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Verfahren und Einrichtung zum Wärmebehandeln von band- oder streifenförmigem
Gut Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Wärmebehandeln
von band- oder streifenförmigem Gut in einem Turmdurchzie'hofen, dessen Vorwärm-,
Heiz- und Kühlkammern aus senkrecht angeordneten, entgegen der Bewegungsrichtung
des Gutes von gasförmigen Heiz- bzw. Kühlmitteln durchströmten engen Kanälen bestehen.
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Es ist bekannt, daß der Wärmeübergang durch Konvektion auf das zu
erhitzende Gut, einer anderen Gesetzmäßigkeit folgend, leichter zu beherrschen ist
als der Wärmeübergang -durch Strahlung von. den Ofenkanalwänden: auf das Gut. Daher
sind schon Wärmebehandlungsanlagen vorgeschlagen, bei denen ein, wesentlicher, aber
nicht überwiegender Anteil des Wärmeübergangs auf Konvektion beruht.
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Es ist weiterhin bekannt, daß einer Erhöhung der Relativgeschwinidigkeit
zwischen Heiz- bzw. Kühlmittel und Gut, deren Größe für den Anteil des Wärmeübergangs
durch Konvektion am Gesamtwärmeübergan.g bestimmend ist, dadurch eine Grenze gezogen
ist., daß 1>ei einer bestimmten., von den Eig;ensdhaften des Gutmaterials und seinen
geometrischen Abmessungen abhängigen Relativgeschwindigkeit zunächst ein Vibrieren.
des frei durch den Ofenkanal geführten Gutbandes oder -streifens, bei noch höheren
Relativgeschwindigkeiten sogar ein Resonan.zflattern auftritt, das zerstörende Wirkungen
auf das mit konstanter Zugspannung geführte Gutband haben kann. Außerdem verhindert
das Vibrieren oder Flattern des Gutbandes auch seine gleichmäßige Erwärmung.
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Bei. dem Verfahren gemäß der Erfindung werden diese nachteiligen Erscheinungen,
dadurch vermieden, daß beide Seiten des untereinstellbarer Zugspannung frei durch
jeden der Kanäle geführten Gutbandes oder -streifens jeweils von mindestens zwei
räumlich nacheinander in den Ofenkanal eintretenden und auf ihrer Wirkseite längs
des Gutbandes konvergierende Bahnen bildenden Heiz- bzw. Kühlmittelströmen beaufschlagt
werden, deren mittlere Geschwindigkeit relativ zum Gutband, bei mindestens angenähert
gleichen Heiz-bzw. Kü!hlmittelmengen auf beiden Seiten des Gutbandes, so 'hoch gewählt
ist, daß sich ein Ver'hältn'is von Wärmeübergang durch Konvektion zu Wärmeübergang
durch S-trahlun g von mindestens 2:1, vorzugsweise von 15 :1 bis 20: 1, ergibt.
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Die gewünschte Wirkung, ein praktisch vibrations-bzw. flatterfreies
Führen des Gutbandes durch den Ofenkanal auch bei hoher Relativgeschwindigkeit zwischen
Heiz- bzw. Kühlmittel und Gut, wird insbesondere dadurch erreicht, daß beide Seiten
des Gutbandes jeweils von einem im wesentlichen axial und einem oder nie'hr als
einem peripher und räumlich nach jenem in den Ofenkanal eintretenden Heiz- bzw.
Kühlmittelatrom beaufschlagt werden, wobei der Anteil aller peripher in den. Kanal
eintretenden Heiz-bzw. Kühlmittelströme am gesamten durch den Kanal hindurchgehend-en
Heiz- bzw. Kühlmittelstrom mindestens 25'%, vorzugsweise 30%, beträgt.
