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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Entzundern und/oder Reinigen eines Metallstranges, insbesondere
eines warmgewalzten Bandes aus Normalstahl oder aus nicht rostendem
Stahl, bei dem der Metallstrang in eine Förderrichtung durch eine Vorrichtung
geführt
wird, in der er der Entzunderung und/oder der Reinigung unterzogen
wird, wobei der Metallstrang in einem ersten Verfahrensschritt einer thermischen
Behandlung, insbesondere einer Plasmabehandlung, unterzogen wird
und wobei der Metallstrang in einem nachgeschalteten zweiten Verfahrensschritt
einer Beizbehandlung unterzogen wird.
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Für
die Weiterverarbeitung – z.
B. durch Kaltwalzen, für
eine metallische Beschichtung oder die direkte Verarbeitung zu einem
Endprodukt – muss warmgewalztes
Stahlband eine zunderfreie Oberfläche haben. Daher muss der beim
Warmwalzen und während
der nachfolgenden Abkühlung
entstandene Zunder restlos entfernt werden. Dies erfolgt bei einigen
vorbekannten Lösungen
durch einen Beizprozess, wobei der aus den verschiedenen Eisenoxiden (FeO,
Fe3O4, Fe2O3) oder bei nichtrostenden
Stählen auch
aus chromreichen Eisenoxiden bestehende Zunder je nach Stahlqualität mittels
verschiedener Säuren
(z. B. Salzsäure,
Schwefelsäure,
Salpetersäure
oder Mischsäure)
bei erhöhten
Temperaturen durch chemische Reaktion mit der Säure gelöst wird.
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Vor dem Beizen ist bei Normalstahl
noch eine zusätzliche
mechanische Behandlung durch Streckbiegerichten erforderlich, um
den Zunder aufzubrechen und somit ein schnelleres Eindringen der Säure in die
Zunderschicht zu ermöglichen.
Bei den wesentlich schwieriger zu beizenden nichtrostenden, austenitischen
und ferritischen Stählen
sind ein Glühen
und eine mechanische Vorentzunderung des Bandes beim Beizprozess
vorgeschaltet, um eine möglichst
gut beizbare Bandoberfläche
zu erzielen. Nach dem Beizen muss das Stahlband gespült, getrocknet
und je nach Bedarf eingeölt
werden, um eine Oxidation zu verhindern.
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Das Beizen von Stahlband wird in
kontinuierlichen Linien durchgeführt,
deren Prozessteil in Abhängigkeit
von der Bandgeschwindigkeit eine sehr große Länge haben kann. Derartige Anlagen
erfordern daher sehr hohe Investitionen. Der Beizprozess erfordert
außerdem
sehr viel Energie und einen hohen Aufwand für die Entsorgung der Abwässer und die
Regenerierung der Salzsäure,
die bei Normalstahl meistens verwendet wird.
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Es gibt daher im Stand der Technik
verschiedenartige Ansätze,
die Entzunderung von metallischen Strängen ohne Einsatz von Säuren zu
bewerkstelligen. Bisher bekannte Entwicklungen basieren hier zumeist
auf einer mechanischen Entfernung des Zunders (z. B. Ishiclean-Verfahren,
APO-Verfahren). Allerdings sind derartige Verfahren hinsichtlich
ihrer Wirtschaftlichkeit und Qualität der entzunderten Oberfläche für die industrielle
Entzunderung von breitem Stahlband nicht geeignet. Daher wird bei
der Entzunderung derartigen Bandes nach wie vor auf den Einsatz
von Säuren
gesetzt.
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Die Nachteile hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit
und der Umweltbelastung müssen
daher bislang in Kauf genommen werden.
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Neuere Ansätze für das Entzundern von metallischen
Strängen
setzen auf die Plasma-Technologie. Dieses Verfahren ist beispielsweise
in der
JP 03207518
A , in der
JP
07256330 A sowie in der WO 00/56949 A1, der WO 01/00337
A1, der
RU 2153025 C1 und
der
RU 2139151 C1 beschrieben.
