WO2020212343A1 - Kühlvorrichtung für nahtlose stahlrohre - Google Patents

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WO2020212343A1
WO2020212343A1 PCT/EP2020/060452 EP2020060452W WO2020212343A1 WO 2020212343 A1 WO2020212343 A1 WO 2020212343A1 EP 2020060452 W EP2020060452 W EP 2020060452W WO 2020212343 A1 WO2020212343 A1 WO 2020212343A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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cooling
pipe
cooling device
tube
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/060452
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Müller
Peter Thieven
Waldemar VOGEL
Stefan Ernst
Original Assignee
Sms Group Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sms Group Gmbh filed Critical Sms Group Gmbh
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Priority to US17/604,403 priority patent/US11873538B2/en
Publication of WO2020212343A1 publication Critical patent/WO2020212343A1/de

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C21D9/085—Cooling or quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/667—Quenching devices for spray quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/10—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies
    • C21D8/105—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of tubular bodies of ferrous alloys

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for cooling a seamless, rolled pipe, preferably steel pipe, with a nozzle arrangement for applying a cooling medium to the outer circumferential surface of the pipe.
  • a stretch-reducing mill or sizing mill In the production of seamless steel tubes, a stretch-reducing mill or sizing mill is used, which has several rolling stands arranged one behind the other in the conveying direction of the tube.
  • the mother pipes coming from a preliminary unit are inserted into the sizing or stretch reducing mill while they are still hot.
  • the operating temperatures for steel pipes are mostly in the range between 900 ° C and 1,000 ° C. If the tube after the pre-assembly has a temperature that is too low for rolling, it is reheated in an intermediate furnace.
  • the material temperature is still above the austenitizing point (Ar3 transformation point), depending on the material quality, it is approximately above 820 to 840 ° C.
  • the tubes are usually cooled in the air by natural convection. This produces a normal-rolled structure, ie the tube is moderately fine-grained, mostly essentially free of deformation textures that negatively affect the mechanical properties.
  • improved mechanical properties in particular a higher strength combined with a high toughness and weldability, is in demand.
  • the tubes are reheated to the austenitizing temperature, then quickly cooled in quenching devices, which forms high-strength transformation phases such as martensite, and finally reheated to eliminate internal internal stresses.
  • This additional heat treatment is process-intensive and energy-intensive. For this reason, processes have been developed that use the residual heat from the rolling process for heat treatment.
  • the tube is cooled very quickly after the sizing or stretch-reducing rolling, whereby cooling speeds must be achieved that are significantly higher than the normal cooling bed. The necessary
  • Cooling speeds are achieved through special cooling sections that are not part of the standard equipment of seamless tube rolling mills. Immediately after exiting the rolling mill, they cool the pipe in an accelerated manner by applying a cooling medium, such as water or a water / air mixture, from the outside.
  • a cooling medium such as water or a water / air mixture
  • EP 2 682 485 B1 describes a method and a device for producing seamless steel pipes with a continuous cooling section behind the last roll stand, which has a plurality of distributor rings arranged concentrically around the rolling stock.
  • the distributor rings have three or more nozzles for spraying the cooling medium onto the pipe to be cooled.
  • the distributor rings enclose the pipe to be cooled concentrically to its central axis.
  • a large number of such distributor rings must be provided in order to cool the pipe sufficiently quickly during transport from the rolling mill.
  • the disadvantage is that in the case a disturbance in which the pipe remains on the outlet side of the rolling mill, it is not easily possible to lift the pipe out of the transport path, because it is enclosed by the distributor rings. Rather, the pipe has to be cut into small pieces, which then have to be removed manually from the cooling section.
  • the pipe to be cooled is lifted from below into a cooling device.
  • the pipe must be rotated around its own axis during cooling in order to achieve even cooling.
  • Continuous cooling section immediately behind a rolling mill it is not possible to set the pipe in rotation, as it is at the beginning of the run-down process, i.e. at the beginning of the cooling, is still integrated with the rear end in the rolling mill.
  • the pipe lengths behind the rolling mill are usually significantly longer than in the heat treatment lines, as in the latter the pipes are already cut to finished lengths of, for example, 8 to 14 m, while the pipe strings in the rolling mill outlet are still undivided and up to 100 m long.
  • Such long cooling sections are technically complex and can hardly be operated economically.
  • One object of the invention is to improve the throughflow cooling of seamless, rolled tubes made of metal, preferably steel, in particular to improve their operational reliability.
  • the cooling device according to the invention is used to cool a seamless, rolled tube.
  • the pipe is a metal pipe, preferably steel pipe.
  • all alloys are included, the mechanical properties of which, such as strength, tensile strength, toughness, weldability, etc., can be improved by a heat treatment.
  • the pipe is made of a high-quality alloy that is suitable for use in oil and gas production or for construction pipes.
  • the cooling device has a nozzle arrangement with one or more nozzles which are set up to apply a cooling medium, preferably water or a water mixture, to the outer circumferential surface of the pipe, while the pipe is transported along a conveying direction through a cooling section of the cooling device.
  • water mixture means a water-based cooling medium that has one or more additives.
  • the additives can include dissolved solids, liquids or gases.
  • the cooling medium is a water / air mixture.
  • cooling section refers to that section of the cooling device along the conveying direction in which the tube is exposed to the cooling medium. The cooling device provides throughflow cooling, since the pipe is cooled during conveyance or transport through the cooling section.
  • the nozzle arrangement has an access via which the tube can be removed from the cooling section in the radial direction of the tube, ie perpendicular to the longitudinal extension of the tube.
  • the nozzle arrangement does not completely surround the pipe in the circumferential direction, but is open or open on one side.
  • the access is dimensioned in such a way that the tube can be removed laterally or radially from the cooling section.
  • the access is preferably arranged in such a way that the pipe can be removed upwards (viewed in the direction of gravity) can.
  • the access preferably extends in a straight line parallel to the pipe axis in order to simplify any removal of the pipe from the cooling section. It should be noted that several accesses can also be provided.
  • the nozzle arrangement accordingly does not include any closed-ring-like structures. Rather, at least one access is provided which allows the tube to be removed from the cooling section in the radial direction in the event of a malfunction, such as flavaria.
  • the work space in the area of the access is not blocked by lines, pipes or the like.
  • a cooling section is thus created, which on the one hand can be short enough to process undivided pipe strings of, for example, up to 100 m in length, and on the other hand the pipes can be removed laterally without having to split them up into smaller pipe sections in the cooling device beforehand have to.
  • access facilitates any maintenance and cleaning work on the cooling device.
  • the cooling device is particularly preferably set up for rapid cooling of the pipe immediately behind a rolling mill, for example a stretch-reducing mill or sizing mill.
  • the term “immediately behind” here means that the pipe enters the cooling section of the cooling device while it is still integrated in the rolling mill at the rear end.
  • the terms "in front of” and “behind” are relative to the conveying direction of the pipe.
