DE2508902A1 - Einrichtung zur thermischen behandlung langgestreckter gegenstaende - Google Patents

Einrichtung zur thermischen behandlung langgestreckter gegenstaende

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Description

Dr. F. Zumstein sts«'i. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-lng. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.
PATENTANWÄLTE
TELEFON: SAMMEL-NR. 225341 8 M ü N C H E N 2. TELEX 529979 BRÄUHAUSSTRASSE 4 TELEGRAMME: ZUMPAT
POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN 91139-809, BLZ 7001OO SO
BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHÄUSER KTO.-NR. 397997, BLZ 7OO3O6O0
DT 3852
Einrichtung zur thermischen Behandlung langgestreckter Gegenstände
Die Erfindung betrifft ein Organ thermischer Behandlung für eine Walze, die z.B. für die thermische Behandlung von länglichen Gefügen verwendet wird, und zwar vor allem auf dem Textilgebiet für die thermische Behandlung von endlosen Filamenten, Päden, Bändern, Lunten usw., gemäß der Beschreibung der französischen Patentschrift 1 574 025.
Nach dieser Patentschrift besteht die Walze aus einem hohlen Rotor, dessen Außenfläche mit dem thermisch zu behandelnden Gefüge in Berührung steht, und einem Stator, welcher im Innern des Rotors angeordnet, mit einem Heiz- oder Abkühlungsorgan versehen ist und ein Verbindungselement enthält, das mindestens teilweise aus einem festen und wärmeleitenden, mit dem Rotor und dem Stator in Verbindung stehenden Gleitmaterial besteht. Das Verbindungselement ist vorteilhafterweise aus einem mit einem Schmiermittel getränkten, gesinternten Material; es hat die Aufgabe, den Rotor zu tragen und an diesen den Wärmestrom weiterzuleiten, welcher ihn auf eine genau bestimmte Temperatur bringen und auf dieser halten soll. Es wird im allgemeinen in
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!Form eines Ringes hergestellt. Auf diese Weise können Heizoder" Abkühlungslager erhalten werden, welche aus einer mechanischen Verbindung bestehen (Stator + selbstschmierender Ring). Es ist jedoch auch eine Herstellungsart vorgesehen, nach welcher das Verbindungselement mindestens einen Teil des Umfanges des Stators bildet. In diesem Pail bilden das Heizelement im allgemeinen ein elektrischer Widerstand - und das Verbindungselement einen einzigen Block, der das Heizlager darstellt.
Die bei der Herstellung solcher lager auftretenden Hauptschwierigkeiten sind: die elektrische Isolierung des Widerstandes; die Weiterleitung des Wärmestromes vom Wideretand zum äußeren Umkreis des Lagers; die Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen, das lager bildenden Materialien und die Wärmeisolation zum inneren Teil des Lagers, wenn man die Wärmeübertragung in dieser Richtung reduzieren will.
Die vorliegende Erfindung hat eine Ausführung zum Gegenstand, welche die aufgeworfenen Probleme berücksichtigt. Sie betrifft ein Heizlager monolithischer Struktur, welches dadurch gekennzeichnet wird, daß es aus einer Verbindung folgender Bestandteile besteht: f
- Einem vorteilhafterweise aus Stahl bestehenden Metallzylinder;
- einer ersten Schicht eines mineralischen Elektroisoliermaterials, die mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner auf den Zylinder gespritzt wird;
- einem elektrischen Widerstand, welcher um diese erste Schicht des mineralischen Elektroisoliermaterials gewickelt wird und vorteilhafterweise aus einem Band geringer Stärke besteht;
- einer zweiten Schicht eines mineralischen Elektroisoliermaterials, die mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzt wird, die erste Schicht bedeckt und zur Einbettung des elektrischen Widerstandes dient;
- einer Reibungsschicht, welche mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner auf die zweite Schicht des mineralischen Elektroisoliermaterials aufgespritzt wird.
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Das mineralische Elektroisoliermaterial bestellt aus Produkten wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumaluminat (Spinell), Silikat, z.B. Aluminiumsilikat (Mullit), usw. Es ist vorteilhaft, Aluminiumoxid einzusetzen. Die Stärke jeder mineralischen Elektroisolierschicht liegt vorteilhafterweise zwischen 0,2 und 2 mm.
Die Reibungsschicht besteht aus Materialien wie Bronze, Molybdän, Chromoxid. Ihre Stärke liegt vorteilhafterweise zwischen 0,05 und 0,5 mm.
