DE1696619B2 - Verfahren zur steuerung der dicke eines metallischen ueberzugs - Google Patents

Verfahren zur steuerung der dicke eines metallischen ueberzugs

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DE1696619B2 DE19681696619 DE1696619A DE1696619B2 DE 1696619 B2 DE1696619 B2 DE 1696619B2 DE 19681696619 DE19681696619 DE 19681696619 DE 1696619 A DE1696619 A DE 1696619A DE 1696619 B2 DE1696619 B2 DE 1696619B2
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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Dicke eines metallischen Überzugs auf einem aus einem schmelzflüssigen Überzugsbad heraustretenden Bandmaterial, insbesondere Stahlband, mit Hilfe von so Gasstrahlen, die auf beide Seiten des überzogenen Materials gerichtet werden, bevor sich der Überzug verfestigt.
Es ist bekannt, zur Steuerung des Gewichts und Volumens von metallischen Überzügen, mit denen Bandmaterialien versehen werden, Gasstrahlen zu verwenden, wodurch sich höhere Arbeitsgeschwindigkeiten und damit kürzere Produktionszeiten bzw. größere Produktionsmengen erreichen lassen (USA.-Patentschrift 287 076). Ein wesentlicher Nachteil, der sich jedoch bei der Benutzung von Gasstrahlen zur Steuerung der Überzugsdicke ergibt, besteht darin, daß sich am Rande des beschichteten Bandmaterials Rippen aus dem metallischen Überzugsmaterial aufbauen. Dieser Fehler wiegt um so schwerer, je dünner das zu beschichtende Band ist. So verhindert beispielsweise bei Metallbändern, deren Dicke weniger als etwa 0,64 mm beträgt, eine Stauung de.3 metallischen Überzugs am Bandrand, daß sich das Band in der gewünschten Weise aufspulen läßt. Dieser Fehler wird gewöhnlich durch Veränderungen bezüglich der Gasstromrichtung und -geschwindigkeit an den Bandrändern verursacht.
Eine Überprüfung des Mechanismus, der zur Anhäufung von Überzugsmaterial am Bandrand führt, hat ergeben, daß die von den Gasstrahlen auf den Überzug übertragene Kraft für dessen Aufbau am Bandrand maßgebend ist. Die Gasstrahlen zeigen an den Rändern der gegenüberliegenden Bandseiten ein turbulentes Strömungsverhalten. Falls keine entgegenstehende Kraft einwirkt, wird ein Teil des Überzugsmaterials von der einen Bandseite um die Bandkante henmgeblasen, so daß sich am Bandrand auf der anderen Bandseite ein dickerer Überzug bzw. eine rippenartige Überzugsausbildung ergibt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Gasstrahlen so zu steuern, daß die Bildung von Rippen oder Wülsten aus Uberzugsmaterialien an den Bandrändern vermieden wird, so daß das Band eine einwandfreie Überzugsoberfläche erhält und sich deshalb gut aufspulen läßt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Gasstrahlen mit gesteuerten Auftreffhöhen von auf jeder Seite des sich bewegenden Bandmaterials angeordneten Gasdüsen aus auf die Oberflächen des Bandmaterial1; derart gerichtet werden, daß sich die Auftreffhöhen der entsprechenden Gasstrahlen überlappen, jedoch um Vso bis 3A der Auftreffhöhe gegeneinander versetzt sind, und daß die Gasstrahlen in an sich bekannter Weise über die Breite des Bandmaterials an den Rändern hinausverlaufen.
