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Verfahren und Vorrichtung zum fortschreitenden induktiven
Erwärmen von Blechbändern
Es ist bekannt, dünne Blechbänder mit Stärken unter 0,5 mm induktiv durch die Bänder umfassende Induktionsspulen zu beheizen auf eine Temperatur von 500 C und darunter. Dieses Beheizen erfolgt beispielsweise zum Zwecke des Niederschmelzens galvanisch aufgebrachter Zinnschichten, zum Trocknen von aufgebrachten Lackschichten, zum Anlassen oder Vergüten oder zum Diffusionsglühen. Hiezu werden Induktionserwärmungsanlagen eingesetzt, die mit rotierenden Umformern betrieben werden und die bei einer Frequenz von 10000 Hz arbeiten. Der Wirkungsgrad dieser Einrichtungen ist an sich sehr hoch, sinkt jedoch dann, wenn dünne Bleche, etwa Bandstärken von 0, 15 mm und darunter, erwärmt werden sollen.
Aus diesem Grunde kommen auch Frequenzen unter 5000 Hz nicht zur Anwendung, weil der Wirkungsgrad
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Material wird die erforderliche Leistung so ausgelegt, dass die gewünschte Endtemperatur währenddem Durchlaufes des oder der Bänder durch die Induktionsspulen erreicht wird. Da die höchstmögliche Leistungsabgabe einer einzigen Induktionsspule begrenzt ist, müssen mehrere derartige Induktionsspulen angeordnet werden, um die gesamte aufzubringende Leistung an das oder die Bänder abgeben zu können, während die Spulen, die die Bänder umfassen, nacheinander durchlaufen werden,
Bisher wird die jeweils erforderliche Behandlungstemperatur in einem praktisch geradlinigen Temperaturanstieg erreicht. Die Überlegungen des Erfinders lassen es wünschenswert erscheinen, von dieser Beheizungsart abzugehen.
Gemäss der Erfindung soll insbesondere beim Niederschmelzen galvanisch aufgebrachter Zinnschichten zunächst unter stetigem Temperaturanstieg eine Temperatur von etwa 2100 C und kurz darüber erreicht werden, um dann anschliessend das Material kurzzeitig in steilem Anstieg auf eine Temperatur von etwa 2500C zu bringen, bei der das Zinn niedergeschmolzen wird. Bekanntlich tritt beim Aufschmelzen des Zinns auch eine Diffusion des Zinns in die Oberfläche des Bandes ein. Sie ist zwar in einem gewissen Ausmass erwünscht, führt aber zur Versprödung der Zwischenschicht, wenn Temperaturen. in der Nachbarschaft des Zinnschmelzpunktes zu lange einwirken. Die Gefahr der Versprödung wird bei der angegebenen Heizcharakteristik vermieden oder jedenfalls weitestgehend vermindert.
Sinngemäss ähnliche Verhältnisse ergeben sich für das Lacktrocknen und besonders aber auch beim Diffusionsglühen. Auch hier soll von einer Temperatur kurz unterhalb der jeweiligen Endtemperatur an das Beheizen mit steiler Charakteristik erfolgen.
Um diese Aufgabe zu lösen, müsste das durch die Induktionsspulen durchlaufende Band mit unterschiedlicher Charakteristik erwärmt werden. Ein Aufheizen mit unterschiedlicher Charakteristik bei gleichartigen parallel geschalteten Induktionsspulen ist jedoch nicht ohne weiteres möglich. Die Induk- tionsspulenwerden beiden bekannten Einrichtungen so ausgeführt, dass sie die maximal mögliche Leistung an das Band abgeben können. Infolge dieser maximalen Leistung ergibt sich eine maximal erreichbare Steilheit der Temperaturcharakteristik, die mit den üblichen Mitteln nicht steiler gestaltet werden kann.
Um Blechbänder auf Temperaturen unterhalb des Curiepunktes bis etwa p000 C fortlaufend zu erwärmen, wobei diese Bänder Blechstärken von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise 0, 1-0, 35 mm, aufweisen
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Danach wird in einem Abschnitt mit zeitlich schnellerem Temperaturanstieg unter Anwendung von Strö- men höherer Frequenzen das Gut auf Behandlungstempe. ratur gebracht. Die höheren Frequenzen sollen vorzugsweise mindestens das Doppelte der Ausgangsfrequenz betragen.
