DE10027437A1 - Cooling element for liquid melts - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Abkühlelement für Flüssigschmelzen mit integrierten Oberflächenkühleinrichtungen in Form mehrerer, meist runder Kühlbohrungen oder -kanäle, die zur Aufnahme eines Primärkühlmediums im Inneren des Abkühlelementes meist parallel zueinander angeordnet sind und in relativer Ausgießrichtung der Flüssigschmelze und/oder quer zu dieser verlaufen, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die der auftreffenden Flüssigschmelze zugewandte Oberseite des Abkühlelementes mehrere parallel zueinander angeordnete und im wesentlichen parallel und/oder quer zu den integrierten Kühlkanälen verlaufende, zur Oberseite hin offene Längsvertiefungen zur Aufnahme eines Sekundärkühlmediums aufweist. Mit einem so ausgestalteten Abkühlelement wird die Gleitfähigkeit der erstarrenden bzw. erstarrten Schmelze erhöht und deren relative Bewegung auf der Abkühlelementoberfläche unterstützt. Insgesamt ist mit dem vorgeschlagenen Abkühlelement eine Erhöhung der Arbeitssicherheit gegeben, der Materialaufwand wird herabgesetzt und die in neuer Qualität erhaltenen Schmelzen sind leichter handhabbar.Described is a cooling element for liquid melts with integrated surface cooling devices in the form of several, usually round cooling bores or channels, which are usually arranged parallel to one another for receiving a primary cooling medium inside the cooling element and run in the relative pouring direction of the liquid melt and / or transverse to it, and that characterized in that the upper side of the cooling element facing the liquid melt has a plurality of longitudinal recesses, which are arranged parallel to one another and run essentially parallel and / or transversely to the integrated cooling channels and are open towards the upper side, for receiving a secondary cooling medium. With a cooling element designed in this way, the slidability of the solidifying or solidified melt is increased and its relative movement on the cooling element surface is supported. Overall, the proposed cooling element increases work safety, the material expenditure is reduced and the melts obtained in new quality are easier to handle.
Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Abkühlelement für Flüssigschmelzen.The present invention relates to a cooling element for Liquid melting.
Abkühlelemente für Flüssigschmelzen in Form platten- oder trogförmiger Einheiten, sog. "Abstichschnauzen", dienen seit Langem dazu, Flüssigschmelzen jeglicher Art abzukühlen und die erstarrten Schmelzen oder Bruchstücke davon vom Gießort in bereitgestellte Behälter (z. B. Pfannen) zu leiten und/oder wegzutransportieren.Cooling elements for liquid melts in the form of plates or troughs Units, so-called "tapping snouts", have long served All kinds of liquid melts cool down and the solidified melts or fragments thereof from the casting site into containers provided (e.g. Ladles) and / or to transport them away.
Bewährt haben sich insbesondere Abkühlelemente, die aus verschiedenen Werkstoffpaarungen bestehen und eine innere Intensivflüssigkeitskühlung in der Art aufweisen, dass sie meist rund ausgeformte Kühlungsbohrungen oder -kanäle besitzen, die im Innern der Abkühlelemente in Abfließrichtung der auftreffenden und abzukühlenden Schmelze angeordnet sind. Diese Intensivkühlung nutzt insbesondere den hohen Wärmeübergangskoeffizienten und bedient sich zumeist Kühlflüssigkeiten, wie Marlothermöle, Wasser oder Salzschmelzen, die mit Hilfe eines geschlossenen Kreislaufes mit integriertem Zusatzkühler von unten in das Abkühlelement eingebracht werden und dann parallel zur Abfluss- bzw. Abgleitrichtung der Schmelze die Kühlungskanäle des Abkühlelements durchströmen.Cooling elements made of different materials have proven particularly useful Material combinations exist and an internal intensive liquid cooling in such a way that they are usually round-shaped cooling bores have or channels that in the interior of the cooling elements Direction of flow of the incident melt and to be cooled are arranged. This intensive cooling uses the high one in particular Heat transfer coefficients and mostly uses cooling liquids, such as marlothermal oils, water or molten salt, which can be closed circuit with integrated additional cooler from below into the Cooling element are introduced and then parallel to the drain or Sliding direction of the melt the cooling channels of the cooling element flow through.
