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Die
Erfindung betrifft eine Kontaktrollenvorrichtung, die für verschiedenartige
Anlagen zu der unter Verwendung von Elektrizität erfolgenden Behandlung von
länglichen
Erzeugnissen aus Metall, wie Draht, stabförmigen Profilen und Band, geeignet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Oberflächenbehandlungsanlage, darunter
auch eine Vakuum-Oberflächenbehandlungsanlage,
die insbesondere bei Reinigung bzw. Oberflächenveredelung von länglichen
Erzeugnissen aus Metall unter Einwirkung von elektrischem Strom
einsetzbar ist und die eine erfindungsgemäße Kontaktrollenvorrichtung
mit Kühlvorrichtung
enthält.
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Das
zu behandelnde längliche
Erzeugnis aus Metall wird unten auch ”Metallstrang” genannt. Bei
kontinuierlicher Bearbeitung von Metallstrang unter Einwirkung von
elektrischem Strom, wie es beispielsweise bei verschiedenen Vakuum-Lichtbogenverfahren
der Fall ist, stellt die Stromübertragung
von der Stromquelle zu dem zu behandelnden Erzeugnis besonders große Anforderungen.
Für die
Aufrechterhaltung des Lichtbogens z. B. werden häufig bei kleinen Spannungen
hohe Stromstärken
benötigt.
Zur Sicherung der Stromcharakteristiken muss der elektrische Kontakt
des Metallstrangs mit den Stromübertragungsbauteilen
möglichst
stabil sein.
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Bei
einem Einsatz von Schleifkontakten muss eine aufwendige mechanische
Verstellung zur Vermeidung von Schleifrillen realisiert werden.
Die Mehrheit der gegenwärtig üblichen
Schleifkontakte ist auf glatte Oberflächen mit vorgegebenem Einlaufverhalten
konzipiert und damit für
die Verwendung obiger Art, insbesondere im Vakuum, weitgehend ungeeignet.
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Bekannt
ist eine Stromübertragungsvorrichtung,
bei der der Draht innerhalb einer Behandlungskammer nach einem Plasma-Modul
zwischen zwei gekühlten
Kontaktrollen und anschließend
durch ein Paar an den Draht gepresster, gekühlter Rollen geführt wird,
siehe Patentschrift
RU
2 181 636 C2 ”Verfahren
und Vorrichtung zur Vakuumlichtbogenreinigung von Draht”, Anmeldetag
15.03.2000. Obwohl die Kontaktrollen häufig beispielsweise mit einem Kupfermantel
versehen sind, um bessere Leitfähigkeit
an der Kontaktstelle zu gewährleisten,
kann es bei derartiger Rollenpaar-Kontaktvorrichtung durch die hohe
Stromdichte zu Abbrand und Funkenbildung kommen. Dies ist insbesondere
der Fall, wenn das Kontaktrollenpaar aus glatter Ober- und Unterrolle besteht,
welche mechanisch an den Metallstrang gepresst werden, da der Stromübergang
unter diesen Umständen
lediglich an zwei Berührungspunkten
erfolgt. Zudem wird bei dem Einsatz von zwei gegenüberliegenden
Rollen durch den punktförmigen
Kontakt gegebenenfalls nur eine geringe Kühlwirkung am Metallstrang erreicht.
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Bei
einem Einsatz eines Dreirollensystems mit gerillten Rollen wird
eine bessere Kontaktierung mit einer linienförmigen Stromübertragung
gewährleistet, ähnlich wie
bei der bekannten Rollenkontaktanordnung für Hochspannungsschalter, siehe
deutsche Offenlegungsschrift
DE
2 213 508 A vom 11.01.1973. Nachteilig bei Anwendung dieses
Systems für
die Bearbeitung eines Metallstrangs ist jedoch, dass der Metallstrang
durch die Dreirollenanordnung eine Krümmung erhält, welche für nachfolgende
Baugruppen ungünstige
Verhältnisse
schafft. Das ist vor allem bei Vakuumbehandlung der Fall, die üblicherweise
ein Austritts-Schleusensystem voraussetzt. Wird an der Austritts-Schleuse
Kunststoff als Dichtungswerkstoff eingesetzt, kann es zu einseitigen
Abrieberscheinungen kommen.
