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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von kontinuierlich durchlaufendem Material, die zur Kühlung von wärmebehandelten Werkstücken eingesetzt werden.
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Bei der Produktion von metallischen Werkstücken ist es häufig erforderlich, diese einer Vielzahl von Wärmebehandlungen zu unterziehen. Insbesondere bei kontinuierlich hergestellten Werkstücken, wie beispielsweise Stranggut, Metallbänder, Drähte, Profile oder Rohre und dergleichen, werden Wärmebehandlungen angewendet. Bei diesen Wärmebehandlungen kann es sich beispielsweise um Glühprozesse, (Strang-)Gussprozesse oder Schweißprozesse handeln. Zudem können sich die metallischen Werkstücke auch bei Umformprozessen, wie beispielsweise beim Tiefziehen, stark erhitzen. Häufig ist daher eine nachfolgende Kühlung der Werkstücke erforderlich, um insbesondere Deformationen der Werkstücke oder einen erhöhten Werkzeugverschleiß zu vermeiden.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Kühlung von wärmebehandelten Werkstücken bekannt. Bei diesen werden Werkstücke häufig mit Wasser oder einer Wasser/Öl-Emulsion gekühlt. Diese Verfahren und Vorrichtungen haben den Nachteil, dass sich durch die Kühlung mit Wasser oder einer Wasser/Öl-Emulsion Oxidschichten und Zunder auf der Oberfläche der gekühlten Werkstücke bilden können, so dass diese nachfolgend gereinigt werden müssen. Zudem muss das zur Kühlung eingesetzte Wasser oder die verwendete Wasser/Öl-Emulsion aufwendig gefiltert oder teuer entsorgt werden, wodurch erhebliche Kosten entstehen können.
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Darüber hinaus sind auch Verfahren und Vorrichtungen zur Kühlung von wärmebehandelten Werkstücken mit kälteverflüssigtem Gas bekannt. Bei diesen Verfahren und Vorrichtungen werden die wärmebehandelten Werkstücke mit dem kälteverflüssigten Kühlgas besprüht, um diese auf eine gewünschte Temperatur abzukühlen. Um eine möglichst hohe Produktivität zu erreichen, wird eine möglichst hohe Produktionsgeschwindigkeit angestrebt. Beispielsweise kann diese bei längsgeschweißten Rohren über 10 Metern pro Minute betragen. Bei solch hohen Produktionsgeschwindigkeiten hat sich jedoch herausgestellt, dass das Kühlen dieser kontinuierlich hergestellten Werkstücke mit Flüssiggasen wie Stickstoff, Argon, Kohlendioxid oder Kohlendioxidschnee mit konventionellen Vorrichtungen und Verfahren, bei denen die Flüssiggase auf die Werkstücke aufgesprüht werden, nicht ausreichend ist, um die Werkstücke in einer gewünschten Zeit auf eine gewünschte Temperatur zu kühlen. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass Tropfen des Flüssiggases beim Auftreffen auf die wärmebehandelten Werkstücke teilweise verdampfen und nachfolgend nicht mehr in ausreichendem Kontakt zu den zu kühlenden Werkstücken stehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zur Kühlung von kontinuierlich durchlaufendem Material anzugeben, das sich durch eine besonders hohe Kühlleistung auszeichnet und keine Reinigung vor einer nachgeschalteten Weiterverarbeitung erfordert. Ferner soll auch eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von kontinuierlich durchlaufendem Material angegeben werden, die sich ebenfalls durch eine besonders effektive Kühlleistung auszeichnet.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung von kontinuierlich durchlaufendem Material weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a) Bildung eines Spalts über zumindest einem Teil einer Oberfläche des durchlaufenden Materials mit Hilfe einer Abdeckung,
- b) Zuführung von kälteverflüssigtem Kühlgas zu dem Spalt, wobei sich das Volumen des kälteverflüssigtem Kühlgases in dem Spalt infolge zumindest einer Aggregatzustandsänderung zu gasförmigen Kühlgas erhöht,
- c) Beschleunigung einer Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kühlgases durch die Erhöhung des Volumens des kälteverflüssigtem Kühlgases in dem Spalt auf ein Mehrfaches einer Durchlaufgeschwindigkeit des kontinuierlich durchlaufenden Materials,
- d) Kühlen des zumindest einen Teils der Oberfläche des durchlaufenden Materials (1) mit dem Kühlgas.
