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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reflektorelement für eine Wärmedämmhaube zur Wärmedämmung eines metallischen Walzgutes in einem Walzwerk sowie ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reflektorelements. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Wärmedämmhaube zur Wärmedämmung eines metallischen Walzgutes in einem Walzwerk umfassend das erfindungsgemäße Reflektorelement.
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Um die Temperaturverluste beim Warmwalzen von metallischen Erzeugnissen zu reduzieren, werden üblicherweise Wärmedämmhauben eingesetzt, die im Walzwerk an unterschiedlichen Positionen oberhalb und/oder unterhalb eines Rollgangs für das metallische Walzgut angeordnet sind.
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Aus dem Stand der Technik sind derzeit zwei unterschiedliche Technologien zur Reduktion von Wärmeverlusten bekannt. Bei den sog. wärmeakkumulierenden Systemen, die beispielsweise aus den Druckschriften
EP 0 059 093 B1 ,
EP 0 248 674 A1 ,
EP 0 468 716 A3 sowie der
EP 3 319 741 B1 bekannt sind, wird die emittierte Wärmestrahlung des Walzgutes absorbiert, wodurch die Wärmedämmhaube nahezu auf die Temperatur des Walzgutes erwärmt wird. Je nach Ausgestaltung einer solchen Wärmedämmhaube wird eine spezifische Aufheizzeit benötigt, um eine signifikante Reduktion der Wärmeverluste zu erzielen, so dass insbesondere bei kurzen Expositionsdauern keine ausreichende Dämmwirkung erzielbar ist. Zusätzlich müssen die Wärmedämmhauben solcher Systeme in einem geringen Abstand zu dem heißen Walzgut positioniert werden, wodurch sie infolge von prozessbedingten Schädigungen sehr anfällig sind. Ein weiterer Nachteil ist deren limitierte Einsatzmöglichkeit im Walzwerk. So ist ein Einsatz unmittelbar hinter einer Stranggießmaschine einer CSP®- und/oder einer CEM-Anlage aufgrund der zu hohen Temperaturen des gegossenen Stranggutes von oberhalb 1100 °C nicht möglich.
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Bei den sog. wärmespiegelnden Systemen, wie beispielsweise aus der
WO 2015/071004 A1 bekannt, wird die von dem heißen Walzgut emittierte Wärmestrahlung hingegen durch speziell gefertigte Spiegelflächen reflektiert. Allerdings zeigen Untersuchungen, dass die Reflexionseigenschaften derartiger Schichtsysteme zu schnell abnehmen, wodurch die ungewünschte Absorption der Wärmestrahlung zunimmt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Reflektorelement für eine Wärmedämmhaube bereitzustellen, insbesondere ein Reflektorelement bereitzustellen, das einen hohen Dämmwirkungsgrad aufweist sowie gegenüber einer Degradation weniger anfällig ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Reflektorelement für eine Wärmedämmhaube mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Reflektorelement, welches für eine Wärmedämmhaube zur Wärmedämmung eines metallischen Gutes in einem Walzwerk vorgesehen ist, umfasst eine aus einem ersten metallischen Werkstoff gebildete Grundschicht, die eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 100 W/mK, bevorzugt mindestens 200 W/mK, mehr bevorzugt mindestens 230 W/mK, und am meisten bevorzugt mindestens 400 W/mK aufweist. Sämtliche Werte der thermischen Leitfähigkeit beziehen sich vorliegend auf Raumtemperatur (25 °C; 1 atm). Weiterhin umfasst das Reflektorelement eine aus einem zweiten metallischen Werkstoff gebildete Reflexionsschicht, die eine Reflektoroberfläche des Reflektorelements bildet; sowie zumindest eine zwischen der Grundschicht und der Reflexionsschicht angeordnete Diffusionshemmschicht, die aus einem dritten metallischen Werkstoff gebildet ist.
