EP0839918A1 - Method and apparatus for cooling an object - Google Patents

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EP0839918A1
EP0839918A1 EP96810731A EP96810731A EP0839918A1 EP 0839918 A1 EP0839918 A1 EP 0839918A1 EP 96810731 A EP96810731 A EP 96810731A EP 96810731 A EP96810731 A EP 96810731A EP 0839918 A1 EP0839918 A1 EP 0839918A1
Authority
EP
European Patent Office
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coolant
cooling
jets
microchannels
grooves
Prior art date
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Granted
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EP96810731A
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German (de)
French (fr)
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EP0839918B1 (en
Inventor
Miroslaw Plata
Claude-Alain Rolle
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Lonza Services Ltd
Alusuisse Technology and Management Ltd
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Publication date
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Priority to AU40986/97A priority patent/AU722395B2/en
Priority to ZA9709364A priority patent/ZA979364B/en
Priority to CA002218781A priority patent/CA2218781C/en
Priority to US08/955,286 priority patent/US5902543A/en
Priority to NO19975000A priority patent/NO319260B1/en
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    • 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 applying a liquid coolant to the surface of the object in the form of continuous coolant jets.
  • the scope of the invention also includes a device suitable for carrying out the method and an application of the method or use of the device.
  • the metal When cooling pressed profiles and hot-rolled strips made of an aluminum alloy from the pressing or hot rolling temperature, the metal must be from 450 to 480 ° C in the shortest possible time to less than 300 ° C, in many cases up to 100 ° C, be cooled.
  • EP-A-0578607 discloses an inline method for cooling profiles emerging from an extrusion press, in which the spray nozzles known from EP-A-0343103 are installed in modules.
  • EP-A-0695590 discloses a method and a device for cooling hot-rolled plates and strips made of an aluminum alloy, wherein cut-to-length plates or strips continuously pass through a cooling station and water is directly applied to them via flat jet nozzles.
  • the water jet is additionally periodically deflected by means of air or water jets such that the water jet hitting the surface of the plate or belt carries out a wiping movement.
  • the use of flat jet nozzles results in a narrow impact surface with high heat transfer when the water jet hits the surface of the plate or belt. This locally high heat transfer, together with the wiping movement, leads to even heat removal.
  • the heat removal is too low, for example, to cool hot rolled strips made of an aluminum alloy to a temperature of less than 300 ° C. over a short distance, ie in a very short time, after the last stitch before the reeling.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method and a device of the type mentioned at the outset with which the cooling capacity can be further increased compared to known methods and devices.
  • the object is achieved in that the delivery rate of each coolant jet is set in such a way that the coolant hitting the surface completely evaporates.
  • the complete evaporation prevents the formation of a water film that inhibits heat extraction.
  • coolant There is no local accumulation of coolant, which can lead to an uncontrolled cooling and thus to different mechanical properties near the surface of the object.
  • Such differences in the mechanical properties can have a disruptive effect on the surface quality, for example, in a later forming operation due to a locally different forming behavior.
  • the method according to the invention is particularly suitable for all areas of application where there is an explosive evaporation of coolant can have a negative or even dangerous effect.
  • the cooling capacity can be optimally controlled, which enables the generation of precise and reproducible cooling conditions.
  • the coolant is applied to achieve an optimal cooling performance via a large number of small-diameter coolant jets distributed over the surface to be cooled.
  • Each coolant jet preferably has a diameter of 20 to 200 ⁇ m, in particular 30 to 100 ⁇ m.
  • the distance between the points of impact of adjacent coolant jets on the surface is preferably 2 to 10 mm, in particular approximately 3 to 5 mm.
  • a maximum cooling performance results with a laminar flow of the coolant jets.
  • the temperature of the coolant is therefore preferably at most 50 ° C., in particular at most 10 ° C., lower than the boiling point of the coolant. Water is preferably used as the coolant for aluminum alloys.
  • the object to be cooled is expediently moved transversely to the jet direction of the coolant.
  • this is preferably done by oscillation or vibration, in the case of inline cooling by continuous displacement of the object to be cooled.
  • the coolant jets or the cooling device can also be moved relative to the object by oscillation or vibration.
  • a device suitable for carrying out the method according to the invention comprises a plurality of nozzles for applying the individual coolant jets to the surface of the object.
  • Each nozzle has a diameter of 20 to 200 ⁇ m, preferably 30 to 100 ⁇ m.
  • the nozzles are designed as microchannels in a carrier made of graphite, ceramic, glass, metal or plastic.
  • the carrier is formed by a stack composed of sheet-like elements, the surfaces of the elements serving as stacking surfaces abutting one another in a fluid-tight manner.
  • Grooves for forming the microchannels are arranged in at least one of the mutually facing surfaces of adjacent elements in such a way that cooling liquid can enter on one side of the microchannels formed by the grooves and exit on the other side of the microchannels.
  • the elements are preferably designed as plates with plane-parallel surfaces and have at least one opening for supplying the cooling liquid to the microchannels.
  • the grooves connect the opening to the outer edge of the preferably annular plates.
  • the grooves have a width and a depth of 20 to 200 ⁇ m, preferably 30 to 100 ⁇ m.
  • the individual elements have a thickness of 2 to 10 mm, preferably 3 to 5 mm.
  • a preferred application of the method according to the invention and of the device is seen in the continuous cooling of a hot-rolled strip made of an aluminum alloy.
  • the high cooling capacity of the method according to the invention makes it possible to arrange a small and at the same time powerful cooling unit in the often only limited space between the rolling mill and the reel device.
  • the method and the device according to the invention can also be used ideally for applying a thin layer of release agent to the still hot surface of a casting mold.
  • the release agent is added to the coolant. Since the coolant evaporates completely when it hits the hot surface, the release agent is applied extremely evenly.
  • the cooling nozzles can be mounted in a conventional manner on a tree for applying release agent to the mold surface of a die casting mold, which is inserted between the mold halves of the opened mold after demolding.
  • a nozzle module has a tubular support 10 with a central supply channel 12 for supplying a coolant to microchannels or nozzles 14.
  • the microchannels 14 connect the central feed channel 12 to the surface of the carrier 10.
  • the coolant exits through the microchannels 14 in the form of individual coolant jets 16 and strikes the hot surface 20 of an object 18, for example a hot-rolled strip made of an aluminum alloy, essentially at right angles.
  • an object for example a hot-rolled strip made of an aluminum alloy, essentially at right angles.
  • T k in the feed channel 12 is, for example, approximately 90 ° C., ie it is approximately 10 ° C. below the boiling temperature T s of water.
  • the length 1 of the microchannels 14 is for example 10 mm and the diameter c of the channels is e.g. at 50 ⁇ m.
  • the distance between the points of impact of the coolant jets 16 on the surface 20 of the object 18 is e.g. 3 mm.
  • the dimensions of the microchannels 14 or the coolant jets 16 are selected such that the coolant jets 16 completely change into coolant vapor 22 when they strike the surface 20 of the hot object 18.
  • the nozzle module shown in FIGS. 2 to 4 consists of individual annular plates 32 made of, for example, aluminum oxide ceramic with plane-parallel polished surfaces 34 with a small degree of roughness. Grooves 40 extending radially from the central opening 36 to the outer edge 38 of the plate 32 are arranged in each of the surfaces 34. The grooves have a width b and a depth t of 50 ⁇ m, for example.
  • the individual plates 32 having a thickness e of, for example, 3 mm are lined up to form a stack 30 fixed between two end plates 42. One of the two end plates 42 is provided with a coolant inlet opening 44, which opens into a coolant channel 46 of the stack 30 formed from the central opening 36 of the individual plates 32.
  • the individual platelets 32 are rectangular and have a plurality of central openings 36, from which the grooves 40 machined in each of the surfaces 34 likewise run to the edge 38 of the platelet 32.
  • a single elongated opening can also be provided instead of individual central openings 36.
  • a plurality of nozzle modules or stacks 30 are arranged parallel to one another in a coolant station for cooling a hot-rolled strip 50 made of an aluminum alloy.
  • the individual nozzle modules or stacks 30 are connected to a coolant supply line 48.
  • the cooling surface covered by the coolant jets 16 on the belt 50 is approximately 2 m 2 with a bandwidth of 2 m and a length of the cooling station of 1 m.
  • the total number of microchannels 14 in such an order is approximately 200,000.
  • the coolant can be applied to one or both surfaces of the belt 50.
  • Curves A and B clearly show the high cooling capacity of the method according to the invention.
  • the cooling rates achieved were 50 ° C / sec (curve A) and 200 ° C / sec (curve B).
  • the cooling rates for the specimen used here are between about 5 and 15 ° C./sec with conventional cooling.

