DE3708128A1 - Verfahren und druckkuehlaggregat zum gefuehrten abkuehlen geformten, schweren bis leichten, heissen, durchlaufenden produktionsguts aus stahl und metall in druckwasser - Google Patents
Verfahren und druckkuehlaggregat zum gefuehrten abkuehlen geformten, schweren bis leichten, heissen, durchlaufenden produktionsguts aus stahl und metall in druckwasserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Druckkühlaggregat zum geführten Abkühlen
geformten, schweren bis leichten, heißen, durchlaufenden Produktionsguts
aus Stahl und Metall in Druckwasser.
Die Abkühlung geformten, heißen, durchlaufenden Produktionsguts beeinflußt
die Qualität und die Herstellungskosten von Fertigprodukten aus Stahl und Metall
wesentlich. Zur Steigerung der Produktionsmenge pro Zeiteinheit beim
Stranggieß-, Bandgieß-, Walzgut und dgl., durch Vergrößern des Fertigproduktgewichts/m
und durch Steigern der Produktionsdurchlaufgeschwindigkeit in der
Formgebung und Verformung ist es nützlich, ein Verfahren und Kühlaggregat anzuwenden,
daß es ermöglicht, daß die Abkühlung den vielseitigen Anforderungen
im Hinblick auf die Qualität des Fertigprodukts, die Intensität des Wärmeentzugs,
die Zeitspanne des Wärmeentzugs, die Bandbreite der gewünschten Abkühltemperatur,
die reproduzierbare Treffsicherheit der Soll-Abkühltemperaturlinie
nach dem ZTU-Schaubild und der Wirtschaftlichkeit gerecht wird.
In den letzten Jahren stieg bei der Herstellung von Warmbreitband die Endwalzgeschwindigkeit
auf das 2,5fache, das Bundgewicht auf 45 t und die Kapazität
auf 6 Mio. t/Jahr, bei Walzdraht stieg die Endwalzgeschwindigkeit bis 120 m/s,
das Bundgewicht auf 3000 kg und die Monatserzeugung auf 30 000 t/Walzader
(Mommertz, K. H.: Stahl u. Eisen 106 [1968] Nr. 6, S. 255/62).
Das Abkühlen geformten, heißen, durchlaufenden Produktionsguts aus Stahl
oder Metall erfolgt im wesentlichen durch Tauchen in oder Durchführen durch
Wasserbecken, mit Spritzwasser, mit Spritzwasser und Gebläseluft, in Luft und
seit 1983 bei Walzdraht und Stabstahl auch in Druckwasser innerhalb von Druckkühlrohren
mit verengten Rohrenden (Krenn, W.: DP 16 08 327 und 19 25 416;
Schifferl, H. A., Eggerth, K., u. Nöstelthaller, K.: Berg- und Hüttenmännische
Monatshefte, 131. Jahrgang [1986], Heft 11, S. 415/21; Limper, H-G., u. Hoffmann,
G.: Stahl u. Eisen 105 [1985] Nr. 11, S. 631/37). Im Antrag auf Erteilung des
Patents vom 3. August 1986 (Krenn, W.: P 36 26 741.4, ANR. 30 58 565) ist ein
Druckkühlaggregat mit zwei oder drei Druckräumen zwischen Staurändern beschrieben,
bei dem in einem Konvektions-Druckraum dem Walzgut durch das Erwärmen des
Druckwassers bis an den Siedepunkt Wärme entzogen wird und in dem daran anschließenden
Verdampfungs-Druckraum, durch den Entzug der Verdampfungswärme
durch das Heißwasser-Dampf-Gemisch, weiter Wärme entzogen wird, wobei die Führung
des Wärmeentzugs über das in dem Konvektions-Druckraum einströmende Druckwasser
erfolgt.
Beim kritischen Betrachten des Abkühlens geformten, heißen, durchlaufenden
Produktionsgutes aus Stahl und Metall ist zu bedenken, wie sich die Durchlaufgeschwindigkeiten,
die in m/s geläufig sind, auf einem für die Abkühlung noch
großen Oberflächen-Längenabschnitt von 1 mm darstellt, da die sich bildenden
Dampfkeime beim Entstehen einen Durchmesser haben, der davon nur einen Bruchteil
beträgt.
1 mm Produktionsgut-Oberfläche läuft bei einer Geschwindigkeit von
durch die Kühlstrecke.
Diese außerordentlich kurze Zeit, s/mm, macht deutlich, daß die Intensität des
Wärmeentzugs beim Auftreffen eines Wasserteilchens, bei der Spritz- und Laminarwasserkühlung,
auf eine nur mit 15 m/s durchlaufenden Produktoberfläche und
druckloser Umgebung nur sehr gering sein kann, weswegen alle Abkühlungen mit
Spritz- und Laminarwasser den Einsatz sehr hoher Kühlwassermengen erfordern und
bei verschiedenen Anwendungsgebieten schon an ihrer Wirkungs- und Wirtschaftlichkeitsgrenze
geraten sind oder es bei zunehmendem Produktgewicht/m und/oder
zunehmender Produktdurchlaufgeschwindigkeit durch die Kühlstrecke werden.
Bei der Abkühlung von Warmbreitband mit Spritz- und Laminarwasser werden
heute Kühlwassermengen in der Größenordnung von 10 000 m³/h und mehr gefahren.
Wie groß weltweit die Schwierigkeit bei der Abkühlung von schnellaufendem
Walzdraht aus Hochleistungsdrahtwalzwerken geworden waren, vermittelt ein Fachbericht
aus 1982 (Wagner, R., u. a.: Stahl u. Eisen 102 [1982] Nr. 12, S. 595/99),
in dem u. a. sogar gefordert worden war:
Es wird als wünschenswert angesehen, daß der Walzwerkskonstrukteur neben
den unterschiedlichen Luftabkühleinrichtungen endlich unter Nutzung wissenschaftlicher
Erkenntnisse eine geeignete und gleichzeitig wirtschaftlich
arbeitende Wasserkühlstrecke anbietet.
