DE102018100842B3

DE102018100842B3 - Durchlaufofen für Aluminiumbänder

Info

Publication number: DE102018100842B3
Application number: DE102018100842.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Ebner; Ulrich Pschebezin; Alexander Pocherdorfer; Günther Fröhlich; Manoj Kumar
Original assignee: Ebner Industrieofenbau GmbH
Current assignee: Ebner Industrieofenbau GmbH
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: AT524874A5; CN111699356B; JP6817345B2; WO2019141682A1; CN111699356A; US11578921B2; US20210010754A1; AT524874B1; JP2019143239A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchlaufofenanlage (100) zum Wärmebehandeln eines Metallbauteils (110), insbesondere eines Aluminiumbandes. Die Durchlaufofenanlage (100) weist eine erste Erwärmungseinheit (101), in welcher das Metallbauteil (110) zum Lösungsglühen auf eine erste Temperatur im Bereich von 350 °C bis 700 °C erwärmbar ist, eine Abkühleinheit (102), in welcher das Metallbauteil (110) von 300 °C bis 750 °C auf 70 °C bis 250 °C abkühlbar ist, und eine zweite Erwärmungseinheit (103), in welcher das Metallbauteil (110) auf 150 °C bis 290 °C erwärmbar ist, auf. Die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) beiden eine gemeinsame Trägerstruktur (106) auf, an welcher die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) miteinander befestigt sind. Ferner weist die Durchlaufofenanlage (100) eine gemeinsame Förderbahn (107) auf, welche sich durch die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) erstreckt, wobei die Förderbahn (107) derart ausgebildet ist, dass das Metallbauteil (110) entlang der Förderbahn (107) in Förderrichtung (109) durch die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) zur Wärmebehandlung durchführbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchlaufofenanlage zum Wärmebehandeln eines Metallbauteils, insbesondere eines Aluminiumbandes, sowie ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Metallbauteils mit der Durchlaufofenanlage.
Hintergrund der Erfindung
In vielen Industriebereichen, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, ist es ein Anliegen, leichtere Bauteile einzusetzen ohne auf eine ausreichende Stabilität verzichten zu müssen. Aus diesem Grund werden leichtere Materialien wie Aluminium- oder Magnesiumlegierungen eingesetzt, da diese eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit besitzen.
Um diese vorteilhaften leichten Materialien einzusetzen, sind geeignete Wärmebehandlungsprozesse durchzuführen, um die gewünschten Gefügeeigenschaften des herzustellenden Bauteils einzustellen. Die Durchführung der Wärmebehandlungsprozesse ist zeitintensiv, was die Effizienz entsprechender Wärmebehandlungsanlage einschränkt.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein eine effiziente Wärmebehandlungsanlage bereitzustellen, in welcher effizient Metallbauteile, insbesondere Aluminiumbänder, wärmebehandelt werden können.
Diese Aufgabe wird mit einer Durchlaufofenanlage zum wärmebehandelt eines Metallbauteil sowie mit einem Verfahren zum wärmebehandelt eines Metallbauteil mit der Durchlaufofenanlage gemäß den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Durchlaufofenanlage zum Wärmebehandeln eines Metallbauteils insbesondere eines Aluminiumbandes, beschrieben. Die Durchlaufofenanlage weist eine erste Erwärmungseinheit, in welcher das Metallbauteil zum Lösungsglühen auf eine erste Temperatur im Bereich von 350 °C bis 700 °C erwärmbar ist, eine Abkühleinheit, in welcher das Metallbauteil von 300°C bzw. 350 °C bis 700 °C oder 750 °C auf 70 °C bis 250 °C (insbesondere 50 °C bis 150 °C) abkühlbar ist, und eine zweite Erwärmungseinheit, in welcher das Metallbauteil auf 150 °C bis 270 °C oder bis 290 °C erwärmbar ist, auf. Die erste Erwärmungseinheit, die Abkühleinheit und die zweite Erwärmungseinheit weisen eine gemeinsame Trägerstruktur auf, an welcher die erste Erwärmungseinheit, die Abkühleinheit und die zweite Erwärmungseinheit miteinander befestigt sind. Ferner weist die Durchlaufofenanlage eine gemeinsame Förderbahn auf, welche sich durch die erste Erwärmungseinheit, die Abkühleinheit und die zweite Erwärmungseinheit erstreckt, wobei die Förderbahn derart ausgebildet ist, dass das Metallbauteil entlang der Förderbahn in Förderrichtung durch die erste Erwärmungseinheit, die Abkühleinheit und die zweite Erwärmungseinheit zur Wärmebehandlung durchführbar ist. Die zweite Erwärmungseinheit weist entlang der Förderrichtung eine Länge von 5 m bis 25 m auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Metallbauteils, insbesondere eines Aluminiumbandes, mittels der oben beschriebenen Durchlaufofenanlage beschrieben. Gemäß dem Verfahren wird das Metallbauteil zum Lösungsglühen auf eine erste Temperatur im Bereich von 300 °C oder 350 °C bis 700 °C oder 750 °C in der ersten Erwärmungseinheit erwärmt. Anschließend wird das Metallbauteil von 300°C oder 350 °C bis 700 °C oder 750 °C auf 70 °C bis 250 °C (insbesondere 50 °C bis 150 °C) in der Abkühleinheit abgekühlt. Anschließend wird das Metallbauteil auf 150 °C bis 270 °C oder 290 °C in der zweiten Erwärmungseinheit erwärmt. Das Metallbauteil wird entlang der Förderbahn in Förderrichtung durch die erste Erwärmungseinheit, die Abkühleinheit und die zweite Erwärmungseinheit zur Wärmebehandlung durchgeführt. Die zweite Erwärmungseinheit weist entlang der Förderrichtung eine Länge von 5 m bis 25 m auf.
