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Verfahren und Einrichtung zur Wärmebehandlung von fort-
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laufend weiterbewegtem Metallgut mittels elektrischer Widerstandserhitzung
Die Erfindung betrifft die Verbesserung von Einrichtungen für die Wärmebehandlung
einer fortlaufend weiterbewegten biege eines Metallbleches oder -bandes mit Hilfe
eines elektrischen Stromdurchgangs beim Durchlauf durch eine Mehrzahl von Abschnitten
zwischen spannungsführenden Förder-oder Leitrollen.
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Die vorliegende Erfindung stellt dabei eine weitere Verbesserung der
in der CA-PS 1 004 303 und der US-PS 3 792 684 beschriebenen Einrichtungen dar.
Ferner verbessert die Erfindung solche Systeme, wie sie insbesondere aus der US-PS
2 457 870 zu entnehmen sind. In dieser Patentschrift wird die Widerstandserhitzung
durch Wechselstrom von elektrisch leitendem Draht in aufeinanderfolgenden Abschnitten
von
kürzerer Länge vorgeschlagen, um den erhöhten spezifischen Widerstand zu kompensieren,
den der Draht auf seinem Weg vom Einlaß zum Auslaß der Einrichtung erhält.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Energiezufuhr in Form von Wechselstrom
ernste Probleme aufwirft, wenn die Widerstandserhitzung von leitendem Material großer
Abmessungen oder von großen Breiten- zu Dickenverhältnissen erfolgen soll und wenn
das Behandlungsgut in metallischen Kammern für Schutzgas durchgeführt wird.
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Die vorliegende Erfindung sieht vor, diese Schwierigkeiten durch Energiezufuhr
in Form von Gleichstrom zu vermeiden, welcher das Auftnoten von Induktionsströmen
in den Blechwandungen der das durchlaufende Metallband umgebenden Kammern ausschließt.
Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit der Einrichtung erhöht, während die Herstellungs-
und Fertigungskosten sich verringern. Der Gleichstrom wird wenigstens drei elektrisch
leitenden Rollen zugeführt, wobei jede nachfolgende Rolle eine entgegengesetzte
Polarität erhält.
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Die Anwendung von Gleichstrom macht es möglich, die aus Eisenblech
bestehenden Gehäuse in so großer Nähe von dem laufenden Band anzuordnen, daß die
von dem Band abstrahlende Wärme in einem verhältnismäßig kleinen Raum verbleibt
und die Gasmengen, welche mit dem laufenden Band und/oder mit darauf angebrachten
Überzügen reagieren sollen, kleingehalten werden können. Die das laufende Metallband
umschließenden Gehäuse oder Kammern, welche keine Wärmezufuhr von außen her benötigen,
zeichnen sich somit durch geringe thermische Xrägheitaus, sie ermöglichen also eine
schnelle Stillegung und Ingangsetzung der Einrichtung ohne wesentlichen Zeit-, Energie-
und Gasverlust.
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Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung einer sehr gedrängten
und wirtschaftlichen Einrichtung für die Wärmebehandlung
von durchlaufenden
Längen von Metallbändern oder -blechen, womit genau zu dosierende Wärmegrade des
Metalls erzielt werden können, um die physikalischen und/ oder metallurgischen Eigenschaften
des Metalls zu verändern. Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann dabei durch zusätzliche
Einrichtungen zum Tempern, Anlassen oder zur chemischen Behandlung vervollständigt
werden, um eine nachfolgende Behandlung oder Weiterbearbeitung durch Abschrecken,
Beizen oder durch Aufbringen eines Überzuges vorzubereiten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung
für die Wärmebehandlung von fortlaufenden Längen von Metallbändern oder -blechen,
die eine sehr geringe Bodenfläche einnimmt und die ohne. große Kosten durch Zusammenbau
von Bauelementen erstellt werden kann und die für eine lange Zeitspanne in Betrieb
zu halten ist, ohne daß kostspielige Stillstandszeiten durch Betriebspausen oder
notwendige Reparaturen in Kauf genommen werden müssen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung,
die sich insbesondere fürdie Wärmebehandlung von fortlaufenden Längen von eisernem
Behandlungsgut in der Form von Blechen, Bändern oder Streifen eigne.t-, die eine
vorbereitende Wärmebehandlung für das Aufbringen eines überzuges mit einem anderen
Metall, wie z. B.
