EP2910653A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Metallbändern - Google Patents

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EP2910653A1
EP2910653A1 EP15156041.4A EP15156041A EP2910653A1 EP 2910653 A1 EP2910653 A1 EP 2910653A1 EP 15156041 A EP15156041 A EP 15156041A EP 2910653 A1 EP2910653 A1 EP 2910653A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
water film
substantially closed
strip
closed water
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15156041.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Stutz
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Ebner Industrieofenbau GmbH
Original Assignee
Stutz Josef
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Filing date
Publication date
Application filed by Stutz Josef filed Critical Stutz Josef
Priority to EP15156041.4A priority Critical patent/EP2910653A1/de
Publication of EP2910653A1 publication Critical patent/EP2910653A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/12—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
    • B22D11/124—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for cooling
    • B22D11/1246—Nozzles; Spray heads
    • 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
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/54—Furnaces for treating strips or wire
    • C21D9/56—Continuous furnaces for strip or wire
    • C21D9/573—Continuous furnaces for strip or wire with cooling
    • C21D9/5735—Details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B45/00—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B45/02—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills for lubricating, cooling, or cleaning
    • B21B45/0203—Cooling
    • B21B45/0209—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants
    • B21B45/0215—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants using liquid coolants, e.g. for sections, for tubes
    • B21B45/0218—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants using liquid coolants, e.g. for sections, for tubes for strips, sheets, or plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/60—Aqueous agents

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for cooling metal strips, in particular high-alloy aluminum strips. Furthermore, the invention relates to a system for the thermal treatment of metal strips with such a device.
  • Metal strips of the aforementioned type are used in particular in the automotive industry and the aircraft industry.
  • the recrystallization of the metal strips must be influenced by a strong cooling in a predetermined manner.
  • the invention is therefore based on the object to provide an apparatus and a method for cooling metal strips in a strip processing plant, with which the cooling with predetermineddegradienten safely and in a reproducible manner is possible.
  • the object is achieved with a device for cooling a metal strip, in particular an aluminum strip, wherein the device comprises at least one nozzle, wherein the at least one nozzle is designed such that at least one band side can be acted upon by a substantially closed water film.
  • the particular advantage of the inventive solution is that due to the special design of the at least one nozzle of the device according to the invention, not, as known from the prior art, a spray jet is generated, but a substantially closed water film.
  • a spray jet is generated, but a substantially closed water film.
  • the tape-directed Water film heat flows between 1 kW / m 2 K h and 11 kW / m 2 K h can be reached, so that easily cooling rates of 300 to 1000 K / sec can be reliably adjusted.
  • the support function of the water can be exploited in a system for floating guidance of the metal bands.
  • the water flow rate and the water volume flow can be adjusted via a controllable motor of a drive or pump unit. Furthermore, it is of course also possible to influence the rapid cooling via the water temperature. A particularly high heat transfer results when the strip surface is acted upon by the underside. Furthermore, no squeeze rolls are required when applying water film from below.
  • Essentially closed water film in the sense of the present invention means that the water film produced by the special shape of the nozzle is completely closed insofar as the respectively selected nozzle design makes this possible. If, for example, the water film is subdivided into the nozzle by the installation of special guide elements in order to apply different sections with different cooling power over the width of the metal strip to be cooled, then in the sense of the present invention it is a substantially closed water film, with which the advantages of the present invention can be achieved.
  • the device according to the invention can be developed advantageously.
  • the at least one nozzle extends over the entire width of the strip to be cooled.
  • the metal strip can be cooled over its entire width, which counteracts deformation, in particular bulging, of the metal strip as a result of greatly differing cooling capacities across the width of the strip, which can be up to 2.5 m.
  • the structural design of the nozzle may be different. The key is that it allows the production of a substantially closed water film. It may be structurally based, for example, on the design of hydrofoil nozzles, arch nozzles or double pressure / suction nozzles.
  • the at least one nozzle comprises a nozzle box arranged substantially perpendicularly to the strip stretch, and at least one slot-shaped outlet opening for acting on the strip surface with the substantially closed water film.
  • Nozzle arrangements of this type are known in a comparable form from the prior art. They are used in particular for the floating guidance of metallic bands by means of an air flow. It is therefore possible to convert existing systems of this type with relatively little technical effort to install a cooling device according to the invention.
  • the inventively provided at least one nozzle can be further developed in that it has a, in particular perforated, baffle for guiding the substantially closed water film.
  • a baffle for guiding the substantially closed water film.
  • the substantially closed water film can be passed on a precisely defined trajectory, whereby the water film stabilizes and calms further when using a perforated baffle.
  • the at least one slot-shaped outlet opening is bounded on one side by an edge portion of the nozzle box and on the other side by an end portion of the baffle, wherein preferably the edge portion of the nozzle box and the end portion of the baffle are formed such that in Nozzle box of at least one nozzle opening into the schlitzfömige outlet opening, helical outlet channel is formed.
  • the exit direction of the substantially closed water film relative to the belt movement can be chosen differently.
