EP0429394A1 - Kühlen von gegossenen Strängen - Google Patents
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- EP0429394A1 EP0429394A1 EP90810869A EP90810869A EP0429394A1 EP 0429394 A1 EP0429394 A1 EP 0429394A1 EP 90810869 A EP90810869 A EP 90810869A EP 90810869 A EP90810869 A EP 90810869A EP 0429394 A1 EP0429394 A1 EP 0429394A1
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- spray system
- temperature
- cooling medium
- cooling
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- 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
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- C21D1/62—Quenching devices
- C21D1/667—Quenching devices for spray quenching
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
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- C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
- C21D11/005—Process control or regulation for heat treatments for cooling
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
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- C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
- C22F1/05—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions
Definitions
- the invention relates to a method for cooling cast strands made of an aluminum alloy after homogenization annealing and a device for carrying out the method.
- strands in particular large-format press bolts and rolled bars, are produced using known continuous casting processes.
- the metal solidifies in a chilled mold only in the area of the surface. After leaving the mold, the strand is dimensionally stable, but is still fluid on the inside. The continuously lowered strand is therefore cooled further intensively.
- the cooling during the continuous casting is designed to allow the casting process to run optimally with the solidification process. There is little or only little scope for alloy-specific metallurgical concerns.
- the solidified, cast strands are therefore generally reheated and subjected to homogenization annealing in a high-temperature annealing furnace. This can be done in the foundry or in the further processing mill or press, even after the strands have been stored.
- the strands After the homogenization annealing, the strands, if they are not directly thermoformed by the semi-finished product manufacturer, are cooled down quickly or slowly in air, depending on the alloy and intended use, for example by immersing them in water.
- These known cooling processes after the homogenization annealing have the disadvantage that they do not run or are poorly controlled.
- the present invention has for its object to provide a method and an apparatus of the type mentioned, with which annealed strands of the alloy composition, the cross section and the specific use can be cooled in an automated and controlled manner.
- the object is achieved according to the invention in that the strands emerging continuously from the annealing furnace with a first temperature in the longitudinal direction "in-line" at a program-controlled feed rate and under program-controlled, all-round spraying with a cooling medium to achieve an adjustable Surface temperature are passed through a spray system, the inner and surface temperature of the strands equalize a short time after leaving the spray system.
- the strands cooled in the spray system are passed "in-line" through a subsequent insulated container, with several strands remaining in the container.
- this container is usually designed to hold 10 to 30 strands, e.g. in the form of a rotating drum, the first strand being ejected when the container is full.
- strands removed from the container can be fed to a press or a hot rolling mill and hot-formed into a semifinished product. Furthermore, strands from an insulated container can be cooled to room temperature by methods that are not of interest here.
- Metals especially aluminum and aluminum alloys, have a high thermal conductivity. Local cooling spreads rapidly in a metallic body and after a relatively short time brings about a temperature compensation over the whole body.
- the feed rate at which the strands are guided "in-line” through the spray system is preferably significantly higher than the rate of heat propagation, which is due to the high thermal conductivity of the aluminum alloy, which is approximately 10 cm / min.
- the feed speed of the "in-line" strands guided through the spray system is up to 5, in particular 1-3 m / min. Therefore, the heat propagation in the longitudinal direction is negligible, only the transverse cooling is important.
- the feed speed of a strand is preferably kept constant.
- the spray medium used is primarily sprayed water, to which air is preferably added. With slow cooling, the air content is high.
- the amount of water is expediently set so that the water evaporates almost completely after striking a strand. This can be achieved in a particularly advantageous manner with a droplet size of less than 100 ⁇ m.
- the total quantity of cooling medium which is decisive for the cooling capacity, can be sprayed on uniformly or in accordance with a target curve in relation to the chronological sequence.
- the cooling medium can also be applied in a pulsating manner, the supply of the cooling medium being interrupted or reduced between the pulses. With a pulsating supply of the cooling medium, the cooling capacity can be metered, as by controlling the total amount of water.
- the spray direction and the spray cone of the cooling medium of an air-water nozzle can be controlled by process-controlled change of the air supplied at two locations, whereby a better pendulum-like pivoting movement of the supplied cooling medium perpendicular to the direction of advance of the strands balanced heat flow arises. Due to the advancing movement of the strands, the uneven loading by a constant spray cone of the nozzle is only compensated in the longitudinal direction, but not in the transverse direction.
