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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Metallplatte mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Stegen. Ferner betrifft die Erfindung eine solche Metallplatte.
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Metallplatten bzw. -bleche mit einer Vielzahl von parallel und mit Abstand zueinander angeordneten Stegen werden beispielsweise zum Ausbilden von Plattenwärmetauschern eingesetzt. Dabei dienen die Stege des Bleches gemeinsam mit dem die Stege verbindenden Boden zum Ausbilden von Rinnen. Die Gegenseite eines solchermaßen strukturierten Bleches ist im Wesentlichen glatt. Dieses dient dem Zweck, dass derartig übereinander angeordnete Platten sodann eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufende, oberseitig durch die Unterseite der angrenzenden Platten abgeschlossene Kanäle bilden. Die zur Ausbildung des jeweiligen Wärmetauschers übereinander gestapelten einzelnen Wärmetauscherplatten werden typischerweise durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden. Bei Hochleistungswärmetauschern, insbesondere solchen, bei denen das Wärmetauscherfluid mit hohem Druck durch die Kanäle strömt, werden bevorzugt Wärmetauscherplatten aus Stahl eingesetzt. Neben der größeren Stabilität der Stahlwärmetauscherplatten gegenüber Wärmetauscherplatten aus Aluminium ist zudem die sich durch die Materialstabilität ergebende kleinere Baugröße vorteilhaft.
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Die Kanäle derartiger Wärmetauscherplatten aus Stahl haben mitunter einen geraden Verlauf, folgen mithin der Längs- oder der Querseite einer solchen Wärmetauscherplatte. Die Strukturierung der Wärmetauscherplatten wird gemäß einem vorbekannten Verfahren durch Einbringen der die späteren Kanäle des Wärmetauschers bildenden Rinnen im Wege eines Ätzprozesses durchgeführt. Von Vorteil bei einer solchen Ausgestaltung ist, dass die Unterseite der Wärmetauscherplatte glatt verbleibt. Das Einbringen der Rinnen auf diese Weise erfolgt durch Aufbringen einer die Bereiche der Plattenoberfläche, die die späteren Rinnen ausbilden sollen, freilassenden Folie, durch die die Stege gegenüber dem chemischen Ätzprozess geschützt sind. Die Rinnen werden bei diesem Verfahren durch chemisches Abtragen von Material erstellt. Bekannt ist neben diesem Verfahren zum Herstellen von Stahlwärmetauscherplatten die Verwendung gepresster Stahlplatten, die eine wellenblechartige Struktur aufweisen. Im Unterschied zu den durch Ätzen hergestellten Wärmetauscherplatten besteht bei den gepressten Wärmetauscherplatten kein Unterschied zwischen der Oberseite und der Unterseite, da beide Oberflächen wechselweise eine Rinne aufweisen. Gegenüber Wärmetauscherplatten, die einen durchgängigen Boden aufweisen, weisen die gepressten Wärmetauscherplatten nicht nur eine geringere Stabilität auf, sondern die oberseitige Abdeckung der offenen Rinnen einer unten liegenden Wärmetauscherplatte werden durch die oben liegende Wärmetauscherplatte nicht immer vollständig verschlossen, weshalb zwischen derartige Platten mitunter eine unstrukturierte Zwischenplatte eingebracht wird. Eingesetzt werden derartige Wärmetauscherplatten maßgeblich bei solchen Wärmetauschern mit im Querschnitt größeren Fluidkanälen. Die durch Ätzen erstellten Wärmetauscherplatten werden typischerweise für Wärmetauscher eingesetzt, deren einzelne Kanäle nur eine geringere Querschnittsfläche aufweisen.
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Nachteilig sind bei den geätzten Wärmetauscherplatten nicht nur das relativ aufwändige Herstellverfahren und der eintretende Materialverlust, sondern auch, dass durch den chemischen Ätzprozess eine über die Länge der Rinne definierte und gleich bleibende Querschnittsgeometrie nicht immer hinreichend gewährleistet werden kann. Überdies lässt sich eine definierte Rinnenquerschnittsgeometrie gerade bei von ihrer Querschnittsfläche her kleineren Fluidkanälen bzw. Rinnen nicht oder nur mit nicht vertretbarem Aufwand im Wege des Durchführens eines mehrmaligen Ätzprozesses darstellen. Dieses ist bei gepressten Wärmetauscherplatten zwar möglich, jedoch haben diese nicht den Vorteil, dass eine Seite der Wärmetauscherplatte glatt ist.
