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Titel: Verfahren und Vorrichtung zur schellen kontinuierlichen Oberfldchenbehandlung
und langen Körpern, insbesondere von Bandern und- Drdhten Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen kontinuierlichen Oberflächenbehandlung,
insbesondere zum Beizen und Entfetten von Bändern und Drdhten.
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Die meisten bekannten Maschinen, Vorrichtungen und Fertigungsstraßen
zur kontinuierlichen Oberflachenbehandlung von Bändern und Drähten, die in der Hüttenproduktion
angewendet werden, arbeiten nach technologischen Prinzipien, die von den klassischen
Verfahren zur Oberfldchenbehandlung allgemein geformter Gegenstände abgeleitet werden.
Nur in einzelnen Fellen wird die Einfachkeit der Form von Bändern und Drähten zur
wesentlichen Intensifikation der Prozesse der Oberflächenbehandlung benützt. Bei
großen Durch9ongsgeschwindigkeiten,
die aus den Leistungsanforderungen
hervorgehen, sind die bisherigen Produktionsstraßen fur Oberflöchenbehandlungen
von zehn bis zu hundert Metern lang. Daraus ergeben sich große Investitionsoufwonde
hinsichtlich der technologischen Vorrichtung wie auch in bezug auf die Bauobjekte,
große Flächen fur die Vorrichtung, große Wärmeverluste und zusammenfassend dadurch
ein hoher Aufwond pro Oberfldcheneinheit des Endproduktes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen
Oberfldchenbehandlung zu schaffen, das die Operationszeiten auf Bruchteile der bisherigen
Werte, verkürzt und eine geringere Baulänge als die bisher bekannten Vorrichtungen
aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß die zu behandelnde
Oberflache der kombi tierten Wirkung der Elektrolyse, der chemischen Einwirkung
und der Wirkung der Kavitation ausgesetzt wird, die durch Anderungen des hydrostatischen
Druckes des Elektrolyts hervorgerufen wird, der entlang der zu behandelnden Oberfläche
strbut, wobei die elektrolytische Einwirkung vorzugsweise in Bereich der Druckmaxina
der Strömung konzentriert wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß
die zu behandelnden Körper kontinuierlich durch eine oder mehrere Operationseinheiten
geführt werden, die als Röhre ist veränderlicht Durchmesser im Querschnitt gebildet
werden, die den Profil des zu behandelnden Körpers angepaßt sind. Das Rohr ist Fit
eine oder mehreren Einlaßstutzen fur den Elektrolyt versehen, die in die Überdruckkammer
münden, die das Rohr in Gleichstrem- und Gegenstrozweig
mit Kavitotionsdusen
teilt, mit einem langen Ausgangsdiffusor, die aus einem Elektroisolationsmaterial
hergestellt Sind, zwischen denen oder wenigstens vor denen die Elektroden eingelegt
sind, deren lichte Weite immer größer als die minimale lichte Weite der KavitationsdUsen
ist, wobei die Enden des Rohres mit Endabschlussen fUr das Abfangen und AbfUhren
des Elektrolyts aus der Einheit versehen sind.
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Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung nach der Erfindung beruht
in einer zweckmäßigen Kombination der Elektrolyse, der chemischen Einwirkung des
strömenden Elektrolyts und der Kavitotion. Die Verbindung dieser Erscheinungen im
Elektrolyt, der entlang der zu behandelnden Oberfläche strömt, wobei die Amplituden
der Längsänderung der Geschwindigkeit so groß sind, daß die entsprechenden Änderungen
des statischen Druckes in dem strömenden Elektrolyt die Entstehung und Erlöschen
der Kavitation hervorrufen; in dem Bereich der Druckmaxima ist dann die elektrolytische
Wirkung des elektrischen Stromes mit großer Stromdichtheit konzentriert. Der Sinn
dieser Kombinotion ist zweierlei 2 an der einen Seite bietet die Elektrolyse genug
Gaskerne zur leichten Entwicklung einer intensiven Kavitation und ermöglicht ihr
Entstehen in einem breiten Bereich der Strömungsparom-etert An der anderen Seite
gibt die Größe der Druckmaxima, die zur schnellen und vollständigen Aufhebung der
Kavitationnötig sind, zusammen mit der schnellen Turbulenzströmung des Elektrolyts
die Bedingungen zu einer verhältnismäßig leichten Erreichung der hohen Strömungsdichten
der Elektrolyse bei annehmbaren Spannungsgefdllen.
