DE4403759A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von Werkstücken - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Stahlerzeu­ gung und insbesondere auf ein Verfahren sowie eine Vorrich­ tung zur "in-line"-Kühlung eines Werkstücks, vor allem eines kontinuierlichen, gewalzten, nicht-flachen Werkstücks.

Die Stahlerzeugung oder -bearbeitung erfordert Kühlsysteme für die geeignete Behandlung von der Herstellung unterlie­ genden Gegenständen. Eine sachgemäße Kühlung kann die Kenn­ werte des Endprodukts verbessern, und zwar insbesondere die Festigkeit und Duktilität des Produkts.

Herkömmliche Kühlsysteme verwenden Riesel- oder Sprühsyste­ me, um ein Kühlmedium, wie Wasser, über die Oberfläche der hergestellten Produkte oder Gegenstände zu sprühen. Typische Beispiele solcher Sprühkühlungssysteme sind der US-PS Nr. 3 983 925 (Dutzler), der US-PS Nr. 3 897 906 (Bachner) und der US-PS Nr. 3 589 429 (Schoffmann) zu entnehmen.

Sprühkühlungssysteme erfordern jedoch große Wassermengen. Ferner ist die durch solche Sprühkühlungssysteme erlangte Kühlgeschwindigkeit nicht für eine in-line-Anwendung geeig­ net, d. h., wenn das Produkt gekühlt werden soll, während es von einer Behandlungsstation zu einer anderen gefördert wird, ist zu viel Raum erforderlich, um das angemessene Ausmaß einer Kühlung mit Sprühkühlungssystemen zu erlangen. Stahlwalzwerke erzeugen jedoch in typischer Weise Walzpro­ dukte mit relativ hohen Walzgeschwindigkeiten. Somit ist die herkömmliche Sprühkühlung vor allem zur Verwendung in Walz­ werken nicht zufriedenstellend.

Es ist demzufolge erwünscht, ein Kühlsystem zur Verfügung zu stellen, das keine übermäßigen Wassermengen verwendet und das gewünschte Ausmaß einer Kühlung ohne das Erfordernis eines übertriebenen Raumbedarfs liefert.

Es ist deshalb die primäre Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, die eine be­ schleunigte Kühlung zum Kühlen von Werkstücken erreichen lassen.

Hierbei ist es ein Ziel der Erfindung, ein derartiges Verfah­ ren und eine derartige Vorrichtung anzugeben, die keine über­ mäßigen Wassermengen benötigen, die eine Regelung der Ge­ schwindigkeit sowie des Drucks des Kühlmittels erlauben und die ferner bestens für eine in-line-Anwendung in einem Walz­ werk geeignet sind.

Weitere Ziele der Erfindung wie auch deren Vorteile werden im folgenden deutlich.

Abriß der Erfindung

Die oben genannte Aufgabe sowie die Ziele werden durch die im folgenden offenbarte Erfindung ohne Schwierigkeiten er­ reicht.

Gemäß der Erfindung wird eine beschleunigte Kühlung eines Werkstücks, insbesondere eines nicht-flachen, d. h. unebenen gewalzten Stahlprodukts dadurch bewerkstelligt, daß eine schrauben- oder drallförmige Strömung eines Kühlmittels um das Werkstück herum erzeugt wird. Eine solche schraubenförmi­ ge Strömung führt zu einer beschleunigten Kühlung des Werk­ stücks. Ferner wird das Kühlmittel ohne weiteres rezirkuliert, so daß das erforderliche Volumen an Kühlmedium in erhebli­ chem Maß verringert wird.

Gemäß der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Kühlung eines Werkstücks einen Kühlkanal mit einem Eintritt zum Einbringen des Werkstücks sowie einem Austritt zum Ausbringen des Werk­ stücks, wobei der Kühlkanal eine zentrale Achse und ferner eine Einlaßeinrichtung zum Einführen eines Kühlmittels in den Kühlkanal sowie eine Auslaßeinrichtung zum Abführen des Kühlmittels vom Kühlkanal aufweist. Die Kühlmittel-Einlaß­ einrichtung ist mit Bezug zur zentralen Achse des Kühlkanals so angeordnet, um eine im wesentlichen schraubenförmige Strömung eines Kühlmittels um die zentrale Achse herum von der Kühlmittel-Einlaßeinrichtung zur Kühlmittel-Auslaßein­ richtung herbeizuführen. Die Kühlmittel -Auslaßeinrichtung schließt eine Kammereinrichtung oder ein Kammerelement mit einem erweiterten Strömungsquerschnitt ein, wodurch der Druck und die Geschwindigkeit des Kühlmittels im Kühlkanal gere­ gelt werden, um dadurch eine beschleunigte Kühlung des Werk­ stücks zu bewirken.

