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Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 auf eine Kühlvorrichtung für ein
durchlaufendes Zylinderelement, etwa ein Metallrohr, mit
der eine gleichmäßige Kühlung dieses Zylinderelements
herbeigeführt werden kann.
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Die nachstehende Beschreibung bezieht sich im einzelnen
auf die Kühlung eines Stahlrohrs am Ausgang eines
Reduzierwalzwerks. Diese besondere Anwendung wurde natürlich
lediglich zum Zweck einer Veranschaulichung der Erfindung
ohne einschränkende Wirkung bezüglich ihres
Geltungsbereichs ausgewählt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann
für die Kühlung jeder Art von Zylinderelement, in massiver
oder hohler Ausführung, aus Eisen- oder Nichteisen-Metall
verwendet werden, an dem die in Frage stehende Behandlung
durchgeführt werden kann.
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Unter einem durchlaufenden Zylinderelement wird hier ein
Produkt mit einer länglichen Form, beispielsweise eine
Stange oder ein Rohr, verstanden, das sich mittels
Verschiebung entlang seiner Längsachse bewegt, ohne sich um
diese Achse zu drehen.
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Aus der EP-A 0 366 639 (Art. 54(3) EPÜ) ist bereits eine
Kühlvorrichtung für ein durchlaufendes Zylinderelement
bekannt, bestehend aus einer Hülle, die um einen
durchbohrten rohrförmigen Kanal angeordnet ist, mit dem sie
eine ringförmige Kammer bildet, welche das zu kühlende
Zylinderelement umgibt. Der rohrförmige Kanal weist Löcher
für den Durchgang der Kühlflüssigkeit für das
Zylinderelement auf. Die Löcher sind in flachen, zur Längsachse
des besagten rohrförmigen Kanals senkrechten Kränzen mit
gleichbleibendem Abstand in jedem Kranz angeordnet, wobei
jeder Kranz im Verhältnis zu dem benachbarten Kranz
winkelversetzt ist.
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In der am häufigsten vorkommenden Variante dieser an sich
bekannten Vorrichtung sind die verschiedenen Lochkränze in
einem konstanten Winkel gegeneinander winkelversetzt,
wobei sie außerdem in Längsrichtung des rohrförmigen
Kanals abstandsgleich vorgesehen sind. Von daher sind die
Löcher in regelmäßigen Schraubenlinien in der Wand dieses
rohrförmigen Kanals angeordnet. Diese Vorrichtung
ermöglicht eine, gegebenenfalls intensive, Kühlung des durch
sie hindurchlaufenden Zylinderelements.
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In der industriellen Praxis ist jedoch festzustellen, daß
sich die Intensität dieser Kühlung nicht immer gleichmäßig
über den Umfang des Zylinderelements verteilt. Daraus kann
sich eine Inhomogenität im Mikrogefüge der
Oberflächenschicht dieses Elements ergeben. Diese Auswirkung macht
sich bei der Vergütung von relativ dünnwandigen Rohren,
beispielsweise mit einer Wandstärke unter 5 mm, besonders
stark bemerkbar. So kommt es zum Auftreten von Inseln aus
angelassenem Martensit mit der gewünschten Dicke an den
Stellen der Rohroberfläche, welche durch die
Wasserstrahlen gekühlt werden, die aus den Löchern austreten, aus
denen die ersten Kränze bestehen, auf die das Rohr trifft.
Zwischen diesen Inseln kann die Dicke der Schicht aus
angelassenem Martensit geringer und unter Umständen sogar
gleich Null ausfallen, was sich wiederum ungünstig auf die
Eigenschaften und damit auf das Verhalten des Rohres
auswirkt.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Kühlvorrichtung der vorgenannten Art zu entwicklen, bei
der die Löcher so angeordnet sind, daß eine gleichmäßige
Intensität der Kühlung über den gesamten Umfang des
durchlaufenden Zylinderelements gewährleistet wird.