  • the at least one slit-shaped outlet opening of the at least one nozzle aligned such that the water film emerges in the direction of tape travel from the nozzle.
  • the turbulence at the contact surface between the water film and metal strip is minimized due to a minimized relative speed between the metal strip and water film, which also contributes to a more uniform cooling.
  • a disturbing vapor development when the strip surface is acted upon by the substantially closed water film is negligible.
  • the nozzle has at least two slot-shaped outlet openings, wherein the one slot-shaped outlet opening is oriented such that it generates a running in the tape running direction from the nozzle, substantially closed water film, and the other slot-shaped outlet opening is oriented in such a way in that it produces a substantially closed water film emerging from the nozzle against the direction of tape travel.
  • the at least one nozzle displaceable relative to the belt surface, in particular height adjustable and / or tilt adjustable, in particular axially rotatable, so that the belt surface at variable angle and variable effective length with the im Essentially closed water film can be acted upon.
  • the effective length or the length of the contact surface in turn influences the residence time of the water film on the strip surface.
  • the at least one nozzle has means for subdividing the substantially closed water film, such that different cooling rates can be set across the width of the strip to be cooled.
  • the means are preferably designed as at least one separating plate.
  • the device comprises a plurality of nozzles, wherein at least one first nozzle is formed for impinging the strip surface with the substantially closed water film and at least one second nozzle designed to act on the strip surface with a gas stream, in particular an air stream.
  • the at least one first nozzle for acting on the strip surface with the substantially closed water film and the at least one second nozzle for acting on the strip surface with a gas stream, in particular an air stream, can in principle be designed structurally similar, which further reduces the design effort. Accordingly, the at least one first nozzle after a short changeover time can also be used as a gas or air nozzle or the at least one second nozzle as a nozzle for producing the substantially closed water film.
  • the drive or pump unit is selected such that it can generate a water flow or a gas flow as needed.
  • Special pumps of special construction are required for this purpose.
  • the gas flow exiting the at least one second nozzle when exhaled from the underside to the belt surface, can perform both a cooling and a support function.
  • Another aspect of the present invention relates to a system for the thermal treatment of metal strips, in particular for annealing, comprising a device for cooling the metal strips according to one of claims 1 to 12.
  • the object stated at the outset is furthermore achieved by a method for cooling metal strips with a device according to one of claims 1 to 12, wherein a substantially closed water film is produced by means of the at least one nozzle and at least one side of the strip is subjected to the substantially closed water film ,
  • the metal strip is additionally cooled by a gas stream emerging from at least one second nozzle, in particular by an air stream.
  • the Fig. 1a to 1c each show a nozzle 1 of a device for cooling a metal strip, in particular an aluminum strip in a cross-sectional view.
  • the nozzle 1 comprises a nozzle box 2 arranged substantially perpendicularly to the strip stretch and at least one slot-shaped outlet opening 3.
  • the nozzle box 2 here extends over the entire width of a metal strip B running to the right above the nozzle 1, so that the metal strip B, in the present case an aluminum strip , Can be cooled according to its entire width.
  • pump unit see. Fig. 5
  • the slot-shaped outlet opening 3 is designed such that the water flow emerges as a substantially closed water film W1 from the nozzle box 2 and, as such, strikes the surface of the strip B to be cooled.
  • the nozzle further comprises a - here perforated - baffle 5, which serves to guide the substantially closed water film W1, W2 on a precisely defined trajectory.
  • a - here perforated - baffle 5 serves to guide the substantially closed water film W1, W2 on a precisely defined trajectory.
  • the slit-shaped outlet opening 3 is bounded on one side by an edge portion 2a of the nozzle box 2 and on the other side by an end portion 5a of the baffle 5, wherein in the present case the edge portion 2a of the nozzle box 2 and the end portion 5a of the baffle 5 are shaped such that in the nozzle box 2 of the nozzle 1, an opening into the schlitzfömige outlet opening 3, helical outlet channel is formed.
  • the distance of the nozzle box 2 relative to the metal strip B is variably adjustable.
  • the distance of the nozzle box 2 to the metal strip B in Fig. 1 a much lower than in Fig. 1b or 1c
  • the nozzle box 2 is rotatable or tiltable relative to the metal strip B about its longitudinal axis 4. So is the nozzle box 2 in Fig. 1b about 5 ° from its in Fig. 1a tilted basic position shown.
  • the opposite Fig. 1a increased distance of the nozzle box 2 to the metal strip B combined with the tilting by about 5 ° ensures a greatly increased effective length L2 of the closed water film and thus for a factor of 1.5 increased heat transfer coefficient ⁇ .
  • Fig. 1c shows for comparison the operation of the nozzle 1 with an air flow.
  • Fig. 1d and 1e show a particularly preferred combination of two nozzles 1, in each of which a nozzle 1 is supplied with a stream of water ( Fig. 1d , right), while the other nozzle is fed with an air flow.