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Bei dem kontinuierlich durchlaufenden Material handelt es sich insbesondere um Stranggut, Metallbänder, Drähte, Profile oder Rohre und dergleichen, die im Wesentlichen aus Metall bestehen, und in einem vorgelagerten Prozess einer Wärmebehandlung unterzogen wurden. Bei dieser Wärmebehandlung kann es sich bspw. um Glühprozesse, (Strang-)Gussprozesse, Schweißprozesse und/oder einen Umformprozess, wie bspw. Tiefziehen, handeln. Das kontinuierlich durchlaufende Material befindet sich während der Kühlung kontinuierlich in Bewegung. Die Bewegung des kontinuierlich durchlaufenden Materials kann beispielsweise durch Förderbänder, Förderrollen und/oder durch sonstige bekannte Fördermittel erfolgen, wobei in dem Spalt bevorzugt keine Fördermittel angeordnet sind. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst über zumindest einen Teil einer Oberfläche des kontinuierlich durchlaufenden Materials oder über die gesamte Oberfläche des kontinuierlich durchlaufenden Materials mit Hilfe einer Abdeckung ein Spalt gebildet. Bei der Abdeckung kann es sich beispielsweise um ein Blech, ein Profil (z. B. U-Profil oder L-Profil) oder ein Rohr handeln. Die Abdeckung besteht insbesondere aus Metall, Kunststoff und/oder Keramik. Die Abdeckung kann insbesondere mehrschichtig aufgebaut sein und zumindest einen (Wärme-)Isolator aufweisen, der den Spalt gegenüber einer Umgebung zumindest teilweise (wärme-)isoliert. Die Wärmeleitfähigkeit der Abdeckung beträgt, insbesondere wenn die Abdeckung aus Kunststoff hergestellt ist, weniger als 0,5 W/K·m. Bevorzugt ist die Abdeckung elektrisch nicht leitend. Die Abdeckung ist zudem insbesondere ortsfest angeordnet, wobei das kontinuierlich durchlaufende Material entweder an der Abdeckung vorbei bewegt oder bei einer rohrförmigen Abdeckung durch die Abdeckung hindurch bewegt wird. Bei dem Spalt handelt es sich bspw. um einen Kanal und/oder um einen Raum, der durch die Abdeckung und zumindest einen Teil der Oberfläche des durchlaufenden Materials begrenzt ist.
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Es wird nun vorgeschlagen, in diesem Spalt ein kälteverflüssigtes Kühlgas, z. B. Stickstoff, Argon und/oder Kohlendioxid bzw. Kohlendioxidschnee bereitzustellen. In dem Spalt wird das kälteverflüssigte Kühlgas durch das kontinuierlich durchlaufende Material erhitzt, so dass das kälteverflüssigt Kühlgas seinen Aggregatszustand von flüssig zu gasförmig ändert. Dies hat zur Folge, dass sich das Volumen des kälteverflüssigten Kühlgases in dem Spalt erheblich erhöht. Hierdurch steigt der Druck im Inneren des Spaltes beispielsweise auf 2 bar oder mehr, so dass das gasförmige Kühlgas mit hoher Geschwindigkeit, bspw. mindestens 20 km/h, bevorzugt mindestens 100 km/h und besonders bevorzugt mindestens 200 km/h durch den Spalt strömt. Die Durchlaufgeschwindigkeit des kontinuierlich durchlaufenden Materials, mit dem das kontinuierlich durchlaufende Material an dem Spalt vorbeigeführt wird, beträgt bis zu 10 m/min, bevorzugt sogar bis zu 15 m/min, besonders bevorzugt sogar 20 m/min oder mehr. Jedenfalls wird das gasförmige Kühlgas in dem Spalt auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die ein Mehrfaches der Durchlaufgeschwindigkeit des kontinuierlich durchlaufenden Materials beträgt, wobei es sich bei der Durchlaufgeschwindigkeit um die Geschwindigkeit des kontinuierlich durchlaufenden Materials an dem Spalt oder durch den Spalt handelt. Die hohe Geschwindigkeit des gasförmigen Kühlgases in dem Spalt führt in vorteilhafter Weise zu einer besonders starken Kühlung des kontinuierlich durchlaufenden Materials.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn ein Querschnitt eines ersten Endes des Spalts mit einer Kulisse verkleinert wird. Bei dem ersten Ende des Spalts kann es sich bspw. um eine von zwei Öffnungen eines Kanals handeln, die den Kanal mit der Umgebung verbinden. Hierzu ist die Kulisse insbesondere an eine Außenkontur des kontinuierlich durchlaufenden Materials angepasst, so dass der offene Querschnitt des ersten Endes des Spalts bevorzugt minimiert ist. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Kulisse nicht an dem kontinuierlich durchlaufenden Material anliegen sollte, damit das kontinuierlich durchlaufende Material frei an dem Spalt vorbeigeführt oder hindurchgeführt werden kann. Hierdurch kann im Wesentlichen verhindert werden, dass Kühlgas aus dem ersten Ende des Spalts in die Umgebung austritt, so dass im wesentlichen das gesamte Kühlgas entlang des Spalts in Richtung eines zweiten Endes des Spalts strömt.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn das kontinuierlich durchlaufende Material im Bereich des Spalts innerhalb von maximal 5 Sekunden von mindestens 500°C auf höchstens 20°C abgekühlt wird. Hierbei ist besonders bevorzugt, wenn das kontinuierlich durchlaufende Material im Bereich des Spalts innerhalb vom maximal 3 Sekunden, sogar von mindestens 700°C oder ganz bevorzugt innerhalb von maximal 3 Sekunden von mindestens 900°C abgekühlt wird. Diese besonders hohe Abkühlungsgeschwindigkeit wirkt sich besonders vorteilhaft auf das kontinuierlich durchlaufende Material und/oder nachfolgende Prozessschritte aus.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Spalt eine Länge von maximal 80 Zentimeter hat. Die Länge des Spalts bemisst sich insbesondere entlang der Förderrichtung des kontinuierlich durchlaufenden Materials entlang des Spalts. Hierdurch wird eine Kühlung in einem besonders kompakten Bereich gewährleistet.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine Höhe. des Spalts maximal einer Materialstärke des kontinuierlich durchlaufenden Materials entspricht. Bevorzugt ist, dass die Höhe maximal 50%, besonders bevorzugt maximal 10% der Materialstärke beträgt. Bei der Höhe handelt es sich um die lotrechte Distanz zwischen der Oberfläche des durchlaufenden Materials und der Abdeckung. Bei der Materialstärke kann es sich sowohl um eine Wandstärke des kontinuierlich durchlaufenden Materials (z. B. bei einem Hohlprofil oder einem Rohr) als auch – insbesondere bei einem Vollmaterial – um einen Durchmesser des kontinuierlich durchlaufenden Materials handeln. Hierdurch wird erreicht, dass das Kühlgas in unmittelbarer Nähe zu dem kontinuierlich durchlaufenden Material in dem Spalt geführt wird und somit ein intensiver Wärmeaustausch zwischen kontinuierlich durchlaufendem Material und Kühlgas sichergestellt ist.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn eine Höhe des Spalts maximal 10 Zentimeter beträgt. Bevorzugt ist, dass die Höhe des Spalts maximal 5 Zentimeter, besonders bevorzugt maximal 1 Zentimeter beträgt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das kälteverflüssigte Kühlgas mit zumindest einer Düse in dem Spalt bereitgestellt wird. Hierdurch kann eine besonders exakte Dosierung und Verteilung des kälteverflüssigten Kühlgases in dem Spalt erreicht werden. Das Kühlgas, vorzugsweise Kohlendioxid, wird hierbei insbesondere mit einem Druck von 10 bis 60 bar mit der Düse in dem Spalt bereitgestellt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das kälteverflüssigte Kühlgas mit einer Mehrzahl von Düsen, insbesondere aus verschieden Winkeln, in Richtung des kontinuierlich durchlaufenden Materials gesprüht wird. Hierzu kann die Mehrzahl der Düsen bspw. über einen Umfang des kontinuierlich durchlaufenden Materials, z. B. sternförmig, verteilt sein, so dass eine besonders gleichmäßige Kühlung erzielbar ist. Auch kämmen mehrere hintereinander angeordnete Düsen je nach Kühlbedarf und Durchlaufgeschwindigkeit des durchlaufenden Materials zugeschaltet werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Spalt Leitflächen zur Ausbildung einer turbulenten Strömung des Kühlgases aufweist. Diese Leitflächen dienen zur Durchmischung des Kühlgases in dem Spalt, so dass eine besonders effektive Kühlung durch Vermeidung einer laminaren Strömung in dem Spalt erzielt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird auch eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von kontinuierlich durchlaufendem Material, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, vorgeschlagen, das zumindest eine Düse zum Zuführen von kälteverflüssigtem Kühlgas in einen Spalt aufweist, wobei der Spalt zumindest zwischen einem Teil einer Oberfläche des durchlaufenden Materials mit Hilfe einer Abdeckung gebildet ist, so dass eine Kühlung des zumindest einen Teils der Oberfläche des durchlaufenden Materials in Folge einer Durchströmung des Spalts mit Kühlgas erzielbar ist.
