DE10046273A1

DE10046273A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schroffkühlung bewegter Metallbänder

Info

Publication number: DE10046273A1
Application number: DE2000146273
Authority: DE
Inventors: Carl Kramer
Original assignee: Individual
Current assignee: KRAMER, CARL, PROF. DR.-ING., 52076 AACHEN, DE
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2000-09-19
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: DE10046273C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verzugsdeformationsarmen Schroffkühlung von Metallbändern, insbesondere aus Leichtmetalllegierungen, im Durchlauf. Das Band wird im kalten Bereich hinter der Schroffkühlung mit einer kreisbogenähnlichen Form zwangsgeführt. Diese Verwölbung des Bandes kann bei schwebender Bandführung im warmen Teil durch entsprechend ausgebildete Schwebedüsen unterstützt werden. Die Abkühlung erfolgt mit Luft und/oder Wasser. Sowohl die Kühldüsen als auch die Schwebedüsen können der verwölbten Bandform angepasst werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schroffkühlung von bewegten Metallbändern.

Die Schroffkühlung von Metallbändern im Durchlauf, die z. B. bei Bändern aus Aluminiumlegierungen mit Abkühlgeschwindigkeiten von einigen 100 K/s erfolgen muss, ist wegen der sich dabei über eine sehr geringe Bandlänge einstellenden Abkühlkontraktion des Bandes und der daraus resultierenden Verformung ein noch ungelöstes Problem. Die Schroffkühlung wird speziell bei Bändern angewendet, die in einem Durchlaufofen auf Lösungstemperatur erwärmt und bis zum Eintritt des gewünschten Lösungszustandes auf dieser Temperatur gehalten werden. Für Bänder aus Aluminiumlegierungen sind hierzu Zeiten im Sekunden- bis Minutenbereich erforderlich. Daraus resultiert, dass die Bänder auch in Durchlauföfen relativ großer Länge nur mit mäßiger Geschwindigkeit von typisch einigen Metern pro Minute bewegt werden können.

Die Schroffabkühlung muss von der Lösungsglühtemperatur bis zu einer Temperatur, unterhalb welcher sich keine wesentlichen metallurgischen Veränderungen mehr er geben, sehr rasch erfolgen. Für einige Leichtmetalllegierungen muss z. B. die Kühlgeschwindigkeit ausgehend von einer Lösungsglühtemperatur von etwa 560°C bis zu einer Temperatur von ca. 250°C mindestens 300 K/s betragen. Bei einer Bandgeschwindigkeit von z. B. 5 m/min legt das Band während einer Schroffkühlzeit von 1 Sekunde Dauer nur eine Strecke von 83 mm zurück. Die Abkühlungskontraktion beträgt ca. 2 mm/(m 100 K). Ein Band von 2 m Breite muss also über einer Distanz von weniger als 100 mm seine Breite um 12 mm verringern. Dies ist für ein anfänglich planes Band nur bei einer Verformung durch Beulen oder Faltenbildung möglich.

Die Schroffkühlung erfolgt in der Regel durch Aufspritzen von Wasser auf die Bandoberfläche. Eine sehr wirksame Vorrichtung zur Schroffkühlung mit linienhaftem Beginn ist in der DE-PS 31 29 254 angegeben. Das die Schroffkühlung bewirkende Wasser wird über eine Vielzahl linienhaft angeordneter Düsen auf die zu kühlende Fläche aufgespritzt. Ein überlagerter Luftstrom sorgt für eine Bewegung des Wassers in Bandlaufrichtung von der Auftrefflinie weg. Die Kühlwirkung hängt von der Wasserbeaufschlagungsdichte ab. Mit dieser Vorrichtung können sehr hohe Abkühl geschwindigkeiten erreicht werden. Das Problem der Bandverformung, auch bei Pfeil form der den Kühlbeginn definierenden Linie des Anfangs der Wasserbeaufschlagung, bleibt jedoch hierbei ungelöst. Bei Verwendung üblicher Spritzdüsen als Kühldüsen, z. B. in Linie angeordneten Flachstrahldüsen, nimmt die Wasserbeaufschlagungsdichte bei Verformung des Bandes zu den Düsen hin zu und umgekehrt ab. Durch Verformungen vergrößert sich also die Ungleichmäßigkeit in der Kühlwirkung, was wiederum eine stärkere Verformung bedingt.

Die Erfahrung hat zwar gezeigt, dass ein bogenförmig gewölbtes Band, wenn denn diese Wölbung während des Kühlvorganges stabil ist, zu geringeren Verformungen führt. Sobald aber, insbesondere bei breiten Bändern, die Wölbeform in eine Schwingenform umschlägt, so läuft Wasser in dem sich in Bandmitte bildenden Tal entgegen dem Bandlauf in Richtung Ofen und kann sogar in den Ofen eintreten. Die Folgen sind unkontrollierte Vorkühlung und weitere, unkontrollierte Bandverformungen. Das Umschlagen der Bogenform in eine Schwingenform ist offensichtlich, ähnlich wie das Beulen, ein Stabilitätsproblem.