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Das Gutband kann als eine .den Kanal in zwei Hälften längs unterteilende
Membran betrachtet werden, die beim Vibrieren Druckunterschiede in den beiden. Kanalhälften
hervorruft, ahme daß sieh diese Druckunterschiede um die Gutband'kanten herum sofort
ausgleichen könnten. Die peripher in den Kanal eintretenden Heiz- bzw. Kühlmittelströme
wirken aber unmittelbar dieser Erscheinung entgegen, derart, daß durch Unterdrückender
Neigung der Vibrationsschwingungen., sich zu großen Amplituden aufzuschaukeln, eine
sehr gute Stabilisierung erreicht wird und allenfalls noch ein leichtes Pulsieren
übrigbleibt.
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Da es aus räumlichen Gründen im allgemeinen nicht möglich sein wird,
den Vorwärmkanal in F'luc'ht mit dem Heiz- und mit dem an diesen unmittelbar anschließenden
Kühlkanal
anzuordnen, ist ein Umlenken des Gutbandes, z. B. mittels Rollen, nötig. Ein solches
Umlenken fährt aber leie'ht, je nach der Vorwärmtemperatur, vor allem bei Gut aus
Legierungen von Nichteis,e,nnietall:en, wie Messing u.. d@gl., zu bleibenden Schäden
und Verformungen der Gutoberflädfi:e. Daher soll aus Legierungen von Nichteisenmetallen
bestehendes Gut auf eine dicht unterhalb der Schmelztemperaturen seiner Legierungsbestandteile
liegende Temperatur vorgewärmt werden.
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Ein weiteres Merkmal ist die zweiphasige Kühlung im Ansch.luß an das
Schnellaufheizen. Sie besteht darin, daß :das Gut mit abnehmendem Abstand vom Auslaufende,
des Kühlkanals von einem zunehmend mit Flüssigkeitsnebel durchsetzten gasförmigen
Kühlmittel beaufschlagt wird.
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Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Zeichnung, die (im allgemeinen
im senkrechten Schnitt) Einzelheiten einer Einrichtung zur Durchführung des beschriebenen
Verfahrens wiedergibt, ,näher erläutert.
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In Fig. 1 ist eine vollständige, aus Vorwärmkanal 1, Sdhnellheizkanal
2 und Kühlkanal 3 bestehende Ofenanlage dargestellt. Heizkanal und Kühlkanal sind
gleichachsig und unmittelbar hintereinander, der Vorwärmkanal neben und parallel
zu jenen angeordnet und außer:deni, wie üblich, länger a1,s der Heizkanal ausgebildet.
An den Enden jedes Kanals. befinden sich Vorkammern 4, 5 bzw. 6, 7 bzw. 8, 9, die
ihrerseits je an ein nicht dargestelltes offenes oder geschlossenes Wärmeaustauschsystem
für die Heiz- bzw. Kühlmittel angeschlossen sind.
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Einzelheiten des Vorwärmkanals 1 mit Vorkamm,ern 4 und 5 sind in Fig.
2 :dargestellt. Während das Einlaufende des Vorwärmkanals 1 mit einer konischen
Erweiterung frei in die Vorkammer 4 hineinragt, ist dem Auslaufende des Kanals in
der Vorkammer 5 ein Einlaß 11 vorgeschaltet, der, oben mit ziemlich, weiter Öffnung
versehen, zum Kanalende hin sieh konisch verjüngt, aber nicht unmittelbar geschlossen
in dieses übergeht, sondern mindestens teilweise, etwa an der Stelle des Übergangs,
durch Öffnungen 12 unterbrochen ist. Durch diese Öffnungen, die auf beide Seiten
des Gutbandes 10 gerichtet sind, treten zusätzlich zu dem in den Einlaß 11 axial
eintretenden Heizmittelstroin weitere Heizmittelströme ein und vereinigen sich mit
dem Hauptstrom längs des Gutbandes im Kanal 1. Im dargestellten Beispiel ist ein:
geschlossenes Wärmeaustauschsystem vorgeschen, das im wesentlichen aus -dem Erhitzer
13, dem Gebläse 14 sowie den beiden je in eine Vorkalnmer mündenden Rohrleitungen
15 und 16 besteht.