Das Problem war mit der Abkühlung in Druckwasser innerhalb von Druckkühlrohren
mit verengten Rohrenden ab Anfang 1983 gelöst worden (Krenn, W.: DP 16 08 327
und 19 25 416). Ein ausländisches Hüttenwerk ließ nach der Umrüstung der
Spritzwasser-Kühlstrecken an deren Hochleistungsdrahtwalzwerk Ende 1983 deren
Stabstahlwalzwerk mit einer Abkühlung in Druckwasser innerhalb von Druckkühlrohren
ausrüsten (Schifferl, H. A., u. a.: Berg- und Hüttenmännische Monatshefte,
131. Jahrgang [1986], Heft 11, S. 418).
Der erste Schritt von der Abkühlung walzwarmen Walzdrahts aus der Walzhitze
mit Spritzwasser zur Abkühlung in Druckwasser innerhalb einzelliger Druckkühlrohre
hatte bei der Anwendung, wenn die gefahrene Abkühltemperatur genügend
weit über der qualitätsabhängigen Martensitlinie im ZTU-Schaubild gefahren
wird, die damals anstehenden Probleme gelöst, da zu der Zeit die gegenüber
der Abkühlung mit Spritzwasser erheblich höher reichende Abkühlintensität in
Druckwasser bereits ausreichte. Nun wurde 1986 von der Abkühlung walzwarmen
Walzdrahts, der auf einem Transportband ausgefächert mit Gebläseluft abgekühlt
wird, berichtet, daß das Gefüge in jeder einzelnen Windung des Walzdrahtbunds
ungleichmäßig ist, da von jeder Windung die beiden Teilstücke, die im Bereich
der Mitte des Transportbands liegen, rascher abkühlen als die Teilstücke, die
an den beiden Außenseiten des Transportbands liegen (Hoss, K-F.: Stahl u. Eisen
106 [1986] Nr. 7. S. 313/16). Um die negative Auswirkung dieser Abkühlung der
ausgefächerten Windungen in Gebläseluft zu vermeiden oder zu verringern, sollte
die Abkühlung in Druckwasser auf eine so niedrige Abkühltemperatur, ohne in den
Martensitbereich zu kommen, gefahren werden können, daß eine Abkühlung mit Gebläseluft
entfallen kann. Wo dies qualitätsbedingt nicht möglich, ist die Abkühlung
in Druckwasser tiefstmöglich zu fahren, damit der Mangel aus der Abkühlung
mit Gebläseluft verringert werden kann. Mit dem im Antrag auf Erteilung
eines Patents vom 3. August 1986 beschriebenen Verfahren und dreizellige Druckkühlaggregat
ist es möglich, eine Abkühltemperatur zu fahren, die schon näher an
der qualitätsabhängigen Martensitlinie im ZTU-Schaubild liegen kann. Die genannten
außerordentlich kurzen Zeiten, die für die thermischen Abläufe im Druckkühlaggregat
zur Verfügung stehen, die unbekannten, unbenannten Imponderabilien
beim Ablauf des Wärmeentzugs innerhalb des dreizelligen Druckkühlaggregats in
Druckwasser, lassen befürchten, daß die Führung der Abkühlung nur über den einen
gesteuerten Zustrom des Druckwassers in den Konvektions-Druckraum nicht ausreichen
könnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Druckkühlaggregat
zu entwickeln, mit dem der Wärmeentzug bei der Abkühlung geformten, schweren bis
leichten, heißen, durchlaufenden Produktionsguts aus Stahl und Metall in Druckwasser
innerhalb eines Druckkühlaggregats so geführt werden kann, daß der überwiegende
Teil des Produktionsguts aus Stahl und Metall mit gesteigerter metallurgischer
und temperaturmäßiger Treffsicherheit, größerer Gleichmäßigkeit über
die Breite und Länge des abzukühlenden Produktionsguts und besserer Wirtschaftlichkeit
damit abgekühlt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Druckkühlaggregat
anlagenmäßig aus einem einzigen Druckraum, aus zwei, drei oder mehr Druckräumen
produktabhängigen Volumens, jeder begrenzt durch zwei Stauränder (Verengungen),
besteht, in dem/denen vorzugsweise mindestens eine Kühl- und Führungs-Druckwassereinströmung
und eine Kondensations-Druckwassereinströmung, vorzugsweise
in Form einer Brause im jeweiligen Druckraum verteilt, angeordnet ist und das
verfahrensmäßig vorzugsweise mit einer einen Teil höheren Druckwassermenge beaufschlagt
wird die notwendig ist, dem Produktionsgut dadurch Wärme zu entziehen,
daß das in das Druckkühlaggregat, in den Konvektionskühlteil produktabhängiger
Länge, Kühl-Druckwasser einströmt, das zusammen mit dem daneben einströmenden
Führungs-Druckwasser, dort vorzugsweise bis an den Siedepunkt erwärmt wird und
daß das daraus erzeugte Heißwasser-Dampf-Gemisch in dem daran direkt anschließenden
Verdampfungskühlteil produktabhängiger Länge, durch Entzug der Verdampfungswärme
aus dem Heißwasser-Dampf-Gemisch, dem Produktionsgut weiter Wärme
entzogen wird, wobei der Grad des Verdampfens durch das im Bereich des Verdampfens
einströmenden Kondensations-Druckwasser geführt wird.
Als Konvektionskühlteil ist der Teil des Druckkühlaggregats bezeichnet, in
dem das Kühl-Druckwasser und das vorzugsweise die Erwärmung auf den Siedepunkt
führende Führungs-Druckkühlwasser an die Siedetemperatur erwärmt wird.