Die Durchlaufofenanlage ist insbesondere eine kontinuierliche Wärmebehandlungsanlage, bei welcher das Metallbauteil entlang einer Förderrichtung kontinuierlich oder sequenziell durch die Wärmebehandlungsstufen geführt wird. Dabei kann das Metallbauteil Kontakt behaftet zum Beispiel entlang von Rollen befördert werden oder kontaktfrei in einem schwebenden Zustand befördert werden.
Die Durchlaufofenanlage ist insbesondere dazu geeignet, ein Metallbauteil Wärme zu behandeln. Das Metallbauteil ist insbesondere ein Aluminiumbauteil. Insbesondere ist die Durchlaufofenanlage ausgelegt, ein Aluminiumband kontinuierlich durch die Durchlaufofenanlage zu befördern und zu temperieren. Das Aluminiumband ist insbesondere ein kaltgewalztes Aluminiumband welches aus verschiedenen Aluminiumlegierungen der Serien 1xxx, 2xxx, 3xxx, 4xxx und 5xxx, 6xxx, 7xxx und 8xxx besteht. Das Metallbauteil bzw. das Aluminiumband weist eine Dicke zwischen 0,8-4 mm auf.
Das kaltgewalzte Aluminiumband wird zuerst in der ersten Erwärmungseinheit geglüht oder lösungsgeglüht, um die erforderlichen metallurgischen Bedingungen zu erreichen. Das Aluminiumband wird in einer Spule von einer Kaltwalzanlage zur ersten Erwärmungseinheit, zum Beispiel einem kontinuierlichen Glüh- und Lösungswärmebehandlungsofen überführt.
Die Erwärmung des Aluminiumbandes in der ersten Erwärmungseinheit erfolgt beispielsweise durch Aufblasen von Heißluft durch mehrere Düsenkästen auf das Aluminiumband in vertikaler Richtung von oben und unten. Die Heißluft wird beispielsweise durch Radialventilatoren geblasen, die für eine erzwungene Konvektionswärmeübertragung sorgen, sodass eine schnelle homogene Erwärmung des Aluminiumbandes ermöglicht wird. Die Geschwindigkeit der Ventilatoren regelt die Wärmeübertragung beispielsweise durch Anpassung der Drehzahl von frequenzgesteuerten Umluftventilatoren.
Die Glühwärmebehandlung des Metallbauteils, insbesondere des Aluminiumbandes, führt zu einer Rückgewinnung und Rekristallisation des kaltgewalzten Zustandes mit resultierender feinkörniger Gefügestruktur im Metallbauteil. Bei der Lösungswärmebehandlung werden zusätzlich zur Glühung auch die Hauptstabilitätsphase gelöst wird und das Metallbauteil mit gelösten Stoffen angereichert wird. Die obigen Bedingungen sind erwünscht, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften in dem Metallbauteil am Ende der Wärmebehandlungslinie zu erreichen. Die Temperatur zum Tempern und Lösungsglühen liegt üblicherweise im Bereich von 350 °C bis 570 °C.
Die Abkühleinheit wird unmittelbar nach der ersten Erwärmungseinheit angeordnet, sodass das Metallbauteil von der entsprechenden Austrittstemperatur aus der ersten Erwärmungseinheit im Bereich von 350 °C bis 700 °C auf 70 °C bis 250 °C (insbesondere 50 °C bis 150 °C) abkühlbar ist. In der Abkühleinheit können ebenso Düsensysteme angeordnet werden, durch die ein Kühlfluid, wie beispielsweise Luft oder Wasser bzw. ein Luft/Wassergemisch, auf das Metallbauteil strömen kann. In der Abkühleinheit sind Kühlluftgebläse vorgesehen, welche eine definierte Luftströmungsrate bereitstellen, um das Band nach der ersten Erwärmungseinheit trocknen. Mittels der Abkühlung des Metallbauteils in der Abkühleinheit wird der Lösungsglühbehandlungszustand des Metallbandes eingefroren. Während der Abkühlung muss auf die thermische Abschreckspannung in dem Metallbauteil geachtet werden, da bei einer zu hohen Abschreckspannung eine Verzerrung des Metallbandes verursacht wird.
Die Abkühleinheit weist aus diesem Grund beispielsweise Luftdüsen oder Luft/Wasserdüsen auf, um eine moderate und exakt einstellbare Abkühlung des Metallbandes durchzuführen.
Ferner weist die Abkühleinheit beispielsweise Gebläse auf, um die feuchte Luft aus der Abkühlzone abzusaugen. Die Kühlluft für die Abkühleinheit wird exakt vor temperiert, um unabhängig von der Umgebungstemperatur zu sein. Luft, Wasserdurchfluss und Wasserdruck für die Bereitstellung der Kühldüsen werden automatisch eingestellt, indem ein für die zu bearbeitende Metallband ein geeignetes Kühlprogramm ausgewählt wird.
Beim intelligenten Abschrecken des wärmebehandelbaren Metallbauteil bzw. Aluminiumbandes Mittels der Abkühleinheit beispielsweise unter 80 ° C besteht der gefrorene Zustand aus einer supergesättigten Lösung gelöster Elemente (zum Beispiel Mg, Si und Cu) und abgeschreckten Leerstellen.