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Abstract

The method concerns cooling of a product (18) by application of a liquid coolant in the form of a continuous jet (16) to the product surface (20). The delivery rate of each jet is adjusted so that the coolant hitting the product surface completely evaporates. The claim covering a corresponding apparatus is summarized below. Also claimed is an application of the invention to produce a thin layer of a separating agent (which has been mixed with the coolant) on the surface of glass moulds.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Gegenstandes durch Aufbringen eines flüssigen Kühlmittels auf die Oberfläche des Gegenstandes in der Form kontinuierlicher Kühlmittelstrahlen. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung sowie eine Anwendung des Verfahrens bzw. eine Verwendung der Vorrichtung.The invention relates to a method for cooling an object by applying a liquid coolant to the surface of the object in the form of continuous coolant jets. The scope of the invention also includes a device suitable for carrying out the method and an application of the method or use of the device.

Bei der Abkühlung von Pressprofilen und warmgewalzten Bändern aus einer Aluminiumlegierung von der Press- bzw. Warmwalztemperatur muss das Metall von etwa 450 bis 480°C in möglichst kurzer Zeit auf weniger als etwa 300°C, in vielen Fällen bis auf etwa 100°C, abgekühlt werden.When cooling pressed profiles and hot-rolled strips made of an aluminum alloy from the pressing or hot rolling temperature, the metal must be from 450 to 480 ° C in the shortest possible time to less than 300 ° C, in many cases up to 100 ° C, be cooled.

