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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Einrichtung zum Schmelztauch-Beschichten von Metallbändern, insbesondere
von Stahlbändern,
die vertikal von unten nach oben oder schräg durch das flüssige Beschichtungsmetall
in einer Beschichtungsstation geführt werden und nach dem Austreten
die Beschichtungsdicke kontrolliert wird, mit einer anschließenden Behandlung
für metallurgische
Vorgänge
in Haltezonen für
eine betriebsangepasste Temperatur, wobei das dünne, zu Schwingungen neigende
Metallband noch im flüssigen
Zustand der Beschichtung bei veränderten
Bandgeschwindigkeiten über
elektromagnetische Wanderfelder seitlich geführt wird.
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Es ist bekannt, dass nach der Beschichtungsstation
einer Schmelztauch-Veredelung noch metallurgische Vorgänge in der
Beschichtung vorgenommen werden müssen. Darunter werden z.B.
Diffusionsvorgänge
verstanden, die durch eine Nacherwärmung des Metallbandes in einem
Induktionsofen, nach der Beschichtung und Einstellung der Beschichtungsdicke
mittels eines Luftmessers, angestoßen und in einer anschließenden Haltezone
für die Temperatur
durchgeführt
werden. Dieser Vorgang befindet sich noch im Bereich des schmelzflüssigen Beschichtungsmetalls.
Aus diesem Vorgang folgt, dass in diesem Bereich jede Bandberührung vermieden
werden muss, um nicht Qualitätseinbußen beim Endprodukt
hinnehmen zu müssen.
Die Folge sind sehr lange ( oder hohe Turm- ) Konstruktionen der Einrichtung,
in denen das Metallband keine Elemente zur Bandführung besitzt. Das Metallband
kann durch die Bewegung dabei in Schwingungen von verschiedenen
Arten geraten.
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Versuche zur Lösung dieses Problems führten zu
keinem positiven Ergebnis. Die Versuche beruhten stets auf berührungslosen
Methoden. Eine dieser Methoden besteht darin, das Metallband mittels
Gas durch Düsen
anzublasen und dadurch eine Zentrierung des Metallbandes zwischen
Führungswänden bzw.
den Düsen
zu erreichen. Andere Verfahren bilden die magnetische Anziehung
des Metallbandes zwecks Zentrierung zwischen Magnetpolpaaren. Beiden
Verfahren haften in der Praxis folgende Nachteile an:
Ein erster
Nachteil entsteht wie folgt: Das Anblasen des Metallbandes mit Gas
von beiden Seiten verursacht zum einen das Problem der wichtigen
Temperaturführung
während
der Diffusionsprozesse. Ein Ausblasen von Gas gleich welcher Art
aus einer wie auch immer geformten Düse stellt immer eine adiabatische
Entspannung eines Gases mit der Folge einer Abkühlung des Gases und damit einer
unerwünschten
Kühlwirkung
auf die Beschichtungsoberfläche
dar. Zum anderen besteht aber auch die Gefahr einer weiteren Veränderung
der Auflagenstärke des
Beschichtungsmetalls durch den Impuls des Gases, da immer noch der
Zustand des schmelzflüssigen
Beschichtungsmetalls besteht.
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Ein zweiter Nachteil entsteht wie
folgt: Der Einsatz von magnetischen Elementen erzeugt Probleme anderer
Art. Die ferromagnetische Anziehungskraft von Magneten bildet eine
Kraft, die mit abnehmendem Abstand zum Magneten exponentiell wächst. Aufgrund
dieses Prinzips die Lage eines Metallbandes mittels eines Paares
von steuerbaren Magneten einzustellen, würde ein hochgradig labiles System
bedeuten, das mit einem Balancieren einer Kugel auf einer Spitze
vergleichbar wäre.
Ein weiterer Nachteil der Magnetsysteme ist das Auftreten von Wirbelströmen im Metallband
, die beim Durchlaufen des Metallbandes durch die Magnetpaare erzeugt werden.
