrichtung zur Kuehlung der bewegten Oberflaeche eines Festkoerpers - Google Patents
Vorrichtung zur Kuehlung der bewegten Oberflaeche eines FestkoerpersInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers.
Bei der Veredelung von Metall-Halbzeugen, insbesondere Blechen und Platten, werden oft hohe
Abkühlgeschwindigkeiten benötigt. So müssen beispielsweise zur Vergütung von hochfesten Leichtmetall-Blechen
und -Platten Abkühlgeschwindigkeiten von weit mehr als 100°C/s erreicht werden. Die Erzielung so
hoher Abkühlgeschwindigkeiten setzt sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten voraus, also Koeffizienten
im Bereich von einigen 1000 W/(m2 ° K).
Bei solchen Kühlvorrichtungen reicht deshalb in aller Regeldas Beblasen mit kaltem Gasstrahl, zum Beispiel
Luft von Umgebungstemperatur, nicht aus, sondern es muß eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, eingesetzt
werden. Dabei wird die Kühlflüssigkeit zum Beispiel durch Sprühdüsen auf die zu kühlende
Oberfläche des Festkörpers aufgespritzt, wie es aus der DE-OS 28 29 172 und der DE-OS 24 32 765 bekannt ist.
Weiterhin wird in dem Buch von Dipl.-lng. Heinrich Ruhfus »Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe«, veröffentlicht
1958 im Verlag Stahl Eisen mbH/Düsseldorf, Seite 379, 380 darauf hingewiesen, daß bei senkrecht
auftreffendem Kühlmittelstrahl der Rückstrahl die Wirkung des auftretenden Strahls stört, so daß selbst bei
stärkstem Wasserdruck keine lückenlose Abschreckung möglich ist und Dampfblasennester entstehen, die die
Gleichmäßigkeit der Härteschicht beeinträchtigen. Demgegenüber bietet ein schräg zur Oberfläche
auftreffender, flacher Wasserstrahl die Möglichkeit, die erwähnte Dampfblasenbildung zu verhindern. Bei einem
bestimmten Wasserdruck muß auch eine bestimmte Schrägstellung der Düse eingehalten werden, um ein
Zurückspritzen und damit eine nachteilige Wirbelbildung zu vermeiden.
Nachteilig ist bei den bekannten Kühlvorrichtungen, daß der Beginn der Abkühlung nicht scharf abgegrenzt
werden kann, so daß es bei empfindlichen Produkten zu einer nicht zulässigen Vorkühlung mit kleinerer
Abkühlgeschwindigkeit kommt, weil sich die Abkühlstelle nicht genau definieren läßt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche
eines Festkörpers zu schaffen, die bei hoher Abkühlgeschwindigkeit den genau definierten, praktisch »sprunghaften«
Beginn der Kühlwirkung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise: Durch Verwendung einer
zur Oberfläche geneigt angeordneten Schlitzdüse, die einen Strahl aus einem Gas/Flüssigkeits-Gemisch auf
die Oberfläche richtet, lassen sich hohe Abkühlgeschwindigkeiten erreichen; selbst bei Verwendung einer
Schlitzdüse, die in einem Winkel von 45° zur Oberfläche des Festkörpers geneigt ist, ergibt sich jedoch eine
starke Rückströmung entgegen der Transportrichtung; dies führt dazu, daß in Transportrichtung vor der
eigentlichen Auftreffstelle des Strahls bereits eine nicht näher definierte Kühlwirkung auftritt.
Ordnet man nun an der von der Oberfläche des Festkörpers abgewandten Seite eine Coanda-Führungsfläche
an, so entstehen durch den Coanda-Effekt Unterdruckkräfte an dieser Führungsfläche, die den
Massenkräften ohne Entwicklung einer Rückströmung das Gleichgewicht halten, also die Rückströmung des
Strahls entgegen der Transportrichtung zumindest stark verringert.
Durch entsprechende Justierung der Winkellage der Coanda-Führungsfläche läßt sieh die Rückströmung
entgegen der Transportrichtung vollständig unterdrükken, d.h., die Kühlung beginnt an einem genau
definierten Punkt, nämlich an der Hinterkante des auf die Oberfläche des Festkörpers auftreffenden Strahls,
wie es für die Erzielung einer optimalen, genau definierten Kühlwirkung angestrebt wird.
Durch Berechnungen mit Hilfe des Impulssatzes ohne Berücksichtigung der Reibung läßt sich leicht zeigen,
daß eine solche, genau definierte Kühllinie bei den üblichen Düsenneigungen und Abständen der Düse von
der Oberfläche ohne Verwendung einer solchen Coanda-Führungsfläche nicht erreicht werden kann.