Die Festigkeit des Metallbauteils, insbesondere des Aluminiumbandes wird gemäß der vorliegenden Erfindung weiter erhöht, indem nach der Abkühleinheit ein erneutes Erwärmen in der zweiten Erwärmungseinheit vorgesehen wird. Dabei wird das Metallbauteil nach dem Abkühlen in der ersten Abkühleinheit einer Wärmebehandlung zwischen 70 °C und 270 °C, insbesondere zwischen 150 °C und 270 °C, ausgesetzt. Aufgrund einer kurzen Dauer der Wärmebehandlung in der zweiten Erwärmungseinheit von beispielsweise 15 Sekunden bis 30 Sekunden sieht das Temperatur-Zeit-Profil wie eine Spitze aus. Deshalb wird es als „Spiking“-Wärmebehandlung bezeichnet. Das Spiken beinhaltet das Erwärmen des Bandes auf eine gewünschte Temperatur mit und ohne Haltezeit.
Das Anwenden von Spiking in der zweiten Erwärmungseinheit nach dem Abkühlen in der Abkühleinheit (sog. Quenchen) erzeugt eine günstigere Verteilung von Legierungsbestandteilen beispielsweise stabile Si / Mg-Clustern. Diese stabilen Cluster werden zu Kernen für die Bildung von einer Haupthärtungsphase (β") während des Einbrennens beispielsweise von Farbe in einem weiteren Erwärmungsschritt, was zu einer weiteren Erhöhung der Festigkeit führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die funktionalen Einheiten, wie beispielsweise die erste Erwärmungseinheit, die Abkühleinheit und die zweite Erwärmungseinheit ein einer gemeinsamen Trägerstruktur befestigt. Die Trägerstruktur besteht beispielsweise aus Trägerbalken und weist beispielsweise ein schützendes Rahmentragwerk auf. Somit wird erstmalig eine integrale und kompakte Durchlaufofenanlage insbesondere für Spiking-Anwendungen für Aluminiumbänder bereitgestellt. Die einzelnen optionalen Einheiten weisen somit keine autarken und unabhängigen Stützstrukturen auf sondern sind gemeinsam und integral an der gemeinsamen Trägerstruktur befestigt. Beispielsweise können zudem die Funktionaleinheiten, wie beispielsweise die erste Erwärmungseinheit, die Abkühleinheit und die zweite Erwärmungseinheit, in einem gemeinsamen Ofengehäuse integriert werden.
Entsprechend ist es auch möglich, eine gemeinsame Förderbahn bereitzustellen, welche von dem Eingang in die Durchlaufofenanlage bis zu einem Ende der Durchlaufofenanlage durchgängig ausgebildet wird. Mit anderen Worten sind keine Übergänge bzw. Unterbrechungen der Förderbahn im Inneren der Durchlaufofenanlage vorgesehen. Somit wird eine effiziente Durchlaufofenanlage bereitgestellt, in welcher effizient Metallbauteile, insbesondere Aluminiumbänder, wärmebehandelt werden können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Förderbahn zumindest in einem Abschnitt Rollen auf, entlang welcher das Metallbauteil in Förderrichtung bewegbar ist. Somit kann das Metallbauteil Kontakt behaftet durch die Durchlaufofenanlage gefördert werden. Die Rollen können beispielsweise teilweise angetrieben sein, sodass die Rollen das Metallbauteil entlang der Förderrichtung antreiben können.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Förderbahn zumindest in einem Abschnitt Schwebedüsen auf, wobei die Schwebedüsen eingerichtet sind, ein Fluid, insbesondere Luft, gegen eine Unterseite des Metallbauteils zu strömen, damit das Metallbauteil schwebend in Förderrichtung durch den Abschnitt förderbar ist. Somit wird die Durchlaufofenanlage als (kontinuierlicher Schwebeofen) bezeichnet.
Die Durchlaufofenanlage kann an ihrem Eingang eine Umlenkrolle aufweisen, welche das Aluminiumband als Metallbauteil gerade, d. h. parallel zur Förderrichtung, in den Ofen führt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Metallbauteil durch die Durchlaufofenanlage komplett kontaktfrei geführt und entsprechend wärmebehandelt.