Erfindungsgemäß werden die Gasstrahlen also nicht, wie man zunächst hätte annehmen können,' genau einander gegenüberliegend angeordnet, da dadurch eine zu große Metallmenge an den Bandrand geblasen wird, um dort sich in Form eines die genannten Nachteile mit sich bringenden Metallwulstes abzulagern, sondern die Gasstrahlen werden in bezug aufeinander versetzt angeordnet, und zwar der eine höher als der andere, so daß die entgegengerichtete Kraft des höLerliegenden Gasstrahls den Aufbau einer Randweist oder -rippe aus Überzugsmaterial beseitigt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, als Gas zur Steuerung der Überzugsdicke Luft von Umgebungstemperatur zu verwenden, weil sich dadurch Kosten für Transport, Lagerung und Verbrauch eines besonderen Gases sparen lassen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen die Gasstrahlen unter einem Winkel auf das Bandmaterial gerichtet werden, der etwa zwischen +20 und —45° liegt, und zwar gemessen zwischen der Mittellinie eines Gasstrahls und der senkrecht zum Bandmaterial liegenden Ebene. Außerdem ist es zweckmäßig, den Abstand der Düsen zur Oberfläche des Bandmaterials zwischen etwa 6,4 und 38 mm zu wählen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
F i g. 1 ist das Verfahrensschema einer Schmelztauchüberzugsanlage, die mit Gasdüsen zur Steuerung der Überzugsdicke ausgestattet ist,
F i g. 2 zeigt die Querschnittsansicht längs der Linie II-II in Fig. 1, aus der die Anordnung der Düsen in bezug auf das überzogene Band ersichtlich ist;
Fig. 3 stellt eine vergrößerte Detailansicht dar. aus der zu entnehmen ist, wie die Düsen zur Überzugssteuerung anzuordnen sind, sowie eine senkrechte Schnittansicht einer der dabei verwendeten Düsen;
Fig. 4 zeigt eine senkrechte Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Teils der in F i g. 3 gezeigten Gasdüse.
Die in F i g. 1 gezeigte Anordnung zeigt eine Anlage zum Schmelztauchüberziehen eines Bandmaterials, die mit Gasdüsen zur Steuerung des Überzugsgewichts ausgerüstet ist. Dafür kann irgendein beliebiges Gas verwendet werden, wobei auch, gemäß einer vorteilhaften Verfahrensweise, ein einfacher. Umgebungstemperatur aufweisender Luftstrom wirkungsvoll verwendet werden kann. Offensichtlich lassen sich aber auch Dampf oder andere Strömungsmittel. Gase einsetzen.
Wie F i g. 1 zu entnehmen ist, wird ein Bandmaterial, beispielsweise ein Stahlband, in der Zone 1 ac abgespult, darauf durch eine Erwärmungszone 2 geschickt, die von einem Glühofen gebildet wird, und schließlich durch eine Kühlungszone 3 des Ofens in ein Bad 4 gefördert, in dem sich das Uberzugsmaterial befindet. Im Überzugsbad angeordnete Umlenkrollen 5 führen das Band durch das Über zugsbad, von wo aus es zwischen entgegengesetzt angeordneten Gasdüsen 6 hindurch und über geeignete Rollen 7 in einen kühlenden Auslaufbereich geführt wird und schließlich in eine Aufspulvorrichtung 8 gelangt.
Die Länge der Öffnungen 10, über dk die Gasstrahlen aus den Düsen 6 austreten, sollte einige Zentimeter größer sein als das breiteste Band, dessen Überzug durch die Gasstrahlen gesteuert werden soll. Die größere Länge der öffnung ermöglicht die Bewegung des Bandes in einer veränderlichen Durchlaufanlage. Die in F ig. 2 gezeigte Querschnittsansicht macht deutlich, daß sich die Öffnungsschlitze über dL· Länge des zwischen ihnen befindlichen Bandes hinaus erstrecken. Diese Ansicht, die längs der Linie H-II in Fig. 1 erfolgt, zeigt die Einstellung der Düsen in bezug auf das Band. Eine Anordnung und Einstellung der Gasstrahlen und Düsen, die zur Abgabe der Gasstrahlen dienen, ist in F i g. 3 beschrieben. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, sind die Düsen 10a und 10 b auf beiden Seiten eines Bandes so angeordnet, daß sie einen Gasstrahl gegen die überzogenen Oberflächen lenken, sobald das Band aus einem Überzugsbad herausgezogen wird, während sich das Überzugsmaterial noch im geschmolzenen Zustand befindet.