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In der Patentschrift
US 2 193 231 wird ein Warmwalzverfahren zur Herstellung von metallischen Unterteilen von Boden- oder Wandplatten beschrieben. Dabei wird ein Bandblech zwischen zwei Rollen gewalzt, wobei das erwärmte Metall in umlaufende Nuten einer der Rolle hochgepresst wird. Die oberen Bereiche der Rippen werden durch Walzen zwischen zwei glatten Walzen verbreitert, so dass die Rillen ein schwalbenschwanzförmiges Profil erhalten.
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In
AT 31 882 B ist ein Verfahren zum Kaltwalzen von Bändern oder Blechen aus Aluminium oder dessen Legierungen offenbart. Dabei weist die Walze sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten in Form eines Schwalbenschwanzes auf, in die das Metall des Bandes beim Walzen eindringt, ohne diese völlig auszufüllen.
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Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Metallplatte bzw. -bleches mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Stegen, beispielsweise zur Verwendung als Wärmetauscherplatte vorzuschlagen, welche die Vorzüge einer durch Ätzen hergestellten Wärmetauscherplatte mit denjenigen einer durch Pressen hergestellten vereint.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren, bei dem die Metallplatte ein Abschnitt eines im Wege eines Kaltwalzprozesses strukturgewalzten Metallbandes ist, bei welchem Kaltwalzprozess das Metallband an einer Formwalze mit in Rotationsrichtung umlaufenden Nuten, deren Weite der Breite der im Zuge des Walzprozesses auszubildenden Stege entspricht, unter Verringerung seiner Ausgangsdicke umgeformt wird, wobei während des Umformwalzens das Metallband in Förderrichtung unter Zugspannung gestellt und der Walzprozess mehrstichig durchgeführt wird.
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Bei diesem Verfahren ist die Metallplatte, beispielsweise die Stahlplatte mit ihren parallel und mit Abstand zueinander angeordneten Stegen und den dazwischen befindlichen Rinnen ein Abschnitt eines kaltgewalzten Bandes. Die Strukturierung des Bandes, nämlich das Ausbilden der Stege bzw. das Einbringen der zwischen den Stegen befindlichen Rinnen erfolgt im Zuge des Kaltwalzprozesses. Verwendet wird hierzu eine in Rotationsrichtung umlaufende Nuten aufweisende Formwalze, die sich typischerweise an einer Widerlagerwalze des Walzgestells unter Zwischenschaltung des umzuformenden Metallbandes abstützt. Damit erfolgt das Ausbilden der Strukturen in dem Band durch den Walzprozess und wird als materialverlustfreie Massivumformung bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt. Der Vorgang des Walzens erfolgt unter dem Druck, dem das umzuformende Band zwischen der Formwalze und der Widerlagerwalze ausgesetzt ist, wobei der Umformprozess des Bandes durch Unter-Zugspannung-Stellen des Bandes beim Walzen in Förderrichtung unterstützt wird. Um die gewünschte Steghöhe bzw. Rinnentiefe zu erzeugen, wird der Kaltwalzprozess mehrstichig durchgeführt und zwar vorzugsweise unter Verwendung ein und derselben Formwalze. Ein Auswechseln der Formwalze und Ersetzten derselben durch weitere Formwalzen mit einer anderen Geometrie der Walzstege zum Ausbilden der Rinnen ist nicht erforderlich. Ein mehrstichiges Durchführen des Kaltwalzprozesses wird typischerweise durch ein- oder mehrfaches Reversieren der Walzrichtung vorgenommen. Damit ist gewährleistet, dass infolge der Bandführung die Formwalze mit ihren Walzstegen in ein und dieselben Rinnen eingreift und diese sich durch gleichzeitiges Erhöhen der Stege vertiefen. Im Zusammenspiel mit der anliegenden Zugspannung erfolgt bei diesem Vorgang des Walzens eine Dickenreduktion des ursprünglich eingesetzten Stahlbandes.