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Zur Ausnützung der Kavitation bei den Reinigungsoperationen, insbesondere
beim Beitzen und Entfetten ist zu bemerken, daß ihr
einfluß vor
allem in Bereichen ihre beseitigung zur Geltung kommt, wo es zum implosionzusammenbruch
der Kavitationsblasen und dadurch zur Bildung von praktisch hydraulischen Punktstößen
kommt.
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Die Realisierung des Verfahrens zur Oberflächenbehandlung nach der
Erfindung wird beispielsweise in Röhren von veranderlichem Querschnitt vorgenommen,
durch welche die Drähte, Bänder oder andere langen Gegenstande fUhren. Der Querschnitt
der Röhre ist für Bänder in Form eines Rechtecks, fUr Drähte rund oder dgl. ausgebildet.
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Der Elektrolyt wird in das Rohr unter Druck eingeblasen und strömt
entlang des zu behandelnden Bandes oder Drahtes abwechselnd durch die verengten
Abschnitte des Rohres, die aus dem gleichen Elektroisolant wie die KavitationsdUsen
gebildet sind und durch die verbreiterten Abschnitte, von denen wenigstens einige
als Elektroden ausgebildet sind. Die Kavitationsdusen zwischen den Elektroden bilden
zusätzlich einen Schutz gegen eine direkte Beruhrung zwischen den Elektroden und
der zu behandelnden Oberfläche der Drähte oder Bander. Die Größe der Durchflußdurchschnitte
der Düsen und Elektroden und der Durchfluß des Elektrolyts wird so gewählt, daß
einerseits die zur Entwicklung und Aufhebung der Kavitation erforderlichen Druckänderungen
erzielt werden, andererseits daß in den Überdruck-Elektrodenstreifen noch eine genügende
Durchflußgeschwindigkeit und Turbulenzstufe des Elektrolyts vorhanden ist, die zusammen
mit dem Druck des Elektrolyts große Stromdichten (einige Hunderte bis einige Tausende
Ampere auf dm2) bei energetisch annehmbarem Spannungsgefälle und ohne Gefahr von
Entladungen im Elektrolyse ermöglicht.
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Die Wahl der Elektrolytsorte hängt von dem Charakter des Arbeitsvorganges,
der zu realisieren ist, ab. Das Verfahren zur Oberflöchenbehandlung nach der Erfindung
ermöglicht es, eine breite auswahl der Wasser- und Schmelz-, alkalischen, neutralen
und saueren Elektrolyte auszunützen. Bei der Wahl ist es nötig, die spezifischen
Anforderungen des neuen Verfahrens zu beachten. Mit Rücksicht auf die hohen Stromdichten
ist es nötig, immer den Vorzug den Elektrolyten mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit
zu geben. Die optimale Ausnutzung der Kavitation und der ungestörte Verlauf der
Elektrolyse gibt jenen Elektrolyten den Vorzug, die gute Ergebnisse in Temperaturbereichen
geben, die um einige Zehner Stufen höher als die Siedentemperatur liegen. Solange
der Verlauf der chemischen Reaktionen dnd der Elektrodenvorgdnge die Arbeit bei
den dem Sieden des Elektrolyts nahen Temperaturen verlangt, ist es nötig, solche
Parameter der Elektrolytsströmung zu wahlen, daß im Bereich der Druckmaxima eine
genügende Überdruckreserve vorhanden ist.