Aufgrund der trotz Intensivkühlung immer noch sehr großen Temperaturdifferenzen auf der Oberfläche der Oberseite des Abkühlelementes kommt es insbesondere dort zu enormen Werkstoffbeanspruchungen und damit einhergehenden Rissbildungen in der Oberfläche, was schlimmstenfalls zu Absprengungen oder Anschmelzungen von Flächenteilen der Oberseite des Abkühlelementes oder gar zu einem Durchschmelzen des gesamten Abkühlelementes führen kann. Speziell bei Calciumcarbidschmelzen kann dies im Zusammenwirkung mit Wasser als Kühlflüssigkeit zu explosionsartigen Ereignissen führen. Because of the still very large despite intensive cooling Temperature differences on the surface of the top of the Cooling element there is enormous, in particular Material stresses and associated crack formation in of the surface, which in the worst case may cause chipping or Melting of surface parts of the top of the cooling element or even cause the entire cooling element to melt can. Especially in the case of calcium carbide melts, this can be done in Interaction with water as coolant to form explosive Events.
Aufgrund dieser Nachteile des Standes der Technik hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, ein Abkühlelement für Flüssigschmelzen mit integrierten Oberflächenkühleinrichtungen in Form mehrerer, meist runder Kühlbohrungen oder -kanäle (1), die zur Aufnahme eines Primärkühlmediums (2) im Inneren des Abkühlelementes meist parallel zueinander angeordnet sind und in relativer Ausgießrichtung der Flüssigschmelze und/oder quer zu dieser verlaufen, bereitzustellen, bei dem die Temperatur der Werkstoffoberfläche zum Zeitpunkt des Kontaktes mit der auftreffenden Flüssigschmelze niedrig gehalten werden kann und bei der ein Anschmelzen des Elementwerkstoffes erschwert wird.Because of these disadvantages of the prior art, it is therefore the task of a cooling element for liquid melts with integrated surface cooling devices in the form of several, usually round cooling bores or channels ( 1 ), which usually hold parallel to one another in the interior of the cooling element to accommodate a primary cooling medium ( 2 ) are arranged and run in the relative pouring direction of the liquid melt and / or run transversely thereto, at which the temperature of the material surface at the time of contact with the impinging liquid melt can be kept low and at which melting of the element material is made more difficult.
Gelöst wurde diese Aufgabe mit einem Abkühlelement, bei dem die der auftreffenden Flüssigschmelze zugewandte Oberseite des Abkühlelementes mehrere parallel zueinander angeordnete und im wesentlichen parallel und/oder quer zu den integrierten Kühlkanälen (1) verlaufende, zur Oberseite hin offene Längsvertiefungen (3) zur Aufnahme eines Sekundärkühlmediums (4) aufweist.This object is achieved with a cooling element, in which the side facing the impinging liquid melt top of Abkühlelementes plurality of mutually parallel and substantially parallel and / or transverse to the integrated cooling channels (1), towards the top open longitudinal recesses (3) for receiving a Secondary cooling medium ( 4 ).
Überraschend konnte mit diesem Abkühlelement festgestellt werden, dass die Temperatur der Werkstoffoberfläche zum Zeitpunkt des Kontaktes mit der Flüssigschmelze bei unter 400°C gehalten werden kann, dass neben dem gewünschten erschwerten Anschmelzen des Oberteils des Abkühlelementes auch auf deren Oberfläche keine Rissbildung mehr auftritt und dass die erstarrende Schmelze während des Abkühlens gezielt zerkleinert werden kann, wodurch sich der Abkühlvorgang beschleunigt und was den Transport des Produktes erleichtert.It was surprisingly found with this cooling element that the temperature of the material surface at the time of contact with the liquid melt can be kept below 400 ° C that in addition the desired difficult melting of the upper part of the Cooling element no longer crack on its surface occurs and that the solidifying melt is targeted during cooling can be crushed, which accelerates the cooling process and what facilitates the transportation of the product.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Abkühlelementes beruht auf der Tatsache, dass der Abkühleffekt der integrierten Kühlkanäle (1) durch die zusätzlichen und erfindungswesentlichen Längsvertiefungen (3), die sich nach oben offen an der Oberseite des Abkühlelements befinden, unterstützt wird. The principle of the cooling element according to the invention is based on the fact that the cooling effect of the integrated cooling channels ( 1 ) is supported by the additional longitudinal depressions ( 3 ) which are essential to the invention and which are open at the top on the top of the cooling element.
