EP0513631B1 - Vorrichtung zum Kühlen eines flächenhaften Gutes, insbesondere eines Metallbandes - Google Patents

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EP0513631B1
EP0513631B1 EP92107559A EP92107559A EP0513631B1 EP 0513631 B1 EP0513631 B1 EP 0513631B1 EP 92107559 A EP92107559 A EP 92107559A EP 92107559 A EP92107559 A EP 92107559A EP 0513631 B1 EP0513631 B1 EP 0513631B1
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EP
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liquid
cooling
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liquid nozzles
disposed
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Carl Prof. Dr. Ing. Kramer
Bernd Konrath
Bernd Dr. Ing. Berger
Peter Reinthal
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Sundwiger Eisenhuette Maschinenfabrik GmbH and Co
Original Assignee
Sundwiger Eisenhuette Maschinenfabrik GmbH and Co
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    • 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
    • B21B45/0233—Spray nozzles, Nozzle headers; Spray systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B13/00—Metal-rolling stands, i.e. an assembly composed of a stand frame, rolls, and accessories
    • B21B13/14—Metal-rolling stands, i.e. an assembly composed of a stand frame, rolls, and accessories having counter-pressure devices acting on rolls to inhibit deflection of same under load; Back-up rolls
    • B21B13/147—Cluster mills, e.g. Sendzimir mills, Rohn mills, i.e. each work roll being supported by two rolls only arranged symmetrically with respect to the plane passing through the working rolls

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling a flat material, in particular a metal strip, with liquid nozzles arranged on both sides.
  • the task is to cool a flat material, such as a metal strip or a metal plate, as intensively as possible by applying a cooling liquid.
  • a cooling liquid for example, water is used as the coolant in the light metal industry when tempering strips and plates made of light metal alloys.
  • rolling strips of light metal alloys, heavy metal alloys or steel either rolling oil or a rolling emulsion is used as the cooling liquid.
  • large coolant volume flows are applied to the belt under high pressure in a known device by means of flat jet nozzles arranged in a maximum of three rows transverse to the belt running direction.
  • the object of the invention is to provide a device for cooling a flat material, with which a considerably higher cooling effect than with the flat jet nozzles according to the prior art can be achieved with a comparatively low output for the supply of the cooling liquid.
  • nozzles are full-jet nozzles, the nozzle pressure and nozzle diameter of which are matched to the distance from the surface of the material to be cooled and the thickness of the liquid layer which forms on this surface in such a way that rings there is an area with a flowing flow around the point of impact of the respective full liquid jet.
  • the full liquid jets at the exit speed from the nozzles hit the surface of the material to be cooled as impact jets, where they are deflected, an area with a flowing flow being established due to the high tangential speed. Because of the high flow velocity in this area, the cooling effect is extremely high. When the current is flowing, the flow velocity is higher than the wave propagation velocity. The due to the Since the layer height runs like a wave against the shooting flow, the higher liquid layer height that builds up at low flow velocity can only set up where the flow velocity of the shooting flow has dropped below the wave propagation speed.
  • a device 3, 4 for cooling the metal strip 2 is arranged in the outlet region of a roll stand 1 on both sides of a horizontally guided and to be cooled metal strip 2 coming from the roll stand. Both devices 3, 4 can be displaced in the strip running direction by means of means 5 - 8 only indicated in the drawing in order to be able to adjust their distance from the roll stand 1 and / or metal strip 2.
  • each device 3, 4 is a plate 9, 10, which is equipped with a plurality of full jet nozzles 11a, 11b, 12a, 12b, which over in the plates 9, 10 arranged channels 13a, 13b, 14a, 14b are supplied with a cooling liquid and from which a full liquid jet emerges as an impact jet perpendicular to the surfaces of the metal strip 2.
  • the plates 9, 10 are designed so that they take over the function of the otherwise required stable guide plates.
  • the full jet nozzles 13a, 13b, 14a, 14b are regularly distributed in the plate 9, 10, in particular at the corners of rows of rectangles, in particular squares, or triangles, so that outflow channels are formed between them.
