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Einrichtung zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von Metallbändern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum kontinuierlichen Wärmebehandeln
durchlaufender Metallbänder.
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Es gibt im wesentlichen zwei bekannte Verfahren zur Wärmebehandlung
von Metallbändern: das Erwärmen von Bandbunden in einem Kammerofen und das sogenannte
Durchlaufverfahren, bei dem ein Metallband abgewickelt, fortlaufend durch einen
Ofen und eine Kühlvorrichtung geleitet und schließlich wieder aufgewickelt wird.
Für eine gleichmäßige Wärmebehandlung ist das Durchlaufverfahren vorteilhafter als
die Erwärmung von Bandbunden.
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Man hat festgestellt, daß Metallbänder aus beispielsweise Kupfer,
Messing oder Aluminium dann, wenn sie rasch aufgeheizt und abgekühlt werden, nicht
nur eine geringere Beul- oder Knickfestigkeit, sondern auch feinkörniges Gefüge
erhalten, wodurch Bänder entstehen, die für das Tiefziehen geeignet sind. Um dieses
rasche Aufheizen zu erreichen, soll im Durchlauf erwärmt werden.
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Gas, Öl, elektrische Energie u. dgl. werden üblicherweise als indirekte
Wärmequelle zum Aufheizen von Metallbändern verwendet; es ist jedoch auch ein Verfahren
zum direkten Aufheizen von Metallbändern entwickelt worden, bei dem elektrischer
Strom durch das Band geleitet wird, um die Temperatur auf Grund ohmscher Verluste
im Band zu erhöhen. Bei diesem Verfahren wird das Metallband um zwei stromführende
Walzen geführt, damit es durch den hindurchfließenden Strom kontinuierlich beheizt
wird. Dabei ist es schwierig, einen innigen Kontakt zwischen dem Band und den stromführenden
Walzen einzuhalten und Funkenbildung zu verhindern, wenn Unregelmäßigkeiten oder
Wölbungen im Band vorhanden sind.
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Ferner ist auch ein Verfahren zum Glühen und Abschrecken von Bändern
oder Drähten, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, bekanntgeworden,
wonach in dem Band ein Induktionsstrom erzeugt wird. Das Band soll dabei unter Bildung
einer Schleife durch ein Triowalzwerk geführt werden, dessen Walzen den elektrischen
Kurzschluß der Bandschleife bewirken. Die Bandschleife soll dabei die Primärspule
und den Kern eines elektrischen Transformators umschlingen. Dieses Verfahren hat
jedoch außer den oben angegebenen Nachteilen den weiteren Nachteil, daß die stromdurchflossene
Bandlänge nicht gleichmäßig erwärmt wird; denn die induzierten Ströme fließen nicht
nur in Längsrichtung des Bandes, sondern auch quer dazu in Form von Wirbelströmen.
Dadurch ergibt sich eine stärkere Erwärmung des Bandes in der Nähe des Transformators
auf Grund der mit der Entfernung vom Transformator abnehmenden Feldstärke.
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Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile in einer Einrichtung zum
raschen Erwärmen und Abkühlen von Metallbändern, insbesondere aus Kupfer, Aluminium
oder deren Legierungen, dadurch umgangen, daß ein Kolben die Anpreßwalze gegen die
stromführende Walze drückt, daß ein Motor die zwei stromführenden Walzen so antreibt,
daß das Band von dem ersten Walzenpaar zum zweiten transportiert und dabei in innigen
Kontakt mit jeder der stromführenden Walzen gebracht wird, daß Kühlmittelbehälter
vorgesehen sind, in die die Walzenpaare eintauchen, und daß von einer Stromquelle
elektrischer Strom durch die stromführenden Walzen und den Teil des Bandes zwischen
ihnen fließt.
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Um das Band von den stromführenden Walzen zu trennen, sind vorzugsweise
j2 zwei Hilfsführungswalzen in der Nähe des Kontaktbereiches der stromführenden
Walzen vorgesehen. Die stromführenden Walzen sind zweckmäßigerweise horizontal angeordnet.
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Ferner ist erfindungsgemäß oberhalb und zwischen den beiden Walzenpaaren
eine Führungswalze vorgesehen,
deren Druck- gegen das Band über
ein Gegengewicht konstant gehalten wird. Dabei wird vorzugsweise durch einen Meßumformer
die Lage der Führungswalze erfaßt und einer Vorrichtung zugeführt, die die Durchlaufgeschwindigkeit
sowie die Spannung des Bandes in Abhängigkeit vom Anzeigewert des Meßumformers konstant
regelt.
