Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von bewegtem metallischen Material, wobei das bewegte Material mit wenigstens einem oberen und unteren Düsenfeld mit je einer Vielzahl von in den Düsenfeldern angeordneten

Hochdruckdüsen, durch die ein Fluid fließt, gekühlt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Unter .bewegtem metallischen Material' sollen beliebige aus einem vorgeschalteten Glühofen kommende metallische Güter verstanden werden wie beispielsweise Metallbänder oder aber auch Vorprodukte wie Platten, Barren oder dergleichen.

Es sind bereits Vorrichtungen zum schwebenden Führen von Metallbändern in vielerlei Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt, wobei das Metallband von einer Vielzahl von Tragdüsen von unten mittels eines Gases getragen und geführt wird. Sie werden meist in Zusammenhang mit Öfen zur thermischen Behandlung des bahnförmigen Materials eingesetzt, man spricht dann auch von sog.

Bandschwebeöfen. Im einfachsten Fall wird als Gas zum Tragen Luft verwendet. Eine derartige Vorrichtung zum schwebenden Führen von bahnförmigem Material ist beispielsweise aus der EP 1 699 721 Bl bekannt.

Aus der DE 10 2016 101 160 B4 ist bereits eine Vorrichtung zum schwebenden Führen und gleichzeitigem Abkühlen von bahnförmigem Material, und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung bekannt. In der aus der DE 10 2016 101 160 B4 bekannten Vorrichtung sind neben Tragdüsen, durch die ein druckbeaufschlagtes Gas strömt, Wasserdüsen zur Kühlung des bahnförmigen Materials im Düsenfeld angeordnet. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung im Prozessschritt des Kühlens während der thermischen Behandlung von endlosen Metallbändern wie

beispielsweise Aluminiumbändern. Sie lässt sich jedoch auch für das Abkühlen von Platten, Barren oder Metallprofilen einsetzen.

Bei Bandschwebeöfen wird aufgrund der bei hohen Temperaturen empfindlichen Bandoberfläche das Band während des Aufheizens auf einem Luftpolster

berührungslos getragen. Nach dem Aufheizen des Bandes und der gewünschten thermischen Behandlung durch Halten bei einer spezifischen Temperatur wird das Band abgekühlt. Dieser Abkühlvorgang erzeugt thermisch induzierte Spannungen, die wiederum in Verformungen des abzukühlenden Materials resultieren. Verformungen des Materials insbesondere dessen Gutoberfläche sind unerwünscht

Bei bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren zum schwebenden Führen und gleichzeitigem Abkühlen von bahnförmigem Material, insbesondere von

Metallbändern, entstehen durch das Aufbringen von Kühlwasser

Wasseransammlungen auf dem bahnförmigen Material, auch Stauwasser genannt. Das auf der Gutoberseite aufgebrachte Kühlwasser kann nur über die Bandränder abfließen. Auf der Gutoberseite des bahnförmigen Materials können unterschiedliche Stauwasserhöhen beobachtet werden. Die Stauwasserhöhe nimmt mit zunehmendem

Abstand zum Bandrand zu. Die gleiche Problematik besteht bei Verfahren bzw.

Vorrichtungen zum Abkühlen von Platten oder Barren.

Das Stauwasser besitzt eine isolierende Wirkung, die zwischen dem bewegtem metallischen Material und dem Sprühstrahl der Hochdruckdüse zum Tragen kommt Durch die variierenden Stauwasserhöhen ist die Isolationswirkung des Stauwassers auf der Gutoberfläche unterschiedlich stark ausgebildet. Durch die hierdurch entstehende inhomogene Kühlintensität quer zur Durchlaufrichtung steigen die thermisch induzierten Spannungen an, die wiederum zu unerwünschten

Verformungen des Materials führen. Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, das eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Abkühlen von bewegtem metallischen Material so auszugestalten und weiterzubilden, dass die Verformung der Oberfläche des bewegten metallischen Materials reduziert wird.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass die einzelnen

Hochdruckdüsen in jedem Düsenfeld zum Erreichen einer minimalen Gutverformung separat angesteuert werden. Die gezielte und individuelle Einstellung der

Düsenvordrücke der einzelnen Hochdruckdüsen ermöglicht eine

Temperaturhomogenität der Oberfläche des zu kühlenden Guts, welche eine

Voraussetzung für ein verformungsfreies Abkühlen darstellt.