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Aluminium, Zink, Zinn o. dgl., erhalten soll. Ein solches Verfahren
erfordert eine wirksame Reinigung der Metalloberfläche, um von dieser Oxide zu entfernen.
Das macht den-Durchlauf des fortlaufenden Metallgutes durch Kammern mit einer Schutzgasatmosphäre
notwendig, welche in chemischer Hinsicht nicht oxidierend oder reduzierend wirkt.
Diese Behandlung des Metallgutes erfolgt bei seiner Vorwärtsbewegung in Richtung
auf ein Uberzugsbad aus geschmolzenem Metall. Das Schutzgas wird in die Kammern
so eingeleitet, daß es im Gegenstrom zu der Fortschrittsrichtung des
Metallgutes
strömt. Auf diese Weise wird die Wirtschaftlichkeit der Einrichtung erhöht, wenn
das Metall auf dem Weg vom Einlaß bis zum Auslaß der Einrichtung zuerst genau auf
die gewünschte Temperatur erhitzt und danach abgekühlt wird, woran sich das Eintauchen
des metallischen Behandlungsgutes für die Aufbringung des Überzuges anschließt.
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Die Erfindung strebt eine wirtschaftliche Wärmebehandlung fortlaufender
Längen von eisernem Behandlungsgut vor dem Durchlauf des Gutes durch Überzugsbäder
aus geschmolzenem Metall an, und zwar derart, daß das Metall von schädlichen Oxidschichten
befreit wird und wobei fernerhin das Metall eine Anlaß- oder Glühbehandlung erfahren
kann oder eine derartige Behandlung fortgelassen wird. Andererseits kann die Wärmebehandlung
der fortlaufenden Längen des eisernen Behandlungsgutes als Vorbereitung für den
Durchgang des kritisch erhitzten Metalles durch Kühlbäder dienen, wenn dem Metall
Tempereigenschaften verliehen werden soll.
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Die Wärmebehandlung kann auch die weitere Behandlung in anderen flüssigen
Bädern, beispielsweise in Beizbädern o. dgl., vorbereiten.
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Andere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung
der Erfindung, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Diese zeigt Ausführungsbeispiele
der Erfindung, und zwar sind: Fig. 1 ein schematischer Schnitt durch eine Einrichtung
gemäß der Erfindung, welche ein Blockdiagramm der Energiequelle, den Durchlaufweg
eines fortlaufenden Metallbandes durch die Wärmebehandlungsabschnitte, die Kühlungsabschnitte
und schließlich ein Überzugsbad erkennen läßt, Fig. 2 ein Schnitt durch eine andere
Ausführungsform des Überzugsbad am Ausgangsende der Einrichtung mit einer schwenkbaren
Führungsrolle, die während der Stillstandsperioden aus dem Bad herausgehoben werden
kann,
Fig. 3 -ein in größerem Maßstab ausgeführter Schnitt einer
auf ein positives Potential gebrachten Rolle mit einer mit dieser zusammenarbeitenden,
abschleifenden Reinigungsstange, Fig. 4 ein waagerechter Schnitt nach Linie A-A
in Fig. 3, Fig. 5 ein Schnitt nach Linie B-B in Fig. 2 und Fig. 6 eine grafische
Darstellung des Verhältnisses zwischen der Temperatur und dem spezifischen elektrischen
Widerstand eines Bandes aus niedriggekohltem Stahl.