  • outflow channels are designed as groove-like depressions 15 in the area between the nozzles to facilitate the outflow of the cooling liquid.
  • the full jet nozzles 11a, 11b, 12a, 12b are inserted in counterbores 16a, 16b, 17a, 17b, so that their end faces are set back against the surface of the plate 9, 10 and are thus protected from damage caused by tape contact are.
  • the distance of the nozzles 11a, 11b, 12a, 12b from the metal strip 2 increases in the direction of strip travel and the nozzle cross section becomes larger.
  • the flow field shown in FIG. 3 is formed on the surface of the metal strip 2.
  • the speed profile VP of the impact jet 18 does not change from the outlet from the nozzle 11 until it strikes the surface 2a of the metal strip 2 to be cooled, because practically none due to the large difference in density from the surrounding air Mixing of the coolant with the surrounding air takes place.
  • the spread of the liquid flow on the surface 2a is not noticeably influenced by mixing with the ambient air. Therefore, a shooting flow SS can form on the surface 2a as long as the cooling liquid flow has not yet been slowed down by the frictional effect on the surface below a speed V SS which is lower than the speed of propagation V w of an opposing wave.
  • an area SS of flow forms around the point of impact of each impact jet 18, that is to say around the primary storage zone.
  • a secondary accumulation zone SSZ is formed between the different areas, where the shooting currents meet and are deflected vertically by the surface 2a.
  • the coolant flows to the edges via these secondary accumulation zones SSZ. So that the cooling liquid flowing back from the secondary stowage zone onto the lower plate 10 does not hinder the impingement jets 18 emerging from the nozzles 12a, 12b, the lower plate 10 is, as described, provided with the outflow channels 15 open to the edges of the plate 10. Corresponding measures need not be provided for the upper plate 4, because here the cooling liquid is located on the surface of the Metal strip 2 forming secondary stowage zones SSZ can flow off directly to the side edges.
  • the advantages achieved by the invention are the improved cooling effect. This in turn makes it possible to work with a higher throughput in the case of metal strip to be rolled.
  • the effort required for the improved cooling is comparatively small, because the stable guide plates 9, 10, which are present anyway, can be used for accommodating the full jet nozzles 11a, 11b, 12a, 12b with a corresponding redesign, or the special plates additionally the function of the guide plates otherwise required can take over.

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  • Heat Treatment Of Strip Materials And Filament Materials (AREA)
  • Heat Treatments In General, Especially Conveying And Cooling (AREA)
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung eines flächenhaften Gutes, insbesondere eines Metallbandes, mit beidseitig angeordneten Flüssigkeitsdüsen.
  • In vielen Bereichen der Technik, insbesondere bei der Halbzeugverarbeitung in der Metallindustrie, besteht die Aufgabe, ein flächenhaftes Gut, wie zum Beispiel ein Metallband oder eine Metallplatte, möglichst intensiv durch Aufbringen einer Kühlflüssigkeit zu kühlen. Als Kühlflüssigkeit wird zum Beispiel in der Leichtmetallindustrie beim Vergüten von Bändern und Platten aus Leichtmetallegierungen Wasser verwendet. Beim Walzen von Bändern aus Leichtmetallegierungen, Schwermetallegierungen oder Stahl verwendet man als Kühlflüssigkeit entweder Walzöl oder eine Walzemulsion. Um eine möglichst gute Kühlwirkung zu erreichen, werden bei einer bekannten Vorrichtung mittels maximal in drei Reihen quer zur Bandlaufrichtung angeordneten Flachstrahldüsen große Kühlmittelvolumenströme unter hohem Druck auf das Band aufgebracht. Die damit zu erreichende Kühlwirkung genügt jedoch den heutigen Anforderungen nach möglichst hohen Leistungen beim Walzen