  • the nozzles can be set up, arranged and aligned in such a way that the amount of the sprayed cooling medium is essentially constant along the circumference of the pipe.
  • the throughput of the cooling medium per nozzle and the direction of radiation can be set in such a way that symmetrical and concentric cooling is achieved or at least approximately achieved.
  • the nozzle arrangement preferably has one or more nozzle arms, each of which has at least one distributor pipe and one or more nozzle lances connected to it and extending therefrom, each with one or more nozzles.
  • the supply of the nozzles with cooling medium can be ensured in a structurally simple manner without the supply lines having to completely surround the pipe in the circumferential direction.
  • the nozzle lances can have different lengths in order to spray the cooling medium evenly over the entire circumference of the pipe.
  • the nozzle lances can be made longer at the edge sections than in the center of the corresponding distribution pipe, so that the nozzles are at least approximately on an imaginary partial ring.
  • the cooling device also has a fluid system that is set up to supply the distribution pipes with the cooling medium, in which case several distribution pipes can be combined to form a fluid unit each, which is operated by a common pump and / or switched by a common valve system .
  • a fluid system that is set up to supply the distribution pipes with the cooling medium, in which case several distribution pipes can be combined to form a fluid unit each, which is operated by a common pump and / or switched by a common valve system .
  • Such a modular combination of the fluid supply can simplify it structurally, and at the same time the nozzles can be operated in sections with different pressures, volume throughputs, etc., whereby the cooling of the pipe can be optimized.
  • the distributor pipes are preferably set up to convey the cooling medium in the cross-sectional plane of the pipe and / or along the conveying direction, as a result of which an access can be created in a structurally simple manner which extends in a straight line parallel to the pipe axis.
  • the cooling section is preferably shorter than the tube; it is, for example, about 8 to 16 m. In this way a compact cooling device is created, whereby the remuneration of the pipes by heat treatment can be realized with a justifiable structural effort.
  • the position and / or alignment and / or the volume throughput of one or more nozzles of the nozzle arrangement can preferably be adjusted, whereby the cooling effect can be flexibly adapted, for example as a function of product and / or process parameters.
  • the nozzles of the nozzle arrangement are preferably set up in such a way that several spray planes are formed which can be adjusted or displaced, for example, along the conveying direction.
  • each spray level can have two nozzle arms, each with several nozzle lances.
  • the cooling effect can be flexibly adjusted by suitable placement of the spray levels, for example as a function of product and / or process parameters.
  • the cooling device is preferably set up to cool the tube to a final temperature below the Ar3 transformation point, in order to thereby form high-strength transformation phases such as martensite.
  • the tube is preferably cooled to about 450 ° C. to 600 ° C.
  • the initial temperature i.e. the temperature at which the tube leaves the rolling mill is, for example, 820 ° C to 840 ° C.
  • the cooling device is preferably set up to carry out a section-wise or quasi-continuous regulation of pressure and / or flow rates of the cooling medium, preferably as a function of the product and / or based on measured values, empirical values and / or a process model.
  • the controllability relates to sections along the cooling section, which means that the heat transfer coefficients can be flexibly adjusted in the conveying direction.
  • the adjustable sections can each comprise one or more spray levels, nozzle arms, etc.; however, they can also go down to the structural level individual nozzles can be refined. This is what the term "quasi-continuously" means.
  • the cooling section is preferably subdivided in such a way that in a first section the nozzle arrangement is set up for high pressure spraying, preferably with pressures of more than 10 bar, and in a section following in the conveying direction for lower pressures.
  • high pressure spraying preferably with pressures of more than 10 bar
  • heat transfer coefficients of, for example, more than 10,000 W / (m 2 K) can be achieved, whereby a sudden cooling of the pipe can be achieved.
  • the cooling device is preferably set up for discontinuous operation in such a way that one or more nozzles correspondingly with the inlet of the pipe into the cooling section, i. with passage of the front end of the pipe, switchable and with discharge of the pipe from the cooling section, i.e. with passage of the rear pipe end, can be switched off, wherein preferably one or more sensors which are set up to detect the pipe ends are arranged inside or behind the cooling section.
  • the cooling medium can be prevented from entering the pipe.
  • the cooling device preferably also has a housing which completely or partially surrounds the nozzle arrangement and / or one or more compressed air wipers. Contamination of the environment with cooling medium is avoided by an enclosure, in particular the pollution of the environment by spraying water and water vapor can be reduced. Compressed air wipers can be used for a similar purpose in order to prevent the cooling medium from entering particularly endangered facilities, such as radiometric wall thickness points or other measuring points in front of and / or behind the cooling section.
  • the conveying direction of the pipe along the cooling section is preferably inclined relative to the horizontal, ie it falls or rises, whereby the installation space can be shortened at the transition from the rolling mill to any cooling bed.
  • the above-mentioned object is also achieved by a device which has a rolling mill, preferably a stretch-reducing mill or sizing mill, and a cooling device as described above.
  • the cooling device is located behind the rolling mill in the conveying direction and is set up to cool the tube rolled by the rolling mill
  • the cooling device is arranged directly behind the rolling mill, whereby the residual heat of the rolling process is also used in a synergetic manner for the remuneration of the tube by heat treatment.
  • the rolling mill preferably has one or more cooling elements which are set up to reduce the temperature of the tube in the rolling mill below the Ar3 transformation point, preferably by approximately 30 ° below the Ar3 transformation point. In this way, the cooling effect can be increased. According to this exemplary embodiment, a lowering of the application or rolling temperature already takes place in the rolling mill, so that a lower final rolling temperature than is normally used is used.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the nozzle arrangement of a continuous cooling section with an attached fluid unit according to one embodiment
  • FIG. 2 shows the nozzle arrangement of FIG. 1 in a plan view
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the nozzle arrangement of a continuous cooling section according to a further embodiment;
  • FIG. 4 shows the nozzle arrangement according to FIG. 3 with connected fluid unit in a top view.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the nozzle arrangement 10 of a continuous cooling section with an attached fluid unit 20 according to one embodiment.
  • FIG. 2 shows the nozzle arrangement 10 in a top view.
  • the nozzle arrangement 10 is part of a cooling device 1, which is preferably used as a continuous cooling section directly behind a rolling mill for Rolling seamless tubes R is arranged.
  • the term “directly” here means that the pipe R enters the continuous cooling section, while at the rear end, viewed in the conveying direction F (see FIG. 2) of the pipe R, it is still integrated in the rolling mill.
  • the pipe R is made of a metal, preferably steel, including, in particular, high-quality alloys, suitable for use in oil and gas production or for construction pipes.
  • the above-mentioned rolling mill is preferably a stretch-reducing mill or sizing mill, which has several rolling stands arranged one behind the other in the conveying direction F of the pipe R.
  • the mother pipes coming from a preliminary unit are inserted into the rolling mill in the hot rolling state.
  • the application temperatures are, for example, in the range between 900 ° C and 1,000 ° C.
