Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung von zu kühlendem Material

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung von zu kühlendem Material, insbesondere zum Abkühlen von kontinuierlich an der Vorrichtung vorbeilaufenden Metallerzeugnissen, z. B. Walzerzeugnissen beispielsweise nach dem Warmwalzen. Die Vorrichtung eignet sich sowohl zur Kühlung großflächiger Bleche, Profile, Flachstäbe und/oder Metallbänder, als auch in gleichem Maße zur Kühlung kleinerer Teile.

Zur Kühlung von kontinuierlich an der Kühlvorrichtung vorbei laufenden Walzerzeugnissen, insbesondere Metallerzeugnissen werden verschiedene Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt.

Gemeinsam haben diese, dass entlang einer Kühlstrecke Kühlmittelstellglieder genutzt werden, mit denen ein Kühlmedium, z.B. Wasser, auf das zu kühlende Material aufgebracht wird.

Bekannte Ausführungen dieser Kühlmittelstellglieder sind Sprühventile, bei denen das Kühlmittel über Düsen mit Hilfe von Druckluft zerstäubt und als Nebel aufgebracht wird. Um hierbei eine gute Kühlwirkung zu erzielen, muss mit einem sehr geringen Abstand der Düsen zum Material gearbeitet werden, was technisch oft nur schwer realisierbar ist. Weiterhin beeinträchtigt der Nebel die Temperaturmessung des Materials. Darüber hinaus sorgt die Pressluft bzw. der hohe Kühlmittel- druck, welcher zur Vernebelung benötigt wird, für einen hohen Energiebedarf .

Bei Spritzventilen wird das Kühlmittel über Düsen aufgebracht. Dabei wird das Kühlmittel hier jedoch nicht als fei- ner Nebel, sondern als Hochdruckstrahlen aufgebracht. Auch bei dieser Vorrichtung ist der Energiebedarf sehr hoch, weil die Kühlmittelmenge bei sehr hohem Druck bereitgestellt wer-

den muss. Zusätzlich üben die Hochdruckstrahlen hohe Kräfte auf das zu kühlende Material aus.

Des Weiteren stellen Laminarventile in der Praxis sehr häufig angewandte Kühlungsvorrichtungen dar. Hier fließt das Kühlmittel durch viele nebeneinander angeordnete Rohre und gelangt als eine Reihe von Wasserstrahlen auf das zu kühlende Material. Da die Kühlwirkung direkt unter den Wasserstrahlen jedoch stärker ist als zwischen zwei benachbarten Wasser- strahlen kommt es zu einer unerwünschten Streifenbildung auf dem Material. Durch einen umständlichen Aufbau mit Klappen, welche das Kühlmittel partiell umlenken und es auf diese Weise entweder auf das Material oder daran vorbei leitet (Edge- masking) , kann die Breite, über welche die Kühlung erfolgen soll, eingestellt werden.

Wasservorhänge hingegen bieten die Möglichkeit Materialien sehr gleichmäßig und mit hoher Wirkung abzukühlen. Erzeugt werden sie durch eine meist kontinuierlich regelbare Wasser- Zuleitung über ein Rohr, welches einen unterseitigen Schlitz aufweist. Durch den Einsatz von Schiebern lassen sich zudem Schlitzbreite und damit auch die Breite des Wasservorhangs variieren (Edgemasking) . Der Schlitz ist üblicherweise auf der Unterseite des Zuleitungsrohres angebracht, welches nach dem Einschalten der Kühlung gefüllt werden muss. Die Ausbildung eines gleichmäßigen Vorhangs tritt erst ein, wenn das Zuleitungsrohr vollständig gefüllt ist. Dies führt stets zu einer Verzögerung nach dem Einschalten des Systems. Auch beim Abschalten muss das Zuleitungsrohr erst vollständig entleert werden, um einen stabilen Zustand zu erreichen. Bei größerer Wassermenge wirken außerdem hohe Kräfte auf das Transportband, was zu Transportproblemen bei der Kühlung von dünnen Bändern mit gleichzeitig hoher Kühlleistung führt.

