DE4116019A1 - Vorrichtung zum kuehlen eines flaechenhaften gutes, insbesondere eines metallbandes - Google Patents
Vorrichtung zum kuehlen eines flaechenhaften gutes, insbesondere eines metallbandesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung
eines flächenhaften Gutes, insbesondere eines Metallbandes,
mit beidseitig angeordneten Flüssigkeitsdüsen.
In vielen Bereichen der Technik, insbesondere bei der
Halbzeugverarbeitung in der Metallindustrie, besteht die
Aufgabe, ein flächenhaftes Gut, wie zum Beispiel ein
Metallband oder eine Metallplatte, möglichst intensiv durch
Aufbringen einer Kühlflüssigkeit zu kühlen. Als
Kühlflüssigkeit wird zum Beispiel in der
Leichtmetallindustrie beim Vergüten von Bändern und Platten
aus Leichtmetallegierungen Wasser verwendet. Beim Walzen von
Bändern aus Leichtmetallegierungen, Schwermetallegierungen
oder Stahl verwendet man als Kühlflüssigkeit entweder Walzöl
oder eine Walzemulsion. Um eine möglichst gute Kühlwirkung
zu erreichen, werden bei einer bekannten Vorrichtung mittels
maximal in drei Reihen quer zur Bandlaufrichtung
angeordneten Flachstrahldüsen große Kühlmittelvolumenströme
unter hohem Druck auf das Band aufgebracht. Die damit zu
erreichende Kühlwirkung genügt jedoch den heutigen
Anforderungen nach möglichst hohen Leistungen beim Walzen
von Bändern nicht. Untersuchungen haben zwar gezeigt, daß
sich die Kühlwirkung mit höheren Drücken verbessern läßt,
doch ist damit wegen des sich bei dem aus
Verschmutzungsgründen mindestens einzuhaltenden
Düsendurchmesser auch ein sehr hoher Volumenstrom verbunden,
der hohe Antriebsleistungen für die Zufuhr der
Kühlflüssigkeit erforderlich macht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kühlung
eines flächenhaften Gutes zu schaffen, mit der bei
vergleichsweise geringer Leistung für die Zufuhr der
Kühlflüssigkeit eine erheblich höhere Kühlwirkung als mit
den Flachstrahldüsen nach dem Stand der Technik zu erzielen
ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß die Düsen Vollstrahldüsen
sind, deren Düsendruck und Düsendurchmesser jeweils derart
auf deren Abstand von der Oberfläche des zu kühlenden Gutes
sowie die Dicke der sich auf dieser Oberfläche einstellenden
Flüssigkeitsschicht abgestimmt sind, daß rings um den
Auftreffpunkt des jeweiligen Flüssigkeitsvollstrahles ein
Bereich mit schießender Strömung besteht.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung treffen die
Flüssigkeitsvollstrahlen mit der Austrittsgeschwindigkeit
aus den Düsen als Prallstrahlen auf die Oberfläche des zu
kühlenden Gutes auf, wo sie umgelenkt werden, wobei sich
aufgrund der hohen Tangentialgeschwindigkeit ein Bereich mit
schießender Strömung einstellt. Wegen der hohen
Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich ist die
Kühlwirkung außerordentlich hoch. Bei schießender Strömung
ist nämlich die Strömungsgeschwindigkeit höher als die
Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Die aufgrund der
niedrigen Strömungsgeschwindigkeit sich aufbauende größere
Flüssigkeitsschichthöhe kann sich also, da diese
Schichthöhe wie eine Welle der schießenden Strömung
entgegenläuft, erst dort einstellen, wo die
Strömungsgeschwindigkeit der schießenden Strömung unter
die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit abgesunken ist. Durch
entsprechende Einstellung des Düsendruckes, des
Düsendurchmesers und des Abstandes der Düse von der
Oberfläche des zu kühlenden Gutes läßt sich also bestimmen,
wie groß der Bereich der schießenden Strömung sein soll.