- the heat transfer during cooling with a sprayed-on air-water mixture has been tested on the basis of tests with a simulator.
- the measurement results have been analyzed with a computer and evaluated for the practice by creating target curves.
- the supply of cooling medium can take place regularly.
- the cooling medium can be sprayed on along the circumference with different intensities.
- the temperature field is preferably distributed homogeneously, so that no or only minimal deformations, tensions or cracks form.
- the cooling intensity can also be adjusted in the longitudinal direction of the spray system in accordance with a target curve. This allows the strands to be cooled differently, but under control.
- the process control according to the invention also program control called tion includes, for example, the temperature at the exit of the annealing furnace, the feed rate and the nature, quantity and distribution of the cooling medium, in particular also the pendulum-like pivoting of the spray cone of the cooling medium. These parameters are process controlled by measuring the surface temperature of the strand at the outlet of the spray system.
- the strands homogenized in the annealing furnace are preferably fed from the furnace into the spray system at a temperature below the solidus temperature of 400-600 ° C.
- this temperature is e.g. at 580 ° C, with hard, not step-cooled alloys e.g. at 500 ° C.
- the homogenized strands are cooled in a cooling phase to a predetermined surface temperature, which leads to a balanced internal and surface temperature after a compensation phase.
- this compensation temperature is preferably 310 - 350 ° C.
- an incomplete balancing phase if any, takes place completely.
- the strands are held here, preferably for 20-60 minutes, in particular for about 30 minutes.
- the object is achieved according to the invention in that it comprises an annealing furnace and a spray system arranged "in-line", which can be controlled under process control, the spray system designed after the annealing furnace for strands running one after the other in the longitudinal direction over its entire length Length and is equipped over the entire circumference of its interior with collectively, group-wise or individually adjustable nozzles for the cooling medium.
- FIG. 1 The principle sketch of an "in-line" cooling according to FIG. 1 shows, arranged one behind the other, a blast furnace 10, a spray system 12 and an insulated container 14. In between, a continuous strand 16 is shown, which can be a press bolt or a rolling bar. This strand 16 is supported on indicated rollers 18.
- the length 1 of the spray system 12 is drawn in a greatly exaggerated manner compared to the corresponding dimensions of the annealing furnace 10 and the insulated container 14.
- the length 1 is in the range of 1 - 5 m.
- the length of the insulated container 14 must be sufficient to accommodate the longest strand 16.
- the distance a of the annealing furnace 10 from the drum-shaped insulated container 14 is approximately 2 m, with a length 1 of the spray system 12 of approximately 1.5 m.
- the spray system 12 which is arranged on a supporting frame 20.
- the spray system 12 comprises a total of 128 nozzles 22, and up to 200 or more nozzles can also be arranged in other cooling systems.
- the cans are grouped in ring-shaped collectors, the amount of cooling medium being controllable by collector. As already mentioned, these cans 22 can be switched on and off in a program-controlled manner and set in relation to the flow rate of cooling medium 24.
- a microprocessor or computer can control the drive elements of the metering devices for the cooling medium 24 of the individual nozzles 22 as a whole, in groups or individually.
- FIG. 4 shows a step cooling for an AlMgSi alloy
- FIG. 5 shows a cooling without steps for hard alloys in a spray system 12 (FIGS. 1-3).
- a first temperature T1 the homogenization temperature of about 580 ° C in the annealing furnace. This temperature changes only slightly before entering the spray system.
- the cooling phase I the passage time of the mentioned point of the strand through the spray system, the temperature in the innermost region of the strand drops much more slowly than on the surface, in accordance with the temperature profiles 26 and 28.
- the surface temperature When leaving the spray system, the surface temperature has reached the predetermined and measured value T2.
- the cooling phase I lasts, depending on the parameters mentioned above, in practice mostly about 20 seconds to 2 minutes.
- the temperature T2 is 250 ° C in the present example.
- the surface temperature increases during the compensation phase II until the temperature T3, the compensation temperature of the temperature profile 26 for the surface and Temperature profile 28 is reached for the central inner region of the strand.
- the curves 26 and 28 can be calculated in advance with numerical simulation.