  • Fig. 1d are the nozzle boxes 2 aligned such that the substantially closed water film W1 and exiting the other nozzle box 1 air flow G1 in the direction of the metal strip B from the respective slot-shaped outlet openings 3 exit.
  • the air flow G1 is directed against the strip running direction, while the substantially closed water film W2 exits the nozzle box 2 unchanged in the direction of strip travel.
  • Both nozzle boxes 2 of the arrangements of Fig. 1d and 1e can be carried out substantially the same, it is always crucial that the nozzle boxes 2 are constructed so that a substantially closed water film can be generated.
  • the Fig. 2 to 4 each show a system for the thermal treatment of metal strips.
  • the plant comprises an annealing furnace 100, in which a metal strip, B in the present case an aluminum strip, guided floating and is blown from both sides by exiting nozzle boxes 10 hot air. Subsequently, the band is blown again in a blowing unit 150 with hot air. Then follows in the strip running direction, a device 50 for cooling the metal strip B, in which a controlled rapid cooling of the strip takes place by a substantially closed water film. This is followed by an air knife 210 and an air cooler 200 with further nozzle boxes 10.
  • the aluminum strip B running at about 60 m / min is first of all annealed in the annealing furnace 100 at a temperature of about 550.degree. Subsequently, the strip B in the blowing unit 150 is blown with a stream of hot air (arrow 20, 600 ° C., 5000 Nm 3 / h). Then, in the device 50 for cooling the metal strip B, rapid cooling of the strip B takes place by means of a substantially closed water film W, which exits from a nozzle 1 arranged under the strip B (different cooling rates in FIGS Fig. 2 to 4 ). The nozzle 1 is fed from a water reservoir R, in which the effluent from the belt water flows back.
  • Fig. 5a Finally, on the left shows a concrete embodiment of a nozzle 1 'for producing a substantially closed water film, which emerges in the direction of tape travel from the nozzle box 2'.
  • the nozzle 1 ' comprises, as mentioned, a nozzle box 2' and a baffle 5 ', in which a water film with the effective length X 1 is generated.
  • the design of the Fig. 5a On the right shows a special embodiment of the nozzle, emerge at the two substantially closed water films from the nozzle box, wherein a water film emerges in the tape running direction and the other water film corresponding to the tape running direction from the nozzle box.
  • the resulting effective length X 2 results from the two single-mode sounds of the water films.
  • Fig. 5b shows the arrangement in 90 ° rotated view with illustrated pump unit P. This is preferably designed such that it is suitable both for generating a water flow and an air flow.
  • Fig. 6 shows experimental results for the temperature course on cooled by the above-described cooling device metal bands (1 mm thickness), wherein the tape running speed was chosen to be constant 120 m / min.
  • the first three curves show water cooling with different cooling rates (300 K / sec, 450 K / sec, 600 K / sec).
  • the two other curves show for comparison a pure air cooling with 60 and 120 K / sec cooling rate.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Metallbandes (B), insbesondere eines Aluminiumbandes, umfassend wenigstens eine Düse (1), wobei die wenigstens eine Düse (1) derart gestaltet ist, dass wenigstens eine Bandseite mit einem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm (W, W1, W2) beaufschlagbar ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur thermischen Behandlung von Metallbändern (B) sowie ein Verfahren zum Kühlen von Metallbändern (B).

Description

  • Die Erfindungsmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung von Metallbändern, insbesondere von hochlegierten Aluminiumbändern. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur thermischen Behandlung von Metallbändern mit einer solchen Vorrichtung.
  • Metallbänder der vorstehend genannten Art kommen insbesondere in der Automobilindustrie und der Flugzeugindustrie zum Einsatz. Um die gewünschten Eigenschaften, insbesondere eine hohe Härte, zu gewährleisten, muss die Rekristallisation der Metallbänder durch eine starke Kühlung in vorbestimmter Weise beeinflusst werden.
  • In einer bekannten Anwendung wird beispielsweise ein Aluminiumband der Dicke 0,2 bis 6,5 mm in einem Glühofen bis auf 570°C erwärmt, bei dieser Temperatur ein bestimmtes Zeitintervall (z.B. 0 bis 500 sec, speziell 5 bis 60 sec) gehalten und anschließend schnell abgekühlt. Konventionell kommen hierbei sogenannte Sprühstöcke zum Einsatz, mit welchen Wasser auf die Bandoberfläche aufgesprüht wird. Hierbei besteht das Problem, dass die Kühlleistung sich nicht exakt und reproduzierbar einstellen lässt.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen von Metallbändern in einer Bandbehandlungsanlage anzugeben, mit welchem die Kühlung mit vorbestimmtem Kühlgradienten sicher und in reproduzierbarer Weise möglich ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Kühlung eines Metallbandes, insbesondere eines Aluminiumbandes, gelöst wobei die Vorrichtung wenigstens eine Düse umfasst, wobei die wenigstens eine Düse derart gestaltet ist, dass wenigstens eine Bandseite mit einem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm beaufschlagbar ist.
  • Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die besondere Gestaltung der wenigstens einen Düse der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein Sprühstrahl erzeugt wird, sondern ein im Wesentlichen geschlossener Wasserfilm. Mithilfe des auf das Band gerichteten Wasserfilms sind Wärmeströme zwischen 1 kW/m2 K h und 11 kW/m2 K h erreichbar, so dass problemlos Kühlraten von 300 bis 1000 K/sec zuverlässig eingestellt werden können. Insbesondere lassen sich also sehr starke Abkühlraten, wie sie beispielsweise bei für den Flugzeugbau vorgesehenen Blechen der Legierung 2XXX, 5XXX, 7XXX erforderlich sind, einstellen. Weiterhin kann die Tragfunktion des Wassers in einer Anlage zur schwebenden Führung der Metallbänder ausgenutzt werden.
  • Erfindungsgemäß wird also nicht gesprüht, sondern ein homogen gleichmäßiger Wasserfilm auf das zu kühlende Band geleitet. Im Falle eines Wasserfilms kann über einen regelbaren Motor einer Antriebs- bzw. Pumpeinheit die Wasserfließgeschwindigkeit und der Wasservolumenstrom eingestellt werden. Des Weiteren kann selbstverständlich auch über die Wassertemperatur die Schnellabkühlung beeinflusst werden. Ein besonders hoher Wärmeübergang ergibt sich bei einer Beaufschlagung der Bandoberfläche von der Unterseite. Ferner sind bei der Wasserfilmbeaufschlagung von unten keine Abquetschwalzen erforderlich.
  • "Im Wesentlichen geschlossener Wasserfilm" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet dabei, dass der durch die spezielle Form der Düse erzeugte Wasserfilm insoweit vollständig geschlossen ist, wie die jeweils gewählte Düsenbauform dies ermöglicht. Wird beispielsweise der Wasserfilm durch den Einbau spezieller Leitelemente in die Düse unterteilt, um etwa über die Breite des zu kühlenden Metallbandes verschiedene Abschnitte mit unterschiedlicher Kühlleistung zu beaufschlagen, so handelt es sich im Sinne der vorliegenden Erfindung dennoch um einen im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm, mit welchem die Vorteile der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft weitergebildet werden. So ist nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass sich die wenigstens eine Düse über die gesamte Breite des zu kühlenden Bandes erstreckt. Hierdurch kann das Metallband über seine gesamte Breite gekühlt werden, was einer Verformung, insbesondere Beulung, des Metallbandes infolge stark unterschiedlicher Kühlleistungen über die Breite des Bandes, die Aluminiumbändern bis zu 2,5 m betragen kann, entgegenwirkt.
  • Die konstruktive Gestaltung der Düse kann unterschiedlich sein. Entscheidend ist, dass sie die Erzeugung eines im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms ermöglicht. Sie kann konstruktiv beispielsweise an das Design von Tragflächendüsen, Bogendüsen oder doppelten Druck/Saugdüsen angelehnt sein.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die wenigstens eine Düse einen im Wesentlichen senkrecht zur Banderstreckung angeordneten Düsenkasten sowie wenigstens eine schlitzförmige Austrittsöffnung zur Beaufschlagung der Bandoberfläche mit dem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm. Düsenanordnungen dieser Art sind in vergleichbarer Form aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden insbesondere zur schwebenden Führung von metallischen Bändern mittels eines Luftstroms eingesetzt. Es ist daher möglich, bestehende Anlagen dieser Art mit vergleichsweise geringem technischem Aufwand umzurüsten, um eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einzubauen.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehene wenigstens eine Düse kann dadurch weitergebildet sein, dass sie ein, insbesondere perforiertes, Leitblech zur Führung des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms aufweist. Durch das Leitblech kann der im Wesentlichen geschlossene Wasserfilm auf einer präzise definierten Bahnkurve geleitet werden, wobei sich der Wasserfilm bei Einsatz eines perforierten Leitbleches weiter stabilisiert und beruhigt.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine schlitzförmige Austrittsöffnung auf der einen Seite durch einen Kantenabschnitt des Düsenkastens und auf der anderen Seite durch einen Endabschnitt des Leitblechs berandet, wobei vorzugsweise der Kantenabschnitt des Düsenkastens und der Endabschnitt des Leitblechs derart geformt sind, dass im Düsenkasten der wenigstens einen Düse ein in die schlitzfömige Austrittsöffnung mündender, schneckenförmiger Auslasskanal gebildet ist. Hierdurch wird ein besonders gleichmäßiger Wasserfilm erzeugt, der im Einsatz zu einer entsprechend gleichmäßigen definierten Kühlung des Metallbandes führt.