Es besteht folglich die Aufgabe ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schroffabkühlung von bewegten Metallbändern zu entwickeln, bei denen die oben erläuterten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, die zu einer sehr geringen Verformung des Metallbandes führen.

Dies wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 4 und 7 erreicht. Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 1 veranschaulicht. Fig. 1a zeigt schematisch die Verformung, welcher das Band während der Schroffkühlung unterworfen wird. Im kalten Bereich, also dort, wo das Band bereits auf Temperaturen unterhalb 250°C abgekühlt ist, wird dem Band mit Hilfe geeigneter Mittel die in Fig. 1a durch das Bezugszeichen 2 gekennzeichnete Kreisbogenkontur bzw. kreisbogenähnliche Kontur aufgezwungen. Geeignete Mittel können z. B. bogenförmige Rollen bzw. Wellen mit einem umlaufenden Mantel sein, wobei die Umfangsgeschwindigkeit des Mantels der Bewegungsgeschwindigkeit des Bandes entspricht. Solche Wellen können, wie in DE 197 44 875 C2 beschrieben, durch Schwenken auf kreisbogenähnliche Konturen für einen großen Radiusbereich eingestellt werden. Durch diese Zwangsformung im kalten Bereich durchläuft das Band beim Übergang vom warmen Bereich zum kalten Bereich, also beim Durchlaufen durch die Schroffkühlung, eine Form, die mit einem Segment eines Flaschenhalses vergleichbar ist. Dies wird in den Fig. 1b und 1c näher erläutert. Die vorbeschriebene Bandverformung lässt sich wie folgt annähern:
Im warmen Bereich bildet das Band im Querschnitt einen Kreisbogen mit dem Radius R₁, der um die Radiendifferenz ΔR größer ist als der Radius des Kreisbogens ab Ende der Schroffkühlung mit dem Radius R₂. Daraus ergibt sich, wie durch die Gleichungen in Fig. 1c verdeutlicht, dass die Breite des Bandes im Warmen B₁ auf die Breite des Bandes im Kalten B₂ um die Breitendifferenz ΔB = B₁ - B₂ reduziert wird. Diese Breitendifferenz ist proportional der Radiendifferenz ΔR. Im oben zur Veranschaulichung benutzten Bild des Segmentes eines Flaschenhalses entspricht diese Radiendifferenz der Differenz zwischen Flaschenradius und Halsradius. Man erkennt unschwer, dass nunmehr eine durch die Schroffkühlung bedingte Verringerung der Bandbreite um ΔB ohne Beulen möglich ist.

Der relativ große Kreisbogenradius R₂ kann ohne weiteres im weiteren Verlauf des Bandlaufs mit Hilfe einer rein elastischen Verformung wieder in einen planen Bandlauf überführt werden. Da außerdem hinter der Abkühlung üblicherweise aus metallurgischen Gründen noch eine gewisse Streckung des Bandes erfolgt, ist die Führung des abgekühlten Bandes unmittelbar hinter der Schroffkühlung mit einem kreisbogenähnlichen Querschnitt in keiner Weise schädlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht also darauf, dass hinter der Schroffkühlung das laufende Band mit der Querschnittsform eines Kreisbogens zwangsgeführt wird, wodurch sich beim Übergang vom gekühlten Bereich in den noch nicht gekühlten, warmen Bereich ein Kreisbogen mit einem entsprechend der bei der Abkühlung stattfindenden Breitenreduktion um ΔR größeren Radius einstellt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden beschrieben. Die Fig. 2 bis 5 dienen der Veranschaulichung.

Es zeigen:

Fig. 2 einen Längsschnitt der Vorrichtung in schematischer Darstellung;

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt des Warmbereichs;

Fig. 4 eine Schemaskizze, aus welcher die Kontur einer Schroffkühldüse zu ersehen ist, welche dem kreisbogenförmigen Querschnitt des Bandes angepasst ist; und

Fig. 5 eine Schemadarstellung der kreisbogenförmig ausgebildeten Rolle, welche der Zwangsführung des Bandes mit kreisbogenförmigem Querschnitt dient.