Diese Wirbelströme
kommen gemäß dem Induktionsgesetz
durch den Schlupf des bewegten Metallbandes gegenüber den
stationären
Magnetpaaren und durch den für
den Betrieb der Magnetpaare verwendeten Wechselstrom zustande. Die Wirbelströ me führen zu
einer für
die Diffusion unerwünschten
Aufheizung des Metallbandes beim Durchlaufen. Für den Fall, dass zur magnetischen Zentrierung
des Metallbandes versucht wird, den Effekt der ferromagnetischen
Anziehung zu reduzieren oder auszuschalten, muss in Bereiche der
Treiberfrequenz der Magnetpaare von mehreren Kilohertz vorgestoßen werden.
Solch hohe Frequenzen verschärfen
aber das Problem der Wirbelströme
nur noch mehr, so dass von deren Einsatz bisher abgesehen wurde.
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Ein weiteres (drittes) Problem besteht
durch die geringe Eigensteifigkeit von dünnen Metallbändern. Es
genügt
nicht, die Magnete in Reihe nebeneinander anzuordnen. Es bestehen
Anforderungen an die Mindestgröße der Magnetspulen,
um noch genügend
Induktionsfeldstärke
durch die Magneten zu erzeugen. In der Praxis kann eine sehr geringe
Eigensteifigkeit der Metallbänder
beobachtet werden, die durch bloßes Nebeneinanderstellen der
Magnete nicht vermieden werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche
Wirbelströme
in schon beschichteten Metallbändern
auch im Fall von Änderungen
der Metallband-Geschwindigkeit zu vermeiden.
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Die gestellte Aufgabe wird beim dem
eingangs bezeichneten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Synchrongeschwindigkeit des Wanderfeldes der Induktoren gleich
der Bandgeschwindigkeit eingestellt wird. Bei der Vermeidung der
Wirbelströme
in den beschichteten Metallbändern
kommt den Wanderfeld-Induktoren eine erhebliche Bedeutung zu. In
den Produktionsstraßen
werden geregelte Antriebe für
die Einstellung der Geschwindigkeit der Metallbänder eingesetzt . Dadurch sind
Frequenzumrichter vorhanden, die die Motorendrehzahl der Antriebe über eine
Vorgabe der Treiberfrequenz einstellen. Aus der Induktortechnik
ist geläufig,
dass die Synchrongeschwindigkeit des Wanderfeldes vor den Induktoren
der Gleichung vsyn = 2∙τ•ν folgt, mit
vsyn = Synchrongeschwindigkeit des Wanderfeldes
in ⌊m/s⌋
τ =
Polteilung des Induktors in ⌊m⌋ und
ν = Frequenz
des Wanderfeldes in ⌊1/s⌋.
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Für
den Fall, dass die Synchrongeschwindigkeit des Induktorfeldes gleich
der Bandgeschwindigkeit ist, werden im durchlaufenden Metallband
keine Wirbelströme
erzeugt. Dadurch wird die nachteilige zusätzliche Erwärmung der Beschichtungsdicke
auf dem Metallband vermieden, so dass die gewünschten metallurgischen Vorgänge stattfinden
können.
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Eine Verbesserung besteht darin,
dass dem Wanderfeld Korrekturspulen zum Einstellen der Bandlage
zugeordnet werden, die phasen- und taktsynchron zu der jeweiligen
Magnetspule eines Wanderfeld-Induktors eingestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
bei einer Änderung
der Bandgeschwindigkeit gleichzeitig die Treiberfrequenz für die Wanderfelder und
damit auch die Taktfrequenz der Korrekturspulen zum Korrigieren
der Bandlage angepasst wird.