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Erfindungsgemäß ist eine Kühlvorrichtung für ein
durchlaufendes Zylinderelement, bestehend aus einem geradlinigen
rohrförmigen, an seinen Enden offenen Kanal, durch dessen
Innenraum das besagte, zu kühlende Zylinderelement
hindurchläuft, wobei dieser rohrförmige Kanal von einer
Mehrzahl Durchgängen durchbohrt ist, die in flachen, zur
Längsachse des besagten rohrförmigen Kanals senkrechten
und gegeneinander winkelversetzten Kränzen angeordnet
sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Durchlaufrichtung
des Zylinderelementes gesehen jeder zu einem beliebigen
dieser Kränze gehörende Durchgang mit Ausnahme des ersten
im wesentlichen halbwegs entlang dem die Mantellinien
jenes rohrförmigen Kanals trennenden Umfangsabstand
angeordnet ist, welche durch zwei winkelmäßig
aufeinanderfolgende Durchgänge in der Kranzbaugruppe vor besagtem
beliebigen Kranz passieren.
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Nach einer besonderen Ausführung dieser Vorrichtung
enthalten alle besagten Kränze dieselbe Anzahl Durchgänge,
wobei sie vorzugsweise in gleichen Abständen voneinander
angeordnet sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die
besagten Kränze in Gruppen unterteilt, die in der
Durchlaufrichtung jenes Zylinderelements aufeinanderfolgen, wobei
jede Gruppe eine genügende Anzahl Kränze enthält, so daß
eine solche Gruppe einen Durchgang enthält, der halbwegs
entlang jedem der Umfangsabstände liegt, welche die
Mantellinien trennen, die durch zwei winkelmäßig
aufeinanderfolgende Durchgänge in der Kranzbaugruppe vor besagter
Gruppe verlaufen.
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Auf eine an sich bekannte Weise kann der besagte
rohrförmige Kanal von einer Hülle umgeben sein, mit der er
eine ringförmige Kammer bildet, die koaxial mit dem zu
kühlenden Zylinderelement angeordnet ist.
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Nach einer weiteren Variante können die Löcher des
rohrförmigen Kanals einzeln oder in beliebiger Anzahl mit
Mitteln für die Zuleitung von Kühlflüssigkeit verbunden
sein, wie etwa mit Schläuchen und Durchflußregelventilen.
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Weitere Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachstehenden Beschreibung zu einer besonderen
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, auf denen folgendes
dargestellt ist:
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Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
rohrförmigen Kanals in erfindungsgemäßer Ausführung.
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Figur 2 zeigt eine abgewickelte Ansicht eines Abschnitts
des rohrförmigen Kanals von Figur 1 zur Erläuterung der
relativen Anordnungen der Durchgänge in den verschiedenen
Kränzen.
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Bei diesen Figuren handelt es sich um schematische
Darstellungen, die bewußt auf den eigentlichen, durchbohrten
rohrförmigen Kanal beschränkt sind und in denen gleichen
Elementen jeweils gleiche Kennzeichen zugeordnet sind.
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Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
rohrförmigen Kanals (1) mit acht Kränzen (C1 - C8), die
jeweils zwölf abstandsgleiche Durchgänge aufweisen. Diese
Durchgänge sind von der oberen Mantellinie (2) des
rohrförmigen Kanals (1) aus numeriert, die als
Bezugsmantellinie dient. Sie werden im Uhrzeigersinn mit Blickrichtung
entsprechend dem Pfeil (3) gezählt, der die
Durchlaufrichtung des Zylinderelements andeutet, und je nach dem
Kranz, zu dem sie gehören, durch die Kennzeichen (C1.01,
C1.02, ... C1.12; C2.01, C2.02 ...; ...; C8.01, C8.02 ...)
bezeichnet.
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Die relative Anordnung der Durchgänge für die
Kühlflüssigkeit wird unter Bezugnahme auf den Abschnitt des
rohrförmigen Kanals (1) beschrieben, der in der Zeichnung von
Figur 1 durch eine fettgedruckte Linie begrenzt wird.
