DE3129254C1

DE3129254C1 - Vorrichtung zur Kuehlung der bewegten Oberflaeche eines Festkoerpers

Info

Publication number: DE3129254C1
Application number: DE3129254A
Authority: DE
Inventors: Carl Prof. Dr.-Ing. Kramer; Günther Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen Woelk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-24
Filing date: 1981-07-24
Publication date: 1983-01-27
Also published as: CH648865A5; IT8267939A0; GB2103251B; IT1155572B; GB2103251A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers.

Bei der Veredelung von Metall-Halbzeugen, insbesondere Blechen und Platten, werden oft hohe Abkühlgeschwindigkeiten benötigt. So müssen beispielsweise zur Vergütung von hochfesten Leichtmetall-Blechen und -Platten Abkühlgeschwindigkeiten von weit mehr als 100°C/s erreicht werden. Die Erzielung so hoher Abkühlgeschwindigkeiten setzt sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten voraus, also Koeffizienten im Bereich von einigen 1000 W/(m² ° K).

Bei solchen Kühlvorrichtungen reicht deshalb in aller Regeldas Beblasen mit kaltem Gasstrahl, zum Beispiel Luft von Umgebungstemperatur, nicht aus, sondern es muß eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, eingesetzt werden. Dabei wird die Kühlflüssigkeit zum Beispiel durch Sprühdüsen auf die zu kühlende Oberfläche des Festkörpers aufgespritzt, wie es aus der DE-OS 28 29 172 und der DE-OS 24 32 765 bekannt ist.

Weiterhin wird in dem Buch von Dipl.-lng. Heinrich Ruhfus »Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe«, veröffentlicht 1958 im Verlag Stahl Eisen mbH/Düsseldorf, Seite 379, 380 darauf hingewiesen, daß bei senkrecht auftreffendem Kühlmittelstrahl der Rückstrahl die Wirkung des auftretenden Strahls stört, so daß selbst bei stärkstem Wasserdruck keine lückenlose Abschreckung möglich ist und Dampfblasennester entstehen, die die Gleichmäßigkeit der Härteschicht beeinträchtigen. Demgegenüber bietet ein schräg zur Oberfläche auftreffender, flacher Wasserstrahl die Möglichkeit, die erwähnte Dampfblasenbildung zu verhindern. Bei einem bestimmten Wasserdruck muß auch eine bestimmte Schrägstellung der Düse eingehalten werden, um ein Zurückspritzen und damit eine nachteilige Wirbelbildung zu vermeiden.

Nachteilig ist bei den bekannten Kühlvorrichtungen, daß der Beginn der Abkühlung nicht scharf abgegrenzt werden kann, so daß es bei empfindlichen Produkten zu einer nicht zulässigen Vorkühlung mit kleinerer Abkühlgeschwindigkeit kommt, weil sich die Abkühlstelle nicht genau definieren läßt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers zu schaffen, die bei hoher Abkühlgeschwindigkeit den genau definierten, praktisch »sprunghaften« Beginn der Kühlwirkung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise: Durch Verwendung einer zur Oberfläche geneigt angeordneten Schlitzdüse, die einen Strahl aus einem Gas/Flüssigkeits-Gemisch auf die Oberfläche richtet, lassen sich hohe Abkühlgeschwindigkeiten erreichen; selbst bei Verwendung einer Schlitzdüse, die in einem Winkel von 45° zur Oberfläche des Festkörpers geneigt ist, ergibt sich jedoch eine starke Rückströmung entgegen der Transportrichtung; dies führt dazu, daß in Transportrichtung vor der eigentlichen Auftreffstelle des Strahls bereits eine nicht näher definierte Kühlwirkung auftritt.

Ordnet man nun an der von der Oberfläche des Festkörpers abgewandten Seite eine Coanda-Führungsfläche an, so entstehen durch den Coanda-Effekt Unterdruckkräfte an dieser Führungsfläche, die den Massenkräften ohne Entwicklung einer Rückströmung das Gleichgewicht halten, also die Rückströmung des Strahls entgegen der Transportrichtung zumindest stark verringert.

Durch entsprechende Justierung der Winkellage der Coanda-Führungsfläche läßt sieh die Rückströmung entgegen der Transportrichtung vollständig unterdrükken, d.h., die Kühlung beginnt an einem genau definierten Punkt, nämlich an der Hinterkante des auf die Oberfläche des Festkörpers auftreffenden Strahls, wie es für die Erzielung einer optimalen, genau definierten Kühlwirkung angestrebt wird.

