DE102009007863A1

DE102009007863A1 - Vorrichtung zur thermischen Bearbeitung eines geförderten quasi-endlosen Werkstücks

Info

Publication number: DE102009007863A1
Application number: DE200910007863
Authority: DE
Inventors: Kai O. Dr. Bär; Rolf Wirth
Original assignee: Advanced Photonics Technologies AG
Current assignee: Advanced Photonics Technologies AG
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-12
Also published as: WO2010089131A1; EP2394120A1

Abstract

Vorrichtung zur thermischen Bearbeitung eines geförderten quasi-endlosen Werkstücks, insbesondere Flächenkörpers, mit einer Fördereinrichtung zum Transport des Werkstücks in einer Förderrichtung, einem NIR-Strahlungsheizer zur Erwärmung einer Oberfläche des Werkstücks mittels Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot und deren Leistungsdichte auf der Oberfläche oberhalb von 100 kW/mliegt, einer dem NIR-Strahlungsheizer in Förderrichtung nachgeordneten Flüssigkeitskühleinrichtung zum Aufbringen einer Kühlflüssigkeit auf die Oberfläche und einer der Flüssigkeitskühleinrichtung nachgeordneten Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung zum Entfernen der Kühlflüssigkeit von der Oberfläche, wobei die Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung eine Gasstrahleinrichtung zur Beaufschlagung der gesamten mit Kühlflüssigkeit bedeckten Oberfläche des Werkstücks mit einem unter Druck stehenden Gas zum Abblasen der Kühlflüssigkeit von der Oberfläche aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Bearbeitung eines geförderten quasi-endlosen Werkstücks, in der ein Strahlungsheizer zur Erwärmung einer Oberfläche des Werkstücks eingesetzt wird und in der dem Strahlungsheizer eine Flüssigkeitskühleinrichtung sowie eine Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung nachgeordnet sind.
Derartige Vorrichtungen werden etwa im Bereich der Stahlindustrie in sogenannten Coilcoating-Anlagen eingesetzt, in denen Stahlbänder oder -drähte mit bestimmten Schutzschichten versehen werden.
Speziell bei hochproduktiven und daher besonders schnell laufenden Anlagen dieser Art steht die Aufgabe, das zumindest oberflächlich stark erwärmte Werkstück gemäß definierten Prozessforderungen – und in vielen Fällen sehr schnell – abzukühlen, was den Einsatz relativ großer Mengen Kühlflüssigkeit erfordert, die andererseits wegen der hohen Transportgeschwindigkeit sehr schnell wieder von der Oberfläche des Werkstücks entfernt werden muss. Zu diesem Zweck werden üblicherweise mehrere Paare sogenannter Quetschwalzen eingesetzt, die an die Oberfläche des durchlaufenden Metallbandes (oder ähnlichen Werkstücks) angedrückt werden und dabei den Flüssigkeitsfilm weitgehend verdrängen und hierdurch die Oberfläche trocknen.
Die Quetschwalzen sind mechanisch aufwändig, sie verschleißen je nach Beschaffenheit der Bandkanten schnell und müssen nachgeschliffen werden. Letzteres funktioniert nicht beliebig oft, ist kostenintensiv und erfordert die Bevorratung von geschliffenen Walzen. Für den Walzenwechsel ist in den meisten Fällen ein Anlagenstillstand erforderlich. Zudem ermöglichen die Quetschwalzen nicht das vollständige Entfernen des Kühlmediums in den Randbereichen problematisch ist das speziell bei dicken Bändern. Daher wird üblicherweise eine Abblasung der Reste des Kühlmediums an den Kanten mittels Luft realisiert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung der oben genannten Art anzugeben, bei der der Gestehungs- und Wartungsaufwand im Bereich der Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, als wesentliche Funktionseinheit der Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung eine Gasstrahleinrichtung zur Beaufschlagung der gesamten mit Kühlflüssigkeit bedeckten Breite des Werkstücks mit einem unter Druck stehenden Gas zum Abblasen der Kühlflüssigkeit von der Oberfläche vorzusehen. Hierdurch lässt sich der Einsatz von Quetschwalzen ganz vermeiden oder zumindest reduzieren, und die mit deren Einsatz verbundenen und oben erwähnten Probleme treten mindestens nur in geringerem Umfang auf.
In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Gasaustrittsöffnung der Gasstrahleinrichtung derart im spitzen Winkel zur Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet und der Gasdruck auf der Oberfläche derart vorbestimmt ist, dass der austretende Gasstrom einen Kühlflüssigkeitsfilm messerartig von der Oberfläche abschält. Diese Ausführung kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass die Gasstrahleinrichtung einen sich über die Breite des Flächenkörpers erstreckenden Schlitz aufweist. Alternativ hierzu oder auch in Kombination mit der vorgenannten Ausführung ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Gasstrahleinrichtung eine Vielzahl von einzelnen Öffnungen aufweist, die insbesondere über die Länge eines Gasstrahl-Balkens verteilt sind, welcher sich über die Breite des Flächenkörpers erstreckt. Speziell kann hierbei der Schlitz oder jede der Vielzahl von Öffnungen Düsengestalt aufweisen.
