DE10337502B4

DE10337502B4 - Verfahren zum Betrieb einer Durchlauf-Wärmebehandlungsanlage für Warenbahnen und Bänder mit überwiegend konvektiver Wärmeübertragung

Info

Publication number: DE10337502B4
Application number: DE2003137502
Authority: DE
Inventors: Carl Kramer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2023-08-15
Also published as: DE10337502A1; EP1507013A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Durchlauf-Wärmebehandlungsanlage für Warenbahnen und Bänder (1) mit im Laufe des Anlagenbetriebes wechselnden Massendurchsätzen, Querschnitten und/oder Oberflächen, insbesondere Stahl- und Metallbänder (1), mit überwiegend konvektiver Wärmeübertragung auf die Warenbahn oder das Band (1) durch mindestens einen in einem Erwärmungsteil (8) umgewälzten beheizten Gasstrom
a) mit Einrichtungen zur Regelung und/oder Steuerung der Beheizungseinrichtung für den Gasstrom und den Antrieb eines jeden Umwälzventilators,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
b) die im Erwärmungsteil (8) auf Warenbahn oder Band (1) übertragene Wärme wird von der Prozesssteuerung der Anlage bei sich veränderndem Gutdurchsatz
b1) durch Veränderung des Leistungsstellgrades der Beheizungseinrichtung und/oder
b2) durch Veränderung der konvektiven Wärmeübertragung
dem jeweiligen Oberflächendurchsatz des Gutes unter Berücksichtigung des jeweiligen Gutquerschnittes bei Beachtung der thermischen Eigenschaften des Gutmaterials angepasst, und
c) von der Prozesssteuerung wird zusätzlich der Einfluss der Wärmeträgheit der in der Anlage enthaltenen Massen in Beziehung zu...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Durchlauf-Wärmebehandlungsanlage für Warenbahnen und Bänder mit überwiegend konvektiver Wärmeübertragung.
In Durchlaufwärmebehandlungsanlagen für Warenbahnen und Bänder mit überwiegend konvektiver Wärmeübertragung durch Strömungsbeaufschlagung der kontinuierlich zu- und abgeführten Warenbahn mit einem umgewälzten beheizten Gasstrom wird üblicherweise zur Kontrolle der Heizleistung eine Temperaturregelung für die Beheizungseinrichtung für den Gasstrom eingesetzt. Diese Temperaturregelung erfolgt mit Hilfe von Temperatur-Referenzmessstellen, welche die Ist-Temperatur z.B. des Gasstroms anzeigen. Diese Ist-Temperatur wird vom Regler nach dem Stand der Technik mit der Sollwert-Temperatur verglichen und aus dieser Regelabweichung die Stellgröße ermittelt, mit der die Heizleistung der Abweichung zwischen Temperatur-Sollwert und Temperatur-Istwert entsprechend nachgeregelt wird.
Bei Durchlaufanlagen, die aus mehreren hintereinander angeordneten, in Bezug auf die Temperaturen einzeln einstellbaren Zonen bestehen, die nacheinander von der Warenbahn durchlaufen werden, erfolgt diese Regelung zonenweise.
Solange der Betrieb der Anlage stationär erfolgt, also sich, vom festen Ort aus betrachtet, weder an den Betriebsbedingungen noch an dem Durchsatz irgendetwas ändert, ist diese Regelung voll ausreichend, da sich bei einem einmal eingefahrenen Zustand keine Regelschwankungen mehr ergeben.
Wird dagegen eine Anlage angefahren oder aus anderen Gründen die Durchsatzgeschwindigkeit der Warenbahn oder der Warenbahndurchsatz, z. B. durch Veränderung des Warenbahnquerschnittes, verändert, so weist diese Art der Heizleistungsverstellung mit Hilfe einer Temperaturregelung erhebliche Nachteile auf.
So wird z. B. eine Durchlaufglühanlage für Metallbänder vor dem Einschalten des Bandlaufes zunächst auf die in den einzelnen Heizzonen erforderliche Betriebstemperatur gebracht. Dabei befindet sich im Ofen ein sogenanntes Vorläuferband, das sich in der Regel in Bezug auf Abmessungen und thermische Eigenschaften erheblich von dem Produktionsband unterscheidet. Sobald das Produktionsband in die Ofenanlage eintritt, steigt plötzlich der Leistungsbedarf, der zur Erwärmung des Bandes entsprechend der vorgegebenen Glühkurve in der jeweiligen Zone erforderlich ist. Da die entsprechende Heizleistungserhöhung nicht plötzlich bereitgestellt werden kann und insbesondere erst die Temperatur an dem aus physikalischen Gründen trägen Referenz-Temperaturmessgerät absinken muss, damit der Regler den Bedarf an nachzuführender Heizleistung erkennt, ergeben sich Temperaturschwankungen, die für moderne Materialien nicht zulässig sind und insbesondere bei modernen Hochleistungsanlagen, bei denen zur Erzielung eines möglichst hohen Gutdurchsatzes hohe Gutgeschwindigkeiten realisiert werden, außerhalb der zulässigen Toleranzen liegen.
Die Folgen sind, dass beim Beispiel einer Durchlauf-Erwärmungsanlage für Metallbänder oft beträchtliche Bandstücke am Anfang eines Bandes wegen zu großer Temperaturabweichungen bei der Wärmebehandlung nicht verwendet werden können und verschrottet werden müssen.
Um die beschriebenen Nachteile zumindest beim Anfahren eines neuen Bandbundes zu vermeiden, sind bei Bandanlagen, die auf hohe Banddurchlaufgeschwindigkeiten ausgelegt sind, aufwendige, mit vielen Rollen versehene Bandspeicher auf der Einlauf- und der Auslaufseite erforderlich. Diese Bandspeicher sind kostenaufwendig, sie erfordern einen relativ großen Aufstellungsraum und tragen durch die Vielzahl der Rollen, über die das Band geführt werden muss, zu einer Verschlechterung der Qualität der Bandoberfläche bei. Um nach der Wärmebehandlung die Festigkeitseigenschaften der Metallbänder durch das Hin- und Herbiegen beim Lauf durch die vielen Schlingen des Auslaufspeichers nicht unzulässig zu ändern, müssen die Rollen einen erheblichen Durchmesser (Faustformel D_min ≥ 400 mal Bandstärke) aufweisen. Die Größe der Speicher und die Anzahl der Rollen ließen sich verringern, wenn die Bandgeschwindigkeit beim Wechsel eines Bandbundes in der Anlage verringert werden könnte, was aber beim Betriebsverfahren von Durchlauf-Wännebehandlungsanlagen nach dem Stand der Technik aus den vorbeschriebenen Gründen nicht möglich ist.