Jede Düse 10« und 10ft weist einen Kopfabschn.tt 12, ein^n sich verjüngenden Halsabschnitt 14 und einen Öffnungsabschnitt 16 auf. Die Düsen sind mit einem Manometer 18 versehen, das den Gasdruck anzeigt. Außerdem sind Einrichtungen vorhanden, mit denen die Lippen 22' und 22" der Düse in dem Öffnungsabschnitt verändert werden. Ein Sieb 20 sorgt für die gewünschte Gasverteilung, wie dies im folgenden beschrieben ist.
Wie ebenfalls aus F i g. 3 hervorgeht, ist der Diffusionswinkel Θ des emittierten Gassfrahls sowohl unabhängig von dem Gasdruck hinter dem Öffnungsschlitz als auch von der Öffnungshöhe S, wenn die Reynolds-Zaf J der Strömung über etwa 2000 liegt. Da der Winkel Θ relativ konstant ist, ergibt sich die Größe des Stoßes H, d. h. also die Auftreffhöhe, der Wischkraft des Gasstromes oder -Strahls aus der folgenden Gleichung:
H =
cos — D sin
11 2 /
cos
1 - ß) 1 cos \ 2
Θ / Θ
2
Die Form des von der Düse ausgehenden Gasstrahls ist unabhängig vom Druck, und demzufolge hängt die Auftreffhöhe H nur von der Öffnungshöhe S, dem Diffusionswinkel θ, dem Abstand D der Öffnungsmitte von dem Band und dem waagerechten Winkef/i, den die Öffnung mit dem Band bildet, ab.
Es wurde gefunden, daß die eine Auftreffhöhe Ή in bezug auf die gegenüberliegende Höhe H so weit versetzt sein muß, daß die entgegengesetzte Kraft der höher gelegenen ».uftreffhöhe H die Randwulst beseitigen kann, wenn b :i einer Überzugsgewichtssteuerung unter Verwendung von Gasstrahlen keine unerwünschte Randwulstbildung oder Randansammlung verursacht werden soll. Die Differenz »X« in der entgegengesetzten Höhe H darf jedoch nicht den Punkt übertreffen, an dem die resultierende Kraft der höher gelegenen Auftreffhöhe H das Überzugsmaterial um die Kante herum auf die andere Seite blasen und eine Rippe bilden kann. Es wird deshalb ein Betriebsbereich vorgeschlagen, in dem die Lage der Gasdüsen zur Erzeugung eines überzogenen Bandes führt, das nur wenige oder gar keine Randwülste oder starke Überzugsrippen an den Bandrändern aufweist. Der Bereich, in dem eine derartige Überzugssteuerung durchgeführt werden kann, ist wie folgt begrenzt:
Minimaler Bereich: Zur Verhinderung von Randwülsten sollten die Auftreffhöhen H der beiden entgegengesetzten Gasstrahlen aus der vollständigen senkrechten Fluchtungslage (Spiegelbildanordnung) um einen Betrag »Λ'«, der wenigstens "20 H beträgt, versetzt sein.
Maximaler Bereich: Zur sicheren Ausschaltung starker Überzugsrippen sollten die beiden entgegengesetzten Auftreffhöhen H aus der vollständigen Spiegelbildausrichtung um nicht mehr als 3U H versetzt sein.
Wie ersichtlich ist, müssen sich die Gasstrahlen überlappen, dürfen jedoch nicht zusammenfallen, und die Größe der Verschiebung X jedes Gasstrahls muß innerhalb des Bereichs von l/so bis 3U H liegen.