- the compensation phase II between the temperatures T2 and T3 is the shortest with slow cooling and a small strand cross-section, the longest with rapid cooling and a large strand cross-section.
- the compensation temperature T3 can be reached before the strand enters the insulated container, in the case of longer compensation phases II, the complete temperature compensation between the surface and the interior of the strand takes place only in the insulated container.
- the compensation temperature T3 is about 330 ° C.
- the strand is slowly cooled down to around 300 ° C due to insulation losses.
- the length of time of the strands in the insulated container is a multiple of the duration of cooling phase I and compensation phase II together, in the present case it is about 30 minutes.
- a strand of a hard alloy with a homogenization temperature T 1 of approximately 500 ° C. is continuously cooled to a final temperature T 2 of approximately 150 ° C. according to a programmed target curve.
- T 1 homogenization temperature
- T 2 final temperature
- a nozzle 22 of a spray system 12 shown in FIG. 6 consists of a part 32 with a bore 30 for the water W that narrows at an angle of 45 °, which forms a nozzle opening 33.
- the part 32 is further penetrated by two diametrically opposite bores 34 for the air supply A.
- the part 32 is fitted into a counterpart 40, forming cavities 36 in the form of ring segments and adjoining air guide channels 38.
- the air guide channels 38 form an angle ⁇ of 45 ° with the nozzle axis X.
- the direction of the conically atomized cooling medium 24 can be changed over a wide range, the angle 2 ⁇ .
- Through continuously changing pressurization of the air guide channels 38 creates a pendulum-like pivoting movement of the spray cone of the pressure medium 24 with the nozzle 22 stationary.
- the air flow rate can be reduced by a multiple compared to a jet mixing method based on a Venturi nozzle. It has also been shown that the atomizing of the water jet W and the acceleration of the droplets by the introduced compressed air A result in an extraordinarily uniform distribution of the cooling intensity over the impact surface of the liquid mist on the surface of the strand to be cooled when the pendulum-like pivoting movement of the spray cone he follows.
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Abstract
Das Verfahren und die Vorrichtung dienen dem Kühlen von gegossenen Strängen (16) aus einer Aluminiumlegierung nach einer Homogenisierungsglühung. Die mit einer ersten Temperatur kontinuierlich in Längsrichtung hintereinander aus einem Hochglühofen (10) austretenden Stränge (16) werden "in-line" mit einer programmgesteuerten Vorschubgeschwindigkeit und unter einer programmgesteuerten, allseitigen Besprühung mit einem Kühlmedium zum Erreichen einer einstellbaren Oberflächentemperatur durch eine Sprayanlage (12) geführt. Die Innen- und Oberflächentemperatur der Stränge (16) gleichen sich kurze Zeit nach dem Verlassen der Sprayanlage (12) aus. Die Sprayanlage (12) für die "in-line" durchlaufenden Stränge (16) ist über ihre ganze Länge (1) und über den ganzen Umfang ihres Innenraums (20) mit gesamthaft, gruppenweise oder einzeln einstellbaren Düsen ausgerüstet.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen von gegossenen Strängen aus einer Aluminiumlegierung nach einer Homogenisierungsglühung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
- In Aluminiumgiessereien werden Stränge, insbesondere grossformatige Pressbolzen und Walzbarren, mit bekannten Stranggiessverfahren hergestellt. Beim Giessen erstarrt das Metall in einer gekühlten Kokille nur im Bereich der Oberfläche. Nach dem Verlassen der Kokille ist der Strang formstabil, im Innern jedoch noch flüssig. Der kontinuierlich abgesenkte Strang wird deshalb intensiv weitergekühlt.
- Das Abkühlen während des Stranggiessens ist darauf ausgerichtet, das Giessverfahren mit dem Erstarrungsprozess optimal ablaufen zu lassen. Für legierungsspezifische metallurgische Belange besteht wenig oder ein nur kleiner Spielraum.
- Die erstarrten, gegossenen Stränge werden deshalb in der Regel wieder erwärmt und in einem Hochglühofen einer Homogenisierungsglühung unterworfen. Diese kann in der Giesserei oder im weiterverarbeitenden Walz- oder Presswerk erfolgen, auch nach einer Lagerung der Stränge.
