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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von zu kühlendem
Material, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Vorrichtung eignet sich sowohl zur Kühlung großflächiger Bleche, Profile, Flachstäbe und/oder
Metallbänder,
als auch in gleichem Maße zur
Kühlung
kleinerer Teile.
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Zur
Kühlung
von kontinuierlich an der Kühlvorrichtung
vorbei laufenden Walzerzeugnissen, insbesondere Metallerzeugnissen
werden verschiedene Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt.
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Gemeinsam
haben diese, dass entlang einer Kühlstrecke Kühlmittelstellglieder genutzt
werden, mit denen ein Kühlmedium,
z.B. Wasser, auf das zu kühlende
Material aufgebracht wird.
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Bekannte
Ausführungen
dieser Kühlmittelstellglieder
sind Sprühventile,
bei denen das Kühlmittel über Düsen mit
Hilfe von Druckluft zerstäubt
und als Nebel aufgebracht wird. Um hierbei eine gute Kühlwirkung
zu erzielen, muss mit einem sehr geringen Abstand der Düsen zum
Material gearbeitet werden, was technisch oft nur schwer realisierbar
ist. Weiterhin beeinträchtigt
der Nebel die Temperaturmessung des Materials. Darüber hinaus
sorgt die Pressluft bzw. der hohe Kühlmitteldruck, welcher zur Vernebelung
benötigt
wird, für
einen hohen Energiebedarf.
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Bei
Spritzventilen wird das Kühlmittel über Düsen aufgebracht.
Dabei wird das Kühlmittel
hier jedoch nicht als feiner Nebel, sondern als Hochdruckstrahlen
aufgebracht. Auch bei dieser Vorrichtung ist der Energiebedarf sehr
hoch, weil die Kühlmittelmenge
bei sehr hohem Druck bereitgestellt wer den muss. Zusätzlich üben die
Hochdruckstrahlen hohe Kräfte auf
das zu kühlende
Material aus.
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Des
Weiteren stellen Laminarventile in der Praxis sehr häufig angewandte
Kühlungsvorrichtungen
dar. Hier fließt
das Kühlmittel
durch viele nebeneinander angeordnete Rohre und gelangt als eine Reihe
von Wasserstrahlen auf das zu kühlende
Material. Da die Kühlwirkung
direkt unter den Wasserstrahlen jedoch stärker ist als zwischen zwei
benachbarten Wasserstrahlen kommt es zu einer unerwünschten
Streifenbildung auf dem Material. Durch einen umständlichen
Aufbau mit Klappen, welche das Kühlmittel
partiell umlenken und es auf diese Weise entweder auf das Material
oder daran vorbei leitet (Edgemasking), kann die Breite, über welche die
Kühlung
erfolgen soll, eingestellt werden.
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Wasservorhänge hingegen
bieten die Möglichkeit
Materialien sehr gleichmäßig und
mit hoher Wirkung abzukühlen.
Erzeugt werden sie durch eine meist kontinuierlich regelbare Wasserzuleitung über ein
Rohr, welches einen unterseitigen Schlitz aufweist. Durch den Einsatz
von Schiebern lassen sich zudem Schlitzbreite und damit auch die
Breite des Wasservorhangs variieren (Edgemasking). Der Schlitz ist üblicherweise
auf der Unterseite des Zuleitungsrohres angebracht, welches nach
dem Einschalten der Kühlung
gefüllt
werden muss. Die Ausbildung eines gleichmäßigen Vorhangs tritt erst ein, wenn
das Zuleitungsrohr vollständig
gefüllt
ist. Dies führt
stets zu einer Verzögerung
nach dem Einschalten des Systems. Auch beim Abschalten muss das Zuleitungsrohr
erst vollständig
entleert werden, um einen stabilen Zustand zu erreichen. Bei größerer Wassermenge
wirken außerdem
hohe Kräfte
auf das Transportband, was zu Transportproblemen bei der Kühlung von
dünnen
Bändern
mit gleichzeitig hoher Kühlleistung
führt.
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Aus
der
DE 43 35 710 A1 und
DE 35 37 508 C2 sind
Vorrichtungen zur differenzierten Abkühlung von Breitflacherzeugnissen
durch eine laminare flache Strömung
bekannt, welche zusätzliche
Verstellelemente, z. B. Verstellplatten und Andruckplat ten bzw.
Einlegplatten zur Einstellung der laminaren Strömung umfassen. Hierdurch ist
die Vorrichtung sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb sehr aufwändig und
kosten- und wartungsintensiv.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung
anzugeben, welche einfach aufgebaut ist und eine schnelle und gleichmäßige Kühlung bewirkt.