Zur Erreichung des optimalen Düsenbetriebs müssen eine Anzahl von Konstruktionsfaktoren aufeinander abgestimmt werden. So hat sich beispielsweise gezei^., daß der Kopfabschnitt der Düse zu der Fläche des Öffnungsschlitzes in einer Beziehung steht, die von dem Gaseintritt in den Kopfabschnitt abhängt. Falls das System der Dcppelzufuhr benutzt wird, gemäß dem die Luft in die beiden Enden des Kopfabschnitts eintritt (Doppeleintrittszufuhr), sollte das Verhältnis der Querschnittsfläche des Kopfabschnitts zu der Fläche des Öffnungsschlitzes vorteilhafterweise wenigstens 4:1 betragen. Falls die Luft nur an dem einen Ende des Kopf abschnitts eintritt (Einzeleintrittszufuhr), sollte das Verhältnis der Querschnittsfläche
des Kopfabschnitts zu der Fläche des Öffnungsschlitzes wenigstens 8 :1 betragen. Das genannte Verhältnis der Querschnittsfläche des Kopfabschnitts zu der Fläche des Öffnungsschlitzes unterstützt die Gleichförmigkeit des aus dem Schlitz austretenden Strahlprofils. Bei einer bevorzugten Anordnung beträgt das genannte Verhältnis 5:1 für die Doppeleintrittszufuhr und 10:1 für die Einzeleintrittszufuhr. Verhältnisse, die größer sind als die genannten, verbessern das Strahlprofil verhältnismäßig wenig. Für die Fuiiii des Kupfabschnitts kann fast jede beliebige Gestalt gewählt werden, deren Konstruktionen nicht schwierig sind oder die für die Raumbeschränkungen notwendig ist. Ein normales Rohr hat sich jedoch als zufriedenstellend erwiesen.
Der innere Teil der Düse, durch den die Luft hindurchströmen muß, solte nach Möglichkeit eine gleichmäßige Widerstandsverteilung aufweisen. Dieser Widerstand läßt sich mit Hilfe einer perforierten Platte oder eines Siebs 20, wie in F i g. 3 gezeigt, erreichen, so Dieser Widerstand dient zur Verhinderung einer ungleichförmigen Strömung, die durch die Richtungsänderung des Gases vom Kopfabschnitt zum Halsabschnitt hervorgerufen werden kann. Für eine gute Verteilung ist ein Widerstand von wenigstens 0,05 m Wassersäule erwünscht. Eine zufriedenstellende Anordnung wird durch Verwendung eines 200-Maschen-Siebes (etwa 33°/o Durchgangsöffnungsfläche) bei einem Verhältnis von Gesamtfläche des Siebes zur Fläche des Schlitzes von 16:1 erreicht.
In bezug auf F i g. 3 hat sich ergeben, daß sich ein gleichmäßiges Luftstrahlprofil am besten durch Einhaltung der folgenden Bedingungen erreichen läßt.
1. Die innere Oberfläche des Schlitzes zwischen den Lippen 22' und 22", durch die die Luft strömt, sollte glatt und parallel sein. Wellen und Linien längs der Oberfläche können zu Schaden auf dem überzogenen Band führen, auf das die Luft aufprallt.
2. Die Enden des Schlitzes, aus dem die Luft austritt, sollten in senkrechter Richtung fluchten, so daß die Lippen 22' und 22" in einer Ebene enden, die senkrecht zur Mittellinie der Lippen liegt. Wenn die eine Lippe sich über die andere hinaus erstreckt, kann die Luftströmung abreißen und die Bildung eines groben Überzugs verursachen.
3. Es sollen nach Möglichkeit alle Vorsprünge vermieden werden, die sich in den Strömungsweg der Luft zwischen Pfad und den Schlitz erstrecken. Die Verjüngung des konvergierenden Halsabschnitts sollte so mit dem Lufteintritt des Schlitzes in Verbindung stehen, daß die Lippen nur geringfügig oder gar nicht in den Luftstrom hineinreichen.
Die Einstellung der Öffnungshöhe S wird bei der in F i g. 3 gezeigten Düse mit Hilfe der in der Zeichnung dargestellten Mutter- und Schraubenverbindun- gen 26a und 16b erreicht. Auf diese Weise kann der obere Lippenabschnitt 11' in senkrechter Richtung bewegt werden, um jede gewünschte Öffnungsgröße zu schaffen, um dann wieder beispielsweise durch Anziehen der gezeigten Schraube stabil an der Düse befestigt zu werden.