Wie in Fig. 2 dargestellt, läuft das Band 1 mit zunächst planem oder annähernd planem Querschnitt in horizontaler Bandlaufrichtung 3 durch einen Erwärmungsbereich 5 und nimmt am Ende des Erwärmungsbereichs 5 vor Eintritt in einen Schroffkühlbereich 4 eine Form 2 mit kreisbogenähnlicher Querverwölbung an. Diese Verwölbungsform kann durch untere Schwebedüsen 17 und obere Schwebedüsen 18 unterstützt werden. Zu diesem Zweck werden die unteren Schwebedüsen 17 vorteilhaft, wie in EP 0 864 518 A1 beschrieben, mit in der Mitte größerer Breite und einer Draufsicht mit der Form des Längsmittelschnittes eines Fasses oder eines Doppeltrapezes ausgeführt. Bei den oberen Schwebedüsen ist es vorteilhaft, die Breite umgekehrt am Rand größer auszuführen als die Mitte.

Die in Fig. 2 nicht dargestellte Strömungsführung zur Versorgung der Schwebedüsen 17 und 18 kann vorteilhaft, wie in EP 0 864 519 A1 beschrieben, ausgeführt werden. Es ist aber auch möglich, bestehende, bekannte Durchlauferwärmungseinrichtungen mit schwebender Bandführung durch Modifikation der Schwebedüsen mit Formen, wie aus EP 0 864 518 A1 bekannt, zu modifizieren, etwa um eine bestehende Anlage auf die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens umzurüsten, um dadurch eine höhere Produktqualität zu erreichen.

Die Bandform mit kreisbogenförmigem Querschnitt wird im Kaltbereich 7 durch zwei schwenkbare, kreisbogenähnlich gebogene Rollen bzw. Wellen 12 und 15 erzeugt. Dabei befinden sich die Rolle 12 unterhalb des Bandes und die Rolle 15 oberhalb des Bandes, zweckmäßig in Durchlaufrichtung 3 gegenüber der Rolle 12 versetzt. Die Rolle 12 ist um eine horizontale Achse 13 in Richtung des Kreisbogenpfeiles 19 schwenkbar und die Rolle 15 entsprechend in Richtung des Kreisbogenpfeiles 20 um eine horizontale Achse 14. Der engste Radius wird erreicht, wenn die Rolle 12 vertikal steht, also senkrecht zur Bandlaufrichtung 3. Entsprechend ergibt sich der Radius unendlich - also ein planes Band - für eine horizontale Schwenkposition.

Mit Hilfe der Wellen bzw. Rollen 12 und 15 und der Schwenkeinrichtung, ähnlich der Schwenkeinrichtung, wie sie in DE 197 44 875 C2 beschrieben ist, lässt sich ein weiter Bereich von kreisbodenförmigen Querschnittskonturen für das Band einstellen. Der umlaufende Mantel der Rollen 12 und 14 wird dabei in ähnlicher Weise so angetrieben wie in der vorgenannten Schrift bei der Vorrichtung zum Verwölben von auf Erwei chungstemperatur erwärmten Flachglas im Durchlauf, dass seine Umfangsgeschwindigkeit der Bandlaufgeschwindigkeit entspricht.

Im Schroffkühlbereich 4 findet die Schroffkühlung mit Wasser statt. Hierzu kann vorteilhaft eine Kühldüse 8 verwendet werden, wie sie in der DE -PS 31 29 254 beschrieben wurde. Diese Kühldüse 8 kann vorteilhaft mit der dem Band zugewandten Begrenzung in der Querschnittsform 21, wie in Fig. 4 dargestellt, ausgeführt werden. Wie aus Fig. 4 ferner ersichtlich, lassen sich mit einer festen Düsenform 21 auch unterschiedlich stark verwölbte Bandquerschnitte 2 und 2a vorteilhaft abkühlen.

Wichtig ist aus metallurgischen Gründen bei der Schroffkühlung von Aluminium, dass in dem Übergangsbereich 6 keine wesentliche Vorkühlung stattfindet. Eine solche unerwünschte Vorkühlung könnte z. B. durch auf dem Band 1 entgegen der Durchlaufrichtung 3 bewegtes Kühlwasser erfolgen. Dies wird aber in vorteilhafter Weise durch die Kühldüse 8 ausgeschlossen, bei welcher, wie aus DE-PS 31 29 254 bekannt, die strömungstechnische Wirkung einer Coanda-Fläche 11 ausgenutzt wird, um eine Aufspaltung eines aus Wasser und Luft bestehenden Kühlfluidstrahles in einen Strahl in Bandlaufrichtung und einen Anteil entgegen der Bandlaufrichtung zu vermeiden. Das Wasser wird ähnlich wie bei DE-PS 31 29 254 mittels einer rohrförmingen Zuleitung 10 mit Düsen 9 auf die der Düsenberandung 11 gegenüberliegende Düsenberandung aufgespritzt. Ein Kanal dient zur Zuführung des Luftstromes.