Es versteht sich von selbst, dass sich die Erfindung nicht auf die Kühlung mittels Wasser beschränkt. Vielmehr können ebenfalls andere Fluide eingesetzt werden. Einfachheitshalber wird nachfolgend nur auf die Kühlung mittels Wasser Bezug genommen, wobei die Kühlung ebenfalls mit Hilfe anderer Fluide durchgeführt werden kann. Durch Variation des Düsenvordrucks einer hier betrachteten Hochdruckdüse wird die Wasserbeaufschlagungsdichte des austretenden Kühlwassers beeinflusst. Je höher der Düsenvordruck eingestellt ist, desto größer ist die Wasserbeaufschlagungsdichte. Diese Wasserbeaufschlagungsdichte besitzt wiederum einen Einfluss auf den

Wärmeübergangskoeffizient, welcher den Wärmeübergang, d.h. den Abkühlvorgang und mithin auch die thermisch induzierten Spannungen, beeinflusst.

Dementsprechend kühlt das zu kühlende Material bei einer höheren

Wasserbeaufschlagungsdichte schneller ab.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist der Düsenvordruck der einzelnen Hochdruckdüsen separat einstellbar. Durch Modifikation des Düsenvordrucks der

Hochdruckdüsen kann die unterschiedliche starke Isolationswirkung, ausgelöst durch variierende Stauwasserhöhen quer zur Durchlaufrichtung, ausgeglichen werden. Bei Nutzung der beschriebenen physikalischen Wirkkette kann eine

Temperaturhomogenität des zu kühlenden Materials in Querrichtung erreicht werden. Dies ermöglicht ein nahezu verformungsfreies Abkühlen.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Hochdruckdüsen von einem Ein- oder Mehrstofffluid wie Wasser oder ein Wasser-Luft-Gemisch

durchströmt. Das Fluid fließt dabei in einem Druckbereich von 0 bis 10 bar durch die

Hochdruckdüsen.

Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung messen am Anfang und/oder am Ende jedes Düsenfelds angeordnete Abstandssensoren die Gutebenheit der Oberfläche des Materials oben und/oder unten. Als Abstandssensoren können in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Linienlaser zum Einsatz kommen, die die

Gutebenheit der Oberfläche des Materials über die gesamte Breite des zu kühlenden Guts messen.

Eine Verarbeitungseinheit wertet die von den Abstandssensoren generierten

Messwerte über der Zeit aus, so dass ein dreidimensionales Bild der Oberfläche entsteht. Anhand dieses Bildes kann von oben und/oder unten die Oberflächengüte des Materials am Anfang und/oder am Ende jedes Düsenfelds bewertet werden. Das dreidimensionale Bild stellt dementsprechend die Ist-Oberflächenunebenheit des Materials dar. Ziel ist es, ein Bild zu erhalten, das keine Verformungen des Materials zeigt. Dies entspricht einem dreidimensionalen Bild, das senkrecht zur Oberfläche des Materials keine Ausreißer zeigt. In diesem Fall erreicht die gemessene

Oberflächenunebenheit den Wert Null.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nutzt ein Regelsystem das durch die erwähnte Verarbeitungseinheit generierte dreidimensionale Bild der Oberfläche bzw. den gemessenen Wert der Ist-Oberflächenunebenheit als Regelgröße. Das

Regelsystem vergleicht stets den Wert der Ist-Oberflächenunebenheit mit der Führungsgröße des Regelkreises. Die Führungsgröße ist in der vorliegenden

Anwendung die Soll-Oberflächenunebenheit. Ziel eines erfindungsgemäßen

Verfahrens ist es, die Verformung der Oberfläche des bewegten Materials möglichst stark zu reduzieren. Dementsprechend trägt die Soll-Oberflächenunebenheit den Wert Null.

Durch Vergleich der Werte der Ist-Oberflächenunebenheit und der Soll- Oberflächenunebenheit entsteht die Regelabweichung, die die Eingangsgröße für den Regler darstellt. Auf Basis der Regelabweichung ermittelt der Regler den optimalen Wert für den Düsenvordruck jeder einzelnen Hochdruckdüse im Düsenfeld. Der

Düsenvordruck stellt in dem betrachteten Anwendungsfall die Stellgröße der

Regelstrecke dar.

Auf die Regelstrecke selbst können weitere Störgrößen wie beispielsweise die Raum- oder Wassertemperatur einwirken. Durch die permanente Messung der Ist- Oberflächenunebenheit und Justierung des Düsenvordrucks kann etwaigen

Störgrößen entgegengewirkt werden.