  • the tube R preferably has a temperature of over 820 ° C. to 840 ° C.
  • the nozzle arrangement 10 has one or more nozzle arms 11, each of which has at least one distributor pipe 12 and one or more nozzle lances 13 connected to it and extending therefrom, each with one or more nozzles 14.
  • the distributor pipes 12 are supplied with a cooling medium K, preferably water or a water mixture, via a fluid system, which then flows via the nozzle lances 13 to the nozzles 14 and is discharged or sprayed onto the pipe R by these.
  • each spray plane S has, for example, two nozzle arms 11, each with a distributor pipe 12 and five nozzle lances 13 connected to it.
  • the number and arrangement of the nozzle arms 11, nozzle lances 13 and nozzles 14 can be freely selected, as long as uniform cooling of the pipe R is guaranteed and the nozzle arrangement 10, as explained below, does not include any closed-ring-like structures.
  • the cooling section i.e. That section of the conveying path in which the pipe R is exposed to the cooling medium K can be comparatively short, for example 8 to 16 m, depending on the number, position and orientation of the nozzles 14, throughput of the cooling medium K, etc.
  • the nozzle arrangement 10 can be set up in such a way that the spray planes S or a part thereof can be adjusted along the conveying direction F.
  • the nozzle arms 11 or a part thereof can be displaceably mounted.
  • the nozzle lances 13 or a part thereof can be arranged pivotably, for example by the corresponding nozzle arms 11 being rotatably mounted about their own axes.
  • the nozzle lances 13 with their nozzles 14 can be positioned and / or aligned in such a way that the pipe R, viewed in the conveying direction F, is exposed to the cooling medium K essentially uniformly.
  • a plurality of distributor pipes 12 can each be combined to form a fluid unit 20 that is operated by a common pump 21 and / or switched by a common valve system.
  • the distribution pipes 12 convey the cooling medium K in the cross-sectional plane of the pipe R.
  • the distribution pipes 12 can also be arranged in other ways, as long as the access Z set out below is ensured.
  • the nozzle arrangement 10 does not comprise any closed-ring-like structures. Rather, the nozzle arms 11 are designed to be open at least on one side in order to be able to remove the tube R from the cooling section in the radial direction, preferably upwards, in the event of a disturbance (flavaria). In other words, the nozzle arrangement 10 leaves an unobstructed gap or access Z along the conveying direction F, through which the pipe R can be removed, if necessary.
  • the work space in the area of access Z is not obstructed by lines, pipes or the like.
  • the dimension of the access Z is greater than the diameter of the tube R in order to ensure that the tube R can be removed from the cooling section without hindrance.
  • a cooling section is thus created which is short enough on the one hand to be able to process undivided pipe strings of up to 100 m in length, for example, and from which the pipes R can easily be removed, for example in the event of a malfunction, on the other hand, in particular without having to do this beforehand to cut the spray plane S.
  • the nozzles 14 can be set up, arranged and aligned such that the amount of the sprayed cooling medium K is essentially constant along the pipe circumference.
  • the throughput of the cooling medium K per nozzle 14 and the direction of emission can be set in such a way that symmetrical and concentric cooling is achieved or at least approximately achieved.
  • the nozzle lances 13 can be longer at the edge sections than in the center of the corresponding distributor pipe 12, whereby the nozzles 14 are at least approximately on an imaginary partial ring.
  • the cooling device 1 presented here is suitable for cooling the tubes R to final temperatures of approximately 450 ° C. to 600 ° C., as a result of which a particularly fine-grain structure can be achieved.
  • the tube R can be further cooled to room temperature by air convection.
  • the mother tube In connection with an upstream rolling section, the mother tube is preferably first cooled to temperatures below the Ar1 transformation point and then reheated to the rolling temperature. The pipe R is then rolled in the rolling mill and transferred to or transported to the cooling device 1 for subsequent rapid cooling.
  • the cooling section is divided into several sections, the nozzle arrangement 10 being set up in a first section for high-pressure spraying, for example with pressures of more than 10 bar, and in a section following in the conveying direction F for lower pressures.
  • heat transfer coefficients of more than 10,000 W / (m 2 K) can be achieved in the high pressure range.
  • a section-wise or quasi-continuous control of pressure and / or flow rates of the cooling medium K as a function of the product and / or based on measured values, empirical values and / or a process model can be implemented.
  • the cooling device 1 can be set up for discontinuous operation in that nozzle arms 11 can be switched on, for example, according to the passage of the front pipe end and switched off as the rear pipe end passes, which can prevent cooling medium K from entering the Pipe R enters.
  • one or more sensors that are set up to detect the pipe ends can be arranged inside or behind the cooling section.
  • the cooling section is preferably located completely or in sections in an enclosure in order to avoid contamination of the surroundings with cooling medium K, in particular to reduce spray water and water vapor pollution of the surroundings.
  • Compressed air wipers can be used for a similar purpose in order to prevent the cooling medium K from entering particularly endangered facilities, such as radiometric wall thickness points or other measuring points in front of and / or behind the cooling section.
  • the conveying direction F of the pipe R along the cooling section can be inclined (rising or falling), whereby the installation space can be shortened at the transition from the rolling mill to a possible cooling bed. Additionally or alternatively, the cooling section can be integrated into the transition area to the cooling bed. Since the spray room is not closed due to the access Z, the pipe R can be lifted out of the cooling section and transferred to the cooling bed.
  • the cooling device 1 presented here is also suitable for a combination with additional cooling elements in the rolling mill in order to increase the cooling effect. According to one exemplary embodiment, the use or rolling temperature is lowered in the rolling mill, so that a lower final rolling temperature than is normally used is used. In the rolling mill, the tube R can be subcooled to a temperature of approx. 30 ° C below the Ar3 transformation point.

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Abstract

Kühlvorrichtung (1) zum Abkühlen eines nahtlosen, gewalzten Rohrs (R) aus einem Metall, vorzugsweise Stahl, die eine Düsenanordnung (10) mit einer oder mehreren Düsen (14) aufweist, die eingerichtet sind, um die Außenumfangsfläche des Rohrs (R) mit einem Kühlmedium (K), vorzugsweise Wasser oder einem Wassergemisch, zu beaufschlagen, während das Rohr (R) entlang einer Förderrichtung (F) durch eine Kühlstrecke der Kühlvorrichtung (1) transportiert wird, wobei die Düsenanordnung (10) einen Zugang (Z) aufweist, über den das Rohr (R) in radialer Richtung des Rohrs (R), vorzugsweise nach oben, aus der Kühlstrecke herausnehmbar ist.