von Bändern nicht. Untersuchungen haben zwar gezeigt, daß sich die Kühlwirkung mit höheren Drücken verbessern läßt, doch ist damit wegen des sich bei dem aus Verschmutzungsgründen mindestens einzuhaltenden Düsendurchmesser auch ein sehr hoher Volumenstrom verbunden, der hohe Antriebsleistungen für die Zufuhr der Kühlflüssigkeit erforderlich macht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kühlung eines flächenhaften Gutes zu schaffen, mit der bei vergleichsweise geringer Leistung für die Zufuhr der Kühlflüssigkeit eine erheblich höhere Kühlwirkung als mit den Flachstrahldüsen nach dem Stand der Technik zu erzielen ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Düsen Vollstrahldüsen sind, deren Düsendruck und Düsendurchmesser jeweils derart auf deren Abstand von der Oberfläche des zu kühlenden Gutes sowie die Dicke der sich auf dieser Oberfläche einstellenden Flüssigkeitsschicht abgestimmt sind, daß rings um den Auftreffpunkt des jeweiligen Flüssigkeitsvollstrahles ein Bereich mit schießender Strömung besteht.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung treffen die Flüssigkeitsvollstrahlen mit der Austrittsgeschwindigkeit aus den Düsen als Prallstrahlen auf die Oberfläche des zu kühlenden Gutes auf, wo sie umgelenkt werden, wobei sich aufgrund der hohen Tangentialgeschwindigkeit ein Bereich mit schießender Strömung einstellt. Wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich ist die Kühlwirkung außerordentlich hoch. Bei schießender Strömung ist nämlich die Strömungsgeschwindigkeit höher als die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Die aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit sich aufbauende größere Flüssigkeitsschichthöhe kann sich also, da diese Schichthöhe wie eine Welle der schießenden Strömung entgegenläuft, erst dort einstellen, wo die Strömungsgeschwindigkeit der schießenden Strömung unter die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit abgesunken ist. Durch entsprechende Einstellung des Düsendruckes, des Düsendurchmesers und des Abstandes der Düse von der Oberfläche des zu kühlenden Gutes läßt sich also bestimmen, wie groß der Bereich der schießenden Strömung sein soll. Die Ausbildung eines Bereiches mit schießender Strömung ist eine Besonderheit, die nur bei einer Flüssigkeitsströmung mit Grenzfläche zum umgebenden Gasraum auftritt. Vergleichende Untersuchungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Vorrichtung mit Flachstrahldüsen haben ergeben, daß trotz des erheblich besseren Wärmeüberganges der Flüssigkeitsstrahlen der Flachstrahldüsen an den Auftreffstellen im Vergleich zu den Auftreffstellen der Flüssigkeitsstrahlen der Vollstrahldüsen die Kühlwirkung bezogen auf die gesamte Fläche des zu kühlenden Gutes bei der Erfindung um 30 % besser war.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-5 gekennzeichnet.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert, die als typischen Anwendungsfall eine Vorrichtung zum Kühlen eines in einem Walzgerüst zu walzenden Metallbandes zeigt. Im einzelnen zeigen:
    • Figur 1
    eine ober- und unterseitig eines Metallbandes an der Auslaufseite eines Walzwerkes angeordnete Vorrichtung zum Kühlen des Metallbandes in Seitenansicht,
    Figur 2
    die unterseitige Vorrichtung zum Kühlen des Metallbandes gemäß Figur 1 in Aufsicht,
    Figur 3
    die oberseitige Vorrichtung zum Kühlen des Metallbandes gemäß Figur 1 mit Flüssigkeitsvollstrahlen und Strömungsfeld auf der Oberfläche eines zu kühlenden Bandes in einer perspektivischen Prinzipdarstellung,
    Figur 4
    eine Vollstrahldüse mit Flüssigkeitsvollstrahl und schießender Strömung auf der Oberfläche des zu kühlenden Bandes im Schnitt und
    Figur 5
    ein Diagramm für das Verhältnis des Durchmessers des Bereiches mit schießender Strömung zu dem Düsendurchmesser in Abhängigkeit vom Druck des Flüssigkeitsvollstrahles bei verschiedenen Verhältnissen des Düsenabstandes von der Oberfläche des zu kühlenden Bandes und des Düsendurchmessers.