Aus der EP-A-0343103 ist ein Verfahren zum Kühlen von Pressprofilen und Walzbändern bekannt, bei dem mittels Spraydüsen ein Wassernebel erzeugt wird. Dieses Verfahren ist jedoch für das rasche inline-Kühlen von Warmwalzbändern wegen des zu geringen Wärmeübergangs nicht geeignet. Dieses vorbekannte Kühlverfahren mittels Spraydüsen ist in der EP-A-0429394 zum Kühlen gegossener Metallstränge beschrieben.From EP-A-0343103 a method for cooling pressed profiles and rolled strips is known, in which a water mist is generated by means of spray nozzles. However, this method is not suitable for the rapid inline cooling of hot rolled strips because of the insufficient heat transfer. This known cooling method using spray nozzles is described in EP-A-0429394 for cooling cast metal strands.

In der EP-A-0578607 ist ein inline-Verfahren zum Kühlen von aus einer Strangpresse austretenden Profilen offenbart, bei welchem die aus der EP-A-0343103 bekannten Spraydüsen in Module eingebaut sind.EP-A-0578607 discloses an inline method for cooling profiles emerging from an extrusion press, in which the spray nozzles known from EP-A-0343103 are installed in modules.

Aus der EP-A-0695590 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Kühlen von warmgewalzten Platten und Bändern aus einer Aluminiumlegierung bekannt, wobei abgelängte Platten oder Bänder kontinuierlich eine Kühlstation durchlaufen und in dieser über Flachstrahldüsen direkt mit Wasser beaufschlagt werden. Unmittelbar nach seinem Austritt aus der Flachstrahldüse wird der Wasserstrahl zusätzlich mittels Luft- oder Wasserstrahlen periodisch derart abgelenkt, dass der auf die Platten- oder Bandoberfläche auftreffende Wasserstrahl eine Wischbewegung ausführt. Mit dem Einsatz von Flachstrahldüsen ergibt sich beim Auftreffen des Wasserstrahls auf der Platten- oder Bandoberfläche eine schmale Auftrefffläche mit hohem Wärmeübergang. Dieser lokal hohe Wärmeübergang führt zusammen mit der Wischbewegung zu einem gleichmässigen Wärmeentzug. Auch bei diesem Verfahren ist jedoch der Wärmeentzug zu gering, um beispielsweise Warmwalzbänder aus einer Aluminiumlegierung nach dem letzten Stich vor dem Aufhaspeln auf einer kurzen Strecke, d.h. in sehr kurzer Zeit, auf eine Temperatur von weniger als 300°C abzukühlen.EP-A-0695590 discloses a method and a device for cooling hot-rolled plates and strips made of an aluminum alloy, wherein cut-to-length plates or strips continuously pass through a cooling station and water is directly applied to them via flat jet nozzles. Immediately after it emerges from the flat jet nozzle, the water jet is additionally periodically deflected by means of air or water jets such that the water jet hitting the surface of the plate or belt carries out a wiping movement. The use of flat jet nozzles results in a narrow impact surface with high heat transfer when the water jet hits the surface of the plate or belt. This locally high heat transfer, together with the wiping movement, leads to even heat removal. In this process, too, the heat removal is too low, for example, to cool hot rolled strips made of an aluminum alloy to a temperature of less than 300 ° C. over a short distance, ie in a very short time, after the last stitch before the reeling.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchen die Kühlleistung gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen weiter gesteigert werden kann.The invention is therefore based on the object of providing a method and a device of the type mentioned at the outset with which the cooling capacity can be further increased compared to known methods and devices.

In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Förderleistung jedes Kühlmittelstrahls so eingestellt wird, dass das auf die Oberfläche auftreffende Kühlmittel vollständig verdampft.With regard to the method, the object is achieved in that the delivery rate of each coolant jet is set in such a way that the coolant hitting the surface completely evaporates.

Die vollständige Verdampfung verhindert die Ausbildung eines den Wärmeentzug hemmenden Wasserfilms. Es entstehen keine lokale Ansammlungen von Kühlmittel, die zu einer unkontrollierten Abkühlung und damit zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in Oberflächennähe des Gegenstandes führen können. Derartige Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften können sich beispielsweise bei einer späteren Umformoperation infolge eines lokal unterschiedlichen Umformverhaltens störend auf die Oberflächenqualität auswirken.The complete evaporation prevents the formation of a water film that inhibits heat extraction. There is no local accumulation of coolant, which can lead to an uncontrolled cooling and thus to different mechanical properties near the surface of the object. Such differences in the mechanical properties can have a disruptive effect on the surface quality, for example, in a later forming operation due to a locally different forming behavior.

Wegen der vollständigen Verdampfung des Kühlmittels eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren insbesondere auch für alle Einsatzbereiche, wo sich eine explosionsartige Verdampfung von Kühlmittel negativ oder sogar gefährlich auswirken kann.Because of the complete evaporation of the coolant, the method according to the invention is particularly suitable for all areas of application where there is an explosive evaporation of coolant can have a negative or even dangerous effect.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lässt sich die Kühlleistung optimal steuern, was die Erzeugung genauer und reproduzierbarer Abkühlbedingungen ermöglicht.With the method according to the invention, the cooling capacity can be optimally controlled, which enables the generation of precise and reproducible cooling conditions.