Ein ähnlicher Effekt läßt sich nur dann erzielen, wenn die Düse in einem sehr kleinen Winkel zur Oberfläche
angeordnet ist; die dann entstehende, geringere Neigung hat jedoch den Nachteil, daß die Impulskomponente
der Flüssigkeit senkrecht zur Oberfläche ebenfalls extrem gering wird, also nun die Kühlwirkung
nicht ausreicht.
Durch Versuche kann weiter bestätigt werden, daß der mit Hilfe der Coanda-Führungsfläche geführte
Gasstrom die Sekundärtröpfchen, die beim Aufprall der Flüssigkeit auf der Oberfläche entstehen, nahezu
vollständig in der gewünschten Richtung, nämlich in der Transportrichtung, abtransportiert. Damit lassen sich
also insgesamt einerseits extrem hohe Abkühlgeschwindigkeiten im Bereich von 240° C/s und andererseits der
Beginn der Kühlwirkung zu einem genau definierten Zeitpunkt des Transportes des Festkörpers erreichen.
Durch die scharf linienförmig begrenzte Kühlwirkung kann auch eine definierte Lage der Kühllinie in bezug
auf die Orientierung des Festkörpers und seiner Bewegungsrichtung realisiert werden. Dadurch läßt sich
das beim üblichen Abschrecken von dünnen Metallbändern und -blechen fast immer auftretende Beulen und
Verwerfen vermeiden oder zumindest verringern. Das Beulen und Verwerfen ist nämlich darauf zurückzuführen,
daß wegen Fehlens einer scharf begrenzten Kühllinie verschiedene Bereiche der Bänder und Bleche
unterschiedlich abgekühlt werden und deshalb jeweils unterschiedliche Abkühlkontraktion haben, wobei die
auftretenden Unterschiede rein statistisch, also vom Zufall bestimmt sind.
Durch eine Neigung des Beginns der Kühllinie gegenüber der Bewegungsrichtung des Festkörpers,
beispielsweise bei Bandanlagen der Vorschubrichtung des Bandes, läßt sich eine definierte Abkühlkontraktion
des Bandes erreichen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematischen
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers nach der
vorliegenden Erfindung,
F i g. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. l.und
Fig.3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers
mit pfeilförmiger Schlitzdüse.
Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zum Abkühlen der oberen, planen Oberfläche eines Festkörpers,
beispielsweise eines in Richtung des Pfeils 12 bewegten Metallbandes oder -bleches, weist ein äußeres
Rohr 9 für die Zuführung einer Gasströmung auf. In der Mitte des äußeren Rohrs 9 ist ein inneres Rohr 10 für die
Zuführung der Flüssigkeitsströmung angeordnet. Das innere Rohr 10 weist Bohrungen 11 auf, aus denen die
Flüssigkeit in Richtung einer an dem äußeren Rohr 9 angebrachten Schlitzdüse austritt und sich mit dem von
dem Rohr 9 kommenden Gasstrahl vermischt. '
Im Zuströmbereich der Schlitzdüse 1 ist ein Leitgitter 2 eingebaut, dessen Teilung der Teilung der Bohrungen
11 entspricht, so daß jeweils durch einen Leitgitterkanal
ein Flüssigkeitsstrahl hindurchtritt, ohne durch Einbauteile gestört zu werden.
Im Innern des Rohrs 10 für die Zuführung der Kühlflüssigkeil ist ein geschlitztes Rohr 13 z. B. aus
Kunststoff angeordnet. Durch Drehen des Rohrs 10 in Richtung des Pfeils 14 um das innere, geschlitzte Rohr
13 können verschiedene Bohrungen in dem Rohr 10 in die Arbeitslage gebracht werden; dadurch wird auf
einfache Weise eine Variation der abgegebenen Flüssigkeitsmenge durch Änderung der Bohrungsgröße
im Rohr 10 für die Zuführung der Flüssigkeit möglich.
Die durch das Rohr 9 zugeführte Gasströmung und die aus den Bohrungen 11 des Rohrs 10 austretende
Flüssigkeitsströmung mischen sich und strömen gemeinsam durch die Kanäle des Leitgitters 2 zu der
Auslaßöffnung der Schlitzdüse 1, die sie als Gas/Flüssigkeits-Freistrahl
3 verlassen. Auf der von der zu kühlenden Fläche des Festkörpers 5 abgewandten Seite
des Freistrahls 3 ist eine gekrümmte Führungsfläche 6 angeordnet, die mit einem Ende an der Schlitzdüse 1
angebracht ist, sich zunächst zum Strahl 3 hin durchbiegt und sich dann wieder von der Mittellinie des Strahls 3
entfernt.