  • Gemäß der Darstellung der Figur 1 ist im Auslaufbereich eines Walzgerüstes 1 beidseitig eines aus dem Walzgerüst kommenden, horizontal geführten und zu kühlenden Metallbandes 2 eine Vorrichtung 3,4 zum Kühlen des Metallbandes 2 angeordnet. Beide Vorrichtungen 3,4 lassen sich mittels in der Zeichnung nur angedeuteter Mittel 5-8 in Bandlaufrichtung verlagern, um deren Abstand von dem Walzgerüst 1 und/oder Metallband 2 einstellen zu können.
  • Hauptbestandteil einer jeden Vorrichtung 3,4 ist eine Platte 9,10, die mit einer Vielzahl von Vollstrahldüsen 11a,11b,12a,12b bestückt ist, die über in den Platten 9,10 angeordnete Kanäle 13a,13b,14a,14b mit einer Kühlflüssigkeit versorgt werden und aus denen ein Flüssigkeitsvollstrahl als Prallstrahl senkrecht auf die Oberflächen des Metallbandes 2 austritt. Die Platten 9,10 sind so ausgelegt, daß sie die Funktion der sonst erforderlichen stabilen Führungsplatten übernehmen. Die Vollstrahldüsen 13a,13b,14a, 14b sind regelmäßig in der Platte 9,10 verteilt angeordnet, insbesondere an den Ecken von aneinandergereihten Rechtecken, insbesondere Quadraten, oder Dreiecken, so daß sich zwischen ihnen Abströmkanäle bilden. Bei der unteren Platte sind zur Erleichterung der Abströmung der Kühlflüssigkeit im Bereich zwischen den Düsen Abströmkanäle als nutenartige Vertiefungen 15 ausgebildet. Insbesondere bei großen Arbeitsbreiten kann es vorteilhaft sein, diese Abströmkanäle von der Mitte zum Rand hin mit zunehmendem Querschnitt auszuführen. Diese Querschnittszunahme kann für bestimmte Längenabschnitte in Stufen oder kontinuierlich erfolgen. Wie Figur 1 erkennen läßt, sind die Vollstrahldüsen 11a,11b,12a,12b in Ansenkungen 16a,16b,17a,17b eingesetzt, so daß sie mit ihrer Stirnseite gegenüber der Oberfläche der Platte 9,10 zurückversetzt sind und dadurch vor Beschädigungen durch Bandkontakt geschützt sind. Der Figur 1 ist weiter zu entnehmen, daß in Bandlaufrichtung der Abstand der Düsen 11a,11b,12a,12b vom Metallband 2 zunimmt und der Düsenquerschnitt größer wird.
  • Bei aus den Vollstrahldüsen 11 austretenden und senkrecht auf die Oberfläche des Metallbandes 2 auftreffenden Prallstrahlen 18 bildet sich auf der Oberfläche des Metallbandes 2 das in Figur 3 dargestellte Strömungsfeld aus. Gemäß Figur 4 ändert sich das Geschwindigkeitsprofil VP des Prallstrahles 18 vom Austritt aus der Düse 11 bis zum Auftreffen auf die Oberfläche 2a des zu kühlenden Metallbandes 2 nicht, weil wegen des großen Dichteunterschiedes zur umgebenden Luft praktisch keine Vermischung der Kühlflüssigkeit mit der umgebenden Luft stattfindet. Ebenfalls bei der radialen Abströmung von der Stauzone SZ im Bereich des Strahlauftreffpunktes wird die Ausbreitung der Flüssigkeitsströmung an der Oberfläche 2a nicht merklich durch Mischung mit der Umgebungsluft beeinflußt. Daher kann sich solange eine schießende Strömung SS an der Oberfläche 2a ausbilden, wie die Kühlflüssigkeitsströmung noch nicht durch die Reibungswirkung an der Oberfläche unter eine Geschwindigkeit VSS abgebremst worden ist, die geringer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit Vw einer gegenläufigen Welle.