Die Ausbildung eines Bereiches mit schießender Strömung
ist eine Besonderheit, die nur bei einer
Flüssigkeitsströmung mit Grenzfläche zum umgebenden Gasraum
auftritt. Vergleichende Untersuchungen mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Vorrichtung mit
Flachstrahldüsen haben ergeben, daß trotz des erheblich
besseren Wärmeüberganges der Flüssigkeitsstrahlen der
Flachstrahldüsen an den Auftreffstellen im Vergleich zu
den Auftreffstellen der Flüssigkeitsstrahlen der
Vollstrahldüsen die Kühlwirkung bezogen auf die gesamte
Fläche des zu kühlenden Gutes bei der Erfindung um 30 %
besser war.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Ansprüchen 2-5 gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher
erläutert, die als typischen Anwendungsfall eine Vorrichtung
zum Kühlen eines in einem Walzgerüst zu walzenden
Metallbandes zeigt. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine ober- und unterseitig eines Metallbandes
an der Auslaufseite eines Walzwerkes
angeordnete Vorrichtung zum Kühlen des
Metallbandes in Seitenansicht,
Fig. 2 die unterseitige Vorrichtung zum Kühlen des
Metallbandes gemäß Fig. 1 in Aufsicht,
Fig. 3 die oberseitige Vorrichtung zum Kühlen des
Metallbandes gemäß Fig. 1 mit
Flüssigkeitsvollstrahlen und Strömungsfeld auf
der Oberfläche eines zu kühlenden Bandes in
einer perspektivischen Prinzipdarstellung,
Fig. 4 eine Vollstrahldüse mit Flüssigkeitsvollstrahl
und schießender Strömung auf der Oberfläche
des zu kühlenden Bandes im Schnitt,
und
Fig. 5 ein Diagramm für das Verhältnis des
Durchmessers des Bereiches mit schießender
Strömung zu dem Düsendurchmesser in
Abhängigkeit vom Druck des
Flüssigkeitsvollstrahles bei verschiedenen
Verhältnissen des Düsenabstandes
von der Oberfläche des zu kühlenden Bandes und
des Düsendurchmessers.
Gemäß der Darstellung der Fig. 1 ist im Auslaufbereich
eines Walzgerüstes 1 beidseitig eines aus dem Walzgerüst
kommenden, horizontal geführten und zu kühlenden
Metallbandes 2 eine Vorrichtung 3, 4 zum Kühlen des
Metallbandes 2 angeordnet. Beide Vorrichtungen 3, 4 lassen
sich mittels in der Zeichnung nur angedeuteter Mittel 5-8 in
Bandlaufrichtung verlagern, um deren Abstand von dem
Walzgerüst 1 und/oder Metallband 2 einstellen zu können.
Hauptbestandteil einer jeden Vorrichtung 3, 4 ist eine Platte
9, 10, die mit einer Vielzahl von Vollstrahldüsen
11a, 11b, 12a, 12b bestückt ist, die über in den Platten 9, 10
angeordnete Kanäle 13a, 13b, 14a, 14b mit einer Kühlflüssigkeit
versorgt werden und aus denen ein Flüssigkeitsvollstrahl als
Prallstrahl senkrecht auf die Oberflächen des Metallbandes 2
austritt. Die Platten 9, 10 sind so ausgelegt, daß sie die
Funktion der sonst erforderlichen stabilen Führungsplatten
übernehmen. Die Vollstrahldüsen 13a, 13b, 14a, 14b sind
regelmäßig in der Platte 9, 10 verteilt angeordnet,
insbesondere an den Ecken von aneinandergereihten
Rechtecken, insbesondere Quadraten, oder Dreiecken, so daß
sich zwischen ihnen Abströmkanäle bilden. Bei der unteren
Platte sind zur Erleichterung der Abströmung der
Kühlflüssigkeit im Bereich zwischen den Düsen Abströmkanäle
als nutenartige Vertiefungen 15 ausgebildet. Insbesondere
bei großen Arbeitsbreiten kann es vorteilhaft sein, diese
Abströmkanäle von der Mitte zum Rand hin mit zunehmendem
Querschnitt auszuführen. Diese Querschnittszunahme kann für
bestimmte Längenabschnitte in Stufen oder kontinuierlich
erfolgen. Wie Fig. 1 erkennen läßt, sind die
Vollstrahldüsen 11a, 11b, 12a, 12b in Ansenkungen
16a, 16b, 17a, 17b eingesetzt, so daß sie mit ihrer Stirnseite
gegenüber der Oberfläche der Platte 9, 10 zurückversetzt sind
und dadurch vor Beschädigungen durch Bandkontakt geschützt
sind. Der Fig. 1 ist weiter zu entnehmen, daß in
Bandlaufrichtung der Abstand der Düsen 11a, 11b, 12a, 12b vom
Metallband 2 zunimmt und der Düsenquerschnitt größer wird.
