Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Abkühlen von Werkstücken

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines Werkstücks (1) in einer Kaltbox (3) unter Einsatz eines Kühlmediums, das über eine Zuführung (4) in die Kaltbox (3) eintritt und über eine oder mehrere Düsen (5) in einen Raum (10) zur Aufnahme des Werkstücks (1) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium ein flüssiges Gas oder ein Flüssiggasgemisch eingesetzt wird, dessen Verdampfungswärme zur Kühlung der Kaltbox (3) und/oder zur Kühlung der Werkstückoberfläche verwendet wird. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung der Vorrichtung für metallische Werkstücke.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines Werkstücks (1), wobei das Werkstück in eine Kühlzone eingebracht wird, welche an eine Kaltbox angrenzt, und wobei ein Kühlmedium über eine Zuführung (4) der Kaltbox zugeführt und über eine oder mehrere Düsen (5) von der Kaltbox in die Kühlzone geleitet wird.

[0002] Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Abkühlen eines Werkstücks mit einer einer Kaltbox mit einer Zuführung für ein Kühlmedium und einer oder mehreren Düsen und mit einer Kühlzone zur Aufnahme des Werkstücks.

[0003] Bekannt sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zum Abkühlen. Beispielsweise im Bereich der Wärmebehandlung werden seit Jahrhunderten eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zum Abkühlen und Abschrecken von Werkstücken eingesetzt. Geläufig ist z.B. das Abschrecken in Flüssigkeiten, wie Ölen, Wasser, Emulsionen oder anderen, das Abschrecken in Salzen oder mit Hilfe von Gasen. Gase werden herkömmlich in vielfältiger Form genutzt wie z.B. unter hohem Druck, wodurch die Fähigkeit des Gases Wärmeenergie zu transportieren erhöht wird. Mit dem gleichen Ziel werden Gase nach dem Stand der Technik mit hoher Relativgeschwindigkeit in Kontakt mit der heißen Oberfläche eines abzukühlenden Werkstücks gebracht. Gemäß einem relativ jungen Verfahren, dem sog. "Gasquenching", wird Gas unter hohem Druck und mit hoher Ausströmgeschwindigkeit mit der heißen Oberfläche des abzukühlenden Werkstücks in Kontakt gebracht.

[0004] Als nicht vorveröffentlichter Stand der Technik ist ein Abkühlverfahren für Rohre und andere Halbzeuge (z.B. Stäbe, Profile, Draht u.ä.) bekannt, bei dem die zu kühlenden Werkstücke, als Bündel oder auch einzeln, über ein formangepasstes Düsenfeld, über das Gas auf die Werkstücke geblasen wird, abgekühlt werden, während die Werkstücke durch das Düsenfeld bewegt werden. Dabei kann das Düsenfeld ebenso formangepasst eingehaust sein. Das Abkühlungsergebnis könnte jedoch noch besser sein, besonders für Werkstücke mit einer hohen Ausgangstemperatur von über 550°C.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Abkühlung von Werkstücken zur Verfügung zu stellen.

[0006] Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass das Werkstück in eine Kühlzone eingebracht wird, welche an eine Kaltbox angrenzt, und wobei ein Kühlmedium der Kaltbox zugeführt und über eine oder mehrere Düsen von der Kaltbox in die Kühlzone geleitet wird, wobei das Kühlmedium ein flüssiges Gas oder ein Flüssiggasgemisch umfasst, dessen Verdampfungswärme zur Kühlung der Kaltbox und/oder zur Kühlung der Werkstückoberfläche verwendet wird.

[0007] Erfindungsgemäß wird das über die Düsen in die Kühlzone eingeleitete Gas - im flüssigen oder gasförmigen Zustand - genutzt, um das Werkstück über Konvektion zu kühlen. Andererseits kühlt das Kühlmedium auch die Kaltbox, die an die Kühlzone angrenzt. Auf diese Weise wird der insbesondere bei hohen Temperaturen dominierende Wärmeübergang durch Strahlung verstärkt.

[0008] Als Kühlmedium wird vorzugsweise ein flüssiges Gas oder ein Gemisch aus Gasen in flüssiger und gasförmiger Form eingesetzt, dessen Verdampfungswärme zur Kühlung der Kaltbox und/oder zur Kühlung der Werkstückoberfläche verwendet wird. Die Umgebung des Werkstücks wird dabei auf eine Temperatur gebracht, die ein besonders effektives Abkühlen des Werkstücks ermöglicht. Besonders für den Fall, dass das Werkstück eine hohe Ausgangstemperatur von über 550°C aufweist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dem Vorherrschen der Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung, das in diesem Temperaturbereich gegenüber der Wärmeabgabe über Wärmetransport oder Konvektion vorliegt, Rechnung getragen werden.