Aus der DE 43 35 710 Al und DE 35 37 508 C2 sind Vorrichtungen zur differenzierten Abkühlung von Breitflacherzeugnissen durch eine laminare flache Strömung bekannt, welche zusätzliche Verstellelemente, z. B. Verstellplatten und Andruckplat

ten bzw. Einlegplatten zur Einstellung der laminaren Strömung umfassen. Hierdurch ist die Vorrichtung sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb sehr aufwändig und kosten- und wartungsintensiv .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung anzugeben, welche einfach aufgebaut ist und eine schnelle und gleichmäßige Kühlung bewirkt. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung von zu kühlendem Material, z. B. Bandstahl oder Blechen, umfasst einen Vor- ratsbehälter, welcher an eine Kühlmittelversorgung angeschlossen und ständig mit Kühlmittel befüllt ist und an zumindest einer Behälterseite eine Ablaufkante aufweist, über welche das Kühlmittel aus dem Vorratsbehälter in Form eines weitgehend stabilen Kühlmittelvorhangs überläuft. Bei einem derartig ausgebildeten Vorratsbehälter, der ständig bis zur

Höhe der Ablaufkante mit Kühlmittel gefüllt ist, wird sichergestellt, dass beim Abschalten der Kühlmittelversorgung weitgehend kein Kühlmittel nachläuft, da der Behälter nicht geleert werden muss. Darüber hinaus ist beim Einschalten der Kühlmittelversorgung sichergestellt, dass der stabile Kühlmittelvorhang weitgehend ohne Verzögerung aufgebaut wird, da der Vorratsbehälter nicht gefüllt werden muss. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlmittelvorhang, z. B. ein Wasservorhang, durch überlaufen des Kühlmittels über die Ab- laufkante auf der Oberseite des Vorratsbehälters erzeugt. Dies ermöglicht eine über die gesamte Bandmaterialbreite weitgehend gleichmäßige Kühlung bei gleichzeitig hoher Kühlwirkung. Gegenüber einem Kühlmittelvorhang, der durch aus einem Schlitz austretendes Kühlmittel gebildet ist, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, wird der Vorhang erfindungsgemäß durch das überlaufen des Vorratsbehälters erzeugt. Da ein stets gefüllter Vorratsbehälter in diesem Fall keinen ungewollten Kühlmittelaustritt zur Folge hat, wird die Verzöge-

rung, welche nach dem Einschalten der Vorrichtung sonst mit dessen Befüllung verbunden ist, sowie auch der Nachteil des nach dem Abschalten nachlaufenden Kühlmittels umgangen.

Zweckmäßigerweise weist zumindest die Behälterseite mit der Ablaufkante gegenüber den anderen Behälterseiten eine geringere Höhe auf. Somit wird ein Kühlmittelvorhang in eine vorgegebene Richtung gebildet. Die gegenüber den anderen Behälterseiten geringe Höhe der Ablauf- oder überlaufkante ermög- licht ein gleichmäßiges überlaufen und damit einen stabilen Wasservorhang. Je nach Kühlungsgrad kann der Vorratsbehälter beidseitig oder mehrseitig mit Ablaufkanten versehen sein. Vorzugsweise wird die Vorrichtung quer zur Laufrichtung von kontinuierlich unter der Vorrichtung vorbeilaufenden Materia- lien, z. B. Walzprodukte, angeordnet. Dies ermöglicht eine

Kühlung der Walzprodukte über deren gesamte Breite. Bei zwei gegenüberliegenden Ablaufkanten, die quer zur Laufrichtung und in Laufrichtung der Walzprodukte gesehen hintereinander angeordnet sind, ist somit eine mehrstufige Kühlung ermög- licht. Bei einer in Laufrichtung der Walzprodukte gesehen angeordneten Ablaufkante ist eine streifenförmige und gleichmäßige Kühlung über eine vorgegebene Lauflänge, die der Länge der Ablaufkante entspricht, ermöglicht.

Vorzugsweise ist die Ablaufkante starr ausgebildet und verläuft weitgehend geradlinig. Hierzu sind der Vorratsbehälter und die Ablaufkante beispielsweise aus Edelstahl oder einem anderen geeigneten Metall gebildet. Alternativ kann der Vorratsbehälter aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Ma- terial gebildet sein. Die Ablaufkante ist zur Bildung eines Kühlmittelvorhangs durch überlaufendes Kühlmittel beispielsweise abgerundet ausgebildet. Alternativ kann die Ablaufkante flexibel, z. B. dehn- oder stauchbar, ausgebildet sein.