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Die umgekehrte Anordnung (Fig.3) ergibt sich sinng,mäß aus der Bewe,gungsric'litung
des Gutbandes für den Schnell'heizkanal 2 mit seinen Vorkammern 6 und 7; dAi., in
d;,--9--in Falle sind die Mittel zum Aufteilen des Heizmittelstromes in die untere
Vorkammer 7 eingebaut.
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Analog ist auch der Aufbau bei dein Kühlkanal nach Fig.4, nur daß
hier an Stelle eines Erhitzers ein Kühlaggregat 17 vorgesehen ist und außerdem der
untere auslaufseitige Teil der Vorkamm"r 18 mit einer Sperrflüssigkeit, vorzugsweise
Wasser, gefüllt ist, dessen Spiegel eine konstante Höhe haben soll. Die Sperrflüssigkeit
dient l,edigli:ch dazu, uni -einmal den in das Kühlmittel eingesprühten., sich niederschlag-enden
Flüssigkeitsnebel aufzufangen und zum anderen zur wirksamen Abdichtung der Vorkammer
nach außen.
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Während in den Fig. 1, 2, 3 und 4 ges.dilossene Wärmeaustauschsysterne
angedeutet sind, geben die Fig. 5 und 6 einseitig offene Systeme wieder. In Fig.
5 ist nur auslaufseitig eine Vorkammer 19 mit den entsprechenden Einbauten vorgesehen,
in Fig. 6 dagegen ,das Auslaufende offen und nur das Einlaufende mit einer einfachen
Kammer 20 versehen. Diese Ausführung eignet sieh selbstverständlich nur für dien
Kühlkanal, während die Ausführung nach Fig. 5 auch bei Vorwärm- oder Heizkanal denkbar
ist.
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Eine -etwas abgewandelte Form des Heiz- bzw. Kühdmitteleinlasses ist
in Fig.7 dargestellt. Auch hier finden, sich wieder neben der Öffnung für axialen
Eintritt des Heiz- bzw. Kühlmittels Öffnungen für peripheren Eintrntt.
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Die Wirkung der Unterteilung des in die Kanäle .eintretenden Heiz-
bzw. Kühlmittels in mehrere Teilströme ist aus dem in Fig. 8 wiedergegebenen Diagramm
abzulesen, und zwar ist hier die Abhängigkeit der Amplitude a der Vibrationsschwingungen
von der Strömungsgeschwindigkeit ia dargestellt, einmal ohne (Kurve B) und einmal
bei Anwendung der besöhriebanen Maßnahmen (Kurve C). Dabei bedeutet A d-ie maximal
zulässige Größe der Vibration, während h als Grenzlinie der Strömungsgeschwindigkeit
anzusehen ist, bei der in jedem Falle ein Resonanzflattern auftritt. Das Diagramm
zeigt ganz eindeutig, daß in einem weiten Bereich bei Anwendung der Mittel gemäß
der Erfindung die Amplitude der Vibrationsscbwingungen .niedriger ist als die maximal
zulässige.
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Weitere Möglichkeiten, den Heiz- bzw. Kü'hlmiitteleinlaß auszugestalten,
sind in den Fig. 9 bis 13 wiedergegeben. Grundsätzlich weisen sie alle .einen axialen
und :einen oder mehrere periphere Einlässe für das Heiz- bzw. Kühlmittel auf. So
ist in Fig. 9 das Beispiel eines zylindrischen, oben offenen Rohres dargestellt,
dessen periphere Einlässe durch im wesentlichen ringförmige Öffnungen in der Rohrwand
gebildet werden. Nach Fig. 12 sind zwei solcher Öffnungen jeweils von einem tricbterähn.lichen
Gebilde umgeh--n, nach Fig. 13 ist es nur eine Öffnung, die einen derartigen, als
Leitfläche wirkenden, nach oben geöffneten Trichter aufweist.
