(19)
(11) EP 0 077 448 A2

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
27.04.1983  Patentblatt  1983/17

(21) Anmeldenummer: 82107627.0

(22) Anmeldetag:  20.08.1982
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)3B22D 11/124
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE CH FR GB LI LU NL SE

(30) Priorität: 17.10.1981 DE 3141269

(71) Anmelder: MANNESMANN Aktiengesellschaft
D-40027 Düsseldorf (DE)

(72) Erfinder:
  • Zebrowski, Dietmar, Dipl.-Ing.
    D-4172 Straelen 2 (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Kühlverfahren und Kühlvorrichtung für langgestrecktes, heisses Metallgut, insbesondere für stranggegossene Knüppel- bzw. Bloomstränge


    (57) Bei einem derartigen Kühlverfahren für langgestrecktes, heißes Metallgut, insbesondere für stranggegossene Knüppel- bzw. Bloomstränge aus Stahl, erfolgt eine gesteuerte Wärmeabfuhr durch Aufsprühen eines oder mehrerer Medien. Beim Stranggießen wird einerseits eine schnelle Strangschalenbildung zur Festigung des im Inneren noch flüssigen Stranges angestrebt, und andererseits sollen bestimmte Gefügeeigenschaften erzielt werden.
    Gemäß dem Stand der Technik ist bei einer solchen Spritzkühlung der zur Oberfläche des zu kühlenden Körpers senkrecht gerichtete Impuls der Kühlflüssigkeit merklich größer als der Impuls bei einer parallel zur Oberfläche anströmenden Kühlflüssigkeit. Diese Technik hat eine oft schroffe Kühlung von kreis- oder ellipsenförmigen Bereichen der Metallgut-Oberfläche zur Folge.
    Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird vorgeschlagen, daß das Kühlmedium bzw. die Kühlmedien in Spnihstrahlen parallel zur Metallgut-Längsachse aufgebracht werden und daß jeder Sprühstrahl von der Düsenöffnung ausgehend entsprechend der von der Düse aus Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie umgewandelten Sprühstralgeschwindigkeit derart der Metallgut-Oberfläche angenähert wird, daß mit einer höheren Sprühstrahlgeschwindigkeit ein kleinerer Neigungswinkel und mit einer geringeren Sprühstrahigeschwindigkeit ein größerer Neigungswinkel zur Metallgut-Oberfläche verbunden ist.


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft ein Kühl verfahren und die zugehörige Kühlvorrichtung für langgestrecktes, heißes Metallgut, insbesondere für stranggegossene Knüppel- bzw. Bloomstränge aus Stahl, bei dem durch Aufsprühen eines oder mehrerer Medien eine gesteuerte Wärmeabfuhr erfolgt.

    [0002] Derlei Kühlverfahren bzw. Kühlvorrichtungen dienen der gesteuerten Kühlung beim Abkühlen von Metallgut, wie beispielsweise Stranggußmaterial, Walzprodukte und dgl., wobei einerseits eine schnelle Strangschalenbildung zur Festigung des im Inneren noch flüssigen Stranges angestrebt wird und andererseits bestimmte Gefügeeigenschaften erzielt werden sollen.

    [0003] Es ist bekannt (Aufsatz "Der Wärmeübergang beim Spritzkühlen heißer Stahloberflächen - eine Schrifttumsübersicht zum Stand der Kenntnisse" aus "Stahl und Eisen" 96 (1976) Nr. 4, 26. Febr. 1976, Seiten 165 bis 168), beim Kühlen von Stranggußbrammen bzw. Stranggußknüppein zur Regelung bzw. Steuerung einer vorgegebenen Abkühlungskurve des jeweiligen erwünschten Metallgefüges einen Kühlstreifen quer über die Breite des langgestreckten Metallgutes zu beaufschlagen. Die Streifenbreite ergibt sich hierbei aus den nebeneinanderliegenden Spritzbereichen von Vollkonusdüsen (kreisförmiger Spritzbereich) oder von Flachstrahldüsen (ovalförmiger Spritzbereich). Derartige Kühlstreifen befinden sich zwangsweise zwischen jeweils zwei Stützelementen, die einen Zwischenraum für die Düsen freihaltend in Abständen das Metallgut führen bzw. fördern. Die Anordnung von Stützelementen in einem Mindestabstand, der gerade noch einen Raum für die Düsen und deren Zuleitungsrohre beläßt, stellt auf dem Gebiet der Metallgut-Kühlung eine festumrissene Technik dar, an der Eingriffe oder Abänderungen unmöglich erscheinen.