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Die schematische Darstellung nach Fig. 1 zeigt einen Dreiphasentransformator
23, der von einem Dreiphasennetz L 1, L 2, L 3 gespeist wird und die Netzspannung
in seinen Sekundärwicklungen auf etwa 100 V reduziert. Die Sekundärseite des Transformators
speist einen Thyristor-Gleichrichter, der den von dem Transformator gelieferten
Strom gleichrichtet. Es kann auch irgendeine andere Gleichrichterart Verwendung
finden, die einen verhältnismäßig geglätteten Gleichstrom abgibt. Die Gleichrichterelemente
können von Thyristorelementen abweichen und beispielsweise aus gesteuerten Silicium-Gleichrichtern,
Zenerdioden, Selenzellen u. dgl.
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bestehen. Derartige Gleichrichtersysteme gehören zum Stand der Technik.
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Der von dem Gleichrichter gelieferte Gleichstrom wird drei Führungs-
oder Förderrollen zugleitet. Gemäß Fig. 1 steht die negative Sammileitung P- des
Gleichrichters mit den Rollen 2 und 7 in Verbindung, während die positive Sammelleitung
P+ mit der Rolle 5 verbunden ist. Die Leitrollen 5 und 7 sind in abgedichteten Gehäusen
H angeordnet, zu welchen Kammern oder Kanäle 13 a, 13 b, 13 c und 13 d
von
verhältnismäßig geringem Querschnitt führen. Die Wände der Kammern oder Kanäle haben
einen sehr geringen Abstand von dem sich vorwärtsbewegenden Band 1, so wie dies
aus Fig. 4 ersichtlich ist.
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Abwechselnd mit den Rollen 2, 5 und 7 sind zusätzliche Leitrollen
3, 4 und b angeordnet, um die Fortschrittsrichtung des Bandmaterials 1 zu ändern,
so daß das Bandmaterial auf zickzackförmiger Bahn um die elektrisch leitende Rolle
2 und über die Rolle 3 in die aufeinanderfolgenden Kanäle der Reduktionskammer geleitet
wird. Weitere in Gehäusen H angeordnete Rollen 8 und 9 und Kanäle 14 a, 14 b und
14 c führen das erhitzte Metallband durch diese Kühlkammern und in den Behälter
21, in welcher sich eine weitere Bührungsrolle 10 befindet, über die das mit einem
Überzug versehene Band aufwärts wandert und seinem Verwendungszweck zugeführt wird,
wie dies bekannter Stand der Technik ist. Während die Kammern oder Kanäle bei der
gezeigten Ausführungsform eine senkrechte Stellung einnehmen, können sie auch in
waagerechter oder geneigter Stellung angeordnet werden.
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Es hängt dies von dem Entwurf der betreffenden Anlage und von dem
zur Verfügung stehenden Raum ab. Die senkrechte Anordnung der Kühl- und Reduktionskammern
erfordert die geringste Bodenfläche.
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Die Rollen 3, 4 und 6 sind mit einer Schicht 16 aus Isoliermaterial
zweckmäßig von keramischer Zusammensetzung berzogen,um zwischen dem Metallband und
der Oberfläche dieser Rollen das Auftreten von Lichtbögen zu vermeiden, weil sonst
das Metallband bei seinem Kontakt mit der Umfangshälfte dieser Rollen zwischen den
mit entgegengesetztem Potential beaufschlagten Führungsrollen kurzgeschlossen werden
würde.
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Das Metallband 1 wird unter der auf negativem Potential
liegenden
Rolle 2 und dann über die isolierten Führungsrollen 3 und 4 geleitet, und es wird
erhitzt, wenn es mit der auf positivem Potential liegenden Rolle 5 in Berührung
kommt. Die Temperatur des Metallbandes steigt nach und nach an, wenn es sich nach
dem Auslaß der Einrichtung hin bewegt, wobei die maximale Temperatur bei der Annäherung
an die auf negativem Potential liegende Rolle 7 erreicht wird.