Damit eine möglichst hohe Wassermenge zur Verdampfung gebracht werden kann, ohne dass sich an der Oberfläche des Gegenstandes ein Wasserfilm bildet, wird das Kühlmittel zur Erzielung einer optimalen Kühlleistung über eine Vielzahl über die zu kühlende Oberfläche verteilte Kühlmittelstrahlen geringen Durchmessers aufgebracht.So that the greatest possible amount of water can be evaporated without a water film forming on the surface of the object, the coolant is applied to achieve an optimal cooling performance via a large number of small-diameter coolant jets distributed over the surface to be cooled.

Bevorzugt weist jeder Kühlmittelstrahl einen Durchmesser von 20 bis 200 µm, insbesondere 30 bis 100 µm, auf. Der Abstand der Auftreffpunkte benachbarter Kühlmittelstrahlen auf der Oberfläche beträgt vorzugsweise 2 bis 10 mm, insbesondere etwa 3 bis 5 mm.Each coolant jet preferably has a diameter of 20 to 200 μm, in particular 30 to 100 μm. The distance between the points of impact of adjacent coolant jets on the surface is preferably 2 to 10 mm, in particular approximately 3 to 5 mm.

Eine maximale Kühlleistung ergibt sich mit einer laminaren Strömung der Kühlmittelstrahlen.A maximum cooling performance results with a laminar flow of the coolant jets.

Ist die Verweilzeit des Gegenstandes in der Abkühlzone sehr kurz, so muss darauf geachtet werden, dass der Wärmeentzug aus der Oberfläche des Gegenstandes zum überwiegenden Teil durch Verdampfung und nur zu einem geringen Teil durch Aufheizen des Kühlmittels auf die Verdampfungstemperatur erfolgt. Bei zu tiefer Temperatur des auf der Oberfläche auftreffenden Kühlmittels besteht die Gefahr, dass das Kühlmittel nicht vollständig verdampft und damit zu einem die Kühlleistung vermindernden Kühlmittelfilm auf der Oberfläche führt. Bevorzugt liegt daher die Temperatur des Kühlmittels maximal 50°C, insbesondere maximal 10°C, niedriger als die Siedetemperatur des Kühlmittels. Als Kühlmittel für Aluminiumlegierungen wird im übrigen bevorzugt Wasser eingesetzt.If the object's dwell time in the cooling zone is very short, care must be taken to ensure that the heat is removed from the surface of the object primarily by evaporation and only to a small extent by heating the coolant to the evaporation temperature. If the temperature of the coolant hitting the surface is too low, there is a risk that the coolant will not evaporate completely and thus lead to a coolant film on the surface that reduces the cooling capacity. The temperature of the coolant is therefore preferably at most 50 ° C., in particular at most 10 ° C., lower than the boiling point of the coolant. Water is preferably used as the coolant for aluminum alloys.

Zweckmässig wird der zu kühlende Gegenstand quer zur Strahlrichtung des Kühlmittels bewegt. Dies geschieht bei der Kühlung ruhender Gegenstände bevorzugt durch Oszillation bzw. Vibration, bei einer inline-Kühlung durch eine kontinuierliche Verschiebung des zu kühlenden Gegenstandes. Alternativ oder zusätzlich zur Bewegung des zu kühlenden Gegenstandes können auch die Kühlmittelstrahlen bzw. die Kühlvorrichtung durch Oszillation bzw. Vibration relativ zum Gegenstand bewegt werden.The object to be cooled is expediently moved transversely to the jet direction of the coolant. In the case of cooling stationary objects, this is preferably done by oscillation or vibration, in the case of inline cooling by continuous displacement of the object to be cooled. As an alternative or in addition to the movement of the object to be cooled, the coolant jets or the cooling device can also be moved relative to the object by oscillation or vibration.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von Düsen zum Aufbringen der einzelnen Kühlmittelstrahlen auf die Oberfläche des Gegenstandes. Hierbei weist jede Düse einen Durchmesser von 20 bis 200 µm, vorzugsweise 30 bis 100 µm, auf.A device suitable for carrying out the method according to the invention comprises a plurality of nozzles for applying the individual coolant jets to the surface of the object. Each nozzle has a diameter of 20 to 200 μm, preferably 30 to 100 μm.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung sind die Düsen als Mikrokanäle in einem Träger aus Graphit, Keramik, Glas, Metall oder Kunststoff ausgebildet. Bei einer besonders einfach und kostengünstig herzustellenden Vorrichtung ist der Träger durch einen aus flächenförmigen Elementen zusammengesetzten Stapel gebildet, wobei die als Stapelflächen dienenden Oberflächen der Elemente einander fluiddicht anliegen. In wenigstens eine der einander zugewandten Oberflächen benachbarter Elemente sind Rillen zur Bildung der Mikrokanäle derart angeordnet, dass Kühlflüssigkeit auf der einen Seite der durch die Rillen gebildeten Mikrokanäle eintreten und auf der anderen Seite der Mikrokanäle austreten kann.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the nozzles are designed as microchannels in a carrier made of graphite, ceramic, glass, metal or plastic. In a particularly simple and inexpensive device to manufacture, the carrier is formed by a stack composed of sheet-like elements, the surfaces of the elements serving as stacking surfaces abutting one another in a fluid-tight manner. Grooves for forming the microchannels are arranged in at least one of the mutually facing surfaces of adjacent elements in such a way that cooling liquid can enter on one side of the microchannels formed by the grooves and exit on the other side of the microchannels.

