EP0343103A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines Gegenstandes - Google Patents

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EP0343103A1 EP89810325A EP89810325A EP0343103A1 EP 0343103 A1 EP0343103 A1 EP 0343103A1 EP 89810325 A EP89810325 A EP 89810325A EP 89810325 A EP89810325 A EP 89810325A EP 0343103 A1 EP0343103 A1 EP 0343103A1
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Miroslaw Plata
Kurt Buxmann
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Alusuisse Holdings AG
Schweizerische Aluminium AG
Alusuisse Lonza Services Ltd
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/12—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
    • B22D11/124—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for cooling
    • B22D11/1246—Nozzles; Spray heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/08—Spray pistols; Apparatus for discharge with separate outlet orifices, e.g. to form parallel jets, i.e. the axis of the jets being parallel, to form intersecting jets, i.e. the axis of the jets converging but not necessarily intersecting at a point
    • B05B7/0807—Spray pistols; Apparatus for discharge with separate outlet orifices, e.g. to form parallel jets, i.e. the axis of the jets being parallel, to form intersecting jets, i.e. the axis of the jets converging but not necessarily intersecting at a point to form intersecting jets
    • B05B7/0861—Spray pistols; Apparatus for discharge with separate outlet orifices, e.g. to form parallel jets, i.e. the axis of the jets being parallel, to form intersecting jets, i.e. the axis of the jets converging but not necessarily intersecting at a point to form intersecting jets with one single jet constituted by a liquid or a mixture containing a liquid and several gas jets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/667—Quenching devices for spray quenching

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling an object by spraying a gas / liquid mixture in the form of a mist onto the surface of the object by means of at least one nozzle and a device for carrying out the method.
  • Atomized air / water mixtures have the advantage of a lower explosion risk compared to the pure application of water when cooling continuous cast ingots, since the water mist hitting the surface can be adjusted in such a way that it practically completely evaporates.
  • Venturi nozzles of this type have the disadvantage that the amount of air required to form the water mist is extraordinarily large.
  • the cooling intensity on the surface exposed to the water mist is very different locally, since the surface area lying in the nozzle axis is cooled much more than edge areas.
  • the inventor has set himself the goal of creating a method and a device of the type mentioned at the outset with which the cooling effect can be improved while reducing the gas flow rate.
  • the object is achieved by a method in which a liquid jet sprays through the nozzle opening to form a spray mist with a droplet size of ⁇ 100 ⁇ m and, after exiting the nozzle, accelerates and directs the droplets with gas jets at an angle between 0 and 90 ° to the nozzle axis becomes.
  • the gas flow rate can be reduced by a multiple compared to a jet mixing process based on the Venturi nozzle.
  • the atomization of the liquid jet according to the invention and the acceleration of the droplets after the nozzle opening result in a uniform distribution of the cooling intensity over the surface of the liquid mist on the surface of the object to be cooled.
  • the intensity of the gas jets is regulated independently of one another. This makes it possible to change the direction of the conically atomized liquid jet formed after the nozzle opening over a wide range. With a given arrangement of nozzles, this enables the cooling of the object to be cooled to be fine-tuned.
  • Coolant Any coolant can be used as the cooling liquid, water being preferred in most cases.
  • Air can be used as the gas, but other gases such as nitrogen or argon can also be used.
  • the method is particularly suitable for cooling conventionally or electromagnetically cast strands as well as rolled and pressed products made of metal, in particular aluminum.
  • the method is also suitable for cooling hot surfaces with complete evaporation of the coolant, the cooling intensities preferably being between 500 and 3000 W / m2 ° K.
  • the object to be cooled e.g. press profiles, rolling belts, rotating rolling cylinders
  • the cooling effect taking place with complete evaporation of the coolant and the heat transfer coefficient of the object to be cooled according to a predetermined desired curve follows.
  • the device according to the invention is characterized by a liquid-carrying nozzle and gas guide channels arranged in the area of the nozzle opening at an angle between 0 and 90 ° to the nozzle axis.
  • two gas guide channels arranged symmetrically and concentrically to the nozzle axis are provided, which can be acted upon independently of one another by gas of different pressure.
  • gas jet arrangements with three or more gas guide channels are also possible, which are preferably also arranged symmetrically and concentrically to the nozzle axis.
  • a device R for cooling an object consists of a part 1 which has a water-carrying nozzle 3 with a nozzle opening 4 and which is penetrated by two diametrically opposite bores 5a, b for gas guidance.
  • the supply lines for water and air are shown schematically.
  • the part 1 is fitted into a counterpart 2 with the formation of cavities 6a, b in the form of ring segments and adjoining gas guide channels 7a, b.