Als Verdampfungskühlteil ist der Teil des Druckkühlaggregats bezeichnet, in
dem das im Konvektionsteil vorzugsweise auf Siedetemperatur erwärmte Druckwasser
als Heißwasser-Dampf-Gemisch, geführt durch das Kondensations-Druckwasser,
verdampft.
Kühl-Druckwasser ist Druckwasser, daß nur dem Wärmeentzug dient.
Führungs-Druckwasser ist Druckwasser, daß der Führung der Erwärmung des Druckwassers
vorzugsweise auf Siedetemperatur und dem Wärmeentzug dient.
Kondensations-Druckwasser ist Druckwasser, daß der Führung des Grads des
Verdampfens dient.
Der Druckraum, in den der Hauptteil des Kühl-Druckwassers einströmt, in der
Regel der mittlere, wird als Konvektions-Druckraum bezeichnet, auch wenn das
Druckkühlaggregat nur einen einzigen Druckraum aufweist. Alle übrigen Druckräume
werden mit Verdampfungs-Druckraum bezeichnet, gleichgültig ob verfahrensmäßig
der Wärmeentzug darin überwiegend durch Verdampfen oder durch Konvektion
erfolgt.
Einlaufstaurand ist der Staurand eines Druckraumes, durch den das durchlaufende
Produktionsgut in den Druckraum einläuft.
Einströmstaurand ist der Staurand eines Druckraums, durch den das Druckwasser/Heißwasser-Dampf-
Gemisch in den Druckraum einströmt.
Um den Druckwasserstrom für die Abkühlung mit dem erfindungsgemäßen Druckkühlaggregat
verfahrensmäßig so führen zu können, daß der gewählte, produkt-
und qualitätsbezogene Abkühlverlauf eintreten und das Druckkühlaggregat funktionsfähig
gehalten werden kann, ist die anlagemäßige Ausbildung so,
- - daß die Kühl-, Führungs- und Kondensations-Druckwasser-Zuleitungen zum Druckkühlaggregat so bemessen sind, daß die Druckverluste in ihnen gering sind,
- - daß in den Kühl-, Führungs- und Kondensations-Druckwasser-Zuleitungen durchflußregelbare Ventile mit Stellgliedern angeordnet sind,
- - daß die Trennung von Kühl- und Führungs-Druckwasser entfallen kann und für diese zusammen, als Führungs-Druckwasser, nur eine Zuleitung mit einem durchflußregelbaren Ventil mit Stellglied angeordnet ist,
- - daß die Einströmöffnungen für das Kühl-, Führungs- und Kondensations-Druckwasser mit nahezu keinem Staudruckwiderstand ausgebildet sind,
- - daß die Stauränder des einzigen Druckraums sowie aller Druckräume während des Produktdurchlaufs soviel Durchflußquerschnitt aufweisen, daß die für den Wärmeentzug notwendige, produkt-, qualitäts- und abkühlbedingte Kühl-, Führungs- und Kondensations-Druckwassermenge gleichmäßig und ungestört zuströmen kann,
- - daß vorzugsweise in jedem Druckraum, in Produktdurchlaufrichtung gesehen, vorzugsweise vor dem Auslaufstaurand, eine vorzugsweise gekoppelte Wasserschlagsicherung und Wasserabsaugeeinrichtung angeordnet ist, die beim Einlaufen mittleren und schweren Produktionsguts das Druckkühlaggregat vor Zerstörung schützt und durch Absaugen des Wassers in den Produktdurchlaufpausen das Ausbrechen leichten Produktionsgutes verhindert,
- - daß vorzugsweise in den Druckräumen eine durchflußregelbare Heißwasser-Dampf-Gemisch-Entnahmeeinrichtung angeordnet ist, die die Verwendung des Heißwasser-Dampf-Gemisches außerhalb des Abkühlverfahrens ermöglicht,
- - daß zum Vermeiden des Luftzutritts zur abzukühlenden Produktionsgut-Oberfläche während des Abkühlvorgangs, zwischen zwei oder mehr Druckkühlaggregate, der Zwischenraum zwischen den Druckkühlaggregaten mit verschiebbarer Wasserstaumuffe überdeckt wird.
Um die Abkühlung mit dem erfindungsgemäßen Druckkühlaggregat den unterschiedlichen
Produkten und Produktgewichten/m sowie den wechselnden Produktqualitäten
anpassen zu können, werden verfahrensmäßig unterschiedliche Druckkühlaggregatsausführungen
und -schaltungen so gewählt,
- - daß in ein Druckkühlaggregat mit einem einzigen Druckraum das Kühl- und Führungs-Druckwasser vorzugsweise mittig in den Druckraum und das Kondensations-Druckwasser vor die Stauränder an den Druckraumenden geführt wird,
- - daß in ein Druckkühlaggregat mit einem einzigen Druckraum das Kühl- und Führungs-Druckwasser im Bereich des Staurands an einem Druckraumende und das Kondensations-Druckwasser am anderen in den Druckraum geführt wird,
- - daß das Kühl- und Führungs-Druckwasser in den Konvektions-Druckraum und das Kondensations-Druckwasser in einen oder mehrere Verdampfungs-Druckräume geführt wird,
- - daß das Kühl- und Führungs-Druckwasser in den Konvektions-Druckraum, weiteres Führungs-Druckwasser in einen oder mehrere Verdampfungs-Druckräume, vorzugsweise nach dem Einströmstaurand, und das Kondensations-Druckwasser in einen oder mehrere Verdampfungs-Druckräume geführt wird,
- - daß das Kondensations-Druckwasser, in einer produkt-, qualitäts- und abkühlbedingten Anzahl von Druckräumen, nicht in bestimmte Druckräume einströmt,
- - daß der Vordruck des Druckwassers bei schwerem abzukühlendem Produktionsgut gegenüber bei leichtem dem Gewicht/m und dem Produktionsgut-Querschnitt entsprechend so angehoben wird und die Verengung in den Staurändern so verlängert wird, daß die Stauränder auch als wassergeschmiertes Gleitlager wirken,
- - daß der Ablauf des Wärmeentzugs sowohl mit einem qualitätsbezogen maximalen Wärmeübergangswert α als auch mit einem druckkühlaggregatsbezogen minimalen, innerhalb einer vergleichsweise großen Länge des Druckkühlaggregats mit einer vergleichsweise engen Bandbreite in der Abkühltemperatur, gefahren werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Druckkühlaggregat ein Großteil der
geformten, schweren und mittleren, heißen, durchlaufenden Produktionsgüter
überhaupt geführt abgekühlt werden können, daß damit die gewünschten Abkühlintensitätsfolgen
produkt-, abmessungs-, qualitäts- und zeitfolgegerecht mit
vergleichsweise sehr geringer Bandbreite gefahren werden können, so daß sich
im Fertigprodukt keine unerwünschten Gefügebestandteile bilden können und daß
dafür nur eine vergleichsweise geringe Druckwassermenge erforderlich ist.