Die Elemente sind bevorzugt als Plättchen mit planparallelen Oberflächen ausgebildet und weisen wenigstens eine Oeffnung zur Zuführung der Kühlflüssigkeit an die Mikrokanäle auf. Die Rillen verbinden die Oeffnung mit dem äusseren Rand der vorzugsweise kreisringförmig ausgebildeten Plättchen.The elements are preferably designed as plates with plane-parallel surfaces and have at least one opening for supplying the cooling liquid to the microchannels. The grooves connect the opening to the outer edge of the preferably annular plates.

In Uebereinstimmung mit den Dimensionen der Kühlmittelstrahlen weisen die Rillen eine Breite und eine Tiefe von 20 bis 200 µm, vorzugsweise 30 bis 100 µm, auf.In accordance with the dimensions of the coolant jets, the grooves have a width and a depth of 20 to 200 μm, preferably 30 to 100 μm.

Entsprechend dem gewünschten Abstand der Auftreffpunkte benachbarter Kühlmittelstrahlen auf der Oberfläche weisen die einzelnen Elemente eine Dicke von 2 bis 10 mm, vorzugsweise 3 bis 5 mm, auf.Depending on the desired distance between the points of impact of adjacent coolant jets on the surface, the individual elements have a thickness of 2 to 10 mm, preferably 3 to 5 mm.

Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens sowie der Vorrichtung wird in der kontinuierlichen Kühlung eines warmgewalzten Bandes aus einer Aluminiumlegierung gesehen. Die hohe Kühlleistung des erfindungsgemässen Verfahrens ermöglicht es, in dem oft nur beschränkt vorhandenen Zwischenraum zwischen Walzwerk und Haspeleinrichtung ein kleines und zugleich leistungsfähiges Kühlaggregat anzuordnen.A preferred application of the method according to the invention and of the device is seen in the continuous cooling of a hot-rolled strip made of an aluminum alloy. The high cooling capacity of the method according to the invention makes it possible to arrange a small and at the same time powerful cooling unit in the often only limited space between the rolling mill and the reel device.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung können in idealer Weise auch zum Auftragen einer dünnen Trennmittelschicht auf die noch heisse Oberfläche einer Giessform eingesetzt werden. Hierzu wird das Trennmittel dem Kühlmittel beigemischt. Da das Kühlmittel beim Auftreffen auf die heisse Oberfläche vollständig verdampft, erfolgt der Auftrag des Trennmittels äusserst gleichmässig. Die Kühldüsen können zum Auftragen von Trennmittel auf die Formoberfläche einer Druckgiessform in üblicher Art an einem Baum montiert sein, der nach dem Entformen zwischen die Formhälften der geöffneten Giessform eingeführt wird.The method and the device according to the invention can also be used ideally for applying a thin layer of release agent to the still hot surface of a casting mold. For this purpose, the release agent is added to the coolant. Since the coolant evaporates completely when it hits the hot surface, the release agent is applied extremely evenly. The cooling nozzles can be mounted in a conventional manner on a tree for applying release agent to the mold surface of a die casting mold, which is inserted between the mold halves of the opened mold after demolding.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in

Fig. 1
eine Prinzipdarstellung des Kühlverfahrens mit einzelnen Kühlmittelstrahlen;
Fig. 2
die Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Düsenmoduls;
Fig. 3
einen Schnitt durch das Modul von Fig. 2 nach deren Linie I-I;
Fig. 4
einen Schnitt durch ein Element des Moduls von Fig. 2 nach der Linie II-II in Fig. 3;
Fig. 5
die Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Düsenmoduls;
Fig. 6
einen Schnitt durch das Modul von Fig. 5 nach deren Linie III-III;
Fig. 7
eine Schrägsicht auf eine Anordnung mit Düsenmodulen zum Kühlen eines warmgewalzten Bandes;
Fig 8
den zeitlichen Verlauf der Temperatur beim Abkühlen von Probekörpern.
Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawing; this shows schematically in
Fig. 1
a schematic diagram of the cooling process with individual coolant jets;
Fig. 2
the side view of a first embodiment of a nozzle module;
Fig. 3
a section through the module of Figure 2 along the line II.
Fig. 4
a section through an element of the module of Figure 2 along the line II-II in Fig. 3.
Fig. 5
the side view of a second embodiment of a nozzle module;
Fig. 6
a section through the module of Figure 5 along the line III-III.
Fig. 7
an oblique view of an arrangement with nozzle modules for cooling a hot-rolled strip;
Fig. 8
the time course of the temperature when cooling test specimens.

Gemäss Fig. 1 weist ein Düsenmodul einen rohrförmigen Träger 10 mit einem zentralen Zuführungskanal 12 zur Zuführung eines Kühlmittels zu Mikrokanälen bzw. -düsen 14 auf. Die Mikrokanäle 14 verbinden den zentralen Zuführungskanal 12 mit der Oberfläche des Trägers 10.1, a nozzle module has a tubular support 10 with a central supply channel 12 for supplying a coolant to microchannels or nozzles 14. The microchannels 14 connect the central feed channel 12 to the surface of the carrier 10.