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Von demjenigen Bandabschnitt, der vor seinem Eintritt durch den Schlitz
20 in die Reduktionskammern sich noch in einer normalen Atmosphäre befindet, kann
das restliche Öl abgebrannt werden, ehe das Band in die erste isolierte Kammer 13
a gelangt. Die Kammer 13 a ist mit einem reduzierenden Gas gefüllt, welches durch
den Einlaß 15 in der Nähe des Auslaßendes der Kammer 14 c zugeführt wird. Die Beheizung
der Kammern und Kanäle erfolgt durch Wärmeabstrahlung von dem durch die Kühlkanäle
oder -kammern hindurchbewegten Band 1.
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Unter gewissen Bedingungen erfolgt eine geringe Oxidierung des Bandes
vor seinem Eintritt in die erste Kammer 13 a, weil die reduzierte Oxidschicht einen
ausgezeichneten Untergrund für den nachfolgenden Uberzug bildet.
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Nach dem ersten Erhitzungsabschnitt beim Durchgang des Bandes durch
die Kammern 13 a und 13 b tritt das Band nach dem Uberlauf der unter einem positivem
Potential stehenden Rolle 5 in den zweiten Erhitzungsabschnitt ein, in welchem das
Band durch die Kammern 13 c, über die Rolle 6 sowie durch die Kammer 13 d zu der
auf negativem Potential liegenden Rolle 7 läuft. Wie schon erwähnt, erreicht das
Band seine Höchsttemperatur kurz vor der Berührung mit der Rolle 7.
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Nach Durchlauf des diese Rolle umschließenden Gehäuses H tritt das
Band in die Kammer 14 a ein, bei der es sich um den ersten Kühlungsabschnitt der
Reduktionskammer handelt.
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Von dort läuft das Band unter die Rolle 8 und über die Rolle 9 in
das geschmolzene Uberzugsbad in dem Behälter 21, ohne daß das Band hierbei der Atmosphäre
ausgesetzt ist.
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Um zwischen dem laufenden Metallband und den unter Umständen Verunreinigungen,
wie z. B. verkoktes Öl, Eisenoxide u. dgl., tragenden, stromleitenden Rollen 2,
5 und 7 zu sichern, sind neben diesen Rollen Reinigungsstangen 17 mit einer den
Seitenflächen der Rollen entsprechend gebogenen Reinigungsfläche vorgesehen, denen
Mittel zugeordnet sind, mit deren Hilfe die Stangen gegen die Oberfläche der stromführenden
Rollen ges rückt werden können.
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Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen pneumatischen oder hydraulischen
Zylinder 18, der periodisch in Tätigkeit gesetzt werden kann, um die seitlichen
Flächen der stromführenden Rollen von den genannten Verunreinigungen zu befreien.
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Die Einführung der reduzierenden Gase durch den Einlaß 15 erfolgt
so, daß die Gase im Gegenstrom zu der Fortschrittsbewegung des Bandes in Richtung
auf den Auslauf 20 strömen.
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Auf diese Weise erhält man eine betriebssichere und fortschrittliche
Einrichtung. Der geringe Abstand zwischen den Wänden der Reduktions- und Kühlkammer
oder -kanäle 13 und 14 und dem laufenden Band 1 ergibt sich eindeutig aus den Fig.
4 und 5, und er sichert eine verhältnismäßig hohe Strömungsgeschwindigkei G der
reduzierenden Gase.
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Diese hohe StrömungsgesUhwindigkeit der Gase ermöglicht die Verwendung
eines Gases, das 10 <0 oder weniger als 10 0 Wasserstoff enthält, während bei
den üblichen Reduzieröfen mit einer Wasserstotfkonzentration von 25 bis 75 % gearbeitet
wird. Die geringe Wasserstoffkonzentration bietet verschiedene Vorteile, wie z.