Aufgrund der Achsensymmetrie des rohrförmigen Kanals
einerseits und des Zylinderelements andererseits ist es
offensichtlich, daß sich diese Anordnung über den gesamten
Umfang des rohrförmigen Kanals (1) wiederholt.
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Der vorgenannte Abschnitt des rohrförmigen Kanals (1) wird
in Figur 2 in einer abgewickelten Ansicht dargestellt.
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In axialer Richtung umfaßt der dargestellte Abschnitt acht
der vorgenannten Kränze (C1 - C8). In Umfangsrichtung
erstreckt er sich, bezogen auf den ersten Kranz (C1, von
dem ersten Durchgang (C1.01), der auf der
Bezugsmantellinie (2) liegt, bis zur Mitte des Abstands zwischen den
Durchgängen (C1.04) und (C1.05). Da die Kränze in dem
dargestellten Beispiel jeweils zwölf Durchgänge enthalten,
sind zwei benachbarte Durchgänge in ein und demselben
Kranz durch einen Bogen von 30º getrennt, wobei der in
Figur 2 dargestellte Abschnitt einen Bogen von 105º
abdeckt.
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Ganz allgemein führt ein Kranz mit n Durchgängen zu einem
Winkelabstand α = 360º/n zwischen zwei benachbarten
Durchgängen.
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Der erste Kranz (C1) dient als Bezug für die Anordnung der
Durchgänge der nachfolgenden Kränze. In allen Kränzen sind
die Durchgänge (Ci.01 bis Ci.12) gleichmäßig verteilt,
wobei sich nur der Winkelversatz der Kränze ändert, um die
vorgenannte Bedingung zu erfüllen.
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Der zweite Kranz (C2) ist so angeordnet, daß seine
Durchgänge (C2.01 bis C2.12) jeweils in der Mitte eines Bogens
liegen, der zwei benachbarte Durchgänge des ersten Kranzes
trennt. Der zweite Kranz ist folglich um einen Winkel von
15º im Uhrzeigersinn gegenüber dem ersten Kranz versetzt.
Die durch den ersten und den zweiten Kranz gebildete Menge
weist eine gleichmäßige Verteilung der Durchgänge für die
Kühlflüssigkeit auf, die mit Blickrichtung entsprechend
dem Pfeil (3) somit winkelmäßig um 15º voneinander
entfernt sind. Der zweite Kranz (C2) bildet so für sich
genommen eine erste Gruppe (G1) von Kränzen, deren
Durchgänge sich in der Mitte der Umfangsabstände befinden,
welche die Mantellinien trennen, die durch zwei
winkelmäßig aufeinanderfolgende Durchgänge in der Menge der
vorangehenden Kränze verlaufen, entsprechend den Merkmalen
der vorliegenden Erfindung.
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Entsprechend ist der Kranz (C3) gegenüber dem Bezugskranz
(C1) so um einen bestimmten Winkel, hier 22º30', versetzt,
daß sich jeder seiner Durchgänge (C3.01 bis C3.12) in der
Mitte eines Umfangsabstands befindet, der die Mantellinien
trennt, die durch zwei winkelmäßig aufeinanderfolgende
Durchgänge in der Menge der Kränze (C1) und (C2)
verlaufen. Im vorliegenden Beispiel befindet sich der
Durchgang (C3.01) zwischen (C2.01) und (C1.02), während (C3.02)
zwischen (C2.02) und (C1.03) liegt usw.
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Der Kranz (C4) ist wiederum gegenüber dem Bezugskranz (C1)
so um einen bestimmten Winkel, hier 7º30', versetzt, daß
sich jeder seiner Durchgänge (C4.01 bis C4.12) in der
Mitte des Umfangsabstands befindet, der die Mantellinien
trennt, die durch zwei andere winkelmäßig
aufeinanderfolgende Durchgänge in der Menge der Kränze (C1) und (C2)
verlaufen. Im vorliegenden Beispiel befindet sich der
Durchgang (C4.01) zwischen (C1.01) und (C2.01), während
(C4.02) zwischen (C1.01) und (C2.02) liegt usw.