Das Kühlmittel tritt durch die Mikrokanäle 14 in der Form einzelner Kühlmittelstrahlen 16 aus und trifft im wesentlichen rechtwinklig auf die heisse Oberfläche 20 eines Gegenstandes 18, beispielsweise ein warmgewalztes Band aus einer Aluminiumlegierung. Wird Wasser als Kühlmittel verwendet, so beträgt dessen Temperatur Tk im Zuführungskanal 12 beispielsweise etwa 90°C, d.h. sie liegt etwa 10°C unter der Siedetemperatur Ts von Wasser.The coolant exits through the microchannels 14 in the form of individual coolant jets 16 and strikes the hot surface 20 of an object 18, for example a hot-rolled strip made of an aluminum alloy, essentially at right angles. If water is used as the coolant, its temperature T k in the feed channel 12 is, for example, approximately 90 ° C., ie it is approximately 10 ° C. below the boiling temperature T s of water.

Die Länge 1 der Mikrokanäle 14 beträgt beispielsweise 10 mm und der Durchmesser c der Kanäle liegt z.B. bei 50 µm.The length 1 of the microchannels 14 is for example 10 mm and the diameter c of the channels is e.g. at 50 µm.

Die Kühlmittelstrahlen 16 eines Durchmessers d von beispielsweise 50 µm treffen in einem Abstand h von beispielsweise 30 mm auf der Oberfläche 20 auf. Der Abstand der Auftreffpunkte der Kühlmittelstrahlen 16 auf der Oberfläche 20 des Gegenstandes 18 beträgt z.B. 3 mm.The coolant jets 16 with a diameter d of, for example, 50 μm strike the surface 20 at a distance h of, for example, 30 mm. The distance between the points of impact of the coolant jets 16 on the surface 20 of the object 18 is e.g. 3 mm.

Die Dimensionen der Mikrokanäle 14 bzw. der Kühlmittelstrahlen 16 wird so gewählt, dass die Kühlmittelstrahlen 16 beim Auftreffen auf der Oberfläche 20 des heissen Gegenstandes 18 vollständig in Kühlmitteldampf 22 übergehen.The dimensions of the microchannels 14 or the coolant jets 16 are selected such that the coolant jets 16 completely change into coolant vapor 22 when they strike the surface 20 of the hot object 18.

Das in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Düsenmodul besteht aus einzelnen kreisringförmigen Plättchen 32 aus beispielsweise Aluminiumoxidkeramik mit planparallelen polierten Oberflächen 34 mit einem kleinen Rauhigkeitsgrad. In jeweils eine der Oberflächen 34 sind radial von der zentralen Oeffnung 36 zum äusseren Rand 38 des Plättchens 32 verlaufende Rillen 40 angeordnet. Die Rillen weisen eine Breite b sowie eine Tiefe t von beispielsweise je 50 µm auf. Die einzelnen Plättchen 32 einer Dicke e von beispielsweise 3 mm sind zu einem zwischen zwei Endplatten 42 fixierten Stapel 30 aneinandergereiht. Eine der beiden Endplatten 42 ist mit einer Kühlmitteleinlassöffnung 44 versehen, die in einen aus der zentralen Oeffnung 36 der einzelnen Plättchen 32 gebildeten Kühlmittelkanal 46 des Stapels 30 mündet.The nozzle module shown in FIGS. 2 to 4 consists of individual annular plates 32 made of, for example, aluminum oxide ceramic with plane-parallel polished surfaces 34 with a small degree of roughness. Grooves 40 extending radially from the central opening 36 to the outer edge 38 of the plate 32 are arranged in each of the surfaces 34. The grooves have a width b and a depth t of 50 μm, for example. The individual plates 32 having a thickness e of, for example, 3 mm are lined up to form a stack 30 fixed between two end plates 42. One of the two end plates 42 is provided with a coolant inlet opening 44, which opens into a coolant channel 46 of the stack 30 formed from the central opening 36 of the individual plates 32.

Bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Düsenmodul sind die einzelnen Plättchen 32 rechteckförmig und weisen mehrere zentrale Oeffnungen 36 auf, von denen die in jeweils eine der Oberflächen 34 eingearbeiteten Rillen 40 ebenfalls zum Rand 38 des Plättchens 32 verlaufen. Selbstverständlich kann auch eine einzige langgestreckte Oeffnung an Stelle einzelner zentraler Oeffnungen 36 vorgesehen sein.In the nozzle module shown in FIGS. 5 and 6, the individual platelets 32 are rectangular and have a plurality of central openings 36, from which the grooves 40 machined in each of the surfaces 34 likewise run to the edge 38 of the platelet 32. Of course, a single elongated opening can also be provided instead of individual central openings 36.