Das Verfahren gemäß der Erfindung schließt die Schritte des Erzeugens oder Bereitstellens des Werkstücks und des Umwälzens einer im wesentlichen schraubenförmigen Strömung eines Kühlmittels um das Werkstück herum ein, wodurch das Werkstück gekühlt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gegeben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Vorrichtung gemäß der Er­ findung;

Fig. 2 den Schnitt nach der Linie 2-2 in der Fig. 1;

Fig. 3 den Schnitt nach der Linie 3-3 in der Fig. 1.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­ tung um eine beschleunigte und kontrollierte Kühlung eines Werkstücks, insbesondere eines kontinuierlich gewalzten, un­ ebenen Stahlprodukts, wie beispielsweise Stangen, Walzdrähte, Träger, Profile und Rohre, zu erreichen. Wenngleich die Er­ findung speziell auf das Kühlen ausgerichtet ist, so wird erkennbar, daß die Lehren der Erfindung in geeigneter Weise für irgendeine thermomechanische Behandlung angewendet wer­ den können.

Eine thermomechanische Behandlung von solchen Produkten ist häufig erwünscht und/oder notwendig, um angestrebte Kennwer­ te des Endprodukts zu erzielen. Solche Behandlungen bringen zahlreiche Vorteile einschließlich einer Erhöhung in der Festigkeit sowie Zähigkeit, eines Selbsttemperns aufgrund des Temperaturgefälles quer über den Querschnitt des Pro­ dukts, einer verbesserten Duktilität des Endprodukts und einer Kornverfeinerung, die wesentliche Steigerungen in den mechanischen Eigenschaften bewirken, hervor. Ferner er­ laubt ein kontrolliertes und beschleunigtes Kühlen ein di­ rektes Abschrecken eines Gegenstandes im Anschluß an das Walzen. Ein solches direktes Abschrecken führt zu einer erwünschten Phasenumwandlung im Oberflächenbereich des Produkts zum oberen Bainit oder Martensit, während der verbleibende Teil austenitisch bleibt und später zu Ferrit oder Perlit umgewandelt wird.

Die vorliegende Erfindung ist auf die thermomechanische Be­ handlung, insbesondere das Kühlen der oben genannten Werk­ stücke oder Produkte ausgerichtet.

Durch die Erfindung wird ein kontrolliertes und beschleunig­ tes Kühlen des Werkstücks mit zurückgeführtem Kühlmittel und mit einer verkürzten Kontaktzeitspanne zwischen dem Kühlmittel sowie dem zu kühlenden Gegenstand erreicht.

Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vor­ richtung 10 gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 10 wird vor­ zugsweise zum Beispiel in einem Walzwerk als eine in-line- Behandlungsstufe angeordnet, um thermomechanisch Werkstücke, wie ein kontinuierliches, unebenes Walzprodukt 12, zu behan­ deln. Die Vorrichtung 10 wirkt auf das Werkstück 12 ein, wenn sich dieses durch die Vorrichtung 10 beispielsweise in der Richtung des Pfeils A hindurch bewegt. Wie schematisch in Fig. 1 durch einen Drallpfeil 14 gezeigt ist, dient die Vor­ richtung 10 dazu, eine schrauben- oder drallförmige Strömung des Kühlmittels um das Werkstück 12 herum zu erzeugen. Eine solche Strömung führt zu einem beschleunigten Wärmeentzug vom Werkstück 12.

Die Vorrichtung 10 enthält vorzugsweise einen Werkstück- Kühlkanal mit einer zentralen Achse 18, einem Werkstückein­ tritt 20, einem Werkstückaustritt 22 und mit einem Kühlmittel­ einlaß 24 sowie Kühlmittelauslaß 26. Der Werkstück-Kühlkanal besitzt einen Strömungsquerschnitt für ein Kühlmittel zwi­ schen dem Einlaß 24 und dem Auslaß 26, in welchem das Kühl­ mittel rund um das Werkstück 12 zirkuliert, um eine be­ schleunigte Kühlung herbeizuführen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt der Werkstück-Kühlkanal einen ringförmigen Durch­ flußraum 52, der zwischen dem Gehäuse 34 und einem Ventil­ schieberkörper 36 am Einlaß 24 abgegrenzt ist, sowie einen ringförmigen Durchflußkanal 28, der zwischen dem Werkstück 12 an der Innenseite und einer Auslaßöffnung 14 sowie einem Rohr 16 an der Außenseite begrenzt ist. Diese Bauelemente, insbesondere der Ventilschieberkörper 36 sowie die Auslaßöff­ nung 40, werden noch im einzelnen beschrieben.