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Demzufolge bewirkt die Menge der Durchgänge der Kränze
(C3) und (C4) die Unterteilung aller Umfangsabstände,
welche die Mantellinien trennen, die durch die Durchgänge
der Menge der vorangehenden Kränze verlaufen. Sie führen
so zu einer gleichmäßigen Verteilung der Durchgänge für
die Kühlflüssigkeit, wobei die Abstände zwischen diesen
Durchgängen gleich einem Viertel des Abstands zwischen
zwei Durchgängen des Bezugskranzes (C1) sind. Die Kränze
(C3) und (C4) bilden von daher eine zweite Gruppe (G2) von
Kränzen gemäß den Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Im
übrigen ist darauf hinzuweisen, daß die Kränze (C3) und
(C4) miteinander vertauscht werden können, ohne die
Gesamtanordnung der Durchgänge am Ausgang der zweiten Gruppe
(G2) zu verändern.
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Aus der gleichen Überlegung geht hervor, daß die
Umfangsabstände zwischen den Durchgängen der Menge der Kränze (C1
bis C4) wiederum zweigeteilt werden können, in diesem
Falle anhand von vier aufeinanderfolgenden Kränzen (C5 bis
C8). Diese vier Kränze von Durchgängen, deren Reihenfolge
problemlos geändert werden kann, bilden eine dritte Gruppe
von Kränzen (G3), welche die Grundbedingung der
vorliegenden Erfindung erfüllen.
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Es ist selbstverständlich möglich, die Dichte der
Winkelverteilung der besagten Durchgänge in dem rohrförmigen
Kanal (1) noch weiter zu erhöhen. Dazu braucht man nur
eine oder mehrere andere Gruppen von Kränzen im Anschluß
an die vorgenannten Gruppen hinzuzufügen. Als Beispiel
wurde schematisch in axialer Linie eine Verlängerung des
rohrförmigen Kanals (1) dargestellt, wobei die Position
der ersten Durchgänge angedeutet wird, die zu zwei Kränzen
(C9) und (C10) einer vierten Gruppe (G4) gehören.
Entsprechend der oben angeführten Überlegung muß diese Gruppe
(G4) acht Kränze enthalten, um erfindungsgemäß eine
zusätzliche und vollständige Unterteilung aller am Ausgang
der Gruppe (G3) existierenden Umfangsabstände
herbeizuführen.
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Der große Vorteil der vorstehend beschriebenen
Unterteilung der Kränze in aufeinanderfolgende Gruppen besteht
darin, daß sie die Erfüllung der grundlegenden Bedingung
der Erfindung sicherstellt, wenn eine der besagten Gruppen
von Kränzen vollständig ist.
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Die Anordnung der Durchgänge für die Kühlflüssigkeit in
dem rohrförmigen Kanal (1) führt zu einer gleichmäßigen
Winkelverteilung dieser Durchgänge, in der
Durchlaufrichtung des zu kühlenden Zylinderelements gesehen. Daraus
ergibt sich eine Kühlung mit gleichmäßiger Intensität,
auch im Falle von dünnwandigen Rohren.
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Ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen, ist die
Erfindung jedoch nicht auf die vorstehend beschriebene und
veranschaulichte Ausführungsart beschränkt. So könnte man
insbesondere in ein und demselben Kranz zumindestens einen
Teil der Durchgänge zusammenfassen, die zu mindestens zwei
Kränzen ein und derselben Gruppe gehören, ohne daß der
Vorteil der Unterteilung nach Gruppen verlorengeht. Diese
Zusammenfassung könnte sich sogar auf mindestens einen
Teil der Durchgänge beziehen, die zu verschiedenen Gruppen
gehören, wenn man auf den vorgenannten Vorteil verzichtet.
Desweiteren besteht, ohne den Rahmen der Erfindung zu
verlassen, die Möglichkeit, die axialen Abstände zwischen
den verschiedenen Kränzen so zu verändern, daß die
Durchgänge unter Einhaltung der Bedingungen der vorliegenden
Erfindung nach Schraubenlinien angeordnet sind.