In Fig. 7 sind mehrere Düsenmodule bzw. Stapel 30 parallel zueinander in einer Kühlmittelstation zur Kühlung eines warmgewalzten Bandes 50 aus einer Aluminiumlegierung angeordnet. Die einzelnen Düsenmodule oder Stapel 30 sind an eine Kühlmittelzuführungsleitung 48 angeschlossen. Selbstverständlich sollte immer darauf geachtet werden, dass der an der heissen Bandoberfläche entstehende Kühlmitteldampf nicht oberhalb des Bandes kondensiert und auf das Band abtropft. Dies kann dadurch verhindert werden, dass die über dem Band angeordneten Teile der Kühleinrichtung wie z.B. eine Dampfabsaughaube sowie Kühlmittelleitungen auf einer oberhalb der Siedetemperatur des Kühlmittels liegenden Temperatur gehalten werden.7, a plurality of nozzle modules or stacks 30 are arranged parallel to one another in a coolant station for cooling a hot-rolled strip 50 made of an aluminum alloy. The individual nozzle modules or stacks 30 are connected to a coolant supply line 48. Of course, care should always be taken to ensure that the coolant vapor generated on the hot strip surface does not condense above the strip and drips onto the strip. This can be prevented by the parts of the cooling device, such as e.g. a vapor extraction hood and coolant lines are kept at a temperature above the boiling point of the coolant.

Die durch die Kühlmittelstrahlen 16 auf dem Band 50 abgedeckte Kühlfläche beträgt bei einer Bandbreite von 2 m und einer Länge der Kühlstation von 1 m etwa 2 m2. Die Gesamtzahl der Mikrokanäle 14 liegt bei einer derartigen Ordnung bei etwa 200'000. Je nach gewünschter Kühlleistung kann das Kühlmittel auf eine oder auf beide Oberflächen des Bandes 50 aufgetragen werden.The cooling surface covered by the coolant jets 16 on the belt 50 is approximately 2 m 2 with a bandwidth of 2 m and a length of the cooling station of 1 m. The total number of microchannels 14 in such an order is approximately 200,000. Depending on the desired cooling capacity, the coolant can be applied to one or both surfaces of the belt 50.

Die Kühlleistung des erfindungsgemässen Verfahrens wurde anhand von Abkühlversuchen an Probekörpern bestimmt. Hierzu wurde die Stirnfläche eines zylindrischen Probekörpers aus Aluminium mit 50 mm Länge und 4 mm Durchmesser mit einem Kühlmittelstrahl beaufschlagt. Der zeitliche Verlauf der Temperatur des Probekörpers bei unterschiedlichen Strahlbedingungen ergibt sich aus Fig. 8. Als Kühlmittel diente Wasser mit einer Temperatur von 18°C. Als Betriebsparameter für den Kühlmittelstrahl wurden folgende Werte gewählt:

Kurve A:
Strahldurchmesser 100 µm
Wasserdruck 4 bar
Kühlwasserdurchfluss 9.66 ml/min
Kurve B:
Strahldurchmesser 100 µm
Wasserdruck 8 bar
Kühlwasserdurchfluss 13.4 ml/min
The cooling capacity of the method according to the invention was determined on the basis of cooling tests on test specimens. For this purpose, a coolant jet was applied to the end face of a cylindrical specimen made of aluminum with a length of 50 mm and a diameter of 4 mm. The time course of the temperature of the test specimen under different blasting conditions is shown in FIG. 8. Water with a temperature of 18 ° C. was used as the coolant. The following values were selected as the operating parameters for the coolant jet:
Curve A:
Beam diameter 100 µm
Water pressure 4 bar
Cooling water flow 9.66 ml / min
Curve B:
Beam diameter 100 µm
Water pressure 8 bar
Cooling water flow 13.4 ml / min

Die Kurven A und B zeigen deutlich die hohe Kühlleistung des erfindungsgemässen Verfahrens. Die erzielten Abkühlgeschwindigkeiten lagen bei 50°C/sec (Kurve A) bzw. 200°C/sec (Kurve B). Vergleichsweise liegen die Abkühlgeschwindigkeiten für den hier verwendeten Probekörper bei konventioneller Kühlung zwischen etwa 5 und 15°C/sec.Curves A and B clearly show the high cooling capacity of the method according to the invention. The cooling rates achieved were 50 ° C / sec (curve A) and 200 ° C / sec (curve B). In comparison, the cooling rates for the specimen used here are between about 5 and 15 ° C./sec with conventional cooling.

Claims (16)