    [0004] Der mit der senkrechten Beaufschlagung verbundene Nachteil besteht in einer schroffen Kühlung der Metallgut-Oberfläche. Gemäß dem Stand der Technik ist bei einer solchen Spritzkühlung der zur Oberfläche des zu kühlenden Körpers senkrecht gerichtete Impuls der Kühlflüssigkeit merklich größer als der Impuls bei einer parallel zur Oberfläche anströmenden Kühlflüssigkeit. Die beiden Arten der Spritzkühlung, die Sprühdüsenkühlung und die Laminarkühlung unterscheiden sich vor allem durch die Auftreffart des Wassers. Bei der Sprühdüsenkühlung zerfällt der Wasserstrahl in sehr viele kleine Tröpfchen, die, über eine größere Auftrefffläche verteilt, den zu kühlenden Körper erreichen. Diese Technik hat, wie bereits ausgeführt, eine oft schroffe Kühlung von kreis- oder ellipsenförmigen Bereichen der Metallgut-Oberfläche zur Folge. Bei der Laminarkühlung trifft ein geschlossener Wasserstrahl mit kleiner Auftrefffläche ebenfalls senkrecht den zu kühlenden Körper. Das auftreffende Wasser fließt parallel zur Oberfläche als Kanalströmung ab.

    [0005] Bei einer Einstoff-Kühlung (großer Tropfendurchmesser) und auch bei einer Zweistoff-Kühlung (kleiner Tropfendurchmesser) werden durch den zur Metallgut-Oberfläche senkrechten Impuls momentan große Wärmemengen abgeführt, die zu örtlichen Unterkühlungen und damit zu Wännespannungen, d. h. zur Gefahr der Rißbildung an der Oberfläche bzw. im oberflächennahen Bereich führen.

    [0006] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Voraussetzungen für eine verbesserte Kühlung zu schaffen. Insbesondere soll die Regelbarkeit des Kühlverfahrens verbessert werden, indem die Kühlmedienverteilung auf der Metallgut-Oberfläche vergleichmäßigt wird, ohne ein schroffes Kühlverhalten zu erzeugen. Mit der Verbesserung des Kühlverfahrens soll außerdem die Kühlvorrichtung vereinfacht werden.

    [0007] Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Kühlmedium bzw. die Kühlmedien in Sprühstrahlen parallel zur Metallgut-Längsachse aufgebracht werden und daß jeder Sprühstrahl von der Düsenöffnung . ausgehend entsprechend der von der Düse aus Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie umgewandelten Sprühstrahlgeschwindigkeit derart der Metallgut-Oberfläche angenähert wird, daß mit einer höheren Sprühstrahlgeschwindigkeit ein kleinerer Neigungswinkel und mit einer geringeren Sprühstrahlgeschwindigkeit ein größerer Neigungswinkel zur Metallgut-Oberfläche verbunden ist. Dadurch wird die Wärmeabfuhr in der Weise geregelt, daß der Wärmeentzug über eine größere Fläche als bisher gleichmäßig erfolgt und leicht den Abmessungen und den Eigenschaften des Metallgutes angepaßt werden kann. Anders als beim senkrechten Beaufschlagen gelangt das Kühlmedium gemäß der Erfindung nach Belieben intensiv oder weniger intensiv auf die Oberfläche des Metallgutes, ohne eine schroffe Abkühlung zu bewirken. Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem für ungleich intensiv zu kühlende Seiten des Metallgut-Querschnitts vorteilhaft anwendbar. Diese vorteilhafte Anwendung ergibt sich insbesondere auch für gebogene Stränge. Es versteht sich von selbst, daß für die Anwendung des Verfahrens geeignete, größere Abstände der Stützelemente in Stranggießvorrichtungen vorzusehen sind, währenddem beim Abkühlen von Blechen in Walzwerken keine besonderen Maßnahmen zu treffen sind.