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Lediglich,in Fig. 11 ist .eine Unterteilung der Vorkammer 5 in einoberes,
21, und ein unteres Abteil 22 vorgesehen mit getrennter Zuführung der Heizgase fü-r
axialen und peripheren Eintritt in den Kanal 1.
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Eine Variante zeigt auch Fig.10, bei der die peripher in den Kanal
23 eintretenden Heiz- bzw. Kühlm-ittelströme durch Leitungen 24 unter höherem
Druck zugeführt werden als der axial eintretende Heiz- bzw. Kühlmittelstrom.
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Da es unerwünscht ist, daß aus dem unmittelbar an den Heizkanal anschließenden
Kühlkanal Kühlmittel in den Heizkanal übertreten, kann die einlaufseitige Vorkammer
8 des Kühlkanals gemäß Fig. 14 ausgestattet sein, d. h. mit Ablenkdüsen 25, -die
schräg gegen das Gutband 10 gerichtet sind und in Verbindung mit Lekflächen 26 ein
Ablenken des Kiihlmittelstromes aus seiner vorzugsweisen axialen Bahn entlang dem
Gutband bewirken. Die Düsen 25 werden dabei über ein besonderes Uinwä17system, gekennzeichnet
durch: ein Gebläse 27 od. dgl., aus der Vorkaminer 8 gespeist. Wie die Fig. 4 und
15 erkennen lassen, durchläuft das Gutband 10 nach dem Austritt aus dem Kühlkanal
3 noch eine Sperrflüssigkeit 31. Es muß daher das Gutba:lid bereits im Kühlkanal
auf -ine solche Temperatur gebracht werden, daß eine abschreckende und zum Verziehen
oder Verwerfen des Gutbandes führende Wirkung durch die Sperrflüssigkeit nicht mehr
eintreten kann. Andererseits soll die
Abkühlung im Kanal 3 aber
weder zu sc'hnell noch zu langsam erfolgen, da sonst im ,einen Fall mit Verformungen
des Bandes zu, rechnen wäre, im anderen Fall der Kanal übermäßig lang werden würde.
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Nach Fig. 15 ist daher das Einspritzen einer verdampfbaren Flüssigkeit
in das Kühlmittel, und zwar in der Nähe eines Einlasses in die Vorkammer 9 vorgesehen.
Das Kühlsystem nach Fig. 15 entspricht im wesentlichen dem in Fig. 4 dargestellten,
es ist aber ergänzt durch eine Pumpe 28 und eine in das Zuleitungsrohr 29 blasende
Zerstäuberdüse 30.
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Das mi,t dieser Einrichtung mögliche N-ebelkonvektions- oder auch
zweiphasige Kühlverfahren macht es möglich, das Gutband in die Sperrflüssigkeit
ohne merklichen Wärmeschock eintreten zu lassen.
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Der Vorteil des Warmbehandelns von band- oder streifenförmigem Gut
nach dem Verfahren und in einer Einriehtuog nach der Erfindung, die .eine wesentliche
Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Heiz- bzw. Kühlmittels relativ zum Gutband
und damit eine bedeutende Verbesserung des Verhältnisses der durch Konvektion übertragenen
Wärme zu der durch Strahlung übertragenen möglich machen, wird aus einer Betrachtung
der Fig. 16 biss 18 deutlich.
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Die Kurv,-il A, B und C in Fig. 16 geben den Temperaturverlauf
zwischen einer Anfangstemperatur T" und einer Endstemperatur Tr als Funktion der
Warmbi#handlungsdauer t, die durch die gestrichelte Linie S begrenzt ist, wieder.