In einer möglichen Ausführungsform ist die Breite des Wasservorhangs einstellbar. Hierzu ist die Ablaufkante vorzugsweise höhenverstellbar, z. B. heb- und/oder senkbar bzw. dehn- und/oder stauchbar. Dabei ist die Vorrichtung mit mindestens

einem Stellglied erweiterbar, welches durch Einstellen verschiedener Höhen der Ablaufkante eine Einstellung der Kühlmittelmenge über die Bandbreite erlaubt. Beispielsweise wird durch eine bogenförmige Ablaufkante, welche mittig eine nied- rigere Höhe aufweist als die Außenseite der Ablaufkante, in der Mitte eine stärkere Kühlung bewirkt als außen, indem mittig eine größere Kühlmittelmenge als außenseitig überläuft. Somit ist mittels der Stellglieder durch die Höhenverstellung auch die Kühlmittelmenge einstellbar.

Zweckmäßigerweise ist die Ablaufkante an mehreren Stellen getrennt voneinander und/oder gemeinsam höhenverstellbar. Insbesondere bei einer flexiblen Ausgestaltung der Ablaufkante kann durch Heben oder Senken eines oder mehrerer entlang der Ablaufkante nebeneinander angeordneter Stellglieder in die Ablaufkante hinein bzw. heraus, so dass diese verbogen oder gedehnt bzw. gestaucht wird, die Höhe der Ablaufkante über deren gesamte Länge bzw. abschnittsweise variieren. Alternativ können Steuerelemente, insbesondere Strömungshindernisse, von oben in die Kühlmitteloberfläche bzw. den Kühlmittelvorhang eingefahren werden. Hierdurch ist ebenfalls eine Steuerung der Kühlmittelmenge und der Breite des Kühlmittelvorhangs ermöglicht. Vorzugsweise sind das oder die Steuerelemente vor der Ablaufkante, auf der Ablaufkante, nach der Ab- laufkante in die Kühlmitteloberfläche und/oder direkt in den Kühlmittelvorhang einfahrbar. Nachteilig dabei ist, dass dies zu Turbulenzen führen kann. Zum Ausgleich dieser Turbulenzen kann die Ablaufkante mit einer Verlängerung versehen sein. Die Verlängerung kann alternativ oder zusätzlich zur Ablauf- kante durch entsprechende Stellglieder geformt, insbesondere gestaucht, gedehnt, verbogen und/oder verstellt werden, um die Form des Kühlmittelvorhangs anzupassen bzw. zu ändern.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Ablaufkante in min- destens zwei Elemente geteilt. Dies ermöglicht eine hohe Variabilität und Flexibilität in der Einstellung der Breite des Kühlmittelvorhangs und der Menge des überlaufenden Kühlmittels. Zweckmäßigerweise sind die Elemente synchron und/oder

asynchron höhenverstellbar. Somit können je nach Art und Größe des unter der Vorrichtung vorbeilaufenden Materials einzelne Elemente geschlossen oder geöffnet werden, indem die Höhe der Elemente variiert, so dass das Kühlmittel lediglich über diejenigen Elemente abläuft, die eine niedrige Höhe aufweisen. Beispielsweise wird bei kleinen Walzprodukten lediglich ein Element auf eine niedrige Höhe eingestellt, so dass der Wasservorhang nur über die Breite des Elements und nicht über die gesamte Breite des Vorratsbehälters gebildet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Ablaufkante mit einer schräg nach unten weisenden Verlängerung versehen. Durch die Verlängerung ist unmittelbar nach der Ablaufkante eine Beruhigungsstrecke gebildet, die eine Ver- gleichmäßigung der Kühlmittelströmung und daraus resultierend einen stabilen Kühlmittelvorhang bewirkt. In einer möglichen Ausführungsform ist die Verlängerung durch einen abgekanteten Behälterseitenrand der betreffenden Behälterseiten des Vorratsbehälters gebildet. Beispielsweise wird hierzu die be- treffende Behälterseite winklig nach außen und unten abgebogen, so dass ein Kantenrand entsteht. Alternativ kann die Verlängerung als mindestens eine schwenkbare Klappe ausgebildet sein. Hierzu ist die Behälterseite beispielsweise unterteilt, wobei die obere Hälfte drehbar gelagert ist und über die gesamte Seitenlänge seitlich nach außen und unten abklappbar ist.