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Hinsichtlich
der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Kühlung
von zu kühlendem
Material, z. B. Bandstahl oder Blechen, umfasst einen Vorratsbehälter, welcher
an eine Kühlmittelversorgung
angeschlossen und ständig
mit Kühlmittel
befüllt
ist und an zumindest einer Behälterseite
eine Ablaufkante aufweist, über
welche das Kühlmittel
aus dem Vorratsbehälter
in Form eines weitgehend stabilen Kühlmittelvorhangs überläuft. Bei
einem derartig ausgebildeten Vorratsbehälter, der ständig bis
zur Höhe
der Ablaufkante mit Kühlmittel
gefüllt
ist, wird sichergestellt, dass beim Abschalten der Kühlmittelversorgung
weitgehend kein Kühlmittel
nachläuft,
da der Behälter
nicht geleert werden muss. Darüber
hinaus ist beim Einschalten der Kühlmittelversorgung sichergestellt,
dass der stabile Kühlmittelvorhang
weitgehend ohne Verzögerung
aufgebaut wird, da der Vorratsbehälter nicht gefüllt werden
muss. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlmittelvorhang, z. B. ein
Wasservorhang, durch Überlaufen
des Kühlmittels über die
Ablaufkante auf der Oberseite des Vorratsbehälters erzeugt. Dies ermöglicht eine über die
gesamte Bandmaterialbreite weitgehend gleichmäßige Kühlung bei gleichzeitig hoher
Kühlwirkung.
Gegenüber
einem Kühlmittelvorhang,
der durch aus einem Schlitz austretendes Kühlmittel gebildet ist, wie
dies im Stand der Technik bekannt ist, wird der Vorhang erfindungsgemäß durch
das Überlaufen
des Vorratsbehälters erzeugt.
Da ein stets gefüllter
Vorratsbehälter
in diesem Fall keinen ungewollten Kühlmittelaustritt zur Folge
hat, wird die Verzögerung,
welche nach dem Einschalten der Vorrichtung sonst mit dessen Befüllung verbunden
ist, sowie auch der Nachteil des nach dem Abschalten nachlaufenden
Kühlmittels
umgangen.
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Zweckmäßigerweise
weist zumindest die Behälterseite
mit der Ablaufkante gegenüber
den anderen Behälterseiten
eine geringere Höhe
auf. Somit wird ein Kühlmittelvorhang
in eine vorgegebene Richtung gebildet. Die gegenüber den anderen Behälterseiten
geringe Höhe
der Ablauf- oder Überlaufkante
ermöglicht
ein gleichmäßiges Überlaufen
und damit einen stabilen Wasservorhang. Je nach Kühlungsgrad
kann der Vorratsbehälter
beidseitig oder mehrseitig mit Ablaufkanten versehen sein. Vorzugsweise
wird die Vorrichtung quer zur Laufrichtung von kontinuierlich unter
der Vorrichtung vorbeilaufenden Materialien, z. B. Walzprodukte,
angeordnet. Dies ermöglicht
eine Kühlung
der Walzprodukte über
deren gesamte Breite. Bei zwei gegenüberliegenden Ablaufkanten,
die quer zur Laufrichtung und in Laufrichtung der Walzprodukte gesehen
hintereinander angeordnet sind, ist somit eine mehrstufige Kühlung ermöglicht.
Bei einer in Laufrichtung der Walzprodukte gesehen angeordneten
Ablaufkante ist eine streifenförmige
und gleichmäßige Kühlung über eine
vorgegebene Lauflänge,
die der Länge
der Ablaufkante entspricht, ermöglicht.
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Vorzugsweise
ist die Ablaufkante starr ausgebildet und verläuft weitgehend geradlinig.
Hierzu sind der Vorratsbehälter
und die Ablaufkante beispielsweise aus Edelstahl oder einem anderen
geeigneten Metall gebildet. Alternativ kann der Vorratsbehälter aus
Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein.
Die Ablaufkante ist zur Bildung eines Kühlmittelvorhangs durch überlaufendes Kühlmittel
beispielsweise abgerundet ausgebildet. Alternativ kann die Ablaufkante
flexibel, z. B. dehn- oder stauchbar, ausgebildet sein.