Je nach Medien-Verfügbarkeit am Aufstellort der Anlage kann die Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung so gestaltet sein, dass die Gasstrahleinrichtung mit einem Pressluftanschluss verbunden ist oder aber einen eingebauten Kompressor oder ein Gebläse aufweist. Es versteht sich, dass die erstgenannte Ausführung konstruktiv einfacher und kostengünstiger ist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass mindestens ein Teil der Gasaustrittsöffnungen der Gasstrahleinrichtung derart konfiguriert und zur Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet und der Gasdruck auf der Oberfläche derart vorbestimmt ist, dass der Gasstrom einen Kühlflüssigkeitsfilm auf der Oberfläche zerstäubt. Dies stellt in gewissem Sinne eine Alternative zur oben erwähnten „Luftmesser”-Ausführung dar. Diese Ausführung ist besonders zweckmäßig in Kombination mit einer weiteren Ausgestaltung der Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung, bei der diese eine Absaugeinrichtung zur Absaugung der von der Oberfläche des Werkstücks abgetragenen Kühlflüssigkeit, insbesondere von Kühlflüssigkeitströpfchen, aufweist.
Die Ausführung der Vorrichtung, bei der der Abtrag der Kühlflüssigkeit durch Zerstäuben, gegebenenfalls in Kombination mit einem Absaugen, erfolgt, kann auch mit der „Luftmesser”-Ausführung kombiniert sein. Speziell kann ein relativ dicker, zusammenhängender Flüssigkeitsfilm zunächst im Wesentlichen an einer quer zur Förderrichtung des Werkstücks verlaufenden Abtrennlinie durch einen messerartig wirkenden Luftstrahl vom Werkstück abgehoben werden, und Reste des Flüssigkeitsfilms oder wieder auf das Werkstück zurückgefallene Flüssigkeit kann stromabwärts durch eine Vielzahl punktartig auftreffender Luftstrahlen aus einzelnen Öffnungen einer entsprechend gestalteten (zweiten) Gasstrahleinrichtung zerstäubt werden.
Wie weiter oben bereits angemerkt, kann die neuartige Realisierung der Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung auch mit der bekannten Quetschwalzen-Technik kombiniert sein, wobei eine einzelne Quetschwalze bzw. ein Quaderwalzenpaar an Ober- und Unterseite des Bandes insbesondere stromaufwärts der Gasstrahleinrichtung positioniert ist. Auf diese Weise lassen sich besonders effizient sehr große Kühlwassermengen handhaben, ohne dass die problematischen hohen Anforderungen bezüglich der dauerhaften Formgenauigkeit der Quetschwalzen im bisher erforderlichen Maße eingehalten werden müssen. Die Quetschwalze wirkt ja in dieser Kombination nicht als einziges Mittel zum Trocknen des Werkstücks, sondern gewissermaßen als Vortrockner.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasstrahleinrichtung eine Gasstrahl-Steuereinrichtung zur Steuerung des Gasdrucks und/oder der Ausrichtung mindestens eines Teils der Gasaustrittsöffnungen relativ zur Werkstückoberfläche aufweist. Dies kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass die Gasstrahl-Steuereinrichtung eingangsseitig mit einer Sensorik zur Erfassung der Laufgeschwindigkeit und/oder der Kühlflüssigkeits-Schichtdicke auf der Oberfläche des Werkstücks oder des Kühlflüssigkeitsverbrauchs pro Zeiteinheit verbunden und zur Steuerung des Gasdrucks und/oder der Ausrichtung mindestens eines Teils der Gasaustrittsöffnungen relativ zur Oberfläche in Abhängigkeit von mindestes einer dieser Größen ausgebildet ist.
Aus derzeitiger Sicht besonders vorteilhaft ist der Einsatz der vorgeschlagenen Vorrichtung in Beschichtungsanlagen, in denen eine Trocknung der aufgebrachten Beschichtung mit NIR-Strahlung hoher Leistungsdichte vorgesehen und in denen im Anschluss an das Trocknen bzw. Vernetzen der Beschichtung eine hochwirksame Flüssigkeitskühlung erforderlich ist, etwa in den bereits erwähnten Coilcoating-Anlagen in der Stahlindustrie.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1A und 1B schematische Längsschnittdarstellungen verschiedener Ausführungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung zur Steuerung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Art eines Funktions-Blockschaltbildes und
3A und 3B schematische Darstellungen zur Illustration von Konstruktionsdetails von Gasstrahleinrichtungen in erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