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Durch die Anordnung der Diffusionshemmschicht wird die Diffusion zwischen der Grundschicht und der Reflexionsschicht gehemmt. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, dass hierdurch die Bildung von sauerstoffaffinen Legierungen, die eine hohe Oxidationsneigung aufweisen, stark eingeschränkt werden kann, wodurch die Reflexionsschicht des Reflektorelements gegenüber einer Degradation weniger anfällig ist und somit ihre Reflexionseigenschaften über einen längeren Zeitraum behält. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Schichtsystemen ist das erfindungsgemäße Reflektorelement daher auch bei einer vielfach höheren Betriebstemperatur betreibbar.
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In gleicher Weise betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Wärmedämmhaube zur Wärmedämmung eines metallischen Walzgutes in einem Walzwerk, umfassend eine Trägerplatte sowie ein auf der Trägerplatte angeordnetes erfindungsgemäßes Reflektorelement.
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Eine derart ausgestaltete Wärmedämmhaube weist einen Dämmwirkungsgrad von größer 90% auf und eignet sich grundsätzlich für alle Arten von Expositionsdauern. Unter einem Dämmwirkungsgrad wird der prozentuale Anteil der rückgestrahlten Wärme im Verhältnis zu der von der, der Spiegeloberfläche zugewandten Walzgutoberfläche abgestrahlten Wärme verstanden. Bei kurzen Expositionsdauern ist die erfindungsgemäße Wärmedämmhaube den herkömmlichen wärmeakkumulierenden Wärmedämmhauben daher deutlich überlegen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden
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Die minimale Schichtdicke der Reflexionsschicht kann prozessbedingt 0,1 bis 1,0 µm betragen. Solche Schichtdicken sind beispielsweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung oder mittels galvanischer Beschichtungsverfahren realisierbar. Da zu kleine Schichtdicken aufgrund von unvermeidbaren Diffusionsvorgängen jedoch zu schnell degradieren können, sollte die Schichtdicke der Reflexionsschicht eine Dicke von 0,5 µm nicht unterschreiten. Daher ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Schichtdicke der Reflexionsschicht mindestens 0,5 µm, bevorzugt mindestens 0,6 µm, mehr bevorzugt mindestens 0,7 µm, noch mehr bevorzugt mindestens 0,8 µm, weiter bevorzugt mindestens 0,9 µm, und am meisten bevorzugt mindestens 1,0 µm, beträgt.
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Aufgrund von wirtschaftlichen Erwägungen sollte die Reflexionsschicht hingegen eine maximale Schichtdicke von 50 µm nicht überschreiten. Daher ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Schichtdicke der Reflexionsschicht maximal 50,0 µm, bevorzugt maximal 25,0 µm, mehr bevorzugt maximal 15,0 µm, noch mehr bevorzugt maximal 10,0 µm, weiter bevorzugt maximal 8,0 µm, und am meisten bevorzugt maximal 4,0 µm, beträgt.
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Die aus einem zweiten metallischen Werkstoff gebildete Reflexionsschicht kann vorteilhafterweise aus einem der Metalle ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium, Chrom, Gold, Platin, Rhodium, Silber und/oder einer Legierung hiervon gebildet sein. Derartige Metalle weisen einen besonders hohen Reflexionsgrad von über 70 %, teils bis über 95% im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 6 µm auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante besteht die Reflexionsschicht aus Gold oder Silber.
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Die zumindest eine zwischen der Grundschicht und der Reflexionsschicht angeordnete Diffusionshemmschicht kann aus einem der Metalle ausgewählt aus der Gruppe umfassend Nickel, Titan, Zinn und/oder einer Legierung hiervon gebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante besteht die Diffusionshemmschicht aus Nickel, da diese eine besonders hohe Kompatibilität zu Gold und Silber aufweist.