Ein Kühlmittel wird in den Werkstück-Kühlkanal durch den Ein­ laß 24 eingeführt. Der Einlaß 24 dient dazu, eine schrauben­ förmige Strömung des Kühlmittels um die zentrale Achse 18 und zum Auslaß 26 hin hervorzurufen. Während das Werkstück 12 im Werkstück-Kühlkanal behandelt wird, fließt das Kühlmit­ tel vorzugsweise schraubenförmig um das Werkstück 12 herum durch den ringförmigen Durchflußkanal 28 sowie den ringförmi­ gen Durchflußraum 52, die zusammen den Werkstück-Kühlkanal bilden. Eine solche schraubenförmige Strömung erzeugt einen Film eines Kühlmittels um das Werkstück 12 herum, der einen gesteigerten Wärmeentzug vom Werkstück erreichen läßt.

Die schraubenförmige Strömung kann vorzugsweise erzeugt wer­ den, indem ein Kühlmittelstrom vom Einlaß 24 im wesentli­ chen tangential zur Innenfläche 50 des Gehäuses 34 einge­ führt wird. Das bedeutet, daß die Strömung im Einlaß 24 in einer radial von der zentralen Achse 18 abgesetzten Richtung geleitet wird. Ferner wird die Strömung vorzugsweise in einer Einstellung oder Lage eingeführt, die zur zentralen Achse 18 nicht parallel ist.

Die Fig. 1 zeigt, daß die Strömung des Kühlmittels im wesent­ lichen rechtwinklig zur zentralen Achse 18 bei der Einführung gerichtet ist. Es ist jedoch zu bemerken, daß die Strömung mit einem größeren oder kleineren Winkel gegenüber der zen­ tralen Achse 18 eingeführt werden kann und daß der Winkel so gewählt werden kann, um eine gewünschte Lineargeschwin­ digkeit der resultierenden Drallströmung zu erzeugen.

Es ist ferner zu bemerken, daß die eingehende Strömung einen Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Größe des Ein­ lasses für das Kühlmittel haben wird. Teile dieses Quer­ schnitts werden mehr oder weniger tangential zur Innenfläche 50 des Gehäuses 34 gerichtet sein. Das heißt mit anderen Worten, daß ein Teil der eingehenden Strömung virtuell tan­ gential zur Innenfläche 50 sein kann, während ein anderer Teil tatsächlich direkt zur zentralen Achse 18 hin gerichtet ist. Die hervorzuhebende Bedeutung der tangentialen Strömung in bezug auf die vorliegende Erfindung liegt darin, eine dre­ hende Strömung rund um die zentrale Achse 18 zu erzeugen, die die gewünschte Drallströmung im Werkstück-Kühlkanal bewirkt. Somit ist eine im wesentlichen tangentiale Strömung eine solche, die eine schraubenförmige oder drehende Strömung im Werkstück-Kühlkanal verursacht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt der Einlaß 24 vorzugsweise ein Gehäuse 34 mit einem darin an­ geordneten Ventilschieberkörper 36, einen Ventilsitz 38 und eine Auslaßöffnung 40 ein. Der Ventilschieber 36 ist bevor­ zugterweise im Gehäuse 34 mit Bezug zum Ventilsitz 38 ver­ lagerbar. Der Ventilschieber 36 und der Ventilsitz 38 bestim­ men eine einstellbare Düsen- oder Durchtrittsöffnung bzw. ein Schieberventil 44. Im Ventilschieber 36 ist ein Durch­ gang 46 abgegrenzt, in dem das Werkstück 12 aufgenommen wird, wobei der Durchgang 46 auch den Werkstückeintritt 20 bestimmt.

Die Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausrichtung des Einlasses 24, wobei diese Ausrichtung eine Drallströmung eines Kühl­ mittels zuerst um den Ventilschieber 36 herum, wie in Fig. 1 gezeigt ist, und dann durch die Auslaßöffnung 40 so­ wie um das Werkstück 12 im Werkstück-Kühlkanal herum her­ vorruft. Wie gezeigt ist, wird der Einlaß 24 vorzugsweise unter einem Winkel zur zentralen Achse 18 des Werkstück- Kühlkanals angeordnet. Somit weist der Einlaß 24 eine sol­ che Anordnung auf, um eine Kühlmittelströmung im wesentli­ chen tangential zu einer Innenfläche 50 des Gehäuses 34 ein­ zuführen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Einlaß 24 seit­ lich mit Bezug zur zentralen Achse 18 versetzt, um die Kühl­ mittelströmung in den zwischen der Innenfläche 50 und dem Ven­ tilschieberkörper 36 abgegrenzten ringförmigen Raum 52 einzu­ führen. Diese Ausrichtung bewirkt eine Kühlmittelzirkulation um den Ventilkörper 36 herum, wobei sich diese Zirkulation zur Auslaßöffnung 40 hin fortbewegt, um die gewünschte Drall­ strömung im Werkstück-Kühlkanal hervorzurufen.