    [0008] Die Kühlvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist sodann derart gestaltet, daß pro Querschnittsseite des Metallgutes zumindest eine Düse vorgesehen ist, daß ferner die einen Sprühstrahl erzeugenden Düsen jeweils gegen die Metallgut-Oberfläche in begrenztem Winkel geneigt in Richtung der Metallgut-Längsachse angeordnet sind und daß die um den Metallgut-Querschnitt im wesentlichen in einer Ebene angeordneten Düsen jeweils mindestens eine gesteuerte Kühlzone innerhalb der Metallgutlänge bilden. Diese Maßnahmen vermindern den Aufwand für eine Kühlvorrichtung erheblich, so daß eine Vereinfachung der Kühlvorrichtung erzielt wird.

    [0009] Es versteht sich von selbst, daß beim Abkühlen von Blechen im Walzwerksbau an den Stirnseiten des Querschnitts keine Düsen erforderlich sind.

    [0010] Nach der weiteren Erfindung ist vorgesehen, daß die Neigung des Sprühstrahls gegen die Metallgut-Oberfläche ca. 5 bis 60' beträgt. Diese Lehre vermittelt die Grenzen, in denen das Verfahren mit großer Effizienz einsetzbar ist.

    [0011] Nach einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Düsen mit ihrem Sprühstrahl entgegen der Metallgut- Abzugsrichtung gerichtet angeordnet sind. Dadurch kann auf der Oberfläche des Metallgutes unerwünschtes, sich bewegendes und angesammeltes Kühlmedium vermieden werden.

    [0012] Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung besteht darin, daß die Düsen mit ihrem Sprühstrahl mit wechselndem Richtungssinn, bezogen auf die Metallgut-Längsachse angeordnet sind. Diese Maßnahme dient der gezielten Bildung von geregelten und leicht steuerbaren Kühlzonen, in denen von festen Werten ausgegangen werden darf.

    [0013] Ein anderes Merkmal der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung besteht darin, daß jeder Kühlzone zumindest ein den Metallgut-Querschnitt umgebender, mit einer Versorgungsquelle für Kühlmedien in Verbindung stehender hohler Ring zugeordnet ist, an den die Düsen angeschlossen sind. Anstelle einer Vielzahl bisher verwendeter Düsenringe ist gemäß der Erfindung für jede Kühlzone nur noch ein einziger hohler Ring erforderlich, um die Kühlmedien zuzuführen. Diese Maßnahme dient daher ebenfalls der Vereinfachung der Kühlvorrichtung.

    [0014] Eine andere Verbesserung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ergibt sich dadurch, daß für jeden der hohlen Ringe eine getrennte Versorgungsquelle vorgesehen ist. Diese Maßnahme gestattet, mehrere unterschiedliche Kühlmedien zuzuführen, um beispielsweise das Verfahren der Zweistoff-Kühlung auszuführen.

    [0015] Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist außerdem dahingehend weitergebildet, daß die Versorgungsquelle als Sammelschiene ausgebildet ist, an der die hohlen Ringe befestigt sind. Hierbei werden sämtliche hohlen Ringe durch jeweils eine Sammelschiene mit einem Kühlmedium versorgt.

    [0016] Ein zusätzliches Merkmal der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist ferner dadurch gegeben, daß zumindest einer der Düsen Leitvorrichtungen für den austretenden Sprühstrahl zugeordnet sind. Die Leitvorrichtungen dienen der Angleichung der Sprühstrahlen an das zu kühlende Metallgut.

    [0017] Die Kühlvorrichtung ist schließlich dahingehend ausgebildet, indem die Düsen für Kühlmedien unterschiedlicher Aggregatzustände ausgebildet sind. Eine solche Düse kann demzufolge mit Einrichtungen für die Tröpfchen-Bildung und/oder mit solchen Einrichtungen für die Zuführung unterschiedlicher Kühlgase ausgerüstet sein.

    [0018] Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

    [0019] Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Draufsicht auf einen kontinuierlich erzeugten Bloom-Strang, der sowohl auf einer Bogenstranggußanlage, einer Senkrechtstranggußanlage, einer Abbiegestranggußanlage oder auf einer Horizontalstranggußanlage gegossen werden kann. In der gezeigten Anordnung kann selbstverständlich langgestrecktes, heißes Metallgut, wie z. B. Walzblech, Walz-Stabprofile, im Stranggußverfahren gegossene Brammenstränge oder Knüppelstränge, gekühlt werden.

