Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Metallbandes

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Metallbandes nach einer Umformung in einem Kaltwalzgerüst.

Eine derartige Vorrichtung ist im Stand der Technik zum Beispiel aus der japanischen Druckschrift JP 11129017 A1 grundsätzlich bekannt. Die dort offenbarte Kühlvorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Düsen, welche unterhalb des zu kühlenden Metallbandes angeordnet sind und jeweils ein Kühlmittel aus einem gemeinsamen Tank in einem rechten Winkel auf die Unterseite des Metallbandes spritzen. Nach rechtwinkligem Auftreffen auf die Unterseite weicht das Kühlmittel der Unterseite des Metallbandes zunächst radial aus bzw. wird radial auf der Unterseite verdrängt, bis es in einiger Entfernung von der Düse wieder von der Unterseite des Metallbandes in den Tank zurückfällt. Bei der radialen Verdrängung werden einzelne Teilchen des aufgespritzten Kühlmediums mit einer Bewegungskomponente in Laufrichtung des Metallbandes verdrängt, während andere Teilchen mit einer Komponente entgegen der Laufrichtung des Metallbandes verdrängt werden. Die letztgenannten Teilchen sind im Kontaktbe- reich der Unterseite des entgegenlaufenden Metallbandes Scherkräften ausgesetzt, welche zu einer Turbolenzbildung bei diesen Teilchen des Kühlmediums und damit zu einem erhöhten Wärmeübergang zwischen dem Metallband und dem Kühlmedium führen. Diejenigen Teilchen des Kühlmediums, welche in Laufrichtung des Metallbandes verdrängt werden, tragen aufgrund der fehlen- den Turbulenzen nur zu einem wesentlich geringeren Maße zur Wärmeabfuhr bei, als die entgegen der Laufrichtung verdrängten Teilchen. Außerdem werden die einzelnen Teilchen des Kühlmediums beim senkrechten Auftreffen auf die Unterseite des Metallbandes zunächst auf eine Geschwindigkeit V _se nkrecht = 0 abgebremst um danach erst wieder in radialer Richtung beschleunigt zu wer- den; auf diese Weise geht beim Stand der Technik sehr viel Energie verloren. Die verfügbare Energie zur radialen Beschleunigung der Teilchen ist deshalb

eher begrenzt, was zur Folge hat, dass auch die radiale Verdrängung des Kühlmediums entgegen der Laufrichtung des Metallbandes nur auf einer begrenzten Länge bzw. Fläche erfolgt. Dies wiederum hat zur Folge, dass die entsprechende Kühlfläche ebenfalls nur entsprechend gering ist. Insofern ist die Kühlvorrichtung im Stand der Technik ineffektiv und ineffizient.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Kühlvorrichtung, eine bekannte Verwendung für die Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der bekannten Kühlvorrichtung dahingehend weiter zu bilden, dass die Wärmeabfuhr wesentlich effektiver und effizienter wird.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Konkret sieht die Lösung vor, dass eine ebene Platte vorgesehen ist, welche in einer Betriebsposition parallel zur Oberfläche des Metallbandes im Auslauf des Kaltwalzgerüstes angeordnet ist; und dass die Düse in der Betriebsposition angeordnet ist zum Einspritzen des Kühlmediums unter einem spitzen Spritzwinkel in einen Hohlraum zwischen der O- berfläche des Metallbandes und der gegenüberliegenden Platte mit einer Spritzrichtung gegen die Laufrichtung des Metallbandes.

Durch das beanspruchte Aufspritzen des gesamten Kühlmediums unter dem spitzen Spritzwinkel α gegen die Laufrichtung des Metallbandes wird vorteilhafterweise erreicht, dass vorzugsweise die gesamte Menge des aufgespritzten Kühlmediums den durch das entgegenlaufende Metallband verursachten Scherkräften ausgeliefert und zur Ausbildung eines durch die Scherkräfte bedingten turbulenten Strömungsfeldes des Kühlmediums in dem flachen Hohlraum zwischen der Oberfläche des Metallbandes und der gegenüberliegenden Platte beiträgt. Weil im Unterschied zum Stand der Technik nicht nur ein Teil, sondern die gesamte aufgespritzte Menge des Kühlmediums zur Bildung des turbulenten Strömungsfeldes beiträgt, bewirkt die vorliegende Erfindung vorteil-

hafterweise, dass eine gleiche Menge des Kühlmediums einen wesentlich größeren Wärmeübergang, d.h. ein Abführen einer größeren Wärmemenge ermöglicht, als das im Stand der Technik möglich war; insofern ist der Gegenstand der Erfindung effizienter als vergleichbarer Stand der Technik.