Bei der dort offenbarten Plasma-Entzunderungstechnologie läuft das
zu entzundernde Gut zwischen speziellen Elektroden, die sich in
einer Vakuumkammer befinden. Die Entzunderung erfolgt durch das
zwischen Stahlband und Elektroden erzeugte Plasma, wobei eine metallische
blanke Oberfläche
ohne Rückstände erzeugt
wird. Die Plasma-Technologie
stellt damit eine wirtschaftliche, qualitativ einwandfreie und umweltfreundliche
Möglichkeit
der Entzunderung und Reinigung von Stahloberflächen dar. Sie ist einsetzbar
für Normalstahl
und für
nichtrostenden, austenitischen und ferritischen Stahl. Eine spezielle
Vorbehandlung ist nicht erforderlich.
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Bei der genannten
JP 03207518 erfolgt zunächst ein
Zunderbrechen in einem eingerüstigen Walzwerk;
anschließend
wird durch Funkenerosion in einem Flüssigkeitstank der aufgerauhte
Zunder entfernt. Dann erfolgt die Bandbeize.
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Bei der genannten
JP 07256330 A findet ein Zunderbrechen
mit Hilfe eines Shot-Blasters
(d. h. durch Kugelbestrahlung) statt. An diesen schließt sich
eine Behandlung mit einem Vakuum-Lichtbogen an, die einen Teil des
Zunders entfernt. Hieran wiederum schließt sich der Beizvorgang an.
Der Lichtbogen wirkt dabei verdampfend.
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Als weitere Möglichkeit der Entzunderung von
Metallsträngen
ist aus der
JP 07132316
A ein gattungsgemäßes Verfahren
bekannt, bei dem der Metallstrang in einem ersten Verfahrensschritt
einer Plasmabehandlung unterzogen wird und eine nachgeschaltete
Beizbehandlung stattfindet. Das dort vorgeschlagene Verfahren hat
eine vorbereitende Sektion, in der eine Wärmebehandlung mit einer Haltezone
für die
Temperatur durchgeführt
wird. Hier können noch
Gefügeumwandlungen
stattfinden, was sehr nachteilig sein kann. Die nachfolgende Plasmabehandlung wird
auf hohem Temperaturniveau mit einem reduzierenden Gas durchgeführt, wobei
es Ziel ist, eine Reduktion des Zunders auf der Oberfläche des
Metallstranges zu erreichen. Eine solche Reduktion des Zunders erreicht
man typischerweise mit Gastemperaturen oberhalb von 400 °C. Das nachgeordnete
Beizbecken wird dann zum Kühlen
und Abbeizen verwendet.
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Bei der Entzunderung von Stahlband
hat es sich jedoch gezeigt, dass die in den genannten Schriften
offenbarten Verfahren noch zu keinem hinreichenden Ergebnis führen, d.
h. dass das entsprechend behandelte Stahlband nicht in der benötigten Qualität entzundert
werden kann.
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Eingehende Analysen haben gezeigt,
dass beim klassischen Abbeizverfahren zur Reinigung der verzunderten
Stahlbandoberfläche
vor den anschließenden
Verfahren zur Materialbehandlung bzw. Oberflächenveredlung insbesondere
die Hämatitschicht
des Zunders Probleme bereitet, da sie sich nur schwer durch Abbeizen
entfernen lässt.
Das bekannte Zunderbrechen vor dem Beizen bringt hier ein nur ungenügendes Resultat.
Beim Zunderbrechen handelt es sich zumeist um einen Streckvorgang
für das
Warmband, der die Zunderschicht aufreißt. Das Beizmittel hat damit
Gelegenheit, in die Poren und Risse im Zunder einzudringen und die
widerstrebende Hematitschicht zu unterlaufen.
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Als nachteilig hat es sich dabei
jedoch herausgestellt, dass hierdurch eine starke Begrenzung der
Durchlaufgeschwindigkeit des Metallstranges durch die Entzunderungs-
bzw. Reinigungsvorrichtung bedingt ist, die sich insbesondere bei
der Behandlung von im Trend immer dünner werdenden Stahlbändern negativ
bemerkbar macht.
