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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.
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Beispielsweise sind nach der
DE 195 35 854 A1 oder der
DE 100 14 867 A1 neben den Spulen zur Erzeugung des elektromagnetischen Wanderfeldes Korrekturspulen vorgesehen, die mit einem Regelsystem in Verbindung stehen und dafür sorgen, dass das Metallband beim Abweichen von der Mittellage wieder in diese zurückgeführt wird.
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Aus der
EP 0 659 897 B1 ist ein prozessgerechtes Regeln einer Beschichtungsanlage bekannt, wobei durch zusätzliche Induktoren magnetische Kräfte aufgebracht werden, die eine Stabilisierung des Bandes im Durchführkanal bewirken.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Ausgangssignale der Wechselrichter hinsichtlich ihrer Frequenz und/oder deren Amplitude und Form veränderbar sind.
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Allen 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 Auflagenstarke 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 Wirbelströme 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
- τ
- = Polteilung des Induktors in und
- ν
- = Frequenz des Wanderfeldes in
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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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Weiterhin werden dem Wanderfeld Korrekturspulen zum Einstellen der Bandlage zugeordnet, die phasen- und taktsynchron zu der jeweiligen Magnetspule eines Wanderfeld-Induktors eingestellt werden.
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Außerdem 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 nach 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 I 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 I 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 Dicken 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 Schiene 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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Bezugszeichenliste
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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