Da die zusätzlichen und erfindungswesentlichen Längsvertiefungen (3) von einem Sekundärkühlmedium (4) durchströmt werden, wird zum einen die Oberfläche der Oberseite des Abkühlelements, aber auch dessen gesamte Oberseite abgekühlt, wodurch sich eine deutliche Temperaturdifferenz zur auftreffenden Schmelze ergibt; zum anderen kann sich zwischen der Oberfläche des Abkühlelements und dem Schmelzfluss eine Luft- oder Gasschicht ausbilden, auf der die abzukühlende bzw. erstarrte Schmelze berührungslos gleitet.Since the additional and essential longitudinal depressions ( 3 ) are flowed through by a secondary cooling medium ( 4 ), on the one hand the surface of the upper side of the cooling element, but also the entire upper side, is cooled, resulting in a clear temperature difference from the incident melt; on the other hand, an air or gas layer can form between the surface of the cooling element and the melt flow, on which the melt to be cooled or solidified glides without contact.
Besonders bewährt haben sich Abkühlelemente, die platten-, trog-, walzen-, teller- oder rinnenförmig sind, die also zum Abkühlzweck eine möglichst große Oberfläche bereitstellen.Cooling elements, which are plate, trough, roller, are plate-shaped or trough-shaped, so as possible for cooling purposes provide a large surface.
Bevorzugt werden auch Abkühlelemente, die eine oder mehrere mit den Längsvertiefungen (3) verbundene Bohrungen (5) zum Verteilen des Sekundärkühlmediums (4) in die Längsvertiefungen (3) aufweisen. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Bohrungen (5) entweder von der Unterseite kommend jeweils die einzelnen Längsvertiefungen (3) versorgen, oder durch eine gemeinsame Hauptbohrung die am oberen Ende des Abkühlelementes quer zur Richtung der Längsvertiefungen angeordnet ist und so aus dem Abkühlelement heraus die Längsvertiefungen (3) mit dem Sekundärkühlmedium (4) versorgt (vgl. Abb. 1). Dabei kann die Speisung der Längsvertiefungen (3) mit dem Sekundärkühlmedium (4) auch über eine Bohrung (5) erfolgen, die wiederum quer zur Richtung der Längsvertiefungen (3) angeordnet sich nicht im Abkühlelement, sondern in einem Aufsatz befindet und somit das Sekundärkühlmedium nicht von innen und unten, sondern von oben zuführt. Diese Variante wird von der vorliegenden Erfindung ebenfalls umfasst.Cooling elements are also preferred which have one or more bores ( 5 ) connected to the longitudinal depressions ( 3 ) for distributing the secondary cooling medium ( 4 ) into the longitudinal depressions ( 3 ). This can be done by either supplying the individual longitudinal recesses ( 3 ) with the bores ( 5 ) coming from the underside, or through a common main bore which is arranged at the upper end of the cooling element transversely to the direction of the longitudinal recesses and thus out of the cooling element Longitudinal recesses ( 3 ) supplied with the secondary cooling medium ( 4 ) (see Fig. 1). The feeding of the longitudinal recesses (3) can be carried out with the secondary cooling medium (4) also has a bore (5), which in turn transverse not arranged to the direction of the longitudinal recesses (3) in the cooling element, but is in an essay and thus, the secondary cooling medium is not feeds from inside and below, but from above. This variant is also encompassed by the present invention.