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Bei den bereits diskutierten Verfahren,
die die Zunderschicht auf thermischem Wege ablösen (also mittels Flammspritzen
oder Plasmabehandlung) ergeben sich ebenfalls gravierende Nachteile:
Es
hat sich bei der Anwendung dieser Verfahren gezeigt, dass sie zwar
in der Lage sind, die Zunderschichten von der Stahlbandoberfläche vollständig abzulösen. Dabei
werden die Stahlbänder
jedoch stark erwärmt
und laufen Gefahr, eine Gefügeumwandlung
zu erfahren. Dabei ist die Erwärmung
insbesondere beim Einsatz von Plasma auf der Oberfläche des
Stahlbandes zu hoch; die Plasmatemperaturen liegen typischerweise
bei ca. 20.000 K. Hierdurch kommt es zu lokalen Aufschmelzungen
der Oberfläche,
die durch das darunter liegende kalte Stahlband schockartig abgekühlt werden
und so zu amorphen Strukturen im Bereich der Bandoberfläche führen. Dadurch
wird die nachfolgende Behandlung nachteilig beeinflusst.
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Weiterhin ist es problematisch, dass
es im Falle von lokalen Aufschmelzungen der Oberfläche passieren
kann, dass der Zunder, den man eigentlich entfernen möchte, in
die Oberfläche
des Metallstranges beim Wiederabkühlen mit eingeschmolzen wird.
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Die sich mit den vorbekannten Verfahren
ergebende Oberflächenstruktur
des Metallstranges – insbesondere
bei eingeschmolzenem Zunder – erweist
sich in den nachfolgenden Behandlungsschritten als sehr nachteilig,
da sie sowohl eine schlechte Haftung von Oberflächenbeschichtungen bedingen als
auch gravierende Schädigungen
der Walzen nachgeschalteter Kaltverformungs-Walzwerke zur Folge
haben kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Entzundern und/oder zum Reinigen eines
Metallstranges zu schaffen, mit dem es möglich ist, die genannten Nachteile
zu vermeiden und insbesondere eine verbesserte Entzunderung und/oder
Reinigung des Metallstranges möglich
zu machen, wobei sowohl ökonomische
als auch ökologische
Vorteile erreicht werden sollen.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung,
insbesondere die Plasmabehandlung, in einer solchen Weise erfolgt,
dass mit ihr im wesentlichen nur eine erste, obere Zunderschicht des
Metallstranges entfernt wird und dass die Beizbehandlung in einer
solchen Weise erfolgt, dass mit ihr im wesentlichen nur eine zweite,
unterhalb der ersten Zunderschicht liegende Zunderschicht des Metallstranges
entfernt wird.
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Bevorzugt handelt es sich bei der
ersten, oberen Zunderschicht des Metallstranges um eine Schicht
aus Hämatit,
während
die zweite, untere Zunderschicht des Metallstranges eine Schicht
aus Magnetit und/oder Wüstit
ist.
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Es hat sich nämlich bei Versuchen herausgestellt,
dass das thermische Verfahren der Plasmabehandlung besonders gut
und effizient dazu geeignet ist, eine erste, obere Zunderschicht
des Metallstranges – also
die Schicht aus Hämatit – zu entfernen, während dieses
Verfahren für
die Ablösung
der tiefer liegenden Schicht – zumeist
aus Magnetit bzw. Wüstit – nicht
optimal geeignet ist. Allerdings lässt sich diese tiefer liegende
Schicht sehr leicht abbeizen, so dass mit der spezifischen Kombination
der vorgeschlagenen Verfahrensschritte eine optimale Lösung der
zugrunde liegenden Aufgabe sichergestellt ist. Insbesondere kann
mit einer relativ hohen Durchlaufgeschwindigkeit des Metallstranges
durch die Entzunderung- bzw.
Reinigungsvorrichtung gearbeitet werden, was das Verfahren sehr
wirtschaftlich macht.
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Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens
ergibt sich daraus, dass die thermische Entfernung der ersten Zunderschicht
mittels des Plasma-Verfahrens
den Metallstrang für
den sich anschließenden
Beizvorgang leicht vorwärmt.