Typische Luftgeschwindigkeiten im Düsenaustrittsquerschnitt liegen im Bereich zwischen 40 und 60 m/s. Die Wasserbeaufschlagungsdichte richtet sich nach dem gewünschten Abkühlgradienten. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass für einen mittleren Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich zwischen Lösungsglühtemperatur und Leidenfrost-Temperatur bei Bändern aus Aluminiumlegierungen für je 1.000 W/(m²K) mittleren Wärmeübergang etwa 150 l Wasser je Minute und m² Schroffkühlfläche aufgespritzt werden müssen.

In der Fig. 4 ist nur eine Schroffkühldüse oberhalb des Bandes angegeben. Für dickere Bandstärken und für höhere Abkühlungserfordernisse können aber auch Kühldüsen oberhalb und unterhalb des Bandes angeordnet werden. Dabei ist dann die untere Kühldüse zweckmäßigerweise, im Bandquerschnitt betrachtet, konvex auszuführen.

Läuft das Band nicht horizontal so müssen die Achsen 13, 14 der Rollen 12, 15 senkrecht zum Band gerichtet sowie parallel zur unverformten Bandfläche sein.

Claims

1. Verfahren zur Schroffkühlung eines Metallbandes, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, im Durchlauf, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung seiner Deformation das Band (1) in Bandlaufrichtung hinter der Schroffkühlung (4) mit einer kreisbogenähnlichen Querschnittsform (2, 2a) zwangsgeführt wird.

2. Verfahren zur Schroffkühlung eines Metallbandes, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, im Durchlauf insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung seiner Deformation das Band (1) im warmen Bereich, also im Banddurchlauf vor der Schroffkühlung (4), eine Wöl bung mit der Bandmitte nach oben erfährt, wodurch die durch eine Zwangsführung im kalten Bereich im Bandlauf (3) hinter der Schroffkühlung (4) erreichte und gleichgerichtete Verwölbung des Bandes unterstützt wird.

3. Verfahren zur Schroffkühlung eines im Warmen schwebend geführten Metallbandes, vorzugsweise aus einer Leichmetalllegierung, im Durchlauf insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (17, 18) zur Schwebendführung des Bandes (1) im Warmen die hinter der Schroffkühlung (4) im Kalten erzwungene Bandverformung in kreis bogenähnlicher Form unterstützen.

4. Vorrichtung zur Schroffkühlung eines Metallbandes, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, im Durchlauf, dadurch gekennzeichnet, dass in Bandlaufrichtung (3) hinter der Schroffkühlung das Band (1) mittels mindestens einer auf einer Bandseite angeordneten bogenförmigen Rolle bzw. Welle (12, 15), welche um eine Achse (13, 14), die senkrecht zum Bandlauf (3) gerichtet und parallel zur unverformten Bandfläche ist, schwenkbar ist, in eine Form mit kreisbogenähnlichem Querschnitt gebracht wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren kreisbogenförmigen Rollen (12, 15) mit einem angetriebenen umlaufenden Mantel versehen sind, dessen Umfangsgeschwindigkeit der Bandlaufgeschwindigkeit entspricht.

6. Vorrichtung nach mindestens einer der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, dass bei horizontalem Bandlauf die Bogenform des Bandquerschnitts durch Verschwenken mindestens einer bogenförmigen Rolle (12, 15) um eine horizontale Achse (13, 14) veränderbar ist.

7. Vorrichtung zur Schroffkühlung eines Metallbandes, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, im Durchlauf insbesondere nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das im Warmen schwebend geführte Band (1) mit Hilfe der Vorrichtungen (17, 18) zum schwebend Führen im Warmen eine Verwölbung mit der Bandmitte nach oben und den Bandkanten nach unten erfährt, welche die Zwangsführung des Bandes (1) im Kalten hinter der Schroffkühlung (4) unterstützt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen zum schwebend Führen untere Schwebedüsen (17) aufweisen, die in der Mitte der Vorrichtung eine größere Breite haben als an den Rändern.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen zum schwebend Führen obere Schwebedüsen (18) aufweisen, die in der Mitte schmäler sind als an den beiden Rändern der Vorrichtung.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schroffkühlung mit einer Düse (8) unterhalb und/oder oberhalb des Bandes (1) erfolgt, welche einen Flachstrahl mit einem Kühlfluid, insbesondere bestehend aus Wasser und Luft, auf die Bandoberfläche richtet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schroffkühldüse nur auf einer Seite des Bandes (1) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Schroffkühldüsen (8) oberhalb und unterhalb des Bandes (1) angeordnet sind

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, dass die Schroffkühldüsen (8) der verwölbten Querschnittsform (2) des Bandes (1) angepasst sind

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwebedüsen (17, 18) am Ende des warmen Bereichs (5) der verwölbten Querschnittsform (2) des Bandes (1) angepasst sind