Neben dem Schwebedüsenfeld, welche insbesondere eine Unterseite des Metallbauteils an strömen und unterhalb des Metallbauteils zu entsprechend ein Schwebefeld erzeugen, können auch oberhalb des Metallbauteils Düsen angeordnet werden, welche ein entsprechendes Temperierfluid, wie beispielsweise temperierte Luft, Wasser oder ein Luft/Wassergemisch, auf eine Oberseite des Metallbauteils zu strömen. Mit dem entsprechend Aufschlagen Temperierfluid kann ein Druck auf die Oberseite des Metallbauteils bewirkt werden sodass ein sinusförmiges oder kreuzbogenförmiges Schwebekissen erzeugt wird. Dies führt zu einem sinusförmigen Wellenmuster das Metallbauteil und stabilisiert den Durchlauf des Metallbauteils durch die Durchlaufofenanlage.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die erste Erwärmungseinheit entlang der Förderrichtung eine Länge von 40 m bis 90 m, insbesondere 50 m bis 65 m, auf. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Fördergeschwindigkeit von 60 m/min und 90 m/min bei der oben beschriebenen Länge der ersten Erwärmungseinheit das Metallbauteil in einem bevorzugten gelösten bzw. lösungsgeglühten Gefügezustand vorliegt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Abkühleinheit entlang der Förderrichtung eine Länge von 5 m bis 35 m, insbesondere 12 m bis 18 m, auf. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Fördergeschwindigkeit von 60 m/min und 90 m/min bei der oben beschriebenen Länge der Abkühleinheit das Metallbauteil in einem bevorzugten Lösungsglühbehandlungszustand eingefroren werden kann, ohne eine kritische thermische Abschreckspannung in dem Metallbauteil zu erreichen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die zweite Erwärmungseinheit entlang der Förderrichtung insbesondere eine Länge von 10 m bis 18 m, weiter insbesondere 12 m bis 15 m, auf. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Fördergeschwindigkeit von 60 m/min und 90 m/min bei der oben beschriebenen Länge der zweiten Erwärmungseinheit eine günstigere Verteilung von Legierungsbestandteilen, beispielsweise stabile Si / Mg-Clustern, erzeugt werden können.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist, wie bereits erläutert, die erste Erwärmungseinheit konfiguriert, das Metallbauteil mittels Brenngas, mittels einer Kontaktheizung, mittels einer Induktionsheizung, mittels einer Konvektionsheizung, mittels einer Wirbelstromheizung, mittels einem elektrisches Heizregister, mittels einer Infrarotheizung oder mittels einer Wärmestrahlungsheizung zu erwärmen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist, wie bereits erläutert, die zweite Erwärmungseinheit konfiguriert, das Metallbauteil mittels Brenngas, mittels einer Kontaktheizung, mittels einer Induktionsheizung, mittels einer Konvektionsheizung, mittels einer Wirbelstromheizung, mittels einem elektrisches Heizregister, mittels einer Infrarotheizung oder mittels einer Wärmestrahlungsheizung zu erwärmen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Abkühleinheit, wie bereits erläutert, Düsen für ein Kühlmedium, insbesondere Luft, Wasser oder einem Luft/Wassergemisch, zum Abkühlen des Metallbauteils auf.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Durchlaufofenanlage ferner eine Halteeinheit zum Halten einer Temperatur von 70 °C bis 150 °C des Metallbauteils auf. Die Halteeinheit ist zwischen der Abkühleinheit und der zweiten Erwärmungseinheit angeordnet, wobei die Halteeinheit an die Trägerstruktur gekoppelt ist und wobei sich die Förderbahn durch die Halteeinheit erstreckt.
Zwischen der Abkühleinheit und der erneuten Erwärmung in der zweiten Erwärmungseinheit kann das Metallbauteil durch die Halteeinheit befördert werden und auf einer oben beschriebenen Temperatur konstant gehalten werden. Während dieser Zeit, beispielsweise 15 Sekunden bis 3 Minuten, beginnen sich die gelösten Stoffe und Leerstellen in dem Metallbauteil zu gruppieren und sich zu Kernen zu entwickeln. Es gibt zwei Arten von Kernen. Eine Art von Kernen löst sich auf und der zweite Typ wächst während der nächsten Wärmebehandlungen in der zweiten Erwärmungseinheit. Während des Wiedererhitzens kann somit eine beträchtliche Menge an stabilen Kernen wachsen und daher für eine hohe Festigkeit des Metallbauteils sorgen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Halteeinheit entlang der Förderrichtung eine Länge von 10 m bis 18 m, insbesondere 12 m bis 15 m, auf. Somit kann eine entsprechend oben beschriebene Verweildauer des Metallbauteils mit einer konstanten Temperatur erreicht werden um die entsprechenden Kerne in dem Material des Metallbauteils zu bilden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Durchlaufofenanlage eine weitere Abkühleinheit auf, in welcher das Metallbauteil von 150 °C bis 270 °C auf 70 °C bis 150 °C abkühlbar ist. Die weitere Abkühleinheit ist in Förderrichtung nach der zweiten Erwärmungseinheit angeordnet, wobei die weitere Abkühleinheit an die Trägerstruktur gekoppelt ist und wobei sich die Förderbahn durch die weitere Abkühleinheit erstreckt. Nach der weiteren Abkühleinheit kann das Metallbauteil weiterverarbeitet werden oder gegebenenfalls weiteren Wärmebehandlungsschritten zugeführt werden. Beispielsweise kann in einem weiteren Wärmebehandlungsschritt Farbe bzw. eine weitere Legierung in das Metallbauteil eingebrannt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die weitere Abkühleinheit entlang der Förderrichtung eine Länge von 18 m bis 22 m, insbesondere 20 m, auf.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Förderbahn derart konfiguriert, dass eine Fördergeschwindigkeit der Förderbahn zwischen 60 m/min und 90 m/min, insbesondere zwischen 70 m/min und 80 m/min einstellbar ist. Die Fördergeschwindigkeit kann beispielsweise mittels einer Steuereinheit variabel angepasst werden, sodass verschiedene Wärmebehandlungsprofile entlang der Durchlaufofenanlage für das Metallbauteil eingestellt werden können.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Figurenliste
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Durchlaufofenanlage gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ein Zeit/Temperatur Diagramm, in welchen die Temperaturverläufe eines Metallbauteils innerhalb der Durchlaufofenanlage aus 1 abgebildet sind.
3 ein Weg/Temperaturdiagramm, in welchen die Temperaturverläufe eines Metallbauteils entlang einer Wegstrecke innerhalb der Durchlaufofenanlage aus 1 abgebildet sind.