Verfahren zum Kühlen eines Gegenstandes durch Aufbringen eines flüssigen Kühlmittels auf die Oberfläche (20) des Gegenstandes (18) in der Form kontinuierlicher Kühlmittelstrahlen (16),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Förderleistung jedes Kühlmittelstrahls (16) so eingestellt wird, dass das auf die Oberfläche (20) auftreffende Kühlmittel vollständig verdampft.Method for cooling an object by applying a liquid coolant to the surface (20) of the object (18) in the form of continuous coolant jets (16),
characterized in that
the delivery rate of each coolant jet (16) is adjusted so that the coolant striking the surface (20) evaporates completely. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel über eine Vielzahl über die zu kühlende Oberfläche (20) verteilte Kühlmittelstrahlen (16) geringen Durchmessers (d) aufgebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that the coolant is applied via a plurality of coolant jets (16) of small diameter (d) distributed over the surface (20) to be cooled. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlmittelstrahl (16) einen Durchmesser (d) von 20 bis 200 µm, vorzugsweise 30 bis 100 µm, aufweist.Method according to claim 1 or 2, characterized in that each coolant jet (16) has a diameter (d) of 20 to 200 µm, preferably 30 to 100 µm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) der Auftreffpunkte benachbarter Kühlmittelstrahlen (16) auf der Oberfläche (20) 2 bis 10 mm, vorzugsweise 3 bis 5 mm, beträgt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the distance (a) between the impingement points of adjacent coolant jets (16) on the surface (20) is 2 to 10 mm, preferably 3 to 5 mm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelstrahlen (16) eine laminare Strömung aufweisen.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the coolant jets (16) have a laminar flow. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Tk) des Kühlmittels maximal 50°C, vorzugsweise maximal 10°C, niedriger liegt als dessen Siedetemperatur (Ts).Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the temperature (T k ) of the coolant is at most 50 ° C, preferably at most 10 ° C, lower than its boiling temperature (T s ). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zu kühlende Gegenstand (20) und die Kühlmittelstrahlen (16) relativ zu einander quer zur Strahlrichtung (x) des Kühlmittels bewegen, vorzugsweise durch Oszillation des zu kühlenden Gegenstandes (20) und/oder der Kühlmittelstrahlen (16) und/oder durch kontinuierliche Verschiebung des zu kühlenden Gegenstandes (20).Method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the object (20) to be cooled and the coolant jets (16) move relative to one another transversely to the jet direction (x) of the coolant, preferably by oscillation of the object (20) to be cooled and / or the coolant jets (16) and / or by continuous displacement of the object (20) to be cooled. Vorrichtung durch Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Vielzahl von Düsen (14) zum Aufbringen der einzelnen Kühlmittelstrahlen (16) auf die Oberfläche (20) des Gegenstandes (18), dadurch gekennzeichnet, dass jede Düse (14) einen Durchmesser (c) von 20 bis 200 µm, vorzugsweise 30 bis 100 µm, aufweist.Device by carrying out the method according to one of claims 1 to 7, with a plurality of nozzles (14) for applying the individual coolant jets (16) to the surface (20) of the object (18), characterized in that each nozzle (14) has a diameter (c) of 20 to 200 μm, preferably 30 to 100 μm. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen als Mikrokanäle (14) in einem Träger (10) aus Graphit, Keramik, Glas, Metall oder Kunststoff ausgebildet sind.Apparatus according to claim 8, characterized in that the nozzles are designed as microchannels (14) in a carrier (10) made of graphite, ceramic, glass, metal or plastic. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) durch einen aus flächenförmigen Elementen (32) zusammengesetzten Stapel (30) gebildet ist, wobei die als Stapelflächen dienenden Oberflächen (34) der Elemente einander fluiddicht anliegen, und wobei in wenigstens eine der einander zugewandten Oberflächen (34) benachbarter Elemente (32) Rillen (40) zur Bildung der Mikrokanäle (14) derart angeordnet sind, dass Kühlflüssigkeit auf der einen Seite der durch die Rillen (40) gebildeten Mikrokanäle eintreten und auf der anderen Seite der Mikrokanäle austreten kann.Apparatus according to claim 9, characterized in that the carrier (10) is formed by a stack (30) composed of sheet-like elements (32), the surfaces (34) of the elements serving as stacking surfaces abutting one another in a fluid-tight manner, and in at least one the mutually facing surfaces (34) of adjacent elements (32) have grooves (40) to form the microchannels (14) such that cooling liquid enters on one side of the microchannels formed by the grooves (40) and on the other side of the microchannels can leak. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente als Plättchen (32) mit planparallelen Oberflächen (34) ausgebildet sind.Apparatus according to claim 10, characterized in that the elements as plates (32) with plane-parallel Surfaces (34) are formed. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen (32) wenigstens eine Oeffnung (36) zur Zuführung der Kühlflüssigkeit an die Mikrokanäle (14) aufweisen und die Rillen (40) die Oeffnung (36) mit dem äusseren Rand (38) der Plättchen (32) verbindet.Apparatus according to claim 11, characterized in that the plates (32) have at least one opening (36) for supplying the cooling liquid to the microchannels (14) and the grooves (40) the opening (36) with the outer edge (38) of the Plate (32) connects. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Plättchen (32) kreisringförmig ausgebildet sind.Apparatus according to claim 12, characterized in that the plates (32) are annular. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (40) eine Breite (b) und eine Tiefe (t) von 20 bis 200 µm, vorzugsweise 30 bis 100 µm, aufweisen.Device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the grooves (40) have a width (b) and a depth (t) of 20 to 200 µm, preferably 30 to 100 µm. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elemente (32) eine Dicke (e) von 2 bis 10 mm, vorzugweise 3 bis 5 mm, aufweisen.Device according to one of claims 10 to 14, characterized in that the individual elements (32) have a thickness (e) of 2 to 10 mm, preferably 3 to 5 mm. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zum gleichmässigen Auftragen einer dünnen Schicht eines Formtrennmittels auf die Oberfläche einer Giessform durch Beimischung des Trennmittels zum Kühlmittel.Application of the method according to one of claims 1 to 7 or use of the device according to one of claims 8 to 15 for the uniform application of a thin layer of a mold release agent to the surface of a casting mold by admixing the release agent to the coolant.
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