B. den möglichen Fortfall der Notwendigkeit einesAn-oniakdissoxiators, der durch
einen exothermen Gasgenerator ersetzt werden kann, welcher im Betrieb einfacher
und billiger ist. Die Verwendung eines höchstens 10 % oder weniger Wasserstoff enthaltenden
Gases beseitigt auch die Explosionsgefahr, falls zufällig etwas Sauerstoff in die
Kammer eintreten sollte, weil Wasserstoff bei einer so geringen Konzentration wie
10 % sich nicht entziindet. Man spart also beim Anfabren und Stillsetzen
der
Einrichtung längere Reinigungsmaßnahmen ein.
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Der verhältnismäßig geringe Abstand zwischen dem sich vorwärtsbewegenden
Metallband und den Kammerwänden ist für die größte wirtschaftliche Ausnutzung des
Reduktionsgases von Bedeutung, da nur derjenige Anteil des Gases, der sich mit dem
Band in Berührung befindet, mit der Metalloberfläche reagiert. Andererseits kann
jedoch de geringe Abstand zwischen den Kammerwänden und dem Band die Ursache von
Induktionsströmen in den Wandungen der Kammern und Kanäle sein, sofern diese Wandungen
aus üblichem Metallblech bestehen. Erfolgt die Widerstandserhizung des Bandes mit
Hilfe von Wechselstrom, so hat dies, wie oben beschrieben, Energieverluste zur Folge.
Beim Detrieb dei Einrichtung mit Gleichstrom, wie er gemäß der Erfindung vorgesehen
ist, wird also eine beträchtliche Energieersparnis erzielt. Dies ergibt sich aus
dem folgenden Beispiel: Wenn ein durchlaufendes Band von 76,2 cm Breite und 0,076
cm Dicke von einem Wechselstrom von 333 A je Meter durchflossen wird, so erreicht
es am Ausgang der Reduktionskammer eine Temperatur von 8000 C. Findet dagegen zu
dem gleichen Zweck Gleichstrom Verwendung, so ist ein Strom von 256 A am Ausgang
der Kammer bei gleicher Fortschrittsgeschwindigkeit des Bandes zur Erreichung derselben
Temperatur ausreichend. Daraus ergibt sich eine Ersparnis von 23 %, die bei Verwendung
von Wechselstrom wegen der vorgenannten Induktionswirkung verloren gehen würde Die
Verwendung von Wechselstrom verursacht im vorliegenden Fall noch eine weitere Schwierigkeit.
Aus Versuchen hat sich ergeben, daß die Erhitzung eines Metallbandes nach dem Kurzschluß
oder Widerstandsverfahren bei Verwendung von Wechselstrom über die Bandbreite ungleich
ausfällt.
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Die Bandkanten werden überhitzt, während die Bandmitte
auf
einer geringeren Temperatur verbleibt. Die Größe dieser Temperaturdiffe£enz ist
der Bandbreite proportional, d. h., je breiter das Band ist umso größer wird die
Temperaturdifferenz zwischen der Bandmitte und den Bandkanten. Dieser "Randeffekt"
ist auch de Frequenz des Wechselstroms proportional. Mit der Größe der Frequenz
wächst auch der "Randeffekt".
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Man sieht also, daß die Verwendung von Gleichstrom sowohl eine Energieersparnis
als auch ein besseres Band ergibt, das über seine ganze Fläche gleiche Eigenschaften
hat.
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Aus Fig. 1 ergibt sich, daß der erste Erhitzungsabschnitt zwischen
den stromführenden Rollen 2 und 5 viel größer ist als der zweite Erhitzungsabschnitt
zwischen den stromführenden Rollen 5 und 7. Genau gesagt ist der erste Abschnitt
doppelt so lang wie der zweite Dies ergibt eine fortschrittlichere Verwendung der
zugeführten Energie, wie man dies der Fig. 6 entnehmen kann.
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Es ist bekannt, daß der spezifische Widerstand eines Leiters temperaturabhängig
ist. Diese Beziehung ist in dem Diagramm der Fig. 6 dargestellt, welches den spezifischen
Widerstand von niedriggekohltem Stahl bei verschjedenen Temperaturen zeigt. Diese
Eigenschaft erzielt eine größere Wirtschaftlichkeit des in der Anlage nach Fig.
