Abkühlelemente für Flüssigschmelzen in Form platten- oder trogförmiger
Einheiten, sog. "Abstichschnauzen", dienen seit Langem dazu,
Flüssigschmelzen jeglicher Art abzukühlen und die erstarrten Schmelzen
oder Bruchstücke davon vom Gießort in bereitgestellte Behälter (z. B.
Pfannen) zu leiten und/oder wegzutransportieren.
Bewährt haben sich insbesondere Abkühlelemente, die aus verschiedenen
Werkstoffpaarungen bestehen und eine innere Intensivflüssigkeitskühlung
in der Art aufweisen, dass sie meist rund ausgeformte Kühlungsbohrungen
oder -kanäle besitzen, die im Innern der Abkühlelemente in Abfließrichtung
der auftreffenden und abzukühlenden Schmelze angeordnet sind. Diese
Intensivkühlung nutzt insbesondere den hohen
Wärmeübergangskoeffizienten und bedient sich zumeist Kühlflüssigkeiten,
wie Marlothermöle, Wasser oder Salzschmelzen, die mit Hilfe eines
geschlossenen Kreislaufes mit integriertem Zusatzkühler von unten in das
Abkühlelement eingebracht werden und dann parallel zur Abfluss- bzw.
Abgleitrichtung der Schmelze die Kühlungskanäle des Abkühlelements
durchströmen.
Aufgrund der trotz Intensivkühlung immer noch sehr großen
Temperaturdifferenzen auf der Oberfläche der Oberseite des
Abkühlelementes kommt es insbesondere dort zu enormen
Werkstoffbeanspruchungen und damit einhergehenden Rissbildungen in der
Oberfläche, was schlimmstenfalls zu Absprengungen oder Anschmelzungen
von Flächenteilen der Oberseite des Abkühlelementes oder gar zu einem
Durchschmelzen des gesamten Abkühlelementes führen kann. Speziell bei
Calciumcarbidschmelzen kann dies im Zusammenwirkung mit Wasser als
Kühlflüssigkeit zu explosionsartigen Ereignissen führen.
Aufgrund dieser Nachteile des Standes der Technik hat sich deshalb die
Aufgabe gestellt, ein Abkühlelement für Flüssigschmelzen mit integrierten
Oberflächenkühleinrichtungen in Form mehrerer, meist runder
Kühlbohrungen oder -kanäle (1), die zur Aufnahme eines
Primärkühlmediums (2) im Inneren des Abkühlelementes meist parallel
zueinander angeordnet sind und in relativer Ausgießrichtung der
Flüssigschmelze und/oder quer zu dieser verlaufen, bereitzustellen, bei dem
die Temperatur der Werkstoffoberfläche zum Zeitpunkt des Kontaktes mit
der auftreffenden Flüssigschmelze niedrig gehalten werden kann und bei
der ein Anschmelzen des Elementwerkstoffes erschwert wird.
Gelöst wurde diese Aufgabe mit einem Abkühlelement, bei dem die der
auftreffenden Flüssigschmelze zugewandte Oberseite des Abkühlelementes
mehrere parallel zueinander angeordnete und im wesentlichen parallel
und/oder quer zu den integrierten Kühlkanälen (1) verlaufende, zur
Oberseite hin offene Längsvertiefungen (3) zur Aufnahme eines
Sekundärkühlmediums (4) aufweist.
Die Erfindung betrifft somit ein Abkühlelement für Flüssigschmelzen mit
integrierten Oberflächenkühleinreichtungen in Form mehrerer
Kühlbohrungen oder -kanäle, die zur Aufnahme eines Primärkühlmediums
im Inneren des Abkühlelementes angeordnet sind und in relativer
Ausgießrichtung der Flüssigschmelze und/oder quer zu dieser verlaufen,
welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die der auftreffenden
Flüssigschmelze zugewandte Oberseite des Abkühlelementes mehrere
parallel zueinander angeordnete und im Wesentlichen parallel und/oder quer
zu den integrierten Kühlkanälen verlaufende, zur Oberseite hin offene
Längsvertiefungen zur Aufnahme eines Sekundärkühlmediums aufweist.