    [0020] Das Metallgut 1 besteht aus gegossenem Stahl und bewegt sich aus einer weiter nicht dargestellten Stranggießkokille in Abzugsrichtung 2, die durch einen Pfeil dargestellt wird. Die Darstellung eines Gußstranges aus Stahl ist derart gewählt, daß sowohl ein senkrecht abgezogener Gußstrang als auch ein waagerecht verlaufender Gußstrang oder ein gebogener Gußstrang in der Zeichnung erblickt werden können. Die zwischen den Kühlzonen 3 und 4 vorhandenen, jedoch nicht in allen Fällen erforderlichen Stützelemente sind nicht mehr dargetellt. Am Beginn jeder Kühlzone 3 bzw. 4 sind ein oder mehrere hohle Ringe 5a, 5b angeordnet, die im Ausführungsbeispiel für zwei Kühlmedien ausgestaltet sind. Der hohle Ring 5a umgibt das Metallgut 1, das bei einem rechteckförmigen Gußstrang je zwei Querschnittsseiten 6a und 6b aufweist. Für die Kühlung einer Querschnittsseite - falls diese erfindungsgemäß gekühlt werden soll - ist pro Querschnittsseite 6a bzw. 6b jeweils eine Düse 7a, 7b und 7c vorgesehen, die jeweils einen Sprühstrahl 8 erzeugen. Die Sprühstrahlen 8 sind jeweils unter einem bestimmten flach geneigten Winkel gegen die Metallgut-Oberfläche la gerichtet. Hierbei sind die Düsen 7a, 7b, 7c außerdem parallel zur f4etallgut-Längsachse 1b ausgerichtet. Die Düsen 7a, 7b, 7c sind aber zusätzlich pro Kühlzone 3 bzw. 4 auch in der Ebene des Metallgut-Querschnitts 6 ausgerichtet, so daß eine Anzahl von Kühlzonen 3 bzw. 4 innerhalb der Metall gutl änge gebil det wird.

    [0021] Der hohle Ring 5a ist nunmehr mit einem Rohrbogen 9 verbunden, der selbst an eine der Düsen 7a, 7b, 7c angeschlossen ist. Außerdem ist der Rohrbogen 9 über den hohlen Ring 5a an die Sammelschiene 10 angeschlossen, in der ein Kühlmedium 11 (z.B. Wasser) zugeführt wird.

    [0022] In analoger Gestaltung ist der hohle Ring 5b an die Sammelschiene 12 angeschlossen, in der ein weiteres Kühlmedium 13 (z. B. Luft) zugeführt wird. Beide Kühlmedien 11 und 13 werden innerhalb der Düsen 7a, 7b, 7c gemischt. Je nach dem herrschenden Druck in den Sammelschienen 10 bzw. 12, der zwischen 2 und etwa 10 bar betragen kann, wird die Druckenergie in den Düsen 7a, 7b, 7c in Geschwindigkeitsenergie umgeformt, nach der sich die mögliche Reichweite einer der Kühlzonen 3 oder 4 richtet. Weil die Querschnittsseiten 6a weniger Kühlung erfordern, sind die Sprühstrahlen 8 dort bei entsprechender Bemessung der Düsenöffnungen stärker geneigt eingestellt als dies bei dem Sprühstrahl 8 der Düse 7c und der Querschnittsseite 6b der Fall ist, wo eine geringere Neigung des Sprühstrahls 8 gewählt ist. Vorteilhafte Neigungswinkel (Winkel zwischen der Metallgut-Oberfläche la und der Mittelachse des Sprühstrahls 8) liegen zwischen 5˙minimal und 60* maximal.

    [0023] Wie gezeichnet, ist es an schrägen Metallgut-Oberflächen la vorteilhaft, daß die Düsen 7a, 7b, 7c mit ihren Sprühstrahlen 8 in der Kühlzone 3 entgegen der Metallgut-Abzugsrichtung 2 liegen, um das Abfließen des sogenannten Laufwassers zu steuern. Es ist daher auch wie gezeichnet vorgesehen, in den Kühlzonen 3 und 4 die Düsen 7a, 7b, 7c mit pro Kühlzone wechselndem Richtungssinn anzuordnen.

