DE4335710C2 - Vorrichtung zur differenzierten Abkühlung von Breitflacherzeugnissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur differenzierten Ab­ kühlung von Breitflacherzeugnissen, vorzugsweise aus Stahl, mit einem flüssigen Kühlmittel während ihrer geradlinigen Bewegung. Die Vorrichtung wird angewandt, um den Kühlmittelbedarf sowie Inhomogenitäten in den Materialeigenschaften und innere Spannun­ gen im Material, welche sich bei seiner Abkühlung ausbilden kön­ nen, wesentlich zu verringern. Anwendungsgebiet der Erfindung sind metallurgische Betriebe, in denen die Herstellung von Warm­ band bzw. Warmbreitband oder von Stahlerzeugnissen ähnlicher Geo­ metrie erfolgt. Darüber hinaus ist die Erfindung in gleicher Wei­ se bei der Abkühlung beliebiger metallischer Breitflacherzeugnis­ se mit flüssigem Kühlmittel anwendbar.

Technische Lösungen zur Abkühlung von Breitflacherzeugnissen, insbesondere aus Stahl, während ihrer geradlinigen Bewegung sind bekannt.

Dazu gibt die DD 2 67 674 A1 einen umfassenden Überblick für die unter den Begriffen "Laminarkühlung" und Wasserwand etablierten Systeme. Wesentlich ist der den beiden Varianten anhaftende Nach­ teil, daß sich, konstruktiv bedingt, ein Temperaturgradient in Richtung der Breite des gekühlten Breitflacherzeugnisses aus­ bildet. Damit entstehen jedoch je nach Sortiment mehr oder weni­ ger große Inhomogenitäten der Materialeigenschaften über dem Er­ zeugnisquerschnitt sowie unerwünschte Eigenspannungen im Material. Im Ergebnis dieser Situation sind technische Lösungen im Bereich der Laminarkühlsysteme bekannt geworden, die zunächst eine starre (siehe DD-PS 2 67 674 A1 und 2 69 798 A1), später eine variable Abstufung der Kühlintensität in Breitenrichtung ermöglichen. Damit sind zwar positive Effekte zur Vergleichmäßigung des Tem­ peraturprofils erreichbar, aber der zunehmende konstruktive Auf­ wand ist ein deutlicher Hinweis auf die Grenze der technologi­ schen Leistungsfähigkeit, die das Grundprinzip "Laminarkühlbal­ ken" besitzt.

Unter dem Aspekt einer ständigen Steigerung der Wirtschaftlichkeit der Kühlsysteme für Breitflacherzeugnisse gewinnt neben der Siche­ rung hoher Produktqualität auch die Senkung der Produktionskosten eine gleichrangige Bedeutung. Dies betrifft einerseits den kon­ struktiven Aufwand, der zur Realisierung eines möglichst gleich­ mäßigen Temperaturprofils im Breitflacherzeugnis sowohl in Rich­ tung der Breite als auch in Längsrichtung erforderlich wird, andererseits ist der Betriebsmittel- und Energieverbrauch von wesentlicher Bedeutung.

Das betrifft die mangelnde Effektivität bisher üblicher Kühlsys­ teme hinsichtlich der Abstimmung von konstruktiv bedingter Beauf­ schlagungsbreite mit der tatsächlichen Breite der gekühlten Breitflacherzeugnisse. Von dieser Überlegung ausgehend, offenbart die EP 0 235 015 B1 eine Konstruktionsvariante, die die Kühlmittel­ beaufschlagung dem zu kühlenden Breitflacherzeugnis anpaßt. Diesem Vorschlag zur Gestaltung einer Kühlvorrichtung haften jedoch wesentliche Mängel an. Der Kühlmittelaustritt aus dem Hauptgefäß erfolgt in einer konstruktiv fixierten Breite. Eine Breiteneinstellung der Beaufschlagung wird durch beidseitig angeordnete Auffangvorrichtungen realisiert, die bezüglich der Breite des gekühlten Breitflacherzeugnisses einstellbar sind und den nicht benötigten Kühlwasserstrom ableiten. Insofern bleibt der aus dem Hauptgefäß austretende Kühlmittelstrom unabhängig von der Bandbreite konstant und ist auf die maximal zu beaufschlagen­ de Breite eingestellt.