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Für
die Einrichtung zur Schmelztauch-Beschichtung von Metallbändern, insbesondere
von Stahlbändern,
wird von einem Stand der Technik ausgegangen mit einem Band-Wärmofen und
einer das flüssige
Beschichtungsmetall aufnehmenden Beschichtungsstation und vertikal,
horizontal oder schräg
verlaufenden Behandlungsstrecken, wobei an die Beschichtungsstation
anschließende
Mittel zur Konstanthaltung der Beschichtungsdicke angeordnet sind
und die anschließenden
Behandlungsstrecken für
metallurgische Vorgänge
in Haltezonen für
eine betriebsangepasste Temperatur vorgesehen sind, in denen das
dünne,
zu Schwingungen neigende Metallband noch im flüssigen Zustand der Beschichtung bei
veränderbaren
Bandgeschwindigkeiten mittels Wanderfeld-Induktoren seitlich geführt ist.
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Das Problem der Aufheizung durch
Wirbelströme
im Metallband mit der noch flüssigen
Beschichtungsdicke und das Problem der Schwingungen innerhalb der
Führungskanäle wird
hier erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass Korrekturspulen in Dreiecks-Grundformen angeordnet sind und
dass die Synchrongeschwindigkeit des Wanderfeldes der Induktoren
zur Bandgeschwindigkeit gleich eingestellt ist. Die Vorteile einer
solchen Anordnung sind eine mögliche
phasen- und taktsynchrone Betätigung der
Magnetspulenpaare zur Einstellung der Bandlage zu der jeweiligen
Spule des Wanderfeld-Induktors, vor der sie sich befinden. Außerdem werden
auch durch die Magnetfeldpaare keine Wirbelströme im Metallband erzeugt. Für den Fall
einer notwendigen Veränderung
der Bandgeschwindigkeit wird gleichzeitig auch die Treiberfrequenz
der Wanderfeld-Induktoren und damit auch die Treiberfrequenz der
Magnetspulenpaare zur Einstellung der Bandlage angepasst. Die Wirbelströme und damit
die unerwünschte Erwärmung des
durchlaufenden Metallbandes werden also vollständig vermieden.
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Die Einrichtung kann demzufolge dadurch ausgestaltet
werden, dass dem Wanderfeld Korrekturspulen zur Einstellung der
Bandlage beigefügt sind,
die phasen- und taktsynchron zu der jeweiligen Magnetspule des Wanderfeld-Induktors
eingestellt werden.
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Eine weitere Verbesserung ist demzufolge dadurch
gegeben, dass mit einer Änderung
der Bandgeschwindigkeit gleichzeitig (automatisch) eine Anpassung
der Treiberfrequenz der Wanderfeld-Induktoren und damit der Taktfrequenz
der Korrekturspulen zur Korrektur der Bandlage verbunden ist.
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Die Einstellung der Bandlage, der
Phasenlage und/oder der Taktfrequenz erfolgt nunmehr dadurch, dass
ein Paar von Wanderfeld-Induktoren mit Magnetspulen in Bandlaufrichtung
hinter der Beschichtungsstation jeweils im Abstand zum Metallband
verstellbar sind. Dadurch werden die gewünschten gleichen Abstände erreicht.
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Eine praktische Ausführungsform
wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erzielt, dass die Wanderfeld-Induktoren
mit Rollen auf einer horizontalen Schiene geführt sind. Dadurch kann der
jeweils erwünschte
Abstand zum Metallband und / oder zum Führungskanal leicht korrigiert
werden.
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Die automatische Verstellung der
Wanderfeld-Induktoren kann dadurch erfolgen, dass pro Wanderfeld-Induktor
ein Verstell-Antrieb vorgesehen ist. Ein solcher kann als Geradschubantrieb
elektrisch, elektrisch- mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch
ausgebildet sein.
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Ein anderer die Erfindung weiterbildender Vorschlag
besteht darin, dass die Wanderfeld-Induktoren aus einer Grundstellung
jeweils mit einem schwachen Wanderfeld eingeschaltet und in ihre
Betriebsstellung herangefahren werden.