Es ist zwar bekannt, beim induktiven Erwärmen von Werkstticken unterschiedliche Frequenzen anzuwenden, je nachdem, ob sich das Gut in einem Temperaturbereich unterhalb oder in einem Temperaturbereich oberhalb des Curiepunktes befindet. Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung dagegen handelt es
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vorbestimmten Temperaturverlaufes.
Bei der Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung für das Aufschmelzen von Zinn wird so vorgegangen, dass zunächst in praktisch stetigem Temperaturanstieg auf etwa 2000 C - 2100 C erwärmt wird.
Sodann wird in kürzester Frist auf eine Temperatur von etwa 2500 C erhitzt. Das Zinn schmilzt nieder und hat nicht ausreichend Zeit, sich in grösserem Ausmass an Diffusionsvorgängen zu beteiligen.
Zur Ausübung des Verfahrens wird vorgeschlagen, unter Verwendung mehrerer längs des Weges des Bandes oder der Bänder angeordneter, gemeinsam von einer mit einer durch rotierende Umformer erzeugten Frequenz von 5000 Hz oder höher betriebenen Sammelschiene parallel gespeister Heizinduktoren, die das oder die Bänder umfassen, den In Bandvorschubrichtung letzten oder gegebenenfalls auch vorletzten Heizinduktor über an sich bekannte statische oder rotierende Frequenzwandler anzuschliessen. Diese Frequenzwandler sollen so ausgelegt sein, dass sie mindestens das Zweifache der Sammelschienenfrequenz
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möglicht. Das bedeutet, dass diese Spule eine höhere Leistung an das Band abgeben kann als die vorhergehenden Induktionsspulen.
Durch diese höhere Leistung wird pro Zeiteinheit eine höhere Energie auf das Band gegeben, wodurch eine steilere Charakteristik erzielt wird. Der Vorteil dieser Frequenzvervielfacher liegt aber auch darin, dass bei konstanter Sammelschienenspannung die Energie, die der Frequenzvervielfacher an die Induktionsspule abgibt, kontinuierlich eingestellt werden kann. Dadurch ist es möglich, entsprechend dem gewünschten Effekt die Steilheit der Temperaturcharakteristik zu wählen.
Gemäss der Erfindung besteht weiterhin die Möglichkeit, den statischen Frequenzwandler nicht auf die doppelte Frequenz abzustimmen, sondern eine zwischen Frequenzwandler und Sammelschiene anzuordnende Kornpensations-Kondensatorenbatter1e so zu dimensionieren, dass diese für die zweite Oberwelle einen Phasenwinkel ergibt, in der Grössenordnung von etwa cos. cp = 0, 9 induktiv. Durch diese Art der Unterkompensation wird die Amplitude der fünften Oberwelle des Frequenzvervielfachers sehr stark angehoben, so dass indem vom Frequenzvervielfacher abgegebenen Strom eine grössere Komponente der fünften Oberwelle enthalten ist.
Es wurde erkannt, dass durch diese Massnahme die Möglichkeit besteht, den Abstand der Zinnaufschmelzlinie vom Abschreckbad auszugleichen, wenn bei Unterschieden in der Bandstärke dadurch bedingte Unterschiede in der Höhe der Aufschmelzlinie auftreten. Diese Erscheinung kommt dadurch zustande, dass der Wirkungsgrad der Beheizung mit 10000 Hz bei dünnen Stellen der Bänder absinkt.
Dieser wird jedoch beispielsweise bei 50000 Hz auf den höchst möglichen Wert angehoben, so dass diese dünnen Stellen mit gleichem Wirkungsgrad beheizt werden wie stärkere Stellen. Hieraus ergibt sich ferner die Möglichkeit, mehrere Bänder unterschiedlicher Stärke gleichzeitig durch die Induktionsspulen laufen zu lassen. Bisher war dies darum nicht möglich, weil die Höhenlage der Zinnaufschmelzlinie bei den einzelnen Bändernso unterschiedlich war, dass kein optimales Ergebnis der Aufschmelzung erzielt werden konnte. Durch die vorgeschlagenen Massnahmen werden diese Schwierigkeiten beseitigt.