Da dem Erfinder keine Veröffentlichung zugänglich ist, die die Phänomene
beim Entziehen der Wärme aus geformtem, heißem, durchlaufendem Produktionsgut
aus Stahl und Metall in einem Druckraum durch Druckwasser, im einzelnen beschreibt,
erklärt er den Vorteil an Hand von Meßschrieben, die die Abläufe
beim Entziehen der Wärme aus einem walzwarmen Walzgut in Druckwasser innerhalb
eines Druckkühlaggregats mit nur einem einzelnen Druckraum und Stauränder
an den Druckraumenden zeigen.
Die Meßschriebe in Fig. 5-6 und Fig. 7-8 zeigen, daß die Abkühltemperatur
in dem Maße stabil wird, wie die Menge des durchströmenden Druckwassers im
Verhältnis zur Druckraum-Länge zunimmt.
Anders ausgedrückt, die Abkühltemperatur wird in dem Maße stabil, wie im Verhältnis
zur Menge des durchströmenden Druckwassers der Abstand zwischen den
Staurändern abnimmt, der Druckraum kürzer wird. Die Meßschriebe in der Folge
Fig. 7-Fig. 6, mit den Druckraum-Längen 3-1, bei den Druckwasser-Mengen
10-11 (dürfen für diese Betrachtung als gleich gelten) bestätigen diese
Schlußfolgerung. Die Zahlen zur Druckraum-Länge und Druckwasser-Menge sind
Verhältniszahlen.
Würde der Druckraum nach Meßschrieb Fig. 6 als Konvektions-Druckraum zwischen
zwei Verdampfungs-Druckräume angeordnet sein und der darin wirksame
Wärmeübergangswert in den beiden anschließenden Verdampfungs-Druckräumen nur
gleich hoch sein, würde das abgekühlte Produktionsgut größenordnungsmäßig
eine Abkühltemperatur um 350°C bekommen, würde das erfindungsgemäß einströmende
Kondensations-Druckwasser die Abkühlintensität in den Verdampfungs-Druckräumen
nicht auf z. B. 550°C begrenzen. In der Praxis würde man die
einströmende Druckwassermenge verkleinern, um nicht die Wirkung des Wärmeentzugs
durch die Verdampfungswärme durch eine höhere Kondensations-Druckwassermenge
begrenzen zu müssen.
Für die Darstellung der Wärmeübergangszahl α wird das allgemein bekannte
Diagramm, Fig. 9, der Abhängigkeiten beim Behältersieden als Darstellungshilfe
herangezogen.
Die Meßschriebe in Fig. 6 zeigen einen Wärmeentzug bei einem α-Wert von
24 000 kcal/m² · h · °C (Punkt X). Bei zunehmender Verdampfung des Heißwasser-Dampf-Gemisches
strebt der α-Wert selbstfahrend seinem Maximum (Punkt Y)
zu, um anschließend stark abzufallen auf den Wert des Punktes Z.
Durch die Zugabe kalten Kondensations-Druckwassers im Verdampfungskühlteil
des Druckkühlaggregats wird die Dichte des Heißwasser-Dampf-Gemisches erhöht,
wodurch der α-Wert an seinem selbstfahrenden Ansteigen geführt angehalten,
stabilisiert oder gesenkt wird. Durch ebenso dosiertes Verringern der Kondensations-Druckwassermenge
wird der α-Wert wieder erhöht.
Mit dem erfindungsgemäßen Druckkühlaggregat wird der Wärmeentzug bis zum
α-Wert X primär mit dem Führungs-Druckwasser geführt und mit dem Kondensations-Druckwasser
an diesem Wert stabilisiert und bei Veränderung der Eingangswerte
an diesen Wert führend gehalten, so daß es möglich ist, jeden
physikalisch in Druckwasser möglichen produkt-, abmessungs- und qualitätsbezogenen
Abkühlvorgang bei schweren, mittleren und leichten Produktionsgut
mit vergleichsweise geringer Abkühltemperatur-Bandbreite und geringer
Druckwassermenge geführt ablaufen lassen zu können.
In Fig. 10 und Fig. 11 sind zwei Formen des erfindungsgemäßen Verfahrens
der geführten Abkühlung in einem Druckkühlaggregat mit drei Druckräumen, einem
Konvektions-Druckraum in der Mitte und je ein vorn und hinten anschließenden
Verdampfungs-Druckraum, dargestellt.
