DE10227499A1

DE10227499A1 - Verfahren und Vorrichtung zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und der Oberfläche eines Werkstückes

Info

Publication number: DE10227499A1
Application number: DE10227499A
Authority: DE
Inventors: Rolf-Josef Schwartz
Original assignee: Individual
Current assignee: SCHWARTZ, EVA, 52066 AACHEN, DE
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2003-10-02
Also published as: DE50300876D1; DE50301050D1; DE10227498B4; DE10227498A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche, insbesondere der Stirnfläche eines gewickelten Metallbandes in Form eines Coils, wobei die Oberfläche mit dem Wärmeübertragungsmittel mittels wenigstens einer Düsenwand beaufschlagt wird. Bei dem Wärmeübertragungsmittel kann es sich um ein Fluid oder ein Gas handeln. DOLLAR A Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der Düsenwände (10; 11) und die zu beaufschlagende Oberfläche während der Wärmebehandlung beweglich zueinander ausgeführt sind. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Düsenwände um eine Rotationsachse (71) drehbar, die der Hauptachse (70) des Coils entspricht oder im Wesentlichen parallel zu dieser ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche, insbesondere der Stirnfläche eines gewickelten Metallbandes in Form eines Coils, wobei die Oberfläche mittels wenigstens einer Düsenwand mit dem Wärmeübertragungsmittel beaufschlagt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche.
Bei der Wärmebehandlung von Werkstücken spielt die Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion eine große Rolle, da sich durch sie große Leistungen übertragen und gleichmäßige Temperaturverteilungen erreichen lassen.
In der Praxis ist bei diesem Verfahren des Wärmeübergangs von einem strömenden Fluid oder Gas auf ein Werkstück eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung des Werkstücks mit dem jeweiligen Wärmeübertragungsmittel erforderlich, da hier ein gleichmäßiger Wärmeübergang gewährleistet sein muss, ohne dass Unterschiede im örtlichen Wärmeübergang zu einer unterschiedlichen Aufheizung des Werkstücks führen. Die gleichmäßige Beaufschlagung stellt beispielsweise beim Erwärmen von Metallbändern, welche zu zylindrischen Coils aufgewickelt sind, ein großes Problem dar. Die Erwärmung derartiger Coils erfolgt typischerweise in Kammeröfen, in denen zur Verringerung der Glühzeit der Werkstücke ein möglichst hoher Wärmeübergang angestrebt wird. Je nach verwendetem Beblasungssystem im Kammerofen kann es jedoch zu großen örtlichen Unterschieden im Wärmeübergang kommen, was zu lokalen Überhitzungen des Werkstücks führt. Dies wiederum verursacht Werkstoffbeschädigungen beispielsweise in Form von Verfärbungen oder Beeinträchtigungen der angestrebten metallurgischen Eigenschaften der Metallbänder. Eine ähnliche Problematik gilt für den konvektiven Wärmeübergang beim Kühlen eines Werkstücks, bei dem es zu örtlichen Unterkühlungen kommen kann.
Aus der Praxis der konvektiven Erwärmung von Metallbändern in Form von gewickelten Coils sind feststehende Düsenwände bekannt, über die ein Fluid oder Gas auf die Stirnfläche eines zylindrischen Coils geführt wird. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs werden beispielsweise Loch-, Rohr-, Schlitz- oder Dralldüsen verwendet.
Aus der Deutschen Patentschrift 35 03 089 C2 ist eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung einer planen Oberfläche eines Werkstückes mit einem Gas bekannt. Bei der Oberfläche des Werkstücks handelt es sich insbesondere um die Stirnfläche eines zylindrischen Bandbundes. Die Beaufschlagung mit dem Gas erfolgt über schlitzförmige Düsenöffnungen in einem Düsenboden, wobei die Düsenöffnungen in einem Winkel zur Oberfläche des Bandbundes stehen.
Aus der Deutschen Patentschrift 196 50 965 C1 ist eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Beaufschlagung einer planen Oberfläche eines Werkstücks mit einem Fluid bekannt. Bei der Oberfläche des Werkstücks handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um die Stirnfläche eines zylindrischen Bandbundes.
Der Düsenboden zur Beaufschlagung mit dem Fluid ist so ausgestaltet, dass an den Düsenöffnungen Einrichtungen zur Ablenkung der Düsenstrahlen in eine Richtung vorgesehen sind, welche mit der Senkrechten auf den Düsenboden oder bei einem im Wesentlichen planen Düsenboden mit dessen ebener Bezugsfläche einen Winkel bildet.