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In
vielen Fällen
wird der Metallstrang im Laufe der Behandlung erwärmt. Wenn
er die Austritts-Schleuse durchgeht und mit elastischem Dichtungswerkstoff
in Berührung
kommt, kann es infolge seiner Krümmung
und der geringen Temperaturstabilität der Dichtung zur Steigerung
des Verschleißes
an der Schleuse kommen.
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Auch
wenn die Austritts-Schleuse in Form eines Ziehsteins gestaltet ist,
wirken sich Abweichungen von der zentralen Führung nachteilig aus, indem sie
den Verschleiß am
Ziehstein beschleunigen.
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Bei
manchen Behandlungsarten wird so viel Wärme frei gesetzt, dass es im
Falle einer unzureichenden Kühlung
zu einer unzulässigen
Temperatursteigerung im Metallstrang führen kann.
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Kritisch
kann bei manchen Anwendungen auch die Erwärmung der Rollenlager sein,
was insbesondere bei der Vakuumbehandlung der Fall ist, da die Wärme im Vakuum
nicht wie üblich über Konvektion
abgeführt
werden kann.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
40 38 174 A1 vom 04.06.1992 wird ein Verfahren zur Übertragung des
Katodenstromes auf in galvanischen Durchzugsanlagen zu behandelnde
Drähte
beschrieben. Dabei wird mit einer Kontaktrolle und zwei Gegenrollen
außerhalb
der galvanischen Bäder
der Katodenstrom auf die zu galvanisierenden Drähte übertragen. Der Patentanspruch
liegt darauf, dass die Kontaktrolle, deren Drehsinn der Durchzugsrichtung
entspricht, mit einer höheren
Umfangsgeschwindigkeit als die Durchzugsgeschwindigkeit der Drähte läuft. Dieser Schlupf
soll eine Selbstreinigung der Kontaktrolle von Korrosionserscheinungen
bewirken.
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Die
Stromübertragung
der Kontaktrolle erfolgt linienförmig
maximal über
eine Länge
von 26,2 mm. Da die Kontaktrolle eine höhere Umfangsgeschwindigkeit
als die Durchzugsgeschwindigkeit der Drähte hat, ist immer zwischen
Draht und Kontaktrolle ein Schlupf. Dieser kann zu Kontaktunsicherheiten,
Funkenfeuer und damit zu negativen Auswirkungen auf vorgeschaltete
Regelung der Stomversorgung führen.
Der Vorteil der beschriebenen Verhinderung der Korrosion kann durch
Abbrand und damit Kontaktunsicherheit der Kontaktrolle aufgehoben werden.
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Der
Metallstrang würde
außerdem
durch die Dreirollenanordnung eine Krümmung erhalten, deren Nachteile
bereits vorhergehend beschrieben sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, für eine unter Stromzufuhr erfolgende
Behandlung von Metallstrang eine Kontaktrollenvorrichtung anzubieten,
die unter erheblichen Anpresskräften
und definierten Umschlingungswinkeln funktioniert und damit hohe
Stromdichten kontaktsicher, funkenfrei, ohne bleibende Verformung
des zu reinigenden Materials und verschleißarm bei schnelleren Laufgeschwindigkeiten
und optimaler Führung
ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, wonach die Kontaktrollen
eine Rollenrichtanordnung aus mindestens 5 Richtrollen bilden, wobei
diese entsprechend dem Metallstrang-Querschnitt profiliert sind.
Weiterführende
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 13.
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Um
ein temperaturkonstantes Funktionieren der gelagerten Kontaktrollen
auch im Vakuum, sowie gegebenenfalls eine ausreichende Kühlwirkung
am Metallstrang zu ermöglichen,
ist die Kontaktrollenvorrichtung vorzugsweise mit einem Kühlsystem
ausgestattet. Das Kühlsystem
kann beispielsweise aus Wärmetauschern
bestehen, die an den Trägern
der Kontaktrollen angeflanscht, mit den Trägern einstückig gebildet sind oder direkt
an die Kontaktrollen und/oder Kontaktscheiben (falls vorhanden)
angebracht sind. Daneben kann die Kühlung durch das Leiten eines
Kühlmittels
durch hohle Kontaktrollen erfolgen. Eine weitere Möglichkeit
ist es, ein odere mehrere Wärmetauscher,
z. B. in Form eines Rippenkühlers,
direkt an den Kontaktrollen oder Kontaktscheiben anzubringen.