4 und 5 schematische Weg/Temperaturdiagramme, in welchen beispielhafte Temperaturverläufe eines Metallbauteils während des Durchlaufens einer Durchlaufofenanlage gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet sind.

Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch.
1 zeigt eine Durchlaufofenanlage 100 zum Wärmebehandeln eines Metallbauteils 110, insbesondere eines Aluminiumbandes. 2 zeigt ein Zeit/Temperatur Diagramm, in welchem die Temperaturverläufe eines Metallbauteils innerhalb der Durchlaufofenanlage aus 1 abgebildet sind.
Die Durchlaufofenanlage 100 weist eine erste Erwärmungseinheit 101, in welcher das Metallbauteil 110 zum Lösungsglühen auf eine erste Temperatur im Bereich von 350 °C bis 700 °C erwärmbar ist, eine Abkühleinheit 102, in welcher das Metallbauteil 110 von 350 °C bis 700 °C auf 70 °C bis 250 °C abkühlbar ist, und eine zweite Erwärmungseinheit 103, in welcher das Metallbauteil 110 auf 150 °C bis 270 °C erwärmbar ist, auf. Die erste Erwärmungseinheit 101, die Abkühleinheit 102 und die zweite Erwärmungseinheit 103 weisen eine gemeinsame Trägerstruktur 106 auf, an welcher die erste Erwärmungseinheit 101, die Abkühleinheit 102 und die zweite Erwärmungseinheit 103 miteinander befestigt sind. Ferner weist die Durchlaufofenanlage 100 eine gemeinsame Förderbahn 107 auf, welche sich durch die erste Erwärmungseinheit 101, die Abkühleinheit 102 und die zweite Erwärmungseinheit 103 erstreckt, wobei die Förderbahn 107 derart ausgebildet ist, dass das Metallbauteil 110 entlang der Förderbahn 107 in Förderrichtung 109 durch die erste Erwärmungseinheit 101, die Abkühleinheit 102 und die zweite Erwärmungseinheit 103 zur Wärmebehandlung durchführbar ist.
Die Durchlaufofenanlage 100 ist eine kontinuierliche Wärmebehandlungsanlage, bei welcher das Metallbauteil 110 entlang einer Förderrichtung 109 kontinuierlich oder sequenziell durch die Wärmebehandlungsstufen geführt wird. Dabei kann das Metallbauteil 110 Kontakt behaftet zum Beispiel entlang von Rollen 108 befördert werden oder kontaktfrei in einem schwebenden Zustand befördert werden.
Das Metallbauteil 110 ist insbesondere ein Aluminiumband, welches kontinuierlich durch die Durchlaufofenanlage 100 befördert wird.
Das kaltgewalzte Aluminiumband 110 wird zuerst in einer Heizzone I in der ersten Erwärmungseinheit 101 lösungsgeglüht, um die erforderlichen metallurgischen Bedingungen zu erreichen. Das Aluminiumband 110 wird in einer Spule von einer Kaltwalzanlage zur ersten Erwärmungseinheit 101, zum Beispiel einem kontinuierlichen Glüh- und Lösungswärmebehandlungsofen überführt.
Die Erwärmung des Aluminiumbandes 110 in der ersten Erwärmungseinheit 101 erfolgt beispielsweise durch Aufblasen von Heißluft durch mehrere Düsenkästen auf das Aluminiumband 110 in vertikaler Richtung von oben und unten.
Die Glühwärmebehandlung des Aluminiumbandes 110, führt zu einer Rückgewinnung und Rekristallisation des kaltgewalzten Zustandes mit resultierender feinkörniger Gefügestruktur im Metallbauteil 110. Bei der Lösungswärmebehandlung werden zusätzlich zur Glühung auch die Hauptstabilitätsphase gelöst wird und das Metallbauteil 110 mit gelösten Stoffen angereichert wird.
In der Abkühlzone II befindet sich die Abkühleinheit 102, welche unmittelbar nach der ersten Erwärmungseinheit 101 angeordnet wird, sodass das Aluminiumband von der entsprechenden Austrittstemperatur aus der ersten Erwärmungseinheit 101 im Bereich von 350 °C bis 700 °C auf 70 °C bis 250 °C abkühlbar ist. In dem beispielhaften Temperaturverlauf wie in 2 dargestellt wird in der Heizzone I das Aluminiumband 110 zunächst auf 55 °C erwärmt und anschließend in der Abkühlzone II auf 70 °C abgekühlt.
In der Abkühleinheit 102 können ebenso Düsensysteme angeordnet werden, durch die ein Kühlfluid, wie beispielsweise Luft oder Wasser bzw. ein Luft/Wassergemisch, auf das Aluminiumband 110 strömen kann.
Die Festigkeit des Aluminiumbandes 110 wird weiter erhöht, indem nach der Abkühleinheit 102 ein erneutes Erwärmen in der Erwärmungszone IV durchgeführt wird, in welcher die zweiten Erwärmungseinheit 103 vorgesehen ist. Dabei wird das Metallbauteil nach dem Abkühlen in der ersten Abkühleinheit 102 und beispielsweise nach einer gewissen Haltezeit in der Haltezone III einer Wärmebehandlung ausgesetzt, bis das Aluminiumband 110 erneut eine Temperatur von ungefähr 52 °C aufweist. Aufgrund einer kurzen Dauer der Wärmebehandlung in der zweiten Erwärmungseinheit 103 von beispielsweise 15 Sekunden bis 30 Sekunden sieht das Temperatur-Zeit-Profil wie eine Spitze aus. Deshalb wird es als „Spiking“-Wärmebehandlung bezeichnet.