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In
einer möglichen
Ausführungsform
ist die Breite des Wasservorhangs einstellbar. Hierzu ist die Ablaufkante
vorzugsweise höhenverstellbar,
z. B. heb- und/oder senkbar bzw. dehn- und/oder stauchbar. Dabei ist die Vorrichtung
mit mindestens einem Stellglied erweiterbar, welches durch Einstellen
ver schiedener Höhen
der Ablaufkante eine Einstellung der Kühlmittelmenge über die
Bandbreite erlaubt. Beispielsweise wird durch eine bogenförmige Ablaufkante,
welche mittig eine niedrigere Höhe
aufweist als die Außenseite
der Ablaufkante, in der Mitte eine stärkere Kühlung bewirkt als außen, indem
mittig eine größere Kühlmittelmenge
als außenseitig überläuft. Somit
ist mittels der Stellglieder durch die Höhenverstellung auch die Kühlmittelmenge
einstellbar.
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Zweckmäßigerweise
ist die Ablaufkante an mehreren Stellen getrennt voneinander und/oder
gemeinsam höhenverstellbar.
Insbesondere bei einer flexiblen Ausgestaltung der Ablaufkante kann
durch Heben oder Senken eines oder mehrerer entlang der Ablaufkante
nebeneinander angeordneter Stellglieder in die Ablaufkante hinein
bzw. heraus, so dass diese verbogen oder gedehnt bzw. gestaucht
wird, die Höhe
der Ablaufkante über
deren gesamte Länge bzw.
abschnittsweise variieren. Alternativ können Steuerelemente, insbesondere
Strömungshindernisse,
von oben in die Kühlmitteloberfläche bzw.
den Kühlmittelvorhang
eingefahren werden. Hierdurch ist ebenfalls eine Steuerung der Kühlmittelmenge
und der Breite des Kühlmittelvorhangs
ermöglicht.
Vorzugsweise sind das oder die Steuerelemente vor der Ablaufkante,
auf der Ablaufkante, nach der Ablaufkante in die Kühlmitteloberfläche und/oder
direkt in den Kühlmittelvorhang
einfahrbar. Nachteilig dabei ist, dass dies zu Turbulenzen führen kann.
Zum Ausgleich dieser Turbulenzen kann die Ablaufkante mit einer
Verlängerung
versehen sein. Die Verlängerung kann
alternativ oder zusätzlich
zur Ablaufkante durch entsprechende Stellglieder geformt, insbesondere gestaucht,
gedehnt, verbogen und/oder verstellt werden, um die Form des Kühlmittelvorhangs
anzupassen bzw. zu ändern.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Ablaufkante in mindestens zwei Elemente geteilt. Dies ermöglicht eine
hohe Variabilität
und Flexibilität
in der Einstellung der Breite des Kühlmittelvorhangs und der Menge
des überlaufenden
Kühlmittels.
Zweckmäßigerweise
sind die Elemente synchron und/oder asynchron höhenverstellbar. Somit können je
nach Art und Grö ße des unter
der Vorrichtung vorbeilaufenden Materials einzelne Elemente geschlossen oder
geöffnet
werden, indem die Höhe
der Elemente variiert, so dass das Kühlmittel lediglich über diejenigen
Elemente abläuft,
die eine niedrige Höhe
aufweisen. Beispielsweise wird bei kleinen Walzprodukten lediglich
ein Element auf eine niedrige Höhe
eingestellt, so dass der Wasservorhang nur über die Breite des Elements
und nicht über
die gesamte Breite des Vorratsbehälters gebildet ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Ablaufkante
mit einer schräg
nach unten weisenden, Verlängerung
versehen. Durch die Verlängerung
ist unmittelbar nach der Ablaufkante eine Beruhigungsstrecke gebildet,
die eine Vergleichmäßigung der Kühlmittelströmung und
daraus resultierend einen stabilen Kühlmittelvorhang bewirkt. In
einer möglichen
Ausführungsform
ist die Verlängerung durch
einen abgekanteten Behälterseitenrand
der betreffenden Behälterseiten
des Vorratsbehälters
gebildet. Beispielsweise wird hierzu die betreffende Behälterseite
winklig nach außen
und unten abgebogen, so dass ein Kantenrand entsteht. Alternativ
kann die Verlängerung
als mindestens eine schwenkbare Klappe ausgebildet sein. Hierzu
ist die Behälterseite beispielsweise
unterteilt, wobei die obere Hälfte drehbar
gelagert ist und über
die gesamte Seitenlänge
seitlich nach außen
und unten abklappbar ist.