Für eine stetige Befüllung des Vorratsbehälters ist an diesen eine Kühlmittelversorgung angeschlossen. Im Ruhezustand der Vorrichtung ist die Kühlmittelversorgung abgeschaltet und der Vorratsbehälter bis zur Höhe der Ablaufkante mit Kühlmittel gefüllt. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Kühlmittelversorgung eingeschaltet und der Vorrichtung Kühlmittel zugeführt, so dass weitgehend ohne Verzögerung das Kühlmittel über die Ablaufkante übertritt und der Kühlmittelvorhang gebildet wird. Zweckmäßigerweise ist dabei die Intensität des Wasservorhangs durch Steuerung der Zulaufmenge des Kühlmittels in den Vorratsbehälter einstellbar.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der Vorratsbehälter im bestimmungsgemäßen Betrieb ständig mit Kühlmittel befüllt, so dass das Kühlmittel an zumindest einer Behältersei- te des Vorratsbehälters über die Ablaufkante in Form des weitgehend stabilen Kühlmittelvorhangs überläuft. Dabei kann durch Einstellung der Höhe der Ablaufkante die Breite des Kühlmittelvorhangs variiert werden. Auch kann die abfließende Kühlmittelmenge variiert werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch ein über eine oberseitige Ablaufkante abfließendes Kühlmittel ein stabiler Kühlmittelvorhang gebildet ist, der über die gesamte Breite der Ablaufkante oder ab- schnittsweise die Regelung einer gleichmäßigen Kühlung von unter diesem vorbeilaufenden Material, wie z. B. Bandstahl, Bandbleche, Bandprofile, in einfacher Art und Weise und mit geringer zeitlicher Verzögerung und damit mit hoher Dynamik der Regelung ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 schematisch in perspektivischer Darstellung eine Kühlvorrichtung mit einem Vorratsbehälter und zwei seitlichen Ablaufkanten zur Bildung von zwei Kühlmittelvorhängen, und

FIG 2 schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Kühlvorrichtung in Seitenansicht mit Stellglieder zur Höhenverstellung zumindest einer Ablaufkante eines Vorratsbehälters.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

FIG 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Kühlung von unter dieser vorbeilaufenden Materialien M, z. B. Walzprodukten, wie Band-

stahl, Bandbleche, Bandprofile, etc. Die Vorrichtung 1 wird im Weiteren kurz Kühlvorrichtung 1 genannt. Dabei können entlang einer Walzstrecke ein oder mehrere Kühlvorrichtungen 1 in nicht näher dargestellter Art und Weise quer zur Laufrich- tung R und in Laufrichtung R der Materialien M hintereinander angeordnet sein.

Die Kühlvorrichtung 1 umfasst einen Vorratsbehälter 2. Der Vorratsbehälter 2 ist beispielsweise aus Edelstahl, Blech, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material gefertigt. Auf der Unterseite des Vorratsbehälters 2 ist eine Kühlmittelversorgung 4 angeschlossen, über welche der Vorratsbehälter 2 mit Kühlmittel K, z. B. Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit, befüllt wird. Je nach Art und Größe der Kühlvor- richtung 1 kann der Boden des Vorratsbehälters 2 mit öffnungen 6 versehen sein, über die das Kühlmittel K von der Kühlmittelversorgung 4 in den Vorratsbehälter 2 eintritt.

Der Vorratsbehälter 2 ist mit zwei Ablaufkanten 8 versehen, über welche das Kühlmittel K abfließt und in Richtung auf das darunter vorbeilaufende Material M als ein stabiler Kühlmittelvorhang auftrifft. Die Ablaufkanten 8 sind auf denjenigen Behälterseiten 2.1 und 2.2 vorgesehen, die quer zur Laufrichtung R angeordnet sind. Hierdurch liegen die Ablaufkanten 8 in Laufrichtung R gesehen hintereinander und ermöglichen eine mehrstufige Kühlung des Materials M. Da hierbei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels K bei Auftreten auf das Material M unabhängig von der eingestellten Menge praktisch konstant bleibt und der durch den Kühlmittelvorhang entste- hende Druck auf das Material M auf zwei Bandstellen in Laufrichtung R verteilt werden kann, sind die auf das Transportband ausgeübten Kräfte geringer als diejenigen, die bei Kühlmittel- oder Wasservorhängen auftreten, die durch einen Schlitz erzeugt werden. Dies hat den Vorteil, dass es selbst bei der Kühlung dünner Metallbänder nicht zu Transportproblemen kommt. Weiterhin entfällt das aufwändige Justieren der Schlitzbreite, da nur die Ablaufkante 8 horizontal ausgerichtet werden muss. Infolge der gleichmäßigeren Verteilung des