Das Heizlager kann außerdem enthalten: - Eine Cermetschicht, welche zwischen der zweiten mineralischen Elektroisolierschicht und der Reibungsschicht liegt und mit dem Chemieflammen-, oder Plasma-Schweißbrenner aufgetragen wird. Cermet ist die Pseudolegierung eines Metalles und einer feuerfesten Verbindung wie Metalloxid, Borid, Kitrii, usw. iiir die Stärke dieser Schicht gibt es vom technischen Standpunkt aus keine obere Grenze, sie hängt von den jeweiligen Bedürfnissen ab. Sie kann z.B. für die Aufnahme einer Sonde zum Erfassen der !Temperatur vorgesehen werden. Außerdem kann mit Hilfe dieser Schicht - von einem Zylinder gegebenen Durchmessers, der mit Materialschichten verschiedener Stärke bedeckt ist, ausgehend dem Außendurchmesser des Heizlagers die gewünschte Größe gegeben werden. Das verwendete Cermet weist eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie einen Ausdehnungskoeffizienten auf, der demjenigen des für den Zylinder verwendeten Materials so nahe wie möglich kommt» . .
Zwischen dem Metallzylinder und der ersten mineralischen Elektroisolierschicht kann eine Wärmeisolierschicht, wie Zirkoniumoxid oder Kalkzirkonat, angebracht werden; diese wird mit dem Chemieflammen oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzt. Sie hat die Aufgabe, die Waremestreuung im Innern des Metallzylinders zu vermeiden. Eine Stärke von mehreren Millimetern ist für diese Schicht vorteilhaft.
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Der Metallzylinder weist vorteilhafterweise einen kranzförmigen Querschnitt auf und besteht vorzugsweise aus Stahl. Er trägt die elektrischen Anschlüsse für den Widerstand.
Die erste mineralische Elektroisolierschicht, welche vorteilhafterweise aus Aluminiumoxid besteht, hat die Aufgabe, den Widerstand gegenüber dem Metallzylinder elektrisch zu isolieren. Ihre Mindeststärke hängt von dem Isoliereigenschaften des Materials ab, während der maximalen Stärke nur aufgrund von Ausdehnungsproblemen und - vom wirtschaftlichen Standpunkt aus durch den Gestehungspreis Grenzen gesetzt sind. Die Schichtstärke liegt vorteilhafterweise zwischen 0,2 und 2 mm. Der elektrische Widerstand kann aus einem Band aus Nickel-Chrom-Legierung bestehen, welches schraubenförmig um die erste mineralische Elektroisolierschicht gewunden wird. Die Schraubensteigung kann in bekannter Weise schwanken, um verschiedene Heizzonen längs des Zylinders zu ergeben.
Die zweite mineralische Elektroisolierschicht (z.B. Aluminiumoxid) hat ebenfalls die Aufgabe, den Widerstand elektrisch zu isolieren. Ihre Stärke liegt vorteilhafterweise zwischen 0,2 und 2 mm. Ihre Wirkung als Wärmeisolator wird durch ihre geringe Stärke beeinträchtigt. Aus diesem Grunde stellt sie für die Wärmeübertragung nur ein unwesentliches Hindernis dar. Obwohl Aluminiumoxid und Stahl verschiedene Ausdehnungskoeffizienten besitzen, "folgt" die Aluminiumoxidschicht während des Aufheizens dank ihrer geringen Stärke der Ausdehnung des Stahlzylinders, ohne sich abzulösen, sofern alle notwendigen Vorkehrungen getroffen worden sind, um eine gute Verbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten herzustellen (Oberflächenbehandlung).
Die Cermetschicht trägt über die Reibungsschicht den Rotor und gibt an diesen den vom Widerstand kommenden Wärmestrom weiter. Die das Cermet bildenden Materialien sind in solchen Anteilen vorhanden, daß der Ausdehnungskoeffizient demjenigen des Zylin-
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dermaterials nahekommt. Diese Vorsichtsmaßnahme wird dadurch bedingt, daß eventuell eine bedeutende Schichtstärke aufgetragen werden kann. Außerdem weist das Cermet eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Bei einem Stahlzylinder ist es vorteilhaft, ein Cermet aus Aluminium und Aluminiumoxid mit im Durchschnitt 25$ Aluminium und 75$ Aluminiumoxid zu verwenden, und zwar vor allem wegen seines niedrigen Preises. Es können aber auch andere Cermettypen, besonders aus Metallen und Oxid, verwendet werden, z.B. Aluminiumoxid und ITickel oder Chrom, Zirkoniumoxid und Chrom, Aluminiumoxid und Molybdän usw. Die Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen, das erfindungsgemäße Lager bildenden Materialien bei 2000C ist z.B. folgende:
Aluminiumoxid etwa 9 K cal/h.m. uc,
Zirkoniumoxid Il o, 8 " " 0C,
Stahl Il 40 Il II 0C,
Aluminium Il 170 Il Il 0C
Bronze■ II 160 Il II C.