1A zeigt schematisch wesentliche Teile einer Vorrichtung 1 zur thermischen Bearbeitung eines durch Transportrollen 3 als Fördereinrichtung geförderten quasi-endlosen Metallbandes 5. Die Anlage 1 umfasst einen NIR-Strahlungsheizer 7 mit einer Vielzahl von in einem Reflektor 9 angebrachten Halogen-Heizstrahlern 11, stromabwärts von diesem eine Flüssigkeitskühleinrichtung (Wasserkühlzone) 13 mit einer Mehrzahl von sich über die Breite des Werkstücks 5 erstreckenden Wasserdüsenbalken 15 zur Kühlwasserbeaufschlagung der Werkstückoberfläche und schließlich zwei Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtungen 17.1 und 17.2. Von diesen umfasst die Einrichtung 17.1 zwei Gasstrahleinrichtungen 17a und die zweite Einrichtung 17.2 vier Gasstrahleinrichtungen 17b zur Beaufschlagung beider Oberflächen des Metallbandes 5 mit Druckluft zum Trocknen der Oberflächen. Hierbei können die Gasstrahleinrichtungen 17a beispielsweise balkenartig ausgeführt und mit jeweils einer schlitzförmigen Öffnung bzw. Düse zum Austritt eines in seiner Höhe schmal begrenzten und die jeweilige Bandoberfläche schräg beaufschlagenden Luftstromes versehen sein, während die Gasstrahleinrichtungen 17b beispielsweise jeweils eine Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Luftaustrittsöffnungen aufweisen können, um noch auf der Bandoberfläche verbliebene Flüssigkeitsreste in Art eines Zerstäubens von dieser zu entfernen.
1B zeigt eine Abwandlung der in 1A dargestellten und oben kurz beschriebenen Vorrichtung, die deshalb mit 1' bezeichnet ist. Sie unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich durch das zusätzliche Vorsehen einer dritten Komponente 17.3 der Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung 17, in der ein Paar von Quetschwalzen 17c zusätzlich zur Entfernung der Kühlflüssigkeit von den Bandoberflächen eingesetzt wird.
2 zeigt als Prinzipskizze wesentliche Elemente einer Steuerung 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 nach 1A. Die Steuerung umfasst eine Fördergeschwindigkeits-Sensorik 21 zur Erfassung der aktuellen Fördergeschwindigkeit des Metallbandes 5 an den Transportrollen 3 sowie eine Schichtdicken-Sensorik 23 zur Bestimmung einer Schichtdicke der Kühlflüssigkeit auf der Bandoberfläche. Die Sensorik-Komponenten 21 und 23 liefern Ausgangssignale an entsprechende Signaleingänge einer Verarbeitungseinheit 25, in der die erfassten Messwerte, beispielsweise durch Vergleich mit vorgespeicherten Wertekonstellationen durch Auswertung vorgespeicherter Lookup-Tables, verarbeitet werden. Im Ergebnis der Verarbeitung gewinnt die Verarbeitungseinheit 25 Steuergrößen für die Ausrichtung der Gasaustrageinrichtungen 17a, 17b, die Positions-Stelleinrichtungen 27a bzw. 27b zugeführt werden, sowie zur Einstellung des jeweiligen Gasdrucks, die entsprechenden Gasdruck-Stellventilen 29a bzw. 29b zugeführt werden.
3A zeigt eine als Luftmesser-Balken 30 ausgeführte Gasstrahleinrichtung, die einen Flüssigkeitsfilm F von einer Oberfläche des Metallbandes 5 mittels eines messerartig wirkenden, sich über die gesamte Breite des Metallbandes 5 erstreckenden Druckluftstromes 31 „abschält”. Der Luftmesser-Balken 30 ist mit einem Pressluftanschluss 33 verbunden, und die über diesen zugeführte Pressluft wird auf die Länge einer Schlitzdüse 35 im Balken 30 verteilt, welche dem Luftstrom 31 die gewünschte Form verleiht. Lediglich schematisch dargestellt ist auch eine Schwenkhalterung 37, welche beispielsweise mit einer Steuerung der in 2 dargestellten Art (speziell dann mit einem der Stellelemente 27a oder 27b aus 2) verbunden sein, aber auch, ohne eine Regelungs-Komponente, elektrisch oder manuell betätigt werden kann.
3B zeigt eine andere Gasstrahleinrichtung, nämlich einen Düsenblock 30', welche im Zusammenwirken mit einer Absaughaube 40 zur Ablösung eines Flüssigkeitsfilmes F von der Oberfläche des Metallbandes 5 und zum Abführen der abgelösten Flüssigkeitströpfchen aus dem Raum oberhalb der Bandoberfläche eingesetzt wird. Der Düsenblock 30' hat eine Vielzahl matrixartig angeordneter Luftdüsen 31, die jeweils einen annähernd zylinder- oder kegelförmigen Luftstrahl auf die Bandoberfläche erzeugen und durch die punktuelle Luftdruck-Beaufschlagung im Zusammenwirken miteinander den Zusammenhalt des Flüssigkeitsfilmes auflösen und diesen gewissermaßen zerstäuben. Des Weiteren hat der Düsenblock 30' einen aufgesetzten Gebläsekörper 33, über den Umgebungsluft angesaugt und verdichtet wird, um sie schließlich über entsprechende Luftkanäle (nicht dargestellt) im Düsenblock den einzelnen Düsen zuzuführen. Diese Ausführung der Gasstrahleinrichtung ist mithin von einem vorhandenen Medienanschluss (Pressluft) unabhängig.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

