DE4116019C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines flächenhaften Gutes, insbesondere eines Metallbandes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen eines flächenhaften Gutes, insbesondere eines Metallbandes, mit beidseitig angeordneten Flüssigkeitsdüsen sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.

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 aus der Praxis 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.

Ferner sind zum Kühlen von durchlaufendem warmen Band sogenannte Wasservorhänge bekannt (US-Z: Iron and Steel Ingineer, June 1985, S. 30 bis 36; DE-Z: Stahl und Eisen, 104 (1984), Nr. 21, S. 1083 bis 1085). Bei diesen Wasservorhängen trifft Wasser entweder als einziger geschlossener, aus einer Schlitzdüse austretender Strahl oder als eine Vielzahl von aus nebeneinander angeordneten Einzeldüsen austretende Wasserstrahlen senkrecht auf die Bandoberfläche auf. Bei diesen Strahlen mitlaminarer Strömung sind die Strömungsgeschwindigkeiten vergleichsweise klein und liegen weit unterhalb der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in der sich auf dem Band ausbildenden Kühlmittelschicht. In der den auf die Bandoberfläche auftreffenden Strahl unmittelbar umgebenden Zone stellt sich ein laminares Abfließen mit einer höheren Schichtdicke ein, als die den Bereich des laminaren Abfließens umschließende äußere Zone des turbulenten Abfließens. Diese bekannte Art des Bandkühlens ist nicht besonders wirkungsvoll, insbesondere dann nicht, wenn Bänder gekühlt werden sollen, deren Temperatur unterhalb der Leidenfrost- Temperatur liegt, was z. B. beim Warmwalzen von Stahlbändern der Fall ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen eines flächenhaften Gutes und eine dazu geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit dem beziehungsweise 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 durch bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß der Druck, der Düsendurchmesser der als Vollstrahldüsen ausgebildeten Flüssigkeitsdüsen, deren Abstand von der Oberfläche des zu kühlenden Gutes sowie die Dicke der sich auf der Oberfläche einstellenden Flüssigkeitsschicht derart aufeinander abgestimmt werden, daß rings um den Auftreffpunkt des jeweiligen Prallstrahles ein Bereich mit schießender Strömung entsteht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 Düsendurchmessers und des Abstandes der Düse von der Oberfläche des zu kühlenden Gutes läßt sich dabei 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 erheblichen 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.

Eine zur Durchführung des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 geeignete Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 3 und 4 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 dem zu kühlenden Bandes im Schnitt und

Fig. 5 ein Diagramm für das Verhältnis des Durchmessers des Bereichs 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 1 kommenden, horizontal geführten und zu kühlenden Metallbandes 2 eine Vorrichtung 3, 4 zum Kühlen des Metallbandes 2 angeordnet. Beiden Vorrichtungen 3, 4 lassen sich mittels in der Zeichnung nur angedeuteter Antriebseinrichtungen 5 bis 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 als Vollstrahldüsen ausgebildeten Flüssigkeitsdüsen 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 Oberfläche des Metallbandes 2 austritt. Die Platten 9, 10 sind so ausgelegt, daß sie die Funktion der sonst erforderlichen stabilen Führungsplatten übernehmen. Die Düsen 11a, 11b, 12a, 12b sind regelmäßig in den Platten 9, 10 in einem Muster verteilt angeordnet, das insbesondere aneinandergereihten Rechtecken, Quadraten oder Dreiecken entspricht, so daß sich zwischen ihnen Abströmkanäle bilden können. Bei der unteren Platte 10 sind zur Einreichung der Abströmung der Kühlflüssigkeit im Bereich zwischen den Düsen 12a, 12b Abströmkanäle 15 als nutenartige Vertiefungen ausgebildet. Insbesondere bei großen Arbeitsbreiten kann es vorteilhaft sein, diese Abströmkanäle 15 von der Mitte zum Rand hin mit zunehmendem Querschnitt auszuführen. Diese Querschnittszunahme kann für bestimmte Längsabschnitte in Stufen oder kontinuierlich erfolgen. Wie die Fig. 1 erkennen läßt, sind die Düsen 11a, 11b, 12a, 12b in Ansenkungen 16a, 16b, 17a, 17b eingesetzt, so daß sie mit ihrer Stirnseite gegenüber der Oberfläche der Platten 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 gemäß Fig. 4 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 Mischen mit der Umgebungsluft beeinflußt. Daher kann sich solange eine schießende Strömung SS an der Oberfläche 2a ausbilden, wie die Kühlflüssigkeitsströmung noch nicht durch die Reibungswirkung an der Oberfläche 2a unter eine Geschwindigkeit V_ss abgebremst worden ist, die geringer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit V_w 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 h_w 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 SZ, ein Bereiche SS schießender Strömung aus. Zwischen den verschiedenen Bereichentildet sich eine Sekundärstauzone SSZ aus, wo die schießenden Strömungen aufeinandertreffen und von der Oberfläche 2a senkrechte abgelenkt werden. Über diese Sekundärstauzone SSZ strömt die Kühlflüssigkeit zu den Rändern ab. Damit die aus der Sekundärstauzone SSZ zurück auf die untere Platte 10 strömende Kühlflüssigkeit nicht die aus den Düsen 12a, 12b auftretenden 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 Düsen 11a, 11b, 12a, 12b die ohnehin vorhandenen stabilen Platten 9, 10 bei entsprechender Umgestaltung verwendet werden können, beziehungsweise die speziellen Platten zusätzlich die Funktion von sonst erforderlichen Führungsplatten übernehmen können.

Claims (4)

1. Verfahren zum Kühlen eines flächenhaften Gutes (2), insbesondere eines Metallbandes, mit beidseitig des Gutes (2) angeordneten Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b), dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (p), der Düsendurchmesser (d) der als Vollstrahldüsen ausgebildeten Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b), deren Abstand (H) von der Oberfläche (2a) des zu kühlenden Gutes (2) sowie die Dicke der sich auf der Oberfläche (2a) einstellenden Flüssigkeitsschicht derart aufeinander abgestimmt werden, daß rings um den Auftreffpunkt des jeweiligen Prallstrahles (18) ein Bereich (SS) mit schießender Strömung entsteht.

2. Vorrichtung zurnKühlen eines flächenhaften Gutes (2), insbesondere eines Metallbandes, mit beidseitig des Gutes (2) angeordneten, auf dessen Oberfläche (2a) gerichteten Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b) in einem Rechtecke oder Dreiecke-insbesondere solchen mit gleichen Seiten, bildenden Muster angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Flüssigkeitsdüsen (11a, 11b, 12a, 12b) Im Bereich von 8 < Düsendurchmesser (d)/Düsenabstand (H) < 30 liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen horizontaler Lage des zu kühlenden Gutes (2) die Flüssigkeitsdüsen (12a, 12b) zur Beaufschlagung der Unterseite des zu kühlenden Gutes (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, wobei die Abströmkanäle (15) bezüglich ihrer Anordnung der Form und der Lage der sich auf der Unterseite ausbildenden Sekundärstauzonen (SSZ) angepaßt sind.