Der bereits oben geschilderte erfindungsgemässe Temperaturverlauf im Band ist in der beigefügten Fig. 1 schematisch wiedergegeben. In dieser Figur ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen, auf der Ordinate die Bandtemperatur in Grad C. Wie zu erkennen, steigt die Temperatur bis zum Punkt 42 in Fig. 1 praktisch Stetig an ; eine Unterbrechungerfährt dieserTemperaturanstieg lediglich bei 40, wo das Band aus technischen Gründen die erste Folge von Induktionsspulen verlässt und über eine Walze umgelenkt wird, um alsdann in die zweite Folge von Induktionsspulen einzutreten. Diese Walze entzieht dem Band eine
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gewisse Wärmemenge, was mit einem Temperaturrückgang von etwa 100 C verbunden ist. Die entsprechenden Verhältnisse sind in Fig. 1 durch die Punkte 40 und 41 gekennzeichnet.
Nach Erreichen einer Temperatur von etwa 2000 C (Punkt 42 in Fig. 1) tritt das Band in eine weitere Induktionsspule ein, welche gemäss vorliegender Erfindung mit einem Strom höherer Frequenz beaufschlagt wird. Auf Grund dieser höheren Frequenz ergibt sich im Band eine grössere Leistungsdichte, so dass ein steilerer Temperaturanstieg 43 erzielt wird. Dieser steilere Temperaturanstieg führt dazu, dass der Zinnaufschmelzpunkt bei etwa 2300 C mit steiler Temperaturfront überschritten wird und das Band vor Eintauchen in ein Abschreckbad auf etwa 2500 C erwärmt ist.
In Fig. 2 Ist schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung wiedergegeben.
Gemäss dieser Figur wird aus dem Leitungsnetz 1 bei 2 über eine Schaltanlage 3 der Umformermotor 4 eingespeist, der den Generator 5 so antreibt, dass er in der Lage ist, die gewünschte Frequenz bei der gewünschen Leistung abgeben zu können. Zur Erregung des Generators dient die Erregereinrichtung 6, welche aus dem Schalter 6', dem kontinuierlich veränderlichen Regeltransformator 6" und den dahinter angeordneten Gleichrichtern 6"'besteht. Es kann natürlich auch anstatt der in diesem Schaltbild gezeigten Erregereinrichtung 6 eine elektronisch arbeitende Erregereinrichtung eingesetzt werden. Damit ist es gleichzeitig möglich, die abgegebene Mittelfrequenzspannung automatisch auf einem vorher eingestellten Wert konstant zu halten.
Der Generator 5 gibt seine Mittelfrequenzenergie bei 7 ab. Diese wird über das Leistungsschütz 8 an die Sammelschiene 9 abgegeben. Zur Überwachung der technischen Daten dient eine Messanlage mit Spannungsmesser 10, Leistungsmesser 11, Kompensationsinstrument 12 sowie Strommesser 13. Diese In- strumente werden über Spannungswandler 14 und Stromwandler 15 eingespeist. Sie dienen zur Überwachung und gegebenenfalls auch der Nachregelung der Anlage. Zur Feinkompensation der Sammelschiene 9 dient die Kondensatorbatterie 16. Die Energie für die einzelnen Induktionsspulen 17, die das aufzuheizende Band 18 umgeben, wird über Schalter 19 von der Sammelschiene 9 entnommen.
Diese Schalter ermöglichen es, dass je nach gewünschter Temperaturcharakteristik im Sinne der Erfindung die einzelnen Induk- tionsspulen zu- oder abgeschaltet werden können. Die Spulen sind durch Kondensatoren 20 grob vorkompensiert. Die Feinkompensation wird, wie oben erwähnt, durch die Kondensatorenbatterie 16 vorgenommen.