Description

Kühlvorrichtung für nahtlose Stahlrohre
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen eines nahtlosen, gewalzten Rohrs, vorzugsweise Stahlrohrs, mit einer Düsenanordnung zum Beaufschlagen der Außenumfangsfläche des Rohrs mit einem Kühlmedium.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Herstellung nahtloser Stahlrohre kommt ein Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk zum Einsatz, das mehrere in Förderrichtung des Rohrs hintereinander angeordnete Walzgerüste aufweist. Die aus einem Voraggregat kommenden Mutterrohre werden im walzheißen Zustand in das Maß- oder Streckreduzierwalzwerk eingesetzt. Die Einsatztemperaturen liegen bei Stahlrohren zumeist im Bereich zwischen 900°C und 1.000°C. Weist das Rohr nach dem Voraggregat eine für das Walzen zu niedrige Temperatur auf, wird dieses in einem Zwischenofen nacherwärmt.
Beim Austritt aus dem Walzwerk liegt die Materialtemperatur noch oberhalb des Austenitisierungspunktes (Ar3-Umwandlungspunkts), materialgüteabhängig etwa oberhalb von 820 bis 840°C. Die Rohre werden in der Regel an der Luft durch natürliche Konvektion abgekühlt. Damit wird ein normalgewalztes Gefüge hergestellt, d.h. das Rohr ist mäßig feinkörnig, zumeist im Wesentlichen frei von Verformungstexturen, welche die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Für höherwertige Rohre, beispielsweise zur Öl- und Gasförderung oder bei Konstruktionsrohren, werden verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere eine höhere Festigkeit in Kombination mit einer hohen Zähigkeit und Schweißbarkeit, nachgefragt. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist es bekannt, die gewalzten und abgekühlten Rohre in speziellen Wärmebehandlungslinien zu vergüten. Dabei werden die Rohre in einem ersten Temperierungsschritt erneut auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt, anschließend in Abschreckeinrichtungen schnell abgekühlt, wodurch hochfeste Umwandlungsphasen wie Martensit gebildet werden, und schließlich zur Beseitigung innerer Eigenspannungen erneut erwärmt. Diese zusätzliche Wärmebehandlung ist prozessual aufwändig und energieintensiv. Aus diesem Grund wurden Verfahren entwickelt, welche die Restwärme des Walzprozesses für eine Wärmebehandlung mitnutzen. Zu diesem Zweck wird das Rohr nach dem Maß- oder Streckreduzierwalzen sehr schnell abgekühlt, wobei Abkühlgeschwindigkeiten erzielt werden müssen, die gegenüber dem normalen Kühlbett deutlich erhöht sind. Die erforderlichen
Abkühlgeschwindigkeiten werden durch besondere Kühlstrecken erreicht, die nicht zur gebräuchlichen Ausstattung von Nahtlosrohrwalzwerken gehören. Sie kühlen das Rohr unmittelbar nach dem Austritt aus dem Walzwerk durch äußere Beaufschlagung mit einem Kühlmedium, wie etwa Wasser oder einem Wasser- /Luftgemisch, beschleunigt ab.
So beschreibt die EP 2 682 485 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung nahtloser Stahlrohre mit einer Durchlaufkühlstrecke hinter dem letzten Walzgerüst, die eine Vielzahl von konzentrisch um das Walzgut angeordneten Verteilerringen aufweist. Die Verteilerringe haben drei oder mehr Düsen zum Aufsprühen des Kühlmediums auf das abzukühlende Rohr.
Gemäß diesem Stand der Technik umschließen die Verteilerringe das abzukühlende Rohr konzentrisch zu dessen Mittelachse. Es muss eine Vielzahl solcher Verteilerringe vorgesehen sein, um das Rohr während des Transports aus dem Walzwerk ausreichend schnell abzukühlen. Nachteilig ist, dass es im Fall einer Störung, bei der das Rohr auf der Auslaufseite des Walzwerks liegen bleibt, nicht ohne weiteres möglich ist, das Rohr aus der Transportstrecke herauszuheben, da es von den Verteilerringen umschlossen ist. Vielmehr muss das Rohr in kleine Stücke geschnitten werden, die anschließend manuell aus der Kühlstrecke zu entfernen sind.
Gemäß einer anderen technischen Lösung, die aus der WO 2016/035103 A1 bekannt ist, wird das zu kühlende Rohr von unten in eine Kühlvorrichtung gehoben. Hierbei muss das Rohr bei der Abkühlung um die eigene Achse gedreht werden, um eine gleichmäßige Abkühlung zu erzielen. Bei einer
Durchlaufkühlstrecke unmittelbar hinter einem Walzwerk ist es jedoch nicht möglich, das Rohr in Drehung zu versetzen, da es zu Beginn des Auslaufvorgangs, d.h. zu Beginn der Kühlung, noch mit dem hinteren Ende im Walzwerk eingebunden ist. Zudem sind die Rohrlängen hinter dem Walzwerk zumeist deutlich größer als in den Wärmebehandlungslinien, da in letzteren die Rohre schon auf Fertiglängen von beispielsweise 8 bis 14 m geschnitten sind, die Rohrstränge im Walzwerksauslauf hingegen noch ungeteilt und bis zu 100 m lang sind. Derartig lange Kühlstrecken sind technisch aufwändig und kaum wirtschaftlich zu betreiben.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Durchlaufkühlung nahtloser, gewalzter Rohre aus Metall, vorzugsweise Stahl, insbesondere deren Betriebssicherheit zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe mit einer Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dient dem Abkühlen eines nahtlosen, gewalzten Rohrs. Das Rohr ist ein Metallrohr, vorzugsweise Stahlrohr. Es sind jedoch sämtliche Legierungen umfasst, deren mechanische Eigenschaften, wie etwa Festigkeit, Zugfestigkeit, Zähigkeit, Schweißbarkeit usw., sich durch eine Wärmebehandlung verbessern lassen. Insbesondere ist das Rohr aus einer hochwertigen Legierung gefertigt, die für die Verwendung in der Öl- und Gasförderung oder für Konstruktionsrohre geeignet ist. Die Kühlvorrichtung weist eine Düsenanordnung mit einer oder mehreren Düsen auf, die eingerichtet sind, um die Außenumfangsfläche des Rohrs mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Wasser oder einem Wassergemisch, zu beaufschlagen, während das Rohr entlang einer Förderrichtung durch eine Kühlstrecke der Kühlvorrichtung transportiert wird. Mit der Bezeichnung „Wassergemisch“ ist ein Kühlmedium auf Wasserbasis, das ein oder mehrere Zusätze aufweist, gemeint. Die Zusätze können gelöste Feststoffe, Flüssigkeiten oder auch Gase umfassen. So ist das Kühlmedium beispielsweise ein Wasser- /Luftgemisch. Als „Kühlstrecke“ sei hierin jener Abschnitt der Kühlvorrichtung entlang der Förderrichtung bezeichnet, in dem das Rohr mit dem Kühlmedium beaufschlagt wird. Die Kühlvorrichtung stellt eine Durchlaufkühlung bereit, da das Rohr während einer Förderung bzw. eines Transports durch die Kühlstrecke gekühlt wird.