Eine andere Konstruktion der in F i g. 3 gezeigten, sich verjüngenden Hals- und Öffnungsabschnitte der Gasdüse ist in F i g. 4 dargestellt. Diese Ausfuhrungsform ist eine andere Anordnung zur Einstellung der Schlitz- oder Öffnungshöhe bzw. -größe S. Offensichtlich kann jedoch die Einstellung der Schlitzhöhe auch dh Schrauben, Nocken oder andere Vorrichtungen vorgenommen werden, die alle von Hand, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch bedienbar sind.
Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform haltern die Gewindebolzen 32 und 34 die maschinell bearbeiteten Teile 36 und 38 an den Flanschen 40 und 42 des sich verjüngenden Halsabschnitts. Der Schlitz wird von den maschinell bearbeiteten Teilen 44 und 46 gebildet, die entfernbar an den Teilen 36 und 38 mit Hilfe der Maschinenschrauben 48 und 50 befestigt sind. Die Schlitzhöhe läßt sich durch Einsetzen anderer I eile 44 und 46 verschiedener Dicke variieren, um dadurch jede gewünschte Schlitzhöhe zu ermöglichen.
Es wurde festgestellt, daß sich Überzüge von zufriedenstellendem Aussehen und Gewicht durch jede beliebige Kombination der von Düse und Band eingeschlossenen Winkel herstellen lassen, deren Bereich sich von f 20 bis 45 erstreckt. Die Mittellinien der Gasstrahlen brauchen nicht identisch geneigt zu sein. Es ist möglich, daß jede Düse in einem etwas anderen Winkel geneigt ist; es ist nur erforderlich, daß der hier beschriebene Zusammenhang der Auftreffhöhen eingehalten wird. Es hat sich herausgestellt, daß ein Winkel von +10° für gewisse Überzüge, beispielsweise bei der Weißblechherstellung, besonders geeignet ist, während sich Winkel zwischen —5 bis — 45 \ \.wbei der optimale Winkel — 15° beträgt, für ffuerverzinkte Überzüge als vorteilhaft erwiesen haben. Die Öffnungshöhe ist nicht kritisch. So haben sich öffnungen von 0,5 bis 6,4 mm bewährt. Jedoch sind mit wachsender Srh1it7höhc zur F.rreichung gleicher Überzugsgewichte etwas größere Gasgeschwindigkeiten erforderlich.
Andererseits zeigt der Überzug für eine gegebene öffnungshöhe ein unterschiedliches Aussehen, wenn die Entfernung D zwischen Düse und Band wächst. Überzüge, die bei einem Abstand D von 12,7 mm zwischen Düse und Band hergestellt werden, besitzen im allgemeinen ein gleichförmiges Aussehen. Im Vergleich dazu zeigen die bei einem Düse-zu-Band-Abstand D von 25,4 mm hergestellten Überzüge im allgemein ein schwaches Querwellenmuster. Die Überzüge, die bei einem Abstand D von mehr als 28 mm hergestellt werden, weisen ein stärkeres Wellenmuster auf. das für gewisse kritische Anwendungsfälle nicht befriedigen dürfte. Die Wellen treten etwas weniger stark hervor, wenn die Bandgeschwindigkeit vergrößert wird. Abstände D zwischen Düse und Band von 6,4 bis 28 mm werden bevorzugt.
Die Überzugsverteilung läßt sich wirksam durch Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Luft steuern. Das heißt, Or jede öffnungshöhe verursacht ein Ansteigen der Gasgeschwindigkeit eine Abnahme des Überzugsgewichts, ohne daß dadurch das Aussehen des Überzugs beeinträchtigt wird. Ein benanntes Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von beispielsweise Luft beim Austreten aus einer gegebenen öffnung besteht darin, den Luftdruck innerhalb der Düse zu messen Ein bevorzugter minimaler Überdruck betragt etwa 0,028 kp/cm2. Zur Herstellung brauchbai er Überzüge mit kleineren Öffnungen, d. h. bei S = 0.5 mm, werden verhältnismäßig hohe Drücke benötigt, während bei größeren öffnungen, also bei S = 6,4 mm, geringere Drücke ausreichen. Öffnungshöhen von 1,5 bis 3,8 mm stellen anscheinend den für die Feuerverzinkung optimalen Bereich dar, wenn zur Überzüge-Steuerung Luftströme verwendet werden.