Es wird zwar, wie in der on-line Zeitschrift "Junker News" der Otto-Junker GmbH unter www.otto-junker.de, Ausgabe 3/November 2002 auf S. 6 ausgeführt, für eine Durchiaufglühanlage für Metallbänder die Einstellung der Ofenparameter bereits automatisch mit Hilfe eines Expertensystems vorgenommen, doch dient dies nur der Auswahl der Ofentemperaturen, Ventilatordrehzahlen und der Anlage- bzw. Bandgeschwindigkeit für den stationären Produktionsbetrieb. Dadurch kann aber der generelle Nachteil der Betriebsverfahren von Banddurchlaufanlagen nach dem Stand der Technik nicht behoben werden, dass bei sich veränderndem Durchsatz erhebliche Veränderungen der Glühbedingungen stattfinden, die insbesondere bei Anlagen mit hohem Durchsatz zu größeren, nicht spezifikationskonform geglühten Längen des wertvollen Bandmaterials führen.

Außerdem offenbart die EP 0 927 769 A1 eine Anlage, bei der ein bewegtes Stahlband durch Beaufschlagung mit einer Kühlflüssigkeit abgekühlt wird; die erforderliche Kühlflüssigkeitsmenge wird berechnet.

Weiterhin zeigt die US 5,616,295 A eine Ofenschwebeanlage, bei der die Beblasungsstärke durch Regelung des Gasdrucks verändert wird.

Schließlich zeigt noch die US 5,044,938 A ein Verfahren zur Einstellung der Temperatur an der Verbindungsstelle zwischen zwei verschiedenen Bandmaterialien während der Bewegung eines Bandes, das aus zwei Abschnitten mit diesen unterschiedlichen Bandmaterialien besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die beschriebenen Nachteile der Anlagen nach dem Stand der Technik zu vermeiden und stets Wärmeübergangsbedingungen und Heizleistungen bereit zu stellen, die für die jeweilige Guterwärmung erforderlich sind und gleichzeitig auch die Wärmeträgheit der Einbauteile in der Erwärmungsanlage kompensieren.

Dies wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 erreicht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche definiert.