Erfindungsgemäß weist die Düsenanordnung einen Zugang auf, über den das Rohr in radialer Richtung des Rohrs, d.h. senkrecht zur Längserstreckung des Rohrs, aus der Kühlstrecke herausnehmbar ist. In anderen Worten, die Düsenanordnung umschließt das Rohr in Umfangsrichtung nicht vollständig, sondern ist auf einer Seite offen oder zu öffnen. Der Zugang ist dabei so bemessen, dass das Rohr seitlich bzw. radial aus der Kühlstrecke herausgenommen werden kann. Vorzugsweise ist der Zugang so gelegt, dass das Rohr nach oben (in Schwerkraftrichtung gesehen) herausgenommen werden kann. Ferner erstreckt sich der Zugang vorzugsweise geradlinig parallel zur Rohrachse, um eine etwaige Entfernung des Rohrs aus der Kühlstrecke zu vereinfachen. Es sei darauf hingewiesen, dass auch mehrere Zugänge vorgesehen sein können.
Die Düsenanordnung umfasst demnach keine geschlossen-ringartigen Gebilde. Vielmehr wird zumindest ein Zugang bereitgestellt, der es erlaubt, das Rohr im Fall einer Störung, etwa Flavarie, in radialer Richtung aus der Kühlstrecke herauszunehmen. Der Arbeitsraum im Bereich des Zugangs ist nicht durch Leitungen, Rohre oder dergleichen verbaut. Es wird somit eine Kühlstrecke geschaffen, die einerseits kurz genug sein kann, um noch ungeteilte Rohrstränge von beispielsweise bis zu 100 m Länge zu verarbeiten, und aus der andererseits die Rohre seitlich entfernt werden können, ohne diese zuvor in der Kühlvorrichtung in kleinere Rohrabschnitte zerteilen zu müssen. Zudem erleichtert der Zugang etwaige Wartungs- und Reinigungsarbeiten an der Kühlvorrichtung.
Die Kühlvorrichtung ist besonders bevorzugt zur raschen Abkühlung des Rohrs unmittelbar hinter einem Walzwerk, etwa Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk, eingerichtet. Unter der Bezeichnung„unmittelbar hinter“ ist hierbei zu verstehen, dass das Rohr in die Kühlstrecke der Kühlvorrichtung eintritt, während es am hinteren Ende noch im Walzwerk eingebunden ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen„vor“ und„hinter“ relativ zur Förderrichtung des Rohrs zu sehen sind. Um trotz Verzicht auf konzentrische Verteilerringe eine gleichmäßige Kühlung entlang des Rohrumfangs zu gewährleisten, können die Düsen so eingerichtet, angeordnet und ausgerichtet sein, dass die Menge des aufgesprühten Kühlmediums entlang des Rohrumfangs im Wesentlichen konstant ist. In anderen Worten, der Durchsatz des Kühlmediums pro Düse und die Abstrahlrichtung können so eingestellt sein, dass eine symmetrische und konzentrische Kühlung erzielt oder zumindest näherungsweise erzielt wird. Vorzugsweise weist die Düsenanordnung zu diesem Zweck ein oder mehrere Düsenarme auf, die jeweils zumindest ein Verteilerrohr und ein oder mehrere daran angebundene und sich davon erstreckende Düsenlanzen mit jeweils einer oder mehreren Düsen aufweisen. Durch die Bereitstellung von Düsenarmen kann die Versorgung der Düsen mit Kühlmedium auf baulich einfache Weise sichergestellt werden, ohne dass die Versorgungsleitungen das Rohr in Umfangsrichtung vollständig umgeben müssen. Die Düsenlanzen können unterschiedliche Längen haben, um das Kühlmedium auf möglichst den gesamten Rohrumfang gleichmäßig zu versprühen. Im Fall geradliniger Verteilerrohre können die Düsenlanzen an den Randabschnitten länger als im Zentrum des entsprechenden Verteilerrohrs ausgebildet sein, wodurch sich die Düsen zumindest ungefähr auf einem gedachten Teilring befinden. Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung ferner ein Fluidsystem auf, das eingerichtet ist, um die Verteilerrohre mit dem Kühlmedium zu versorgen, wobei hierbei mehrere Verteilerrohre zu jeweils einer Fluideinheit, die von einer gemeinsamen Pumpe bedient und/oder von einem gemeinsamen Ventilsystem geschaltet wird, zusammengefasst sein können. Durch eine solche modulartige Zusammenfassung der Fluidversorgung kann diese baulich vereinfacht werden, und gleichzeitig können die Düsen abschnittsweise mit unterschiedlichen Drücken, Volumendurchsätzen usw. betrieben werden, wodurch die Kühlung des Rohrs optimierbar ist. Vorzugsweise sind die Verteilerrohre eingerichtet, um das Kühlmedium in der Querschnittsebene des Rohrs und/oder entlang der Förderrichtung zu fördern, wodurch auf baulich einfache Weise ein Zugang geschaffen werden kann, der sich geradlinig parallel zur Rohrachse erstreckt. Vorzugsweise ist die Kühlstrecke kürzer als das Rohr; sie beträgt beispielsweise etwa 8 bis 16 m. Auf diese Weise wird eine kompakte Kühlvorrichtung geschaffen, wodurch die Vergütung der Rohre durch Wärmebehandlung mit einem vertretbaren baulichen Aufwand realisierbar ist.
Vorzugsweise ist die Position und/oder Ausrichtung und/oder der Volumendurchsatz einer oder mehrerer Düsen der Düsenanordnung einstellbar, wodurch die Kühlwirkung flexibel angepasst werden kann, beispielsweise in Abhängigkeit von Produkt- und/oder Prozessparametern.
Vorzugsweise sind die Düsen der Düsenanordnung so eingerichtet, dass mehrere Sprühebenen gebildet werden, die etwa entlang der Förderrichtung einstellbar bzw. verschiebbar sein können. So kann jede Sprühebene beispielsweise zwei Düsenarme mit jeweils mehreren Düsenlanzen aufweisen. Durch geeignete Platzierung der Sprühebenen kann die Kühlwirkung flexibel eingestellt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von Produkt- und/oder Prozessparametern.
Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung eingerichtet, um das Rohr auf eine Endtemperatur unterhalb des Ar3-Umwandlungspunkts abzukühlen, um dadurch hochfeste Umwandlungsphasen wie Martensit zu bilden. Vorzugsweise wird das Rohr zu diesem Zweck auf etwa 450°C bis 600°C abgekühlt. Die Ausgangstemperatur, d.h. jene Temperatur, mit der das Rohr etwa das Walzwerk verlässt, beträgt hierbei beispielsweise 820°C bis 840°C.
Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung eingerichtet, um eine abschnittsweise oder quasi-kontinuierliche Regelung von Druck- und/oder Durchflussmengen des Kühlmediums, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Produkt und/oder basierend auf Messwerten, Erfahrungswerten und/oder einem Prozessmodel, durchzuführen. Die Regelbarkeit bezieht sich hierbei auf Abschnitte entlang der Kühlstrecke, wodurch die Wärmeübergangszahlen in Förderrichtung flexibel einstellbar sind. Die regelbaren Abschnitte können jeweils ein oder mehrere Sprühebenen, Düsenarme usw. umfassen; sie können jedoch auch bis auf das Strukturniveau einzelner Düsen verfeinert werden. Dies ist mit der Bezeichnung „quasi kontinuierlich“ gemeint.