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Bezüglich der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wird in entsprechender Weise auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
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1: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
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2: einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß 1,
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3: einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß der 1,
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4: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, und
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5: einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß der 4.
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1 zeigt eine Kühlvorrichtung 14 mit einer Abdeckung 4, die eine Schweißnaht 15 auf einer Oberfläche 3 eines kontinuierlich durchlaufenden Materials 1 überdeckt, so dass zwischen der Abdeckung 4 und der Oberfläche 3 des kontinuierlich durchlaufenden Materials 1 ein Spalt 2 gebildet ist. Die Kühlvorrichtung 14 ist ortsfest mit einem hier nicht gezeigten Stativ angeordnet. Der Spalt 2 weist eine Länge 9, eine Hohe 10 sowie ein erstes Ende 7 und ein zweites Ende 16 auf. Das kontinuierlich durchlaufende Material 1 wird an dem Spalt 2 in Durchlaufrichtung 17 vorbeigeführt.
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Die 2 zeigt einen Längsschnitt entlang einer Längserstreckung der Kühlvorrichtung 14 gemäß 1, Die 2 zeigt die Kühlvorrichtung 14 mit der Abdeckung 4, die mit der Oberfläche 3 des Materials 1 einen Spalt 2 begrenzt. Innerhalb des Spalts 2 sind eine Mehrzahl von Düsen 12 angeordnet, die Kühlgas 5 in Richtung der Oberfläche 3 des Materials 1 sprühen. Hierzu sind die Düsen 12 über Zuleitungen 19 mit einer Kühlgasquelle 18 verbunden. Die Zuleitungen 19 weisen Ventile 24 auf, die mit einer hier nicht gezeigten Steuerung datenleitend verbunden sind. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, das Kühlgas 5 bedarfsgerecht über die jeweiligen Düsen 12 dem Spalt 2 zuzuführen. Der Spalt 2 weist an seinem ersten Ende 7 eine Kulisse 8 auf, so dass das erste Ende 7 des Spalts 2 gegenüber einer Umgebung 23 im Wesentlichen gasdicht verschlossen ist. Das durch die Düsen 12 in den Spalt 2 zugeführte Kühlgas 5 expandiert in dem Spalt 2 und strömt dadurch entlang des Spalts 2 in Richtung eines zweiten Endes 16 des Spalts 2 und entweicht dort in die Umgebung 23. Das Material 1 weist zudem eine Materialstärke 11 auf. Zudem ist in dem Spalt 2 zumindest eine Leitfläche 13 ausgebildet, die das Kühlgas 5 in dem Spalt 2 durchmischt. Zudem ist in der Umgebung 23 eine hier schematisch angedeutete Absaugung 21 angeordnet, die das aus dem Spalt 2 in die Umgebung 23 durch das zweite Ende 16 ausströmende Kühlgas 5 zumindest teilweise absaugt. Klarzustellen ist, dass die Absaugung 21 auch innerhalb des Spalts 2, insbesondere im Bereich des zweiten Endes 16 angeordnet sein kann.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die Kulisse 7 entlang der in 2 angedeuteten Fläche 20. Die 3 zeigt das Material 1 mit der Schweißnaht 15, die über die Oberfläche 3 des Materials 1 hinausragt. Darüber hinaus ist die Abdeckung 4 gezeigt, die zusammen mit der Oberfläche 3 des Materials 1 den Spalt 2 begrenzt. Das erste Ende 7 des Spalts 2 weist einen Querschnitt 6 auf, der durch die hier schraffiert dargestellte Kulisse 8 im Wesentlichen verschlossen ist.