Das Druckkühlaggregat in Fig. 10a ist so geschaltet, daß das Druckwasser
nur in den mittleren Konvektions-Druckraum durch die Kühl-Druckwasser-Einströmung
(5.0) und die Führungs-Druckwasser-Einströmung (6) einströmt, die
beiden Verdampfungs-Druckräume (9.1) und (9.2) durchströmt und als Druckwasser-Dampf-Gemisch
das Druckkühlaggregat durch die Stauränder (3.1) und (4.1)
verläßt. Diese Schaltung ist analog der in Fig. 3 in der Anmeldung P 36 26 741.4
dargestellten.
Fig. 10b zeigt den dabei ablaufenden Wärmeentzug, visuell verdeutlicht durch
eine vereinfachte, schematische Darstellung des dabei zu führenden Verhältnisses
des Druckwasser-Anteils zum Dampf-Anteil in dem sich beim Wärmeentzug
bildenden Druckwasser-Dampf-Gemisch, wobei die linke Seite es bei einer
Beaufschlagung mit einer Druckwasser-Menge von 1-, die rechte Seite mit einer
von 1+, darstellt. Diese Darstellung ist analog der in Fig. 10 in der Anmeldung
P 36 26 741.4.
Es bedeuten:
SV
- selbstfahrende Verdampfung; soll ausdrücken die Verdampfung,
die, bei gegebenem physikalischen Milieu, sich selbständig
einstellt.
VF
- Verdampfungs-Führungspunkt; soll ausdrücken die Stelle
in einem Druckraum des Druckkühlaggregats, an der das
Verhältnis des Druckwasser-Anteils zum Dampf-Anteil im
sich bildenden Druckwasser-Dampf-Gemisch der Größe des
Wärmeentzugs zum Erreichen der Soll-Abkühltemperatur
des Produktionsguts entspricht.
GV
- geführte Verdampfung; soll ausdrücken die Verdampfung,
die bei richtiger Führung des Verdampfungs-Führungspunktes
im Druckkühlaggregat anliegt.
Das Wesentliche bei der Form des Verfahrens der geführten Abkühlung nach Fig.
10 ist, daß, wie in Fig. 10b dargestellt, bei einer gegebenen Länge der
Druckräume die selbstfahrende Verdampfung (SV), durch das geführt in den
Konvektions-Druckraum (8.1) einströmende Kühl- und Führungs-Druckwasser,
über die Einströmungen (5.0) und (6.0) zur geführten Verdampfung (GV) mit
dem unverrückbaren Verdampfungs-Führungs-Punkt (VF) in den Staurändern (3.1)
und (4.1) wird. Liegt der Größenwert der SV nicht auf dem der Soll-Abkühltemperatur
entsprechenden, liegt der wirkliche, momentan anliegende VF nicht
an den Staurändern (3.1) und (4.1), so muß die Menge des in den Konvektions-Druckraum
einströmenden Führungs-Druckwassers entsprechend verändert werden.
Da die Zeit bis zur Wirksamkeit auf die Abkühltemperatur dabei wegen der
zwischen der Einströmung (5.0) des Führungs-Druckwassers in den Konvektions-Druckraum
(8.1) und der Stauränder (3.1) und (4.1) am Ende der Verdampfungs-Druckräume
(9.1) und (9.2), gemessen an der Zeit des Durchlaufs eines abzukühlenden
Produktionsguts-Oberflächenteilchens durch das Druckkühlaggregat
(0,0005 s/mm bei 2 m/s Durchlaufgeschwindigkeit, 0,000008 s/mm bei 120 m/s),
doch länger ist, werden die Teillängen des nicht in schmaler Bandbreite auf
der Soll-Abkühltemperatur liegenden Produktionsguts ebenfalls länger, wenn auch
immer noch kürzer als vergleichsweise bei der Abkühlung mit Spritz- und Laminar-Wasserkühlung.
Diese Form des erfindungsgemäßen Verfahrens des geführten
Wärmeentzugs kann man unterscheidend als Wärmeentzug mit festgelegten Verdampfungs-Führungspunkt
(VF) in den Ausström-Staurändern (3.1) und (4.1) des
Druckkühlaggregats bezeichnen.
In Fig. 11 ist die Form des erfindungsgemäßen Verfahrens des geführten
Wärmeentzugs dargestellt, die man unterscheidend als Wärmeentzug mit variabel
geführten Verdampfungs-Führungspunkt (VF) in den Druckräumen (8.1), (9.1)
und (9.2) des Druckkühlaggregats bezeichnen kann.
Das Druckkühlaggregat in Fig. 11a ist so geschaltet, daß Druckwasser durch
die Einströmungen (5.0) als Kühl-Druckwasser in den Konvektions-Druckraum
(8.1), (6.0), (6.1) und (6.2) als Führungs-Druckwasser und (7.0), (7.1) und
(7.2) als Kondensations-Druckwasser in alle Druckräume einströmt.
Fig. 11b, ein möglicher Verlauf des Wärmeentzugs bei leichteren Produktionsgut,
zeigt, daß durch das geführte Einströmen von Druckwasser, durch die Einströmungen
(6.0), (6.1) und (6.2) sowie durch (7.0), (7.1) und (7.2), die
Lage des Verdampfungs-Führungspunktes (VF) in jedem Druckraum für sich,
variabel geführt werden kann und nicht mehr an die Lage der Stauränder (3.1)
und (4.1) gebunden ist, womit die Zeit zwischen Impuls für eine Veränderung
des Wärmeentzugs und der sich zeigenden Wirkung auf ein Minimum verkürzt
wird.
Die einem bestimmten Wärmeentzug für eine bestimmte Abkühltemperatur
entsprechende, zu fahrende Menge Druckwasser wird im Anfahr-Moment vorzugsweise
das Größenordnungsverhältnis haben von etwa
Die günstigsten Teil-Druckwassermengen, die die qualitätsabhängig und abmessungsbedingt
nützlichste Verdampfungs-Führungspunkt-Lage pro Druckraum
im Druckkühlaggregat ergeben, werden während des Produktionslaufs zunehmend
exakter ermittelt und im rechnergeführten Abkühlprogramm gespeichert.
