CH645922A5 - Verfahren zur waermebehandlung von metallbaendern. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung (etwa zum Anlassen oder ähnlichem) von Metallbändern, bei dem ein Metallband schwebend eine Heizzone und eine Kühlzone durchläuft. Zur Wärmebehandlung von Metallbändern, das heisst insbesondere lange, riemenförmige Platten aus Aluminium, Kupfer, Eisen oder ähnlichem, die durch kontinuierliches Walzen in einem Walzwerk hergestellt sind und normalerweise eine Dicke von 3,5 mm oder weniger und eine Vielzahl von Breiten aufweisen, lässt man diese üblicherweise schwebend eine Heizzone und eine Kühlzone durchlaufen. Wenn bei diesem Prozess jedoch die Knickfestigkeit des Metallbandes geringer als die in ihm in Querrichtung erzeugten thermischen Spannungen ist, dann bilden sich parallele Falten oder Wellen (Fig. 11) im Band in dessen Durchlaufrichtung, was zu schadhaften Produkten führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich wärmebehandelte Metallbänder ausgezeichneter Qualität und ohne irgendeine Beschädigung der Oberfläche herstellen lassen. Selbst in Fällen sehr dünner Metallbänder, d'ie bei Behandlung nach dem herkömmlichen Verfahren mit grosser Wahrscheinlichkeit Falten in Querrichtung bekämen, soll es möglich sein, wärmebehandelte Metallbänder ohne Falten und mit ausgezeichneter Qualität zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das wärmezubehandelnde Metallband beim Durchlauf durch eine Heizzone und eine Kühlzone wellenförmig gekrümmt wird'. Beim Durchlauf des Grenzbereichs zwischen der Heizzone und der Kühlzone und in seiner Nähe (das heisst am Wendepunkt des Temperaturverlaufs des Metall-s bandes von einer zunehmenden bzw. ansteigenden zu einer abnehmenden bzw. fallenden Richtung und folglich am Punkt des plötzlichen Auftretens thermischer Spannung) wird das Metallband stärker, also zu einem kleineren Krümmungsradius als in den übrigen Bereichen gekrümmt. Damit wird io es möglich, die Knickfestigkeit (Knickspannungsfestigkeit) des Metallbandes während dessen gesamter Durchlaufzeit durch die Heizzone und die Kühlzone grösser als die in dem Metallband erzeugte thermische Spannung zu machen. Mit diesem erfindungsgemässen Verfahren ist es daher möglich, 15 Metallbänder, bei deren Behandlung nach dem herkömmlichen Verfahren Falten in seiner Querrichtung wahrscheinlich wären, in zufriedenstellender Weise, das heisst ohne Erzeugung von Falten in dem Metallband, wärmezubehan-dleln.

20 Dieses Verfahren macht es darüber hinaus möglich, die Bewegungsenergie, wo eine solche zum Krümmen des Metallbandes erforderlich ist, über den gesamten Prozess des Durchlaufens durch die Heizzone und die Kühlzone zu reduzieren. Grundsätzlich gilt, dass, je kleiner der Krümmungsradius ist, 25 mit d'em ein Metallband gekrümmt werden soll, desto grösser die für diese Krümmung erforderliche Bewegungsenergie ist. Da das Metallband erfindungsgemäss nur im Bereich des Auftretens einer plötzlichen und grossen thermischen Spannung mit einem geringeren Krümmungsradius als in den an-30 deren gekrümmten Teilen versehen wird, wird' eine grosse Krümmungsleistung nur für diese Stelle benötigt, an der plötzlich eine grosse thermische Spannung auftritt.

Die Erfindung wird! nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

35 Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Temperaturverlaufs des erfindungsgemäss wärmebehandelten Metallbandes, Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verlaufs der in 40 einem erfindungsgemäss wärmebehandelten Metallband erzeugten thermischen Spannung (die Verläufe in den Fig. 2 und 3 sind! jeweils so dargestellt, dass ihre rechten und linken Enden auf einer Linie mit jenen von Fig. 1 liegen), Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV von 45 Fig. 1,

Fig. 5 eine vergrösserte Ansicht eines Hauptteiles der Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 6 einen Querschnitt einer Bandkrümmungseinrichtung der Vorrichtung von Fig. 1 zur Kennzeichnung der Diso mensionen der Bandkrümmungseinrichtung,

Fig. 7 das Ausziehen und Rollen eines Aluminiumbandes,

Fig. 8 und 9 jeweils Krümmungen eines in die Vorrichtung von Fig. 1 eingeführten Metallbandes,

55 Fig. 10 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit zwischen dem Krümmungsradius und der Knickfestigkeit eines erfindungsgemäss wärmebehandelten Aluminiumbandes und

Fig. 11 Falten, die sich in einem nach dem herkömm-60 liehen Verfahren wärmebehandelten Metallband einstellen. Gemäss Fig. 1 enthält eine Vorrichtung 1 zur Wärmebehandlung eine Heizeinheit 2 und eine Kühleinheit 14. Die Heizeinheit 2 (deren Vertikalschnitt in Fig. 4 gezeigt ist) wird! von einer Ofenwand 3 begrenzt, die in bekannter Weise 65 einen Wärmestrom zwischen der Innenseite und der Aussen-seite der Heizeinheit 2 verhindert. Die Ofenwand 3 besitzt eine Einlassöffnung 4 und eine Auslassöffnung 5, die es erlauben, dass ein Metallband 6 von links nach rechts durch

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die Heizeinheit 2 hindurchgeführt wird (Fig. 1). Über und unter einem Durchgang für das Metallband 6 liegen sich in der Heizeinheit 2 Plenumkammem 7 gegenüber. Jede dieser Plenumkammern 7 besitzt eine Vielzahl von Bandkrümmungseinrichtungen, die in ihrer Wand angrenzend an das in die Heizeinheit 2 eingeführte Metallband 6 vorgesehen und über die gesamte Länge des Banddurchgangs innerhalb der Heizeinheit 2 angeordnet sind. Luftumwälzgebläse 8 sind an der Ofenwand 3 installiert. Die Luftumwälzgebläse 8 stehen über Luftkanäle 9 jeweils mit einer der Plenumkammern 7 in Verbindung. Brenner 10 sind an der Innenfläche der Ofenwand 3 vorgesehen. Vor der Einlassöffnung 4 der Heizeinheit 2 ist eine Vielzahl von Walzen 11 zur richtigen Einführung des Metallbandes 6 in die Einlassöffnung 4 vorgesehen.

Da die Kühleinheit 14 in ähnlicher Weise wie die Heizeinheit 2, abgesehen von der bei der Kühleinheit 14 fehlenden Ofenwand, aufgebaut ist, soll sie hier nicht detailliert beschrieben werden. In der Kühleinheit 14 sind mit 15 eine obere und eine untere Plenumkammer bezeichnet, von denen jede in ihrer dem in die Kühleinheit 14 eingeführten Metallband 6 benachbarten Wand eine Vielzahl von Bandkrümmungseinrichtungen aufweist, die über die gesamte Länge des Banddurchlaufs innerhalb der Kühleinheit 14 angeordnet sind. Mit 16, 17, 18 und 19 sind ein Luftumwälzgebläse, ein Luftkanal, eine Bandauslassöffnung bzw. eine Vielzahl von Abziehwalzen bezeichnet. Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, die die Bandkrümmungseinrichtungen in den Wänden der Plenumkammern 7 (der Heizeinheit 2) und 15 (der Kühleinheit 14) im einzelnen zeigen. Dabei sind 21 Düsenflächen. Dynamikdruckdüsen sind in bekannter Weise in den Wänden der Plenumkammem 7 und 15 angeordnet, um einen Gasstrom aus den Plenumkammern gegen das in die Vorrichtung 1 eingeführte Metallband 6 zu richten. 22 bezeichnet Statikdruckkissenabschnitte, die in gleicher Weise wie das herkömmliche Statikdruckkissen aufgebaut sind, nämlich so, dass Gas von den Plenumkammern 7 in die durch Pfeile angedeuteten Richtungen ausgestossen wird und gegen das Metallband 6 stösst. Eine Vielzahl von Düsen kann auch in den Wänden 22a der Statikdruckkissenabschnitte 22 vorgesehen werden, die dem Banddurchlauf zugewandt sind, um zusätzlich Gas gegen dias Metallband 6 aus-zustossen. Es ist auch möglich, dass anstelle der Düsenflächen 21 flache Oberflächen verwendet werden, und das Metallband 6 kann durch Gasströme allein aus den Düsen 23 der Statikdruckkissenabschnitte 22 gekrümmt werden.

Wie in Fig. 7 gezeigt, wird! das um eine Abgaberolle gewickelte Metallband 6a in üblicher Weise abgezogen, wie dies durch einen Pfeil 30 angedeutet ist, damit es durch verschiedene bekannte (nicht gezeigte) Mechanismen und dann durch die Vorrichtung 1 zur Wärmebehandlung laufen kann. Nach dem Austreten aus der Vorrichtung 1 durchläuft das Metallband verschiedene bekannte (nicht gezeigte) Mechanismen und wird dann in üblicher Weise auf eine Aufwickelrolle aufgewickelt, wie dies durch 6b gekennzeichnet ist.

Wenn das Metallband 6 in die Vorrichtung 1 eingeführt wird, dann arbeiten die Brenner 10 und die Luftumwälzgebläse 8 und 16. Wenn sich das Metallband 6 in einem eingeschwungenen Zustand befindet, lässt man es zwischen den oberen Plenumkammern 7, 15 und den unteren Plenumkammern 7, 15 hindurchlaufen, wobei es in Wellenform gekrümmt wird und zwar durch erhitztes Gas, das von den Düsen in den Wänden der Plenumkammern 7 der Heizeinheit ausgestossen wird, bzw. durch nicht erhitzte Luft, die von den Düsen in den Wänden der Plenumkammern 15 der Kühleinheit ausgestossen wird, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Beim Durchlauf des Eingangsabschnitts 7b (Fig. 1) der Heizeinheit 2 und des Grenzbereichs 7a, 15a (Fig. 1) zwischen der Heizeinheit 2 und der Kühleinheit 14 wird das Metallband 6 mit einem kleinerem Krümmungsradius gekrümmt als beim Durchlauf durch die anderen Bereiche der Vorrichtung 1 (das heisst den übrigen Teil des Bunddurchlaufs), wie dies in 5 Fig. 8 gezeigt ist. Jene Einrichtungen wie die Luftumwälzgebläse 8, 16, die Plenumkammern 7, 15 und die Brenner 10 in der Vorrichtung 1 wirken so, dass das Metallband 6 in oben erwähnter Weise behandelt wird und die nachfolgend erläuterte Erwärmung und Kühlung durchmacht.

io Nach der Erwärmung beim Durchlauf durch die Heizeinheit 2 durchläuft das Metallband 6 die Kühleinheit 14 und wird dabei gekühlt. In Fig. 1 bezeichnen 25 und 26 eine Heizzone bzw. eine Kühlzone.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Temperatur eines unter Verls wendung der Vorrichtung 1 in oben beschriebener Weise wärmebehandelten Aluminiumbandes. Sowohl die Heizzone 25 als auch die Kühlzone 26 sind je 13 m lang, und die jeweilige Länge zwischen den Zufuhrwalzen 11 und der Einlassöffnung 4 bzw. der Auslassöffnung 18 und den Abzieh-2o walzen 19 beträgt 2 m. Die Abmessungen des Aluminiumbandes sind 0,3 mm Dicke X 2000 mm Breite.

Wenn das Aluminiumband in der erwähnten Weise erwärmt und gekühlt wird, dann tritt im mittleren Bereich des Bandes in dessen Breitenrichtung eine thermische Spannung 25 TX auf, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Da jedoch das Band bei der Behandlung gekrümmt ist, ist seine Knickfestigkeit in Breitenrichtung stärker als die thermische Spannung fx. Daher wird das Aluminiumband durch diese thermische Spannung nicht deformiert, sondern behält während der Behand-30 lung die ursprüngliche Form (abgesehen von den durch die Gasströme hervorgerufenen Krümmungen). Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die im Band entstehende thermische Spannung yx am Eingangsabschnitt 7b der Heizzone 25 und im Grenzbereich 7a, 15a zwischen der Heizzone 25 und der Kühlzone 35 26 grösser als in den übrigen Bereichen. Da jedoch das Band an diesen Stellen 7b, 7a, 15a stärker gekrümmt ist als an den anderen Stellen, ist die jeweilige Knickfestigkeit des Bandes an diesen Stellen grösser als an den anderen Stellen. Deshalb ist auch an diesen Stellen die jeweilige Knickfestigkeit des 40 Bandes grösser als die thermische Spannung, so dass das Band selbst an diesen Stellen nicht infolge der thermischen Spannung verformt wird.

Fig. 10 zeigt die Abhängigkeit der Knickfestigkeit vom Krümmungsradius beim erwähnten Aluminiumband. Bei der 45 Wärmebehandlung der Fig. 2 und 3 liegt die maximale thermische Spannung des Bandes im Grenzbereich 7a, 15a zwischen der Heizzone 25 und der Kühlzone 26 bei 22,5 N/ mm2 (Fig. 3). Aus Fig. 10 erhält man für diesen Fall einen maximalen Krümmungsradius von 1,05 m, bei dessen Vor-50 liegen eine für diese maximale thermische Spannung ausreichende Knickfestigkeit vorhanden ist. Fig. 6 zeigt den Teil der Bandkrümmungseinrichtung, der sich im Grenzbereich 7a, 15a befindet. In diesem Teil sind die einzelnen Masse A bis F 250 mm, 1200 mm, 600 mm, 50 mm, 200 mm bzw. 55 etwa 90 mm. Der Krümmungsradius des Bandes in diesem Teil ist R (= 1,05 m).

Die Krümmungsradien der ausserhalb dieses Grenzbereichs befindlichen Teile des Bandes kann man in der gleichen Weise ermitteln. Das heisst man geht von der in den 60 einzelnen Teilen des Bandes erzeugten thermischen Spannung und einer Graphik aus, die die Eigenschaften des Bandes bei der Temperatur im jeweiligen Teil wiedergibt (das heisst von einer Graphik ähnlich Fig. 10). Im Fall des erwähnten Aluminiumbandes beträgt der Krümmungsradius 65 des am Eingangsabschnitt 7b der Heizzone 25 befindlichen Teils R = 2 m, während die Krümmungsradien aller anderen Teile (mit Ausnahme des im Grenzbereich) 2,5 m sind. Diese Krümmungsradien lassen sich durch geeignete Ände-

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rang der Masse B und C der einzelnen Teile der Band-krümmungseinrichtung einstellen.

Fig. 9 zeigt ein Metallband, dessen Krümmungen sich in der Höhe von denen in Fig. 8 unterscheiden. Solche Änderung der Krümmungen kann durch Änderung des Aus-stossdrucks des Gases aus den Düsen bewirkt werden.

Wenn die Amplitude der wellenähnlichen Krümmimgen eines Metallbandes geändert wird (wie dies von Fig. 8 zu Fig. 9 der Fall ist), dann ändern sich die Teilungen des Bandes (das heisst die Abstände zwischen entsprechenden Punkten auf benachbarten Wellenformen des Bandes), die zur Erreichung der gewünschten Krümmungsradien des Bandes erforderlich sind. Die Änderung der Teilungen des Bandes kann durch geeignete Änderung irgendeiner Dimension oder Dimensionen (die in Fig. 6 gezeigt sind) der einzelnen Teile der Bandkrümmungseinrichtung erreicht werden.

In dem Fall von Fig. 9 ist das Metallband zu einem kleineren Krümmungsradius (R = 1,05 m) in 3 Wellenformen (Krümmungen) im Grenzbereich zwischen der Heizzone und der Kühlzone der Vorrichtung gekrümmt. Solche Wellenformen können dem Band über eine Länge von etwa 10% bis 15% der Gesamtlänge der Heizzone und der Kühlzone gegeben werden.

Die Länge und die Stelle des Teiles eines Metallbandes, in welchem eine grosse thermische Spannung auftritt, hängt von den Erwärmungsvoraussetzungen (Neigung des Temperaturanstiegs) des Bandes in der Heizzone, den Kühlvoraussetzungen (Neigung des Temperaturabfalls) des Bandes in der Kühlzone und den Abmessungen (Breite und/oder Dicke) und/oder dem Material des Bandes ab.

Der Teil eines Metallbandes, der mit einem kleineren Krümmungsradius gekrümmt werden soll, muss so festgelegt werden, dass dieser Teil des Bandes mit dem Bandabschnitt zusammenfällt, in welchem eine grössere thermische Spannung auftritt. Wenn daher eine grössere thermische Spannung über eine grössere Länge in einem Metallband auftritt, dann muss sich der Teil des Bandes, der eine stärkere Krümmung aufweisen soll, über die entsprechende grössere Länge erstrecken. Wenn die Mitte (in Längsrichtung) des Teiles eines Metallbandes, in welchem eine grössere thermische Spannung auftritt, vom Grenzbereich zwischen der Heizzone und der Kühlzone zur Heizzonenseite oder zur Kühlzonenseite abweicht, dann muss entsprechend der Teil des Bandes, der einen kleineren Krümmungsradius aufweisen soll, verschoben sein. Der beschriebene Weg, einem Metallband einen kleineren Krümmungsradius zu geben, gilt auch bei der

Krümmung des Bandes zu einem kleineren Krümmungsradius am Eingangsabschnitt der Heizzone.

Bezüglich des zur Krümmung eines Metallbandes gemäss der Erfindung erforderlichen Energiebedarfs wurden s Experimente ausgeführt. Setzt man die elektrische Leistung eines Luftgebläses, die erforderlich ist, um das Metallband über die gesamte Länge von Heizzone und Kühlzone mit kleinen Krümmungsradien zu krümmen mit 100% an, dann verringert sich der Energieverbrauch auf 82%, wenn man, io wie es erfindungsgemäss der Fall ist, das Metallband im Grenzbereich zwischen der Heizzone und der Kühlzone mit einem kleineren Krümmungsradius (so wie in Fig. 8 gezeigt) versieht und an allen anderen Stellen mit grösseren Krümmungsradien (so wie in Fig. 8 gezeigt). In bezug auf die für ls ein Luftgebläse erforderliche elektrische Leistung erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren daher eine Energieeinsparung von etwa 20% verglichen mit dem Energieverbrauch bei Benutzung des herkömmlichen Wärmebehandlungsverfahrens.

2o Falls erwünscht kann ein Metallband während der

Wärmebehandlung dadurch gehärtet werden, dass man einen Temperaturverlauf im Band bewirkt, wie er gestrichelt in Fig. 2 gezeigt ist. Hierbei wird die Temperatur des Bandes in der Heizzone gemäss dem Verlauf (A) erhöht und die 25 Maximaltemperatur in einem Bereich nahe dem Ende der Heizzone 25 für eine Weile gehalten, wie dies durch (B) in Fig. 2 angegeben ist. Danach wird die Temperatur des Bandes rasch ini der Kühlzone 26 abgekühlt, wie durch (C) angegeben (die Abkühlgeschwindigkeit beträgt 100°C oder 30 mehr pro Sekunde). Die rasche Abkühlung der Bandtemperatur kann durch Erhöhung der Luftmenge, die von den Plenumkammern 15 ausgestossen wird oder durch eine Erniedrigung der Lufttemperatur erreicht werden. Alternativ kann Nebel bzw. Dampf, Wasser oder heisses Wasser gegen 35 das Metallband gestrahlt werden, um eine rasche Absenkung der Temperatur des Metallbandes zu bewirken. Falls das Metallband während des Verlaufs der Wärmebehandlung in der oben erwähnten Weise gehärtet wird, dann treten extrem grosse Temperaturänderangen in dem Band auf, die 40 dazu führen, dass die in Breitenrichtung des Metallbandes erzeugte thermische Spannung grösser wird. Falls daher diese Härtung des Metallbandes während der Wärmebehandlung durchgeführt wird1, ist es günstig, das Metallband stärker zu krümmen, das heisst in kleineren Krümmungs-45 radien, um die Knickfestigkeit grösser als die thermische Spannung zu machen.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (5)

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1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallbändern, bei dem ein Metallband1 schwebend eine Heizzone und eine Kühlzone durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband über seine gesamte Länge in der Heizzone und der Kühlzone in Längsrichtung in Wellenform gebracht wird und der Krümmungsradius von einer Welle oder von Wellen im Grenzbereich zwischen der Heizzone und der Kühlzone kleiner als die Krümmungsradien der übrigen Wellen des Bandes in der Heizzone und der Kühlzone ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Band in eine solche Wellenform gebracht wird, dass es am Eingangsabschnitt d'er Heizzone zusätzlich zum Grenzbereich zwischen der Heizzone und der Kühlzone eine Welle oder Wellen mit einem Krümmungsradius besitzt, der kleiner als die Krümmungsradien der übrigen Wellen des Bandes in der Heizzone und der Kühlzone ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadürch gekennzeichnet, dass das Band dadurch schwebend gehalten wird, dass in der Heizzone und in der Kühlzone Gasströme gegen die Oberseite und die Unterseite dies Bandes wirken.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Band dadurch in Wellenform gebracht wird, dass starke und schwache Gasströme in abwechselnder Weise entlang der Längsrichtung des Bandes gegen dessen Oberseite und dessen Unterseite gerichtet werden, wobei die starken Gasströme auf die Seite (Oberseite oder Unterseite) des Bandes gerichtet werden, die derjenigen, auf welche die schwachen Gasströme wirken, entgegengesetzt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirkenlassen schwacher Gasströme auf das Band das Einwirkenlassen einer Vielzahl von Gasströmen, die in Längsrichtung des Bandes beabstandet angeordnet sind und aus einer parallel zum Streifen liegenden Platte austreten umfasst, während das Einwirkenlassen der starken Gasströme auf das Band das Ausstossen von Gas aus einem Statikdruckkissen, d'as gegen die Platte aufgeblasen ist umfasst.