Eine Regelung des Drucks und der Geschwindigkeit des Kühl­ mittels sind, um die gewünschte beschleunigte und geregel­ te Kühlung zu erlangen, von Nutzen. Es hat sich herausge­ stellt, daß die Kühlgeschwindigkeit des Werkstücks der Ge­ schwindigkeit sowie dem Druck des Kühlmittels direkt pro­ portional ist. Gemäß der Erfindung können die Geschwindigkeit und der Druck durch Verstellen des Ventilschieberkörpers 36 relativ zum Ventilsitz 38, um die Abmessung der einstellba­ ren Durchtrittsöffnung 44 (Fig. 4), die zwischen diesen ab­ gegrenzt ist, zu verändern, wodurch die Strömungsgeschwin­ digkeit und der Druck des Kühlmittels modifiziert werden, einreguliert werden. Für typische eintretende Strö­ mungsgeschwindigkeiten eines Kühlmittels kann beispielsweise die Durchtrittsöffnung 44 zwischen etwa 0,5 cm bis etwa 3,0 cm verstellt werden, um eine Lineargeschwindigkeit des Kühlmittels im Werkstück-Kühlkanal von zwischen etwa 2,0 m/s bis etwa 20 m/s zu erzeugen.

Die Geschwindigkeit des Kühlmittels wird bevorzugterweise ebenfalls geregelt, um eine Relativgeschwindigkeit mit Be­ zug zur Geschwindigkeit des Werkstücks hervorzurufen, die zwischen etwa 1,5 m/s bis etwa 3,0 m/s bemessen ist.

Der Ventilschieberkörper 36 und der Ventilsitz 38 können vor­ zugsweise so eingerichtet oder angeordnet sein, um einen ge­ eigneten "Anströmwinkel" des durch die Auslaßöffnung 44 tre­ tenden Kühlmittels mit Bezug zum Werkstück 12 zu erzeugen. Derjenige Teil des Ventilkörpers 36 sowie des Ventilsitzes 38, die den Anströmwinkel bestimmen, sind allgemein durch den Buchstaben x in Fig. 1 angegeben. Selbstverständlich kann der Winkel geändert werden, indem eine oder beide der Flächen des Ventilkörpers 36 und des Ventilsitzes 38, die den Anströmwinkel bestimmen, verändert wird oder werden. Der Anströmwinkel wird vorzugsweise mit zwischen etwa 25° bis etwa 45°, gemessen gegenüber der zentralen Achse 18, festgesetzt, wobei die Winkelöffnung vom Auslaß 26 weg gerich­ tet ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist.

Der Fig. 1 ist zu entnehmen, daß vorzugsweise zwei Drallströ­ mungen des Kühlmittels um das Werkstück 12 herum vorgesehen werden. Zwei Drallströmungen können beispielsweise erzeugt werden, indem ein zweiter Einlaß 24a vorgesehen wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, um eine zweite Drallströmung, die schema­ tisch durch einen Drallpfeil 14a angedeutet ist, hervorzu­ rufen. Die beiden Drallströmungen können vorzugsweise in einander entgegengesetzten linearen Richtungen, wie gezeigt ist, verlaufen. Ferner wird bevorzugt, daß die zwei Drall­ strömungen entgegengesetzte Richtungen haben. Diese einander entgegengesetzten Strömungen des Kühlmittels lassen ein aus­ gezeichnetes Kühlen des Werkstücks erreichen, wie sich heraus­ gestellt hat.

Der Einlaß 24a enthält vorzugsweise dieselben oder gleichar­ tige Bauteile wie der Einlaß 24. Somit umfaßt der Einlaß 24a ein Gehäuse 34a, einen Ventilschieberkörper 36a, einen Ven­ tilsitz 38a, eine Auslaßöffnung 40a und einen Werkstückdurch­ gang 46a. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Einlaß 24a so ausgerichtet, das Kühlmittel entgegengesetzt zur Bewegungs­ richtung A des Werkstücks 12 zu leiten, und der Durchgang 46a des Einlasses 24a dient insofern als der Werkstückaus­ tritt 22.

Gemäß Fig. 3 ist der Einlaß 24a im wesentlichen rechtwinklig zur zentralen Achse 18 und seitlich mit Bezug zu dieser Ach­ se versetzt in ähnlicher Weise wie der Einlaß 24 angeordnet. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Einlaß 24a mit Bezug zur zentralen Achse 18 in einer zur Versetzung des Einlasses 24 entgegengesetzten Richtung versetzt ist, um die gewünschte entgegengesetzte Drehrichtung der zwei drallförmigen Strö­ mungen zu bewirken.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Werkstück-Kühlkanal bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in zwei Ab­ schnitte geteilt, wovon der eine zwischen dem Einlaß 24 sowie dem Auslaß 26 und der andere zwischen dem Einlaß 24a und Aus­ laß 26 abgegrenzt ist. Die Drallströmung des Kühlmittels in jedem Abschnitt ist vorzugsweise eine Gegenströmung sowie eine gegendrehende Strömung zu der Strömung im anderen Ab­ schnitt, wie oben gesagt wurde.