Die Durchlaufofenanlage 100 weist ferner eine Halteeinheit 104 in der Haltezone III auf zum Halten einer Temperatur von 70 °C bis 150 °C des Aluminiumbandes 110. Die Halteeinheit 104 ist zwischen der Abkühleinheit 102 und der zweiten Erwärmungseinheit 103 angeordnet, wobei die Halteeinheit 104 an die Trägerstruktur 106 gekoppelt ist und wobei sich die Förderbahn 107 durch die Halteeinheit 104 erstreckt.
Während dieser Haltezeit von beispielsweise 15 Sekunden bis 3 Minuten auf einer konstanten Temperaturbeginnen sich die gelösten Stoffe und Leerstellen in dem Aluminiumband zu gruppieren und sich zu Kernen zu entwickeln.
Ferner weist die Durchlaufofenanlage 100 eine weitere Abkühleinheit 105 in der weiteren Abkühlzone V auf, in welcher das Metallbauteil von 150 °C bis 270 °C auf 70 °C bis 150 °C abkühlbar ist. Die weitere Abkühleinheit 105 ist in Förderrichtung 109 nach der zweiten Erwärmungseinheit 103 angeordnet, wobei die weitere Abkühleinheit 105 an die Trägerstruktur 106 gekoppelt ist und wobei sich die Förderbahn 107 durch die weitere Abkühleinheit 105 erstreckt. Nach der weiteren Abkühleinheit 105 kann das Aluminiumband 110 weiterverarbeitet werden oder gegebenenfalls weiteren Wärmebehandlungsschritten, wie beispielsweise der weiteren Haltezone VI und der weiteren Erwärmungszone VII (siehe 4 und 5) zugeführt werden.
Die erste Erwärmungseinheit 101, die Abkühleinheit 102, die Halteeinheit 104, die zweite Erwärmungseinheit 103 sowie die weitere Abkühleinheit 105 sind an einer gemeinsamen Trägerstruktur 106 befestigt. Die Trägerstruktur 106 besteht beispielsweise aus Trägerbalken und weist beispielsweise ein schützendes Rahmentragwerk auf.
Die Förderbahn 107 verläuft durchgängig von dem Eingang in die Durchlaufofenanlage 100 bis zu einem Ende der Durchlaufofenanlage 100. Die Förderbahn 107 weist zumindest in einem Abschnitt Rollen 108 auf, entlang welcher das Aluminiumband 110 in Förderrichtung bewegbar ist. Zudem oder alternativ weist die Förderbahn 107 zumindest in einem Abschnitt Schwebedüsen auf, wobei die Schwebedüsen eingerichtet sind, ein Fluid, insbesondere Luft, gegen eine Unterseite des Aluminiumbandes 110 zu strömen, damit das Aluminiumband 110 schwebend in Förderrichtung 109 durch den Abschnitt förderbar ist.
3 zeigt ein Weg/Temperaturdiagramm, in welchen die Temperaturverläufe eines Metallbauteils 110 entlang einer Wegstrecke innerhalb der Durchlaufofenanlage 100 aus 1 abgebildet sind. In dem in 3 dargestellten Diagrammen wird die Entfernung ab dem Ausgang der ersten Erwärmungseinheit 101 abgebildet, sowie die entsprechenden zugehörigen Temperaturverläufe. In dem abgebildeten Diagramm werden Temperaturverläufe von Aluminiumbändern 110 mit eine Dicke von 1 mm dargestellt, welche mit einer Geschwindigkeit von 78 m/min die Durchlaufofenanlage 100 entlang der Förderrichtung 109 durchlaufen.
Die in 3 nicht dargestellte erste Erwärmungseinheit 101 weist entlang der Förderrichtung 109 eine Länge von 50 m bis 65 m auf. Am Ende der ersten Heizzone I weist das Aluminiumband somit eine Temperatur von ca. 550 °C auf.
In der zweiten Abkühlzone II wird mittels der Abkühleinheit 102 das Aluminiumband 110 von 550 °C auf 150 °C abgekühlt. Die Abkühleinheit 102 weist entlang der Förderrichtung 109 eine Länge von 12 m auf.
In der Haltezone III wird mittels der Halteeinheit 104 die Temperatur des Aluminiumbandes 110 ungefähr konstant gehalten, wobei dennoch eine moderate Abkühlung von 150 °C auf 80 °C stattfinden kann. Die Halteeinheit 104 weist entlang der Förderrichtung 109 eine Länge ca. 14 m auf.
In der Erwärmungszone IV wird mittels der zweiten Erwärmungseinheit 103 die Temperatur des Aluminiumbandes 110 von 80 °C auf einer 50 °C erwärmt. Die zweite Erwärmungseinheit 103 weist entlang der Förderrichtung 109 eine Länge von ca. 13 m auf.
In der weiteren Abkühlzone V wird mittels der weiteren Abkühleinheit 105 die Temperatur des Aluminiumbandes 110 von 250 °C auf ca. 60 °C abgekühlt. Die weitere Abkühleinheit 105 weist entlang der Förderrichtung 109 eine Länge von ca. 20 m auf.