Die beschriebenen Auffangvorrichtungen können die Ränder der Breitflacherzeugnisse zwar von der Beaufschlagung mit Kühlmittel ausschließen, die Verteilung des Kühlmittels beim anschließenden Durchströmen der Leiteinrichtung erfolgt jedoch passiv. Eine Um­ verteilung des Kühlmittels zur Mitte der Leiteinrichtung ist nicht möglich.

Die in der EP 0 235 015 B1 dargelegte Ansicht, die je Hauptgefäß beaufschlag­ te Kühlmittelmenge in Abhängigkeit von der Materialdicke einzu­ stellen, gibt die komplex wirkenden Einflußfaktoren auf den Wär­ meübergang vom Breitflacherzeugnis an das Kühlmittel nur unge­ nügend wieder.

Hauptmangel ist die konstruktive Gestaltung der Kühlvorrichtung, welche bisher keine Möglichkeit für eine variable und gleichzei­ tig in erforderlichem Maß differenzierte, individuelle Gestaltung der Kühlmittelbeaufschlagung während der Abkühlvorgänge der einzelnen Breitflacherzeugnisse bietet.

In der GB 2 165 784 A wird eine Vorrichtung zur differenzierten Abkühlung von Breitflacherzeugnissen durch Erzeugung eines dünnen Wasservorhangs beschrieben.

Die zur Anwendung gelangende Verstelleinrichtung für eine bandbreitenabhängige Wasserbeaufschlagung ist am Wasserzufuhrkasten angeordnet. Durch diese Ausgestaltung ergeben sich besonders bei der Abkühlung von schmaleren Flacherzeugnissen ungünstige Strömungsverhältnisse beim Überlaufen des Kühlmittels, die dazu führen können, daß kein stabiler laminarer Wasservorhang über die gesamte Bandbreite erzeugt werden kann. Verstärkt wird dieser Nachteil außerdem durch die Gestaltung der Überlaufkante, an der Strömungsabrisse auftreten.

Die Ausbildung eines laminaren Wasservorhangs erfordert einen für den jeweiligen Kühlmittelvolumenstrom spezifischen Abstand der Prallplatte zur Überlaufkante. Damit ist die Kühlmittelbeaufschlagung begrenzt. Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung besteht in der nur einseitigen Führung des senkrecht an der Prallplatte abfließenden Kühlmittelstroms. Dadurch ist nicht in jedem Fall die Stabilität des laminaren Wasservorhangs gewährleistet.

Weitere Probleme bei der Anweung der Kühlvorrichtung ergeben sich aus dem instationären Verhalten bei Zu- und Abschaltvorgängen (ungleichmäßiger Kühlmittelaustritt über die Breite, Nachlaufen des Kühlmittels).

Die DD 2 91 710 A5 beschreibt eine Vorrichtung, die eine zielge­ richtete Wasserbeaufschlagung zur Vermeidung von Inhomogenitäten bei der Abkühlung von Breitflacherzeugnissen umfaßt, über die bis­ herigen, ausschließlich konstruktiv orientierten Lösungen hin­ ausgeht und eine zielgerichtete Beeinflussung der Abkühlung für jedes Erzeugnis ermöglicht.

Als nachteilig erweist sich die konstruktiv aufwendige Lösung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur differenzierten Abkühlung von Breitflacherzeugnissen zu entwickeln, so daß eine variable und gleichzeitig in erforderlichem Maß differenzierte, individuelle Gestaltung des Abkühlvorganges und damit die Gewährleistung geringer Temperaturunterschiede zwi­ schen Mitte und Rand in Richtung der Breite des abzukühlenden Erzeugnisses ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur differenzierten Abkühlung von Breitflacherzeugnissen unter Verwendung eines flüssigen Kühlmittels während ihrer geradlinigen Bewegung gelöst, welche aus mindestens einem Kühlbalken mit seitlich in Längsrichtung angeordneten, schlitzförmigen und in seiner Breite verstellbaren Austritt für das Kühlmittel besteht, wobei an der Kühlmittelaustrittsseite des Verteilerge­ fäßes eine Leitplatte mit nach innen gebogenen Überlauf befestigt ist, die sich in einer senkrechten Lage zum zu kühlenden Breit­ flacherzeugnis befindet und dieser Leitplatte zwei Verstellplat­ ten sowie eine Andruckplatte zugeordnet sind, welche zusammen einen in der Breite verstellbaren Strömungskanal bilden.