Das Band 18 durchläuft die Induktionsspulen 17, ohne diese zu berühren und wird mit Hilfe der Umlenkwalzen 21 umgelenkt. Nach Durchlaufen der Induktionsspulen hat das Band die vorgesehene Temperatur erreicht und läuft-insbesondere bei Aufschmelzanlagen - in das Abschreckbad 22.
Zur Erzielung. des erfindungsgemäss vorgesehenen steilen Temperaturanstieges, wie er bei 43 in Fig. l dargestellt ist, wird arn Ende der AJ1fhelzstrecke eine Induktionsspule vorgesehen, welche mit einem Strom höherer Frequenz beaufschlagt wird und welche daher eine höhere Leistungsdichte abgeben kann. Um für die Stromversorgung dieser Spule keine getrennte Anlage mit höherer Frequenz einsetzen zu müssen, wird auch diese Energie der Sammelschiene 9 entnommen und über Frequenzvervielfacher 23 der Induktionsspule 17'zugeführt. Wie bereits oben erwähnt, können hiezu an sich bekannte statische oder rotierende Frequenzwandler Verwendung finden.
Der in Fig. 2 angedeutete statische Frequenzwandler besteht aus drei Spulen, von denen die in der Figur rechtsseitig dargestellte die Primärspule ist, welche mit einem hochgesättigten Eisenkern versehen ist. Dieser Eisenkern hat die Wirkung, dass sehr starke Oberwellen erzeugt werden, welche in der linksseitig angeordneten Sekundärspule eine Spannung entsprechend höherer Frequenz erzeugen.. Die in der Figur dargestellte mittlere Spule 23'ist die Vormagnetisierungsspule, die mit Gleichstrom über den Regeltransformator 26 und den Gleichrichter 27 versorgt wird. Die zur Vorma- gnetisierung erforderliche Leistung kann statt von der Sammelschiene 9 auch vom Leitungsnetz 1 direkt entnommen werden.
Wie ersichtlich, ist der Vormagnetisierungsstrom regelbar, wodurch die Ausgangsenergie des Frequenz- vervielfachers zur Bestimmung der Steilheit des Temperaturanstieges kontinuierlich geändert werden kann.
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zelteile zu den in Fig. 2 dargestellten zu erleichtern, sind diese mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie ersichtlich, läuft das Band 18 in Richtung des Pfeiles 28. und wird an den Umlenkwalzen 21 umgelenkt. Im Bereich des auflaufenden Trums werden die drei Induktionsspulen 17 durchlaufen, die das Band umgeben und die vollständig in eine Vergussmasse eingegossen sind. Diese Spulen sind über die Schienen 29 an die Sammelschiene 9 (im Bild nicht sichtbar) angeschlossen. Die letzte der Induktionsspulen 17, die
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mit normaler Frequenz eingespeist wird, ist auf der Vorderseite im Bild 3. nicht vergossen, damit die Anordnung der Windungen 30 sichtbar ist. Normalerweise ist selbstverständlich auch diese Induktionsspule vollständig vergossen. Die unterste Spule 17'Ist an eine spezielle Leitung 31 angeschlossen, über welche die Energie des Frequenzvervielfachers dieser Spule zugeführt wird.
Nach Durchlaufen der Spule 17'ge- langt das Band in das Abschreckbad 22.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum fortlaufenden induktiven Erwärmen von Blechbändern auf Temperaturen unterhalb des Curiepunktes bis etwa 500 Cmlt Blechstarken vonweniger als 0, 5 mm, vorzugsweise 0, l-0, 35 mm, mit zeitlich vorbestimmtem Temperaturanstieg zum Zwecke des Aufschmelzens galvanisch aufgebrachter Zinnschichten, des Trocknens von Lackschichten und des metallurgischen Wärmebehandelus, dadurch gekennzeichnet, dass das Band unter Anwendung mittelfrequenter Ströme, vorzugsweise mit 5000 Hz oder 10000 Hz in stetigem Temperaturanstieg erwärmt und danach in einem Abschnitt mit zeitlich schnellerem Temperaturanstieg unter Anwendung von Strömen höherer Frequenzen, die vorzugsweise mindestens das Doppelte der Ausgangsfrequenz betragen, auf Behandlungstemperatur gebracht wird.