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Je nach dem gewinschten Charakter der Elektrodenvorgänge wird bei
dem Verfahren zur Oberflächenbehandlung nach der Erfindung Gleich-und Wechselstrom
und verschiedene Schaltungsarten benutzt. Für die meisten Beizen- und Entfettungsfälle
kommt man mit der bekannten Bipolarschaltung der Elektroden aus, bei der der elektrische
Strom in die zu behandelnde Oberfläche nur indirekt mittels des Elektrolyts geleitet
wird. Bei Anwendung von Gleichstrom sind die einzelnen Elektroden oder Gruppen von
Elektroden abwechselnd als Anode und Katode geschaltet; bei Wechselstrom ist es
am-zweckmößigsten, den Dreiphasenstrom, der zu 3 Elektroden hintereinander geleitet
wird, zu benützen. Das zu behandelnde Band oder der Draht
bildet
dann den bulleiter. Schwierigeres Beizen erfordert die Differenzierung der Stromdichten
in einem anodischen und kathodischen Zyklus; dies wird durch eine unterschiedliche
Anzahl von Elektroden erzielt, die als Anoden und Kathoden geschaltet werden, eventuell
wird für die einzelnen Elektroden eine unterschiedliche Länge gewählt. Diese beiden
Maßnahmen haben begreiflicherweise nur bei Gleichstrom einen Sinn.
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Bei MetallUberziehungsverfohren, die nach der Erfindung ebenfalls
realisiert werden können, ist eine andere Schaltung erforderlich.
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In diesem Fall wird der Minuspol der Stromquelle entweder direkt an
den kontinuierlich führenden Draht oder das Band geschaltet, oder es werden zwei
selbständige Röhren mit verschiedenen Elektrolyten hintereinander angeordnet, von
denen die erste mit negativ geschalteten Elektroden als Anodenreinigung arbeitet,
wdhrend die zweite mit dem Metalluberziehungselektrolyt die Elektroden positiv geschaltet
ist.
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Das Verfahren zur Oberflöchenbehandlung nach der Erfindung ist vom
technologischen Standpunkt einerseits durch eine große Mannigfaltigkeit der Prozesse,
die durch die Verwendung von verschiedenen Elektrolyten und verschiedenen Schaltungen
erreicht werden können, anderseits durch eine breite Einstellbarkeit der Parameter
des gegebenen Prozesses charakterisiert, die vor allem aus dem großen Bereich der
Stromdichten hervorgehen, mit denen man zu Bedingungen erhöhten Druckes und hoher
Geschwindigkeiten der Elektrolytströmung arbeiten kann. So kann zu Beispiel bei
der grundsötzlich gleichen Anordnung der Beheizprozeß vom leichten Dekapieren, Uber
die Beseitigung von dicken Zunderschichten bis zum elektrochemischen
Polieren
oder Bearbeiten angewendet werden. Durch Anpassung der Strombedingungen kann noch
diesem Verfahren das Entfetten in alkalischem Medium mit Beizen zu einem einzigen
Arbeitsgang verbunden werden. Ähnlich kann in einer einzigen Operation die Kathodenreinigung
und die Anodenoxydation realisiert werden.
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Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung nach der Erfindung verkUrzt
die Arbeitszeiten der kontinuierlichen Oberfloc'henbehandlungen auf einen Bruchteil
der bisherigen Werte, die in den bekannten Produktionsstraßen erzielt werden, und
zwar besonders bei Reinigungsprozessen, namentlich beim Entfetten und beim Beizen.
So kann z. B.
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bei den nach dem Kaltwalzen der Bänder entstehenden gewöhnlichen Verunreinigungen
durch das Verfahren nach der Erfindung eine Qualitdtsentfettung in einigen Zehnteln
einer Sekunde, in der Regel binnen 0,1 bis 0,2 Sekunden erzielt werden, gegenüber
mehreren Sekunden, die gewtlhnlich in den bekannten kontinuierlichen Fertigungsstraßen
nötig sind. Stellenmäßig ist die Verkürzung der Operationszeiten auch beim Beizen
beachtlich, bei dem durch das Verfahren nach der Erfindung das Ausbeizen innerhalb
von 1 bis 5 Sekunden erreicht wird. Bei den nichtlegierten Stählen mit niedrigem
Kohlenstoffgehalt genugt zum Ausbeizen in der Regel immer etwa 1 sec., und zwar
beim Verzundern nach Warmwalzen und auch nach Gluhung. bei dickeren Zunderschichten