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Dank
der Kombination von Stromzuführung, Metallstrangführung und
Kühlung
an einer Stelle ist eine solche gekühlte Kontaktrollenvorrichtung
durch besondere Kompaktheit gekennzeichnet. Dies ist insbesondere
bei der Verwendung in einer Vakuumbehandlungsanlage von Vorteil,
weil dadurch eine Reduktion des Vakuumkammervolumens möglich ist, die
ihrerseits zur Kostensenkung und Energieeinsparung beiträgt.
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Um
den elektrischen Kontakt zwischen den Rollen und dem Metallstrang
weiter zu verbessern, sind Kontaktrollen mit einer Beschichtung
ausgestattet, die gute Kontakt- und
Werkstoffeigenschaften besitzt, d. h. zugleich hohe Leitfähigkeit,
minimalen Kontaktwiderstand, gute Verschleißbeständigkeit, ausreichende Festigkeit
usw. aufweist.
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Um
noch mehr zur Kompaktheit der Kontaktvorrichtung beizutragen, ist
die Stromübertragung auf
die Kontaktrollen über
direkten Schleifkontakt angeboten. Zu diesem Zweck sind Kontaktklotze
vorgesehen, die gegen eine oder mehrere Kontaktrollen angepresst
sind.
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Zweckmäßigerweise
ist der Kontaktklotz auf die Kontaktbeschichtung gepresst, was den
elektrischen Kontakt besonders begünstigt.
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Als
Alternative zum direkten Schleifkontakt der Kontaktrolle mit Kontaktklotz
sind spezielle Kontaktscheiben vorgesehen. Eine solche Kontaktscheibe
ist auf die Achswelle einer Kontaktrolle aufgesetzt bzw. an die
Letztere direkt angeflanscht, wobei eine elektrisch leitende Verbindung
zwischen beiden entsteht; daneben kontaktiert jede Kontaktscheibe
mit mindestens einem Kontaktklotz.
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Die
erfindungsgemäße Anlage
zu der unter Stromzufuhr erfolgenden Behandlung von Metallstrang
ist gekennzeichnet durch eine Kontaktrollenvorrichtung nach Anspruch
1 bis 6, die unmittelbar an die Behandlungs-Partie der Anlage angeordnet
ist.
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Durch
diese Anordnung wird den negativen Erscheinungen wie Abbrand und
Funkenbildung an der Kontaktstelle, Schlängelung des Metallstrangs u. ä. vorgebeugt.
Die verbesserten elektrischen Kontaktcharakteristiken und optimierte
Kühlung
bei der erfindungsgemäßen Anlage
sorgen für
glechmäßige, ununterbrochene
und vorgabengemäße Wirkung
der Elektrizität,
sowie für
sichere Führung
und ggf. für vorgegebene
Kühlung
des Metallstrangs. Hierdurch erreicht man erhöhte Zuverlässigkeit, geringere Stillstandzeiten,
erhöhte
Produktqualität
und gesteigerte Produktivität.
Die Nahstellung zur Behandlungs-Partie, beispielsweise zum Lichtbogen-Modul,
sorgt für Minimierung
des Spannungsabfalls im Metallstrang und folglich für Energieeinsparung.
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Diese
Vorteile sind bei der erfindungsgemäßen Vakuum-Behandlungsanlage
noch deutlicher, da noch die Funktionsbedingungen der Austritts-Schleuse
verbessert sind und eine kompaktere Anordnung angeboten ist.