Vorzugsweise ist die Kühlstrecke so unterteilt, dass in einem ersten Abschnitt die Düsenanordnung für ein Hochdrucksprühen, vorzugsweise mit Drücken von mehr als 10 bar, und in einem in Förderrichtung nachfolgenden Abschnitt für niedrigere Drücke eingerichtet ist. So sind im Hochdruckbereich Wärmeübergangszahlen von beispielsweise mehr als 10.000 W/(m2K) erzielbar, wodurch ein schlagartiges Abkühlen des Rohrs erzielbar ist.
Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung so für einen diskontinuierlichen Betrieb eingerichtet, dass ein oder mehrere Düsen entsprechend mit Einlauf des Rohrs in die Kühlstrecke, d.h. mit Durchlauf des vorderen Rohrendes, zuschaltbar und mit Auslauf des Rohrs aus der Kühlstrecke, d.h. mit Durchlauf des hinteren Rohrendes, abschaltbar sind, wobei vorzugsweise ein oder mehrere Sensoren, die zur Erkennung der Rohrenden eingerichtet sind, innerhalb oder hinter der Kühlstrecke angeordnet sind. Somit kann verhindert werden, dass Kühlmedium in das Rohr eintritt.
Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung ferner eine Einhausung, welche die Düsenanordnung vollständig oder teilweise umgibt, und/oder einen oder mehrere Druckluftabstreifer auf. Durch eine Einhausung wird eine Kontamination der Umgebung mit Kühlmedium vermieden, insbesondere lässt sich so eine Sprühwasser- und Wasserdampfbelastung der Umgebung verringern. Für einen ähnlichen Zweck können Druckluftabstreifer verwendet werden, um einen Eintritt des Kühlmediums in besonders gefährdete Einrichtungen, wie etwa radiometrische Wanddicken- oder sonstige Messstellen vor und/oder hinter der Kühlstrecke, zu vermeiden. Vorzugsweise ist die Förderrichtung des Rohrs entlang der Kühlstrecke relativ zur Horizontalen geneigt, d.h. sie fällt oder steigt, wodurch der Bauraum beim Übergang vom Walzwerk auf ein etwaiges Kühlbett verkürzt werden kann. Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung gelöst, die ein Walzwerk, vorzugsweise Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk, und eine Kühlvorrichtung gemäß der obigen Beschreibung aufweist. Die Kühlvorrichtung befindet sich in Förderrichtung hinter dem Walzwerk und ist zum Abkühlen des durch das Walzwerk gewalzten Rohrs eingerichtet
Die Merkmale, technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsbeispiele, die in Bezug auf die Kühlvorrichtung beschrieben wurden, gelten analog für diese Vorrichtung. Insbesondere ist die Kühlvorrichtung unmittelbar hinter dem Walzwerk angeordnet, wodurch die Restwärme des Walzprozesses für die Vergütung des Rohrs durch Wärmebehandlung auf synergetische Weise mitgenutzt wird.
Vorzugsweise weist das Walzwerk ein oder mehrere Kühlelemente auf, die eingerichtet sind, um die Temperatur des Rohrs im Walzwerk unter den Ar3- Umwandlungspunkt zu senken, vorzugsweise um ca. 30° unter den Ar3- Umwandlungspunkt. Auf diese Weise lässt sich die Kühlwirkung verstärken. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgt somit bereits im Walzwerk eine Absenkung der Einsatz- bzw. Walztemperatur, so dass eine niedrigere Endwalztemperatur als normalerweise üblich angewendet wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale realisiert werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Düsenanordnung einer Durchlaufkühlstrecke mit angebundener Fluideinheit gemäß einer Ausführungsform; Die Figur 2 zeigt die Düsenanordnung der Figur 1 in einer Draufsicht;
Die Figur 3 ist eine schematische Querschnittsansicht der Düsenanordnung einer Durchlaufkühlstrecke gemäß einer weiteren Ausführungsform; Die Figur 4 zeigt die Düsenanordnung gemäß der Figur 3 mit angebundener Fluideinheit in einer Draufsicht.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Die Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Düsenanordnung 10 einer Durchlaufkühlstrecke mit angebundener Fluideinheit 20 gemäß einer Ausführungsform. Die Figur 2 zeigt die Düsenanordnung 10 in einer Draufsicht. Die Düsenanordnung 10 ist Teil einer Kühlvorrichtung 1 , die als Durchlaufkühlstrecke vorzugsweise unmittelbar hinter einem Walzwerk zum Walzen nahtloser Rohre R angeordnet ist. Die Bezeichnung„unmittelbar“ bedeutet hierin, dass das Rohr R in die Durchlaufkühlstrecke eintritt, während es am hinteren Ende, in Förderrichtung F (vgl. Figur 2) des Rohrs R gesehen, noch im Walzwerk eingebunden ist.
Das Rohr R ist aus einem Metall gefertigt, vorzugsweise Stahl, wobei insbesondere hochwertige Legierungen, geeignet zur Verwendung in der Öl- und Gasförderung oder für Konstruktionsrohre, umfasst sind. Das vorstehend genannte Walzwerk, in den Figuren nicht dargestellt, ist vorzugsweise ein Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk, das mehrere in Förderrichtung F des Rohrs R hintereinander angeordnete Walzgerüste aufweist. Die aus einem Voraggregat kommenden Mutterrohre werden im walzheißen Zustand in das Walzwerk eingesetzt. Die Einsatztemperaturen liegen beispielsweise im Bereich zwischen 900°C und 1.000°C. Beim Austritt aus dem Walzwerk weist das Rohr R vorzugsweise eine Temperatur von über 820 °C bis 840 °C auf.
Die Düsenanordnung 10 weist ein oder mehrere Düsenarme 11 auf, die jeweils zumindest ein Verteilerrohr 12 und ein oder mehrere daran angebundene und sich davon erstreckende Düsenlanzen 13 mit jeweils einer oder mehreren Düsen 14 aufweisen. Die Verteilerrohre 12 werden über ein Fluidsystem mit einem Kühlmedium K, vorzugsweise Wasser oder einem Wassergemisch, versorgt, das anschließend über die Düsenlanzen 13 an die Düsen 14 strömt und von diesen auf das Rohr R abgegeben bzw. gesprüht wird.