Fig. 11c, ein möglicher Verlauf des Wärmeentzugs bei schwereren Produktionsgut,
zeigt besonders deutlich, wie das geführte Einströmen unterschiedlicher
Mengen von Führungs-Druckwasser durch die Einströmungen (6.1) und (6.2) sowie
von Kondensations-Druckwasser durch die Einströmungen (7.0), (7.1) und
(7.2) das Verhältnis der Anteile im Druckwasser-Dampf-Gemisch verändert und
damit der Wärmeentzug so zielführend erfolgen kann, daß die Soll-Abkühltemperatur,
mit vergleichsweise geringer Menge Druckwasser, mit schmaler Bandbreite
gefahren werden kann. Warmbreitband bestimmter Stärke kann in einem
Druckkühlaggregat gegenüber in einer Spritz- und Laminarwasserkühlung mit
der halben Menge Druckwasser die Abkühlleistung verdoppeln, anders gesagt,
mit einer um rd. 75% niedrigeren Menge Druckwasser die gleiche Abkühlung erreichen.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anlagen- und
verfahrensschematisch dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Druckkühlaggregat mit einem einzigen Druckraum,
Fig. 2 den Ablauf des Wärmeentzugs mit geführter Verdampfung in vereinfachter,
schematischer Darstellung,
Fig. 3 ein Druckkühlaggregat mit drei Druckräumen und
Fig. 4 ein Druckkühlaggregat mit fünf Druckräumen.
Fig. 1 und 2: In das Druckkühlaggregat (1) mit einem einzigen Druckraum (2),
den Staurändern (3) und (4), auch Einlauf- und Auslaufstaurand genannt, strömt
durch die Einströmungen (5) und (6) das Kühl- und Führungs-Druckwasser über
die Ventile mit Stellglied (13) und (14) aus den Druckwasserzuleitungen (10)
und (11) in den Druckraum (2) ein.
Im Konvektionskühlteil (8) wird das Kühl- und Führungs-Druckwasser vorzugsweise
auf seine Siedetemperatur erwärmt, das als Heißwasser-Dampf-Gemisch in den
Verdampfungskühlteil (9) strömt, in dem mit dem durch die Einströmung (7) in
den Druckraum (2) über das Ventil mit Stellglied (15) aus der Druckwasserzuleitung
(12) einströmende Kondensations-Druckwasser die zunehmende, selbstfahrende
Verdampfung (SV) durch das dosiert einströmende Kondensations-Druckwasser
in eine geführte Verdampfung (GV) an dem produkt-, abmessungs- und
qualitätsbezogen führbaren Verdampfungs-Führungs-Punkt (VF) umgewandelt wird.
Um zu vermeiden, daß Produktionsgut - leichtes ausgenommen - beim Einlaufen in
das wassergefüllte Druckkühlaggregat dieses durch Wasserschlag beschädigt und
daß das leichte Produktionsgut dabei ausbricht, ist vorzugsweise in jedem
Druckraum eine vorzugsweise mit einer Wasserabsaugeeinrichtung gekoppelte Wasserschlagsicherung
(19) angeordnet, die in den Durchlaufpausen und bis zu dem
Zeitpunkt, zu dem der Anfang des durchlaufenden Produktionsguts den Auslaufstaurand
des betreffenden Druckraums erreicht hat, Wasser absaugt.
Beim Wärmeentzug bei mittlerem und schwerem Produktionsgut entsteht eine größere
Menge Heißwasser-Dampf-Gemisch, es ist daher nützlich, vorzugsweise in
allen Druckräumen eine Heißwasser-Dampf-Gemisch-Entnahmeeinrichtung (20)
anzuordnen. Soll bei zwei oder mehr hintereinander angeordneten Druckkühlaggregaten
der Luftzutritt zu der abzukühlenden Produktoberfläche zwischen diesen
unterbunden werden, so wird dieser Zwischenraum mit einer verschiebbaren
Wasserstaumuffe (21) überdeckt.
Fig. 3: In das Druckkühlaggregat (1) strömt in den Konvektions-Druckraum (8.1),
mit den Staurändern (3) und (4), durch die Einströmung (16) das Kühl- und Führungs-Druckwasser
gemeinsam über das Ventil mit Stellglied (18) aus der Druckwasserzuleitung
(17) ein, wird dort vorzugsweise auf seinen Siedepunkt erwärmt
und strömt als Heißwasser-Dampf-Gemisch über die Stauränder (3) und (4) in die
Verdampfungs-Druckräume (9.1) und (9.2) und strömt von dort, dem Produktionsgut
durch die Verdampfungswärme Wärme entziehend, durch die Stauränder (3.1) und
(4.1) aus dem Druckkühlaggregat.
Das Verfahren des Abkühlens mittleren Produktionsguts ab dem zweiten Abkühlvorgang:
Im Moment des Auslaufes des vorher durchgelaufenen Produktionsguts
wird der Zustrom des Kühl- und Führungs-Druckwassers durch die Einströmungen
(5) und (6) bzw. (16) sowie durch (6.1) und (6.2) auf einen Mindestwert zurückgefahren
und die Wasserabsaugeeinrichtung der kombinierten Wasserschlagsicherung
mit Wasserabsaugeeinrichtung (19), (19.1) und (19.2) impulsgesteuert eingeschaltet,
so daß das Wasser in den Druckräumen drucklos und abgesaugt wird.