Der Kurve A entspricht nun der Temperaturverlauf 1)°i einer Strömun.gsgeschwin digkei.t
.des Heizmittels, di,e gerade noch, infolge Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
kein Flattern des Gutbandes verursacht, wobei die Tempera:tu.r d-es Heizmittels
bei T1,1 liegt. Wird. die Strömungsgeschwindigkeit des Heizmittels so weit erni,ed,rigt,
daß sich der 11indes.twert von 2 :1 für das @'er`hältnis @-ca durch Konvektion zu
durch Strahlung ül>ertrageli.erWärme ergibt, so entspricht der Temperaturverlauf
bei -der Heizmitteltemperatur TIi 2 der Kurve B. 13i noch weiter verminderter
Strömungsg2-sdhwiri@f,iglc-eit d.-.s I-Ieizinittels, entsprechend dem bisher üblichen
Verfahren, ergibt sieh ein Temperaturverlauf nach Kurve C mit sehr hoher Neizmitteltemp@°ratur
Ti13.
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Das Verfahren nach der Erfindung i,st also dem Bekannten eindeutig
überlegen.
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Fi,#",. 17 zeigt in vergröß.ertein Maßstab die Umg°bung des Schnittpunktes
der Kurv°n A, ß und C mit der Temperaturlinie TI- Hier ist deutlich erkennbar, daß
iilii-vrhall) eines die Schwankungen in der Behandlu.ngsdauer charakterisierenden,
durch die senkrechten Linien D und E begrenzten Zeitabschnittes t' die Temperaturdifferenz
nur sehr klein ist, wenn man die @f°nanlage nach dein erfindungsgemäßen Verfahren
fährt (Kurve A). Demgemäß ergeben sich, bezogen auf die Kurve A. für
di° auf der D- und E-Linie liegenden Temperaturwerte der Kurven ß und C sehr erhebliche
Abweichungen, die im Diagramm finit J TI od_°r 1T3 bzw. _.I T., oder ,d T4 bezeichnet
sind. Schwankungen in d-er Behandlungsdauer sind übrigens, was ihre Auswirkung angeht,
Schwankungen in den Abmessungen des Gutbandes gleichzusetzen, so daß d T1, -1T2,
-]T3, .' T4 zugleich auch di,e l;ei Schwankungen in den Bandiabmessungell zu erwartenden
Teinperatursc'hwankungen bei konsta:nster Be,handlun-sdauer wiedergeben.
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In Fig. 18 ist noch einmal der Schnittpunkt der besonders augenfälligen
Kurven A und: C mit der Temp:raturline @l: gezeigt, jedoch unter Berücksichtigung
eines unterschiedlichen Ausstrahlungs-
| vermögens,- zwischen 0,1 und 0,3 des Gutbandes. |
| Derartige Schwankungen im Ausstrahlungsvermögen r |
| müss°n l:jriiclzsiclltigt werden, sie sind aber, wie |
| Fig. 18 deutlich macht, mit dTs für die Kurve
A, |
| cl. h. hei Anwendung des erfindungsgemäßen Ver- |
| fa'hrens, wesentlich geringer als mit A T, für
die |
| Kurve C, di:e einer kleinen. Strömungsgeschwindigkeit |
| des Heizmittels ; iitspri.dht. |
| Die Kurve A nach den Fig. 16, 17 und 18 läßt |
| außerdem erkennen, daß gegenüber den bekannten |
| Schnell'heizverfahren ein wesentlich besseres Tein- |
| peraturgleichgewicht innerhalb des Gutbandes und ein |
| ein:h eitlic'her@s Korn des Gutmaterials erreicht werden |
| und ,xtrenie Temperaturschwankungen im kritischen |
| B-ereicn gegen Ende der Warmbehandlung nicht vor- |
| kommen können. |
| Diese Zusammenhänge sind am Beispiel eines |
| Bandes aus Messing in Fig. 19 dargestellt, die deut- |
| lich zeigt, welchen Einfluß eine Temp-eratu,ränderu@ng |
| auf die Korngröße haben muß. |