    [0024] Jeder der hohlen Ringe 5a, 5b kann auch mit einer weiter nicht dargestellten, getrennten Versorgungsquelle (z.B. Sammelschienen 10,12) ausgerüstet sein, um Druck und Menge des Kühlmediums bzw. der Kühlmedien individuell zu regeln.

    [0025] Jeweils nach den Kühlmedium-Kombinationen oder auch bei Anwendung selbständiger Kühlmedien sind den Düsen 7a, 7b, 7c Leitvorrichtungen 14a, 14b, 14c usw. zugeordnet, die an den Sammelschienen 10 bzw. 12 befestigt sind.

    [0026] Die von den Düsen 7c erzeugten Sprühstrahlen 8 schlagen sich wie gezeichnet in den Beaufschlagungsflächen 15 nieder, die von deren Enden abgesehen im wesentlichen rechteckige Flächen bilden, wodurch eine sehr gleichmäßige Kühlung des Metallgutes 1 erzielt werden kann. Gleichzeitig stellen die Einstellung des Neigungswinkels zwischen 5˙und 60' zur Metallgut-Oberfläche la sowie selbstverständlich Drücke und Mengen der Kühlmedien 11 bzw. 13 Parameter für die Einstellung der Kühlungsintensität dar.


    Ansprüche

    1. Kühlverfahren für langgestrecktes, heißes Metallgut, insbesondere für stranggegossene Knüppel- bzw. Bloomstränge aus Stahl, bei dem durch Aufsprühen eines oder mehrerer Medien eine gesteuerte'Wärmeabfuhr erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Kühlmedium bzw. die Kühlmedien in Sprühstrahlen parallel zur Metallgut-Längsachse aufgebracht werden und daß jeder Sprühstrahl von der Düsenöffnung ausgehend entsprechend der von der Düse aus Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie umgewandelten Sprühstrahlgeschwindigkeit derart der Metallgut-Oberfläche angenähert wird, daß mit einer höheren Sprühstrahlgeschwindigkeit ein kleinerer Neigungswinkel und mit einer geringeren Sprühstrahlgeschwindigkeit ein größerer Neigungswinkel zur Metallgut-Oberfläche verbunden ist.
     
    2. Kühlvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß pro Querschnittsseite (6a,6b) des Metallgutes (1) zumindest eine Düse (7a,7b,7c) vorgesehen ist, daß ferner die einen Sprühstrahl (8) erzeugenden Düsen (7a,7b,7c) jeweils gegen die Metallgut-Oberfläche (la) in begrenztem Winkel geneigt in Richtung der Metallgut-Längsachse (lb) angeordnet sind und daß die um den Metallgut-Querschnitt (6) im wesentlichen in einer Ebene angeordneten Düsen (8) jeweils eine gesteuerte Kühlzone (3,4) innerhalb der Metallgutlänge bilden.
     
    3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Neigung des Sprühstrahls (8) gegen die Metallgut-Oberfläche (la) ca. 5 bis 60˙beträgt.
     
    4. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Düsen (7a,7b,7c) mit ihrem Sprühstrahl (8) entgegen der Metallgut-Abzugsrichtung (2) gerichtet angeordnet sind.
     
    5. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Düsen (7a,7b,7c) mit ihrem Sprühstrahl (8) mit wechselndem Richtungssinn bezogen auf die Metallgut-Längsachse (lb) angeordnet sind.
     
    6. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß jeder Kühlzone (3,4) zumindest ein den Metallgut-Querschnitt (6) umgebender, mit einer Versorgungsquelle (10;12) für Kühlmedien in Verbindung stehender hohler Ring (5a,5b) zugeordnet ist, an den die Düsen (8) angeschlossen sind.
     
    7. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet-,
    daß für jeden der hohlen Ringe (5a,5b) eine getrennte Versorgungsquelle (10,12) vorgesehen ist.
     
    8. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Versorgungsquelle als Sammelschiene (10,12) ausgebildet ist, an der die hohlen Ringe (5a,5b) befestigt sind.
     
    9. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest einer der Düsen (7a,7b,7c) Leitvorrichtungen (14a,14b,14c usw.) für den austretenden Sprühstrahl (8) zugeordnet sind.
     
    10. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Düsen (7a,7b,7c) für Kühlmedien (11,13) unterschiedlicher Aggregatzustände ausgebildet sind.
     




    Zeichnung