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In dieser Richtung bestehen weitere
Merkmale darin, dass für
ein Anhalten des Beschichtungs-Prozesses die Wanderfeld-Induktoren
in ihrer der Bandgeschwindigkeit angemessenen Treiberfrequenz niedriger
eingestellt werden.
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Für
die Einrichtung zur Schmelztauch-Beschichtung von Metallbändern, insbesondere
von Stahlbändern,
wird von einem Stand der Technik ausgegangen, mit einem Band-Wärmofen und
mit einer das flüssige
Beschichtungsmetall aufnehmenden Beschichtungsstation, und einer
horizontal oder gering schräg
verlaufenden Behandlungsstrecke, wobei an die Beschichtungsstation
anschließend
Mittel zur Konstanthaltung der Beschichtungsdicke angeordnet sind
und die anschließenden
Behandlungsstrecken für
metallurgische Vorgänge
in Haltezonen für
eine betriebsangepasste Temperatur angeordnet sind, in denen das
dünne,
zu Schwingungen neigende Metallband noch im flüssigen Zustand der Beschichtung bei
veränderbaren
Bandgeschwindigkeiten mittels Wanderfeld-Induktoren zumindest nach
unten gestützt
oder geführt
ist.
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Das Problem der Aufheizung des Metallbandes
durch Wirbelströme
im Metallband mit der noch flüssigen
Beschichtungsdicke und das Problem der Schwingungen und der Bandlage
innerhalb der horizontalen Führungskanäle wird
hier erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Korrekturspulen horizontal in Dreiecks-Grundformen angeordnet
sind und dass die Synchrongeschwindigkeit des Wanderfeldes der Induktoren
zur Bandgeschwindigkeit gleich eingestellt ist. Dadurch werden insbesondere
die dünnen Metallbänder mit
geringer Eigensteifigkeit in horizontaler Ebene berücksichtigt.
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Die hierfür vorgesehene Weiterbildung
besteht darin, dass pro Bandseite zumindest ein Wanderfeld-Induktor
mit Rollen auf einer vertikalen Schiene einstellbar geführt ist.
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Generell gilt sodann sowohl für eine vertikale als
auch eine horizontale oder leicht schräge Anwendung des Prinzips der
Erfindung, dass der Wanderfeld-Induktor mittels eines berührungslosen
Abstandsmessgerätes
von einer Endstellung in eine Betriebsstellung einstellbar ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt, die nachstehend näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine
Gesamtansicht einer vertikalen Einrichtung im Aufriss,
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1A eine
Einzelheit der Gesamtansicht aus 1 in
vergrößertem Maßstab,
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2A eine
Teilansicht u.a. mit Band-Wärmofen,
Rollenkammer, Abdichtungs-Induktorenpaar, Beschichtungsstation,
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2B eine
Teilansicht u.a. mit Band-Wärmofen,
Beschichtungsstation, Luftmesser, Induktionsofen und Behandlungsstrecken
in alternativer Ausführungsform,
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3 eine
Gesamtansicht einer horizontalen Einrichtung in Ansicht,
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3A eine
Einzelheit der Gesamtansicht aus 3 in
vergrößertem Maßstab,
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4 eine
Vorderansicht des elektromagnetischen Induktors im Schnitt für vertikale
oder für
horizontale Einrichtungen und
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5 die
zu 4 gehörende Seitenansicht.