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Die Widerlagerwalze verfügt gemäß einer Ausgestaltung über eine glatte Mantelfläche, so dass die Gegenseite des Bandes weitgehend glatt und unstrukturiert ist. In Abhängigkeit von dem vorgenommenen Umformgrad kann sich auf der Gegenseite im Bereich der Rückseiten der Stege eine Einlaufrille ausbilden. Eine solche Einlaufrille bildet sich am Zusammenfluss des von den benachbarten Rinnen eines Steges in Richtung zu diesem Steg durch den Walzvorgang gepressten Materials des Metallbandes dar. Das beschriebene Verfahren lässt sich auch mit zwei, vorzugsweise gegeneinander arbeitenden Formwalzen durchführen. Bei Verwendung eines solchen Walzgerüstes sind beide Metallbandoberflächen durch eine Vielzahl in Längserstreckung des Bandes folgende Stege bzw. durch zwischen den Stegen befindliche Rinnen strukturiert. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Formwalzen identische Walzstege aufweisen, sondern das Band kann an seine beiden Oberseiten mit unterschiedlichen Steggeometrien und sich darauf ergebenden unterschiedlichen Rinnengeometrien strukturiert werden.
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Für den Fall, dass trotz mehrstichigem Kaltwalzens infolge einer eingetretenen Kaltverfestigung die gewünschte Strukturhöhe, also die Höhe der Stege bzw. die Tiefe der Rinnen, noch nicht ausreicht, kann das bereits mehrstichig gewalzte Stahlband einem Zwischenglühschritt und anschließend weiteren Walzschritten unterworfen werden.
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Die Querschnittsgeometrie der Stege bzw. der dazwischen befindlichen Rinnen des gewalzten Metallbandes wird durch die Geometrie der Walzstege der Formwalze definiert. Diese können je nach gewünschter Ausbildung der Querschnittsfläche der Stege bzw. der Rinnen unterschiedlich konzipiert sein. Von Bedeutung für die spätere Verwendung des auf diese Weise strukturierten Bandes, beispielsweise zum Erstellen von Platten für einen Wärmetauscher ist, dass die Querschnittsgeometrie der Rinnen sehr genau definiert ist und über die gesamte Länge des Stahlbandes einheitlich ist. Insbesondere lassen sich mit diesem Verfahren Rinnen mit geneigten oder gekrümmten Seitenwandungen ausbilden.
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Von Vorteil ist bei dem beschriebenen Verfahren ferner, dass durch die quasi Endloserstellung des Metallbandes strukturierte Bleche oder Platten, beispielsweise zur Verwendung als Wärmetauscherplatte in quasi beliebiger Länge von dem Metallband als jeweiliger Abschnitt abgelängt werden können.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen von Stahlplatten, insbesondere von rostfreien Stahlplatten mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Stegen auf einer oder beiden Seiten.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1: eine schematisierte Darstellung eines Walzgerüstes zum Strukturwalzen eines Stahlbandes,
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2: eine Ansicht auf das Walzgerüst der 1 mit dem gewalzten Stahlband im Querschnitt,
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3: Querschnittsdarstellungen des Stahlbandes in seinem Ausgangszustand (oben), nach Durchführen von zwei Walzvorgängen (Mitte) und nach Abschluss des mehrstichigen Kaltwalzprozesses (unten) und
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4: eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes des strukturgewalzten Stahlbandes, beispielsweise zur Verwendung als Wärmetauscherplatte und
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5a, 5b: beispielhaft Querschnitte durch zwei weitere, im Wege eines mehrstichigen Kaltwalzprozesses umgeformte Metallplatten.
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Ein im Übrigen nicht näher dargestelltes Walzgerüst 1 umfasst eine Formwalze 2 und eine Widerlagerwalze 3. Ein in nicht näher dargestellter Weise auf einem Coil (Haspel) aufgewickeltes Stahlband 4 wird in dem Walzgerüst 1 kaltgewalzt. Die Transportrichtung des Bandes 4 und die Rotationsrichtung der Walzen 2, 3 sind jeweils durch einen Pfeil angegeben. Die den Walzen 2, 3 zugeordneten Blockpfeile in der 1 symbolisieren den auf das Stahlband 4 wirkenden Walzdruck. Der in Förderrichtung des Stahlbandes 4 weisende Blockpfeil symbolisiert eine während des Walzprozesses an dem Stahlband 4 anliegende Zuglast. Das Stahlband 4 wird in Transportrichtung auf einem Coil aufgewickelt.