Claims

Vorrichtung zur thermischen Bearbeitung eines geförderten quasi-endlosen Werkstücks, insbesondere Flächenkörpers, mit einer Fördereinrichtung zum Transport des Werkstücks in einer Förderrichtung, einem NIR-Strahlungsheizer zur Erwärmung einer Oberfläche des Werkstücks mittels Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot und deren Leistungsdichte auf der Oberfläche oberhalb von 100 kW/m² liegt, einer dem NIR-Strahlungsheizer in Förderrichtung nachgeordneten Flüssigkeitskühleinrichtung zum Aufbringen einer Kühlflüssigkeit auf die Oberfläche und einer der Flüssigkeitskühleinrichtung nachgeordneten Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung zum Entfernen der Kühlflüssigkeit von der Oberfläche, wobei die Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung eine Gasstrahleinrichtung zur Beaufschlagung der gesamten mit Kühlflüssigkeit bedeckten Oberfläche des Werkstücks mit einem unter Druck stehenden Gas zum Abblasen der Kühlflüssigkeit von der Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Gasaustrittsöffnung der Gasstrahleinrichtung derart im spitzen Winkel zur Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet und der Gasdruck auf der Oberfläche derart vorbestimmt ist, dass der austretende Gasstrom einen Kühlflüssigkeitsfilm messerartig von der Oberfläche abschält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gasstrahleinrichtung einen sich über die Breite des Flächenkörpers erstreckenden Schlitz aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gasstrahleinrichtung eine Vielzahl von einzelnen Öffnungen aufweist, die insbesondere über die Länge eines Gasstrahl-Balkens verteilt sind, welcher sich über die Breite des Flächenkörpers erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Schlitz oder jede der Vielzahl von Öffnungen Düsengestalt aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gasstrahleinrichtung mit einem Pressluftanschluss verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gasstrahleinrichtung einen eingebauten Kompressor oder ein Gebläse aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der Gasaustrittsöffnungen der Gasstrahleinrichtung derart konfiguriert und zur Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet und der Gasdruck auf der Oberfläche derart vorbestimmt ist, dass der Gasstrom einen Kühlflüssigkeitsfilm auf der Oberfläche zerstäubt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung eine Absaugeinrichtung zur Absaugung der von der Oberfläche des Werkstücks abgetragenen Kühlflüssigkeit, insbesondere von Kühlflüssigkeitströpfchen, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kühlflüssigkeits-Abtrageinrichtung zusätzlich eine Quetschwalze zum Abquetschen von auf der Oberfläche des Werkstücks befindlicher Kühlflüssigkeit aufweist, wobei die Quetschwalze insbesondere stromaufwärts der Gasstrahleinrichtung positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gasstrahleinrichtung eine Gasstrahl-Steuereinrichtung zur Steuerung des Gasdrucks und/oder der Ausrichtung mindestens eines Teils der Gasaustrittsöffnungen relativ zur Werkstückoberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Gasstrahl-Steuereinrichtung eingangsseitig mit einer Sensorik zur Erfassung der Laufgeschwindigkeit und/oder der Kühlflüssigkeits-Schichtdicke auf der Oberfläche des Werkstücks oder des Kühlflüssigkeitsverbrauchs pro Zeiteinheit verbunden und zur Steuerung des Gasdrucks und/oder der Ausrichtung mindestens eines Teils der Gasaustrittsöffnungen relativ zur Oberfläche in Abhängigkeit von mindestes einer dieser Größen ausgebildet ist.
Beschichtungsanlage, insbesondere Coilcoating-Anlage, mit einer Beschichtungseinrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf das Werkstück und einer der Beschichtungseinrichtung in Fördereinrichtung des Werkstücks nachgeordneten Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.