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Eine praktische Ausführungsform
der Einrichtung zum Schmelztauch-Beschichten ist in den 1 und 1A gezeigt. Ein Metallband 1,
in der Regel ein Stahlband 1a wird mit flüssigem Beschichtungsmetall 2 (Zinn,
Zink, Kupfer u. dgl.) in einer Beschichtungsstation 3 beschichtet,
das in einem Beschichtungsgefäß 3 flüssig gehalten
wird. Nach dem Beschichtungsvorgang in der Beschichtungsstation 3, das
durch kontinuierliches und gleichmäßiges Durchziehen des Metallbandes 1 erfolgt,
gelangt das Stahlband 1a durch den Induktionsofen 4 in
Behandlungsstrecken 9 zur beschriebenen metallurgischen
Nachbehandlung, wobei eine Behandlung 1 und eine Behandlung
II vorgesehen sind. Dabei kann es sich um Temperatur-Vergleich-mäßigungen,
Diffusionen u. dgl. handeln. Das beschichtete Metallband 1 verlässt danach
die Einrichtung. Zwischen den Behandlungen 1 und II befindet
sich eine Bandführung
mit Wanderfeld-Induktoren 5.
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Der Bandeinlauf kann unterschiedlich
ausgestaltet sein. Gemäß 2A wird das in einem Band-Wärmofen 8 in
Schleifen gespeicherte und erwärmte
Metallband 1, z.B. Stahlband 1a, mit Dicken von
ca. 0,05 bis 4 mm (aus kaltgewalztem Band) oder Dikken von ca. 0,5
bis 6 mm (aus warmgewalztem Band) in einer Rollenkammer 1c um
zwei nebeneinander, horizontal liegende Rollen umgelenkt und das Beschichtungsmetall 2 wird
innerhalb eines Abdichtungs-Induktorpaars 5a aufgebracht,
das das Beschichtungsmetall 2 am Auslaufen nach unten hindert.
Danach durchläuft
das Metallband 1 ein Luftmesser 3a und einen Induktionsofen 4 und
gelangt dann in eine erste Behandlungstrecke 9, die aus
einem Halteofen (soaking furnace) besteht und wird später nach
erfolgter Diffusion in einer zweiten Behandlungstrecke 9 abgekühlt.
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Der Vorteil dieser Anordnung ist,
dass die beiden horizontal nebeneinander liegenden Rollen nicht
in dem Beschichtungsmetall 2 laufen und somit nicht besonders
gewartet werden müssen.
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Eine andere Alternative zeigt 2B. Das Metallband 1 bzw.
das Stahlband 1a wird in der Beschichtungsstation 3 durch
das flüssige
Beschichtungsmetall 2 geführt, dann folgt das Luftmesser 3a, der
Induktionsofen 4 und dann die beschriebenen Behandlungsstrecken 9,
die eine Länge
von bis zu ca. 50 m aufweisen können.
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Gemäß den 1 und 1A sind
Korrekturspulen 21 in Dreiecks-Grundformen 10 angeordnet
und näher
zu den 4 und 5 beschrieben. Die das Wanderfeld
erzeugenden Korrekturspulen werden phasen- und taktsynchron zu der
jeweiligen Magnetspule 6a, 6b der Wanderfeld-Induktoren 5 in
mittlerer Bandlage 7 eingestellt. Mit der Änderung
der Bandgeschwindigkeit ist automatisch eine Anpassung der Treiberfrequenz
der Wanderfeld-Induktoren 5 und damit der Taktfrequenz
der Korrekturspulen 21 zur Korrektur der Bandlage 7 verbunden.
Zur Anpassung einer veränderten
Bandgeschwindigkeit wird die Synchrongeschwindigkeit des Wanderfeldes
der Wanderfeld-Induktoren 5 gleich eingestellt. Zu diesem Zweck
sind ein Paar von Wanderfeld-Induktoren 5 mit ihren Magnetspulen 6a, 6b in
Bandlaufrichtung 11, wie in den 1A und 3A gezeigt,
jeweils im Abstand 12 zum Stahlband 1a verstellbar.
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Im Ausführungsbeispiel für eine Vertikaleinrichtung
gemäß den 1 und 1A sind die Wanderfeld-Induktoren 5 mittels
Rollen 13 auf einer horizontalen Schiene 14 geführt. Pro
Wanderfeld-Induktor 5 ist jeweils ein Verstell-Antrieb 15 angeschlossen.