Erfindungsgemäß wird die im Erwärmungsteil auf das die Anlage durchlaufende Band zu übertragende Wärme von der Prozesssteuerung der Anlage zur Vermeidung unzulässiger, insbesondere lokaler Temperaturschwankungen im Band bei sich änderndem Banddurchsatz automatisch den jeweiligen Durchsatzparametern wie Massendurchsatz und Oberflächendurchsatz angepasst, wobei neben dem Leistungs stellgrad der Beheizungseinrichtung auch die konvektive Wärmeübertragung dem jeweiligen Oberflächendurchsatz unter Berücksichtigung des jeweiligen Bandquerschnittes bei Beachtung der thermischen Eigenschaften des Bandmaterials durch entsprechende Wahl der Beblasungsstärke der Bandoberfläche angepasst wird.

Dies bedeutet, dass zusätzlich zur Anpassung der Heizleistung an den durch die Anlage geführten Bandmassenstrom, also den Durchsatz an Bandmasse, auch eine Anpassung des konvektiven Wärmeüberganges an die zum Zweck der konvektiven Wärmeübertragung vom Gasstrom beaufschlagte Bandoberfläche vorgenommen wird.

Diese Anpassung erfolgt auf vorteilhafte Weise durch eine entsprechende Veränderung der Ventilatordrehzahl, wodurch sich die Aufblasgeschwindigkeit der Gasströmung auf das Band, die die Haupteinflussgröße für die konvektive Wärmeübertragung darstellt, entsprechend mitverändert. Um eine solche Betriebsweise durchzuführen, ist die Verwendung eines mathematischen Modelles zweckmäßig, mit dem der Erwärmungsvorgang des Bandes bzw. des durchlaufenden Gutes in Abhängigkeit von den Durchsatzparametern und den Wärmeübertragungsparametern hinreichend genau kontinuierlich berechnet werden kann. Aus dieser Berechnung ergeben sich die erforderlichen Veränderungen des Stellgrades der Beheizungseinrichtung. Dazu ist die Übermittlung der Informationen aus einer Bandverfolgung nach dem Stand der Technik zu dem das mathematische Modell betreibenden Rechner erforderlich. Der Rechner erhält somit in hinreichend kurzen Intervallen die Daten wie Bandbreite, Banddicke, Bandgeschwindigkeit und Angaben über die Glühbedingungen und kann daraus den erforderlichen Stellgrad der Beheizungseinrichtung und die notwendige konvektive Wärmeübertragung über die Ventilatordrehzahlen bestimmen.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass stets die Wärmeübergangsbedingungen und diejenige Heizleistung bereitgestellt werden, die für die jeweilige Guterwärmung erforderlich sind, ohne dass auf eine Abweichung der Ist-Temperatur von der Sollwert-Temperatur gewartet werden muss. Außerdem können in besonders vorteilhafter Weise noch die Wärmeträgheit der Einbauteile in der Erwärmungsanlage, die am Wärmeübergang beteiligt sind, wie z. B. Strahlheizrohre bei indirekt gasbeheizten und unter Schutzgasatmosphäre arbeitenden Anlagen, die Massen des Innengehäuses, des Strömungsführungs- und Düsensystems sowie die Massen der üblicherweise aus metallischen Werkstoffen gefertigten Ventilatorräder berücksichtigt werden.

Bei Wärmebehandlungsanlagen, die aus einem Erwärmungsteil und einem nachfolgenden Kühlteil bestehen, kann auf gleiche Weise die Abkühlung den jeweiligen Durchsatzbedingungen angepasst werden. Dadurch ist es möglich, sowohl beim Erwärmen als auch beim Abkühlen die Vorgaben der Wärmebehandlung bezüglich Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit und Verweilzeit des Bandes in bestimmten Temperaturbereichen, auch unter veränderten Durchsatzbedingungen, innerhalb zulässiger Grenzen einzuhalten.

Beim Betrieb einer Durchlauf-Wärmebehandlungsanlage für Bänder ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren folglich auch möglich, bei einem Bandbundwechsel die Banddurchlaufgeschwindigkeit ohne nachteilige Folgen für die Wärmebehandlung beträchtlich zu senken, um dadurch die Größe der erforderlichen Bandspeicher zu reduzieren oder sogar einen oder beide Bandspeicher einzusparen.

Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung wird im Folgenden anhand eines typischen Anwendungsfalles erläutert. Die 1 dient der Veranschaulichung und zeigt schematisch eine stark vereinfachte Metall-Bandglühanlage. Ein Band 1 läuft von einem der beiden Abwickler 2a oder 2b der vorzugsweise als Doppelgruppe ausgeführten Abwickelstation zunächst durch eine Heftmaschine 2c, wo eine Verbindung zwischen dem Anfang des neuen Bandbundes mit dem Ende des vorherigen hergestellt wird.
Danach tritt das Band in eine Bandreinigung 3 ein. Mit zwei S-förmig vom Band umschlungenen Rollen 4 wird der für einen Bandspeicher 5 notwendige Bandzug aufgebaut. Hinter dem Bandspeicher 5 ist ein zur Abgrenzung des niedrigen Ofenzuges dienender erster 3-Rollen-Block 6 angeordnet. Von dort läuft das Band durch eine der Bandverfolgung dienende Heftstellenerfassung 6a und gelangt über eine sich horizontal hin und her bewegende Tänzerrolle 7, die der Konstanthaltung des Bandzuges in Wärmebehandlungsteilen 8 und 9 dient, in eine erste Ofenzone 8a.
An den Ofenteil 8 mit den Zonen 8a, 8b und 8c schließt sich ein Kühlteil 9 mit zwei Zonen 9a und 9b an. Danach läuft das Band über eine zugleich der Bandmittensteuerung dienende Umlenkrolle 10, die in einem schutzgasdichten Gehäuse untergebracht ist, in eine zugleich als Schutzgasabdichtung dienende Wassertasse mit einer Tauchrolle 10a. Über einen Bandtrockner 11 und einen zweiten 3-Rollen-Block 12 gelangt das Band in eine abschließende Oberflächenbehandlung 13 und schließlich über weitere S-Rollen 14 zu einem von zwei Aufwicklern 15a oder 15b.
Durch die Anwendung des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, auf einen Bandspeicher hinter der Wärmebehandlung zu verzichten, weil beim Wechsel von einem Bandbund zum nächsten die Bandgeschwindigkeit erheblich, z. B. Produktionsgeschwindigkeiten von 100 m/min und mehr auf etwa die Hälfte, verringert werden kann ohne dass sich die maximale Materialtemperatur ändert. Dann steht genügend Zeit für das Einfädeln des Bandes in den freien Aufwickler 15a bzw. 15b zur Verfügung. Zum Abschneiden der Heftstelle kann eine mitfahrende Schere 25 nach dem Stand der Technik verwendet werden.
Sobald die Heftstelle und damit der Anfang eines neuen Bandes erfasst wird, stellt die Prozesssteuerung, in die die relevanten Eigenschaften des Bandes inkl. seiner Wärmebehandlung und dem angestrebten Temperaturprofil eingegeben worden sind, die Beheizungseinrichtungen der einzelnen Ofenzonen 8a, 8b, 8c, im Beispiel der 1 gasbeheizte Strahlheizrohre 21, zonenweise und nacheinander auf den zum neuen Band und seiner Transportgeschwindigkeit passenden Heizleistungsbedarf ein. Gleichzeitig wird – ebenfalls zonenweise – der konvektive Wärmeübergang im Ofenteil 8 mit den Ventilatorantrieben 20o und 20u entsprechend eingestellt.
Wird die Bandgeschwindigkeit verringert, z. B. zum Einfädeln in den Aufwickler oder beim Wechsel zu einem anderen Abwickler, so erfolgen Heizleistungsverstellung und Veränderung des konvektiven Wärmeüberganges parallel und abgestimmt mit der Bandgeschwindigkeitsänderung. Dadurch, dass diese Anpassung zonenweise erfolgt, kann auch die Verweilzeit des Materials bei einer bestimmten Materialtemperatur oder in einem bestimmten Materialtemperaturbereich bei Durchsatzänderung in engen Grenzen beibehalten werden.
Dabei dienen als bestimmende Größen der Bandmassenstrom, also der Durchsatz an Bandmasse, in Verbindung mit dem jeweiligen Gutquerschnitt und dem Oberflächendurchsatz.
Entsprechende Überlegungen dienen auch zur Steuerung/Einstellung des Kühlteils 9, wobei die Einstellung des konvektiven Wärmeübergangs über die Intensität der Beaufschlagung mit Kühlgas und/oder Kühlflüssigkeit erfolgt.
Die gleiche Steuerung läßt sich auch bei Anlagen zur Wärmebehandlung von schwebend geführten Bändern verwenden, wobei die vom Beblasungssystem erzeugte Schwebekraft sich nur in einem solchen Bereich ändert, der Berührungen des Bandes an Ober- und Unterseite mit Anlagenteilen ausschließt.