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Die minimale Schichtdicke der Diffusionshemmschicht kann ebenfalls prozessbedingt 0,1 bis 1,0 µm betragen. Um jedoch die gewünschte Diffusionshemmung zwischen der Grundschicht und der Reflexionsschicht zu erzielen, sollte die Schichtdicke der Diffusionshemmschicht eine Dicke von 0,2 µm nicht unterschreiten. Daher ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Schichtdicke der Diffusionshemmschicht mindestens 0,2 µm, bevorzugt mindestens 0,3 µm, und am meisten bevorzugt mindestens 0,4 µm, beträgt. Demgegenüber stehen wirtschaftliche und prozessbedingte Erwägungen, so dass eine maximale Schichtdicke von 25 µm nicht überschritten werden sollte. Daher ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Schichtdicke der Diffusionshemmschicht maximal 25,0 µm, bevorzugt maximal 15,0 µm, mehr bevorzugt maximal 10,0 µm, und am meisten bevorzugt maximal 7,50 µm, beträgt.
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Um die Temperaturbelastung des Reflektorelements in der Wärmedämmhaube möglichst gering zu halten, sollte das Reflektorelement gekühlt werden. Hierbei ist erforderlich, dass die Grundschicht eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 100 W/mK (bei 25 °C; 1 atm) aufweist. Daher ist die Grundschicht vorzugsweise aus einem der Metalle ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aluminium, Gold, Magnesium, Molybdän, Kupfer, Silber, Wolfram, Zink und/oder einer Legierung hiervon gebildet. Die Grundschicht kann hierbei eine Schichtdicke von zumindest 5 mm, bevorzugt eine Schichtdicke von zumindest 10 mm, mehr bevorzugt eine Schichtdicke von zumindest 15 mm, und am meisten bevorzugt eine Schichtdicke von zumindest 20 mm, aufweisen.
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Die Kühlung des Reflektorelements kann in einer Ausführungsvariante über ein Kühlfluid erfolgen. Vorteilhafterweise ist daher vorgesehen, dass die Trägerplatte sodann eine Mehrzahl von sich axial durch die Trägerplatte erstreckenden Bohrungen umfasst, die einen Teil eines Temperier-, insbesondere eines Kühlsystems, bilden.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Kühlung des Reflektorelements über eine Gebläseeinrichtung, die die Wärmedämmhaube umfasst, oder über natürliche Konvektion durch die Umgebungsluft, erfolgen. In diesem Zusammenhang ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Trägerplatte sodann auf ihrer zum Reflektorelement gegenüberliegenden Seite mit Kühlrippen versehen ist, über die die Kühlleistung verbessert werden kann.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reflektorelements, wobei zunächst eine aus einem ersten metallischen Werkstoff gebildete Grundschicht mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 100 W/mK bereitgestellt wird; diese sodann mit zumindest einer aus einem dritten metallischen Werkstoff gebildeten Diffusionshemmschicht beschichtet wird; und anschließend eine Reflexionsschicht aus einem zweiten metallischen Werkstoff auf die Diffusionshemmschicht aufgetragen wird. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Grundschicht vor dem Beschichten mit der Diffusionshemmschicht poliert wird, derart, dass die zu beschichtende Oberfläche eine Oberflächenrauigkeit mit einem Mittenrauwert Ra von maximal 2,0 µm, mehr bevorzugt mit einem Mittenrauwert Ra von maximal 1,5 µm, noch mehr bevorzugt mit einem Mittenrauwert Ra von maximal 1,0 µm, und am meisten bevorzugt mit einem Mittenrauwert Ra von maximal 0,5 µm aufweist. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsvariante weist die Oberfläche der Grundschicht vor der Beschichtung mit der Diffusionshemmschicht eine Oberflächenrauigkeit mit einem Mittenrauwert Ra von maximal 0,025 µm auf. Die Oberflächenrauigkeit lässt sich durch ein optisches Messverfahren gemäß DIN EN ISO 25178 Teil 6, Stand 06/2010 sowie Teil 604, Stand 12/2013, über ein Weißlicht-Interferometer vom Typ ZYGO NewView 600S, verifizieren.
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Figurenbezeichnung
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Reflektorelements,
- 2 eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Reflektorelements,
- 3 eine Ausführungsvariante einer Wärmedämmhaube in einer seitlichen Darstellung, und
- 4 eine Ausführungsvariante der in 3 gezeigten Wärmedämmhaube in einer perspektivischen Darstellung.