Damit kann eine weitere angestrebte Steigungen der Produktionsgeschwindigkeit
erreicht werden. Während des
ersten Verfahrensschritts – also
während
der Plasmabehandlung – wirken
zudem die Magnetit- und Wüstitschichten
auf dem Metallstrang isolierend und verhindern so lokale Aufschmelzungen
auf der Oberfläche
des Metallstranges. Weiterhin ist durch den genannten Isolationseffekt
der Magnetit- und Wüstitschichten
sichergestellt, dass ein Einschmelzen von Zunderpartikeln in die
Oberfläche
des Metallstranges verhindert wird.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass
die gezielte Entfernung der ersten, oberen Zunderschicht des Metallstranges
durch Einstellung der Temperatur des Plasmas und/oder des Drucks
des Plasmastrahls erfolgt, mit dem das Plasma auf die Oberfläche des
verzunderten Metallstranges gelangt. Die Hämatitschicht des Zunders ist
nämlich
durch ihre spröde
Eigenschaft gekennzeichnet. Daher wird gemäß dieser Ausgestaltung das
thermische Verfahren der Plasmabehandlung hinsichtlich der Temperatur
und des "Impact" (Gasstoßes) des
Plasmagases so gesteuert, dass die Hämatitschicht durch einen Thermoschock
von den Magnetit- und Wüstitschichten
gelöst werden
kann. Der "Impact" des Gases kann dann
dafür sorgen,
dass die abgeplatzten Schichten von der Oberfläche des Metallstranges geblasen
werden.
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Die Plasmabehandlung erfolgt bevorzugt
in einer reduktionsfreien Atmosphäre. Ferner kann sie unter normalem
Atmosphärendruck
durchgeführt werden.
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Wie bereits erwähnt, kann mit besonderem Vorteil
die Entfernung der ersten, oberen Zunderschicht des Metallstranges
(Hämatitschicht)
durch die Plasmabehandlung erfolgen, indem diese Zunderschicht einer
schockartigen Erwärmung
unterzogen wird.
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Die Wirtschaftlichkeit des vorgeschlagenen Verfahrens
kann dadurch weiter erhöht
werden, dass der Metallstrang der Vorrichtung ohne mechanische Vorbehandlung
der Zunderschichten zugeführt
wird (also kein Zunderbrechen erfolgt). Dies erhöht weiterhin die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens. Bevorzugt wird dabei der Metallstrang kontinuierlich
durch die Vorrichtung geführt.
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Eine besonders hohe Qualität der Entzunderung
bzw. der Reinigung des Metallstranges kann erreicht werden, wenn
nach der Vorrichtung eine Prüfung
der Oberfläche
des Metallstranges durchgeführt wird;
es ist dann vorgesehen, dass die Geschwindigkeit, mit der der Metallstrang
durch die Vorrichtung zur Entzunderung und/oder Reinigung geführt wird, in
Abhängigkeit
von der Prüfung
im geschlossenen Regelkreis so vorgegeben wird, dass eine gewünschte Entzunderungsqualität bzw. Reinigungsqualität erzielt
wird. Dies bedeutet, dass namentlich bei noch ungenügender Entzunderungsqualität bzw. Reinigungsquatität die Durchlaufgeschwindigkeit
des Metallstranges durch die Vorrichtung herabgesetzt wird, so dass
das Plasma bzw. die Beize eine längere Einwirkungszeit
auf den Metallstang hat. Dadurch lässt sich die Qualität des Entzunderungs-
bzw. Reinigungsvorgangs an die speziellen Bedürfnisse anpassen.