  • the gas guide channels 7a, b form an angle ⁇ of, for example, 45 ° with the nozzle axis x.
  • the direction of the conical water jet 9 can be changed over a wide range.

Abstract

Bei dem Verfahren wird ein Gas/Flüssigkeit-Gemisch in der Form eines Nebels auf die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes mittels Düsen aufgesprüht. Hierbei wird ein Flüssigkeitsstrahl durch die Düsenöffnung zu einem Sprühnebel mit Tröpfchengrösse<100µm verdüst und nach seinem Austritt aus der Düse zur Beschleunigung und Richtungslenkung der Tröpfchen mit Gasstrahlen in einem Winkel (α) zwischen 0 und 90° zur Düsenachse (x) beaufschlagt. Die Intensität der Gasstrahlen kann unabhängig voneinander geregelt werden. Das Verfahren eignet sich zum Kühlen von konventionell oder elektromagnetisch gegossenen Strängen sowie Walz- und Pressprodukten aus Metall, insbesondere Aluminium. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem die flüssigkeitsführende Düse (3) sowie Bohrungen (5a,b) zur Gasführung enthaltenden Teil (1), welches zur Bildung von Gasführungskanälen (7a,b) in ein Gegenstück (2) eingepasst ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Ge­genstandes durch Aufsprühen eines Gas/Flüssigkeit-Gemisches in der Form eines Nebels auf die Oberfläche des Gegenstan­des mittels wenigstens einer Düse sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Verdüste Luft/Wasser-Gemische haben im Vergleich zur reinen Wasserbeaufschlagung bei der Kühlung von Stranggussbarren den Vorteil einer geringeren Explosionsgefahr, da der auf die Oberfläche auftreffende Wassernebel derart eingestellt werden kann, dass er praktisch vollständig verdampft.
  • Bekannte Düsensysteme beruhen auf dem Prinzip des Venturi­rohrs, wo die Bildung des Luft/Wasser-Gemisches bereits innerhalb der Düse erfolgt. Derartige Venturidüsen haben den Nachteil, dass die benötigte Luftmenge zur Bildung des Wassernebels ausserordentlich gross ist. Hinzu kommt, dass die Kühlintensität an der mit dem Wassernebel beaufschlag­ten Fläche lokal sehr unterschiedlich ist, da der in der Düsenachse liegende Flächenbereich gegenüber Randbereichen viel stärker gekühlt wird.
  • Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein Verfahren und eine Vorrichtung der ein­gangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem die Kühlwir­kung unter gleichzeitiger Verminderung der Gasdurchfluss­menge verbessert werden kann.
  • Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch ein Verfahren ge­löst, bei welchem ein Flüssigkeitsstrahl durch die Düsen­öffnung zu einem Sprühnebel mit Tröpfchengrösse<100µm ver­düst und nach dem Austritt aus der Düse zur Beschleunigung und Richtungslenkung der Tröpfchen mit Gasstrahlen in einem Winkel zwischen 0 und 90° zur Düsenachse beaufschlagt wird. Durch die erfindungsgemässe Verfahrensweise kann die Gas­durchflussmenge gegenüber einem Strahlmischverfahren auf der Grundlage der Venturidüse um ein mehrfaches gesenkt werden. Ueberraschenderweise hat sich zudem gezeigt, dass sich durch das erfindungsgemässe Verdüsen des Flüssigkeits­strahls und die Beschleunigung der Tröpfchen nach der Düsenöffnung eine über die Auftreffläche des Flüssigkeits­nebels auf der Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes gleichmässige Verteilung der Kühlintensität ergibt.
  • Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird die Intensität der Gasstrahlen unabhängig voneinander gere­gelt. Dadurch wird es möglich, die Richtung des nach der Düsenöffnung gebildeten, kegelförmig verdüsten Flüssig­keitsstrahls in weiten Bereichen zu verändern. Dies ermög­licht bei einer gegebenen Anordnung von Düsen eine Feinein­stellung der Kühlung am zu kühlenden Gegenstand.
  • Als Kühlflüssigkeit kann ein beliebiges Kühlmittel verwen­det werden, wobei in den meisten Fällen Wasser bevorzugt wird.
  • Als Gas bietet sich die Verwendung von Luft an, jedoch kön­nen auch andere Gase wie Stickstoff oder Argon eingesetzt werden.
  • Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Kühlen von kon­ventionell oder elektromagnetisch gegossenen Strängen sowie Walz- und Pressprodukten aus Metall, insbesondere Alumini­um.
  • Bei Pressprofilen mit Querschnittsdimensionen unterschied­licher Dicke ist eine Anpassung der Kühlintensität zur Ver­meidung von nachträglichen Richtoperationen besonders wün­schenswert. Mit einer vorgängig berechneten Anordnung meh­rerer Düsen und der anschliessenden Feinregulierung der Kühlintensität durch unterschiedlich starke Einstellung der Gasstrahlen kann eine verzugsfreie Herstellung von Press­profilen erzielt werden.