4 und 5 zeigen schematische Weg/Temperaturdiagramme, in welchen beispielhafte Temperaturverläufe eines Metallbauteils 110 während des Durchlaufens einer Durchlaufofenanlage 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet sind.
In dem Weg/Temperaturdiagramme in 4 wird ein Temperaturverlauf eines 1,2 mm dicken Aluminiumbandes dargestellt, welches mit einer Geschwindigkeit von 60 m/min eine erfindungsgemäße Durchlaufofenanlage 100 durchläuft.
In der ersten Heizzone I ist die erste Erwärmungseinheit 101 vorgesehen, welche das Aluminiumband 110 auf ca. 550 °C erwärmt und diese Temperatur für ca. 10 Sekunden hält.
Anschließend beginnt die Abkühlzone II wobei in einer ersten Stufe die Temperatur des Aluminiumbandes 110 von 550 °C auf 300 °C und in einem zweiten Schritt Temperatur von 300 °C auf weniger als 80 °C am Ausgang der Abkühlzone II eingestellt wird. Beispielsweise kann bei einer Wanddicke von 0,5 mm bis 1,2 mm eine Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 50 °C pro Sekunde erreicht werden uns bei einer Materialdicke des Bandes von 1,3 mm bis 4,2 mm eine Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 30 °C pro Sekunde erreicht werden.
In der Haltezone III wird die Temperatur des Aluminiumbandes 110 auf ca. 80 °C gehalten.
In der Erwärmungszone IV ist wird die Temperatur des Aluminiumbandes 110 mittels der zweiten Erwärmungseinheit 103 auf ungefähr 250 °C eingestellt.
Anschließend wird in der weiteren Abkühlzone V die Temperatur des Aluminiumbandes 110 von 250 °C auf 60 °C abgekühlt. Dabei kann beispielsweise eine Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 5 °C pro Sekunde angewandt werden.
Nach dem Abkühlen des Aluminiumbandes 110 in der weiteren Abkühlzone V, kann das Aluminiumband beispielsweise für ungefähr 15 Minuten in einer weiteren Haltezone VI auf der Ausgangstemperatur von 60 °C gehalten werden.
Anschließend können weitere Verarbeitungsschritte durchgeführt werden. Beispielsweise kann in einer weiteren Erwärmungszone VII die Temperatur zwischen 50 °C und 100 °C eingestellt werden und ein Walzprozess des Aluminiumbandes 110 durchgeführt werden. Beispielsweise kann ferner in einem weiteren Wärmebehandlungsschritt Farbe bzw. eine weitere Legierung in dem Aluminiumband 110 eingebrannt werden.
In dem Weg/Temperaturdiagramme in 5 wird ein Temperaturverlauf eines 1,2 mm dicken Aluminiumbandes dargestellt, welches mit einer Geschwindigkeit von 60 m/min eine erfindungsgemäße Durchlaufofenanlage 100 durchläuft.
In der ersten Heizzone I ist die erste Erwärmungseinheit 101 vorgesehen, welche das Aluminiumband 110 auf ca. 550 °C erwärmt und diese Temperatur für ca. 10 Sekunden hält.
Anschließend beginnt die Abkühlzone II, wobei in einer ersten Stufe die Temperatur des Aluminiumbandes 110 von 550 °C auf 300 °C und in einem zweiten Schritt Temperatur von 300 °C auf ca. 220 °C am Ausgang der Abkühlzone II eingestellt wird. Beispielsweise kann bei einer Wanddicke von 0,5 mm bis 1,2 mm eine Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 50 °C pro Sekunde erreicht werden uns bei einer Materialdicke des Bandes von 1,3 mm bis 4,2 mm eine Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 30 °C pro Sekunde erreicht werden.
Die Haltezone III und die Erwärmungszone IV halten das Aluminiumband 110 nahezu auf einer konstanten Temperatur bzw. erhöhen die Temperatur des Aluminiumbandes 110 moderat auf ca. 250 °C an dem Ausgang der Erwärmungszone IV.
Anschließend wird in der weiteren Abkühlzone V die Temperatur des Aluminiumbandes 110 von 250 °C auf 60 °C abgekühlt. Dabei kann beispielsweise eine Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 5 °C pro Sekunde angewandt werden.
Nach dem Abkühlen des Aluminiumbandes 110 in der weiteren Abkühlzone V, kann das Aluminiumband beispielsweise für ungefähr 15 Minuten in einer weiteren Haltezone VI auf der Ausgangstemperatur von 60 °C gehalten werden.