  • Die Austrittsrichtung des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms relativ zur Bandbewegung kann unterschiedlich gewählt sein. Bevorzugt ist die wenigstens eine schlitzförmige Austrittsöffnung der wenigstens einen Düse derart ausgerichtet, dass der Wasserfilm in Bandlaufrichtung aus der Düse austritt. Hierdurch wird aufgrund einer minimierten Relativgeschwindigkeit zwischen Metallband und Wasserfilm die Verwirbelung an der Kontaktfläche zwischen Wasserfilm und Metallband minimiert, was ebenfalls zu einer gleichmäßigeren Kühlung beiträgt. Wie experimentelle Untersuchungen gezeigt haben, ist eine störende Dampfentwicklung bei der Beaufschlagung der Bandoberfläche durch den im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm vernachlässigbar gering.
  • Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Düse wenigstens zwei schlitzförmige Austrittsöffnungen auf, wobei die eine schlitzförmige Austrittsöffnung derart ausgerichtet ist, dass sie einen in Bandlaufrichtung aus der Düse austretenden, im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm erzeugt, und die andere schlitzförmige Austrittsöffnung derart ausgerichtet ist, dass sie einen gegen die Bandlaufrichtung aus der Düse austretenden, im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm erzeugt. Hierdurch kann auch bei Bereitstellung nur einer Düse und damit bei Minimierung des konstruktiven Aufwands der Kühleffekt maximiert werden.
  • Je nach Anwendung, so beispielsweise bei der Herstellung von Blechen für den Flugzeugbau, ist eine sehr präzise Prozessführung bei der Schnellabkühlung der Bleche erforderlich. Hierzu ist es notwendig, die Kühlrate sehr präzise einzustellen. Um dies zu erreichen, ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die wenigstens eine Düse relativ zur Bandoberfläche verlagerbar, insbesondere höhenverstellbar und/oder neigungsverstellbar, insbesondere axial drehbar, ist, so dass die Bandoberfläche unter variablem Winkel und variabler Wirklänge mit dem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm beaufschlagbar ist. Die Wirklänge bzw. di Länge der Kontaktfläche beeinflusst ihrerseits die Verweilzeit des Wasserfilms auf der Bandoberfläche.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die wenigstens eine Düse Mittel zur Unterteilung des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms auf, derart, dass über die Breite des zu kühlenden Bandes unterschiedliche Kühlraten einstellbar sind. Bevorzugt sind die Mittel als wenigstens ein Trennblech ausgebildet. Mithilfe von Trennbelchen kann in dem Düsenkörper der Vorrichtung eine unterschiedliche Kühlrate zur Mitte und den Kanten des Bandes eingestellt werden. Diese Variante kann so Beulungen des gekühlten Bandes beeinflussen, insbesondere minimieren. Die Einrichtung kann zudem mit Beobachtungsfenstern ausgestattet sein, so dass die Verformung in einer entsprechenden Prozessüberwachung erkannt wird und dann entsprechend angepasst werden kann.
  • Um die Kühlleistung der Vorrichtung weiter zu steigern und spezielle Abkühlungsprofile zu realisieren, kann ferner vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von Düsen umfasst, wobei wenigstens eine erste Düse zur Beaufschlagung der Bandoberfläche mit dem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm ausgebildet ist und wenigstens eine zweite Düse zur Beaufschlagung der Bandoberfläche mit einem Gasstrom, insbesondere einem Luftstrom, ausgebildet ist.
  • Die wenigstens eine erste Düse zur Beaufschlagung der Bandoberfläche mit dem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms und die wenigstens eine zweite Düse zur Beaufschlagung der Bandoberfläche mit einem Gasstrom, insbesondere einem Luftstrom, können prinzipiell konstruktiv gleichartig ausgebildet sein, was den konstruktiven Aufwand weiter reduziert. Dementsprechend kann auch die wenigstens eine erste Düse nach kurzer Umrüstzeit auch als Gas- bzw. Luftdüse eingesetzt werden bzw. die wenigstens eine zweite Düse als Düse zur Erzeugung des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms.
  • Bevorzugt ist dabei die Antriebs- bzw. Pumpeinheit derart gewählt, dass sie je nach Bedarf einen Wasserstrom oder einen Gasstrom erzeugen kann. Hierzu sind spezielle Pumpen in Sonderbauweise erforderlich.
  • Der aus der wenigstens einen zweiten Düse austretende Gasstrom seinerseits kann, wenn er von der Unterseite auf die Bandoberfläche geblasen wird, sowohl eine Kühl- als auch eine Tragfunktion ausüben.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anlage zur thermischen Behandlung von Metallbändern, insbesondere zum Glühen, umfassend eine Vorrichtung zum Kühlen der Metallbänder nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  • Für die Vorteile einer solchen Anlage gelten die vorstehenden Ausführungen entsprechend.
  • Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Kühlen von Metallbändern mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gelöst, wobei mittels der wenigstens einen Düse ein im Wesentlichen geschlossener Wasserfilm erzeugt wird und wenigstens eine Bandseite mit dem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm beaufschlagt wird.
  • Für die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten die vorstehenden Ausführungen wiederum entsprechend.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Metallband zusätzlich durch einen aus wenigstens einer zweiten Düse austretenden Gasstrom, insbesondere durch einen Luftstrom, gekühlt.