Die Schlitzdüse 1 ist in einem Winkel von etwa 45' 5 zur planen Oberfläche des Festkörpers 5 bzw. zur
Senkrechten auf der Oberfläche angeordnet.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 befindet sich die Schlitzdüse 1 über der Oberfläche, so
daß auch die Führungsfläche 6 über dem freien Strahl 3 ίο angeordnet ist und zunächst in Richtung des freien
Strahls 3 nach unten verläuft und dann in eine Richtung übergeht, die sich etwa tangential zur Oberfläche
erstreckt.
Wird die Schlitzdüse unter der zu kühlenden Oberfläche angeordnet, was ohne Schwierigkeiten auch
möglich ist, so müßte die Anordnung nur entsprechend umgekehrt werden.
Durch den Coanda-Effekt strömt das Gas an der Führungsfläche entlang, d. h., es hat die in F i g. 2 durch
die Pfeile angedeutete Richtung, so daß es nicht mit dem Neigungswinkel der Schlitzdüse 1 auf die zu kühlende
Oberfläche auftritt, sondern etwa tangential zur Oberfläche verläuft. Dabei werden die einzelnen
Flüssigkeitströpfchen von dieser tangentialen Gasströmung
mitgenommen, so daß praktisch die gesamte Flüssigkeit in Strömungsrichtung weiterfließt, sich also
eine genau definierte, scharfe, linienförmige Abgrenzung 4 für den Beginn der Abkühlung ergibt. Dabei ist
wesentlich, daß gemäß der Darstellung in Fig.2 die Kühlwirkung nur rechts von der Linie 4 beginnt, also der
links von der Linie 4 befindliche Teil der Oberfläche praktisch ungekühit ist und deshalb nicht der oben
erwähnten, nachteiligen, unkontrollierten Vorkühlung unterworfen wird.
Zwischen der oberen Abdeckung der Schlitzdüse 1 und der Führungsfläche 6 ist ein Spalt (siehe Fig.2)
ausgebildet, durch den von dem freien Strahl 3 Sekundärluft angesaugt werden kann, wie in F i g. 1
durch das Bezugszeichen 8 und die zugehörigen Pfeile
angedeutet ist
In Fig.3 ist eine Ausgestaltung dieser Abkühivorrichtung
dargestellt, wie sie dann eingesetzt werden kann, wenn die bei der schnellen Abkühlung oft
auftretenden Verwerfungen und Ausbeulungen des Kühlgutes vermieden oder zumindest verringert werden
sollen. Zu diesem Zweck hat die Schlitzdüse 1 in Draufsicht die Form eines Pfeils, der in der Bewegungsrichtung
12 des Kühlgutes 5 spitz zuläuft. Dadurch haben auch die Begrenzungslinien 4 des Kühlbereichs
so die Form eines in Bewegungsrichtung weisenden Pfeils. Selbstverständlich kann durch entsprechende Ausbildung
der Schlitzdüse 1 auch eine andere Form, beispielsweise eine entgegengesetzte Pfeilung oder eine
gekrümmte Korrektur der Abkühlungsabgrenzung 4, realisiert werden.
In Fig.3 ist in dem Diagramm unterhalb der in
Draufsicht dargestellten Kühlgutoberfläche schematisch der Temperaturverlauf eingetragen, der sich längs
der Linie 15 parallel zur Bewegungsrichtung des Kühlgutes 5 einstellt. Da es, wie erwähnt, zu keiner
merklichen Vorkühlung kommt, ändert sich die Temperatur erst sprunghaft beim Durchfahren der
Begrenzungslinie 4 durch das Kühlgut 5.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
- Leerseite -
- Leerseite -
- Leerseite -
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers, gekennzeichnet
durch eine zur Oberfläche geneigt angeordnete Schlitzdüse (1), die einen Strahl (3) aus einem
Gas/Flüssigkeits-Gemisch auf die Oberfläche richtet, und bei der an der von der Oberfläche des
Festkörpers abgewandten Seite eine konkav gekrümmte Coanda-Führungsfläche (6) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (1) in einem Winkel von
30 bis 60° zur Oberfläche angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Coanda-Führungsfläche (6) an der Schlitzdüse (1) angebracht ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Düsenlippe (7) der
Schlitzdüse (1) und der Coanda-Führungsfläche (6) ein Spalt für den Durchtritt einer durch den Strahl
(3) induzierten Sekundärgasströmung (8) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (1)
Pfeilform hat.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (1) in Bewegungsrichtung
der Oberfläche (5) pfeilförmig zuläuft.
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