Die Oberflächenkühleinrichtungen liegen bevorzugt in Form mehrerer, meist
runder Kühlbohrungen oder -kanäle (1) vor, die zur Aufnahme eines
Primärkühlmediums (2) im Inneren des Abkühlelements meist parallel
zueinander angeordnet sind.
Überraschend konnte mit diesem Abkühlelement festgestellt werden, dass
die Temperatur der Werkstoffoberfläche zum Zeitpunkt des Kontaktes mit
der Flüssigschmelze bei unter 400 °C gehalten werden kann, dass neben
dem gewünschten erschwerten Anschmelzen des Oberteils des
Abkühlelementes auch auf deren Oberfläche keine Rissbildung mehr auftritt
und dass die erstarrende Schmelze während des Abkühlens gezielt
zerkleinert werden kann, wodurch sich der Abkühlvorgang beschleunigt
und was den Transport des Produktes erleichtert.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Abkühlelementes beruht auf der
Tatsache, dass der Abkühleffekt der integrierten Kühlkanäle (1) durch die
zusätzlichen und erfindungswesentlichen Längsvertiefungen (3), die sich
nach oben offen an der Oberseite des Abkühlelements befinden, unterstützt
wird.
Da die zusätzlichen und erfindungswesentlichen Längsvertiefungen (3) von
einem Sekundärkühlmedium (4) durchströmt werden, wird zum einen die
Oberfläche der Oberseite des Abkühlelements, aber auch dessen gesamte
Oberseite abgekühlt, wodurch sich eine deutliche Temperaturdifferenz zur
auftreffenden Schmelze ergibt; zum anderen kann sich zwischen der
Oberfläche des Abkühlelements und dem Schmelzfluss eine Luft- oder
Gasschicht ausbilden, auf der die abzukühlende bzw. erstarrte Schmelze
berührungslos gleitet.
Besonders bewährt haben sich Abkühlelemente, die platten-, trog-, walzen,
teller- oder rinnenförmig sind, die also zum Abkühlzweck eine möglichst
große Oberfläche bereitstellen.
Bevorzugt werden auch Abkühlelemente, die eine oder mehrere mit den
Längsvertiefungen (3) verbundene Bohrungen (5) zum Verteilen des
Sekundärkühlmediums (4) in die Längsvertiefungen (3) aufweisen. Dies
kann dadurch erfolgen, dass die Bohrungen (5) entweder von der
Unterseite kommend jeweils die einzelnen Längsvertiefungen (3) versorgen,
oder durch eine gemeinsame Hauptbohrung die am oberen Ende des
Abkühlelementes quer zur Richtung der Längsvertiefungen angeordnet ist
und so aus dem Abkühlelement heraus die Längsvertiefungen (3) mit dem
Sekundärkühlmedium (4) versorgt (vgl. Abb. 1). Dabei kann die Speisung
der Längsvertiefungen (3) mit dem Sekundärkühlmedium (4) auch über eine
Bohrung (5) erfolgen, die wiederum quer zur Richtung der
Längsvertiefungen (3) angeordnet sich nicht im Abkühlelement, sondern in
einem Aufsatz befindet und somit das Sekundärkühlmedium nicht von
innen und unten, sondern von oben zuführt. Diese Variante wird von der
vorliegenden Erfindung ebenfalls umfasst.
Zur Gewährleistung eines möglichst großen Abkühleffektes sieht die
vorliegende Erfindung Längsvertiefungen (3) vor, die einen rechteckigen
Querschnitt aufweisen, oder aber die rillen- oder nutförmig ausgebildet
sind. Idealerweise sollte die offene Fläche der Längsvertiefungen größer
sein als deren jeweilige Wandflächen.
Für die Wirkung des Abkühlelementes ist der Verlauf der Längsvertiefungen
an deren Oberseite von untergeordneter Bedeutung. Wichtig ist lediglich,
dass die Längsvertiefungen im Wesentlichen der Abfluss- bzw.
Abgleitrichtung der Flüssigschmelze folgen; ob dies geradlinig, zickzackoder
schlangenförmig geschieht, hat keine gravierenden Auswirkungen auf
den Abkühlerfolg.