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Die Mantelfläche der Formwalze 2 ist strukturiert und verfügt über eine Vielzahl von in Rotationsrichtung der Formwalze 2 verlaufende Walzstegen 5, wie dieses aus der Ansicht der Formwalze 2 in 2 erkennbar ist. Zwischen den Walzstegen 5 befinden sich Walznuten 6. Die Formwalze 2 dient dem Zweck, in das Stahlband 4 der Längserstreckung des Stahlbandes 4 folgende Rinnen einzuwalzen, mithin das Stahlband 4 durch in Längserstreckung desselben folgende und voneinander beabstandete Stege zu strukturieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsfläche der Walzstege 5 lediglich bedingt durch die Werkzeuggeometrie der Walzstege 5 annähernd rechteckig. Folglich bilden sich beim Durchführen des Walzprozesses in dem Stahlband 4 Rinnen mit einer rechteckigen Querschnittsfläche und dementsprechend auch Stege mit einer rechteckigen Querschnittsfläche aus.
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Das Walzen des Stahlbandes 4 wird als Kaltwalzprozess, also bei Temperaturen unterhalb Rekristallisationstemperatur des umzuformenden Metallbandes, hier: Stahl, durchgeführt. Mit einem Kaltwalzprozess lassen sich Banddicken von weniger als 2 mm erreichen. Überdies können mit diesem Prozess Maßtoleranzen hinsichtlich der Dicke des zu erstellenden Stahlbandes und der daraus geschnittenen Stahlplatte sowie der Tiefe und der Weite der Rinnen eingehalten werden, die durch einen Warmwalzprozess nicht realisierbar sind. Der Kaltwalzprozess zum Einbringen der gewünschten Strukturierung in das Stahlband 4 wird dergestalt ausgeführt, dass während des Walzprozesses die ursprüngliche Dicke des Stahlbandes 4 insgesamt reduziert wird. Insofern sind der auf das Stahlband 4 wirkende Walzendruck und die auf das Stahlband 4 wirkende Zuglast entsprechend aufeinander abgestimmt. Das Anliegen der Zuglast unterstützt den Umformprozess beim Kaltwalzen, mithin das gewünschte Materialfließen zum Ausbilden der Rinnenstruktur. Die Zuglast wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch auf das Stahlband 4 gebracht, dass die Aufrollhaspel in Förderrichtung stärker angetrieben wird als die Abrollhaspel. Der Kaltwalzprozess wird mehrstichig durchgeführt, da mit einem einzigen Walzschritt die gewünschte Umformrate nicht erzielt werden kann. Ein mehrstichiges Walzen des Stahlbandes 4 erfolgt bei dem Walzgerüst 1 durch Reversieren der Antriebs-, Zug- und Transportrichtung.
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3 zeigt schematisiert Querschnitte des Stahlbandes 4, und zwar in seiner Ausgangsdicke (3 oben). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Ausgangsdicke d1 des Stahlbandes 1,6 mm. Nach Durchführen von zwei Walzschritten hat sich die Dicke des Stahlbandes 4 bereits reduziert. Die Ursprungsdicke d1 des Stahlbandes 4 ist in diesem Zwischenschritt bereits reduziert. Das Stahlband 4 in seiner Darstellung der 3, Mitte stellt ein Zwischenprodukt dar. Die ausgebildeten Stege 7 und die dazwischen befindlichen Rinnen 8 haben noch nicht die gewünschte Höhe bzw. Tiefe. Um die gewünschte Strukturierung, wie in 3, unten gezeigt, zu erhalten ist das Stahlband 4 weiteren Walzschritten unterworfen worden. Die Tiefe t der Rinnen 8 des kaltgewalzten Endproduktes beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 0,9 mm. Die Dicke d2 des Stahlbandes 4 im Bereich der Rinnen beträgt etwa 0,3 mm. Die Ursprungsdicke d1 des Stahlbandes 4 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich des Stege 7 auf eine Dicke d3 von 1,2 mm und somit um 25% reduziert worden. Im Bereich der Rinnen 8 sind von der Ursprungsdicke d1 lediglich etwa 20% erhalten geblieben.
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3 (unten) zeigt deutlich die rechteckige Querschnittsgeometrie der Stege 7 sowie der Rinnen 8. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Breite der Rinnen 8 größer ist als die Breite der Stege 7.
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Die einzelnen Walzschritte werden mit ein und derselben Formwalze, nämlich der Formwalze 2 durchgeführt. Die Höhe der Walzstege 5 ist größer als die Höhe der erstellten Stege 7. Sodann verbleibt zwischen zwei Walzstegen 5 der Formwalze in jedem Walzschritt ausreichend Luft, wie aus 2 erkennbar, damit das durch die Walzstege 5 verdrängte Material des Stahlbandes 4 zur Ausbildung der Stege 7 bzw. die zwischen den Walzstegen 5 befindlichen Walznuten 6 einfließen kann.