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In den 1 und 2 ist jeweils eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Reflektorelements 1 dargestellt, welches auf einer Trägerplatte 2 einer Wärmedämmhaube 10 angeordnet ist. Die Trägerplatte 2 kann beispielsweise aus Reinaluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, wie beispielsweise AIMgSiCu, bestehen. In der in 1 gezeigten Ausführungsvariante weist die Trägerplatte 2 eine Dicke von 40 mm auf und ist mit mehreren Bohrungen 3 versehen, die sich axial durch die Trägerplatte 2 erstrecken und einen Teil eines Temperiersystems (nicht dargestellt) bilden, über welches das Reflektorelement 1 gekühlt werden kann. In der in 2 gezeigten Ausführungsvariante ist die Trägerplatte 2 hingegen mit mehreren Kühlrippen 4 versehen, die auf der zum Reflektorelement 1 gegenüberliegenden Seite angeordnet sind. Wie in 2 angedeutet, kann die Trägerplatte 2 ebenfalls mehrere Bohrungen 3 umfassen, die sich axial durch die Trägerplatte 2 erstrecken.
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Das Reflektorelement 1 umfasst eine aus Kupfer bestehende Grundschicht 5, die vorliegend eine Schichtdicke von 25 mm aufweist und mit der Trägerplatte 2, beispielsweise über eine Schraubverbindung, verbunden ist. Hierdurch kann das Reflektorelement 1 im Falle eines signifikanten Verlustes seiner Reflexionseigenschaften im Rahmen einer Wartung besonders einfach ausgewechselt werden.
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Weiterhin umfasst das Reflektorelement 1 in der vorliegenden Ausführungsvariante eine aus Gold bestehende Reflexionsschicht 6 mit einer Schichtdicke von 2 µm, die eine Reflektoroberfläche 7 des Reflektorelements 1 bildet, sowie eine zwischen der Grundschicht 5, insbesondere der Kupferschicht, und der Reflexionsschicht 6 angeordnete metallische Diffusionshemmschicht 8.
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Die Diffusionshemmschicht 8 besteht in der vorliegenden Ausführungsvariante aus einer 0,4 µm dicken Nickelschicht, die auf die Oberfläche 9 der Kupferschicht 5 über eine physikalische Gasphasenabscheidung aufgebracht worden ist. Hierzu wurde die Oberfläche 9 der Kupferschicht 5 im Vorfeld poliert, um eine Oberflächenrauigkeit von Ra 0,025 µm zu erzielen. Die mittlere Rauigkeit Ra der Oberfläche 9 wurde hierbei gemäß DIN EN ISO 25178 Teil 6, Stand 06/2010 sowie Teil 604, Stand 12/2013, mit einem Weißlicht-Interferometer vom Typ ZYGO NewView 600S, ermittelt. Für ein derart ausgebildetes Reflektorelement 1 konnte eine maximal zulässige Betriebstemperatur von 200 °C definiert werden.
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In den 3 und 4 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Wärmedämmhaube 10 in zwei unterschiedlichen Darstellungen gezeigt. Wie anhand der Darstellungen erkennbar, ist das Reflektorelement 1 über die Trägerplatte 2 an einem Gestell 11 der Wärmedämmhaube 10 angeordnet. Die Trägerplatte 2 mit den Kühlrippen 4 bildet vorliegend einen Kühlblock 12, der über eine Gebläseeinheit 13 gekühlt werden kann.
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Bezugszeichen
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- 1
- Reflektorelement
- 2
- Trägerplatte
- 3
- Bohrungen
- 4
- Kühlrippen
- 5
- Grundschicht / Kupferschicht
- 6
- Reflexionsschicht
- 7
- Reflektoroberfläche
- 8
- Diffusionshemmschicht
- 9
- zu beschichtende Oberfläche der Kupferschicht
- 10
- Wärmedämmhaube
- 11
- Gestell
- 12
- Gebläse / Ventilator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0059093 B1 [0003]
- EP 0248674 A1 [0003]
- EP 0468716 A3 [0003]
- EP 3319741 B1 [0003]
- WO 2015071004 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 25178 [0020, 0025]