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Für eine stetige
Befüllung
des Vorratsbehälters
ist an diesen eine Kühlmittelversorgung
angeschlossen. Im Ruhezustand der Vorrichtung ist die Kühlmittelversorgung
abgeschaltet und der Vorratsbehälter
bis zur Höhe
der Ablaufkante mit Kühlmittel gefüllt. Im
bestimmungsgemäßen Betrieb
wird die Kühlmittelversorgung
eingeschaltet und der Vorrichtung Kühlmittel zugeführt, so
dass weitgehend ohne Verzögerung
das Kühlmittel über die
Ablaufkante übertritt
und der Kühlmittelvorhang
gebildet wird. Zweckmäßigerweise
ist dabei die Intensität
des Wasservorhangs durch Steuerung der Zulaufmenge des Kühlmittels
in den Vorratsbehälter
einstellbar.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird somit der Vorratsbehälter
im bestimmungsgemäßen Betrieb
ständig
mit Kühlmittel
befüllt,
so dass das Kühlmittel
an zumindest einer Behälterseite
des Vorratsbehälters über die
Ablaufkante in Form des weitgehend stabilen Kühlmittelvorhangs überläuft. Dabei kann
durch Einstellung der Höhe
der Ablaufkante die Breite des Kühlmittelvorhangs
variiert werden. Auch kann die abfließende Kühlmittelmenge variiert werden.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch ein über
eine oberseitige Ablaufkante abfließendes Kühlmittel ein stabiler Kühlmittelvorhang
gebildet ist, der über
die gesamte Breite der Ablaufkante oder abschnittsweise die Regelung
einer gleichmäßigen Kühlung von unter
diesem vorbeilaufenden Material, wie z. B. Bandstahl, Bandbleche,
Bandprofile, in einfacher Art und Weise und mit geringer zeitlicher
Verzögerung und
damit mit hoher Dynamik der Regelung ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
in perspektivischer Darstellung eine Kühlvorrichtung mit einem Vorratsbehälter und
zwei seitlichen Ablaufkanten zur Bildung von zwei Kühlmittelvorhängen, und
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2 schematisch
eine alternative Ausführungsform
für eine
Kühlvorrichtung
in Seitenansicht mit Stellglieder zur Höhenverstellung zumindest einer
Ablaufkante eines Vorratsbehälters.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Kühlung von unter dieser vorbeilaufenden
Materialien M, z. B. Walzprodukten, wie Bandstahl, Bandbleche, Bandprofile,
etc. Die Vorrichtung 1 wird im Weiteren kurz Kühlvorrichtung 1 genannt.
Dabei können
entlang einer Walzstrecke ein oder mehrere Kühlvorrichtungen 1 in
nicht näher
dargestellter Art und Weise quer zur Laufrichtung R und in Laufrichtung
R der Materialien M hintereinander angeordnet sein.
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Die
Kühlvorrichtung 1 umfasst
einen Vorratsbehälter 2.
Der Vorratsbehälter 2 ist
beispielsweise aus Edelstahl, Blech, Kunststoff oder einem anderen geeigneten
Material gefertigt. Auf der Unterseite des Vorratsbehälters 2 ist
eine Kühlmittelversorgung 4 angeschlossen, über welche
der Vorratsbehälter 2 mit
Kühlmittel
K, z. B. Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit, befüllt wird.
Je nach Art und Größe der Kühlvorrichtung 1 kann
der Boden des Vorratsbehälters 2 mit Öffnungen 6 versehen
sein, über
die das Kühlmittel
K von der Kühlmittelversorgung 4 in
den Vorratsbehälter 2 eintritt.
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Der
Vorratsbehälter 2 ist
mit zwei Ablaufkanten 8 versehen, über welche das Kühlmittel
K abfließt und
in Richtung auf das darunter vorbeilaufende Material M als ein stabiler
Kühlmittelvorhang
auftrifft. Die Ablaufkanten 8 sind auf denjenigen Behälterseiten 2.1 und 2.2 vorgesehen,
die quer zur Laufrichtung R angeordnet sind. Hierdurch liegen die
Ablaufkanten 8 in Laufrichtung R gesehen hintereinander
und ermöglichen
eine mehrstufige Kühlung
des Materials M. Da hierbei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels
K bei Auftreten auf das Material M unabhängig von der eingestellten
Menge praktisch konstant bleibt und der durch den Kühlmittelvorhang
entstehende Druck auf das Material M auf zwei Bandstellen in Laufrichtung
R verteilt werden kann, sind die auf das Transportband ausgeübten Kräfte geringer
als diejenigen, die bei Kühlmittel-
oder Wasservorhängen
auftreten, die durch einen Schlitz erzeugt werden. Dies hat den
Vorteil, dass es selbst bei der Kühlung dünner Metallbänder nicht
zu Transportproblemen kommt. Weiterhin entfällt das aufwändige Justieren
der Schlitzbreite, da nur die Ablaufkante 8 horizontal
ausgerichtet werden muss. Infolge der gleichmäßigeren Verteilung des Kühlmittels
K über die
gesamte Breite B der Ablaufkante 8 und somit über die
gesamte Breite des Transportbandes ergibt sich im Vergleich zu Laminarventilen
eine mindestens gleichwertige Kühlwirkung
bei gleicher Wassermenge.