- Nach der Homogenisierungsglühung werden die Stränge, falls sie nicht vom Halbzeughersteller direkt warm verformt werden, je nach Legierung und Verwendungszweck z.B. durch Eintauchen in Wasser schnell oder an der Luft langsam, abgekühlt. Diese bekannten Abkühlungsverfahren nach dem Homogenisierungsglühen haben den Nachteil, dass sie nicht oder schlecht kontrolliert ablaufen.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchen hochgeglühte Stränge der Legierungszusammensetzung, dem Querschnitt und der spezifischen Verwendung entsprechend automatisiert und kontrolliert abgekühlt werden können.
- In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die mit einer ersten Temperatur kontinuierlich in Längsrichtung hintereinander aus einem Hochglühofen austretenden Stränge "in-line" mit einer programmgesteuerten Vorschubgeschwindigkeit und unter einer programmgesteuerten, allseitigen Besprühung mit einem Kühlmedium zum Erreichen einer einstellbaren Oberflächentemperatur durch eine Sprayanlage geführt werden, wobei sich die Innen- und Oberflächentemperatur der Stränge kurze Zeit nach dem Verlassen der Sprayanlage ausgleichen.
- Bei der Abkühlung von AlMgSi-Legierungen werden die in der Sprayanl age abgekühlten Stränge "in-line" durch einen anschliessenden, isolierten Behälter geführt, wobei mehrere Stränge im Behälter gelagert bleiben. Dieser Behälter ist in der Praxis meist zur Aufnahme von 10 - 30 Strängen konzipiert, z.B. in Form einer Drehtrommel, wobei bei vollem Behälter der zuerst eingeführte Strang ausgestossen wird.
- Dem Behälter entnommene Stränge können nach einer Erwärmung einer Presse oder einem Warmwalzwerk zugeführt und warm zu einem Halbzeug verformt werden. Weiter können Stränge aus einem isolierten Behälter nach hier nicht näher interessierenden Verfahren auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
- Metalle, insbesondere auch Aluminium und Aluminiumlegierungen, haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Eine lokale Kühlung breitet sich in einem metallischen Körper rasch aus und bewirkt nach verhältnismässig kurzer Zeit einen Temperaturausgleich über den ganzen Körper.
- Die Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher die Stränge "in-line" durch die Sprayanlage geführt werden, ist vorzugsweise deutlich höher als die durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung bedingte Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit, welche etwa 10 cm/min beträgt. In der Praxis beträgt die Vorschubgeschwindigkeit der "in-line" durch die Sprayanlage geführten Stränge bis 5, insbesondere 1 - 3 m/min. Deshalb ist die Wärmeausbreitung in Längsrichtung vernachlässigbar, nur die transversale Kühlung ist von Bedeutung.
- Vorzugsweise wird die Vorschubgeschwindigkeit eines Stranges konstant gehalten.
- Als Kühlmedium wird aus technischen und wirtschaftlichen Gründen in erster Linie feinversprühtes Wasser eingesetzt, welchem vorzugsweise Luft zugemischt wird. Bei langsamer Abkühlung ist der Luftanteil hoch. Die Wassermenge ist zweckmässig so eingestellt, dass das Wasser nach dem Auftreffen auf einen Strang praktisch vollständig verdampft. Dies kann bei einer Tröpfchengrösse unter 100 µm in besonders vorteilhafter Weise erreicht werden.
- Die für die Kühlleistung massgebende Gesamtmenge an Kühlmedium kann in bezug auf den zeitlichn Ablauf gleichmässig oder entsprechend einer Sollkurve aufgesprüht werden. Nach besonderen Ausführungsformen kann das Kühlmedium jedoch auch pulsierend aufgetragen werden, wobei die Zufuhr des Kühlmediums zwischen den Impulsen unterbrochen oder reduziert wird. Mit pulsierender Zufuhr des Kühlmediums kann, wie durch Steuerung der gesamten Wassermenge, die Kühlleistung dosiert werden.