Der Kühlmittelauslaß 26 kann dazu eingerichtet sein, den Druck und die Geschwindigkeit des Kühlmittels weiter zu regeln. Diesbezüglich kann der Auslaß 26 eine Expansionskammer ent­ halten, die durch eine erweitere Strömungsquerschnittssektion 54 des Auslasses 26 bestimmt wird, wie gezeigt ist. Eine erwünschte Regelung des Kühlmitteldrucks kann vorzugsweise erlangt werden, indem eine Zunahme im Strömungsquerschnitt von etwa 30% vorgesehen wird. Gemäß der bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung kann eine solche Erweiterung be­ werkstelligt werden, indem einegesamte Austrittsquerschnitts­ fläche der erweiterten Strömungsquerschnittssektion 54 mit etwa dem 1,3fachen des gesamten Strömungsquerschnitts des Kühlmittels im Werkstück-Kühlkanal festgesetzt wird.

Der Auslaß 26 ist vorzugsweise mit einem (nicht dargestell­ ten) Durchflußsystem für eine Wiederaufbereitung und eine Rückzirkulation des Kühlmittels zurück zu den Einlässen 24 und 24a verbunden. Ein solches Durchflußsystem kann in ge­ eigneter Weise dem Kühlmittel Wärme entziehen und das Kühl­ mittel zurück zu den Einlässen 24 sowie 24a pumpen, wie an sich bekannt ist.

Der Auslaß 26 wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, vorzugsweise zwischen zwei Abschnitten des Werkstück-Kühlkanals angeord­ net. Jeder Abschnitt weist bevorzugterweise eine Länge zwi­ schen etwa 1000 mm bis etwa 2000 mm auf. Die Länge eines je­ den Abschnitts kann durch irgendwelche geeigneten Mittel einschließlich des Vorsehens von Rohrstücken 16 mit einer geeigneten Länge bestimmt werden. Ferner werden die Strömungs­ geschwindigkeit einer jeden Drallströmung wie auch die Länge eines jeden Abschnitts des Werkstück-Kühlkanals vorzugsweise so gewählt, daß die zwei aufeinandertreffenden oder entge­ gengerichteten Strömungen in der Expansionskammer am Aus­ laß 26 ausgeglichen oder ausgewogen sind. Eine Strömungssym­ metrie an einer Stelle eines Gleichgewichts am Auslaß 26 dient dazu, das Austreten des Kühlmittels durch den Auslaß 26 zu lenken, und sorgt auch für einen weiteren Wärmeentzug vom Werkstück 12 in der Expansionskammer bei der erweiter­ ten Strömungsquerschnittssektion 54 des Auslasses 26.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Gehäuse 34, 34a und die Rohrstücke 16 von einer einstückigen Konstruktion oder aus­ tauschbar oder von einer Modulkonstruktion nach Wunsch sein können oder daß sie irgendeine andere zweckmäßige sowie wunschgemäße Ausgestaltung besitzen können.

Durch Vorsehen von zwei entgegengesetzt gerichteten und gegendrehenden Strömungen eines Kühlmittels längs des Werkstücks 12 gemäß der Erfindung wird eine beschleunigte sowie kontrollierte Kühlung des Werkstücks 12 erlangt. Eine derartige beschleunigte und kontrollierte Kühlung macht das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in idealer Weise für in-line-Arbeitsvorgänge geeignet.

In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung können zwischen dem Werkstück-Kühlkanal und der Expansionskammer Entlastungskanäle angeordnet sein, wodurch Dampf und Luft, die sich im Kühlkanal angesammelt haben, zu der Kammer abgeführt werden. Solche Entlastungskanäle können beispielsweise an irgendeiner Stelle auf der Länge des Werkstück-Kühlkanals, die geeignet und zweckmäßig ist, angeordnet werden. In diesem Zusammenhang kann ein Teil des Werkstück-Kühlkanals, z. B. ein Abschnitt des Rohrs 16, eine doppelwandige Konstruktion aufweisen, wobei die Entlastungs­ kanäle in dem Ringraum zwischen den Wänden der doppelwan­ digen Konstruktion angeordnet werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß ein bevorzugtes Kühlmittel Wasser ist, daß aber selbstverständlich zahlreiche geeignete herkömmliche Kühlmittel dafür verwendet werden können.

