DE2508902A1 - Einrichtung zur thermischen behandlung langgestreckter gegenstaende - Google Patents
Einrichtung zur thermischen behandlung langgestreckter gegenstaendeInfo
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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
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.
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)
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.
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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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