- Weiter können, nach einer bevorzugten Variante der Erfindung, die Sprührichtung und der Sprühkegel des Kühlmediums einer Luft-Wasser-Düse durch prozesskontrollierte Aenderung der an zwei Orten zugeführten Luft gesteuert werden, wodurch mittels einer pendelartigen Schwenkbewegung des zugeführten Kühlmediums senkrecht zur Vorschubrichtung der Stränge ein besser ausgeglichener Wärmefluss entsteht. Durch die Vorschubbewegung der Stränge wird die ungleichmässige Beaufschlagung durch einen gleichbleibenden Sprühkegel der Düse nur in Längsrichtung ausgeglichen, jedoch nicht in Querrichtung.
- Der Wäremeübergang bei der Kühlung mit einem aufgesprühten Luft-Wassergemisch ist anhand von Versuchen mit einem Simulator geprüft worden. Die Messresultate sind mit einem Computer analysiert und unter Erstellung von Sollkurven für die Praxis ausgewertet worden.
- Bezüglich des Umfangs, insbesondere bei Strängen mit kreisrundem Querschnitt, kann die Zufuhr von Kühlmedium regelmässig erfolgen. Bei langrechteckigen oder sonstigen stark von einer kreisförmigen oder regelmässigen, eckigen Querschnittsform abweichenden Formaten kann das Kühlmedium entlang des Umfangs mit unterschiedlicher Intensität aufgesprüht werden.
- Während des Kühlens ist das Temperaturfeld bevorzugt homogen verteilt, damit sich keine oder nur minimale Deformationen, Spannungen oder Risse bilden.
- Schliesslich kann die Kühlintensität auch in Längsrichtung der Sprayanlage entsprechend einer Sollkurve eingestellt werden. Damit können die Stränge verschieden, aber unter Kontrolle, gekühlt werden.
- Die erfindungsgemässe Prozesskontrolle, auch Programmsteue rung genannt, umfasst beispielsweise die Temperatur am Ausgang des Hochglühofens, die Vorschubgeschwindigkeit und die Natur, Menge und Verteilung des Kühlmediums, insbesondere auch das pendelartige Schwenken des Sprühkegels des Kühlmediums. Diese Parameter werden durch die Messung der Oberflächentemperatur des Strangs am Ausgang der Sprayanlage prozessgesteuert.
- Die im Hochglühofen homogenisierten Stränge werden vorzugsweise mit einer Temperatur unterhalb der Solidustemperatur von 400 - 600°C aus dem Ofen in die Sprayanlage geführt. Bei AlMgSi-Legierungen, die stufengekühlt werden, liegt diese Temperatur z.B. bei 580°C, bei harten, nicht stufengekühlten Legierungen z.B. bei 500°C.
- In der Sprayanlage werden die homogenisierten Stränge in einer Kühlungsphase auf eine vorausbestimmte Oberflächentemperatur abgekühlt, die nach einer Ausgleichsphase zu einer ausgeglichenen Innen- und Oberflächentemperatur führt. Diese Ausgleichstemperatur liegt bei AlMgSi-Legierungen vorzugsweise bei 310 - 350°C.
- Im beim Kohlen von AlMgSi-Legierungen unmittelbar an die Sprayanlage anschliessenden isolierten Behälter, wo die Stränge zwischengelagert werden, läuft vorerst eine allenfalls unvollendete Ausgleichsphase vollständig ab. Hier werden die Stränge, vorzugsweise während 20 - 60 Minuten, insbesondere während etwa 30 Minuten gehalten.
- In bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass sie "in-line" angeordnet einen Hochglühofen und eine Sprayanl age umfasst, welche unter Prozesskontrolle steuerbar sind, wobei die nach dem Hochglühofen für hintereinander in Längsrichtung durchlaufende Stränge konzipierte Sprayanlage über ihre ganze Länge und über den gesamten Umfang ihres Innenraums mit gesamthaft, gruppenweise oder einzeln einstellbaren Düsen für das Kühlmedium ausgerüstet ist.
- Dies umfasst in erster Linie das gesamhafte, gruppenweise odern einzelne Ein- und Ausschalten der Düsen, aber vorzugsweise auch das entsprechende Regulieren der Durchflussmenge des Kühlmediums. Die gruppenweise Anordnung umfasst zweckmässig auch die sektorenweise Speisung von Düsen. Damit können in der Sprayanlage alle zur Durchführung des Strangkühlens notwendigen Sollkurven abgefahren werden.
- Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, welche auch Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen sind, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- - Fig. 1 eine "in-line"-Anordnung, mit isoliertem Behälter für eine Stufenkühlung,
- - Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Sprayanlage,
- - Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2,
- - Fig. 4 ein Temperaturprofil, für eine AlMgSi-Legierung, mit Stufenkühlung,
- - Fig. 5 ein Temperaturprofil für eine harte Legierung, und
- - Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine Luft-Wasser-Düse.
- Die Prinzipskizze einer "in-line"-Kühlung gemäss Fig. 1 zeigt, unmittelbar hintereinander angeordnet, einen Hochglühofen 10, eine Sprayanlage 12 und einen isolierten Behälter 14. Dazwischen ist ein durchlaufender Strang 16, welcher ein Pressbolzen oder Walzbarren sein kann, gezeigt. Dieser Strang 16 ist auf angedeuteten Laufrollen 18 abgestützt.
- Die Länge 1 der Sprayanlage 12 ist im Vergleich zu den entsprechenden Dimensionen des Hochglühofens 10 und des isolierten Behälters 14 stark übertrieben gezeichnet. Die Länge 1 liegt im Bereich von 1 - 5 m. Die Länge des isolierten Behälters 14 muss zur Aufnahme des längsten Strangs 16 ausreichen.
- Im vorliegenden Beispiel beträgt der Abstand a des Hochglühofens 10 vom trommelförmig ausgebildeten isolierten Behälter 14 etwa 2 m, bei einer Länge 1 der Sprayanlage 12 von etwa 1,5 m.
- Die für den Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens wesentliche Prozesskontrolle mittels eines Computers, mit elektrischen Leitern zu den Anlageteilen, ist der Uebersichtlichkeit wegen weggelassen.
- In Fig. 2 und 3 sind Details der Sprayanlage 12, welche auf einem Traggerüst 20 angeordnet ist, ersichtlich. In Längsrichtung L lediglich durch eine Laufrolle 18 unterbrochen und über den gesamten Umfang des Innenraums der Sprayanlage 12 sind Düsen 22 für das Kühlmedium 24 angeordnet. Im vorliegenden Fall umfasst die Sprayanlage 12 insgesamt 128 Düsen 22, in andern Kühlanlagen können auch bis 200 oder mehr Düsen angeordnet sein. Die Dosen sind in ringförmgigen Kollektoren gruppiert, wobei die Menge Kühlmedium kollektorenweise steuerbar ist. Diese Dosen 22 können, wie bereits erwähnt, programmgesteuert ein- und ausgeschaltet sowie in bezug auf die Durchflussmenge von Kühlmedium 24 eingestellt werden. Ein nicht dargestellter Mikroprozessor bzw. Computer kann die Antriebsorgane der Dosiervorrichtungen für das Kühlmedium 24 der einzelnen Düsen 22 gesamthaft, gruppenweise oder einzeln ansteuern.
- In den Fig. 4 und 5 ist auf der Abszisse die Zeit t, auf der Ordinate die Temperatur T für eine "in-line" bewegte Stelle eines Strangs aufgetragen. Fig. 4 zeigt eine Stufenkühlung für eine AlMgSi-Legierung, Fig. 5 eine Abkühlung ohne Stufen für harte Legierungen in einer Sprayanlage 12 (Fig. 1 - 3).
- In Fig. 4 wird von einer ersten Temperatur T₁, der Homogenisierungstemperatur von etwa 580°C im Hochglühofen, ausgegangen. Diese Temperatur ändert sich bis zum Eintritt in die Sprayanlage nur unwesentlich. Der Beginn des Kühlens wird mit dem Zeitpunkt t = 0 dargestellt. Während der Kühlungsphase I, der Durchtrittszeit der erwähnten Stelle des Strangs durch die Sprayanl age, sinkt die Temperatur im innersten Bereich des Strangs wesentlich langsamer als an der Oberfläche, entsprechend den Temperaturprofilen 26 und 28.