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Alternativ
kann nur eine der Behälterseiten 2.1 oder 2.2 mit
einer Ablaufkante 8 versehen sein. Auch können die
anderen Seiten 2.3 und 2.4 als Ablaufkante 8 ausgebildet
sein.
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Zur
Beruhigung der Strömung
des über
die Ablaufkanten 8 fließenden Kühlmittels K können die Ablaufkanten 8 mit
einer Verlängerung 10 versehen sein.
Die Verlängerung 10 ist
beispielsweise als eine abgekantete Oberseite der betreffenden Seitenfläche 2.1 und 2.2 ausgebildet.
Hierzu wird beispielsweise die betreffende Seitenfläche 2.1 und 2.2 bei
einem aus Edelstahl oder einem Metallblech gebildeten Vorratsbehälter 2 randseitig
umgebogen. Alternativ kann die Verlängerung 10 in nicht
näher dargestellter
Art und Weise als Klappe drehbar an der Ablaufkante 8 angeordnet
sein und gegebenenfalls in vorgegebene Richtung abgeklappt und fixiert
werden. In diesem Ausführungsbeispiel
verläuft
die Ablaufkante 8 weitgehend geradlinig und ist starr ausgebildet.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
kann die Ablaufkante 8 flexibel ausgeführt sein. 2 zeigt
eine derartige Ausführungsform
für eine Kühlvorrichtung 1 mit
einem Vorratsbehälter 2 mit
flexibler Ablaufkante 8 in Seitenansicht. Unter einer flexiblen
Ablaufkante 8 wird insbesondere eine dehn- oder stauchbare
Ablaufkante 8, z. B. aus einem formelastischen oder biegsamen
Material, verstanden. Hierbei ist die Ablaufkante 8 an
mindestens einer oder bevorzugt an mehreren Stellen in der Höhe H höhenverstellbar.
Hierzu sind entlang der Ablaufkante 8 mehrere Stellglieder 12 vorgesehen,
die die Ablaufkante 8 in der Höhe verstellen. Mit Hilfe der
Stellglieder 12, z. B. herkömmlichen pneumatischen oder hydraulischen
Aktoren, insbesondere Aktoren mit Press- oder Biegestempeln, wird
die Ablaufkante 8 je nach Aufbau verbogen, gestaucht, gedehnt
und/oder verstellt. Durch die Höhenverstellbarkeit
der Ablaufkante 8 an einer oder mehreren Stellen kann die
Breite B und die Form des Kühlmittelvorhangs
sowie die Kühlmittelmenge
individuell und doch sehr einfach geändert und an das zu kühlende Material
angepasst werden. So gibt es keine Einschränkungen wie beim Edgemasking,
durch welches zwar am Rand, nicht jedoch in der Bandmitte die Kühlmittelmenge
eingestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich zur Verstellung der
Ablaufkante 8 kann auch die Verlängerung 10 flexibel
ausgeführt
sein. Beispielsweise kann die Verlängerung verbogen, gestaucht,
gedehnt und/oder verstellt werden, um den Kühlmittelvorhang entsprechend
einzustellen oder anzupassen.
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Auch
kann die Ablaufkante 8 in einer weiteren alternativen Form
(siehe gestrichelte Darstellung) in mehrere Elemente 8.1 bis 8.n unterteilt
sein, die separat und/oder gemeinsam höhenverstellbar sind, insbesondere
gehoben oder gesenkt werden können.
Sowohl die Stellglieder 12 zur Umformung der Ablaufkante 8 durch
Biegen oder Dehnen oder Stauchen als auch die heb- oder senkbaren
Elemente 8.1 bis 8.n können synchron oder asynchron
verstellt werden und somit die Form und Breite B des Kühlmittelvorhangs
sowie die Kühlmittelmenge
beeinflussen.