Wenn alle anderen veränderlichen Betriebsgrößen konstant bleiben, dann kann das Überzugsgewicht des Bandes nach dem Durchgang durch die Gasströme als direkt proportional zu der Bandgeschwindigkeit angesehen werden. Somit würde beispielsweise, wenn das Überzugsgewicht bei einer Bandgeschwindigkeit von 0,83 m/s 160 g/m2 betragen würde, das Überzugsgewicht bei einer Bandgeschwindigkeit von 1,66 m/s 320 g/m2 groß sein.
Im folgenden wird ein spezielles Beispiel dafür ge- ίο geben, wie ein Gasstrom-Überzugsteuerverfahren zur Erzeugung eines feuerverzinkten Überzugs auf einem Stahlband verwendet werden kann. Zu diesem Zweck werden zwei Düsen der in F i g. 3 gezeigten Bauweise, eine auf jeder Seite des Stahlbands, in einer verstellbaren Halterung über dem Überzugsbad angeordnet. Die verstellbare Halterung ist so geartet, daß jede Luftdüse in waagerechter und senkrechter Richtung verstellt und auch gedreht werden kann, um dadurch den Auftreffwinkel der Luftstrahlen auf dem ao Band zu verändern. Das Band taucht in senkrechter Richtung aus dem Bad mit einer Geschwindigkeit von 1,66 m/s auf und wird der Wischwirkung der Luftströme in einer Entfernung von 0,40,6 cm über der Oberfläche des Bads unterworfen. Die Düsen sind so angeordnet, daß die Achse jedes Luftstroms, der den 3.2 rnm hohen öffnungsschlitz verläßt, unter einem Winkel von --15° auf das Band auftnftt, d. h. also in einem Winkel von 15° unterhalb einer bezüglich des Bandes senkrechten Lage. Der Auftreffpunkt der Achse des einen Strahls wurde um 3,22 mm von dem Auftreffpunkt der Achse des die andere Seile des Bandes beaufschlagenden Luftstrahls senkrecht versetzt. Der Abstand längs der Achse jeder Düse von der öffnung zum Band betrug 19 mm. Der Luftdruck unterhalb des auf der Innenseite jeder Düse befindlichen Siebs betrug 0,76 m WS, und das auf diese Weise hergestellte Überzugsgewicht wurde zu 370 g/ m2 gemessen. Der sich ergebende Überzug wies über die ganze Breite des Bandes eine gleichmäßige Dicke und ein einheitliches Aussehen auf, und die äußeren Ränder besaßen keine Rippen oder Wülste.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 309534/38?

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Steuerung der Dicke eines metallischen Überzugs auf unem aus einem schmelzflüssigen Überzugsbad heraustretenden Bandmaterial insbesondere Stahlband, mit Hilfe von Gasstrahlen, die auf beide Seiten des überzogenen Materials gerichtet werden, bevor sich der Überzug verfestigt, dadurch gekenn- η zeichnet, daß die Gasstrahlen mit gesteuerten Auftreffhöhen (H) von auf jeder Seite des sich bewegenden Bandmaterials angeordneten Gasdüsen (10 a, IQb) aus auf die Oberflächen des Bandmaterials derart gerichtet werden, daß sich die AuftrefFnöhen (H) der entsprechenden Gasstrahlen überlappen, jedoch um V20 bis :1-4 der Auftreffhöhe gegeneinander versetzt sind, und daß die Gasstrahlen in an sich bekannter Weise über die breite des Bandmaterials an dessen Rändem hinaus .-erlaufen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas zur Steuerung der Überzugsdicke Luft von Umgebungstemperatur verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasstrahlen in einem zwischen ihren Mittellinien und einer Ebene senkrecht zum Grundmaterial eingeschlossenen Winkel Θ geg.n das Bandmaterial gerichtet werden, dessen Größe von + 20 bis — 45° beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel Θ im Bereich zwischen + 10 und — 15° gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen in einem Abstand (D) von 6,4 bis 38 mm von dem Bandmaterial angeordnet werden.
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