- Beim Verlassen der Sprayanlage hat die Oberflächentemperatur den vorgegebenen und gemessenen Wert T₂ erreicht. Die Kühlungsphase I dauert, je nach den obenerwähnten Parametern, in der Praxis meist etwa 20 sec. bis 2 min. Die Temperatur T₂ liegt im vorliegenden Beispiel bei 250°C. Nachdem die in Fig. 1 betrachtete Stelle des Strangs die Sprayanlage mit einer Temperatur T₂ verlassen hat und damit dem Einfluss des Kühlmediums entzogen ist, steigt die Oberflächentemperatur während der Ausgleichsphase II, bis die Temperatur T₃, die Ausgleichstemperatur des Temperaturprofils 26 für die Oberfläche und des Temperaturprofils 28 für den zentralen Innenbereich des Strangs erreicht ist. Die Kurven 26 und 28 sind mit numerischer Simulation im voraus berechenbar.
- Die Ausgleichsphase II zwischen den Temperaturen T₂ und T₃ ist bei langsamer Abkühlung und kleinem Strangquerschnitt am kürzesten, bei schneller Abkühlung und grossem Strangquerschnitt am längsten. Bei einer kurzen Ausgleichsphase II kann die Ausgleichstemperatur T₃ bereits vor dem Einlaufen des Strangs in den isolierten Behälter erreicht sein, bei längeren Ausgleichsphasen II erfolgt der vollständige Temperaturausgleich zwischen Oberfläche und Innerem des Strangs erst im isolierten Behälter.
- Die Ausgleichstemperatur T₃ liegt bei etwa 330°C. Im isolierten Behälter wird der Strang wegen Isolationsverlusten langsam bis etwa 300°C abgekühlt.
- Die Verweildauer der Stränge im isolierten Behälter ist ein Vielfaches der Dauer von Kühlungsphase I und Ausgleichsphase II zusammen, sie beträgt im vorliegenden Fall etwa 30 min.
- In einer Ausführungsform nach Fig. 5 wird ein Strang aus einer harten Legierung mit einer Homogenisierungstemperatur T₁ von etwa 500°C nach einer programmierten Sollkurve stufenlos auf eine Endtemperatur T₂ von etwa 150°C abgekühlt. Der Temperaturausgleich zwischen der Oberfläche und dem Inneren ist nach dem Abkühlen in der Sprayanlage praktisch abgeschlossen.
- Eine in Fig. 6 dargestellte Düse 22 einer Sprayanlage 12 (Fig. 2,3) besteht aus einem Teil 32 mit einer sich in einem Winkel von 45° verengenden Bohrung 30 für das Wasser W, welche eine Düsenöffnung 33 bildet. Das Teil 32 ist weiter von zwei einander diametral gegenüberliegenden Bohrungen 34 für die Luftzufuhr A durchgriffen. Das Teil 32 ist unter Bildung von ringsegmentförmigen Hohlräumen 36 und daran anschliessenden Luftführungskanälen 38 in ein Gegenstück 40 eingepasst. Die Luftführungskanäle 38 schliessen mit der Düsenachse X einen Winkel α von 45° ein.
- Durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung der Bohrungen 34 kann die Richtung des kegelförmig verdüsten Kühlmediums 24 in einem weiten Bereich, dem Winkel 2β, verändert werden. Durch kontinuierlich ändernde Druckbeaufschlagung der Luft führungskanäle 38 entsteht eine pendelartige Schwenkbewegung des Sprühkegels des Druckmediums 24 bei unbewegter Düse 22.
- Mit einer Düse 22 gemäss Fig. 6 kann die Luftdurchflussmenge gegenüber einem Strahlmischverfahren auf der Grundlage einer Venturidüse um ein Mehrfaches gesenkt werden. Es hat sich zudem gezeigt, dass sich durch das Verdüsen des Wasserstrahls W und die Beschleunigung der Tröpfchen durch die eingeleitete Druckluft A eine über die Auftreffläche des Flüssigkeitsnebels auf der Oberfläche des zu kühlenden Strangs ausserordentlich gleichmässige Verteilung der Kühlintensität ergibt, wenn die pendelartige Schwenkbewegung des Sprühkegels erfolgt.