Bei aus den Vollstrahldüsen 11 austretenden und senkrecht
auf die Oberfläche des Metallbandes 2 auftreffenden
Prallstrahlen 18 bildet sich auf der Oberfläche des
Metallbandes 2 das in Fig. 3 dargestellte Strömungsfeld
aus. Gemäß Fig. 4 ändert sich das Geschwindigkeitsprofil VP
des Prallstrahles 18 vom Austritt aus der Düse 11 bis zum
Auftreffen auf die Oberfläche 2a des zu kühlenden
Metallbandes 2 nicht, weil wegen des großen
Dichteunterschiedes zur umgebenden Luft praktisch keine
Vermischung der Kühlflüssigkeit mit der umgebenden Luft
stattfindet. Ebenfalls bei der radialen Abströmung von der
Stauzone SZ im Bereich des Strahlauftreffpunktes wird die
Ausbreitung der Flüssigkeitsströmung an der Oberfläche 2a
nicht merklich durch Mischung mit der Umgebungsluft
beeinflußt. Daher kann sich so lange eine schießende Strömung
SS an der Oberfläche 2a ausbilden, wie die
Kühlflüssigkeitsströmung noch nicht durch die
Reibungswirkung an der Oberfläche unter eine Geschwindigkeit
VSS abgebremst worden ist, die geringer ist als die
Ausbreitungsgeschwindigkeit Vw einer gegenläufigen Welle.
Quantitativ ist der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser D
des Bereiches schießender Strömung SS und dem
Düsendurchmesser d sowie zwischen dem Abstand H der Düse 11
und der Oberfläche 2a des zu kühlenden Bandes 2 in Fig. 5
dargestellt. Mit hw ist die Höhe der Flüssigkeitswelle
bezeichnet, die sich am Ende des Bereiches schießender
Strömung ausbildet.
Wie in Fig. 3 dargestellt worden ist, bildet sich um den
Auftreffpunkt eines jeden Prallstrahles 18, das heißt um die
primäre Stauzone, ein Bereich SS schießender Strömung aus.
Zwischen den verschiedenen Bereichen bildet sich eine
Sekundärstauzone SSZ aus, wo die schießenden Strömungen
aufeinandertreffen und von der Oberfläche 2a senkrecht
abgelenkt werden. Über diese Sekundärstauzonen SSZ strömt
die Kühlflüssigkeit zu den Rändern ab. Damit die aus der
Sekundärstauzone zurück auf die untere Platte 10 strömende
Kühlflüssigkeit nicht die aus den Düsen 12a, 12b austretenden
Prallstrahlen 18 behindert, ist die untere Platte 10, wie
beschrieben, mit den zu den Rändern der Platte 10 offenen
Abströmkanälen 15 versehen. Entsprechende Maßnahmen brauchen
für die obere Platte 4 nicht vorgesehen zu sein, weil hier
die Kühlflüssigkeit über die sich auf der Oberfläche des
Metallbandes 2 ausbildenden Sekundärstauzonen SSZ
unmittelbar zu den seitlichen Rändern abfließen kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der
verbesserten Kühlwirkung. Diese wiederum macht es möglich,
daß im Falle von zu walzendem Metallband mit einer höheren
Durchsatzleistung gearbeitet werden kann. Der für die
verbesserte Kühlung erforderliche Aufwand ist
vergleichsweise klein, weil für die Unterbringung der
Vollstrahldüsen 11a, 11b, 12a, 12b die ohnehin vorhandenen
stabilen Führungsplatten 9, 10 bei entsprechender
Umgestaltung verwendet werden können, beziehungsweise die
speziellen Platten zusätzlich die Funktion der sonst
erforderlichen Führungsplatten übernehmen können.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Kühlung eines flächenhaften Gutes,
insbesondere eines Metallbandes (2), mit beidseitig
angeordneten Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b),
dadurch gekennzeichnet, daß die
Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b) Vollstrahldüsen
sind, deren Druck (p) und Düsendurchmesser (d) jeweils
derart auf deren Abstand (H) von der Oberfläche (2a) des
zu kühlenden Bandes (2) sowie die Dicke der sich auf der
Oberfläche (2a) einstellenden Flüssigkeitsschicht
abgestimmt sind, daß rings um den Auftreffpunkt des
jeweiligen Prallstrahles (18) ein Bereich (SS) mit
schießender Strömung besteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b) auf den Eckpunkten von
aneinandergereihten Rechtecken, insbesondere Quadraten,
liegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b) an den Eckpunkten von
aneinandergereihten, insbesondere gleichseitigen Dreiecken
liegen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand zwischen zwei benachbarten Flüssigkeitsdüsen
(11a, 11b, 12a, 12b) im Bereich von 8 < Düsendurchmesser
(d)/Düsenabstand (H) < 30 liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß bei im
wesentlichen horizontaler Lage des zu kühlenden Bandes (2)
die Flüssigkeitsdüsen (12a, 12b) zur Beaufschlagung der
Unterseite des zu kühlenden Bandes (2) in einer Platte (10)
angeordnet sind, die mit Abströmkanälen (15) zwischen den
Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b) für die mit den
Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b) auf die Unterseite aufgebrachte
Kühlflüssigkeit versehen ist, welche der Form und der Lage
der sich auf der Unterseite ausbildenden Sekundärstauzonen
(SSZ) entsprechen.
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