Die Erfindung offenbart somit eine Vorrichtung zum Kühlen eines Werkstücks, insbesondere eines kontinuierlich gewalz­ ten unebenen Werkstücks. Die Vorrichtung umfaßt einen Durch­ gang mit einem Eintritt zur Aufnahme des Werkstücks und einem Austritt zum Abführen des Werkstücks, einen Kühlkanal mit einer zentralen Achse, der einen Einlaß zum Einführen eines Kühlmittels und einen Auslaß zum Abführen des Kühlmit­ mittels besitzt, wobei der Kühlmitteleinlaß bezüglich der zentralen Achse des Kühlkanals so angeordnet ist, um im wesentlichen eine Drallströmung des Kühlmittels um die zentrale Achse vom Kühlmitteleinlaß zum -auslaß herbeizu­ führen. Der Kühlmittelauslaß ist mit einer einen erweiter­ ten Strömungsquerschnitt aufweisenden Kammer versehen, wo­ durch der Druck und die Geschwindigkeit des Kühlmittels im Kühlkanal geregelt werden, um eine beschleunigte Kühlung des Werkstücks herbeizuführen. Ferner sieht die Erfindung einen ersten sowie einen zweiten Kühlmitteleinlaß vor, wobei die Kammer mit dem erweiterten Strömungsquerschnitt zwi­ schen zwei Abschnitten des Kühlkanals zwischen dem ersten und zweiten Kühlmitteleinlaß angeordnet ist. Der erste Kühl­ mitteleinlaß ist so angeordnet, um eine erste, im wesentli­ chen schraubenförmige Kühlmittelströmung um die zentrale Achse herum zu der genannten Kammer hervorzurufen, während der zweite Kühlmitteleinlaß so angeordnet ist, eine zweite, im wesentliche schraubenförmige Kühlmittelströmung um die zentrale Achse herum zu der genannten Kammer hervorzurufen, wobei die zweite Strömung jedoch zur ersten Strömung ent­ gegengesetzt gerichtet ist und entgegengesetzt dreht.

Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die hier beschrie­ benen und dargestellten Einzelheiten beschränkt ist, die le­ diglich beispielhaft die beste Art zur Ausführung der Er­ findung darstellen und Änderungen in der Form, Größe, An­ ordnung von Teilen und Einzelheiten im Betrieb unterliegen. Die Erfindung soll vielmehr alle solche Abwandlungen und Änderungen umfassen, die unter den Erfindungsgedanken und den Rahmen der Patentansprüche fallen.

Claims (25)