Die Düsenarme 11 mit ihren Verteilerrohren 12 und Düsenlanzen 13 können in Ebenen angeordnet sein, die hierin als„Sprühebenen“ S bezeichnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jede Sprühebene S beispielhaft zwei Düsenarme 11 mit je einem Verteilerrohr 12 und fünf daran angebunden Düsenlanzen 13 auf. Eine diesbezügliche Beschränkung besteht jedoch nicht. Vielmehr können die Anzahl und Anordnung der Düsenarme 11 , Düsenlanzen 13 sowie Düsen 14 frei gewählt werden, solange eine gleichmäßige Kühlung des Rohrs R gewährleistet ist und die Düsenanordnung 10, wie weiter unten ausgeführt, keine geschlossen-ringartigen Gebilde umfasst.
Im Ausschnitt der Figur 2 sind nur zwei Sprühebenen S gezeigt. Allerdings ist die Anzahl der Sprühebenen S, die entlang des Förderwegs des Rohrs S angeordnet sind, im Normalfall größer, um eine ausreichende Kühlwirkung zu entfalten. Die Kühlstrecke, d.h. jener Abschnitt des Förderwegs, in dem das Rohr R mit dem Kühlmedium K beaufschlagt wird, kann je nach Anzahl, Lage und Ausrichtung der Düsen 14, Durchsatz des Kühlmediums K usw. vergleichsweise kurz ausfallen, beispielsweise 8 bis 16 m betragen.
Die Düsenanordnung 10 kann so eingerichtet sein, dass die Sprühebenen S oder ein Teil derselben entlang der Förderrichtung F verstellbar sind. Zu dem Zweck können die Düsenarme 11 oder ein Teil derselben verschiebbar gelagert sein. Alternativ oder zusätzlich können die Düsenlanzen 13 oder ein Teil derselben schwenkbar angeordnet sein, indem beispielsweise die entsprechenden Düsenarme 11 um deren eigene Achsen drehbar gelagert sind. Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die Düsenanordnung 10 mehrere wohl definierte Sprühebenen ausbildet. So können die Düsenlanzen 13 mit deren Düsen 14 beispielsweise so positioniert und/oder ausgerichtet sein, dass das Rohr R in der Förderrichtung F gesehen im Wesentlichen gleichmäßig mit dem Kühlmedium K beaufschlagt wird.
Es können mehrere Verteilerrohre 12 zu jeweils einer Fluideinheit 20 zusammengefasst sein, die von einer gemeinsamen Pumpe 21 bedient und/oder von einem gemeinsamen Ventilsystem geschaltet wird. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 fördern die Verteilerrohre 12 das Kühlmedium K in der Querschnittsebene des Rohrs R. Alternativ kann das Kühlmedium K auch entlang der Rohrlängsachse (=Förderrichtung F) gefördert werden, wie es im Ausführungsbeispiel der Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Selbstverständlich können die Verteilerrohre 12 auch auf andere Weise angeordnet sein, so lange der nachstehend dargelegte Zugang Z sichergestellt ist.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Düsenanordnung 10 keine geschlossen-ringartigen Gebilde umfasst. Vielmehr sind die Düsenarme 11 zumindest einseitig offen ausgebildet, um das Rohr R im Fall einer Störung (Flavarie) in radialer Richtung, vorzugsweise nach oben, aus der Kühlstrecke herausnehmen zu können. In anderen Worten, die Düsenanordnung 10 belässt entlang der Förderrichtung F einen unverbauten Spalt oder Zugang Z, über den das Rohr R entfernt werden kann, sofern erforderlich. Der Arbeitsraum im Bereich des Zugangs Z ist nicht durch Leitungen, Rohre oder dergleichen verbaut. Die Abmessung des Zugangs Z ist größer als der Durchmesser des Rohrs R, um ein behinderungsfreies Entfernen des Rohrs R aus der Kühlstrecke zu gewährleisten.
Es wird somit eine Kühlstrecke geschaffen, die einerseits kurz genug ist, um noch ungeteilte Rohrstränge von beispielsweise bis zu 100 m Länge verarbeiten zu können, und aus der andererseits die Rohre R beispielsweise im Fall einer Störung leicht entfernt werden können, insbesondere ohne diese zuvor an den Sprühebenen S zerschneiden zu müssen.
Um trotz Verzicht auf konzentrische Verteilerringe eine gleichmäßige Kühlung entlang des Rohrumfangs zu gewährleisten, können die Düsen 14 so eingerichtet, angeordnet und ausgerichtet sein, dass die Menge des aufgesprühten Kühlmediums K entlang des Rohrumfangs im Wesentlichen konstant ist. In anderen Worten, der Durchsatz des Kühlmediums K pro Düse 14 und die Abstrahlrichtung können so eingestellt werden, dass eine symmetrische und konzentrische Kühlung erzielt oder zumindest näherungsweise erzielt wird. Im Fall geradliniger Verteilerrohre 12, wie in der Figur 1 gezeigt, können zu diesem Zweck die Düsenlanzen 13 an den Randabschnitten länger als im Zentrum des entsprechenden Verteilerrohrs 12 ausgebildet sein, wodurch sich die Düsen 14 zumindest ungefähr auf einem gedachten Teilring befinden.
Die hierin dargelegte Kühlvorrichtung 1 ist geeignet, um die Rohre R auf Endtemperaturen von etwa 450°C bis 600°C abzukühlen, wodurch ein besonders feinkörniges Gefüge erzielbar ist. Im Anschluss an die Abkühlung durch die Kühlvorrichtung 1 kann das Rohr R durch Luftkonvektion weiter auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
In Verbindung mit einer vorgelagerten Walzstrecke erfolgt vorzugsweise zunächst eine Abkühlung des Mutterrohrs auf Temperaturen unterhalb des Ar1 - Umwandlungspunkts und anschließend ein Wiedererwärmen auf Walztemperatur. Das Rohr R wird dann im Walzwerk gewalzt und zur anschließenden Schnellabkühlung an die Kühlvorrichtung 1 übergeben bzw. transportiert.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Kühlstrecke in mehrere Abschnitte unterteilt, wobei in einem ersten Abschnitt die Düsenanordnung 10 für ein Hochdrucksprühen, beispielsweise mit Drücken von mehr als 10 bar, und in einem in Förderrichtung F nachfolgenden Abschnitt für niedrigere Drücke eingerichtet ist. So sind im Hochdruckbereich Wärmeübergangszahlen von beispielsweise mehr als 10.000 W/(m2K) erzielbar.
Alternativ oder zusätzlich kann eine in Förderrichtung F gesehene abschnittsweise oder quasi-kontinuierliche Regelung von Druck- und/oder Durchflussmengen des Kühlmediums K in Abhängigkeit vom Produkt und/oder basierend auf Messwerten, Erfahrungswerten und/oder einem Prozessmodel realisiert sein.