Hingegen sollte die Oberseite des Abkühlelementes gemäß vorliegender
Erfindung vorteilhafterweise aus einem Werkstoff mit hoher
Wärmeleitfähigkeit, insbesondere mit einem Wert zwischen 300 und
380 W/m·°K, und/oder dichtem Gefüge, insbesondere mit einem Wert
zwischen 8,8 und 9,2 kg/dm3, und/oder geringer Benetzbarkeit mit der
Flüssigschmelze gefertigt sein.
Für die Benetzbarkeit ist bekanntermaßen immer in Abhängigkeit von dem
jeweils verwendeten Werkstoff das entsprechende Verhältnis von Adhäsion
zu Kohäsion experimentell zu ermitteln, doch sollte dieses aus leicht
verständlichen Gründen immer möglichst niedrig sein.
Dies erfordert in der Regel eine galvanische Beschichtung der Oberseite.
Als Werkstoff hat sich bspw. im Zusammenhang mit
Calciumcarbidschmelzen Nickel bestens bewährt, das als Auflage für die
Oberfläche der Oberseite dient, die in der Regel aus einer Kupfer/Silber-Legierung
besteht. Damit ist eine sehr günstige Wärmeableitung verbunden
und zusätzlich ein Schutz vor Erosionserscheinungen an der
Elementoberfläche.
Als Primärkühlmedium (2) können beim vorliegenden Abkühlelement ohne
Probleme die gängigen Salzschmelzen, Marlothermöle aber auch Wasser
eingesetzt werden. Vorzugsweise bedient sich die vorliegende Erfindung
aber Metallschmelzen als Primärkühlmedium (2), wobei Schmelzen von
Wismut oder dessen Legierungen besonders bevorzugt sind.
Geeignete Sekundärkühlmedien (4) sind erfindungsgemäß Inertgase wie
z. B. Stickstoff, verflüssigte Gase, feuchte Gase oder Gasgemische oder
aber auch fluidisierbare inerte Pulver.
In Abhängigkeit von dem zu erzielenden Kühleffekt kann die Anzahl der
Längsvertiefungen (3) und deren Anordnung bezogen auf die integrierten
Kühlkanäle (1) variiert werden. So kann die Anzahl der Längsvertiefungen
der Anzahl der Kühlkanäle entsprechen oder diese übersteigen; die
Längsvertiefungen können bezogen auf die Kühlkanäle zwischen diesen
und/oder genau darüber liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein
Abkühlelement vor, das aus einer Ober- (6) und einer Unterplatte (7)
besteht, die vorzugsweise gegeneinander abgedichtet sind, was durch eine
Quetsch- oder Ringdichtung (8) erfolgen kann. Außerdem können die Ober-(6)
und die Unterplatte (7) im Sinne eines dichten Schlusses miteinander
verschraubt sein, was die Erfindung ebenfalls vorsieht. Der Vorteil dieser
Bauart ist insbesondere darin zu sehen, dass die integrierten Kühlkanäle (1)
im Gegensatz zum Bohren aus einem Vollblock leichter eingearbeitet
werden können, und dass für die beiden Platten unterschiedliche
Werkstoffe (mit idealerweise unterschiedlichen Wärmeleitvermögen)
verwendet werden können, was die Erfindung wiederum ebenfalls
berücksichtigt.
Besonders bewährt hat sich auch eine Variante des Abkühlelementes, bei
der die integrierten Kühlkanäle (1) im Bereich der Verbindungsschrauben (9)
zwischen Ober- (6) und Unterplatte (7) jeweils eine Ringnut (9a) aufweisen,
die vom Primärkühlmedium (2) durchströmt wird. Auf diese Weise können
zusätzlich zu den beiden Platten (6; 7) auch die Schrauben (9) gekühlt
werden. Bei dieser Ausführungsform ist es somit möglich, die Anzahl der
offenen Längsvertiefungen (3) zu reduzieren oder sogar ganz auf diese zu
verzichten, da in diesem Fall über die gekühlten Schrauben (9) eine
zusätzliche Wärmeableitung in das Innere des Abkühlelementes erfolgt.
Als äußerst vorteilhaft hat sich ebenfalls gezeigt, wenn die Oberseite der
Oberplatte (6) eine Nickelbeschichtung aufweist, deren Stärke
vorzugsweise bis 1,5 mm beträgt.