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Besonders bevorzugt kann sich direkt
an das Entzundern und/oder Reinigen des Metallstranges eine Beschichtung
des Strangs mit flüssigem
Metall anschließen,
insbesondere eine Feuerverzinkung. Hierfür finden die bekannten Beschichtungsverfahren
Anwendung. Eine Möglichkeit
besteht darin, den Metallstrang durch einen Kessel, der mit dem
flüssigen
Beschichtungsmetall gefüllt
ist, zu führen,
wobei eine Umlenkung des Metallstranges im Kessel stattfindet. Alternativ
kann aber auch das CVGL-Verfahren (Continuous Vertical Galvanizing
Line) zum Einsatz kommen, bei dem der Metallstrang durch einen Kessel,
der mit dem flüssigen
Metall gefüllt
ist, von unten hindurchgeführt
wird, wobei das Beschichtungsmetall im Kessel durch einen elektromagnetischen
Verschluss zurückgehalten
wird. Nach dem Entzundern und/oder Reinigen und vor dem Beschichten
mit flüssigem
Metall erfolgt bevorzugt eine Erwärmung des Metallstangs, vorzugsweise
durch Induktionserwärmung.
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Im unmittelbaren Anschluss an das
Entzundern und/oder Reinigen des Metallstranges kann auch ein Kaltwalzen
des Metallstranges erfolgen.
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Insgesamt ergibt sich ein hochproduktives Verfahren
zur Verarbeitung eines Metallstranges, bevorzugt für warmgewalztes
Band aus Normalstahl oder aus nicht rostendem Stahl, das eine ökonomische
und ökologische
Entzunderung und/oder Reinigung des Metallstranges sicherstellt
und das sich vor allem in der Kombination mit nachgeschalteten Behandlungseinrichtungen
bewährt
hat.
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Die beschriebene Technologie bietet
vor allem im Vergleich mit dem klassischen Beizen Vorteile hinsichtlich
des Umweltschutzes, dem Energieverbrauch und der Qualität. Ferner
sind die Investitionskosten für
entsprechende Anlagen wesentlich geringer als bei bekannten Entzunderungs-
und/oder Reinigungsanlagen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt.
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Es zeigen:
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1 schematisch
den Schnitt durch einen Metallstrang mit Zunderschicht,
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2 schematisch
eine Vorrichtung zur Entzunderung und Reinigung des Metallstranges
und
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3 eine
zu 1 analoge Darstellung
des Metallstranges in drei verschiedenen Stadien.
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In 1 ist
schematisch der Schnitt durch einen verzunderten Metallstrang 1 zu
sehen. Der Metallstrang 1 bewegt sich mit einer Geschwindigkeit
v in Förderrichtung
R in eine in 1 nicht
dargestellte Vorrichtung zum Entzundern und zum Reinigen des Stranges.
Auf den Oberflächen
des Metallstranges 1 – also
auf der oberen und unteren Oberfläche des Stranges – befindet
sich eine Zunderschicht. Sie besteht aus einer direkt auf dem Metallstrang 1 anhaftenden
unteren Zunder schicht 4, die aus Magnetit und/oder Wüstit besteht.
Auf der unteren Zunderschicht 4 ist eine obere Zunderschicht 3 angeordnet, die
aus sprödem
Hämatit
besteht.
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Wie in 2 gesehen
werden kann, soll in einer Vorrichtung 2 zum Entzundern
und Reinigen des Metallstranges 1 die Zunderschicht entfernt
werden, d. h es soll sowohl die erste, obere Zunderschicht 3 als
auch die zweite, untere Zunderschicht 4 beidseitig des
Metallstranges 1 entfernt werden.
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Hierzu wird der Metallstrang 1 mit
einer Geschwindigkeit v in eine Plasma-Behandlungskammer 5 geleitet.
In an sich bekannter Weise sind in der Plasma-Behandlungskammer 5 Elektroden 6 angeordnet,
die sich oberhalb und unterhalb des Metallstranges 1 befinden.
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Mittels der Elektroden 6 wird
ein Plasmastrahl erzeugt, der mit vorgegebener Temperatur T und
mit einem definierten Gasdruck p auf die Oberfläche des Metallstranges 1 und
namentlich auf die erste, obere Zunderschicht 3 einwirkt.
Hierdurch wird die Zunderschicht 3 in Form der Hämatitschicht
durch einen Thermoschock des Plasmagases schlagartig so stark erhitzt,
dass es von der tiefer liegenden, unteren Zunderschicht 4 abgelöst wird,
d. h. von ihr abplatzt.