  • Es versteht sich, dass alle vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 2 bis 12 sich auch vorteilhaft in dem erfindungsgemäßen Verfahren auswirken, mithin mit diesem kombinierbar sind, und somit auch vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig.1a-e:
    die Düse einer Vorrichtung zur Kühlung eines Metallbandes mittels eines im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms in verschiedenen Betriebsweisen (teilweise mit einer weiteren Düse),
    Fig. 2:
    eine Anlage zur thermischen Behandlung eines Metallbandes mit einer Ofeneinheit, einer Vorrichtung zum Kühlen des Metallbandes durch einen im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm und einer weiteren Luftkühleinheit in schematischer Längsschnittansicht in einer ersten Betriebsweise mit niedriger Kühlrate mit dem dazugehörigen Temperaturprofil des Metallbandes,
    Fig. 3:
    die Anlage der Fig. 2 in einer zweiten Betriebsweise mit mittlerer Kühlrate mit dem dazugehörigen Temperaturprofil des Metallbandes,
    Fig. 4:
    die Anlage der Fig.2 in einer dritten Betriebsweise mit hoher Kühlrate mit dem dazugehörigen Temperaturprofil des Metallbandes,
    Fig. 5a:
    eine weitere Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Kühlen von Metallbändern mittels eines im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms im schematischen Längsschnitt,
    Fig. 5b:
    die Vorrichtung der Fig. 5a in Querschnittsansicht, und
    Fig. 6:
    verschiedene Abkühlraten im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung eines Metallbandes mit Vergleichsversuchen mit einem Luftstrom.
  • Die Fig. 1a bis 1c zeigen jeweils eine Düse 1 einer Vorrichtung zur Kühlung eines Metallbandes, insbesondere eines Aluminiumbandes in einer Querschnittansicht. Die Düse 1 umfasst einen im Wesentlichen senkrecht zur Banderstreckung angeordneten Düsenkasten 2 sowie wenigstens eine schlitzförmige Austrittsöffnung 3. Der Düsenkasten 2 erstreckt sich vorliegend über die gesamte Breite eines oberhalb der Düse 1 nach rechts laufenden Metallbandes B, so dass das Metallband B, vorliegend eine Aluminiumband, entsprechend über seine gesamte Breite gekühlt werden kann. Durch eine in den Fig. 1a bis 1e nicht dargestellte Pumpeinheit (vgl. Fig. 5) wird ein Wasserstrom erzeugt, welcher auf einer der beiden Stirnseiten des Düsenkastens 2 oder auf beiden Stirnseiten in diesen eingeleitet wird. Die schlitzförmige Austrittsöffnung 3 ist derart gestaltet, dass der Wasserstrom als im Wesentlichen geschlossener Wasserfilm W1 aus dem Düsenkasten 2 austritt und als solcher auf die Oberfläche des zu kühlenden Bandes B auftrifft.
  • Wie sich ferner aus den Fig. 1a bis 1e ergibt, umfasst die Düse ferner ein - vorliegend perforiertes - Leitblech 5, welches der Führung des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms W1, W2 auf einer präzise definierten Bahnkurve dient. Durch die Perforation des Leitbleches 5 wird der Wasserfilm weiter stabilisiert und beruhigt, so dass unerwünschte Verwirbelungen im Wasserfilm minimiert sind. Ferner ist die schlitzförmige Austrittsöffnung 3 auf der einen Seite durch einen Kantenabschnitt 2a des Düsenkastens 2 und auf der anderen Seite durch einen Endabschnitt 5a des 5 Leitblechs berandet, wobei vorliegend der Kantenabschnitt 2a des Düsenkastens 2 und der Endabschnitt 5a des Leitblechs 5 derart geformt sind, dass im Düsenkasten 2 der Düse 1 ein in die schlitzfömige Austrittsöffnung 3 mündender, schneckenförmiger Auslasskanal gebildet ist.
  • Wie in den Fig. 1a bis 1e ebenfalls erkennbar, ist der Abstand des Düsenkastens 2 relativ zum Metallband B variabel einstellbar. So ist der Abstand des Düsenkastens 2 zum Metallband B in Fig. 1 a deutlich geringer gewählt als in Fig. 1b oder 1c. Ferner ist der Düsenkasten 2 relativ zum Metallband B um seine Längsachse 4 dreh- bzw. kippbar. So ist der Düsenkasten 2 in Fig. 1b um ca. 5° gegenüber seiner in Fig. 1a dargestellten Grundstellung verkippt. Der gegenüber Fig. 1a vergrößerte Abstand des Düsenkastens 2 zum Metallband B kombiniert mit der Verkippung um ca. 5° sorgt für eine stark vergrößerte Wirklänge L2 des geschlossenen Wasserfilms und damit für einen um den Faktor 1,5 erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten α. Aus der Wirklänge L1 kann durch Multiplikation mit der Breite des Metalbandes B entsprechend die Kontaktfläche berechnet werden. So beträgt der Wärmeübergangskoeffizienten α bei der Konfiguration der Fig. 1a α1 = 4000 W/m2K, während sie beider Konfiguration der Fig. 1b α2 = 6000 W/m2K beträgt. Hieraus ist erkennbar, dass durch Einstellung des Abstands der Düse zum Metallband B und ihrer Neigung die Kühlleistung präzise eingestellt werden kann. Ferner ist es möglich, durch Einstellung des Volumenstroms des Kühlwassers sowie ggf. seiner Temperatur kontrolliert Einfluss auf die Kühlleistung zu nehmen.