Die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung Cermet + Aluminiumoxid des fertigen Lagers beträgt etwa 50 K cal/h.m.0C.
Die Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen, das Lager bildenden Materialien zwischen 50 und 200° sind folgende: Zirkoniumoxid 7 bis 9 x 10"*6,
Aluminiumoxid 4 " 5 χ 10"" , . Aluminium 23 ° 25 x 10~6,
Stahl 12 " 15 x 10~6.
Pur einen zum Aufbau des Lagers verwendeten Komplex von 1,5 mm Zirkoniumoxid, 0,5 mm Aluminiumoxid und 2,5 mm Cermet (aus 25$ Aluminium und 75$ Aluminiumoxid) erhält man z.B. einen Ausdehnungskoeffizienten von 14,2 χ 10 , welcher mit dem von Stahl zu vergleichen ist. Pur einen Komplex von 1 mm Zirkoniumoxid und 2,5 mm Cermet (aus 25$ Aluminium und 75$ Aluminiumoxid) erhalt man einen Koeffizienten von 14,5 χ 10"6.
Das Cermet weist außerdem eine gute Wärmeschockbeständigkeit
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auf. Es ist vorteilhaft, in der Cermetschicht ein Lager für eine wärmebeständige oder andere Sonde zum Zwecke der Erfassung und "Regulierung der Temperatur des Rotors vorzusehen. Dieses Lager besteht vorzugsweise aus einem Metallrohr geringen Durchmessers, welches beim Auftragen der Schicht eingebettet wird.
Zum Zwecke der Erteilung von Isoliereigenschaften (Eeuchtigkeitsaufnahiae) kann das Cermet unter Vakuum und in heißem Zustand mit einem flüssigen Schmiermittel, wie einem der Betriebstemperatur gegenüber beständigen Mineralöl oder einem Silikonschmiermittel, getränkt werden.
In dem Palle, wo die Cermetschicht mit einer Reibungsschicht aus Bronze bedeckt wird, kann auch letztere mit einem flüssigen Schmiermittel getränkt werden. Die Außenfläche des mit dem Rotor in Berührung stehenden Lagers wird mit den verlangten mechanischen Toleranzen bearbeitet und weist einen Oberflächen— zustand mit einem minimalen Reibungskoeffizienten auf.
Die verschiedenen, das Lager bildenden Schichten werden mit dem Chemiflammen- oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzt. Die Verbindung zwischen den verschiedenen Schichten kann durch Haftschichten geringer Stärke, z.B. von 0,05 mm, und durch einen Oberflächenzustand mit einer bestimmten Rauhigkeit hergestellt werden. Die Haftschichten bestehen aus Materialien wie ITickelaluminid, Molybdän, usw.
Die erfindungsgemäßen Heizlager monolithischer Struktur weisen die gleichen Wärme- und Re ibungs eigenschaft en auf wie die durch eine mechanische Verbindung von Teilen hergestellten Lager. Sie haben außerdem aber noch andere Vorteile. Ihre Einblockstruktur erleichtert ihre Montage in die Walze. Da ihr Ausdehnungskoeffizient praktisch den gleichen (etwas geringeren) Wert wie derjenige des für den Rotor der Walze verwendeten Stahles aufweist, bleibt das Spiel zwischen dem Lager und dem Rotor praktisch konstant. Mit dem gleichen Gerät kann daher bei sehr verschiedenen Temperaturen gearbeitet werden. Die Lager können
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wie jedes andere Maschinenteil mit sehr genauen Toleranzen bearbeitet werden. Sie sind widerstandsfähig und haben eine bedeutende Lebensdauer, da der eingebettete elektrische Widerstand völlig τοπ der Luft abgeschlossen ist.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel soll zur Veranschaulichung dienen, jedoch nicht abgegrenzt sein. Die beiliegende Zeichnung stellt ein Viertel des Querschnittes eines erfindungsgemäßen Heizlagers dar.
