Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Entzunderung einer Oberfläche eines metallischen Halbzeugs, insbesondere zur Entzunderung von Schmiedegut oder Walzgut wie Brammen, Dünnbrammen, Knüppeln, Warmband, Kaltband, Vorband und/oder Langprodukten aus Stahl- und Eisenlegierungen.

Stand der Technik

Die Erzeugung von Walzbändern, insbesondere von Warmbändern, mit einer hohen Oberflächenqualität erfordert eine effektive Entfernung des auf der jeweiligen Oberfläche gebildeten Zunders, um Zundereinwalzungen zu vermeiden. Verfahren und Vorrichtungen zur Entzunderung von metallischen Halbzeugen sind bekannt. Zur Entzunderung sind beispielsweise Zunderwäscher bekannt, mittels welchen Wasser unter einem hohen Druck auf die jeweilige Oberfläche des metallischen Halbzeugs aufgespritzt werden. Das Wasser wird dabei beispielsweise mittels einer Vielzahl von Hochdruckdüsen, welchen das Wasser mit Drücken zwischen 140 und 400 bar zugeleitet wird, in Wasserstrahlen mit einer hohen Geschwindigkeit und damit mit einer hohen kinetischen Energie umgewandelt. Diese Hochgeschwindigkeitswasserstrahlen werden bevorzugt entgegen der Förderrichtung des jeweiligen metallischen Halbzeugs auf die zu behandelnde Oberfläche gespritzt. Mit solchen Systemen wird der Zunder durch das Wasser, welches mit hohem Druck auf die Oberfläche des metallischen Halbzeugs aufgespritzt wird, entfernt. Das dabei zu erzielende Entzunderungsergebnis wird, wie beispielsweise von W. Büchele, „Entzundern von warmgewalzten Oberflächen", Stahl und Eisen 1 15, 5 1995, Heft 10, Seiten 41 -42, beschrieben im Wesentlichen durch die folgenden Faktoren bestimmt: Aufbrechen der Zunderschicht durch die hohe kinetische Energie des auftreffenden Wasserstrahls; Ablösen der Zunderschicht durch unterschiedliche Schrumpfung von Grundmaterial und Zunder bei der schockartigen Abkühlung; Absprengen des Zunders durch explosionsartige0 Verdampfung der Wassertropfen unter der Zunderschicht; Wegspülen des gelösten Zunders durch Schrägstellung des Spritzstrahles.

Eine entsprechende Zusammenfassung der Faktoren findet sich auch bei Andreas Kroll,„Hydromechanische Entzunderung in Warmbreitbandwalzwerken", Stahl und5 Eisen 1 19, 1999, Heft 9, Seiten 89-93.

Entsprechende Ausführungsformen für die jeweilige Beaufschlagung der Oberflächen der metallischen Halbzeuge mit dem unter hohem Druck aufgebrachten Wasser sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt.

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Beispielsweise ist aus der DE 43 37 287 B4 ein Verfahren zur Entzunderung von Walzgut, wie Brammen, Dünnbrammen, Warmband oder Vorband sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. In dem genannten Verfahren wird zur Durchführung der Entzunderung das jeweilige Walzgut mit aus5 Druckwasser versorgten Hochdruckdüsen mit einem in Hochgeschwindigkeit austretenden, energiereichen Wasserstrahl beschossen.

Nachteilig an den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist, dass durch das Beschießen der jeweiligen Oberfläche mit Wasser eine Abkühlung des0 metallisches Halbzeugs stattfindet. Um den Temperaturverlust bei der hydromechanischen Entzunderung zu reduzieren, werden daher bereits reduzierte Spritzwassermengen verwendet, wobei zur Aufrechterhaltung der entsprechenden Entzunderungswirkung dann optimierte Spritzdüsengeometrien, Spritzwinkel, Düsenanordnungen, sowie bewegliche Düsensysteme bzw. Rotationssysteme verwendet werden. Durch diese Maßnahmen kann die Spritzwassermenge bei gleicher Entzunderungswirkung reduziert werden und dadurch der Temperaturverlust ebenfalls verringert werden. Der dann verbleibende Temperaturverlust kann beispielsweise durch höhere Ofentemperaturen, also höhere Anfangstemperaturen für das jeweilige metallisches Halbzeug, oder durch eine zusätzliche Heizung, beispielsweise mittels einer Induktionsheizung, kompensiert werden.