1. Vorrichtung zum Kühlen eines Werkstücks, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß die Vorrichtung (10) einen Werkstück-Kühlkanal (28, 52) mit einem Eintritt (20) zum Einbringen des Werk­ stücks (12) sowie einem Austritt (22) zum Ausbringen des Werkstücks besitzt, wobei der Kühlkanal (28, 52) eine zentrale Achse (18) und ferner eine Einlaßeinrichtung zum Einführen eines Kühlmittels in den Kühlkanal sowie eine Auslaßeinrichtung (26) zum Abführen des Kühlmittels vom Kühlkanal aufweist,
• - daß die Kühlmittel-Einlaßeinrichtung eine im wesentli­ chen schraubenförmige Kühlmittelströmung im Kühlkanal (28, 52) um die zentrale Achse (18) herum von der Kühl­ mittel-Einlaßeinrichtung zur Kühlmittel-Auslaßeinrich­ tung (26) erzeugt und
• - daß die Kühlmittel-Auslaßeinrichtung eine einen Strö­ mungsquerschnitt des Kühlmittels vergrößernde Kammerein­ richtung (54) enthält, wodurch der Druck und die Geschwin­ digkeit des Kühlmittels im Kühlkanal (28, 52) regelbar sind, um eine beschleunigte Kühlung des Werkstücks (12) zu erzielen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel-Einlaßeinrichtung ein Gehäuse (34) mit einer im wesentlichen zylindrischen Innenfläche (50), einen Kühlmitteleinlaß (24), einen mit dem Kühlkanal (28, 52) in Verbindung stehenden Auslaß (40), einen Ventilschiebersitz (38) und einen Ventilschieberkörper (36) umfaßt, daß der Ventilschieberkörper mit Bezug zum Ventilschiebersitz verschiebbar angeordnet ist und daß der Kühlmitteleinlaß (24) im Gehäuse (34) derart ausge­ bildet ist, um das Kühlmittel im wesentlichen tangen­ tial zur Innenfläche (50) des Gehäuses (34) einzuführen, so daß das durch den Kühlmitteleinlaß eingeführte Kühl­ mittel schraubenförmig im Gehäuse um den Ventilschieber­ körper (36) herum und zum mit dem Kühlkanal in Verbindung stehenden Auslaß (40) hin umläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieberkörper (36) und der Schiebersitz (38) eine zwischen dem Kühlmitteleinlaß (24) und dem Auslaß (40) angeordnete einstellbare Durchtrittsöffnung (44) bestimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmitteleinlaßeinrichtung einen ersten Kühlmittel­ einlaß (24) sowie einen zweiten Kühlmitteleinlaß (24a) einschließt, daß die Kühlmittelauslaßeinrichtung (26) zwischen dem ersten sowie dem zweiten Kühlmitteleinlaß (24, 24a) angeordnet ist, um den Kühlmittelkanal (28, 52) in einen ersten Kühlmittelkanalabschnitt und einen zwei­ ten Kühlmittelkanalabschnitt zu teilen, daß der erste Kühlmitteleinlaß (24) so ausgebildet ist, um eine erste, im wesentlichen schraubenförmige Strömung des Kühl­ mittels im ersten Kühlkanalabschnitt um die zentrale Achse (18) herum zur Kühlmittelauslaßeinrichtung (26) hin zu erzeugen, und daß der zweite Kühlmitteleinlaß (24a) so ausgebildet ist, um eine zweite, im wesentlichen schrau­ benförmige Strömung des Kühlmittels im zweiten Kühlkanal­ abschnitt um die zentrale Achse (18) herum zur Kühlkanal­ auslaßeinrichtung (26) zu erzeugen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühlmittel-Einlaßeinrichtung und die zweite Kühlmittel-Einlaßeinrichtung jeweils ein Gehäuse (34, 34a) mit einer im wesentlichen zylindrischen Innenfläche (50, 50a), einen Kühlmitteleinlaß (24, 24a), einen mit dem Kühlkanal (28, 52) in Verbindung stehenden Auslaß (40, 40a), einen Ventilschiebersitz (38, 38a) und einen Ventilschieberkörper (36, 36a) umfassen, daß der Ventil­ schieberkörper mit Bezug zum Ventilschiebersitz verschieb­ bar angeordnet ist und daß der Kühlmitteleinlaß (24, 24a) im Gehäuse (34, 34a) derart ausgebildet ist, um das Kühlmittel im wesentlichen tangential zur Innenflä­ che (50, 50a) des Gehäuses (34, 34a) einzuführen, so daß das durch den Kühlmitteleinlaß eingeführte Kühlmittel schraubenförmig im Gehäuse um den Ventilschieberkörper (36, 36a) herum und zum mit dem Kühlkanal in Verbindung stehenden Auslaß (40, 40a) hin umläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühlmittel-Einlaßeinrichtung eine erste schrau­ benförmige Strömung und die zweite Kühlmittel-Einlaßein­ richtung eine zweite schraubenförmige Strömung erzeugen, wobei die erste und zweite schraubenförmige Strömung ent­ gegengesetzte Drehrichtungen haben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieberkörper (36, 36a) und der Ventilschie­ bersitz (38, 38a) der ersten sowie der zweiten Ventil­ einrichtung eine einstellbare Durchtrittsöffnung (44, 44a) bestimmen, die zwischen den jeweiligen Kühlmittel­ einlässen (24, 24a) und Kühlmittelauslaßöffnungen (40, 40a) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (44, 44a) einen Anströmwinkel zwi­ schen etwa 25° bis etwa 45° hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelauslaß (26) zwischen dem ersten Kühlkanal­ abschnitt und dem zweiten Kühlkanalabschnitt an einer Stelle eines Gleichgewichts zwischen der ersten und zwei­ ten schraubenförmigen Strömung angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühlmittel-Einlaßeinrichtung einen ersten, mit dem Kühlkanal (28, 52) verbundenen Werkstückdurchgang (46), der als der Werkstückeintritt (20) dient, und die zweite Kühlmittel-Einlaßeinrichtung einen zweiten, mit dem Kühlkanal (28, 52) verbundenen Werkstückdurchgang (46a), der als der Werkstückaustritt (22) dient, besitzen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammereinrichtung (54) einen Auslaßströmungsquerschnitt besitzt, der etwa das 1,3fache eines gesamten Strömungs­ querschnitts des Kühlmittels durch den Kühlkanal beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlkanalabschnitt und der zweite Kühlkanalab­ schnitt jeweils eine Länge zwischen etwa 1000 mm bis etwa 2000 mm haben.

13. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwischen dem Kühlkanal (28, 52) und der Kammereinrichtung (54) angeordnete Entlastungskanäle, die im Kühlkanal ange­ sammelten Dampf und angesammelte Luft zur Kammereinrich­ tung abführen.