Vorzugsweise weisen die beiden Verstellplatten an ihren oberen, dem gebogenen Überlauf angepaßten Enden eine größere Materialdicke auf als im Plattengrundkörper.

Diese im Vergleich zur DD 2 91 710 A5 wesent­ lich vorteilhaftere konstruktive Lösung besitzt gegenüber den bisher angewandten Kühlsystemen für die Abkühlung von Breitfla­ cherzeugnissen weitere Vorteile. Die aus der Leitplatte, den beiden Verstellplatten und der Andruckplatte bestehende Kühlmit­ telleiteinrichtung bewirkt die Ausbildung einer schmalen, ge­ schlossenen Kühlmittelbeaufschlagungsfläche auf der Oberseite des Breitflacherzeugnisses durch die Stabilisierung der Kühlmittel­ strömung in der Weise, daß sie nach dem Austritt aus der Kühlmit­ telleiteinrichtung das aufgeprägte, annähernd rechteckige Strö­ mungsprofil bis zum Auftreffen auf die Bandoberfläche beibehält. Damit bilden sich infolge der geschlossenen Beaufschlagungsfläche keine Kühlstreifen aus wie beim Einsatz herkömmlicher Kühlsysteme mit Laminarröhrchen. Derartige Kühlstreifen verstärken sich mit sinkender Bewegungsgeschwindigkeit des abzukühlenden Breit­ flacherzeugnisses, wovon besonders die Warmbreitbanderzeugung in Dünnbrammen-Gieß- und Walzanlagen betroffen ist. Außerdem kann die Kühlmittelströmung bei einer wesentlich geringeren Breite des annähernd rechteckigen Strömungsquerschnitts als bei Wasserwand­ kühlsystemen stabilisiert werden.

Somit kann die Menge des je Zeiteinheit eingesetzten Kühlmit­ tels besser den thermodynamischen Erfordernissen angepaßt werden, was zu einer Verringerung des Kühlmittelbedarfs gegenüber her­ kömmlichen Kühlvorrichtungen führt. Der Kühlmittelüberschuß wird eingeschränkt. Gleichzeitig wird ein "Quenching" der Material­ oberfläche (besonders bei Wasserwandkühlsystemen) vermieden, was sich positiv auf den Gefügezustand über die Banddicke auswirkt.