Anschließend können weitere Verarbeitungsschritte durchgeführt werden. Beispielsweise kann in einer weiteren Erwärmungszone VII die Temperatur zwischen 50 °C und 100 °C eingestellt werden und ein Walzprozess des Aluminiumbandes 110 durchgeführt werden. Beispielsweise kann ferner in einem weiteren Wärmebehandlungsschritt Farbe bzw. eine weitere Legierung in dem Aluminiumband 110 eingebrannt werden.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

100: Durchlaufofenanlage
101: erste Erwärmungseinheit
102: Abkühleinheit
103: zweite Erwärmungseinheit
104: Halteeinheit
105: weitere Abkühleinheit
106: Trägerstruktur
107: Förderbahn
108: Rollen
109: Förderrichtung
110: Metallbauteil
I: Heizzone
II: Abkühlzone
III: Haltezone
IV: Erwärmungszone
V: weitere Abkühlzone
VI: weitere Haltezone
VII: weitere Erwärmungszone

Claims

Durchlaufofenanlage (100) zum Wärmebehandeln eines Metallbauteils (110), insbesondere eines Aluminiumbandes, die Durchlaufofenanlage (100) aufweisend eine erste Erwärmungseinheit (101), in welcher das Metallbauteil (110) zum Lösungsglühen auf eine erste Temperatur im Bereich von 300 °C bis 750 °C erwärmbar ist, eine Abkühleinheit (102), in welcher das Metallbauteil (110) von 300 °C bis 750 °C auf 70 °C bis 250 °C abkühlbar ist, eine zweite Erwärmungseinheit (103), in welcher das Metallbauteil (110) auf 150 °C bis 290 °C erwärmbar ist, wobei die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) eine gemeinsame Trägerstruktur (106) aufweisen, an welcher die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) miteinander befestigt sind, eine gemeinsame Förderbahn (107), welche sich durch die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) erstreckt, wobei die Förderbahn (107) derart ausgebildet ist, dass das Metallbauteil (110) entlang der Förderbahn (107) in Förderrichtung (109) durch die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) zur Wärmebehandlung durchführbar ist, wobei die zweite Erwärmungseinheit (103) entlang der Förderrichtung (109) eine Länge von 5 m bis 25 m aufweist.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Förderbahn (107) zumindest in einem Abschnitt Rollen (108) aufweist, entlang welcher das Metallbauteil (110) in Förderrichtung (109) bewegbar ist.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Förderbahn (107) zumindest in einem Abschnitt Schwebedüsen aufweist, wobei die Schwebedüsen eingerichtet sind, ein Fluid, insbesondere Luft, gegen eine Unterseite des Metallbauteils (110) zu strömen, damit das Metallbauteil (110) schwebend in Förderrichtung (109) durch den Abschnitt förderbar ist.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Erwärmungseinheit (101) entlang der Förderrichtung (109) eine Länge von 40 m bis 75 m aufweist.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abkühleinheit (102) entlang der Förderrichtung (109) eine Länge von 5 m bis 35 m, insbesondere 12 m bis 18 m, aufweist.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Erwärmungseinheit (101) konfiguriert ist, das Metallbauteil (110) mittels Brenngas, mittels einer Kontaktheizung, mittels einer Induktionsheizung, mittels einer Konvektionsheizung, mittels einer Wirbelstromheizung, mittels einem elektrisches Heizregister, mittels einer Infrarotheizung oder mittels einer Wärmestrahlungsheizung zu erwärmen.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Erwärmungseinheit (103) konfiguriert ist, das Metallbauteil (110) mittels Brenngas, mittels einer Kontaktheizung, mittels einer Induktionsheizung, mittels einer Konvektionsheizung, mittels einer Wirbelstromheizung, mittels eines elektrischen Heizregisters, mittels einer Infrarotheizung oder mittels einer Wärmestrahlungsheizung zu erwärmen.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Abkühleinheit (102) Düsen für ein Kühlmedium, insbesondere Luft oder Wasser, zum Abkühlen des Metallbauteils (110) aufweist.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend eine Halteeinheit (104) zum Halten einer Temperatur von 70 °C bis 250 °C des Metallbauteils (110), wobei die Halteeinheit (104) zwischen der Abkühleinheit (102) und der zweiten Erwärmungseinheit (103) angeordnet ist, wobei die Halteeinheit (104) an die Trägerstruktur (106) gekoppelt ist, wobei sich die Förderbahn (107) durch die Halteeinheit (104) erstreckt.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß Anspruch 9, wobei die Halteeinheit (104) entlang der Förderrichtung (109) eine Länge von 5 m bis 25 m, insbesondere 12 m bis 15 m, aufweist.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend eine weitere Abkühleinheit (105), in welcher das Metallbauteil (110) von 150 °C bis 270 °C auf 70 °C bis 150 °C abkühlbar ist, wobei die weitere Abkühleinheit (105) in Förderrichtung (109) nach der zweiten Erwärmungseinheit (103) angeordnet ist, wobei die weitere Abkühleinheit (105) an die Trägerstruktur (106) gekoppelt ist, wobei sich die Förderbahn (107) durch die weitere Abkühleinheit (105) erstreckt.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß Anspruch 11, wobei die weitere Abkühleinheit (105) entlang der Förderrichtung (109) eine Länge von 18 m bis 22 m, insbesondere 20 m, aufweist.
Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Förderbahn (107) derart konfiguriert ist, dass eine Fördergeschwindigkeit der Förderbahn (107) zwischen 60 m/min und 90 m/min, insbesondere zwischen 70 m/min und 80 m/min einstellbar ist.
Verfahren zum Wärmebehandeln eines Metallbauteils (110), insbesondere eines Aluminiumbandes, mittels einer Durchlaufofenanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, das Verfahren aufweisend Erwärmen des Metallbauteils (110) zum Lösungsglühen auf eine erste Temperatur im Bereich von 300 °C bis 750 °C in der ersten Erwärmungseinheit (101), Abkühlen des Metallbauteils (110) von 300 °C bis 750 °C auf 70 °C bis 250 °C in der Abkühleinheit (102), Erwärmen des Metallbauteils (110) auf 150 °C bis 290 °C in der zweiten Erwärmungseinheit (103), wobei das Metallbauteil (110) entlang der Förderbahn (107) in Förderrichtung (109) durch die erste Erwärmungseinheit (101), die Abkühleinheit (102) und die zweite Erwärmungseinheit (103) zur Wärmebehandlung durchgeführt wird.