14. Verfahren zum Kühlen eines Werkstücks, das die Schritte umfaßt:

• - Bereitstellen des Werkstücks und
• - Umwälzen einer im wesentlichen schraubenförmigen Strö­ mung eines Kühlmittels um das Werkstück herum, so daß das Werkstück gekühlt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens des Werkstücks den Schritt eines Verschiebens des Werkstücks durch einen Werkstück- Kühlkanal hindurch und der Schritt des Umwälzens das Zirkulieren der im wesentlichen schraubenförmigen Strö­ mung um das Werkstück im Kühlkanal herum einschließen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Umwälzens ferner die Schritte einschließt:

• - Vorsehen einer Einlaßeinrichtung, die ein Gehäuse mit einer im wesentlichen zylindrischen Innenfläche, einem Kühlmitteleinlaß, einem mit dem Kühlkanal in Verbindung stehenden Auslaß, einem Ventilsitz sowie einem Ventil­ körper, wobei der Ventilkörper mit Bezug zum Ventilsitz verschiebbar angeordnet ist, umfaßt, und
• - Einführen des Kühlmittels in die Einlaßeinrichtung im wesentlichen tangential zur Innenfläche des Gehäuses, so daß das Kühlmittel im wesentlichen schraubenförmig im Gehäuse um den Ventilkörper und zu dem mit dem Kühlkanal in Verbindung stehenden Auslaß hin strömt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Umwälzens das Zirkulieren von zwei im wesentlichen schraubenförmigen Strömen um das Werkstück in dem Wesen nach entgegengesetzten linearen Richtungen einschließt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Umwälzens von zwei Strömen den Schritt des Zirkulierens der zwei Ströme in dem Wesen nach entgegengesetzten Drehrichtungen einschließt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Umwälzens ferner die Schritte einschließt

• - Vorsehen einer ersten Einlaßeinrichtung und einer zwei­ ten Einlaßeinrichtung, wobei jede Einlaßeinrichtung ein Gehäuse mit einer im wesentlichen zylindrischen Innen­ fläche, einem Kühlmitteleinlaß, einem mit dem Kühlkanal in Verbindung stehenden Auslaß, einem Ventilsitz sowie einem Ventilkörper, wobei der Ventilkörper mit Bezug zum Ven­ tilsitz verschiebbar angeordnet ist, umfaßt, und
• - Einführen des Kühlmittels in die erste sowie zweite Einlaßeinrichtung im wesentlichen tangential zur Innen­ fläche des Gehäuses, so daß das Kühlmittel im wesentli­ chen schraubenförmig im Gehäuse um den Ventilkörper her­ um und zu dem mit dem Kühlkanal in Verbindung stehenden Auslaß strömt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper und der Ventilsitz der ersten sowie zweiten Einlaßeinrichtung jeweils eine zwischen einem zugeordneten Kühlmitteleinlaß und einer Auslaßöffnung angeordnete Durchtrittsöffnung bestimmen und daß das Verfahren ferner den Schritt des Einregelns der Größe einer jeden Durchtrittsöffnung einschließt, wodurch eine Geschwindigkeit des aus der ersten sowie zweiten Ein­ laßeinrichtung austretenden Kühlmittels reguliert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Einregelns das Einstellen der Durch­ trittsöffnung derart, daß eine lineare Geschwindigkeit eines jeden der zwei im wesentlichen schraubenförmigen Ströme zwischen etwa 2,0 m/s bis etwa 20 m/s erzeugt wird, einschließt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Führens des Werkstücks durch den Kühlkanal mit einer Werkstückgeschwindigkeit, wobei der Schritt des Einregelns ferner den Schritt einschließt, daß die Geschwindigkeit eines jeden der zwei im wesentlichen schraubenförmigen Ströme so erzeugt wird, daß eine relative Geschwindigkeit einer jeden schraubenförmigen Strömung mit Bezug zur Werkstückge­ schwindigkeit zwischen etwa 1,5 m/s bis etwa 3,0 m/s erlangt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Umwälzens ferner die Schritte einschließt:

• - Umwälzen der zwei Ströme zueinander hin und
• - Vorsehen einer Kühlmittel-Auslaßeinrichtung mit einer Kammereinrichtung zur Erweiterung eines Strömungsquer­ schnitts des Kühlmittels, wobei die Auslaßeinrichtung an einer Stelle eines Gleichgewichts zwischen den zwei Strömen vorgesehen ist, wodurch der Druck und die Ge­ schwindigkeit des Kühlmittels im Kühlkanal geregelt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Umwälzens der zwei Ströme das Zirkulie­ ren eines jeden Stroms zur Auslaßeinrichtung hin längs einer linearen Strecke von zwischen etwa 1000 mm bis etwa 2000 mm einschließt.

25. Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch den Schritt einer Rezirkulation des Kühlmittels von der Kammereinrichtung zur ersten und zweiten Einlaßeinrich­ tung.