Durch Berechnungen mit Hilfe des Impulssatzes ohne Berücksichtigung der Reibung läßt sich leicht zeigen, daß eine solche, genau definierte Kühllinie bei den üblichen Düsenneigungen und Abständen der Düse von der Oberfläche ohne Verwendung einer solchen Coanda-Führungsfläche nicht erreicht werden kann.

Ein ähnlicher Effekt läßt sich nur dann erzielen, wenn die Düse in einem sehr kleinen Winkel zur Oberfläche angeordnet ist; die dann entstehende, geringere Neigung hat jedoch den Nachteil, daß die Impulskomponente der Flüssigkeit senkrecht zur Oberfläche ebenfalls extrem gering wird, also nun die Kühlwirkung nicht ausreicht.

Durch Versuche kann weiter bestätigt werden, daß der mit Hilfe der Coanda-Führungsfläche geführte Gasstrom die Sekundärtröpfchen, die beim Aufprall der Flüssigkeit auf der Oberfläche entstehen, nahezu vollständig in der gewünschten Richtung, nämlich in der Transportrichtung, abtransportiert. Damit lassen sich also insgesamt einerseits extrem hohe Abkühlgeschwindigkeiten im Bereich von 240° C/s und andererseits der Beginn der Kühlwirkung zu einem genau definierten Zeitpunkt des Transportes des Festkörpers erreichen.

Durch die scharf linienförmig begrenzte Kühlwirkung kann auch eine definierte Lage der Kühllinie in bezug

auf die Orientierung des Festkörpers und seiner Bewegungsrichtung realisiert werden. Dadurch läßt sich das beim üblichen Abschrecken von dünnen Metallbändern und -blechen fast immer auftretende Beulen und Verwerfen vermeiden oder zumindest verringern. Das Beulen und Verwerfen ist nämlich darauf zurückzuführen, daß wegen Fehlens einer scharf begrenzten Kühllinie verschiedene Bereiche der Bänder und Bleche unterschiedlich abgekühlt werden und deshalb jeweils unterschiedliche Abkühlkontraktion haben, wobei die auftretenden Unterschiede rein statistisch, also vom Zufall bestimmt sind.

Durch eine Neigung des Beginns der Kühllinie gegenüber der Bewegungsrichtung des Festkörpers, beispielsweise bei Bandanlagen der Vorschubrichtung des Bandes, läßt sich eine definierte Abkühlkontraktion des Bandes erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. l.und

Fig.3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers mit pfeilförmiger Schlitzdüse.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zum Abkühlen der oberen, planen Oberfläche eines Festkörpers, beispielsweise eines in Richtung des Pfeils 12 bewegten Metallbandes oder -bleches, weist ein äußeres Rohr 9 für die Zuführung einer Gasströmung auf. In der Mitte des äußeren Rohrs 9 ist ein inneres Rohr 10 für die Zuführung der Flüssigkeitsströmung angeordnet. Das innere Rohr 10 weist Bohrungen 11 auf, aus denen die Flüssigkeit in Richtung einer an dem äußeren Rohr 9 angebrachten Schlitzdüse austritt und sich mit dem von dem Rohr 9 kommenden Gasstrahl vermischt. '

Im Zuströmbereich der Schlitzdüse 1 ist ein Leitgitter 2 eingebaut, dessen Teilung der Teilung der Bohrungen 11 entspricht, so daß jeweils durch einen Leitgitterkanal ein Flüssigkeitsstrahl hindurchtritt, ohne durch Einbauteile gestört zu werden.

Im Innern des Rohrs 10 für die Zuführung der Kühlflüssigkeil ist ein geschlitztes Rohr 13 z. B. aus Kunststoff angeordnet. Durch Drehen des Rohrs 10 in Richtung des Pfeils 14 um das innere, geschlitzte Rohr 13 können verschiedene Bohrungen in dem Rohr 10 in die Arbeitslage gebracht werden; dadurch wird auf einfache Weise eine Variation der abgegebenen Flüssigkeitsmenge durch Änderung der Bohrungsgröße im Rohr 10 für die Zuführung der Flüssigkeit möglich.

Die durch das Rohr 9 zugeführte Gasströmung und die aus den Bohrungen 11 des Rohrs 10 austretende Flüssigkeitsströmung mischen sich und strömen gemeinsam durch die Kanäle des Leitgitters 2 zu der Auslaßöffnung der Schlitzdüse 1, die sie als Gas/Flüssigkeits-Freistrahl 3 verlassen. Auf der von der zu kühlenden Fläche des Festkörpers 5 abgewandten Seite des Freistrahls 3 ist eine gekrümmte Führungsfläche 6 angeordnet, die mit einem Ende an der Schlitzdüse 1 angebracht ist, sich zunächst zum Strahl 3 hin durchbiegt und sich dann wieder von der Mittellinie des Strahls 3 entfernt.