[0009] Der Einsatz von flüssigem Gas oder oder eines Gemisches aus Gasen in flüssiger und gasförmiger Form weist zusätzlich zu der besonders vorteilhaft niedrigen Temperatur, die damit erreicht wird, die Vorteile eines sauberen, umweltfreundlichen Prozesses auf, in dem auf eine Nachreinigung des Werkstücks verzichtet werden kann, keine prozessbedingte Korrosion auftritt und der Prozessablauf aufgrund der guten Dosierbarkeit des Kühlmediums gut steuerbar ist. Insgesamt steht ein höchst effektives Abkühlungsverfahren in einer Vorrichtung mit lediglich geringer räumlicher Ausdehnung zur Verfügung.

[0010] Bevorzugt wird das flüssige Gas oder das Flüssiggasgemisch in der Kaltbox ganz oder teilweise verdampft, wobei die Verdampfungswärme ganz oder teilweise zur Kühlung der Kaltbox verwendet wird.

[0011] Alternativ oder zusätzlich wird das flüssige Gas oder ein Gemisch aus Gasen in flüssiger und gasförmiger Form vorteilhaft ganz oder teilweise direkt auf der Werkstückoberfläche durch Verdampfung wirksam, wobei die Verdampfungswärme ganz oder teilweise zur Kühlung der Werkstückoberfläche verwendet wird.

[0012] Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Werkstück durch die Kühlzone bewegt, wobei die Kühlzone der Form des Werkstücks angepasst ist, so dass das Kühlmedium einerseits hinreichend lange in der Kühlzone verbleibt, damit die Werkstückoberfläche ausreichend Wärme an das Kühlmedium abgeben kann und andererseits das nun aufgeheizte Kühlmedium mit hoher Geschindigkeit die Kühlzone verlässt.

[0013] Bevorzugt wird das flüssige Gas oder ein Gemisch aus Gasen in flüssiger und gasförmiger Form mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in die Kühlzone eingebracht.

[0014] Besonders bevorzugt wird als flüssiges Gas flüssiger Stickstoff, flüssiger Wasserstoff , flüssiges Helium oder flüssiges Argon eingesetzt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als Flüssiggasgemisch eine Gemisch aus zwei oder mehr der vorstehend genannten flüssigen Gase eingesetzt.

[0015] Mit besonderem Vorteil werden dem flüssigen Gas oder dem Flüssiggasgemisch eine oder mehrere weitere Komponenten zugesetzt. Beispielsweise werden dem flüssigen Gas oder Flüssiggasgemisch Kohlendioxid und/oder Methan beigemischt.

[0016] Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Abkühlen eines Werkstücks mit einer Kaltbox mit einer Zuführung für ein Kühlmedium und einer oder mehreren Düsen und mit einer Kühlzone zur Aufnahme des Werkstücks gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zuführung und die Düse(n) für die Einleitung von flüssigem Gas oder einem Flüssiggasgemisch geeignet ausgebildet sind.

[0017] Bevorzugt ist die Kaltbox als Einrichtung zur Verdampfung des flüssigen Gases oder des Flüssiggasgemisches vorgesehen.

[0018] Besonders bevorzugt ist die Kaltbox der Form des Werkstücks (1) angepasst ausgebildet, so dass lediglich ein sehr geringer Abstand zwischen den Düsen für das Kühlmedium und der Werkstückoberfläche vorgesehen ist. Die Kaltbox und die Kühlzone grenzen von Vorteil aneinander an, so dass einerseits das über die Düsen aus der Kaltbox austretende Kühlmedium schnell mit dem Werkstück in Wärmeaustausch tritt und andererseits die von dem Werkstück ausgehende Wärmestrahlung von der Kaltbox aufgenommen wird. Die Kaltbox ist hierzu vorzugsweise so ausgebildet, dass diese das Werkstück an mehreren Seiten umgibt.

[0019] Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kaltbox in zwei oder mehr Kaltboxabschnitte unterteilt, die jeweils durch einen Spalt im Düsenbereich voneinander beabstandet sind.