Kühlmittels K über die gesamte Breite B der Ablaufkante 8 und somit über die gesamte Breite des Transportbandes ergibt sich im Vergleich zu Laminarventilen eine mindestens gleichwertige Kühlwirkung bei gleicher Wassermenge.

Alternativ kann nur eine der Behälterseiten 2.1 oder 2.2 mit einer Ablaufkante 8 versehen sein. Auch können die anderen Seiten 2.3 und 2.4 als Ablaufkante 8 ausgebildet sein.

Zur Beruhigung der Strömung des über die Ablaufkanten 8 fließenden Kühlmittels K können die Ablaufkanten 8 mit einer Verlängerung 10 versehen sein. Die Verlängerung 10 ist beispielsweise als eine abgekantete Oberseite der betreffenden Seitenfläche 2.1 und 2.2 ausgebildet. Hierzu wird beispiels- weise die betreffende Seitenfläche 2.1 und 2.2 bei einem aus Edelstahl oder einem Metallblech gebildeten Vorratsbehälter 2 randseitig umgebogen. Alternativ kann die Verlängerung 10 in nicht näher dargestellter Art und Weise als Klappe drehbar an der Ablaufkante 8 angeordnet sein und gegebenenfalls in vor- gegebene Richtung abgeklappt und fixiert werden. In diesem

Ausführungsbeispiel verläuft die Ablaufkante 8 weitgehend geradlinig und ist starr ausgebildet.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Ab- laufkante 8 flexibel ausgeführt sein. FIG 2 zeigt eine derartige Ausführungsform für eine Kühlvorrichtung 1 mit einem Vorratsbehälter 2 mit flexibler Ablaufkante 8 in Seitenansicht. Unter einer flexiblen Ablaufkante 8 wird insbesondere eine dehn- oder stauchbare Ablaufkante 8, z. B. aus einem formelastischen oder biegsamen Material, verstanden. Hierbei ist die Ablaufkante 8 an mindestens einer oder bevorzugt an mehreren Stellen in der Höhe H höhenverstellbar. Hierzu sind entlang der Ablaufkante 8 mehrere Stellglieder 12 vorgesehen, die die Ablaufkante 8 in der Höhe verstellen. Mit Hilfe der Stellglieder 12, z. B. herkömmlichen pneumatischen oder hydraulischen Aktoren, insbesondere Aktoren mit Press- oder Biegestempeln, wird die Ablaufkante 8 je nach Aufbau verbogen, gestaucht, gedehnt und/oder verstellt. Durch die Höhenver-

stellbarkeit der Ablaufkante 8 an einer oder mehreren Stellen kann die Breite B und die Form des Kühlmittelvorhangs sowie die Kühlmittelmenge individuell und doch sehr einfach geändert und an das zu kühlende Material angepasst werden. So gibt es keine Einschränkungen wie beim Edgemasking, durch welches zwar am Rand, nicht jedoch in der Bandmitte die Kühlmittelmenge eingestellt werden kann. Alternativ oder zusätzlich zur Verstellung der Ablaufkante 8 kann auch die Verlängerung 10 flexibel ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Verlängerung verbogen, gestaucht, gedehnt und/oder verstellt werden, um den Kühlmittelvorhang entsprechend einzustellen oder anzupassen.

Auch kann die Ablaufkante 8 in einer weiteren alternativen Form (siehe gestrichelte Darstellung) in mehrere Elemente 8.1 bis 8.n unterteilt sein, die separat und/oder gemeinsam höhenverstellbar sind, insbesondere gehoben oder gesenkt werden können. Sowohl die Stellglieder 12 zur Umformung der Ablauf- kante 8 durch Biegen oder Dehnen oder Stauchen als auch die heb- oder senkbaren Elemente 8.1 bis 8.n können synchron oder asynchron verstellt werden und somit die Form und Breite B des Kühlmittelvorhangs sowie die Kühlmittelmenge beeinflussen .