  • Fig. 1c zeigt zum Vergleich den Betrieb der Düse 1 mit einem Luftstrom. Hier beträgt der Wärmeübergangskoeffizienten bei ansonsten im Wesentlichen gleicher relativer Anordnung des Düsenkastens 2 gegenüber dem Metallband B lediglich α3 = 250 W/m2K, obwohl hier, wie erkennbar, die Wirklänge L3 gegenüber der Konfiguration der Fig. 1 b nochmals deutlich erhöht ist.
  • Die Fig. 1d und 1e zeigen eine besonders bevorzugte Kombination zweier Düsen 1, bei der jeweils eine Düse 1 mit einem Wasserstrom gespeist wird (Fig. 1d, rechts), während die andere Düse mit einem Luftstrom gespeist wird. In Fig. 1d sind die Düsenkästen 2 derart ausgerichtet, dass der im Wesentlichen geschlossene Wasserfilm W1 und der aus dem anderen Düsenkasten 1 austretende Luftstrom G1 in Laufrichtung des Metallbandes B aus den jeweiligen schlitzförmigen Austrittsöffnungen 3 austreten. In Fig. 1e ist hingegen der Luftstrom G1 gegen die Bandlaufrichtung gerichtet, während der im Wesentlichen geschlossene Wasserfilm W2 unverändert in Bandlaufrichtung aus dem Düsenkasten 2 austritt. Beide Düsenkästen 2 der Anordnungen der Fig. 1d und 1e können im Wesentlichen gleichartig ausgeführt sein, wobei stets entscheidend ist, dass die Düsenkästen 2 derart konstruiert sind, dass sich ein im Wesentlichen geschlossener Wasserfilm erzeugen lässt.
  • Die Fig. 2 bis 4 zeigen jeweils eine Anlage zur thermischen Behandlung von Metallbändern. Die Anlage umfasst einen Glühofen 100, in welchem ein Metallband, B vorliegend ein Aluminiumband, schwebend geführt und von beiden Seiten durch aus Düsenkästen 10 austretende Heißluft beblasen wird. Daran anschließend wird das Band in einer Beblasungseinheit 150 nochmals mit Heißluft beblasen. Sodann folgt in Bandlaufrichtung eine Vorrichtung 50 zum Kühlen des Metallbandes B, in welcher eine kontrollierte Schnellabkühlung des Bandes durch einen im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm erfolgt. Anschließend folgt ein Luftrakel 210 und ein Luftkühler 200 mit weiteren Düsenkästen 10.
  • Im Betrieb der Anlage wird zunächst das mit ca. 60 m/min laufende Aluminiumband B im Glühofen 100 bei einer Temperatur von ca. 550°C geglüht. Anschließend wird das Band B in der Beblasungseinheit 150 mit einem Heißluftstrom (Pfeil 20, 600°C, 5000 Nm3/h) beblasen. Sodann erfolgt in der Vorrichtung 50 zum Kühlen des Metallbandes B eine Schnellabkühlung des Bandes B mittels eines im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms W, welcher aus einer unter dem Band B angeordneten Düse 1 austritt (verschiedene Kühlraten in den Fig. 2 bis 4). Die Düse 1 wird aus einem Wasserreservoir R gespeist, in welches das vom Band abströmende Wasser zurückfließt. Durch den Luftrakel (Pfeil 22, 40°C, 15000 Nm3/h) wird verbleibendes Wasser von der Bandoberfläche entfernt. Schließlich tritt das je nach gewählter Abkühlrate (560 K/sec, 480 K/sec, 380 K/sec) abgekühlte Band in einen Luftkühler ein, wo es schwebend geführt und weiter abgekühlt wird. In den Fig. 2 bis 4 ist deutlich erkennbar, dass durch Wahl einer definierten Wirklänge des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms die Abkühlrate deutlich variiert werden kann.
  • Fig. 5a, links zeigt schließlich eine konkrete Ausgestaltung einer Düse 1' zur Erzeugung eines im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms, welcher in Bandlaufrichtung aus dem Düsenkasten 2' austritt. Die Düse 1' umfasst, wie erwähnt, einen Düsenkasten 2' sowie ein Leitblech 5', bei dem ein Wasserfilm mit der Wirklänge X1 erzeugt wird. Die Ausgestaltung der Fig. 5a, rechts zeigt eine spezielle Ausgestaltung der Düse, bei der zwei im Wesentlichen geschlossene Wasserfilme aus dem Düsenkasten austreten, wobei ein Wasserfilm in Bandlaufrichtung und der andere Wasserfilm entsprechend gegen die Bandlaufrichtung aus dem Düsenkasten austritt. Die resultierende Wirklänge X2 ergibt sich aus den beiden Einzelwirklängen der Wasserfilme.