wird auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zweckmäßig dem eigentlichen Beizen
ein mechanischer Zunderbrecher vorgeschaltet. Fast proportional zur Verkürzung der
Operationszeiten verkürzen sich auch die Baulöngen der Vorrichtung nach der Erfindung
im Vergleich zu den bisherigen
Vorrichtungen, Die Folgerung ist
ein bedeutende Herabsetzung der Investitionsaufwönde im Hinblick auf die technologische
Vorrichtung und Verminderung der erforderlichen sehr wertvollen Bodenflächen in
den Hallen. Ebenfalls sind die direkten Betriebsaufwände der Vorrichtung nach der
Erfindung bei den meisten Anwendungen niedriger als bei den bekannten Vorrichtungen,
was vor allem die Folge der sehr niedrigen Wärmeverluste dieser neuen Vorrichtungen
ist. Einer der größten Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Tatsache,
daß die sehr geringen Baulängen die Einschaltung der Vorrichtungen nach der Erfindung
in komplexe Fertigungsstraßen, besonders direkt in Fertigungsstraßen von Halbfabrikaten,
z. B. der Beizvorrichtung direkt in die Fertigungsstraße mit dem Walzgerüst oder
der Drahtziehmaschine einzuschalten erleichtern. Der ökonomische Lffekt dieser Kombinationen
liegt vor allem in der Ersparnis der Zwischenoperstionstransporte und Lagerung,
weiter in der Begrenzung der Zahl der nötigen Wickel. Dieser Vorteil tritt besonders
bei der modernen Massenerzeugung hervor, bei der die Arbeitskosten die Materialkosten
Uberschreiten.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der
Zeichnung vereinfacht dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Funktionseinheit der Vorrichtung mit 6 Elektroden,
Fig. 2 einen Längsschnitt einer vereinfachten Funktionseinheit mit 2 Elektroden,
Fig.
3 einen Ldngsschnitt durch den Endabschluß, Fig. 4 einen Langsschnitt durch eine
vereinfachte Funktionseinheit ohne den Mittelzufluß des Elektrolyts.
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Ein Grundbauelement der Vorrichtung, die das Verfahren zur Oberflöchenbehandlung
nach der Erfindung ausnützt, ist die Rohroperationseinheit nach Fig. 1 und 2.
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Die Rohroperationseinheit, durch deren ganze Länge die zu behandelnden
Gegenstands, insbesondere Bänder oder Drähte 1, kontinuierlich gefUhrt werden, besteht
aus'einer mittleren Uberdruckkammer 3, die mit einem oder mehreren Eintrittsstutzen
versehen ist, aus Elektroden 4, KavitationsdUsen 5 und Endabschlussen 6, deren Ausführungsbeispiel
in Fig. 3 dargestellt ist. Der Elektrolyt, dessen Zusammensetzung und Temperatur
der gegebenen Operation entspricht, strömt unter Druck durch den Stutzen 2 in die
tiberdruckkaimer 3, in der sich der Strom des Elektrolyts in einen Gegen- und einen
Gleichstromzweig teilt und strömt dann durch die Streifen der einzelnen Elektroden
4 und die Kavitationsdüsen 5, die aus Isolant erzeugt sind, in die EndabschlUsse
6, die den Strom des Elektrolyts sammeln und ihn aus der Einheit abführen. Der Querschnitt
der Überdruckkammer,3, der Elektroden 4, der Kavitationsdusen 5 und auch des Abschlusses
6 ist dem Profil der hindurchzuführenden und zu behandelnden Gegenstände angepaßt,
d. h. fur Drähte ist der Querschnitt dieser Teile rund, für Bänder in Form eines
engen Rechtecks. Der Drosselquerschnitt der einzelnen KavitationsdU+en 5 vergrößert
sich in der Regel in Richtung der Uberdruckkammer 3, insbesondere wenn eine größere
Zahl an Elektrode
-Kavitationsdusen-Paaren einandergereiht ist.
Der Sinn dieser Anordnung besteht darin, die Energieverluste des strönenden Elektrolyts
zu kompensieren und dadurch ungefähr auf der gleichen Höhe die Druck- bzw. die Unterdruck
Minimum in dem Drosseldurchschnitt der Kavitationsdusen zu halten. Das ganze System
ist an geeigneten Stellen, z. B. in der Eintrittsuberdruckkammer 3 oder in dem Austrittsabschluß
6 durch Hilfsführungen 7 aus einem abriebbeständigen Material ergänzt, deren Querschnitt
immer kleiner ist als der kleinste Querschnitt der Kavitotionsdüse 5. Die Führung
des Drahtes oder der Bänder kann selbstverständlich auch auf eine andere Art, z.