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Im Ausführungsbeispiel für eine Horizontaleinrichtung
gemäß den 3 und 3A ist pro Bandseite 1b der
Wanderfeld-Induktor 5 mit Rollen 13 auf einer
vertikalen Schie ne 17 einstellbar zur Bandlage 7 geführt. Dadurch
kann die Tendenz des Metallbandes 1 durch Gravitation nach
unten durchzuhängen, aufgefangen
werden. Hierfür
wird ggfs. nur ein Wanderfeld-Induktor 5 zwischen Austritten 4a eingesetzt.
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Der Wanderfeld-Induktor 5 kann
jeweils mittels eines berührungslosen
Abstandsmessgerätes 18 ,
z.B. eines LASER-Abstandsmessgerätes,
von einer Grundstellung 16 in eine Betriebsstellung 19 eingestellt
werden. Die Wanderfeld-Induktoren 5 werden aus der Grundstellung 16 jeweils
mit einem schwachen Wanderfeld eingeschaltet und in ihre Betriebsstellung 19 herangefahren.
Für das
Anhalten des Beschichtungs-Prozesses sind die Wanderfeld-Induktoren 5 in
ihrer der Bandgeschwindigkeit angemessenen Treiberfrequenz niedriger
eingestellt.
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Der Wanderfeld-Induktor 5 ist
in den 4 und 5 näher dargestellt. Die Magnetspulenpaare 6 bestehen
jeweils aus Magnetspulen 6a und Magnetspulen 6b auf
beiden Bandseiten 1b des Stahlbandes 1a und verlaufen
(5) über die gesamte Breite des
Wanderfeld-Induktors 5. Die Magnetspulen 6a, 6b sind
in Nuten 20 eingelegt, die in dem metallischen Körper des
jeweiligen Wanderfeld-Induktors 5 vorgesehen sind. Neben 4 sind für die Magnetspulen 6 die
Stromrichtungen eingetragen ( ein Punkt bedeutet den zufließenden Strom
und ein Kreuz den abfließenden
Strom). Für
die exakte mittige Bandlage 7 sind die Korrekturspulen 21 in
dem Wanderfeld-Induktor 5 angeordnet.
Aus 5 geht die Anordnung
der Korrekturspulen 21 nebeneinander in sechs Reihen 22a bis 22f hervor.
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Aus 5 ist
ferner ersichtlich, dass die Korrekturspulen 21 in zwei
aufeinanderfolgenden Reihen 22a, 22b, 22c, 22d, 22e und 22f zueinander
versetzt angeordnet sind. Die Mitte 23 der Korrekturspulen 21 ist
jeweils um gleiche Abstände
a und b versetzt, wodurch die Dreiecks-Grundform 10 entsteht. Dadurch
ergänzen
sich die jeweiligen Magnetfelder, ohne sich gegenseitig zu stören.
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- 1
- Metallband
- 1a
- Stahlband
- 1b
- Bandseite
- 1c
- Rollenkammer
- 2
- Beschichtungsmetall
- 3
- Beschichtungsstation
- 3a
- Luftmesser
- 4
- Induktionsofen
- 4a
- Austritt
- 5
- Wanderfeld-Induktor
- 5a
- Abdichtungs-Induktorpaar
- 6
- Magnetspulenpaar
- 7
- Bandlage
- 8
- Band-Wärmofen
- 9
- Behandlungsstrecke
- 10
- Dreiecks-Grundform
- 11
- Bandlaufrichtung
- 12
- Abstand
zum Metallband
- 13
- Rollen
- 14
- horizontale
Schiene
- 15
- Verstell-Antrieb
- 16
- Grundstellung
- 17
- vertikale
Schiene
- 18
- berührungsloses
Abstandsmessgerät
- 19
- Betriebsstellung
- 20
- Nuten
- 21
- Korrekturspulen
- 22a
-22f
- Reihen
- 23
- Mitte