  • Das Verfahren eignet sich auch zum Kühlen heisser Oberflä­chen mit vollständiger Verdampfung des Kühlmittels, wobei die Kühlintensitäten bevorzugt zwischen 500 und 3000 W/m²°K liegen.
  • Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens wird darin gesehen, dass der zu kühlende Gegen­stand (z.B. Pressprofile, Walzbänder, umlaufende Walzzylin­der) an einem feststehenden Düsensystem vorbeigeführt wird, wobei die Kühlwirkung mit vollständiger Verdampfung des Kühlmittels erfolgt und die Wärmeübergangszahl des zu kühlenden Gegenstandes einer vorgegebenen Sollkurve folgt.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine flüssigkeitsführende Düse und im Bereich der Düsenöff­nung in einem Winkel zwischen 0 und 90° zur Düsenachse an­geordnete Gasführungskanäle.
  • Im einfachsten Fall sind zwei symmetrisch und konzentrisch zur Düsenachse angeordnete Gasführungskanäle vorgesehen, die unabhängig voneinander mit Gas unterschiedlichen Druckes beaufschlagt werden können. Selbstverständlich sind auch andere Gasstrahlanordnungen mit drei oder mehr Gasfüh­rungskanälen möglich, die vorzugsweise ebenfalls symme­trisch und konzentrisch zur Düsenachse angeordnet sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Betrachtung eines bevor­zugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
    • Fig.1 einen schematisierten Querschnitt durch eine erfin­dungsgemässe Vorrichtung;
    • Fig.2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Fig.1.
  • Eine Vorrichtung R zum Kühlen eines Gegenstandes besteht aus einem eine wasserführende Düse 3 mit Düsenöffnung 4 aufweisenden Teil 1, welches mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Bohrungen 5a,b zur Gasführung durchsetzt ist. In der Zeichnung sind die Zuführungsleitungen für Wasser und Luft schematisch angegeben. Das Teil 1 ist unter Bildung von ringsegmentförmigen Hohlräumen 6a,b und daran anschliessenden Gasführungskanälen 7a,b in ein Gegenstück 2 eingepasst. Die Gasführungskanäle 7a,b schliessen mit der Düsenachse x einen Winkel α von beispielsweise 45° ein.
  • Durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung der Bohrungen 5a,b kann die Richtung des kegelförmig verdüsten Wasser­strahls 9 in einem weiten Bereich verändert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Kühlen eines Gegenstandes durch Aufsprü­hen eines Gas/Flüssigkeit-Gemisches in der Form eines Nebels auf die Oberfläche des Gegenstandes mittels we­nigstens einer Düse,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Flüssigkeitsstrahl durch die Düsenöffnung zu einem Sprühnebel mit Tröpfchengrösse<100µm verdüst und nach seinem Austritt aus der Düse zur Beschleunigung und Richtungslenkung der Tröpfchen mit Gasstrahlen in einem Winkel (α) zwischen 0 und 90° zur Düsenachse (x) beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Gasstrahlen unabhängig voneinander geregelt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­kennzeichnet, dass als Gas Luft verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­kennzeichnet, dass als Flüssigkeit Wasser verwendet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­spruch 1, gekennzeichnet durch eine flüssigkeitsführen­de Düse (3) und im Bereich der Düsenöffnung (4) in ei­nem Winkel (α) zwischen 0 und 90° zur Düsenachse (x) angeordnete Gasführungskanäle (7a,b).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus einem die flüssigkeitsfüh­rende Düse (3) sowie Bohrungen (5a,b) zur Gasführung enthaltenden Teil (1) besteht, welches zur Bildung der Gasführungskanäle (7a,b) in ein Gegenstück (2) einge­passt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführungskanäle (7a,b) sym­metrisch und konzentrisch zur Düsenachse (x) angeordnet sind.
8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Kühlen von konventionell oder elektromagnetisch gegossenen Strän­gen sowie Walz und Pressprodukten aus Metall, insbeson­dere Aluminium.
9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Kühlen heisser Oberflächen mit vollständiger Verdampfung des Kühlmittels, vorzugsweise bei Kühlintensitäten von 500-­3000 W/m²°K.
10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Kühlen von Gegenständen, die an einem feststehenden Düsensystem vorbeigeführt werden, wobei die Kühlwirkung mit voll­ständiger Verdampfung des Kühlmittels erfolgt und die Wärmeübergangszahl des zu kühlenden Gegenstandes einer vorgegebenen Sollkurve folgt.
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