  • Fig. 5b zeigt die Anordnung in um 90° gedrehter Ansicht mit dargestellter Pumpeinheit P. Diese ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie sowohl zum Erzeugen eines Wasserstromes als auch eine Luftstromes geeignet ist.
  • Fig. 6 zeigt experimentelle Ergebnisse für den Temperaturverlauf an mittels der vorstehend beschriebenen Kühlvorrichtung abgekühlten Metallbändern (1 mm Dicke), wobei die Bandlaufgeschwindigkeit konstant 120 m/min gewählt wurde. Die ersten drei Kurven zeigen eine Wasserkühlung mit verschiedenen Abkühlraten (300 K/sec, 450 K/sec, 600 K/sec). Die beiden weiteren Kurven zeigen zum Vergleich eine reine Luftkühlung mit 60 und 120 K/sec Abkühlrate.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Kühlung eines Metallbandes (B), insbesondere eines Aluminiumbandes, umfassend wenigstens eine Düse (1), wobei die wenigstens eine Düse (1) derart gestaltet ist, dass wenigstens eine Bandseite mit einem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm (W, W1, W2) beaufschlagbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine Düse (1) sich über die gesamte Breite des zu kühlenden Bandes (B) erstreckt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine Düse (1) einen im Wesentlichen senkrecht zur Banderstreckung angeordneten Düsenkasten (2) sowie wenigstens eine schlitzförmige Austrittsöffnung (3) zur Beaufschlagung der Bandoberfläche mit dem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm (W, W1, W2) umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine Düse (1) ein, insbesondere perforiertes, Leitblech (5) zur Führung des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms (W, W1, W2) aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine schlitzförmige Austrittsöffnung (3) auf der einen Seite durch einen Kantenabschnitt (2a) des Düsenkastens (2) und auf der anderen Seite durch einen Endabschnitt des Leitblechs (5a) berandet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kantenabschnitt (2a) des Düsenkastens (2) und der Endabschnitt (5a) des Leitblechs (5) derart geformt sind, dass im Düsenkasten (2) der wenigstens einen Düse (1) ein in die schlitzfömige Austrittsöffnung (3) mündender, schneckenförmiger Auslasskanal gebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine schlitzförmige Austrittsöffnung (3) derart ausgerichtet ist, dass der im Wesentlichen geschlossene Wasserfilm (W, W1, W2) in Bandlaufrichtung aus der wenigstens einen Düse (1) austritt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Düse (1) wenigstens zwei schlitzförmige Austrittsöffnungen (3) aufweist, wobei die eine schlitzförmige Austrittsöffnung (3) derart ausgerichtet sind, dass sie einen in Bandlaufrichtung aus der wenigstens einen Düse (1) austretenden, im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm (W, W1, W2) erzeugt, und die andere schlitzförmige Austrittsöffnung (3) derart ausgerichtet sind, dass sie einen gegen die Bandlaufrichtung aus der wenigstens einen Düse austretenden, im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm (W, W1, W2) erzeugt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine Düse (1) derart relativ zur Bandoberfläche verlagerbar, insbesondere höhenverstellbar und/oder neigungsverstellbar ist, dass die Bandoberfläche unter variablem Winkel und variabler Kontaktfläche mit dem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm (W, W1, W2) beaufschlagbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine Düse (1) Mittel zur Unterteilung des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms (W, W1, W2) aufweist, derart, dass über die Breite des zu kühlenden Bandes (B) unterschiedliche Kühlraten einstellbar sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mittel zur Unterteilung des im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms als wenigstens ein Trennblech ausgebildet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung eine Mehrzahl von Düsen (1) umfasst, wobei wenigstens eine erste Düse (1) zur Beaufschlagung der Bandoberfläche mit einem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilms (W, W1, W2) ausgebildet ist und wenigstens eine zweite Düse (1) zur Beaufschlagung der Bandoberfläche mit einem Gasstrom (G1), insbesondere einem Luftstrom, ausgebildet ist.
  13. Anlage zur thermischen Behandlung von Metallbändern, insbesondere zum Glühen, umfassend eine Vorrichtung (150) zum Kühlen der Metallbänder (B) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Verfahren zum Kühlen von Metallbändern (B) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mittels der wenigstens einen Düse (1) ein im Wesentlichen geschlossener Wasserfilm (W, W1, W2) erzeugt wird und wenigstens eine Bandseite mit dem im Wesentlichen geschlossenen Wasserfilm (W, W1, W2) beaufschlagt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Metallband (B) zusätzlich durch einen aus wenigstens einer zweiten Düse (1) austretenden Gasstrom (G1), insbesondere durch einen Luftstrom, gekühlt wird.
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