Für ein optimales Entzunderungsergebnis und entsprechend eine optimale Oberflächenbeschaffenheit des jeweiligen metallischen Halbzeugs bzw. Walz- /Schmiedegutes lässt sich die notwendige Spritzwassermenge jedoch nicht beliebig reduzieren. Bei der hydromechanischen Entzunderung treten entsprechend auch bei der bereits verwendeten reduzierten Spritzwassermengen immer noch Temperaturverluste auf, welche insbesondere bei niedrigen Transportgeschwindigkeiten des jeweiligen metallischen Halbzeugs und/oder bei dünnen metallisches Halbzeugen, insbesondere dünnen Brammen oder Warmbändern, zu Nachteilen bezüglich des Erreichens der erforderlichen Endwalztemperatur und/oder bezüglich der Produktivität führen können.

Auch der Kompensation des jeweiligen Temperaturverlustes durch erhöhte Ofentemperaturen oder durch Zusatzaggregate, wie zum Beispiel durch die Verwendung von Induktionsheizungen, stehen die Kosten zum Beispiel für einen höheren Verschleiß und die Instandhaltung sowie häufig auch metallurgische Gründe entgegen. So können beispielsweise erhöhte Temperaturen im Vorwärmofen oder im Tunnelofen neben einem höheren Verschleiß auch erhöhte Zunderverluste und/oder eine erhöhte Randentkohlung hervorrufen. Beschreibung der Offenbarung

Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Entzunderung einer Oberfläche eines metallischen Halbzeugs, insbesondere von Walzgut, anzugeben, bei welchen der auftretende Temperaturverlust bei der Entzunderung weiter reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Entsprechend wird in dem Verfahren zur Entzunderung einer Oberfläche eines metallischen Halbzeugs, insbesondere zur Entzunderung von Schmiedegut oder Walzgut wie Brammen, Dünnbrammen, Knüppeln, Warmband, Kaltband, Vorband und/oder Langprodukten aus Stahl- und Eisenlegierungen, die Oberfläche des metallischen Halbzeugs zur Entzunderung mit einem Fluid unter gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhtem Druck bestrahlt. Erfindungsgemäß wird das Fluid vor der Bestrahlung der Oberfläche des metallischen Halbzeugs aufgeheizt.

Durch die Aufheizung des Fluids vor dem Bestrahlen der Oberfläche des metallischen Halbzeugs mit dem Fluid wird bei gleicher Entzunderungsleistung eine verringerte Abkühlung des metallischen Halbzeugs erreicht. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten hydromechanischen Entzunderung mittels der Beaufschlagung eines metallischen Halbzeugs mit Brauchwasser werden typischerweise Spritzwassertemperaturen im Bereich von 20°C erreicht.

Durch die Verwendung der erhöhten Fluidtemperaturen gemäß dem hier beschriebenen Verfahren hingegen kann der Temperaturverlust des metallischen Halbzeugs gegenüber den Entzunderungsverfahren des Standes der Technik noch weiter verringert werden.

Durch den mittels des Verfahrens erreichten geringeren Temperaturverlust kann, neben einer gleichbleibenden Entzunderungswirkung, erreicht werden, dass die Qualität des metallisches Halbzeugs weiter verbessert wird. Beispielsweise muss beim thermomechanischen Walzen mikrolegierter Stahlsorten der Temperaturverlust in den ersten Gerüsten der Fertigstraße minimiert werden, um eine mehrmalige vollständige Rekristallisation des metallischen Halbzeugs zu gewährleisten. Durch das offenbarte Verfahren kann der Temperaturverlust durch die Entzunderung entsprechend besonders klein gehalten werden.

Weiterhin kann durch den deutlich reduzierten Temperaturverlust des metallischen Halbzeugs auf eine nachfolgende erneute Erhitzung, beispielsweise durch einen Induktionsofen, verzichtet werden. Auch die Anfangstemperaturen können in dem metallurgisch gebotenen Rahmen gehalten werden und erhöhte Ofentemperaturen, die bei einer herkömmlichen hydromechanischen Entzunderung mit kaltem Brauchwasser notwendig werden könnten, können ebenfalls vermieden werden.