Zur Gewährleistung eines möglichst großen Abkühleffektes sieht die vorliegende Erfindung Längsvertiefungen (3) vor, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, oder aber die rillen- oder nutförmig ausgebildet sind. Idealerweise sollte die offene Fläche der Längsvertiefungen größer sein als deren jeweilige Wandflächen. To ensure the greatest possible cooling effect, the present invention provides longitudinal depressions ( 3 ) which have a rectangular cross section, or which are groove-shaped or groove-shaped. Ideally, the open area of the longitudinal recesses should be larger than their respective wall areas.
Für die Wirkung des Abkühlelementes ist der Verlauf der Längsvertiefungen an deren Oberseite von untergeordneter Bedeutung. Wichtig ist lediglich, dass die Längsvertiefungen im Wesentlichen der Abfluss- bzw. Abgleitrichtung der Flüssigschmelze folgen; ob dies geradlinig, zickzack- oder schlangenförmig geschieht, hat keine gravierenden Auswirkungen auf den Abkühlerfolg.For the effect of the cooling element, the course of the Longitudinal depressions on the upper side of minor importance. The only important thing is that the longitudinal depressions are essentially the same Follow the direction of discharge or slide of the liquid melt; if this straight, zigzag or serpentine, has none serious effects on the cooling success.
Hingegen sollte die Oberseite des Abkühlelementes gemäß vorliegender Erfindung vorteilhafterweise aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und/oder dichtem Gefüge und/oder geringer Benetzbarkeit mit der Flüssigschmelze gefertigt sein.In contrast, the top of the cooling element should be according to the present Invention advantageously made of a material with high Thermal conductivity and / or dense structure and / or less Be wettable with the liquid melt.
Dies erfordert in der Regel eine galvanische Beschichtung der Oberseite. Als Werkstoff hat sich bspw. im Zusammenhang mit Calciumcarbidschmelzen Nickel bestens bewährt, das als Auflage für die Oberfläche der Oberseite dient, die in der Regel aus einer Kupfer/Silber- Legierung besteht. Damit ist eine sehr günstige Wärmeableitung verbunden und zusätzlich ein Schutz vor Erosionserscheinungen an der Elementoberfläche.This usually requires a galvanic coating on the top. As a material has, for example, in connection with Calcium carbide melts nickel has been tried and tested as a support for the Surface of the top surface, which is usually made of a copper / silver Alloy. This is a very cheap heat dissipation connected and additionally protection against erosion on the Element surface.
Als Primärkühlmedium (2) können beim vorliegenden Abkühlelement ohne Probleme die gängigen Salzschmelzen, Marlothermöle aber auch Wasser eingesetzt werden. Vorzugsweise bedient sich die vorliegende Erfindung aber Metallschmelzen als Primärkühlmedium (2), wobei Schmelzen von Wismut oder dessen Legierungen besonders bevorzugt sind.In the present cooling element, the common salt melts, marlother oils, but also water can be used as the primary cooling medium ( 2 ) without any problems. However, the present invention preferably uses metal melts as the primary cooling medium ( 2 ), melts of bismuth or its alloys being particularly preferred.
Geeignete Sekundärkühlmedien (4) sind erfindungsgemäß Inertgase wie z. B. Stickstoff, verflüssigte Gase, feuchte Gase oder Gasgemische oder aber auch fluidisierbare inerte Pulver.Suitable secondary cooling media ( 4 ) according to the invention are inert gases such as. B. nitrogen, liquefied gases, moist gases or gas mixtures or also fluidizable inert powders.
In Abhängigkeit von dem zu erzielenden Kühleffekt kann die Anzahl der Längsvertiefungen (3) und deren Anordnung bezogen auf die integrierten Kühlkanäle (1) variiert werden. So kann die Anzahl der Längsvertiefungen der Anzahl der Kühlkanäle entsprechen oder diese übersteigen; die Längsvertiefungen können bezogen auf die Kühlkanäle zwischen diesen und/oder genau darüber liegen.Depending on the cooling effect to be achieved, the number of longitudinal depressions ( 3 ) and their arrangement can be varied in relation to the integrated cooling channels ( 1 ). The number of longitudinal depressions may correspond to or exceed the number of cooling channels; the longitudinal depressions can lie between and / or exactly above the cooling channels.