Das Produktionsgut läuft in das Druckkühlaggregat ein, übersteigt der momentan
dabei entstehende Wasserdruck in einem Druckraum ein bestimmtes Maß, sprechen
die Wasserschlagsicherungen (19.1), (19) und (19.2) an, sobald der Anfang des
Produktionsguts den jeweiligen Auslaufstaurand (3), (4) und (4.1) der Druckräume
(9.1), (8.1) und (9.2) erreicht hat, schaltet die jeweilige Wasserschlagsicherung
und Wasserabsaugeeinrichtung (19.1), (19) und (19.2) ab, gleichzeitig
werden die Einströmungen (7.1), (6.1), (5), (4) bzw. (16), (6.2) und (7.2) mit
der zuständigen Soll-Druckwassermenge, produkt-, abmessungs- und qualitätsbezogen,
beaufschlagt. Die im Rezept angegebene Soll-Druckwassermenge steht im
Sekundenbruchteil an der geformten, heißen, durchlaufenden Produktionsgut-Oberfläche
an und entzieht ihr Wärme. Liegt die nach dem Druckkühlaggregat gemessene
Abkühltemperatur dabei zu hoch, werden der Reihe nach vorzugsweise die Einströmungen
(5) bzw. (16), (6.1) und (6.2) höher gefahren, bis die Soll-Abkühltemperatur
erreicht ist.
In diesem Augenblick begrenzt das durch die Einströmungen (7.1) und (7.2)
einströmende Kondensations-Druckwasser bereits schon führend den Grad der
Verdampfung des Heißwasser-Dampf-Gemisches an dem Verdampfungs-Führungspunkt
VF, die sonst bis zu den Ausströmstaurändern (3.1) und (4.1) selbstfahrend
bis zum willkürlichen Punkt SV ansteigen würde, so daß die gewünschte
Soll-Abkühltemperatur am Schreiber anliegt.
Weichen während des Durchlaufs des Produktionsguts physikalische Eingangsdaten
von diesen augenblicklich anliegenden Daten ab, durch Schwanken der
Einlauftemperatur, durch Verändern der Durchlaufgeschwindigkeit, durch
Wechsel der Zunderbeschaffenheit u. a. m., wird durch dosierte Veränderung
der Zuströmmenge des Kondensations-Druckwassers, der Verdampfungs-Führungspunkt
VF vor oder zurück geschoben und so der Grad der Verdampfung
geführt.
Erreicht die beim Wärmeentzug entstehende Heißwasser-Dampf-Gemisch-Menge eine
festgelegte Menge, so wird vorzugsweise eine festgelegte Teilmenge über die
Heißwasser-Dampf-Gemisch-Entnahmeeinrichtung (20.1) und (20.2) für eine Verwendung
außerhalb dieses Abkühlverfahrens, dem Druckkühlaggregat (1) entnommen.
Um den Verschleiß der Stauränder gering zu halten, ist es nützlich, den Vordruck
des Druckwassers bei der Abkühlung schwerer werdenden Produktionsguts
anzuheben und die Verengungen in den Staurändern so zu verlängern, daß die
Stauränder (3.1), (3), (4) und (4.1) auch als wassergeschmierte Gleitlager
wirken.
Fig. 4: Das in Fig. 4 funktionell dargestellte Druckkühlaggregat (1) mit dem
Konvektions-Druckraum (8.1) und vier Verdampfungs-Druckräumen (9.1-9.4) ist
sowohl für eine Abkühlung mit maximal in einem solchen Druckkühlaggregat erreichbaren
Wärmeentzug als auch für eine Abkühlung mit minimal haltbaren Wärmeentzug
geeignet. Die Verfahrensweise unterscheidet sich nur darin, daß bei dem
einen Ablauf des Wärmeentzugs der Wärmeübergangswert α an dem qualitätsbezogen
maximalen Wert und bei dem anderen Ablauf an seinem druckkühlaggregatsbezogen
minimalen Wert gefahren wird.
Die Länge des Druckkühlaggregats liegt größenordnungsmäßig bei 1 m bis 20 m und
darüber, wird das Druckkühlaggregat nach der Formgebung eingesetzt, wird es
innerhalb des Verformungsablaufes eingesetzt, müssen sich die Längen den Verformungsgegebenheiten
anpassen und dabei auf einen Bruchteil eines Meters
verkürzt angeordnet sein. Bestehende kurze Druckkühlaggregate können mit Hilfe
der Wasserstaumuffe funktionell auch zu längeren gekoppelt werden.
Claims (19)
1. Verfahren und Druckkühlaggregat zum geführten Abkühlen geformten, schweren
bis leichten, heißen, durchlaufenden Produktionsguts aus Stahl und Metall in
Druckwasser,
dadurch gekennzeichnet, daß das Druckkühlaggregat (1)
anlagemäßig aus einem einzigen (2) Druckraum, aus zwei, drei oder mehr Druckräume
(8.1) und (9.1 bis 9.n) produktabhängigen Volumens, jeder begrenzt
durch zwei Stauränder (3 bis 3.n) und (4 bis 4.n) (Verengungen), besteht, in dem/denen
vorzugsweise mindestens eine Kühl- (5) und Führungs-Druckwassereinströmung
(6) und eine Kondensations-Druckwassereinströmung (7), diese vorzugsweise
über einen Teil des jeweiligen Druckraums reichend, angeordnet ist und das
verfahrensmäßig vorzugsweise mit einer einen Teil höheren Druckwassermenge beaufschlagt
wird, die notwendig ist, dem Produktionsgut dadurch Wärme zu entziehen,
daß das in das Druckkühlaggregat (1), in den Konvektionskühlteil (8)
produktabhängiger Länge einströmende (5) Kühl-Druckwasser, zusammen mit dem
daneben einströmenden (6) Führungs-Druckwasser, dort vorzugsweise bis an den
Siedepunkt erwärmt wird und daß das daraus erzeugte Heißwasser-Dampf-Gemisch
in dem daran direkt anschließenden Verdampfungskühlteil (9) produktabhängiger
Länge, durch Entzug der Verdampfungswärme aus dem Heißwasser-Dampf-Gemisch,
dem Produktionsgut weiter Wärme entzogen wird, wobei der Grad des Verdampfens
durch das im Bereich des Verdampfens einströmende (7) Kondensations-Druckwasser
geführt wird.
2. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühl- (10), Führungs- (11) und Kondensations-Druckwasser-Zuleitung (12)
zum Druckkühlaggregat (1) so bemessen sind, daß die Druckverluste in ihnen
gering sind.
3. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in den den Kühl-, Führungs- und Kondensations-Druckwasser-Zuleitungen (13),
(14) und (15) durchflußregelbare Ventile mit Stellglied (13), (14) und (15)
angeordnet sind.
4. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennung von Kühl- und Führungs-Druckwassereinströmung entfallen
kann (16) und für diese zusammen nur eine Zuleitung (17) mit einem durchflußregelbaren
Ventil mit Stellglied (18) angeordnet ist.
5. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einströmungen für das Kühl-, Führungs- und Kondensations-Druckwasser
(5), (6) und (7) mit nahezu keinem Staudruckwiderstand ausgebildet sind.
6. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stauränder des einzigen Druckraums sowie aller Druckräume (3 bis 3.n)
und (4 bis 4.n) während des Produktdurchlaufs soviel Durchflußquerschnitt
aufweisen, daß die für den Wärmeentzug notwendige, produkt-, qualitäts- und abkühlbedingte
Kühl-, Führungs- und Kondensations-Druckwassermenge gleichmäßig
und ungestört zuströmen kann.
7. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß vorzugsweise in jedem Druckraum, in Produktdurchlaufrichtung gesehen vorzugsweise
vor dem Auslaufstaurand, eine vorzugsweise gekoppelte Wasserschlagsicherung
und Wasserabsaugeeinrichtung (19) angeordnet ist, die beim Einlaufen mittleren
und schweren Produktionsguts das Druckkühlaggregat vor Zerstörung schützt
und durch Absaugen des Wassers in den Produktdurchlaufpausen damit das Ausbrechen
leichten Produktionsguts verhindert.
8. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß vorzugsweise in den Druckräumen eine durchflußregelbare Heißwasser-Dampf-Gemisch-Entnahmeeinrichtung
(20) angeordnet ist, die die Verwendung des Heißwasser-Dampf-Gemisches
außerhalb des Abkühlverfahrens ermöglicht.
9. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Vermeiden des Luftzutritts zur abzukühlenden Produktionsgut-Oberfläche
während des Abkühlvorgangs zwischen zwei oder mehr Druckkühlaggregate der Zwischenraum
zwischen den Druckkühlaggregaten mit verschiebbarer Wasserstaumuffe
(21) überbrückt ist.
10. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt des Druckkühlaggregats (1) in allen seinen Druckräumen und
Staurändern der Querschnittsform des abzukühlenden Produktionsguts angepaßt ist.
11. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckkühlaggregat für die Abkühlung schweren Produktionsguts, vorzugsweise
in ein Unter- und ein Oberteil geteilt ist, für die Abkühlung leichten
Produktionsguts vorzugsweise ungeteilt ausgeführt ist.
12. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet,
daß in ein Druckkühlaggregat (1) mit einem einzigen Druckraum (2) das Kühl-
und Führungs-Druckwasser (5) und (6) vorzugsweise mittig in den Druckraum und
das Kondensations-Druckwasser (7) vor die Stauränder an den Druckraumenden (3)
und (4) geführt wird.
13. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet,
daß in ein Druckkühlaggregat (1) mit einem einzigen Druckraum (2) das Kühl- und
Führungs-Druckwasser (5) und (6) im Bereich des Staurands an einem
Druckraumende und das Kondensations-Druckwasser (7) am anderen in den Druckraum
geführt wird.
14. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 12+13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lage der Einströmungen des Kühl- (5) und Führungs-Druckwassers (6) sowie
des Kondensations-Druckwassers (7) auch im Konvektions-Druckraum (8.1) eines
Druckkühlaggregats (1) mit den Verdampfungs-Druckräumen (8.1) bis 8.n) und (9.1)
bis 9.n) so liegen.
15. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1-14, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühl- (5) und Führungs-Druckwasser (6) in den Konvektions-Druckraum (8.1)
und das Kondensations-Druckwasser (7) in einen oder mehrere Verdampfungs-Druckräume
geführt wird.
16. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühl- (5) und Führungs-Druckwasser (6) in den Konvektions-Druckraum (8.1),
weiteres Führungs-Druckwasser (6.1 bis 6.n) in einen oder mehrere Verdampfungs-Druckräume
(9.1 bis 9.n), vorzugsweise nach dem Einströmstaurand, und das Kondensations-Druckwasser
in einen oder mehrere Verdampfungs-Druckräume geführt
wird.
17. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kondensations-Druckwasser, in einer produkt-, qualitäts- und abkühlbedingten
Anzahl von Druckräumen, nicht in bestimmte Druckräume einströmt.
18. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1-17, dadurch gekennzeichnet,
daß der Vordruck des Druckwassers, bei schwerem abzukühlenden Produktionsgut
gegenüber bei leichtem, dem Gewicht/m und dem Produktionsguts-Querschnitt entsprechend
so angehoben wird und die Verengung in den Staurändern so verlängert
wird, daß die Stauränder auch als wassergeschmiertes Gleitlager wirken.
19. Verfahren und Druckkühlaggregat nach Anspruch 1-18, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ablauf des Wärmeentzugs sowohl mit einem qualitätsbezogenen maximalen
Wärmeübergangswert α als auch mit einem druckkühlaggregatbezogenen minimalen,
innerhalb einer vergleichsweise großen Länge des Druckkühlaggregats mit einer
vergleichsweise engen Bandbreite in der Abkühltemperatur gefahren werden kann.
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