  • Quantitativ ist der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser D des Bereiches schießender Strömung SS und dem Düsendurchmesser d sowie zwischen dem Abstand H der Düse 11 und der Oberfläche 2a des zu kühlenden Bandes 2 in Figur 5 dargestellt. Mit hw ist die Höhe der Flüssigkeitswelle bezeichnet, die sich am Ende des Bereiches schießender Strömung ausbildet.
  • Wie in Figur 3 dargestellt worden ist, bildet sich um den Auftreffpunkt eines jeden Prallstrahles 18, das heißt um die primäre Stauzone, ein Bereich SS schießender Strömung aus. Zwischen den verschiedenen Bereichen bildet sich eine Sekundärstauzone SSZ aus, wo die schießenden Strömungen aufeinandertreffen und von der Oberfläche 2a senkrecht abgelenkt werden. Über diese Sekundärstauzonen SSZ strömt die Kühlflüssigkeit zu den Rändern ab. Damit die aus der Sekundärstauzone zurück auf die untere Platte 10 strömende Kühlflüssigkeit nicht die aus den Düsen 12a,12b austretenden Prallstrahlen 18 behindert, ist die untere Platte 10, wie beschrieben, mit den zu den Rändern der Platte 10 offenen Abströmkanälen 15 versehen. Entsprechende Maßnahmen brauchen für die obere Platte 4 nicht vorgesehen zu sein, weil hier die Kühlflüssigkeit über die sich auf der Oberfläche des Metallbandes 2 ausbildenden Sekundärstauzonen SSZ unmittelbar zu den seitlichen Rändern abfließen kann.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der verbesserten Kühlwirkung. Diese wiederum macht es möglich, daß im Falle von zu walzendem Metallband mit einer höheren Durchsatzleistung gearbeitet werden kann. Der für die verbesserte Kühlung erforderliche Aufwand ist vergleichsweise klein, weil für die Unterbringung der Vollstrahldüsen 11a,11b,12a,12b die ohnehin vorhandenen stabilen Führungsplatten 9,10 bei entsprechender Umgestaltung verwendet werden können, beziehungsweise die speziellen Platten zusätzlich die Funktion der sonst erforderlichen Führungsplatten übernehmen können.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Kühlung eines flächenhaften Gutes, insbesondere eines Metallbandes (2), mit beidseitig angeordneten Flüssigkeitsdüsen (11a,11b,12a,12b),
    dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdüsen (11a,11b,12a,12b) Vollstrahldüsen sind, deren Druck (p) und Düsendurchmesser (d) jeweils derart auf deren Abstand (H) von der Oberfläche (2a) des zu kühlenden Gutes (2) sowie die Dicke der sich auf der Oberfläche (2a) einstellenden Flüssigkeitsschicht abgestimmt sind, daß rings um den Auftreffpunkt des jeweiligen Prallstrahles (18) ein Bereich (SS) mit schießender Strömung besteht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdüsen (11a,11b,12a,12b) auf den Eckpunkten von aneinandergereihten Rechtecken, insbesondere Quadraten, liegen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsdüsen (11a,11b,12a,12b) an den Eckpunkten von aneinandergereihten, insbesondere gleichseitigen Dreiecken, liegen.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Flüssigkeitsdüsen (11a,11b,12a,12b) im Bereich von 8 < Düsenabstand (H)/Düsendurchmesser (d) < 30 liegt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen horizontaler Lage des zu kühlenden Gutes (2) die Flüssigkeitsdüsen (12a,12b) zur Beaufschlagung der Unterseite des zu kühlenden Gutes (2) in einer Platte (10) angeordnet sind, die mit Abströmkanälen (15) zwischen den Flüssigkeitsdüsen (11a,11b) für die mit den Flüssigkeitsdüsen (11a,11b) auf die Unterseite aufgebrachte Kühlflüssigkeit versehen ist, welche der Form und der Lage der sich auf der Unterseite ausbildenden Sekundärstauzonen (SSZ) entsprechen.
EP92107559A 1991-05-16 1992-05-05 Vorrichtung zum Kühlen eines flächenhaften Gutes, insbesondere eines Metallbandes Expired - Lifetime EP0513631B1 (de)

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EP0513631A1 EP0513631A1 (de) 1992-11-19
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