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Im
Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Vorderansicht einer Ausführung der
erfindungsgemäßen Kontaktrollenvorrichtung
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2 eine
Schnittdarstellung im Schnitt A-A aus 1
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3 eine
Schnittdarstellung im Schnitt B-B aus 2
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4 eine
Vorderansicht einer anderen Ausführung
der erfindungsgemäßen Kontaktrollenvorrichtung
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5 eine
Schnittdarstellung im Schnitt C-C aus 4
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6 eine
Schnittdarstellung einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Kontaktrollenvorrichtung
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Zwar
beziehen sich alle Figuren auf Kontaktrollenvorrichtungen mit je
5 Rollen, versteht es sich, dass die Rollenanzahl entsprechend den
jeweiligen Anwendungsbedingungen gleich 7, 9, 11 oder mehr sein
kann. Die Merkmale der erfindungsgemäßen Kontaktrollenvorrichtung
werden hier am Beispiel der Behandlung von Rundstab bzw. Draht geschildert.
Es ist für
den Fachmann jedoch klar, dass die erfindungsgemäße Kontaktrollenvorrichtung
auch für nichtrunden
Metallstrang geeignet ist.
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In 1 ist
eine Kontaktrollenvorrichtung für Metallstrang
(1) dargestellt, deren Kontaktrollen (2) in der
oberen Gruppe (2a, 2b) vertikal anstellbar und die
Kontaktrollen (2) der unteren Gruppe (2c, 2d, 2e) nicht
anstellbar sind. Die Rollenanstellung erfolgt durch mechanische,
elektromechanische, hydraulische oder hydraulisch-mechanische Mittel,
die an sich bekannt und hier nicht gezeigt sind. Für Metallstrang
mit nichtrundem Stabprofil, Winkelprofil usw. kann die Rollenanstellung
nicht nur vertikal, sondern auch horizontal erfolgen.
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2 zeigt
eine Unteransicht auf die Ausführungsform
nach 1 im Schnitt A-A. Jede Kontaktrolle (2)
hat eine Achswelle (3), welche gegebenenfalls noch eine
Kontaktscheibe (4) trägt.
Diese steht mit der Kontaktrolle (2) über die leitende Achswelle (3)
in elektrisch leitenden Verbindung. Auf die Kontaktscheibe (4)
ist ein Kontaktklotz (5) gepresst, beispielsweise mit Hilfe
einer Feder (6). Der Kontaktklotz (5) ist über einen
Leiter an eine Stromquelle (beides nicht gezeigt) angeschlossen.
Die Achswellen (3) sind drehbar in mindestens einem Träger (7) angeordnet.
(Es ist für
den Fachmann klar, dass die Anzahl der Träger durch die konkrete Konstruktion bestimmt
ist. Bei manchen bekannten Mitteln zur vertikalen Anstellung kann
beispielsweise die obere (2a, 2b) und die untere
(2c, 2d, 2e) Rollengruppe je einen eigenen
Träger
haben.) Ein Wärmetauscher
(8) ist an den Träger
(7) angeflanscht.
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Es
ist ersichtlich, dass jede Kontaktrolle (2) eine Rille
(9) besitzt, deren Profil an Rundstab bzw. Draht angepasst
ist. Zweckmäßig sind
die Rillen (9) nicht rundbogen-, sondern V-förmig, was
zugleich für guten
Kontakt und für
Erweiterung des behandelbaren runden Sortiments ohne Kontaktrollenwechsel sorgt.
Dasselbe gilt für
alle abgebildeten Ausführungsbeispiele
aus 1 bis 6. Es ist jedoch klar, dass
der Fachmann für
konkrete Profilarten und Sortimente die jeweils am besten angepassten
Rillen-, Rollen- und Kaliberformen aussuchen wird. Bei flachem Metallstrang
sind die Rillen überflüssig und glatte
Kontaktrollen anwendbar.
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Aus
der schematischen Schnittdarstellung der 3 wird erkennbar,
auf welche Weise die erfindungsgemäße Rollenrichtanordnung mit
einer dem Metallstrang-Querschnitt
angepassten Profilierung der Lauffläche den elektrischen Kontakt
zwischen den Kontaktrollen (2) und dem Metallstrang (1)
begünstigt.
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Da
jede Kontaktrolle über
einen durch den Kontaktwinkel (a) bestimmten, sich über den
entsprechenden Kontaktbogen erstreckenden Teil ihrer Lauffläche vom
Metallstrang umschlungen wird, erfolgt die Stromübertragung zwischen Kontaktrollen
und Metallstrang im schlimmsten Fall linienförmig über alle Rollen; bei einer
besonders günstigen
Wahl der Profilierung entstehen auf allen Laufflächen sogar dreidimensionale
Kontaktflächen.