Claims (13)
1. Verfahren zum Kühlen von gegossenen Strängen (16) aus einer Aluminiumlegierung nach einer Homogenisierungsglühung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mit einer ersten Temperatur (T₁) kontinuierlich in Längsrichtung hintereinander aus einem Hochglühofen (10) austretenden Stränge (16) "in-line" mit einer programmgesteuerten Vorschubgeschwindigkeit und unter einer programmgesteuerten, allseitigen Besprühung mit einem Kühlmedium (24) zum Erreichen einer einstellbaren Oberflächentemperatur (T2) durch eine Sprayanl age (12) geführt werden, wobei sich die Innen- und Oberflächentemperatur der Stränge (16) kurze Zeit nach dem Verlassen der Sprayanlage (12) ausgleichen.
dadurch gekennzeichnet, dass
die mit einer ersten Temperatur (T₁) kontinuierlich in Längsrichtung hintereinander aus einem Hochglühofen (10) austretenden Stränge (16) "in-line" mit einer programmgesteuerten Vorschubgeschwindigkeit und unter einer programmgesteuerten, allseitigen Besprühung mit einem Kühlmedium (24) zum Erreichen einer einstellbaren Oberflächentemperatur (T2) durch eine Sprayanl age (12) geführt werden, wobei sich die Innen- und Oberflächentemperatur der Stränge (16) kurze Zeit nach dem Verlassen der Sprayanlage (12) ausgleichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sprayanlage (12) abgekühlte Stränge (16) aus einer AlMgSi-Legierung "in-line" durch einen anschliessenden, isolierten Behälter (14) geführt werden, wobei mehrere Stränge (16) in diesem Behälter bis zum Ausstossen zwischengelagert bleiben.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (16) mit über der durch ihre Wärmeleitfähigkeit bedingten Wärmeausbreitung liegender Vorschubgeschwiidigkeit "in-line" geführt werden, vorzugsweise bis 5 m/min.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sprayanlage (12) mit einem Kühlmedium (24) aus einem Luft-Wasser-Gemisch gekühlt wird, vorzugsweise unter praktisch vollständiger Verdampfung des Wassers (W).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (24) gleichmässig oder entsprechend einer Sollkurve aufgesprüht wird, auch pulsierend.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprührichtung (X) und der Sprühkegel des Kühlmediums (24) einer Luft-Wasser-Düse (22) durch prozesskontrollierte Aenderung der an zwei Orten zugeführten Luft gesteuert werden, wodurch mittels einer pendelartigen Schwenkbewegung des zugeführten Kühlmediums in einem Winkel (β), senkrecht zur Vorschubrichtung (L) der Stränge (16), ein besser ausgeglichener Wärmefluss entsteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (24) in bezug auf den Umfang und/oder die Länge (1) der Sprayanlage (12) entsprechend einer Sollkurve aufgetragen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die homogenisierten Stränge (16) mit einer ersten Temperatur (T₁) unterhalb der Solidustemperatur der Legierung von 400 - 600°C aus dem Hochglühofen (10) austreten und in die Sprayanlage (12) geführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass homogenisierte Stränge (16) aus einer AlMgSi-Legierung in der Sprayanlage (12) in einer Kühlungsphase (I) auf eine nach einer Ausgleichsphase (II) zu einer ausgeglichenen Innen- und Oberflächentemperatur (T₃) von 310 - 350°C führenden Oberflächentemperatur (T₂) abgekühlt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Sprayanlage (12) abgekühlten Stränge (16) im isolierten Behälter (14) während 20 - 60 Minuten, vorzugsweise während etwa 30 Minuten, gehalten werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass homogenisierte Stränge (16) aus einer harten Legierung in der Sprayanlage (14) kontrolliert auf eine Endtemperatur abgekühlt werden.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie "in-line" angeordnet einen Hochglühofen (10) und eine Sprayanlage (12) umfasst, welche unter Prozesskontrolle steuerbar sind, wobei die nach dem Hochglühofen (10) angeordnete, für hintereinander in Längsrichtung durchlaufende Stränge (16) konzipierte Sprayanlage (12) über ihre ganze Länge (1) und über den ganzen Umfang ihres Innenraums (20) mit gesamthaft, gruppenweise oder einzeln einstellbaren Düsen (22) für das Kühlmedium (24) ausgerüstet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (22) als Luft-Wasser-Düsen ausgebildet sind, wobei im Bereich der Düsenöffnung (33) für das Wasser (W) in einem Winkel (α) zwischen vorzugsweise 0 und 45° zur Düsenachse (X) Luftführungskanäle (38) angeordnet sind, wodurch die Mischung Wasser/Luft erst nach der Düsenöffnung (33) eingestellt wird.
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