In einer bevorzugten Ausführungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Abkühlelement vor, das aus einer Ober- (6) und einer Unterplatte (7) besteht, die vorzugsweise gegeneinander abgedichtet sind, was durch eine Quetsch- oder Ringdichtung (8) erfolgen kann. Außerdem können die Ober- (6) und die Unterplatte (7) im Sinne eines dichten Schlusses miteinander verschraubt sein, was die Erfindung ebenfalls vorsieht. Der Vorteil dieser Bauart ist insbesondere darin zu sehen, dass die integrierten Kühlkanäle (1) im Gegensatz zum Bohren aus einem Vollblock leichter eingearbeitet werden können, und dass für die beiden Platten unterschiedliche Werkstoffe (mit idealerweise unterschiedlichen Wärmeleitvermögen) verwendet werden können, was die Erfindung wiederum ebenfalls berücksichtigt.In a preferred embodiment, the present invention provides a cooling element which consists of an upper ( 6 ) and a lower plate ( 7 ), which are preferably sealed against one another, which can be done by means of a pinch or ring seal ( 8 ). In addition, the upper ( 6 ) and the lower plate ( 7 ) can be screwed together in the sense of a tight seal, which the invention also provides. The advantage of this type of construction can be seen in particular in the fact that, in contrast to drilling from a full block, the integrated cooling channels ( 1 ) can be incorporated more easily, and that different materials (with ideally different thermal conductivity) can be used for the two plates, which is the purpose of the invention again also taken into account.
Besonders bewährt hat sich auch eine Variante des Abkühlelementes, bei der die integrierten Kühlkanäle (1) im Bereich der Verbindungsschrauben (9) zwischen Ober- (6) und Unterplatte (7) jeweils eine Ringnut (9a) aufweisen, die vom Primärkühlmedium (2) durchströmt wird. Auf diese Weise können zusätzlich zu den beiden Platten (6; 7) auch die Schrauben (9) gekühlt werden. Bei dieser Ausführungsform ist es somit möglich, die Anzahl der offenen Längsvertiefungen (3) zu reduzieren oder sogar ganz auf diese zu verzichten, da in diesem Fall über die gekühlten Schrauben (9) eine zusätzliche Wärmeableitung in das Innere des Abkühlelementes erfolgt.A variant of the cooling element has also proven particularly useful, in which the integrated cooling channels ( 1 ) in the area of the connecting screws ( 9 ) between the upper ( 6 ) and lower plate ( 7 ) each have an annular groove ( 9 a), which is separated from the primary cooling medium ( 2 ) is flowed through. In this way, in addition to the two plates ( 6 ; 7 ), the screws ( 9 ) can also be cooled. In this embodiment, it is thus possible to reduce the number of open longitudinal depressions ( 3 ) or even to do without them entirely, since in this case additional heat is dissipated into the interior of the cooling element via the cooled screws ( 9 ).
Als äußerst vorteilhaft hat sich ebenfalls gezeigt, wenn die Oberseite der Oberplatte (6) eine Nickelbeschichtung aufweist, deren Stärke vorzugsweise bis 1,5 mm beträgt.It has also proven to be extremely advantageous if the upper side of the top plate ( 6 ) has a nickel coating, the thickness of which is preferably up to 1.5 mm.
Zu empfehlen ist auch die Ausstattung des Abkühlelementes mit mindestens einem Thermoelement (10), das idealerweise zentral im Oberteil des Abkühlelementes angeordnet ist, das sich aber auch in Mehrzahl sowohl in der Oberplatte (6) als auch in der Unterplatte (7) befinden kann. It is also advisable to equip the cooling element with at least one thermocouple ( 10 ), which is ideally arranged centrally in the upper part of the cooling element, but which can also be located in large numbers both in the upper plate ( 6 ) and in the lower plate ( 7 ).