Um den Temperaturverlust des metallischen Halbzeugs bei der Entzunderung besonders klein halten zu können, wird das Fluid vor der Bestrahlung der Oberfläche des metallischen Halbzeugs auf Temperaturen von 50°C bis 100°C, bevorzugt von 60°C bis 98°C, bevorzugter von 70°C bis 95°C, noch bevorzugter von 80°C bis 93°C, und besonders bevorzugt von ca. 90°C aufgeheizt. Zusätzlich oder als Alternative kann das Fluid vor der Bestrahlung der Oberfläche des metallischen Halbzeugs auf Temperaturen von 5K bis 20K unterhalb der Siedetemperatur des Fluids, bevorzugt von 8K bis 15K, und besonders bevorzugt von 10K unterhalb der Siedetemperatur des Fluids aufgeheizt werden. Bei den genannten Temperaturen für das Fluid, mittels welchem die zu behandelnde Oberfläche bestrahlt wird, handelt es sich um deutlich gegenüber kaltem Brauchwasser erhöhte Temperaturen. Eine Aufheizung im erfindungsgemäßen Sinne umfasst bewusste und erwünschte Temperaturerhöhungen des Brauchwassers gegenüber der Umgebungstemperatur von wenigstens 10K, bevorzugt wenigstens 30K.

Durch eine Beaufschlagung des metallischen Halbzeugs mit einem Fluid knapp unter die Siedetemperatur des Fluids wird der Temperaturverlust in dem metallischen Halbzeug weitestgehend minimiert. Hierbei kann durch eine sorgfältige Wahl der Temperatur zum anderen aber auch erreicht werden, dass die hydromechanische Wirkung der Entzunderung dadurch gegeben ist, dass der Fluidstrahl noch in der flüssigen Phase auf das metallische Halbzeug auftrifft. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der entsprechende mechanische Impuls des Wasserstrahls auf die Oberfläche des metallischen Halbzeugs übertragen wird. Die erhöhte Temperatur des Fluids kann darüber hinaus die explosionsartige Verdampfung der Wassertropfen, welche unter die Zunderschicht gelangen, weiter unterstützen.

In dem Verfahren kann als Fluid Wasser verwendet werden, wobei das Wasser dann vor der Beaufschlagung des metallischen Halbzeugs mit dem unter Hochdruck stehenden bzw. mit hoher Energie auf das metallische Halbzeug auftreffenden Wasserstrahls aufgeheizt wird.

Durch die Verwendung von Wasser als Fluid für die Entzunderung können die üblichen Vorrichtungen, die üblicherweise in einem Zunderwäscher vorgesehen sind, weiter verwendet werden.

Insbesondere kann das Fluid über Hochdruckdüsen auf die Oberfläche des metallischen Halbzeugs gestrahlt werden, wobei die Hochdruckdüsen bevorzugt entgegen einer Transportrichtung des metallischen Halbzeugs ausgerichtet werden. Um eine besonders effiziente Entzunderung zu erreichen, wird das Fluid unter einem Druck von 60 bar bis 1000 bar, bevorzugt einem Druck von 180 bar bis 500 bar, durch eine Hochdruckdüse auf die Oberfläche des metallischen Halbzeugs gestrahlt.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird der Temperaturverlust beim hydromechanischen Entzundern mittels eines Spritzfluids durch den Einsatz höherer Fluidtemperaturen verringert.

Um das Verfahren effizient durchführen zu können, wird bevorzugt zur Aufheizung des Fluids Prozessabwärme verwendet, insbesondere Abwärme aus Vorwärm- oder Tunnelöfen oder Abwärme elektromagnetischer Heizeinrichtungen. Durch den Einsatz von Prozesswärme zur Aufheizung des Fluids entstehen geringere Kosten als bei der Kompensation des Temperaturverlustes durch höhere Ofentemperaturen und/oder durch zusätzliche Aggregate, wie beispielsweise der Verwendung eines zusätzlichen Induktionsofens nach dem Zunderwäscher.

Durch das offenbarte Verfahren wird, neben dem verringerten Temperaturverlust in dem jeweiligen metallischen Halbzeug, weiterhin eine verbesserte Energiebilanz erreicht, da die jeweiligen metallischen Halbzeuge nach dem Entzundern nicht wieder auf eine erforderliche Walz- oder Schmiedetemperatur angehoben werden müssen. Besonders vorteilhaft ist das genannte Verfahren beim Dünnbrammenprozess, bei welchem die Transportgeschwindigkeit der Brammen und Bänder verfahrensbedingt reduziert ist, genauso wie etwa beim Endloswalzen von Dünn- und Dünnstband bis hin zu Fertigbanddicken von kleiner 1 mm. Durch das Verfahren werden weiterhin höhere Brammen und/oder Zwischenbandtemperaturen ermöglicht und damit auch höhere Stichabnahmen, insbesondere in den vorderen Gerüsten einer Fertigstraße eines Warmwalzwerkes, wodurch die Fertigung von dünneren Endabmessungen sowie von höherfesteren Stählen begünstigt wird. Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Entsprechend ist eine Vorrichtung zur Entzunderung einer Oberfläche eines metallischen Halbzeugs, insbesondere zur Entzunderung von Schmiedegut oder Walzgut wie Brammen, Dünnbrammen, Knüppeln, Warmband, Kaltband, Vorband und/oder Langprodukten aus Stahl- und Eisenlegierungen, vorgesehen, wobei die Vorrichtung zur Entzunderung des metallischen Halbzeugs mindestens eine Hochdruckdüse zur Bestrahlung der Oberfläche des metallischen Halbzeugs mit einem Fluid unter gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhtem Druck aufweist. Erfindungsgemäß ist eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Fluids vor dessen Eintritt in die Hochdruckdüse vorgesehen.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte weitere Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert.

Dabei zeigt:

Figur 1 schematisch eine Gießmaschine mit angeschlossener Walzstraße in

Kombination mit einer Vorrichtung zur Enzunderung gemäß der vorliegenden Offenbarung,

Figur 2 schematisch die Wärmestromdichte in Abhängigkeit von der

Wasserbeaufschlagungsdichte, und

Figur 3 schematisch den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten in

Abhängigkeit von der Wassertemperatur.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche oder ähnliche Elemente mit den identischen Bezugszeichen bezeichnet und eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise fortgelassen, um Redundanzen in der Beschreibung zu vermeiden.

Im Bereich der Zunderwäscher sind hydromechanische Zunderwäscher bekannt, mittels welchen eine Menge an Spritzwasser unter hohem Druck auf das jeweilige, zu entzundernde metallische Halbzeug aufgespritzt wird. Durch den hohen Druck und die sich daraus ableitende hohe kinetische Energie des auftreffenden Wasserstrahls wird die Zunderschicht aufgebrochen. Ein weiterer Effekt, der hier eine Rolle spielt, ist die Ablösung der Zunderschicht durch die unterschiedliche Schrumpfung des durch das Wasser abgekühlten Grundmaterials und des Zunders. Weiterhin wird die Zunderschicht durch eine explosionsartige Verdampfung des Wassers, welches unter die Zunderschicht gelangt ist, erreicht. Das Wasser dient weiterhin dazu, den gelösten Zunder fortzuspülen.

Figur 1 zeigt hier schematisch eine Gießmaschine 1 mit einer Kokille 10 und einem Gießbogen 12, wobei das aus dem Gießbogen 12 austretende Band 2 dann durch unterschiedliche Vorgerüste 3 und Gerüste 4 der Fertigstraße gefördert wird. Ein Induktionsofen 6 ist vorgesehen, mittels welchem das Band nach dem Walzvorgang in den Vorgerüsten 3 auf eine höhere Temperatur angehoben wird. Eine Entzunderung findet durch eine Vorrichtung zur Entzunderung in Form des Zunderwäschers 5 statt, wobei Hochdruckdüsen 50 auf beiden Seiten des Bandes 2 vorgesehen sind. Die Hochdruckdüsen 50 sind dabei typischerweise an einem Balken und quer über die Bandbreite hinweg angeordnet. Die Entzunderungswirkung kann dadurch verbessert werden, dass die Hochdruckdüsen 50 des Zunderwäschers 5 entgegen der Bewegungsrichtung des Bandes 2 angeordnet sind, so dass der von den Hochdruckdüsen 50 ausgegebene Wasserstrahl das Band 2 entgegen dessen Förderrichtung trifft. Die Hochdruckdüsen 50 werden mit dem Fluid, welches zur Entzunderung dienen soll, über eine Hochdruckpumpe 52 beaufschlagt, so dass der an den Hochdruckdüsen 50 anliegende Druck typischerweise in einem Bereich von 20 bis 1000 bar liegt. Die entsprechenden Hochdruckdüsen 50 sind entsprechend auf die konkrete Anwendung hin optimiert. Insbesondere sind die Hochdruckdüsen 50 unter einem bestimmten Winkel bezüglich der Ebene des Bandes 2 angeordnet, haben einen vorgegebenen Spritzwinkel und sind und bestimmten Anordnungen in einem vorbestimmten Abstand vom Band 2 angeordnet, um eine optimale Entzunderungswirkung auch bei reduzierter Spritzwassermenge bzw. reduzierter Fluidmenge zu erreichen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, neben der Hochleistungspumpe 52 auch eine Heizeinrichtung 54 vorgesehen, mittels welcher das Fluid, welches dem Zunderwäscher 5 und insbesondere den Hochdruckdüsen 50 zugeführt werden soll, vor der Beaufschlagung des Bandes 2 mit dem Fluid aufgeheizt wird. Die Heizeinrichtung 54 umfasst einen Wärmetauscher 56, der mit Prozessabwärme des Induktionsofens 6 gespeist wird. Durch diese Verwendung von Prozessabwärme zur Aufheizung des Fluids zur Entzunderung der Oberfläche des metallischen Halbzeugs wird eine effiziente Aufheizung des Fluids erreicht. Die bevorzugten Temperaturen ergeben sich beispielsweise aus dem in Figur 2 gezeigten Zusammenhang zwischen der Wärmestromdichte a _ges in Abhängigkeit von der Wasserbeaufschlagungsdichte m _s bei unterschiedlichen

Spritzwassertemperaturen. Die Figur 2 ist in leicht abgewandelter Form der Veröffentlichung von U. Reiners, R. Jescha, R. Scholz,„Wärmeübertragung bei der Stranggusskühlung durch Spritzwasser", Steel Research 60 (1989), No. 10, Seiten 442 bis 450, entnommen. Aus dieser Figur ergibt sich sofort der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Spritzwassertemperatur und der Wärmestromdichte. Auch die in Figur 3 gezeigte Relation zwischen dem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten a _ges in Abhängigkeit von der Wassertemperatur 3 _w lässt entsprechend einen nicht-linearen Zusammenhang erkennen. Auch diese Figur ist der oben genannten Veröffentlichung entnommen. Durch die entsprechende Einstellung der Temperatur des Fluids, welches bei der hydromechanischen Entzunderung verwendet wird, kann entsprechend die Wärmestromdichte a _ges durch entsprechende Wahl der Spritzwassertemperatur eingestellt werden.

Durch die Verwendung eines aufgeheizten Fluids zur hydromechanischen Entzunderung der Oberfläche eines metallischen Halbzeugs wird erreicht, dass der bei der Entzunderung auftretende Temperaturverlust so weit wie möglich reduziert wird. Bevorzugt werden in diesem Zusammenhang Medientemperaturen zwischen 50°C und 100°C, bevorzugter zwischen 60°C und 98°C, noch bevorzugter zwischen 70°C und 95°C, noch weiter bevorzugter zwischen 80°C und 91 °C und besonders bevorzugt von 90°C verwendet. Wie sich in diesem Zusammenhang beispielsweise aus der Figur 2 abschätzen lässt, kann durch eine Temperatur von 90°C zum einen ein besonders niedriger Temperaturverlust erreicht werden. Zum anderen kann aber durch die Verwendung eines Fluids, und insbesondere von Wasser, welches noch flüssig ist, die entsprechende kinetische Energie, bzw. der entsprechende Impuls transportiert werden, um ein mechanisches Aufbrechen des Zunders zu erreichen. Bevorzugt wird die Temperatur, auf welche das Fluid in der Heizeinrichtung 54 erhitzt wird, in einem Bereich von 5K bis 20K unterhalb der Siedetemperatur des jeweiligen Fluids, bei Wasser beispielsweise in einem Bereich von 95°C bis 80°C, erwärmt, bevorzugt in einem Bereich zwischen 8K und 15K und besonders bevorzugt in einem Bereich von 10K unterhalb der jeweiligen Siedetemperatur des Fluids.

Das Verfahren sowie die Vorrichtung kann zum einen bei der Entzunderung von metallischen Halbzeugen in Walzwerken eingesetzt werden, kann aber auch im Bereich der Entzunderung von metallischen Halbzeugen in Schmiedeanlagen oder an einer Gießmaschine oder an einer Walzstraße verwendet werden. Bezugszeichenliste

1 Gießmaschine

10 Kokille

12 Gießbogen

2 Band

3 Vorgerüste

4 Gerüste der Fertigstraße 5 Vorrichtung zur Entzunderung

50 Hochdruckdüse

52 Pumpe

54 Heizeinrichtung

56 Wärmetauscher

6 Induktionsofen