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Die stromführenäe# Walze hat erfindungsgemäß eine ballige Oberfläche,
wodurch verhindert wird, daß sich das Band seitlich verschiebt.
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Bezüglich des Bandantriebs gibt es mehrere Möglichkeiten. Entweder
treibt ein einziger Motor beide stromführenden Walzen oder nur die erste stromführende
Walze oder einen Haspel hinter der zweiten stromführenden Walze, oder es ist ein
Antriebsmotor für die erste stromführende Walze und ein getrennter Antriebsmotor
für den Haspel vorgesehen.
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Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik
werden an Hand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen A b b. 1 und 2 schematische
Darstellungen zweier üblicher Verfahren der Wärmebehandlung von streifenförmigem
Metall, A b b. 3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Walzenpaares gemäß
der Erfindung, A b b. 4 A bis 4 C schematische Darstellungen verschiedener Antriebsanordnungen
der erfindungsgemäßen Einrichtung, A b b. 5 eine Vorderansicht einer abgeänderten
Ausführungsform eures Walzenpaares gemäß der Erfindung und A b b. 6 eine Seitenansicht
eines Walzenpaares mit Hilfsführungswalzen gemäß der Erfindung.
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Das in A b b. 1 dargestellte Verfahren dient zur kontinuierlichen
Wärmebehandlung von Metallbändern. Danach wird das Metallband 1 abgewickelt, durch
einen Heizofen A und eine Kühlvorrichtung B geführt und schließlich wieder aufgewickelt.
Die Erwärmung des Bandes erfolgt hier indirekt durch Wärmestrahlung, was ,den Nachteil
hat, daß blanke Metallbänder auf Grund ihrer niedrigen Strahlungszahl und des damit
ungünstigen Wärmeaufnahmevermögens sehr lange erwärmt oder durch entsprechend lange
Durchlauföfen geführt werden müssen.
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A b b. 2 zeigt das bekannte Aufheizverfahren, von dem die Erfindung
ausgeht. Danach wird das Metallband 1 um zwei Walzen B und C geführt und ein elektrischer
Strom über die Walzen durch das Metallband 1 geschickt, der das ständig in Pfeilrichtung
transportierte Band elektrisch erwärmt.
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Dieses Verfahren hat jedoch die bereits geschilderten Nachteile schlechten
Kontaktes und der Funkenbildung zwischen den Walzen und dem Band, wenn Unregelmäßigkeiten
oder Wölbungen im Band vorhanden sind.
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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wird eine Anpreßwalze 3 aus
elastischem Material, z. B. aus Gummi, gegen eine stromführende Walze 2 gedrückt,
so daß sie auf einem durch a, b, c und d in A b b. 3 angegebenen Oberflächenbereich
berührt wird. Damit ist gewährleistet, daß das zu erwärmende Metallband 1 über einen
konstanten Bereich in innigem Kontakt mit der stromführenden Walze 2 steht, während
es durch die Walzen 2 und 3 geführt wird. Dadurch, daß das Metallband
1 mit ziemlich großer Kraft von der elastischen Walze 3 gegen die stromführende
Walze 2 gedrückt wird, wird ein zur Leitung des elektrischen Stromes ausreichender
Kontakt erzielt, unabhängig von Unregelmäßigkeiten oder Wölbungei u. dgl. im Metallband.
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Um einen zu hohen Temperaturanstieg in de Anpreßwalze wie auch eine
unerwünschte Funken Bildung zu verhindern, werden vorzugsweise beide Walzen 2 und
3 in Wasser eingetaucht. In dem in A b b. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Hilfs
führungswalzen 4 und 4 a vorgesehen, die das Metall band 1 von den stromführenden
Walzen 2 und 2 t weg und gegen die Anpreßwalzen 3 und 3 a spannen um zu verhindern,
daß elektrische Funken auf Grun( des instabilen Kontaktes unmittelbar vor und hinte
dem Kontaktbereich zwischen dem Metallband un( der stromführenden Walze auftreten.
Auf diese Weis wird eine Funkenbildung an den Kontaktflächen voll ständig vermieden.
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In einem in A b b. 4 A gezeigten bevorzugten Aus führungsbeispiel
wird ein zu erwärmendes Metall band 1 in der durch die Pfeile angedeuteten Richtuni
mit konstanter Geschwindigkeit zuerst zwischen eine: stromführenden Walze 2 a und
einer Druckwalze 3 1 aus elastischem Material, dann um eine Führungs walze 5 und
schließlich zwischen einer stromführen den Walze 2 und einer Anpreßwalze 3 aus elastischen
Material geführt. Hilfsführungswalzen 4 und 4 a sinc an den Walzenpaaren 2, 3 und
2a, 3 a vorgesehen die im Kühlwasserbehälter 6 und 6a eintauchen. De: Heizstrom
wird dem Metallband 1 aus einer Strom quelle 7 zugeführt, während das Band 1 zwischen
den Walzen 2 und 2 a, die von einem Elektromotor 1 angetrieben werden, durchläuft.