Die Schlitzdüse 1 ist in einem Winkel von etwa 45' 5 zur planen Oberfläche des Festkörpers 5 bzw. zur Senkrechten auf der Oberfläche angeordnet.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 befindet sich die Schlitzdüse 1 über der Oberfläche, so daß auch die Führungsfläche 6 über dem freien Strahl 3 ίο angeordnet ist und zunächst in Richtung des freien Strahls 3 nach unten verläuft und dann in eine Richtung übergeht, die sich etwa tangential zur Oberfläche erstreckt.

Wird die Schlitzdüse unter der zu kühlenden Oberfläche angeordnet, was ohne Schwierigkeiten auch möglich ist, so müßte die Anordnung nur entsprechend umgekehrt werden.

Durch den Coanda-Effekt strömt das Gas an der Führungsfläche entlang, d. h., es hat die in F i g. 2 durch die Pfeile angedeutete Richtung, so daß es nicht mit dem Neigungswinkel der Schlitzdüse 1 auf die zu kühlende Oberfläche auftritt, sondern etwa tangential zur Oberfläche verläuft. Dabei werden die einzelnen Flüssigkeitströpfchen von dieser tangentialen Gasströmung mitgenommen, so daß praktisch die gesamte Flüssigkeit in Strömungsrichtung weiterfließt, sich also eine genau definierte, scharfe, linienförmige Abgrenzung 4 für den Beginn der Abkühlung ergibt. Dabei ist wesentlich, daß gemäß der Darstellung in Fig.2 die Kühlwirkung nur rechts von der Linie 4 beginnt, also der links von der Linie 4 befindliche Teil der Oberfläche praktisch ungekühit ist und deshalb nicht der oben erwähnten, nachteiligen, unkontrollierten Vorkühlung unterworfen wird.

Zwischen der oberen Abdeckung der Schlitzdüse 1 und der Führungsfläche 6 ist ein Spalt (siehe Fig.2) ausgebildet, durch den von dem freien Strahl 3 Sekundärluft angesaugt werden kann, wie in F i g. 1 durch das Bezugszeichen 8 und die zugehörigen Pfeile angedeutet ist

In Fig.3 ist eine Ausgestaltung dieser Abkühivorrichtung dargestellt, wie sie dann eingesetzt werden kann, wenn die bei der schnellen Abkühlung oft auftretenden Verwerfungen und Ausbeulungen des Kühlgutes vermieden oder zumindest verringert werden sollen. Zu diesem Zweck hat die Schlitzdüse 1 in Draufsicht die Form eines Pfeils, der in der Bewegungsrichtung 12 des Kühlgutes 5 spitz zuläuft. Dadurch haben auch die Begrenzungslinien 4 des Kühlbereichs so die Form eines in Bewegungsrichtung weisenden Pfeils. Selbstverständlich kann durch entsprechende Ausbildung der Schlitzdüse 1 auch eine andere Form, beispielsweise eine entgegengesetzte Pfeilung oder eine gekrümmte Korrektur der Abkühlungsabgrenzung 4, realisiert werden.

In Fig.3 ist in dem Diagramm unterhalb der in Draufsicht dargestellten Kühlgutoberfläche schematisch der Temperaturverlauf eingetragen, der sich längs der Linie 15 parallel zur Bewegungsrichtung des Kühlgutes 5 einstellt. Da es, wie erwähnt, zu keiner merklichen Vorkühlung kommt, ändert sich die Temperatur erst sprunghaft beim Durchfahren der Begrenzungslinie 4 durch das Kühlgut 5.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Kühlung der bewegten Oberfläche eines Festkörpers, gekennzeichnet durch eine zur Oberfläche geneigt angeordnete Schlitzdüse (1), die einen Strahl (3) aus einem Gas/Flüssigkeits-Gemisch auf die Oberfläche richtet, und bei der an der von der Oberfläche des Festkörpers abgewandten Seite eine konkav gekrümmte Coanda-Führungsfläche (6) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (1) in einem Winkel von 30 bis 60° zur Oberfläche angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Coanda-Führungsfläche (6) an der Schlitzdüse (1) angebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Düsenlippe (7) der Schlitzdüse (1) und der Coanda-Führungsfläche (6) ein Spalt für den Durchtritt einer durch den Strahl (3) induzierten Sekundärgasströmung (8) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (1) Pfeilform hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüse (1) in Bewegungsrichtung der Oberfläche (5) pfeilförmig zuläuft.