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Desweiteren
wird eine sichere Kontaktierung des Metallstrangs durch die einstellbaren
hohen Anpresskräfte
der Rollen, resultierend aus dem Richtprozess, realisiert.
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Neben
dem verbesserten Kontakt sorgt die erfindungsgemäße Rollenrichtanordnung der
Kontaktrollen für
beschleunigte Wärmeabfuhr
vom Metallstrang, was bei der Ausführung der 1 bis 3 durch
den angeflanschten Wärmetauscher
(8) erfolgt. Zwar ist auf 1 bis 3,
sowie 4 bis 6, ein Kühlsystem aus je einem angeflanschten bzw.
integrierten Wärmetauscher
gezeigt, ist es für den
Fachmann klar, dass die Wärmeabnahme
auch durch Durchlaufkühlung
der Kontaktrollen oder durch eine Kombination dieser mit seitwärtigen Wärmetauschern
möglich
ist.
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Die
Wärmeentwicklung
aus der Rollenlagerung, dem Übergangswiderstand
aus Rollen und Metallstrang sowie dem Wärmeeintrag aus dem Behandlungsprozess
wird damit geregelt abgeführt, was
zur Temperaturstabilität
beiträgt.
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Bei
der Ausführung
der erfindungsgemäßen Kontaktrollenvorrichtung
nach 4 und 5 geht es um Stromübertragung
mittels einer Richtrollengruppe mit integriertem Wärmetauscher 8 über direkt an
die Kontaktrollen angeflanschte Kontaktscheiben 4.
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6 zeigt
einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform mit einem im Träger (7)
integriertem Wärmetauscher
(8). Die Kontaktrollen (2) haben eine Kontaktbeschichtung
(10), die den elektrischen Kontakt der Rolle (2)
mit dem Metallstrang (1) einerseits und dem unmittelbar
auf die Kontaktrolle (2) gepressten Kontaktklotz andererseits
begünstigt.
Daneben kann die Beschichtung derart konzipiert werden, dass sie
zugleich zur Verschleißminderung
und Erhöhung
der Wärmeübertragung
sorgt. Diese Ausführung
zeichnet sich durch besondere Kompaktheit aus.
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Die
erfindungsgemäße Kontaktrollenvorrichtung
lässt sich
vorteilhaft in eine Anlage zur unter Stromzufuhr erfolgenden Behandlung
einbauen. Um einen Spannungsabfall im Metallstrang zu vermeiden,
müssen
die Kontaktrollen auf jeden Fall möglichst nah an die Behandlungs-Partie
der Anlage angeordnet sein.
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Die
Anlage mit der erfindungsgemäßen Kontaktrollenvorrichtung
weist zusätzliche
Vorteile auf, falls die unter Stromzufuhr erfolgende Behandlung
im Vakuum durchgeführt
wird. Die erfindungsgemäße Kontaktrollenvorrichtung
ist dabei in die Vakuum-Kammer der Anlage eingebaut. Bei einer Plasma-Reinigungsanlage
beispielsweise ist die Kontaktrollenvorrichtung unmittelbar nach
dem Plasma-Modul angeordnet und dementsprechend befindet sich vor
der Austritts-Schleuse der Vakuum-Kammer. Durch den Richtprozess
und den Kontakt mit dem gekühlten
Rollensystem wird für
die nachgeschaltete Schleuse eine Bedingung für einen verschleißarmen und
sicheren Betrieb realisiert, was zur Steigerung der Produktivität und Kürzung der
Stillstandzeiten führt.
Außerdem
sorgt die geregelte Kühlung
des Metallstrangs für
Qualitätssteigerung.
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- 1
- Metallstrang
- 2
- Kontaktrollen
- 2a,
2b
- Kontaktrollen
der oberen Gruppe
- 2c,
2d, 2e
- Kontaktrollen
der unteren Gruppe
- 3
- Achswelle
- 4
- Kontaktscheibe
- 4c,
4e
- Kontakscheiben
der unteren Kontaktrollengruppe
- 5
- Kontaktklotz
- 6
- Feder
- 7
- Träger
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Rille
- 10
- Kontaktbeschichtung