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Die zweite, untere Zunderschicht 4 in
Form der Schicht aus Magnetit und Wüstit stellt dabei eine Isolierung
zum Metallstrang 1 dar, so dass sich durch den Plasmastrahl
aufgeschmolzenes Zundermaterial der oberen Zunderschicht 3 nicht
mit dem Metallstrang 1 verbinden kann. Der Druck p des
Plamastrahls hat weiterhin zur Folge, dass die obere Zunderschicht 3 einen "Impact" (Gasstoß) erfährt, der das
gelöste
Material der oberen Zunderschicht 3 von der unteren Zunderschicht 4 abbläst.
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Damit ergibt sich also, dass der
Metallstrang 1 der Plasma-Behandlungskammer 5 in
der Form zugeführt
wird, wie es im linken Teilbild gemäß 3 zu sehen ist, d. h. der Metallstrang 1 weist
hier noch die unteren Zunderschichten 4 und die oberen
Zunderschichten 3 auf. Nach dem Verlassen der Plasma-Behandlungskammer 5 weist
der Metallstrang 1 eine Struktur auf, wie sie dem mittleren
Teilbild von 3 entnommen
werden kann, d. h. die erste, obere Zunderschicht 3 ist
entfernt, während
die zweite, untere Zunderschicht 4 noch anhaftet.
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Wie es weiterhin 2 entnommen werden kann, gelangt der
Metallstrang 1 in Förderrichtung
R hinter der Plasma-Behandlungskammer 5 in ein Beizgefäß 7,
in der der Metallstrang 1 in bekannter Weise einem Beizprozess
unterzogen wird. Die auf dem Metallstrang 1 noch anhaftenden
zweiten Zunderschichten 4 in Form von Magnetit und Wüstit können im
Beizgefäß 7 leicht
abgelöst
werden. Das bedeutet, dass der Metallstrang 1 das Beizgefäß 7 mit der
Struktur verlässt,
wie es das rechte Teilbild in 3 wiedergibt:
Alle Zunderschichten 3, 4 sind vom Metallstrang 1 abgelöst, so dass
er der weiteren Verarbeitung zugeleitet werden kann.
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In Förderrichtung R hinter der Vorrichtung 2 zur
Entzunderung bzw. Reinigung kann ein Prüfmittel angeordnet sein (nicht
dargestellt), das in der Lage ist, die Oberfläche des Metallstranges 1 zu
inspizieren und das Ergebnis der Prüfung an ein Regelmittel weiterzugeben.
Abhängig
von der gewünschten
Qualität
der Entzunderung bzw. Reinigung kann vorgesehen werden, dass das
Regelmittel auf den Antrieb einwirkt, der für den Transport des Metallstranges durch
die Vorrichtung 2 Sorge trägt, so dass die Fördergeschwindigkeit
v des Metallstranges 1 so beeinflusst wird, dass das Ergebnis
der Entzunderung bzw. Reinigung einer gewünschten Vorgabe entspricht.
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Reicht die Qualität der Entzunderung bzw. Reinigung
nicht aus, können
die Regelmittel die Fördergeschwindigkeit
v herabsetzen; dadurch ist die Oberfläche des Metallstranges 1 einer
längeren
Einwirkzeit sowohl des Plasmas als auch der Bei ze ausgesetzt, wodurch
sich das Entzunderungs- bzw. Reinigungsergebnis verbessert. Liegt
indes bereits eine übermäßig große, nicht
benötigte
Qualität
vor, können
die Regelmittel eine Erhöhung
der Fördergeschwindigkeit
v vorsehen, so dass die Qualität
der Entzunderung bzw. Reinigung zwar herabgesetzt, die Produktivität der Gesamtanlage
jedoch erhöht wird.
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- 1
- Metallstrang
- 2
- Vorrichtung
- 3
- erste,
obere Zunderschicht
- 4
- zweite,
untere Zunderschicht
- 5
- Plasma-Behandlungskammer
- 6
- Elektroden
- 7
- Beizgefäß
- R
- Förderrichtung
- T
- Temperatur
- p
- Druck
- v
- Geschwindigkeit