B. durch Rollen oder Zylinder, gesichert werden. Die Zahl der Elektroden und der
Kavitationsdüsen in einem Zweig der Operationseinheit geht aus der erfarderlichen
Intensität der Technologie, aus dem erforderlichen Durchfluß des elektrischen Stromes
und der zulässigen Belastung der'Elektroden hervor. FUr die meisten Fälle zeigt
sich als Optimum ein System mit drei Elektroden in jeder Zweig der Einheit, und
zwar sowohl vom Standpunkt der Druckverluste, als auch vom Standpunkt der Varianten
der elektrischen Schaltung. Wenn man mit drei Elektroden nicht auskommt, ist es
besser, zwei oder mehrere Operationseinheiten hintereinander anzuordnen, als die
Zahl der Paare Elektrode-Kavitationsdüse in einem Zweig der Einheit zu erhöhen.
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FUr kleinere Leistungen, d. h. vor allem fUr kleine Durchtrittsgeschwindigkeiten
des Drahtes oder des Bandes genügt die Ausführung nach Fig. 2, bei der sich in jedem
Zweig nur je eine Elektrode 4 in der Überdruckkaer 3 befindet; die Kavitotionsdüsen
5 sind dann
direkt hintereinander ohne zwischengelegte Elektroden
angeordnet.
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Ein Ausfuhrungsbeispiel des Endabschlusses, der besonders fUr die
mit Drähten arbeitenden Einheiten bestimmt ist, ist in Fig.. 3 dargestellt. Der
Strom des Elektrolyts, der aus der letzten Kavitationsduse 5 der Operationseinheit
nach Fig. 1 oder 2 austritt, stößt mit dem energetisch äquivalenten Strom des Elektrolyts
zusammen, der durch eine weitere Zuleitung 8 in die kegelförmige Düse 12 mit einem
spitzen Scheitelwinkel eingeführt wird. Der Elektrolyt fließt durch den gemeinsamen
Abfluß 10 ab. Die DUse 12, deren Drosselquerschnitt einstellbar ist, arbeitet als
Ejektor, so daß er bei richtiger Schließung selbst zum Schließen der Einheit genügt.
Um die richtige hermetische Schließung der Einheit auch bei einer Störung der Funktion
des Ejektors, z. B. durch Abweichen des Drahtes 1 aus der Achse, zu sichern, das
durch örtliche Krümmung des Drahtes verursacht werden kann, wird eine weitere einstellbare,
kegelförmige DUse 13 angebracht, in die über eine Zuleitung 9 Luft oder Dampf zugeleitet
wird, die durch die Einwirkung des Ejektors Aussenatmosphäre ansaugt. Der Strom
der Luft bzw. der Mischung des Dampfes und der Luft aus der DUse 3 fängt die eventuellen
Überläufe aus der DUse auf und führt sie durch den Hilfsobfall 11 ab. Bei den am
Ende der Einheit montierten Verschlüssen liquidiert die Ejektorfunktion der DUse
13 größtenteils auch den Überschuß an Elektrolyt, der sich noch auf dem Draht 1
befindet.
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Für wenig anspruchsvolle Fälle, bei denen kleinere Druckamplituden
des Elektrolyts genügend sind, kann die Einheit nach Fig. 4 gewählt
werden,
bei der die Mittelzufuhrung 2 ganz entfällt und die umgekehrt als in der Einheit
nach Fig. 1 und 2 dargestellten Kavitationsdusen und Elektroden 5 nur mit dem durch
die Leitungen 8 zugeleiteten Elektrolyt arbeiten, der durch den Mittelablaß 14 abfließt.
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Die kompletten Betriebsvorrichtungen sind nach den Anforderungen der
Technologie in der Regel aus einigen hintereinandergeschalteten Operationseinheiten
zusammengesetzt; bei Mehrstromvorrichtungen wird eine entsprechende Anzahl gleicher
paralleler Systeme angeordnet, Die vollständige Vorrichtung enthält selbstverständlich
die Elemente, die zur Zirkulation des Elektrolyts d. h. insbesondere die Vorratsbehälter,
Pumpen, Erhitzer des Elektrolyts, Filter, Quellen des Stromes, Absaugvorrichtungen
und dergleichen enthält.