Dabei wird die Schwebekraft zweckmäßigerweise auch durch den für die Wärmebehandlung, also Erwärmung oder Abkühlung, erforderlichen umgewälzten Gasstrom erzeugt.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Durchlauf-Wärmebehandlungsanlage für Warenbahnen und Bänder (1) mit im Laufe des Anlagenbetriebes wechselnden Massendurchsätzen, Querschnitten und/oder Oberflächen, insbesondere Stahl- und Metallbänder (1), mit überwiegend konvektiver Wärmeübertragung auf die Warenbahn oder das Band (1) durch mindestens einen in einem Erwärmungsteil (8) umgewälzten beheizten Gasstrom a) mit Einrichtungen zur Regelung und/oder Steuerung der Beheizungseinrichtung für den Gasstrom und den Antrieb eines jeden Umwälzventilators, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: b) die im Erwärmungsteil (8) auf Warenbahn oder Band (1) übertragene Wärme wird von der Prozesssteuerung der Anlage bei sich veränderndem Gutdurchsatz b1) durch Veränderung des Leistungsstellgrades der Beheizungseinrichtung und/oder b2) durch Veränderung der konvektiven Wärmeübertragung dem jeweiligen Oberflächendurchsatz des Gutes unter Berücksichtigung des jeweiligen Gutquerschnittes bei Beachtung der thermischen Eigenschaften des Gutmaterials angepasst, und c) von der Prozesssteuerung wird zusätzlich der Einfluss der Wärmeträgheit der in der Anlage enthaltenen Massen in Beziehung zu den Warenbahn- oder Banddurchsatzparametern durch entsprechende Veränderung des Leistungsstellgrades der Beheizungseinrichtung und des konvektiven Wärmeüberganges kompensiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorhandenem Abkühlteil (9) die Warenbahn- oder die Bandabkühlung im Durchlauf durch Kühlgasumwälzung und/oder durch Beaufschlagung der Warenbahn oder des Bandes mit einer Kühlflüssigkeit erfolgt, wobei zur Anpassung der Wärmeübertragung zur Kühlung die Intensität der Beaufschlagung der Warenbahn oder des Bandes mit Kühlgas und/oder Kühlflüssigkeit verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Durchlauf-Wärmebehandlungsanlage um eine Durchlauf-Wärmebehandlungsanlage für berührungsfrei durch die Anlage geführte Bänder aus Stahl oder Metallen handelt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anlage Stahl- oder Metallbänder schwebend geführt werden und dass die Veränderung der Beblasungsstärke der Bänder derart erfolgt, dass die vom Beblasungssystem erzeugte Schwebekraft sich nur in einem solchen Bereich verändert, der Berührungen des Bandes an Unter- und Oberseite mit Anlagenteilen ausschließt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Anpassung des Leistungsstellgrades der Beheizungseinrichtung und/oder der konvektiven Wärmeübertragung bei Veränderungen der Abmessungen und/oder der Geschwindigkeiten und/oder aufeinander folgenden unterschiedlichen Warenbahnen oder Bänder erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Anpassung des Leistungsstellgrades der Beheizungseinrichtung und des konvektiven Wärmeüberganges beim Wechsel von einem Bandbund zum nächsten Bandbund erfolgt und während eines Bandbundwechsels die Bandgeschwindigkeit reduziert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Betrieb einer Durchlauf-Wärmebehandlungsanlage für schwebend geführte Stahl- oder Metallbänder mit überwiegend konvektiver Erwärmung des durchlaufenden Bandes durch Beaufschlagung mit einem umgewälzten beheizten Gasstrom und mindestens zwei, nacheinander vom Band durchlaufenden Behandlungszonen mit jeweils individueller Einstell- und/oder Regelmöglichkeit für den Stellgrad der Beheizungseinrichtung und die Beaufschlagungsstärke des umgewälzten Gasstroms, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Anpassung von Heizleistungsstellgrad und Gasbeaufschlagungsstärke des Bandes in jeder Behandlungszone derart erfolgt, dass sich der Temperaturverlauf im Band, von einem festen Ort aus betrachtet, bei Veränderung des Durchsatzes infolge Veränderung der Bandgeschwindigkeit nur innerhalb der für das Band jeweils gültigen Grenzen von Aufheizgeschwindigkeiten und Verweilzeiten in den verschiedenen 1 Temperaturbereichen der Behandlungszonen ändert.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei aufeinanderfolgenden Bändern mit unterschiedlichen Glühbedingungen die automatische Anpassung von Heizleistungsstellgrad und Beaufschlagungstärke zonenweise im Zuge des Durchlaufes der Verbindungsstelle der beiden unterschiedlichen Bänder erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich in mindestens einer Beheizungszone Kühlgas und/oder Kühlflüssigkeit eingespeist wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der notwendigen, automatisch durchgeführten Veränderung der Anlagenbetriebsparameter in Abhängigkeit von den Durchsatzparametern mit Hilfe eines mathematischen Modells erfolgt.