Der Kühlmitteleinsatz wird erfindungsgemäß weiterhin verringert, indem die Beaufschlagungslänge an die Breite des zu kühlenden Breitflacherzeugnisses angepaßt wird. Neben der Einstellung der Verstellplatten ist dazu eine breitenabhängige Voreinstellung der Wasserzufuhr des Kühlbalkens bzw. zusammengeschalteter Balken vorzunehmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird weiterhin eingesetzt, um der Ausbildung von Temperaturgradienten in Rich­ tung der Breite des Erzeugnisses entgegenzuwirken, wodurch die Materialeigenschaften über dem Querschnitt gleichmäßiger ausge­ bildet und Eigenspannungen im Material verringert werden. Diese Wirkung wird erzielt, indem die Länge der Beaufschlagungsfläche für die aktiven Kühlbalken so eingestellt wird, daß sie unter der tatsächlichen Breite des zu kühlenden Erzeugnisses liegt. Die erfindungsgemäße Gestaltung des Kühlmittelaustritts aus dem Verteilergefäß in der Art eines Überlaufs bewirkt, daß sich die konstant zugeführte Kühlmittelmenge jeweils über die eingestellte Beaufschlagungslänge umverteilt. Dazu ist das obere gebogene Ende der Verstellplatte mit einer größeren Materialdicke ausgeführt als der Plattengrundkörper. Damit entfällt die Notwen­ digkeit einer feinstufigen synchronen Dosierung der Kühlmittel­ menge in das betreffende Verteilergefäß, so daß eine Voreinstel­ lung der Wassermenge in Abhängigkeit von der Breite des zu küh­ lenden Materials für den stabilen Betrieb der Kühlbalken mit Kühlmittelleiteinrichtung genügt. Das führt dazu, daß die von der Beaufschlagung ausgeschlossenen Ränder des Breitflacherzeugnisses nur durch abströmendes und nicht durch im Staupunkt auftreffendes Kühlmittel gekühlt werden, während im Mittenbereich eine stärkere Abkühlung erfolgt. Somit ist durch Anwendung der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung ein Ausgleich von Temperaturdifferenzen über die Bandbreite erreichbar. Darüber hinaus kann z. B. die Aluminiumni­ tridausscheidung im gehaspelten Warmbund vergleichmäßigt werden, indem die schneller auskühlenden Randbereiche des Warmbandes gezielt geringer gekühlt werden. Gegenüber herkömmlichen Kühlsy­ stemen besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin den Vorteil, daß bei Unterbrechung der Kühlmittelzufuhr zum Kühlbal­ ken nur solange Kühlmittel abläuft, bis der Füllstand im Verteil­ ergefäß das Niveau des Überlaufs erreicht hat. Beim Zuschalten ergeben sich im umgekehrten Fall mehr kurze Pausenzeiten, bis das System die volle Leistung erreicht hat.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem Aus­ führungsbeispiel näher beschrieben.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine Prinzipdarstel­ lung des Kühlbalkens mit Kühlmittelleiteinrichtung, bestehend aus einem Verteilergefäß 1 rechteckigen Querschnitts mit in Längs­ richtung ausgebildetem, schlitzförmigen Austritt für das Kühlmit­ tel. An einer Stirnseite des Verteilergefäßes 1 ist ein Kühlwas­ serzulauf 2 angeordnet. Der Kühlmittelfluß wird über den nach innen, in das Verteilergefäß 1 hinein gebogenen Laminarüberlauf durch den aus Leitplatte 3, zwei Verstellplatten 4 sowie einer Andruckplatte 5 gebildeten Strömungskanal senkrecht auf die Bandoberfläche gelenkt. Die Verstellbarkeit des Strömungskanals wird durch übliche konstruktive Lösungen gewährleistet. Der sich ausbildende, feine laminare Wasservorhang wird in seiner Strömung bis zu seinem Auftreffen auf die Bandoberfläche durch die An­ druckplatte 5 stabilisiert. Damit werden infolge der geschlosse­ nen Beaufschlagungsfläche Kühlstreifen vermieden und ein ausge­ glichenes Temperaturprofil über die Bandbreite erreicht. Die beiden aus abdichtendem Material bestehenden und jeweils mit einer Verstelleinrichtung verbundenen Verstellplatten 4 sind mit einer derart gestalteten Oberkante ausgeführt, daß sie dichtend an die nach innen gebogene Unterkante des schlitzförmigen Aus­ tritts aus dem Verteilergefäß 1 eingehängt und längs dieser Kante verschiebbar sind. Die Kontur der dazu erforderlichen Aussparung in der jeweiligen Seitenwand des Verteilergefäßes 1 ist dabei der gebogenen Oberkante der Verstellplatten 4 so angepaßt, daß kein Kühlwasser seitlich austreten kann. Die Andruckplatte 5 wird durch Halterungen, die auf der Oberseite des Verteilergefäßes 1 befestigt sind, in ihrer Position fixiert.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur differenzierten Abkühlung von Breitflacherzeugnissen unter Verwendung eines flüssigen Kühlmittels während ihrer geradlinigen Bewegung, bestehend aus mindestens einem Kühlbalken mit seitlich in Längsrichtung angeordnetem, schlitzförmigem und in seiner Breite verstellbaren Austritt für das Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kühlmittelaustrittsseite des Verteilergefäßes (1) eine Leitplatte (3) mit nach innen gebogenem Überlauf befestigt ist, die sich in einer senkrechten Lage zum zu kühlenden Breitflacherzeugnis befindet und dieser Leitplatte (3) zwei Verstellplatten (4) sowie eine Andruckplatte (5) zugeordnet sind, welche zusammen einen in der Breite verstellbaren Strömungskanal bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstellplatten (4) an ihren oberen, dem gebogenen Überlauf angepaßten Enden vorzugsweise eine größere Materialdichte aufweisen als ihr Plattengrundkörper.