In den bekannten Einrichtungen zur Gaserwärmung und Gaskühlung von Coils ist das Problem der lokalen Überhitzung oder Unterkühlung noch nicht vollständig gelöst, da trotz verschiedener Düsenformen und -anordnungen kein gleichmäßiger Wärmeübergang erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verfahren zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche, insbesondere der Stirnseite eines Metallbands in Form eines gewickelten zylindrischen Coils, bereitzustellen, durch das ein möglichst gleichmäßiger und hoher Wärmeübergang realisiert wird, ohne dass es zu Beeinträchtigungen des Werkstücks kommt.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche, insbesondere einer Stirnseite eines Metallbands in Form eines gewickelten Coils, die Oberfläche mit dem Wärmeübertragungsmittel mittels wenigstens einer Düsenwand beaufschlagt wird, wobei sich während der Wärmebehandlung wenigstens eine der Düsenwände und die zu behandelnde Oberfläche zueinander bewegen.
Die Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass in einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche, insbesondere einer Stirnseite eines Metallbands in Form eines gewickelten Coils, Mittel zur Beaufschlagung der Oberfläche mit dem Wärmeübertragungsmittel mittels wenigstens einer Düsenwand vorgesehen sind, wobei wenigstens eine der Düsenwände und die zu behandelnde Oberfläche während der Wärmebehandlung zueinander beweglich sind.
Zur Beweglichkeit der Düsenwände und Stirnflächen eines Coils zueinander während der Wärmebehandlung ergeben sich drei mögliche Bauformen. Die Düsenwände können beweglich ausgeführt sein, während das Coil fest steht. Ferner kann das Coil sich bewegen, während die Düsenwände fest stehen, und eine Kombination der beiden vorherigen Bauformen kann sowohl bewegliche Düsenwände als auch Coils beinhalten.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im Folgenden beschrieben wird, wurde eine Bauform gewählt, bei der die Düsenwände während der Wärmebehandlung beweglich sind und das Coil fest steht. Ein Kammerofen bekannter Bauart ist dazu so ausgestattet, dass sich an den beiden Stirnseiten eines eingebrachten zylindrischen Coils jeweils eine Düsenwand befindet, die um eine Rotationsachse drehbar ist, wobei die Rotationsachse vorzugsweise der Hauptachse des zylindrischen Coils entspricht oder im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft. Dabei umfasst der Ausdruck "Im Wesentlichen" Winkel in der Größenordnung von 0° und 10°.
Die drehbaren Düsenwände sind mit mehreren Düsen versehen, deren Anordnung und Ausführung geeignet für den Zweck wählbar ist. Es können beispielsweise bekannte Loch-, Rohr-, Schlitz- und/oder Dralldüsen verwendet werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Wärmeübertragungsmittel ein Gas über einen Druckkasten in die Düsenwände gefördert und strömt durch die Düsen auf die Stirnflächen des zu erwärmenden oder zu kühlenden Coils. Durch die Rotation der Düsenwände werden die beiden Stirnflächen gleichmäßig mit dem Gas beaufschlagt, so dass an der Oberfläche ein sehr guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Ferner ergeben sich durch die gleichmäßige Beaufschlagung keine lokalen Temperaturspitzen oder -senken, bei denen Bereiche des zu behandelnder Werkstücks überhitzt oder unterkühlt werden.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur konvektiven Wärmeübertragung von einem Wärmeübertragungsmittel auf gewickelte Metallbänder;
Fig. 2 eine Stirnsicht auf eine Vorrichtung zur konvektiven Wärmeübertragung von einem Wärmeübertragungsmittel auf gewickelte Metallbänder;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Kammerofens mit integrierter erfindungsgemäßer Vorrichtung; und
Fig. 4 Rohrdüse mit innerem Drallkörper.
In der Abbildung in Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche, insbesondere der Stirnfläche eines gewickelten Metallband in Form eines zylindrischen Coils, dargestellt. Als Wärmeübertragungsmittel kann ein Fluid oder ein Gas zur Anwendung kommen. In diesem Ausführungsbeispiel wird zur Wärmeübertragung ein Gas verwendet.
Die Vorrichtung umfasst einen Druckkaten 20, in den das zu erwärmende oder zu kühlende Coil 30 eingebracht wird. Bei dem Coil handelt es sich um ein zylindrisch gewickeltes Metallband. Das dargestellte Metallband ist um eine Achse 70 gewickelt, die in der Abbildung waagerecht verläuft, so dass sich an den Stirnseiten 31 und 32 des Coils plane Oberflächen ergeben. Im Wesentlichen parallel zu diesen Stirnseiten des Coils befindet sich jeweils eine Düsenwand 10 und 11.
Die Beweglichkeit der Düsenwände und der Stirnflächen des Coils zueinander wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch bewegliche Düsenwände erreicht, während das Coil während der Wärmebehandlung fest steht. Die Düsenwände 10 und 11 sind dabei um eine Rotationsachse 71 drehbar, die vorzugsweise der Hauptachse 70 des zylindrischen Coils 30 entspricht oder im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft.
Die Rotation der Düsenwände erfolgt über einen Antrieb 40, der in Fig. 1 nicht im Detail dargestellt ist, sondern zeichnerisch durch ellipsoide Bewegungspfeile gekennzeichnet ist.