Das Regelsystem berücksichtigt bei Ermittlung des optimalen Düsenvordrucks einen nicht zu unterschreitenden Mindestdüsenvordruck. Dieser ist eine Funktion der Mindestabkühlrate.

Das Regelsystem transferiert den ermittelten optimalen Düsenvordruck für die einzelnen Hochdruckdüsen im Düsenfeld an eine Steuereinheit. Diese Steuereinheit setzt die je Hochdruckdüse spezifizierten Vorgaben des Regelsystems hinsichtlich

Düsenvordruck in den einzelnen Hochdruckdüsen um. Als Steuereinheit können Druckregelventile mit elektrischem Stellmotor oder pneumatische Ventilantriebe zum Einsatz kommen. In einer bevorzugten Ausführungsform prüfen den Steuereinheiten nachgeschaltete Drucksensoren, ob die Vorgaben des Regelsystems korrekt umgesetzt wurden. Zeigt der Abgleich der durch die Drucksensoren gemessenen Werte und der Vorgaben des Regelsystem Abweichungen, kann nachjustiert werden.

Die Aufgabe der Lösung erfolgt für eine Vorrichtung mit den Merkmalen des

Oberbegriffs von Anspruch 15 dadurch, dass jede Hochdruckdüse eine Einrichtung zur separaten Modifikation des Düsenvordrucks aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, individuelle Düsenvordrücke je Hochdruckdüse im jeweiligen Düsenfeld einzustellen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind am Anfang und am Ende des Düsenfelds Schlitzdüsen oberhalb und unterhalb des zu kühlenden Materials angeordnet. Diese lenken das abfließende Kühlwasser kontrolliert in eine bestimmte Richtung. Hierdurch wird vermieden, dass das Wasser hinter das Düsenfeld abfließt und eine unkontrollierte Nachkühlung stattfindet. Darüber hinaus wird durch die Schlitzdüsen auch sichergestellt, dass kein Kühlwasser in den Ofen zurückfließt.

Nach einer bevorzugten Lehre der Erfindung weisen die Hochdruckdüsen im

Düsenfeld jeweils separate Leitungen für die Wasserzufuhr auf. Diese Leitungen sind mit jeweils mindestens einem Druckregelventil ausgestattet. Jedes Druckregelventil weist wiederum eine Steuereinheit in Form eines elektrischen Stellmotors oder eines pneumatischen Ventilantriebs auf. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leitungen zusätzlich zur Steuereinheit mit einem Drucksensor ausgestattet.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass am Anfang und/oder am Ende jedes Düsenfelds Abstandssensoren oberhalb und/unterhalb des zu kühlenden Materials angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind als Abstandssensoren am Anfang und/oder am Ende jedes Düsenfelds Linienlaser oberhalb und/oder unterhalb des bewegten Materials vorgesehen.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine

Mikroprozessoreinheit zur Verarbeitung der Messwerte der Abstandssensoren und zur Regelung der Hochdruckdüsen vor. Die Mikroprozessoreinheit ist mit den Steuereinheiten der Druckregelventile verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, die Regelung der Düsenvordrücke vorzunehmen.

Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung sind die Hochdruckdüsen verschachtelt angeordnet. Dadurch ist es möglich, eine homogene Wasserbeaufschlagungsdichte zu realisieren. Die Hochdruckdüsen können in weiter Ausgestaltung der Erfindung auch in Transportrichtung des bewegten Materials leicht geneigt angeordnet sein. Dadurch wird die Kühlwirkung verbessert. Auch kann das obere Düsenfeld in seiner Höhe zum unteren Düsenfeld vertikal verstellbar ausgeführt sein. So können unterschiedlich starke Produkte optimal abgekühlt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich bevorzugte

Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen

Verfahrens im Vertikalschnitt längs zur Durchlaufrichtung, teilweise freigelegt, in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum schwebenden

Führen und Kühlen von bahnförmigem Material inkl. eines

erfindungsgemäßen Wasserzufuhrkastens, teilweise freigelegt, in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Vorrichtung aus Fig. 2, Fig. 4 zwei gegenüberliegende Düsenkästen der Vorrichtung aus Fig. 2 im Vertikalschnitt längs zur Durchlaufrichtung durch sechs obere und sechs untere Hochdruckdüsen, Fig. 5 zwei gegenüberliegende Düsenkästen der Vorrichtung aus Fig. 2 im

Vertikalschnitt quer zur Durchlaufrichtung und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung des

erfindungsgemäßen Verfahrens im Vertikalschnitt längs zur

Durchlaufrichtung, in schematischer Darstellung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen von im Ausführungsbeispiel bahnförmigem Material B, insbesondere von Metallbändern, in schematischer Darstellung. In dieser schematischen Darstellung sind lediglich jene Komponenten dargestellt, die für das erfindungsgemäße Verfahren von besonderer Bedeutung sind. Dementsprechend sind einer besseren Übersicht wegen beispielsweise keine

Tragdüsen dargestellt.