Beispiel;
Das Heizlager besteht aus einem rohrförmigen Lagerkörper 1 aus Stahl mit einem Außendurchmesser von 81 mm. Es wird von folgenden Materialien oder Elementen nacheinander bedeckt:
Einer Zirkoniumoxidschicht 2 von 2 mm Stärke, welche eine Wärmeisolation zum Innern des Lagers hin darstellt;
einer ersten Aluminiumoxidschicht 3 von 0,5 mm Stärke, welche eine elektrische Isolation für den Widerstand darstellt;
einem Widerstand 4, welcher durch ein Band aus Niekel-Chrom-Legierung von 1 χ 0,3 mm gebild'et und in schraubenförmigen Windungen um die Schicht 3 gewickelt wird;
einer zweiten Aluminiumoxidschicht 5 von 0,9 mm Stärke, welche die Schicht 3 bedeckt und den Widerstand 4 einbettet und somit eine Elektroisolierschicht für den Widerstand darstellt;
einer Cermetschicht 6 von 2,8 mm Stärke, welche sich aus 75$ Aluminiumoxid und 25$ Aluminium zusammensetzt und in welcher eine Röhre von 1,8 mm Durchmesser angebracht ist, die das Lager 8 für eine Temperaturmeßsonde darstellt; diese Schicht gewährleistet auch die thermische Verbindung zwischen dem Heizwiderstand und dem Rotor;
einer Bronzeschicht 7 von 0,3 mm Stärke, welche mit einem wasserabstoßenden Schmiermittel imprägniert ist, das hochtemperaturbeständig ist und gute dielektrische Eigenschaften aufweist, z.B. einem Silikonschmiermittel.
5-09836/0770
Die Zirkoniumoxid-, Aluminiumoxid-, Cermet- und Bronzeschichten werden mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzt.
Zwischen der Cermetschicht 6 und der Bronzeschicht 7 wurde eine ITickelaluminiumschicht von 0,02 mm Stärke (nicht dargestellt) aufgetragen, welche eine Haftschicht "bildet. Der Lagerkörper 1 enthält Anschlüsse, wie z.B. 9, für den Widerstand.
Dieses, das Lager bildende monolithische Gefüge, wurde an seinem Außendurchmesser (94 mm) mit den verlangten Toleranzen bearbeitet und geschliffen, und zwar wie ein aus einem einzigen Material bestehendes Maschinenteil.
Es ist natürlich möglich, erfindungsgemäße Lager auch auf andere Weise herzustellen. So können z.B. die verschiedenen Materialschichten auf der konkaven Oberfläche eines Hohlzylinders aufgetragen werden.
509836/U77G

Claims (11)

Patentansprüche
1. \ Organ monolithischer Struktur für Walzen zur thermischen lejaandlung von länglichen Gefügen, wie Filamenten, Fäden, Bändern, Lunten usw., wobei das genannte Organ gleichzeitig ein Heizorgan und ein Lager für den Rotor der Walze darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Verbindung folgender Elemente besteht:
- Einem Metallzylinder;
- . einer ersten Schicht eines mineralischen Elektroisolier-
materials, welche mit dem Chemieflammen- oder Plasma-, Schweißbrenner auf den Zylinder aufgespritzt wird;
- einem elektrischen Widerstand, welcher um die erste Schicht des mineralischen Elektroisoliermaterials gewunden wird;
- einer zweiten Schicht eines mineralischen Elektroisoliermaterials, welche mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzt wird, die erste Schicht des mineralischen Elektroisoliermaterials bedeckt und den elektrischen Widerstand einbettet;
- einer Reibungsschicht, welche mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzt wird.
2. Organ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der mineralischen Elektroisolierschichten eine zwischen 0,2 und 2 mm liegende Stärke aufweist und daß die Reibungsschicht eine Stärke von 0,05 - 0,5 mm hat.
3. Organ nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem zwischen der zweiten mineralischen Elektroisolierschicht und der Reibungsschicht eine Cermetschicht enthält, welche mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzt wird,, deren Stärke von den Abmessungen der Walze abhängt und deren Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnungskoeffizient denjenigen des Metallzylinders nahekommen.
509836/07
4. Organ nach, einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das mineralische Elektroisoliermaterial aus Produkten wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumaluminat und Aluminiums ilikat besteht.
5. Organ nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Cermet aus Pseudolegierungen eines Metalles und eines feuerfesten Materials, wie Aliminiumoxid und Aluminium, Aluminiumoxid und nickel, Aluminiumoxid und Chrom, Aluminiumoxid und Molybdän, Zirkoniumoxid und Chrom, besteht.
6. Organ nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallzylinder aus Stahl und das Cermet aus einer Mischung von 25$ Aluminium und 75$ Aluminiumoxid besteht.
7. Organ nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzte Wärmeisolierschicht zwischen dem Metallzylinder und der ersten Schicht des mineralischen Elelctroisoliermaterials liegt.
8. Organ gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierschicht aus Materialien wie Zirkoniumoxid und Ealkzirkonat besteht.
9. Organ nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungsschicht aus Materialien wie Bronze, Molybdän und Chromoxid besteht.
10. Organ nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß Haftschichten mit einer Stärke von etwa 0,05 mm, die mit dem Chemieflammen- oder Plasma-Schweißbrenner aufgespritzt werden, zwischen den verschiedenen Materialschichten liegen.
11. Organ gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschichten aus Materialien wie Mckelaluminid und Molybdän bestehen.
509836/0770
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