Das Gas zur Erwärmung oder Abkühlung der Coils kann beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Ventilators in den Druckkasten 20 eingebracht werden. Bei dem Gas kann es sich um verschiedene Gasarten handeln, die sich für den jeweiligen Anwendungszweck eignen. Beispielsweise kann N₂, N₂H₂, Luft, Wasserdampf, Schutzgas, Wasserstoff, Exogas, oder Endogas verwendet werden. Die Strömung des Gases innerhalb des Druckkastens ist zeichnerisch durch Pfeile gekennzeichnet. Das Gas strömt durch die Düsenwände 10 und 11 auf jeweils eine Stirnseite des Coils. Die Düsenwände weisen dazu mehrere Öffnungen auf, die verschieden ausgeformt sein können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurden Schlitzdüsen 50 gewählt, wie sie der Abbildung in Fig. 2 zu entnehmen sind. Das Gas strömt aus den Düsenöffnungen und prallt auf die Stirnseiten des Coils, wo der Wärmeübergang stattfindet. Dies gilt sowohl für die Erwärmung als auch für die Abkühlung des Coilmaterials.
Um die Einrichtung beispielsweise auf die Abmessungen verschiedener Coils einstellen zu können, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Düsenwände 10 und 11 zusätzlich beweglich entlang ihrer Rotationsachse 71 auszuführen. Dadurch lässt sich der Abstand 60 zwischen Düsenwänden und Stirnflächen des Coils auf die optimale Distanz für eine wirkungsvolle Anströmung einstellen. Der Antrieb 40 für diese Bewegung ist in Fig. 1 nicht im Detail dargestellt, sondern durch waagerechte Bewegungspfeile gekennzeichnet.
Um trotz beweglicher Düsenwände die Dichtigkeit zwischen Düsenwänden und Druckkasten zu gewährleisten, kann die Dichtung auf verschiedene Weisen den Anforderungen angepasst werden. Beispielsweise kann der Dichtungsspalt gering oder die Dichtung als Labyrinth- oder Kontaktdichtung ausgeführt werden.
Der Abbildung in Fig. 2 ist eine Aufsicht auf eine Druckkammer 20 mit einer kreisförmiger Düsenwand 10 zu entnehmen. Die rotierende Düsenwand ist in diesem Ausführungsbeispiel mit Schlitzdüsen 50 ausgeführt. Es können jedoch auch andere Düsentypen wie Loch-, Rohr- oder Dralldüsen verwendet werden. Rohrdüsen können beispielsweise mit einem inneren Drallkörper versehen sein, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
In der Abbildung in Fig. 3 ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Kammerofens mit integrierter erfindungsgemäßer Vorrichtung zur Wärmeübertragung dargestellt. Der Druckkasten 20 befindet sich innerhalb des Ofens und ein zu erwärmendes oder zu kühlendes Coil 30 ist zwischen den beiden Düsenwänden 10 und 11 positioniert. Die Beschickung des Ofens mit einem Coil erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel von unten, was zeichnerisch unterhalb der Kammer des Ofens durch gestrichelte Linien dargestellt ist.
Im speziellen Fall von Coils mit sehr geringen Breiten kann der Nutzraum des Ofens mittels wenigstens eines nachrüstbaren Düsenkastens geteilt werden. So können zwei oder mehr Coils in den Nutzraum eingebracht und beidseitig beaufschlagt werden. Ein solcher zusätzlicher Düsenkasten ist in den Fig. 1-4 nicht dargestellt.
Die Steuerung des Kammerofens erfolgt vorzugsweise über Steuermittel mit einem Programm, das zweckmäßigerweise wenigstens die Temperatur und die Geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmittels so steuert und regelt, dass sich ein möglichst optimaler Wärmeübergang einstellt. Wird eine Ausführungsform mit Düsenwänden gewählt, die entlang ihrer Rotationsachse beweglich sind, kann der Abstand zwischen Düsenwand und Stirnfläche des Coils ebenfalls so gesteuert und geregelt werden, dass sich eine möglichst optimale Anströmung einstellt.
Die erfindungsgemäße Ausführung einer Vorrichtung mit Düsenwänden, die zu den Stirnflächen des zu erwärmenden oder zu kühlenden Coils beweglich ausgeführt sind, weist verschiedene Vorteile auf. Durch die gleichmäßige Beaufschlagung des Coils mit dem Gas kommt es zu keinen Temperaturspitzen oder -senken, die zu einer Beeinträchtigung des Coilmaterials führen könnten. Es kommt beispielsweise zu keinen Verfärbungen oder Beeinträchtigungen der angestrebten metallurgischen Eigenschaften des gewickelten Metallbandes, so dass die gestellten Qualitätsanforderungen besser und einfacher erfüllt werden können.
Die gleichmäßige Beaufschlagung des Coils mit dem Wärmeübertragungsmittel führt ferner zu einem besseren Wärmeübergang als in herkömmlichen Anlagen, wodurch die Verweilzeit der Werkstücke in den Öfen gesenkt werden kann. Dies ermöglicht Energieeinsparungen und eine Verkürzung der Durchlaufzeiten. Der Einbau eines Trenndüsenkastens verbessert den Nutzungsgrad der Anlage zusätzlich. Bezugszeichenliste 10, 11 Düsenwände
20 Druckkasten
30 Coil
31, 32 Stirnflächen des Coils
40 Antrieb
50 Düsenöffnungen
60 Abstand zwischen Düsenwand und Stirnfläche des Coils
70 Hauptachse des Coils
71 Rotationsachse der Düsenwände
81 Rohrdüse
82 Drallkörper