Der Strom bewirk ein Vorheizen zwischen den Walzen 2 a und 5 unc ein Aufheizen des
Bandes auf die gewünschte Tem peratur zwischen den Walzen 5 und 2, wobei da; beheizte
Band zum Abschluß der Wärmebehandlung abgeschreckt wird, wenn es in den Kühlwasserbehät
ter 6 eintaucht.
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Das heiße Metallband, das zwischen den Walzen .° und 2 erwärmt wird,
wird in Wasser eingetaucht, ohne eine andere Anordnung zu berühren, wobei Kratze:
auf der Oberfläche des Metallbandes verhindert wer, den, die sich leicht bei bekannten
Wärmebehandlungs. einrichtungen einstellen, weil das Band um Führungs. walzen u.
dgl. geleitet wird, während es erwärmt unc damit weich ist.
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Der von den Anpreßwalzen 3 und 3 a ausgeübte Kontaktdruck kann
in geeigneter Weise durch eine Wasserdruck- oder öldruckeinrichtung oder Elektro,
motoren aufgebracht werden. Öldruckkolben 9 und 9 c können dazu vorgesehen sein,
die Walzen 3 und 31 nach oben in die gestrichelt angedeuteten Stellungen zu ziehen,
um das Einführen des Metallbande: zwischen die Walzen zu erleichtern. Der Druck
kann so eingestellt werden, daß entsprechende Kontakt. flächen entstehen, die von
der Elastizität der Walzen und 3 a, der Dicke des Metallbandes und anderer Faktoren
abhängen. Material, Elastizität, Wärmeleit fähigkeit, Härte u. dgl. dieser Druckwalzen
können entsprechend gewählt werden, damit die Aufgaben der Erfindung erfüllt werden.
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Dadurch, daß die stromführende Walze 2 ein( ballige Mantelfläche erhält
(vgl. A b b. 5), und durcl Einstellung des Kontaktdruckes auf der rechten unc linken
Seite dieser Walze ist es möglich, das Metall. band ohne große seitliche Verschiebung
zu führen Wie in A b b. 6 gezeigt ist, ist die Relativstellung der stromführenden
Walze 2 und der Anpreßwalze und/oder der Walze 2a und der Walze 3a vertauschbar.
Auch
hier sind Hilfsführungswalzen 4 und 4a, die aus Gummi bestehen. vorgesehen,
um eine bessere Führung des Metallbandes um die stromführenden Walzen
2 und 2a zu erzielen.
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Obgleich es vorteilhaft ist, die Temperatur des Wassers in den Kühlwasserbehältern
6 und 6 a niedrig zu halten, kann die Temperatur in Abhängigkeit vom Preßwalzenmaterial
verändert werden. Es ist zweckmäßig, das Wasser ständig durch die Behälter 6 und
6 a zirkulieren zu lassen, um eine gleichmäßige Temperatur zu erzielen, und zum
Vorheizen des Kühlwassers im Behälter 6a warmes Wasser aus dem Kühlbehälter 6 zu
verwenden.
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Nach A b b. 4 A sitzt die obere Führungswalze 5 an einem Ende eines
Hebels 10, der in einem Gelenkpunkt 1.2 schwenkbar ist und ein Gegengewicht 11 am
entgegengesetzten Ende aufweist. Eine vertikale Verschiebung dieser Führungswalze
5 wird durch einen elektrischen Meßumformer 13 angezeigt, dessen Anzeige für eine
Feineinstellung der relativen Drehzahlen der stromführenden Walzen 2 und
2a über einen Verstärker 14 und einen Feindrehzahlregler 15 sorgt. Eine Änderung
der Heiztemperatur auf Grund einer Änderung der Länge des Metallbandes wird somit
verhindert, weil die Zugspannung im Band konstant gehalten wird.
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Die A b b. 4 B und 4 C zeigen andere Ausführungsbeispiele für den
Bandantrieb.
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In A b b. 4 B wird im Gegensatz zu A b b. 4 A nur die eine stromführende
Walze 2a vom Motor 8 angetrieben, der gleichzeitig auch den Haspel DR antreibt,
während die zweite stromführende Walze 2 mit dem Band 1 mitläuft.