Die Kühlvorrichtung 1 kann für einen diskontinuierlichen Betrieb eingerichtet sein, indem Düsenarme 11 beispielsweise entsprechend dem Durchlauf des vorderen Rohrendes zugeschaltet und mit Durchlauf des hinteren Rohrendes abgeschaltet werden können, wodurch verhindert werden kann, dass Kühlmedium K in das Rohr R eintritt. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Sensoren, die zur Erkennung der Rohrenden eingerichtet sind, innerhalb oder hinter der Kühlstrecke angeordnet sein. Vorzugsweise befindet sich die Kühlstrecke vollständig oder abschnittsweise in einer Einhausung, um eine Kontamination der Umgebung mit Kühlmedium K zu vermeiden, insbesondere eine Sprühwasser- und Wasserdampfbelastung der Umgebung zu verringern. Für einen ähnlichen Zweck können Druckluftabstreifer verwendet werden, um einen Eintritt des Kühlmediums K in besonders gefährdete Einrichtungen, wie etwa radiometrische Wanddicken- oder sonstige Messstellen vor und/oder hinter der Kühlstrecke, zu vermeiden.
Die Förderrichtung F des Rohrs R entlang der Kühlstrecke kann geneigt (steigend oder fallend) sein, wodurch der Bauraum beim Übergang vom Walzwerk auf ein etwaiges Kühlbett verkürzt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Kühlstrecke in den Übergangsbereich zum Kühlbett integriert werden. Da der Sprühraum aufgrund des Zugangs Z nicht geschlossen ist, kann das Rohr R aus der Kühlstrecke herausgehoben und auf das Kühlbett übergeben werden. Die hierin dargelegte Kühlvorrichtung 1 ist zudem für eine Kombination mit Zusatzkühlelementen im Walzwerk geeignet, um die Kühlwirkung zu verstärken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt im Walzwerk eine Absenkung der Einsatz- bzw. Walztemperatur, so dass eine niedrigere Endwalztemperatur als normalerweise üblich angewendet wird. So kann im Walzwerk eine Unterkühlung des Rohrs R auf eine Temperatur von ca. 30°C unterhalb des Ar3- Umwandlungspunkts erfolgen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den
Ausführungsbeispielen dargelegt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
1 Kühlvorrichtung 10 Düsenanordnung 11 Düsenarm
12 Verteilerrohr
13 Düsenlanze
14 Düse
20 Fluideinheit 21 Pumpe
R Rohr
F Förderrichtung
K Kühlmedium S Sprühebene
Z Zugang

Claims

Patentansprüche
1. Kühlvorrichtung (1 ) zum Abkühlen eines nahtlosen, gewalzten Rohrs (R) aus einem Metall, vorzugsweise Stahl, die
eine Düsenanordnung (10) mit einer oder mehreren Düsen (14) aufweist, die eingerichtet sind, um die Außenumfangsfläche des Rohrs (R) mit einem Kühlmedium (K), vorzugsweise Wasser oder einem Wassergemisch, zu beaufschlagen, während das Rohr (R) entlang einer Förderrichtung (F) durch eine Kühlstrecke der Kühlvorrichtung (1 ) transportiert wird, wobei die Düsenanordnung (10) einen Zugang (Z) aufweist, über den das Rohr (R) in radialer Richtung des Rohrs (R), vorzugsweise nach oben, aus der Kühlstrecke herausnehmbar ist.
2. Kühlvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung (10) ein oder mehrere Düsenarme (11 ) aufweist, die jeweils zumindest ein Verteilerrohr (12) und ein oder mehrere daran angebundene und sich davon erstreckende Düsenlanzen (13) mit jeweils einer oder mehreren Düsen (14) aufweisen.
3. Kühlvorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner ein Fluidsystem aufweist, das eingerichtet ist, um die Verteilerrohre (12) mit dem Kühlmedium (K) zu versorgen, wobei vorzugsweise mehrere Verteilerrohre (12) zu jeweils einer Fluideinheit (20), die von einer gemeinsamen Pumpe (21 ) bedient und/oder von einem gemeinsamen Ventilsystem geschaltet wird, zusammengefasst sind.
4. Kühlvorrichtung (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerrohre (12) eingerichtet sind, um das Kühlmedium (K) in der Querschnittsebene des Rohrs (R) und/oder entlang der Förderrichtung (F) zu fördern.
5. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstrecke kürzer als das Rohr (R) ist, vorzugsweise 8 bis 16 m lang ist.
6. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder Ausrichtung und/oder der Volumendurchsatz einer oder mehrerer Düsen (14) der Düsenanordnung (10) einstellbar ist.
7. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (14) der Düsenanordnung (10) so eingerichtet sind, dass mehrere Sprühebenen (S) gebildet werden, die vorzugsweise entlang der Förderrichtung (F) einstellbar sind.
8. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eingerichtet ist, um das Rohr (R) auf eine Endtemperatur unterhalb des Ar3-Umwandlungspunkts, vorzugsweise auf etwa 450°C bis 600°C abzukühlen.
9. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eingerichtet ist, um eine abschnittsweise oder quasi-kontinuierliche Regelung von Druck- und/oder Durchflussmengen des Kühlmediums (K), vorzugsweise in Abhängigkeit vom Produkt und/oder basierend auf Messwerten, Erfahrungswerten und/oder einem Prozessmodel, durchzuführen.
10. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstrecke in mehrere Abschnitte unterteilt ist, wobei in einem ersten Abschnitt die Düsenanordnung (10) für ein Flochdrucksprühen, vorzugsweise mit Drücken von mehr als 10 bar, und in einem in Förderrichtung (F) nachfolgenden Abschnitt für niedrigere Drücke eingerichtet ist.
11. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese so für einen diskontinuierlichen Betrieb eingerichtet ist, dass ein oder mehrere Düsen (14) entsprechend mit Einlauf des Rohrs (R) in die Kühlstrecke zuschaltbar und mit Auslauf des Rohrs (R) aus der Kühlstrecke abschaltbar sind, wobei vorzugsweise ein oder mehrere Sensoren, die zur Erkennung der Rohrenden eingerichtet sind, innerhalb oder hinter der Kühlstrecke angeordnet sind.
12. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner eine Einhausung, welche die Düsenanordnung (10) vollständig oder teilweise umgibt, und/oder einen oder mehrere Druckluftabstreifer aufweist.
13. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrichtung (F) des Rohrs (R) entlang der Kühlstrecke relativ zur Florizontalen geneigt ist.
14. Kühlvorrichtung (1 ) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese unmittelbar hinter einem Walzwerk zum Walzen des Rohrs (R) angeordnet ist, so dass das Rohr (R) in die Kühlstrecke eintritt, während es am hinteren Ende noch im Walzwerk eingebunden ist.
15. Vorrichtung mit einem Walzwerk, vorzugsweise Streckreduzierwalzwerk oder Maßwalzwerk, und einer Kühlvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, die sich in Förderrichtung (F) hinter dem Walzwerk befindet und zum Abkühlen des durch das Walzwerk gewalzten Rohrs (R) eingerichtet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzwerk ein oder mehrere Kühlelemente aufweist, die eingerichtet sind, um die Temperatur des Rohrs (R) im Walzwerk unter den Ar3- Umwandlungspunkt zu senken, vorzugsweise um ca. 30° unter den Ar3-
Umwandlungspunkt.
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