1 durchgeführten Verfahrens. Hier erreicht das laufende Band die erste stromführende
Rolle 2 bei Raumtemperatur. Das Band erhöht dann seine Temperatur, so daß es die
zweite, auf einem positiven Potential liegende Rolle 5 bei einer Temperatur von
etwa 5000 C erreicht. Im weiteren Verlauf gelangt das Band an die letzte stromührende
Rolle 7 bei einer Temperatur von etwa 10000 C. Aus dem Diagramm der Fig. 6 kann
man nun ersehen, daß der spezifische Widerstand des Bandes bei Raumtemperatur etwa
0,18 Ohm/mm2/m beträgt, während das Band bei 5000 C einen spezifischen
Widerstand
von 0,58 Ohm/mm2/m hat, was im Durchschnitt 0,38 Ohm/mm2/m ausmacht. In dem zweiten
Abschnitt beträgt der ursprüngliche spezifische Widerstand 0,58 Ohm/mm2/m, während
er sich am Ende dieses Abschnittes bei 100000 auf 1,17 Ohm/mm2/m beläuft. Der durchschnittliche
spezifische Widerstand des Bandes beträgt also in dem zweiten Abschnitt 0,88 Ohm/mm2/m.
Wenn die beiden Abschnitte den gleichen Widerstand haben sollen, dann müßte ihr
Längenverhältnis gleich 0,8 zu 0,38 sein oder, mit anderen Worten, der erste Abschnitt
sollte das 2,1fach der Länge des zweiten Abschnittes betragen. Durch Anwendung der
vorstehend beschriebenen Verfahren ist es möglich, ein verzinktes Band von 102 cm
Breite und 0,076 cm Dicke mit einem Energieverbrauch von weniger als 200 kW/t herzustellen,
was eine wesentliche Energieersparnis gegenüber den bisher üblichen Verfahren bedeutet.
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Wie aus Fig. 4 ersichtlich, können die Reduktionskammern 13 mit einer
isolierenden Schicht 13 d ausgekleidet sein, während bei den Kühlkammern 14 zur
Steigerung der Kühlleitung eine solche Auskleidung fehlt. Auf die Weise wird die
mit der Erfindung angestrebte Eigenschaft der Einrichtung, nämlich eine geringe
thermische Trägheit, begünstigt.
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Es ist infolgedessen wirtschaftlich tragbar, die Reduktionskammer
mit Unterbrechungen zu betreiben. Bei einem Verzinkungsverfahren ist es jedoch notwendig,
das in dem Zinkbad 21 enthaltende Metall während kurzer Betriebsunterbrechungen
in geschmolzenem Zustand zu halten.
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Es ist jedoch nicht ratsam, das verhältnismäßig dünne Band in dem
geschmolzenen Zink in eingetauchter Stellung zu belassen, weil das Zink es auflöst,
so daß eine erneute Beschickue;der Kammer notwendig wird. Infolgedessen ist die
letzte Rolle 10 am unteren Ende C des Auslaßkanals drehbar gelagert. Dieses untere
Ende des seinerseits mit Hilfe eines Scharniers 22 am unteren Ende 19 des K0hlkanals
14 c schwenkbar aufgehängt (Fig. 2 und 5). Diese
Ausbildung ermöglicht
ein Anheben der Leitrolle während der Stillstandsperioden in eine Ruhestellung,
die in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist. Im Betrieb wird das geflanschte untere
Ende 19 mit einem Gegenflansch an dem Auslaßkanal C mit Hilfe einer Mehrzahl von
"C"-Klammern verbunden.
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Das reduzierende Gas wird in den Einlaß 15 zweckmäßig mit einem geringen
Überdruck über den atmosphärischen Druck von etwa 2,45 cm Wassersäule eingeleitet.
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