Zu empfehlen ist auch die Ausstattung des Abkühlelementes mit
mindestens einem Thermoelement (10), das idealerweise zentral im Oberteil
des Abkühlelementes angeordnet ist, das sich aber auch in Mehrzahl
sowohl in der Oberplatte (6) als auch in der Unterplatte (7) befinden kann.
Schließlich sieht die Erfindung auch vor, das Abkühlelement zum Zwecke
des Wegbeförderns der abgekühlten Flüssigschmelze als schiefe Ebene mit
einem bevorzugen Neigungswinkel zwischen 30 und 60 ° anzuordnen,
wodurch die abgekühlte Schmelze schneller den Gießbereich verlassen
kann; ähnlich gut geeignet ist eine Anordnung des Abkühlelementes als
Schwingrinne mit einem bevorzugten Antrieb mittels Unwuchterreger,
Schubkurbel, Resonanzsystem oder Kinematiksystem, als Walze mit
bevorzugt waagrechtem Schaber oder als Teller oder Scheibe mit bevorzugt
senkrechter Welle.
In diesem Zusammenhang haben sich Abkühlelemente besonders bewährt,
die wiederum zum Zweck des Wegbefördern der abgekühlten
Flüssigschmelze eine Aufgabevorrichtung für flüssige oder gasförmige oder
fluidisierte pulverförmige Inertmedien oder Reaktionsmedien als
Sekundärkühlmedium (4) aufweisen. Damit wird vorrangig die Gleitfähigkeit
der erstarrenden bzw. erstarrten Schmelze erhöht und die relative
Bewegung auf einem "Polster" unterstützt. Zudem kann die Spühlwirkung
durch die Schmelze gedämpft und Erosionsvorgänge an der Oberfläche des
Abkühlelementes abgemildert werden. Dass die Flüssigschmelze durch
diese Inertmedien zusätzlich abgekühlt und der flüssige Schmelzestrom
bzw. die abkühlenden Schmelzebereiche dadurch zerteilt werden, ist ein
weiterer Vorteil dieser bevorzugten Ausführungsform.
Insgesamt stellt das erfindungsgemäße Abkühlelement für
Flüssigschmelzen eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der
Technik dar, da es vorrangig die Arbeitssicherheit erhöht, den
Materialaufwand herabsetzt und die erhaltenen erstarrten und jetzt
gleichmäßig zerteilten Schmelzen leichter handhabbar macht.
Die nachfolgenden Abbildungen verdeutlichen die Vorteile des
erfindungsgemäßen Abkühlelements:
Abbildung 1 zeigt die Seitenansicht eines Querschnittes am oberen
Ende eines Abkühlelementes. Abbildung 2 gibt die Ansicht der Unterseite einer Oberplatte des
Abkühlelementes wieder. Abbildung 3 stellt einen Schnitt im oberen Bereich (A) des in
Abbildung 2 wiedergegebenen Abkühlelementes dar. Abbildung 4 zeigt einen Schnitt im mittleren Bereich (B) des in
Abbildung 2 wiedergegebenen Abkühlelementes.
Beschrieben wird ein Abkühlelement für Flüssigschmelzen mit integrierten
Oberflächenkühleinrichtungen in Form mehrerer, meist runder
Kühlbohrungen oder -kanäle, die zur Aufnahme eines Primärkühlmediums
im inneren des Abkühlelementes meist parallel zueinander angeordnet sind
und in relativer Ausgießrichtung der Flüssigschmelze und/oder quer zu
dieser verlaufen, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die der
auftreffenden Flüssigschmelze zugewandte Oberseite des Abkühlelementes
mehrere parallel zueinander angeordnete und im wesentlichen parallel
und/oder quer zu den integrierten Kühlkanälen verlaufende, zur Oberseite
hin offene Längsvertiefungen zur Aufnahme eines Sekundärkühlmediums
aufweist. Mit einem so ausgestalteten Abkühlelement wird die
Gleitfähigkeit der erstarrenden bzw. erstarrten Schmelze erhöht und deren
relative Bewegung auf der Abkühlelementoberfläche unterstützt. Insgesamt
ist mit dem vorgeschlagenen Abkühlelement eine Erhöhung der
Arbeitssicherheit gegeben, der Materialaufwand wird herabgesetzt und die
in neuer Qualität erhaltenen Schmelzen sind leichter handhabbar.