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Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung 14, wobei in diesem Ausführungsbeispiel das kontinuierlich durchlaufende Material 1 vollständig von einer rohrförmigen Abdeckung 4 umgeben ist. Die Abdeckung 4 umschließt einen Spalt 2, der in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet ist. Durch den Spalt 2 wird in Durchlaufrichtung 17 das kontinuierlich durchlaufende Material 1 bewegt. Der Spalt 2 weist eine Höhe 10 auf, die sich lotrecht von der Oberfläche 3 des kontinuierlich durchlaufenden Materials bis zu der Abdeckung 4 erstreckt. In den Spalt 2 wird mit Hilfe einer Mehrzahl von Düsen 12 kälteverflüssigtes Kühlgas 5 dem Spalt 2 zugeführt. Hierzu sind die Düsen 12 über Zuleitungen 19 mit einer Kühlgasquelle 18 verbunden. Ein erstes Ende 7 des Spalts 2 ist gegenüber einer Umgebung 23 mit einer Kulisse 8 im Wesentlichen gasdicht verschlossen. Durch die Erwärmung des Kühlgases 5 in dem Spalt 2 expandiert das kälteverflüssigte Kühlgas 5 in dem Spalt 2 zu gasförmigen Kühlgas 5, wodurch sich das Volumen des Kühlgases 5 vervielfacht. Dadurch strömt das Kühlgas 5 entlang des Spalts 2 in Richtung eines zweiten Endes 16 des Spalts 2. Um eine besonders effektive Kühlung des Materials 1 zu erzielen, ist die Abdeckung 4 mehrschichtig aufgebaut und weist insbesondere einen Isolator 22 auf. Zudem ist in der Umgebung 23 eine hier schematisch dargestellte Absaugung 21 angeordnet, die das durch das zweite Ende 16 des Spalts 2 ausströmende Kühlgas 5 zumindest teilweise absaugt.
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5 zeigt einen Querschnitt durch die in 4 angedeutete Fläche 20. In der 5 ist die Abdeckung 4 dargestellt, die das kontinuierlich durchlaufende Material 1 umschließt und dadurch den Spalt 2 bildet. Zudem ist hier schraffiert die Kulisse 8 gezeigt, die den Querschnitt 6 des Spalts 2 im Bereich des ersten Endes im Wesentlichen abdichtet, dabei das kontinuierlich durchlaufende Material 1 jedoch nicht berührt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zeichnen sich durch eine besonders effektive Kühlung des kontinuierlich durchlaufenden Materials aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Material
- 2
- Spalt
- 3
- Oberfläche
- 4
- Abdeckung
- 5
- Kühlgas
- 6
- Querschnitt
- 7
- Erstes Ende
- 8
- Kulisse
- 9
- Länge
- 10
- Höhe
- 11
- Materialstärke
- 12
- Düse
- 13
- Leifläche
- 14
- Kühlvorrichtung
- 15
- Schweißnaht
- 16
- Zweites Ende
- 17
- Durchlaufrichtung
- 18
- Kühlgasquelle
- 19
- Zuleitungen
- 20
- Fläche
- 21
- Absaugung
- 22
- Isolator
- 23
- Umgebung
- 24
- Ventil