Schließlich sieht die Erfindung auch vor, das Abkühlelement zum Zwecke des Wegbeförderns der abgekühlten Flüssigschmelze als schiefe Ebene mit einem bevorzugen Neigungswinkel zwischen 30 und 60° anzuordnen, wodurch die abgekühlte Schmelze schneller den Gießbereich verlassen kann; ähnlich gut geeignet ist eine Anordnung des Abkühlelementes als Schwingrinne mit einem bevorzugten Antrieb mittels Unwuchterreger, Schubkurbel, Resonanzsystem oder Kinematiksystem, als Walze mit bevorzugt waagrechtem Schaber oder als Teller oder Scheibe mit bevorzugt senkrechter Welle.Finally, the invention also provides the cooling element for the purpose transporting the cooled liquid melt away as an inclined plane arrange a preferred angle of inclination between 30 and 60 °, which means that the cooled melt leaves the casting area more quickly can; An arrangement of the cooling element as is equally well suited Vibrating channel with a preferred drive by means of an unbalance exciter, Slider crank, resonance system or kinematics system, as a roller with preferably with a horizontal scraper or as a plate or disc preferably vertical shaft.
In diesem Zusammenhang haben sich Abkühlelemente besonders bewährt, die wiederum zum Zweck des Wegbefördern der abgekühlten Flüssigschmelze eine Aufgabevorrichtung für flüssige oder gasförmige oder fluidisierte pulverförmige Inertmedien oder Reaktionsmedien als Sekundärkühlmedium (4) aufweisen. Damit wird vorrangig die Gleitfähigkeit der erstarrenden bzw. erstarrten Schmelze erhöht und die relative Bewegung auf einem "Polster" unterstützt. Zudem kann die Spühlwirkung durch die Schmelze gedämpft und Erosionsvorgänge an der Oberfläche des Abkühlelementes abgemildert werden. Dass die Flüssigschmelze durch diese Inertmedien zusätzlich abgekühlt und der flüssige Schmelzestrom bzw. die abkühlenden Schmelzebereiche dadurch zerteilt werden, ist ein weiterer Vorteil dieser bevorzugten Ausführungsform.In this context, cooling elements have proven particularly useful, which in turn have a feed device for liquid or gaseous or fluidized powdery inert media or reaction media as secondary cooling medium ( 4 ) for the purpose of transporting the cooled liquid melt away. This primarily increases the slidability of the solidifying or solidified melt and supports the relative movement on a "cushion". In addition, the rinsing effect can be dampened by the melt and erosion processes on the surface of the cooling element can be reduced. Another advantage of this preferred embodiment is that the liquid melt is additionally cooled by these inert media and the liquid melt flow or the cooling melt regions are thereby broken up.
Insgesamt stellt das erfindungsgemäße Abkühlelement für Flüssigschmelzen eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, da es vorrangig die Arbeitssicherheit erhöht, den Materialaufwand herabsetzt und die erhaltenen erstarrten und jetzt gleichmäßig zerteilten Schmelzen leichter handhabbar macht.Overall, the cooling element according to the invention for Liquid melting is a significant improvement over the state of the art Technology because it primarily increases occupational safety Reduced material costs and the solidified and now received makes evenly divided melts easier to handle.
Die nachfolgenden Abbildungen verdeutlichen die Vorteile des erfindungsgemäßen Abkühlelements: The following illustrations illustrate the advantages of the Cooling element according to the invention:
Abb. 1 zeigt die Seitenansicht eines Querschnittes am oberen Ende eines Abkühlelementes. Fig. 1 shows the side view of a cross section at the upper end of a cooling element.
Abb. 2 gibt die Ansicht der Unterseite einer Oberplatte des Abkühlelementes wieder. Fig. 2 shows the view of the underside of an upper plate of the cooling element.
Abb. 3 stellt einen Schnitt im oberen Bereich (A) des in Abb. 2 wiedergegebenen Abkühlelementes dar. Fig. 3 shows a section in the upper area (A) of the cooling element shown in Fig. 2.
Abb. 4 zeigt einen Schnitt im mittleren Bereich (B) des in Abb. 2 wiedergegebenen Abkühlelementes. Fig. 4 shows a section in the central area (B) of the cooling element shown in Fig. 2.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SKW STAHL-TECHNIK GMBH, 83308 TROSTBERG, DE |
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| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |