CN107848001B - 用于改变金属带材温度以调整平整度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于改变金属带材，尤其是铝制或者铝合金制带材温度的装置，其具有用于通过加热或者冷却来改变金属带材温度的机构，在该装置中，使用用于运输金属带材的机构将金属带材在带材方向上相对于改变金属带材温度的机构移动。提供一种用于改变金属带材温度的装置，其尤其在改变铝带材的温度时实现了过程控制的优化和涉及所处理的金属带材平整度的精确度的提高，这一目的根据本发明利用一种装置解决，方法是用于改变金属带材温度的机构具有多个单独的调温机构，其分别仅局部地加热或冷却该金属带材并且至少多个调温机构的位置能够相对于金属带材以直线地或旋转地改变的方式定位。

Description

用于改变金属带材温度以调整平整度的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于改变金属带材，尤其是铝制或者铝合金制金属带材的温度的装置，其具有用于通过加热或者冷却来改变金属带材温度的机构，在该装置中，使用用于运输金属带材的机构将金属带材在带材方向上将对于用于改变金属带材温度的机构移动。此外，本发明还涉及根据本发明的装置用于金属带材，尤其铝带材或者铝合金带材的连续加工的应用。另外，本发明还涉及根据本发明的装置用于连续改变金属带材，优选铝带材或者铝合金带材的温度的方法。

背景技术

金属带材，例如钢带材，也包括铝带材或者铝合金带材通常会经过热处理，以得到金属带材的特殊特性。为此，将钢带材和铝合金带材利用调温机构加热和/或非常快地降温。在热处理时将钢带材和铝合金带材加热的温度范围却差距很大。为了达到重结晶而对钢带材的加热例如在950℃或更高的区域，而与此相对，铝合金带材在300℃左右的温度下就已经重结晶了。在一些铝合金中，例如为了之后的沉淀硬化，必须使合金元素进入固溶体，其中必须达到580℃的温度。为了能够随后将这些合金元素在基体中保持在过饱和状态，必须从该温度进行快速的淬火。

出于其它冶金学原因(例如为了晶粒细化)，经常需要高加热速率和冷却速率。由于需要高加热速率和冷却速率，这种热处理就不能在卷起的卷材上进行，而是必须在运行的带材上在所谓的连续炉和冷却段中进行。快速的加热或冷却引起热应力，其尤其会在薄带材中导致扭曲，这种扭曲既会在运行过程中阻碍带材稳定的运行，也会在制成的产品中引起平整度缺陷。

在运行的带材上进行热处理的目的是，在短时间内在整个带材宽度上均一地改变温度水平，以在整个带材宽度上以所希望的方式均匀地改变特性。在横向于带材线形行进的均匀的温度变化中，却总会出现因热引起的横向应力，这些横向应力是引起扭曲的原因。其原因在于，受到热负荷的接近中央的带材纤维被临近的纤维在横向方向上所阻碍，而带材边缘却能够自由膨胀或收缩。

对于钢制金属带材的冷却和对于铝带材的冷却来说，由现有技术中已知用于改变金属带材温度的装置，其具有用于冷却金属带材的机构和用于相对于用于温度改变的机构运输金属带材的机构，利用该装置可以例如连续冷却带材。这种在厚钢带材上既进行温度测量又进行平整度测量的方法公开在欧洲专利申请EP 16346571中。国际专利申请WO2009/024644A1也涉及一种用于钢带材平整度控制的方法和装置，其具有以固定间隔安置的并可单独控制的调温机构，以促使对钢带材的特别冷却。美国专利申请US 2014/0250963A1公开了用于冷却铝合金金属带材的冷却机构的固定排布。尽管根据金属带材冷却后的平整度或者根据金属带材冷却后的温度测量而对各个单独的调温机构的冷却功率进行了控制，现有的用于改变金属带材温度的概念方法，即用于为热处理加热金属带材的概念方法以及用于在热处理后冷却金属带材的概念方法依旧是值得改进的，因为平整度缺陷的问题在生产中依旧存在。

发明内容

因此本发明的目的在于，提供一种用于改变金属带材温度的装置，其尤其在铝带材温度改变时实现了更好的过程控制和在涉及所处理的金属带材平整度更高的精度。此外还应该给出根据本发明的装置的优选应用和使用根据本发明的装置来改变金属带材的温度的方法。

所提到的目的根据本发明的第一种教导利用一种装置解决，对此用于改变金属带材温度的机构具有多个单独的调温机构，其分别仅局部地加热或冷却该金属带材并且至少多个调温机构的位置能够相对于金属带材可平移地或旋转地改变的方式定位。

已经证明，尤其在对铝带材或者铝合金制带材的温度改变中通过各个单独的、局部加热或冷却金属带的调温机构位置为了调整平整度的改变实现了对金属带材最优的加热或者冷却，由此可以将金属带材中由于加热或冷却时的温度变化而产生的应力最小化。由此可以在相对于用于改变金属带材温度的机构运输该金属带材时在该金属带材中带来特别精确的温度分布。正如已经说明的，这些单独的调温机构可以将金属带材的温度仅局部地升高或者降低。通过调温机构平移的和/或旋转的位置改变可以将由调温机构改变了温度的区域非常精确地在金属带材上相对于彼此地推移。产生的结果是能够将待冷却或加热的金属带材区域精确地进行协调，以避免在金属带材中的应力。与如由现有技术中已知的调温机构的固定排布相反，由此可以在金属带材中产生非常明显更精细的温度变化分布。结果是金属带材以及在带材加热和在对经热处理的金属带材冷却时显著改善的平整度。利用前述措施可以尤其在铝合金带材中解决这样一个情况，即在温度变化大时，尤其是在高于250℃的加热时，在已经强烈加热的金属带材中出现剧烈的强化消除过程，这导致了铝合金带材的塑性变形。在冷却时，这种塑性变形会导致平整度缺陷，这些缺陷可以利用根据本发明的装置得到有效抑制。

根据符合本发明的装置的第一种设计方案，至少一个调温机构单独地在金属带材纵向方向上，在金属带材的横向方向上和/或在与金属带材保持间距的情况下平移地可改变地定位。换句话说，至少一个调温机构，优选多个调温机构可以进行平移地位置改变，以在金属带材加热或者金属带材冷却时改善金属带材的平整度。

调温机构优选安置在金属带材的一侧或两侧。单侧安置所需的用于安装和调节各个单独调温机构位置所需的成本更小。双侧安置允许即使是在金属带材厚度较大时也快速的温度变化，以及可以实现大的温度梯度。

根据另一个设计方案，至少一个调温机构，优选多个调温机构可单独绕旋转轴旋转地安置，由此通过旋转，调温机构可以以相对于金属带材表面的角度可变的形式定位。调温机构相对于金属带材表面的角度的改变实现了，不仅推移各个单独调温机构作用范围的位置，而且改变每个单独调温机构在金属带材上的热传递或冷传递分布。为此，优选将调温机构绕平行于带材表面横向延伸的旋转轴进行旋转。这种旋转实现了各个单独调温机构作用范围在带材方向上变化的位置。

金属带材表面上特别灵活的温度梯度设置可以根据该装置的另一个设计方案这样实现，即至少一个调温机构或者多个调温机构在所有平移或旋转自由度方面都可以可变地定位。

根据另一个设计方案，各个单独调温机构的冷却或加热功率优选可彼此分开调节。可充分利用这种对各个单独调温机构加热或冷却功率的独立调节来作为对在热处理时对金属带材的加热中以及在热处理后对金属带材的冷却中调温机构位置的变化的额外自由度以达到金属带材非常好的平整度。

为此，在根据本发明的装置的另一个设计方案中设置有用于金属带材平整度测量的机构和至少一个控制单元，该控制单元根据测得的金属带材平整度对至少一个调温机构，优选多个调温机构的几何定向和/或冷却或加热功率进行控制或调节。在控制时，优选根据给定的分布确定给定各个单独调温机构的位置，定向和/或加热或冷却功率。此外，调节还允许用于重新改变各个单独调温机构或多个调温机构的位置，定向和/或加热或冷却功率的测得的平整度值的反馈。

根据另一个设计方案，在此使用可将热量以辐射、传导、对流和/或感应的方式传递到金属带材上或从金属带材上移除的调温机构作为调温机构。例如热辐射器就典型的辐射调温机构。其电磁热辐射在金属带材上被吸收。在传导调温机构中，在金属带材上施加直接加热或冷却金属带材的介质。对流调温机构例如可以通过热空气鼓风机，也就是通过使用热气体对金属带材进行加热。同样，也可以感应地加热金属带材，方法是调温机构在金属带材中产生涡流。

最后，根据符合本发明的装置的另一个设计方案，调温机构具有以金属带材的横向为基准的弧形定位，其中安置在金属带材中间区域的调温机构朝带材运行方向向前或向后突出地排布。通过朝带材运行方向向前或向后突出的调温机构，例如将金属带材的中间区域在时间上比其边缘区域超前或滞后地进行加热或冷却。在带材的宽度方向上可以对每一束带材纤维都施加等量的能量，由此达到了均匀的温度水平。这种能量输入在宽度上时间交错地进行，这样抑制了横向应力的产生并且由此保证了带材的平稳运行。金属带材的波浪，也就是平整度缺陷因此显著减少。

根据本发明的另一个教导，上述目的通过根据本发明的装置用于金属带材，尤其是铝或铝合金带材的连续加工的应用解决。例如铝或铝合金带材的连续加工在所谓的退火作业线，辊轧道中，也在喷漆设备、层压设备或者其它连续加工金属带材表面或金属带材本身的镀层设备中进行。在所有这些装置中，根据本发明的用于温度改变的装置的应用促使了改善的平整度结果，因为给出了非常灵活以及非常精确的根据具体过程预防金属带材，尤其是铝合金带材中应力的可能性。

根据本发明的第三个教导，前述目的通过利用根据本发明的装置用于连续改变金属带材，优选铝带材或铝合金带材温度的方法这样解决，即金属带材的温度变化在金属带材，尤其铝带材或铝合金带材的热处理设备、镀层设备或辊轧机中进行。

如之前已经说明的，在使用根据本发明的装置时，金属带材的温度改变在相应的方法中这样进行，使得出现非常微小的金属带材平整度变化。所有后续的生产步骤都可以因此以非常高的精度进行。

根据符合本发明的方法的另一个设计方案，将至少一个可变定位的调温机构的位置，优选多个可变定位的调温机构的位置相对于金属带材如此改变，使得金属带材中由于金属带材温度变化引起的应力降低。通过这种措施可以达到金属带材的平整度进一步增加并且波浪性得到阻止。

如果根据该方法的另一个设计方案，金属带材的温度变化利用相对于金属带材的横向方向呈弧形地、朝带材运行方向向前或向后突出地排布的调温机构进行，那么如已经提到的，能够在金属带材中实现有利的温度分布，尤其是在金属带材加热时优选的温度分布，这在金属带材中仅留下特别轻微的平整度缺陷。

最后，根据本发明的方法根据另一个设计方案通过以下方法继续优化，即通过用于平整度测量的机构在温度变化前和/或温度变化后测得金属带材的平整度，并根据平整度测量利用控制机构将各个单独调温机构的位置相对于金属带材进行改变。由此可以使温度分布状况与环境条件、金属带材生产速度或者还有金属带材厚度或者合金度进行匹配，以将平整度缺陷最小化。在调温机构位置的平移和/或旋转改变之外，当然还应考虑各个单独调温机构的加热或冷却功率的变化，来减少平整度缺陷。

附图说明

接下来借助于实施例结合图示对本发明进行进一步说明。图中：

图1示出了用于金属带材温度改变的传统装置的透视视图，

图2示出了根据本发明的装置的第一个实施例的透视图，

图3示出了根据本发明的装置的另一个实施例的示意性侧视图，

图4示出了根据本发明的装置的另一个实施例的示意性俯视图，

图5示出了根据本发明的装置的用于加热铝带材的调温机构的不同排布形式的示意性俯视图，

图6示出了根据本发明的装置的用于冷却铝带材的调温机构的不同排布形式的示意性俯视图。

具体实施方式

在图1中首先示出了由现有技术中已知的用于金属带材温度改变的装置的透视图。用于温度改变的装置1由所谓的“调温梁”构成，该调温梁具有多个在其宽度上以及部分地也在其纵深上，也就是在带材运行方向上安置的调温机构。如在图1中所看到的，该从现有技术中已知的装置可以既在金属带材2之上，又在其之下具有调温梁，该金属带材优选为铝带材或铝合金带材。作为相对于用于该金属带材温度变化的机构运输金属带材的机构，图1中示出了卷取机3。

在冷却金属带材以及加热金属带材时，利用由现有技术中已知的用于金属带材温度改变的机构只能有限地，例如通过横向于金属带材方向变化的调温功率分布，达到金属带材单独有针对性的调温以减少平整度缺陷。尤其在铝带材的热处理时，使用这种调温机构不可能进行温度的精确控制以及得到精确的温度分布情况。这种金属带材上产生温度分布的限制可能性就导致了，由于金属带材，优选铝合金带材的温度变化，应力滞留在金属带材中，该应力在温度变化后导致了平整度缺陷。

图2中示出了根据本发明的用于金属带材温度改变的装置4的一个实施例，根据本发明，该装置具有多个单独的、分别仅局部地加热或冷却金属带材2的调温机构5作为用于金属带材温度改变的机构。该至少多个调温机构的位置各自相对于金属带材可变地定位。这通过双向箭头以及通过各个单独调温机构5的不同排布在图2中示出。各个单独调温机构5的位置可以根据金属带材2的平整度在热处理之后或者热处理之前进行设置或者改变其位置。

为此，优选在金属带材的纵向上，在金属带材的横向上和/或与金属带材保持间距地通过平移单个地改变调温机构5的位置，由此在温度连续改变的金属带材中得到非常独特有针对性的温度分布状况。

优选可以单独并彼此独立地设置调温机构5的加热或冷却功率，由此有另一个参数可用，以减少平整度缺陷。

图3中示出了根据本发明的用于金属带材2温度改变的装置4的另一个实施例的示意性侧视图。除由图2中已知的调温机构5外，与图2中的实施例相反，这些调温机构仅在金属带材的一侧示出，还额外示出了用于金属带材的平整度测量的机构6，其通过控制单元7根据测得的金属带材平整度控制或者调节各个单独调温机构5的位置。在图3所示的排布和金属带材运行方向(箭头)中，控制单元7例如连续地根据通过经用于测量金属带材的平整度的机构6测得的金属带材2的平整度值来调节调温机构5的位置。如图3所示出的，这里，控制单元7不仅可以利用平移自由度8来定位调温机构5，还可以将调温机构5进行角度α的旋转，以对调温机构作用到金属带材2上的作用范围尽可能精确地并且连续地进行改变。由此达到了，在加热金属带材时，如对金属带材退火时以及在这样的退火过程结束后冷却金属带材时，达到了精确度非常高的金属带材平整度。

图4在根据本发明的、用于金属带材温度改变的装置4的一个实施例的俯视图中示出了基于平整度测量的调温机构优选的排布。金属带材2的带材运行方向在此还是通过箭头示出。各个单独的调温机构5相对于金属带材的横向呈弧形地排布并例如保证了该金属带材首先在边缘上被加热并在晚些的时刻该金属带材的中间才通过该调温机构5被加热。这里，在该带材中设置出这样的温度分布，其在该带材相对于用于改变该金属带材温度的机构在带材方向上运输时在该金属带材内部导致尽可能小的应力。图4中额外示出了两个测量位置6a和6b，在该位置中金属带材的平整度测量事先进行以控制调温机构5的位置或者之后进行以调节金属带材的平整度。如图4所示，温度改变优选连续进行。

因此，根据本发明的装置尤其适用于金属带材，优选铝合金带材用于热处理，尤其退火的无应力加热。此外，根据本发明的装置也适用于在冷却金属带材时，例如在热处理之后，在该金属带材中设置出这样的温度分布情况，其在金属带材冷却至例如室温后留下尽可能小的应力。

优选将根据本发明的装置用在用于处理由AA6xxx型号的铝合金或带有AA6XXX铝合金的复合材料组成的金属带材的热处理设备中，因为这些产品的平整度在后续加工中具有非常重要的作用。

图5和图6中示意性示出了多个调温机构的不同排布，这些调温机构在金属带材2被卷起至卷曲机3上之前无接触地加热该金属带材或者如图6所示的冷却。这里，假设导热是理想的。计算不同排布对铝合金带材2中的应力的效应并得出由此产生的波浪性的幅度。

在为加热计算应力时考虑以下初始条件。带材加热前的初始温度为20℃。在某带材区域穿过相应调温机构下方后，该铝合金带材被加热至400℃。在加热时还要额外考虑随后通过热量传递到周围空气中而引起的冷却以及至刚性卷轴上的卷曲，以考虑到尽可能接近真实的边界条件。设带材厚度为1mm。

在冷却的计算中，在通过一个调温机构后，铝合金带材从400℃的均一的温度冷却至20℃，并且不考虑热量传递到环境中的情况下，应考虑与加热时完全相同的边界条件。

在模拟中，在带材宽度为1500mm和带材速度为约11.3m/s时，假设带材应力恒定为10MPa。在计算时，各个单独调温机构到带材上的热量传递在带材方向上的250mm的长度上以及横向于带材方向100mm的宽度上进行。与图5和图6中的示意性展示不同，考虑的是带材之上和之下各11个对称分布在带材宽度上的调温机构。

计算基于借助于有限元法(FEM)的铝合金带材应力状态和形变状态的热-机械模拟。这里，指定该铝合金带材具有弹塑性材料性能。带材2沿箭头方向运动。为不同排布所计算出的波浪性的幅度，也就是带材最高点和最低点的差值，在表1中给出。为了计算波浪性的幅度，分别对横向于带材运行方向的截面进行研究并确定该铝合金带材垂直于带材平面的最高点和最低点之间的差值。

表1

试验	温度改变类型	波浪幅度(mm)
			A	加热	22.8
B	加热	37.1
			C	加热	36.5
D	加热	21.9
			E	加热	19.9
F	加热	16.1
			G	冷却	47.6
H	冷却	23.3

借助于模拟可以明确，带材以水平带材平面为基准的最高点和最低点之间的差值非常敏感地对计算出的不同情境做出了反应。各个单独调温机构的位置的轻微改变，例如排布D和F的比较所显示的，就已经导致了波浪幅度的显著变化。优选对于加热来说，例如，外侧调温机构相对于带材运行方向(箭头)轻微的推移就能够引起波浪幅度的明显变小。

在所模拟的铝合金带材从均一的400℃至20℃的冷却中显示出了波浪幅度还要更大的相关性。这里，通过具有往后的外侧调温机构的排布H，波浪幅度从直线排布G时的47.6mm降低到23.3mm。铝合金带材的冷却，也取决于冷却或加热带材的调温机构的精确定位。

用于冷却或就加热该金属带材的调温机构的、个性化匹配协调于铝合金带材相应应力预算的位置可以通过位置相对于金属带材可平移地或旋转地改变的方式定位的调温机构非常好地协调，这样可将带材的内部应力最小化。

Claims (17)

1.用于金属带材(2)的温度改变的装置(4)，所述装置具有用于通过加热或者冷却来改变金属带材温度的机构(5)，在该装置中，使用用于运输金属带材(2)的机构(3)将所述金属带材(2)在带材方向上相对于用于改变金属带材温度的机构(5)移动，

其特征在于，

用于改变金属带材温度的机构(5)具有多个单独的调温机构(5)，其分别仅局部地加热或冷却该金属带材并且至少多个所述调温机构(5)的位置能够相对于所述金属带材(2)以平移地改变的方式定位，其中所述用于改变金属带材温度的机构适合于单独地在相对于用于改变金属带材温度的机构运输所述金属带材时在金属带材(2)的纵向方向上，在金属带材(2)的横向方向上和/或在与金属带材(2)保持间距的情况下平移地改变至少一个调温机构(5)的定位。

2.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

所述金属带材(2)为铝或铝合金制成的带材。

3.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

多个所述调温机构(5)的位置能够单独地相对于所述金属带材(2)在相对于用于改变金属带材温度的机构运输所述金属带材时以旋转地改变的方式定位。

4.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

至少一个调温机构(5)能够单独绕旋转轴旋转地安置，由此通过旋转，所述调温机构(5)能够以相对于金属带材表面的角度可变的形式定位。

5.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

至少一个调温机构(5)在所有平移或旋转自由度(8，α)方面都能够在相对于用于改变金属带材温度的机构运输所述金属带材时变化地定位。

6.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

各个单独调温机构(5)的冷却和/或加热功率能够彼此分开调节。

7.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

设置有用于金属带材(2)平整度测量的机构(6)和至少一个控制单元(7)，该控制单元根据测得的金属带材(2)平整度对至少一个调温机构(5)的几何定向和/或冷却或加热功率进行控制或调节。

8.根据权利要求7所述的装置，

其特征在于，

设置有用于金属带材(2)平整度测量的机构(6)和至少一个控制单元(7)，该控制单元根据测得的金属带材(2)平整度对多个调温机构(5)的几何定向和/或冷却或加热功率进行控制或调节。

9.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

所述调温机构(5)以辐射、传导、对流和/或感应的方式将热量传递到金属带材(2)上或从金属带材(2)上移除。

10.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

所述调温机构(5)具有以金属带材(2)的横向为基准的弧形定位，其中安置在金属带材(2)中间区域的调温机构(5)朝带材运行方向向前或向后突出地排布。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的装置在用于连续处理金属带材的装置中的应用。

12.根据权利要求11所述的应用，

其特征在于，

所述金属带材为铝带材或铝合金带材。

13.利用根据权利要求1至10中任意一项所述的装置、用于连续改变金属带材(2)的温度的方法，

其特征在于，

金属带材(2)的温度变化在金属带材的热处理设备、镀层设备或辊轧机中进行。

14.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，

所述金属带材为铝带材或铝合金带材。

15.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，

将至少一个能够变化定位的调温机构(5)的位置相对于金属带材如此改变，使得金属带材(2)中由于金属带材(2)的温度变化引起的应力降低。

16.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，

金属带材(2)的温度变化利用相对于金属带材的横向方向呈弧形排布的单个调温机构(5)进行。

17.根据权利要求13所述的方法，

其特征在于，

通过用于平整度测量的机构(6)在温度变化前和/或温度变化后测得金属带材(2)的平整度，并根据测得的平整度利用控制机构(7)将各个单独调温机构(5)的位置相对于金属带材连续地进行改变。

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