Wesentliches Element dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein oberes Düsenfeld 1 und ein unteres Düsenfeld 2, zwischen denen das bahnförmige Material B in Richtung des nicht näher bezeichneten Pfeils geführt und gekühlt wird. Sowohl das obere Düsenfeld 1 als auch das untere Düsenfeld 2 bestehen aus einer Vielzahl einzelner Hochdruckdüsen 3.

Am Anfang und am Ende des oberen Düsenfelds 1 sind jeweils ein Linienlaser 4 bzw. 5 angeordnet, die die Gutebenheit der Oberfläche des bahnförmigen Materials B messen. Die Linienlaser 4 und 5 sind mit einer Mikroprozessoreinheit 6 verbunden, welche die Messwerte der Linienlaser 4 und 5 über die Zeit zu einem

dreidimensionalen Bild auswertet. Die Mikroprozessoreinheit 6 nutzt dabei die Information über die Gutebenheit der Oberfläche des bahnförmigen Materials B, um den optimalen Düsenvordruck jeder einzelnen Hochdruckdüse 3 zu berechnen. Die Mikroprozessoreinheit 6 ist wiederum mit den einzelnen Düsendruckventilen 7 verbunden, so dass die Mikroprozessoreinheit 6 die Vorgaben für die

hochdruckdüsenindividuellen Düsenvordrücke an die einzelnen Düsendruckventile 7 übermitteln kann. Aus Fig. 1 erkennt man, dass jede Hochdruckdüse 3 an eine separate Wasserleitung 8 angeschlossen ist, die wiederum mit einem

Düsendruckventil 7 ausgestattet ist Dies ermöglicht, dass der Düsenvorduck je

Hochdruckdüse 3 individuell eingestellt werden kann. Die einzelnen Wasserleitungen 8 werden über eine zentrale Wasserleitung 9 mit Wasser versorgt.

Zwischen den Hochdruckdüsen 3 und den Düsendruckventilen 7 ist ein Drucksensor 10 angeordnet, der ebenfalls in Verbindung zur Mikroprozessoreinheit 6 steht. Die

Drucksensoren 10 prüfen, ob die Vorgaben der Mikroprozessoreinheit 6 hinsichtlich Düsenvordruck korrekt durch die Druckregelventile 7 eingestellt wurden. Ist dies nicht der Fall, können die Druckregelventile 7 nachjustieren. Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum schwebenden Führen und Kühlen von

bahnförmigem Material B, insbesondere Metallbändern inklusive eines

erfindungsgemäßen Wasserzufuhrkastens 11. Es ist klar, dass die gezeigte

Vorrichtung sich je nach Verwendungszweck auch weiter nach hinten erstrecken kann, wenn längere Behandlungsstrecken zur Kühlung des Bandes erforderlich sind.

Zur besseren Übersichtlichkeit sind in Fig. 2 einzelne Komponenten, die zur Regelung des Düsenvordrucks notwendig sind, nicht dargestellt. Das bahnförmige Material B wird zwischen dem oberen und unteren Düsenfeld 1 bzw. 2 schwebend in Richtung des nicht näher bezeichneten Pfeils geführt Die einzelnen Hochdruckdüsen 3 sprühen von oben und unten Wasser auf die Gutoberfläche des bahnförmigen Materials B, so dass dieses abkühlt. Man erkennt, dass die Hochdruckdüsen 3 auf einem

gemeinsamen Rahmen 12 bzw. 13 angeordnet sind.

Außerhalb des Gehäuses 14 und oberhalb des bahnförmigen Materials B sind

Linienlaser 4 bzw. 5 angeordnet. In Fig. 2 ist lediglich der hinter dem

Hochdruckdüsenfeld 1 bzw. 2 angeordnete Linienlaser 5 gezeigt.

Den einzelnen Hochdruckdüsen 3 wird über separate Leitungen 8 Wasser zugeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform münden die Wasserleitungen 8 in einen Wasserzufuhrkasten 11. Innerhalb des Wasserzufuhrkastens 11 ist die zentrale

Wasserleitung 9 zur Versorgung der einzelnen Leitungen 8 mit Wasser angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Druckregelventile 7 und die

Drucksensoren 10 ebenfalls in dem Wasserzufuhrkasten 11 untergebracht. Zur besseren Übersichtlichkeit sind diese Bauteile jedoch nicht in Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 3 sind ein oberer und unterer Düsenkasten 15 bzw. 16 sowie die Linienlaser 4 und 5 in Seitenansicht dargestellt. Das bahnförmige Material B wird von links nach rechts in Richtung des nicht näher bezeichneten Pfeils durch die Vorrichtung geführt. Das obere Düsenfeld 1 ist Teil des oberen Düsenkastens 15 und das untere Düsenfeld 2 Teil des unteren Düsenkastens 16.

Fig. 3 zeigt vier Schlitzdüsen 17, 18, 19, 20, die ein kontrolliertes seitliches Abfließen des Kühlwassers sicherstellen. Durch die Schlitzdüse 17 strömt ein

druckbeaufschlagtes Gas von oben auf das bahnförmige Material B bei Eintritt in die Düsenkästen 15 bzw. 16. Durch die Schlitzdüse 18 passiert selbiges von unten bei Eintritt in die Düsenkästen 15 bzw. 16. Darüber hinaus sind zwei Schlitzdüsen 19, 20 am Ende der Düsenkästen 15, 16 angeordnet, durch die ebenfalls ein

druckbeaufschlagtes Gas strömt. Auf diese Weise können die Düsenfelder 1, 2 in Transportrichtung begrenzt werden. Insbesondere wird so ein Zurückfließen von Wasser in den Ofen vermieden. Auch kann das Wasser nicht hinter das Düsenfeld 1, 2 abfließen und es kommt auf diese Weise nicht zu einer unkontrollierten Nachkühlung. Des Weiteren sind die Linienlaser 4, 5, die die Gutoberfläche des bahnförmigen Materials B messen, sowie die Rahmen 12, 13, auf denen die Hochdruckdüsen 3 getragen werden, in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 4 zeigt zwei gegenüberliegende Düsenkästen 15 bzw. 16 der Vorrichtung aus Fig. 2 im Vertikalschnitt längs zur Durchlaufrichtung. Das bahnförmige Material B wird von links nach rechts in Richtung des nicht näher bezeichneten Pfeils zwischen dem oberen Düsenkasten 15 und dem unteren Düsenkasten 16 geführt.

Von unten strömt ein druckbeaufschlagtes Gas durch die Schlitzdüsen 18 und 20. Von oben strömt ein druckbeaufschlagtes Gas durch die Schlitzdüsen 17 bzw. 19. Zur Kühlung des bahnförmigen Materials B wird Wasser von oben durch das Düsenfeld 1 und von unten durch das Hochdruckdüsenfeld 2 auf das bahnförmige Material B aufgetragen. Ferner erkennt man in Fig. 4 den Linienlaser 4 vor und den Linienlaser 5 hinter den Düsenkästen 15, 16 zur Messung der Gutebenheit der Oberfläche das bahnförmigen Materials B.

In Fig. 5 sind die zwei gegenüberliegende Düsenkästen 15 und 16 der Vorrichtung aus Fig. 2 im Vertikalschnitt quer zur Durchlaufrichtung dargestellt. Aus der Darstellung kann man entnehmen, dass die Hochdruckdüsen 3 im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel verschachtelt angeordnet sind.

Schließlich zeigt Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Abkühlen. Die Darstellung in Fig. 6 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau von Fig. 1. An Stelle eines Metallbandes werden bei dieser Vorrichtung massivere metallische Materialien B', wie Platten, Barren oder auch Profile abgekühlt. Hierbei wird das Material B' an Stelle von einem aerodynamischen Schwebesystem durch angetriebene Rollen R gestützt. Aus Fig. 6 geht ferner hervor, dass die Hochdruckdüsen 3 in Transportrichtung des bewegten Materials B' leicht geneigt angeordnet sind. Nicht dargestellt ist, jedoch von der vorliegenden Erfindung umfasst, dass das wenigstens eine obere Düsenfeld 1 in seiner Höhe zum unteren Düsenfeld 2 bzw. zu den Transportrollen R vertikal verstellbar ausgeführt sein kann. Auf diese Weise lässt sich auch das obere Düsenfeld optimal auf die Höhe des zu kühlenden Materials einstellen.