Entwicklung von effizienten Verfahren zur Oberflächenkühlung bei der Metallverarbeitung (Bandkühlung)

Problemstellung
Im Herstellungsprozess von Metallband werden durch Umformvorgänge und Wärmebehandlungen große Energiemengen in Produkt und Walzen eingebracht, die durch eine anschließende Kühlung wieder abgeführt werden müssen. In allen Bereichen ist das Ziel, das Produkt definiert und homogen abzukühlen, damit eine hoher Produktausstoß bei konstanter Qualität gewährleistet werden kann. Aufgrund der großen Kühlmittelströme benötigen die Kühleinrichtungen im Strangguss und in den sich anschließenden Walzwerken große Energiemengen für Pumpen und Aufbereitung sowie Konditionierung des Kühlmittels. Bei Untersuchungen zur Energiebilanz von Kaltwalzwerken wurde deutlich, dass die Wärmeabfuhr in den Kühlbereichen bisher durch eine Überflutung der zu kühlenden Oberflächen sichergestellt wird. Alle bis heute durchgeführten Forschungen erfolgten jedoch an kleinen stationären Probenkörpern, so dass keine dynamischen Effekte durch die Oberflächenbewegung einflossen. Die hierdurch gewonnenen Erkenntnisse konnten daher nicht auf den Produktionsprozess übertragen werden. Als besondere Problematik tritt bei der Kühlung heißer Oberflächen, wie dies beim Strangguss und beim Warmwalzen vorkommt, das Leidenfrost-Phänomen in den Vordergrund. Es beschreibt die Isolierung der zu kühlenden Oberfläche durch verdampfendes Kühlmittel, wodurch der Wärmeübergang massiv behindert wird. Gelingt es, das Leidenfrost-Phänomen zu umgehen, kann der Abkühlvorgang an heißen Oberflächen deutlich effizienter durchgeführt werden. Die besondere Problematik des Projektes lag darin, einen Prüfstand zu errichten, auf dem die Wärmeübergangskoeffizienten quasi-stationär gemessen werden können, damit die Ergebnisse der verschiedenen untersuchten Kühleinrichtungen vergleichbar werden.

Projektziele
Ziele des Verbundprojektes waren die Ermittlung und Darstellung der Verbesserungsmöglichkeiten an der bisher eingesetzten Kühltechnik, sowie die Schaffung von Grundlagen für die Entwicklung eines modular einsetzbaren Kühlmoduls, wodurch der Verbrauch von Energie und Ressourcen in Form von Strom, Wasser und Öl reduziert werden konnte. Es sollten für die jeweiligen Bandbetriebspunkte die optimalen Kühlparameter gefunden werden. Einzelziele waren dabei:
– Vergleich von koventionellen mit neuen Kühltechniken
– Erprobung von Proportionalventilen
– Erfassung von Wärmeübergangskoeffizienten bei der Kühlung mit Öl
– Demonstration der Hochdruck-Vakuum-Technik zur Oberflächenkühlung
– Temperaturmessung mittels einer Umlenkrolle

Vorgehensweise
Um die Wärmeübergangskoeffizienten praxisnah zu ermitteln, wurde ein Versuchsstand errichtet, mit dessen Hilfe die Kühlleistung verschiedener Kühleinrichtungen an bewegtem Metallband gemessen werden konnte. Bandtemperatur und -geschwindigkeit orientierten sich dabei an den verschiedenen Produktionsprozessen für Metallband. Auf diesem Prüfstand wurden die verschiedenen Kühleinrichtungen hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Energie- und Ressourceneffizienz bei variierenden Bandbetriebspunkten untersucht, bewertet und optimiert werden. Nach der Inbetriebnahme des Prüfstandes sollen zunächst die konventionellen Kühltechniken untersucht und bewertet, um Vergleichsdaten für die neuen Kühltechniken zu erhalten. In den anschließenden Versuchsreihen wurden Proportionalventile und die Hochdruck-Vakuum-Technik systematisch vermessen und optimiert. Die Temperaturmessrolle wurde parallel zu den Versuchen erprobt, indem die Temperaturverteilung über der Bandbreite mit einer Line-Scan-Kamera erfasst und mit den Werten der Messrolle verglichen wurde. Diese Messungen dienten zudem zur Überprüfung der Homogenität der Oberflächenkühlung.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Gesamtergebnis des Verbundprojektes liegen Erkenntnisse zur Energieeffizienz verschiedener Kühleinrichtungen und somit auch zum Wärmeübergang unter produktionsnahen Bedingungen vor. Die technisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für verschiedene Kühltechniken können dargestellt und quantifiziert werden.
Die ersten Ergebnisse umfassen Aussagen zum Wärmeübergangskoeffizienten bei der Oberflächenkühlung mit Wasser unter Verwendung von verschiedenen Düsen und variierenden Oberflächentemperaturen. Hierdurch gelang ein Abgleich mit dem bisherigen Stand der Forschung.
Eines der Hauptziele des Vorhabens war die Erprobung der Hochdruck-Vakuum-Technik für die Kühlung von Oberflächen. Es sollten für verschiedene Bandbetriebspunkte die optimalen Parameter gefunden werden, die zur Entwicklung eines Kühlmoduls beitragen. Dabei musste dargestellt werden, dass mit Hilfe dieser Technik eine gleichmäßige Kühlung bei reduziertem Energie- und Ressourcenverbrauch zu erreichen ist. Mögliche Anwender dieser Kühlmodule sind die Stahlproduzenten, insbesondere die Betreiber von Warmwalzanlagen. Möglicher Nutznießer ist hierbei die deutsche Stahlindustrie, da deren Wettbewerbsfähigkeit gesteigert wird.

• Achenbach Buschhütten GmbH & Co. KG
• Universität Siegen