Im Unterschied zum Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung durch das beanspruchte spitzwinklige Auftreffen des Kühlmediums auf die O- berfläche des Metallbandes sichergestellt, dass das Kühlmedium sofort nach Verlassen der Düse mit einer Bewegungs-Komponente entgegen der Laufrichtung des Metallbandes bewegt wird. Die hier bei spitzem Winkel auftretenden Reflexionsverluste sind wesentlich geringer als bei senkrechten Aufprall und deshalb ist die Ausdehnung des Kühlmittels entgegen der Laufrichtung auf der Oberfläche des Metallbandes, das heißt die effektive Kühllänge, wesentlich größer als im Stand der Technik. Demzufolge ist auch das erfindungsgemäß ausgebildete turbulente Strömungsfeld in dem Hohlraum entgegen der Laufrich- tung wesentlich länger/tiefer ausgebildet als im Stand der Technik, wodurch ein wesentlich besserer Wärmeübergang erzielt wird und mehr Wärme vom Metallband abgeführt werden kann. Insofern ist die beanspruchte Vorrichtung wesentlich effektiver als die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung. Schließlich sei noch ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens erwähnt. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Anströmung der Oberflächen des Metallbandes mit dem Kühlmedium im spitzen Winkel gegen den Bandlauf werden die Oberflächen des Metallbandes vorteilhafterweise auch ganz oder zumindest teilweise von zuvor aufgetragenen Walzemulsionen befreit. Dadurch ergeben sich in Kombination mit dem Einsatz von Abquetsch- rollenaggregaten und einem oder mehreren Düsenbalken zum Aufspritzen von beispielsweise demineralisiertem Wasser Möglichkeiten der Medientrennung, z. B. zwischen Gerüsten mit unterschiedlicher Emulsionsbeaufschlagung, und der Bandreinigung. Erforderlich sind derartige Einrichtungen zur Erzeugung bestimmter Oberflächenbeschaffenheiten- und Reinheiten. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist besonders vorteilhaft einzusetzen im Auslauf von Gerüsten, bei denen im Einlauf nur minimale Schmiermittelmengen auf das Band aufge-

tragen werden zur Erzielung einer Reibwertanpassung im Walzspalt. In diesen Fällen wird die einlaufseitig aufgetragene Walzemulsion weitestgehend beim Walzen im Walzspalt verbraucht. Die nach dem Walzen im Auslauf auf der O- berfläche des Metallbandes verbleibenden Emulsionsrückstände sind minimal und können problemlos durch die erfindungsgemäße Vorrichtung - quasi in ei- nem Nebeneffekt - mit beseitigt werden. Der Einsatz von Minimalmengen

Schmiereinrichtungen zur gezielten Reibungszahlanpassung kann durch Bandreinigung und Medientrennung optimal genutzt werden.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die erfindungsgemäße Kühl- Vorrichtung eine Mehrzahl von Düsen, die vorzugsweise in mindestens einem Düsenbalken quer zur Laufrichtung des Metallbandes angeordnet sind. Durch diese Anordnung einer Mehrzahl der Düsen wird vorteilhafterweise eine größere flächige Ausdehnung des turbulenten Strömungsfeldes auch quer zur Bandlaufrichtung erreicht; seine Kühlwirkung wird dadurch weiter verbessert. Optio- nal sind die Düsen in die Platte eingebaut.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung umfasst vorteilhafterweise eine Steue- rungs- oder Regelungsvorrichtung zum Steuern oder Regeln der Kühlleistung der Kühlvorrichtung durch geeignetes individuelles Variieren des Druckes und/oder der Strömungsgeschwindigkeit, mit welchem/welcher das Kühlmedium die einzelnen Düsen verlässt, der in den Hohlraum eingespritzten Menge des Kühlmediums oder der Spritzrichtung. Auf diese Weise ermöglicht die beanspruchte Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung jederzeit eine optimale gewünschte Temperaturführung des Metallbandes während eines Walzprozesses. Die Steuerung oder Regelung wird vorteilhafterweise durch ein Prozessmodell unterstützt.

Eine dreidimensionale Einstellung der Spritzrichtung des Kühlmediums ermöglicht vorteilhafterweise nicht nur eine variable Einstellung des spitzen Spritzwin- kels α in einer Ebene senkrecht zur Ebene des Metallbandes, sondern auch eine Einstellung des Azimutwinkels ß in einer Ebene parallel zur Ebene des Me-

tallbandes. Die variable Einstellung des Azimutwinkels ß ist insbesondere für die Düsen im Randbereich des Metallbandes vorteilhaft, weil dann durch eine Einstellung der Düsen mit einer Spritzrichtung, die leicht gegen die Mitte des Metallbandes geneigt ist, erreicht werden kann, das weniger Kühlmittel aus dem Bereich des Metallbandes verdrängt wird und mehr oder weniger ungenutzt ab- fließt.

Wichtig ist jedoch, dass bei jeder Einstellung des Spritzwinkels α oder Azimutwinkels ß die Spritzrichtung immer noch eine Komponente gegen die Laufrichtung des Metallbandes aufweist, weil nur dadurch die Ausbildung des für die starke Kühlwirkung verantwortlichen turbulenten Strömungsfeldes gewährleistet ist.

Optional kann die Vorrichtung eine Positionierungsvorrichtung aufweisen zum variablen Positionieren der Platte in die Betriebsposition oder eine Wartungspo- sition außerhalb des Bandlaufes. Wie der Name bereits vermuten lässt, ist die Wartungsposition für Wartungszwecke, insbesondere wenn in die Platte auch die Düsen integriert sind, wesentlich bequemer als die Betriebsposition. Die Wartungs- oder Ruheposition wird vorzugsweise automatisch bei einer Störung oder nach Abschluss eines Walzvorganges angefahren. Eine Störung des Walzprogrammes liegt insbesondere dann vor, wenn ein Bandriss stattgefunden hat, der z. B. durch ein Signal des abfallenden Bandzuges signalisiert wird. Das Herausfahren der Platte aus dem Bandlauf ist dann erforderlich, um Bandschrott zu beseitigen.

Die Düsen und die Platte können sowohl gegenüberliegend zur Oberseite des Metallbandes wie auch gegenüberliegend zur Unterseite des Metallbandes vorgesehen sein.

Optional ist die Platte geringfügig breiter als das Metallband und weist die Platte an ihren Rändern parallel zur Laufrichtung des Metallbandes überstehende Kanten auf, die die Ränder des Metallbandes in der Betriebsposition - wenn

auch in einem möglichst geringen Abstand umgreifen. Diese Kanten an den Platten wirken ebenfalls dem oben beschriebenen Problem entgegen, dass das Kühlmedium im Randbereich zu schnell abfließen und keine große Kühlwirkung haben würde. Die Kanten treten dem seitlich abfließenden Wasser entgegen und tragen so zu einer verbesserten Kühlleistung der Kühlvorrichtung bei. Be- sonders effektiv wird das seitliche Abfließen des Kühlmediums verhindert, wenn sich die Kanten von einer der Oberseite des Metallbandes zugewandten Platte und die Kanten einer der Unterseite des Metallbandes zugewandten Platte in den Randbereichen des Metallbandes überlappen und insbesondere, wenn dann noch eine Dichtung zwischen diesen Kanten vorhanden ist. Dann ist ein seitliches Abfließen des Kühlmediums vorteilhafterweise ganz unterbunden und das Kühlmedium kann nur noch in Walzrichtung oder entgegen der Walzrichtung abfließen. Die Kühlwirkung ist dann besonders groß.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung bewirkt vorteilhafterweise auch eine Erweiterung des Leistungsspektrums von (Kalt-)Walzanlagen, insbesondere wenn sie im Zusammenwirken mit einem Reversiergerüst oder als Zwischenge- rüstkühlung zwischen zwei benachbarten Walzgerüsten einer Walzstraße verwendet wird. Insbesondere bei diesen Anwendungsfällen ermöglicht die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung aufgrund des oben beschriebenen Funktions- prinzips eine sehr effektive Kühlung, das heißt eine starke Kühlung pro Zeiteinheit. Diese starke Kühlung verhindert, dass das Band zwischen den Stichen zu warm wird und ermöglicht so vorteilhafterweise eine erhöhte Walzgeschwindigkeit bzw. eine höhere und/oder rascher aufeinander folgende Stichabnahme als im Stand der Technik. Auf diese Weise wird die Leistung der Kaltwalzanlage wesentlich gesteigert.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gelöst. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen den oben mit Bezug auf die Kühlvorrichtung genannten Vorteilen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Kühlvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der Beschreibung sind sechs Figuren beigefügt, wobei

Figur 1 den Auslauf einer Kaltwalzanlage mit einem auslaufenden Metallband und einem darunter angeordneten überleittisch;

Figur 2 Düsen eingebaut in den überleittisch,

Figur 3 eine erfindungsgemäße Platte mit Düsenbalken in Form einer

Kühlkassette für die Unterseite und die Oberseite des Metallbandes;

Figur 4 die Kühlkassetten in Betriebsposition;

Figur 5 einen Querschnitt durch die Kühlkassetten in Betriebsposition mit seitlich überlappenden Kanten; und

Figur 6 die Kühlkassetten ausgeschwenkt aus dem Bandlauf in eine Wartungsposition

zeigt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben.

Figur 1 zeigt den Auslauf eines Kaltwalzgerüstes 300 mit einem nach links aus- laufenden Metallband 200. Unter dem Metallband ist eine Platte 500 in Form eines überleittisches angeordnet. In einem Abstand K _min von dem Kaltwalzge-

rüst ist quer zur Laufrichtung des Metallbandes in dem überleittisch ein Düsenbalken 110 mit einer Mehrzahl einzelner Düsen 112 angeordnet.

Figur 2 zeigt die Anordnung der Düsen 112 bzw. des Düsenbalkens 110 in dem überleittisch 500. Konkret ist zu erkennen, dass die Düsen in dem überleittisch so ausgerichtet sind, dass sie ein Kühlmedium 400 unter einem spitzen Spritzwinkel α gegen die Unterseite des Metallbandes entgegen dessen Laufrichtung L spritzen. Durch den Kontakt mit dem in entgegen gesetzter Richtung L laufenden Metallband 200 wirken Scherkräfte auf die beteiligten Partikel des Kühlmediums, wobei diese Scherkräfte in dem Kühlmedium die Ausbildung ei- nes turbulenten Strömungsfeld bewirken. Das turbulente Strömungsfeld bildet sich aus in einem flachen Hohlraum H zwischen der Unterseite des Metallbandes 200 und der Oberseite des überleittisches 500. Die Spalthöhe S dieses flachen Hohlraums H darf einerseits nicht zu klein gewählt werden, um eine direkte Berührung des Metallbandes 200 mit dem überleittisch 500 zu vermeiden. Andererseits darf die Spalthöhe S auch nicht zu groß gewählt werden, denn je größer die Spalthöhe ist, desto größer ist die erforderliche Menge an Kühlmedium, um eine gewünschte Kühlleistung realisieren zu können.

Die Kühlleistung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann mit Hilfe einer Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung 120 individuell gesteuert bzw. geregelt werden, indem bei den einzelnen Düsen 112 jeweils der Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit mit welchem/welcher das Kühlmedium 400 die einzelnen Düsen verlässt, die Menge des Kühlmediums und/oder die dreidimensionale Spritzrichtung R des Kühlmediums geeignet eingestellt bzw. variiert wird. Be- sonders effektiv arbeitet die Kühlvorrichtung bei einem Spritzwinkel α mit α = 10° - 20°.

Die Effektivität und Effizienz der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung lässt sich weiterhin dadurch verbessern, dass der Azimutwinkel ß bei den Düsen 112-n in der Mitte des Düsenbalkens 110 zu Null, aber bei den Düsen in 112-1 , 112-N in der Nähe der Ränder des Metallbandes ungleich Null eingestellt wird. Konkret

ist es empfehlenswert, die Düsen in der Nähe der Ränder des Metallbandes so einzustellen, dass das Kühlmedium jeweils leicht zur Mitte des Metallbandes hin auf dessen Unterseite gespritzt wird. Durch die Ausrichtung der Düsen zur Mitte des Metallbandes hin wird vorteilhafterweise erreicht, dass auch das von diesen Düsen ausgespritzte Kühlmedium möglichst effektiv an der Bildung des turbu- lenten Strömungsteils beteiligt wird und nur möglichst wenig des von diesen Düsen ausgegebenen Kühlmediums über die Ränder des Metallbandes hinaus quer zur Laufrichtung L des Metallbandes in Richtung der in Figur 1 gezeigten Pfeile V ohne zur Kühlung beizutragen, abfließt.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ermöglicht eine Kühlleistung von bis zu 30.000 VWm ² K.

Figur 3 zeigt die erfindungsgemäßen Platten 500 mit jeweils einem Düsenbalken 110; diese Anordnung wird nachfolgend auch als Kühlkassette bezeichnet. Figur 3 zeigt eine Kühlkassette für die Oberseite des Metallbandes 200, mit dem Zusatz I an den Bezugszeichen bezeichnet, und eine Kühlkassette für die Unterseite des Metallbandes, mit dem Zusatz Il zu den Bezugszeichen bezeichnet. Die Bezugszeichen 510-1 und 510-11 bezeichnen die Kanten an den Rändern der Platten. In Figur 3 sind weiterhin die den Kühlkassetten zugeord- neten Positionierungsvorrichtungen 600-1 und 600-11 zu erkennen, die ein Schwenken der Kühlkassetten aus der in Figur 3 gezeigten Wartungs- bzw. Ruheposition in eine später in Figur 4 gezeigte Betriebsposition und zurück ermöglichen. Weiterhin sind in Figur 3 Spindeln 700 zu erkennen, die in der Betriebsposition eine feine Einstellung des Abstandes der Kühlkassette von der Bandoberfläche ermöglichen. Wie einleitend erläutert, hat die konkrete Spalthöhe einen großen Einfluss auf die Ausbildung des turbulenten Strömungsfeldes und damit auf die Effektivität der Kühlwirkung. Die Spalthöhe bestimmt den Strömungsquerschnitt des turbulenten Strömungsfeldes; sie wird deshalb vorzugsweise in Abhängigkeit von der Bandgeschwindigkeit und in Abhängigkeit von Bandschwingungen individuell eingestellt.

Figur 4 zeigt die bereits erwähnte Betriebsposition der Kühlkassetten 500-I, 500-II, in der die Kühlkassetten bzw. die Platten parallel zur Unterseite und / oder Oberseite des gewalzten Metallbandes 200 positioniert sind.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch die Kühlkassetten in der Betriebsposition. Es ist zu erkennen, dass die seitlichen Kanten 510-1, 510-11 der oberen und der unteren Kühlkassette das Metallband 200 an seinen Rändern umschließen. Auf diese Weise wird ein seitliches Abfließen von Kühlwasser erschwert, wodurch die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung insgesamt verbessert wird. Durch eine Dichtung 520 zwischen den Kanten der oberen Kühlkassette 500-1 und der un- teren Kühlkassette 500-11 kann das seitliche Abfließen des Kühlmediums sogar ganz unterbunden werden, wodurch die Kühlwirkung maximiert wird. Das Kühlwasser kann dann nur noch in Walzrichtung oder entgegen der Walzrichtung aus dem durch die Kühlkassetten gebildeten Rahmen austreten.

Figur 6 zeigt die obere Kühlkassette 500-1 und die untere Kühlkassette in der Wartungs- bzw. Ruheposition ähnlich wie in Figur 3, allerdings aus einer anderen Perspektive.