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Wenn gewünscht, kann in einem nachgeschalteten weiteren Walzschritt eine Dickenkalibrierung erfolgen. Zu diesem Zweck wird das strukturgewalzte Stahlband einem Kalibrierwalzprozess unterworfen, der mit zwei glatten Walzen durchgeführt wird.
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4 zeigt einen Abschnitt 9 des fertig kaltgewalzten Stahlbandes 4. Bei dem dargestellten Abschnitt 9 handelt es sich somit um ein strukturiertes Stahlblech mit den einer seiner Kanten folgenden Stegen 7 bzw. Nuten 8. Die beispielhaft in 4 gezeigte Stahlblechplatte 9 kann zum Aufbau eines Plattenwärmetauschers verwendet werden. Hierzu macht man sich die glatte, durch die Widerlagerwalze 3 unstrukturierte Bandunterseite zunutze, die sodann auf den flachen Oberseiten der Stege 7 einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Platte anliegt und beispielsweise im Zuge eines Diffusionsschweißprozesses mit dieser verbunden wird.
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In den 5a und 5b sind in einer Querschnittsdarstellung zwei weitere Beispiele gewalzter Metallplatten 10, 11 gezeigt, die unter Anwendung der Prinzipien des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt worden sind. Bei den weiteren Metallplatten 10, 11 handelt es sich um solche, die beidseitig in der beschriebenen Art und Weise strukturiert sind. Während bei der Metallplatte 10 der 5a die Stege 12 und dementsprechend die Rinnen 13 einander bezüglich der Mittellängsebene der Platte 10 gegenüberliegend sind, sind bei der Metallplatte 11 der 5b die Stege 14 und Rinnen 15 der einen Oberseite der Metallplatte 11 anders ausgestaltet als die Stege 16 und Rinnen 17 der anderen Seite. Die Rinnen 15, 17 und dementsprechend die Stege 14, 16 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Querschnittsgeometrie. Das Erstellen eines strukturierten Metallbandes, wie in 5b dargestellt, hat im Unterschied zu solchen, die im Wege eines Pressvorganges erstellt werden, den Vorteil, dass durch den Massivumformprozess das Metallband und die daraus gewonnene Metallplatte 11 über den Querschnitt gesehen eine definierte Dicke aufweisen.
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Die beispielhafte Darstellung von weiteren Ausgestaltungen in den 5a und 5b macht deutlich, dass eine weitere größere Vielfalt an unterschiedlich, auch beidseitig strukturierten Metallbändern auf die beschriebene Art und Weise hergestellt werden können. Dieses betrifft auch die Möglichkeit, auf beiden Seiten des Metallbandes hinsichtlich ihrer Geometrie und/oder ihrer Höhe und/oder ihrer Weite unterschiedliche Stege bzw. Rinnen auszubilden.
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Von besonderem Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist, dass im Zuge der beschriebenen Massivumformung dünne und dennoch durch die Strukturierung sehr formstabile Abschnitte bereitgestellt werden können. Von Vorteil ist ferner, dass die Strukturierung, zumindest in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Längserstreckung des Stahlbandes verläuft und quasi beliebig lange Abschnitte bereitgestellt werden können. Daher eignet sich das beschriebene Verfahren vor allem auch zum Herstellen langer dünner strukturierter Bleche für die unterschiedlichsten Anwendungen. Dabei kann die vorzugsweise glatte nicht strukturierte Rückseite des kaltgewalzten Stahlbandes als durchgängiger vollflächiger Befestigungsgrund dienen, beispielsweise um einen Abschnitt des Stahlbandes auf einen Untergrund ohne verbleibende Zwischenräume aufbringen, beispielsweise aufkleben zu können.
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Die Beschreibung der Erfindung macht deutlich, dass sich das beschriebene Verfahren nicht nur für Stahlbänder, sondern auch für andere Bänder eignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Walzgerüst
- 2
- Formwalze
- 3
- Widerlagerwalze
- 4
- Stahlband
- 5
- Walzsteg
- 6
- Walznut
- 7
- Steg
- 8
- Rinne
- 9
- Abschnitt, Wärmetauscherplatte
- 10
- Metallplatte
- 11
- Metallplatte
- 12
- Steg
- 13
- Rinne
- 14
- Steg
- 15
- Rinne
- 16
- Steg
- 17
- Rinne
- d1, d2, d3
- Dicke
- t
- Tiefe