[0020] Desweiteren ist die Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Abkühlung metallischer Werkstücke, insbesondere zur Abkühlung von Rohren oder anderen Halbzeugen wie Stäben, Profilen oder Draht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

[0021] Die Erfindung bietet ein höchst effektives Abkühl- oder Abschreckverfahren, insbesondere für heiße Metallteile. Bei hohen Temperaturen erfolgt die Wärmeübertragung hauptsächlich durch Wärmestrahlung. Erfindungsgemäß wird die Kaltbox durch das zugeführte Flüssiggas auf niedriger Temperatur gehalten. Unmittelbar angrenzend an die Kaltbox befindet sich die Kühlzone zur Aufnahme des Werkstücks. Die Temperaturdifferenz zwischen der Werkstückoberfläche und der Kaltbox wird durch die Kühlung der Kaltbox maximiert, so dass eine optimale Abkühlung durch Strahlung erfolgt. Zudem wird das Kühlmedium durch Düsenöffnungen in der Kaltbox auf die Werkstückoberfläche geführt. Diese Strömung bewirkt eine zusätzliche Abkühlung durch Konvektion. Insgesamt bietet die Erfindung damit eine besonders effiziente Ausnutzung der verschiedenen Wärmeübertragungsmechanismen.

[0022] Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kaltbox mit Werkstück,

Fig. 2

eine schematische Dastellung einer erfindungsgemäßen Kaltbox, die in drei Kaltboxabschnitte unterteilt ist und

Fig. 3

eine schematische Schnittdarstelltung der Fig. 2 entlang A-A.

[0023] Die Figur 1 zeigt ein Werkstück 1, hier ein Rohr 1, das entlang der durch den Pfeil 2 angezeigten Richtung durch die Kaltbox 3 bewegt wird, von der das Rohr 1 umhüllt wird. Die Kaltbox 3 ist der Form des Rohres 1 angepasst. Flüssiges Gas, hier z.B. flüssiger Stickstoff wird über die Zuführung 4 in die Kaltbox 3 kontinuierlich eingebracht. Je nach Erfordernis tritt über das Düsenfeld, das durch die Düsen 5 gebildet wird, das Gas noch als flüssiges Gas aus und wird unter Nutzung der Verdampfungswärme als sehr kaltes Kühlmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit auf der Oberfläche des Werkstücks 1 wirksam.

[0024] Im anderen Fall wirkt die Kaltbox 3 als Verdampfer. Die Verdampfungswärme wird in diesem Fall dann zum Abkühlen und Kalthalten der Kaltbox 3 genutzt.

[0025] Bei beiden Varianten hat die Kaltbox 3 annähernd die Temperatur des flüssigen Gases. Das bedeutet, dass die Temperaturdifferenz zwischen Werkstückoberfläche und Kaltboxoberfläche dauerhaft sehr groß ist und es zu einer entsprechenden Abkühlung des Werkstücks 1 über den Strahlungsmechanismus kommt, der wirksam durch den Wärmetransport infolge der ursprünglich sehr kalten Gasströmung 6 unterstützt wird.

[0026] Die Wirkung dieses Verfahrens kann so optimiert werden, dass die Obergrenze für die abgeführte Wärmemenge nicht mehr durch die zugeführte Menge an flüssigem Gas und dessen thermische Eigenschaften bestimmt wird, sondern der Wärmeleitungsmechanismus des Werkstücks 1 die Obergrenze vorgibt.

[0027] Für das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel können folgende beispielhaften Werte angegeben werden: Ein Stahlrohr 1 mit einem Durchmesser von 60 mm und einer Wanddicke von 3 mm wird mit einer Geschwindigkeit von von 5 m/s durch die Kaltbox 3 bewegt. Die Ausgangstemperatur des Stahlrohrs 1 beträgt 1050°C. Die Endtemperatur nach der Abkühlung beträt z.B. 700°C. Dieses Endergebnis wird durch den Einsatz von flüssigem Stickstoff als Kühlmedium in einer Menge von 300 kg/h und einem Einspeisedruck von 3 bar erreicht. Das Düsenfeld weist hierbei 20 Düsen 5 mit einem Durchmesser von je 3 mm auf. Die Gesamtlänge der Kaltbox 3 beträgt 1200 mm.

[0028] Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Figur 2. Hier ist die Kaltbox 3 in drei Kaltboxabschnitte 8 geteilt, zwischenen denen je über den Spalt 7 Gas in Form einer Gasströmung 6 austritt. Die Bewegung des Werkstücks erfolgt wieder in die durch den Pfeil 2 angezeigte Richtung. Das Werkstück 1 ist in diesem Beispiel ein Kupferprofil 1 mit einer größten Breite von 35 mm, das eine Strangpresse mit 100 m/min und einer Temperatur von 750°C verlässt. Die Endtemperatur nach der Abkühlung soll 200°C betragen. Das Kupferprofil 1 wird durch die in der Figur 2 dargestellte Vorrichtung bewegt und dabei mit Hilfe eines über die Zuführung 4 eingespeisten und über die Düsen 5 in den einzelnen Kaltboxabschnitten 8 abgegebenen Flüssiggasgemisches abgekühlt. Dabei kommt entweder flüssiges Helium oder als kostengünstigere Variante ein Gemisch aus 95% flüssigem Stickstoff und 5% gasförmigem Wasserstoff zum Einsatz. Der Gasverbrauch beträgt 350 kg/h.

[0029] Aufgrund der anderen Temperaturverhältnisse spielt in diesem Beispiel der Wärmetransport mit der Gasströmung 6 eine größere Rolle als in dem Beispiel der Figur 1. Um die Strömungsverhältnisse für die Gasströmung 6 zu optimieren und den Gasaustritt trotz engster Spalte 9 zu gewährleisten, wurde hier die Kaltbox 3 in drei Kaltboxabschnitte 8 geteilt. Die Abstände 7 zwischen den Kaltboxabschnitten 8 könne je nach den konkreten Erfordernissen verschiedener Anwendungsfälle verändert und optimiert werden.

[0030] Die Figur 3 zeigt eine Schnittdarstelltung der Fig. 2 entlang A-A. Hier ist besonders gut die dem Werkstück 1 angepasste Form der Kaltbox 3 bzw. des gezeigten Kaltboxabschnittes 8 zu erkennen, durch die die Düsen 5 vorteilhaft immer in einem gleichbleibend geringen Abstand 9 zur Werkstückoberfläche positioniert sind.

Ansprüche

1. Verfahren zum Abkühlen eines Werkstücks (1), wobei das Werkstück (1) in eine Kühlzone (10) eingebracht wird, welche an eine Kaltbox (3) angrenzt, und wobei ein Kühlmedium der Kaltbox (3) zugeführt und über eine oder mehrere Düsen (5) von der Kaltbox (3) in die Kühlzone (10) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium ein flüssiges Gas oder ein Flüssiggasgemisch umfasst, dessen Verdampfungswärme zur Kühlung der Kaltbox (3) und/oder zur Kühlung der Werkstückoberfläche (1) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gas oder das Flüssiggasgemisch in der Kaltbox (3) ganz oder teilweise verdampft wird, wobei die Verdampfungswärme ganz oder teilweise zur Kühlung der Kaltbox (3) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gas oder das Flüssiggasgemisch in der Kühlzone (10) ganz oder teilweise verdampft wird, wobei die Verdampfungswärme ganz oder teilweise zur Kühlung der Werkstückoberfläche verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) während der Abkühlung durch die Kühlzone (10) bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlzone (10) der Form des Werkstücks (1) angepasst ist, so dass das Kühlmedium lediglich einen sehr geringen Weg (9) zwischen der oder den Düsen (5), durch die das Kühlmedium eingeleitet wird, und der Werkstückoberfläche zurücklegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gas oder Flüssiggasgemisch mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in die Kühlzone (10) eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiges Gas flüssiger Stickstoff, flüssiger Wasserstoff , flüssiges Helium oder flüssiges Argon eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssiggasgemisch eine Gemisch aus zwei oder mehr der in Anspruch 7 genannten flüssigen Gase eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem flüssigen Gas oder dem Flüssiggasgemisch eine oder mehrere weitere Komponenten zugesetzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem flüssigen Gas oder Flüssiggasgemisch Kohlendioxid und/oder Methan beigemischt werden.

11. Vorrichtung zum Abkühlen eines Werkstücks (1) mit einer einer Kaltbox (3) mit einer Zuführung (4) für ein Kühlmedium und einer oder mehreren Düsen (5) und mit einer Kühlzone (10) zur Aufnahme des Werkstücks (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (4) und die Düse(n) (5) für die Einleitung von flüssigem Gas oder einem Flüssiggasgemisch geeignet ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltbox (3) als Einrichtung zur Verdampfung des flüssigen Gases oder des Flüssiggasgemisches vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltbox (3) der Form des Werkstücks (1) angepasst ausgebildet ist, so dass lediglich ein sehr geringer Abstand (9) zwischen den Düsen (5) für das Kühlmedium und der Werkstückoberfläche vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltbox (3) in zwei oder mehr Kaltboxabschnitte (8) unterteilt ist, die jeweils durch einen Spalt (7) im Düsenbereich voneinander beabstandet sind.

15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zur Abkühlung metallischer Werkstücke (1), insbesondere zur Abkühlung von Rohren oder anderen Halbzeugen wie Stäben, Profilen oder Draht.

Zeichnung