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In A b b. 4 C sind an Stelle des einen Motors 8 zwei Motoren
8 und 8 a für die Walze 2 a und den Haspel DR gezeigt.
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In allen Ausführungsbeispielen der A b b. 4 A bis 4 C wird die Geschwindigkeit
des Bandes durch die Regelvorrichtung 11 bis 15 so geregelt, daß sie an den
Stellen X und Y gleich ist.
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Gemäß der Erfindung können auch andere Kühlflüssigkeiten zur Kühlung
verwendet werden.
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Die allgemeinen Merkmale der Erfindung werden nunmehr zusammengefaßt:
1. `'Fenn das zu glühende Band durch elektrischen Strom widerstandserhitzt wird,
ist die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und dem Inneren des Metallbandes
sehr klein, selbst wenn die Aufheizzeit durch Erhöhung der Bandgeschwindigkeit wesentlich
herabgesetzt wird. Dies bedeutet, daß keine Gefahr der Überhitzung der Oberfläche
des Bandes besteht. 2. Wenn die Anpreßwalzen, die aus elastischem Material bestehen,
mit ziemlich hoher Kraft gegen die stromführenden Walzen gedrückt werden, läßt sich
hohe örtliche Überhitzung oder Funkenbildung auf Grund zu hohen Kontaktwiderstandes
an den Kontaktflächen verhindern.
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3. Funkenbildung kann auch durch die Hilfsführun-swalzen unterbunden
werden.
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4. Das aufgeheizte Metallband wird vor einer Berührung mit Teilen
der Einrichtung abgeschreckt, so daß Kratzer u. ä. vermieden werden.
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5. Die Einrichtung kann stets in stabilisiertem Zustand betrieben
werden, weil sie keinen Wärmespeicher, wie z. B. eine Ofenwandung oder ein Ofenbett,
aufweist. Insbesondere dauert es bei gewöhnlichen öfen mehrere Stunden, bevor sie
ihren stabilen Betriebszustand erreichen; im Gegensatz hierzu kann eine Einrichtung
gemäß der Erfindung den stabilen Betriebszustand innerhalb weniger Sekunden erreichen
und kann intermittierend betätigt werden, ohne daß die Leistung des Ofens abnimmt
oder Produkte ungleicher Qualität entstehen.
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6. Wenn die Abmessungen und das Material der Metallbänder sich nicht
ändern, kann der gleiche Wärmebehandlungszustand auf einfache Weise für alle Bänder
gewährleistet werden, indem die angelegte Spannung und die Bandgeschwindigkeit konstant
gehalten werden.
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7. Da Anpreßwalzen aus elastischem Material verwendet werden, können
überlappte Verbindungen zwischen zwei Bändern einfach zwischen der Anpreßwalze und
der stromführenden Walze durchlaufen.
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B. Durch Erhöhung der Bandgeschwindigkeit ist es möglich, die Oberflächenoxydation
auf einen vernachlässigbaren Wert herabzusetzen, ohne daß in einer inerten Ofenatmosphäre
gearbeitet wird.
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9. Die Einrichtung zur Wärmebehandlung gemäß der Erfindung erfordert
einen Energieverbrauch von etwa 90 bis 150 kWh/t zum Anlassen eines Bandes einer
Kupferlegierung, was wesentlich weniger ist als die 300 bis 500 kWh; t, die bei
einem üblichen Tunnelwiderstandsofen erforderlich sind. Damit ist der Wirkunasgrad
sehr hoch.
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10. Der Platzbedarf der Einrichtung zur Wärmebehandlung gemäß der
Erfindung ist kleiner als der üblicher Tunnelöfen u. dgl., wie sie bisher verwendet
wurden.
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11. Die Einführung des Metallbandes in die Einrichtung im Augenblick
des Startens ist sehr einfach. 12. Während die Einrichtung zur Wärmebehandlung gemäß
der Erfindung eine sehr hohe Leistung aufweist, sind die Herstellungskosten gering.
Beispiel Versuchsmaterial: Messingband mit 67 % Cu (Querschnitt: 0,4 X 150 mm)
| I @ II @ III |
| Bandgeschwindigkeit (m/min) ............ 56 40 26,5 |
| Primärspannung (V) .................... 3100 3100 3150 |
| Primärstrom (A) .... .. .. ............ . . . 52 52 44 |
| Sekundärspannung (V) .................. 43 43 36 |
| Heizdauer (Sekunden) ..... . . .. . . . . . . .. .. 4,8 6,75
10,2 |
| Heiztemperatur ('C) .................... 700 800 820 |
| Korngröße (mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,010 0,020 0,040 |
| Abgenommene elektrische Energie (kWh/t) 95,5 115 146 |