Claims

1. Verfahren zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche, insbesondere der Stirnfläche eines gewickelten Metallbandes in Form eines Coils, wobei die Oberfläche mittels wenigstens einer Düsenwand mit dem Wärmeübertragungsmittel beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich während der Wärmebehandlung wenigstens eine der Düsenwände (10; 11) und die zu beaufschlagende Oberfläche zueinander bewegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düsenwände (10; 11) bewegen, während die zu beaufschlagende Oberfläche fest steht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwände (10; 11) fest stehen, während die zu beaufschlagende Oberfläche sich bewegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Düsenwände (10; 11) als auch die zu beaufschlagende Oberfläche sich bewegen.

5. Vorrichtung zur konvektiven Wärmeübertragung zwischen einem Wärmeübertragungsmittel und einer Oberfläche, insbesondere der Stirnfläche eines gewickelten Metallbandes in Form eines Coils, wobei die Vorrichtung Mittel zur Beaufschlagung der Oberfläche mit dem Wärmeübertragungsmittel mittels wenigstens einer Düsenwand vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Düsenwände (10; 11) und die zu beaufschlagende Oberfläche während der Wärmebehandlung zueinander bewegbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwände (10; 11) um eine Rotationsachse (71) drehbar sind, die der Hauptachse (70) eines Coils (30) entspricht oder im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft, wobei die Düsenwände (10; 11) im Wesentlichen parallel zu den Stirnseiten (31; 32) des Coils verlaufen.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel ein Fluid oder ein Gas ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Druckkasten (20) umfasst, in dem wenigstens ein Coil (30) und zwei Düsenwände (10; 11) angeordnet sind, wobei die Düsenwände auf den Stirnseiten (31; 32) des Coils (30) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübertragungsmittel durch den Druckkasten (20) und die Düsenwände (10; 11) auf die Stirnseiten (31; 32) des Coils (30) führbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilator ein Gas in und/oder durch den Druckkasten (20) bläst.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwände (10; 11) Schlitz-, Rohr-, Loch- und/oder Dralldüsen (50) aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwände Rohrdüsen (81) aufweisen, welche mit jeweils einem inneren Drallkörper (82) versehen sind.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung zwischen Düsenwänden (10; 11) und dem Druckkasten (20) als Labyrinth- oder Kontaktdichtung ausgeführt ist.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Steuermittel aufweist, die wenigstens die Temperatur und die Geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmittels steuern.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel ein Steuerungs- und Regelungsprogramm beinhalten, das wenigstens die Temperatur und die Geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmittels steuert.

16. Ofenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Vorrichtung zur konvektiven Wärmeübertragung von einem Wärmeübertragungsmittel auf eine Oberfläche aufweist, wobei die Vorrichtung durch einen oder mehrere der Ansprüche 5 bis 15 beschrieben ist.