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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum
Kühlen
eines ablaufenden Metallbands.
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Sie
ist insbesondere bei Behandlungen eines solchen Bandes unter Vakuum,
insbesondere bei Warmbeschichtungen, anwendbar.
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Um
thermische Behandlungsprozesse, wie Glühen oder kontinuierliche Beschichtungen
eines Stahlbandes, gut auszuführen,
ist es im Allgemeinen erforderlich, das Band mit vorbestimmten Geschwindigkeiten nacheinander
zu erhitzen und zu kühlen.
Zum kontrollierten Kühlen
eines solchen Bandes schreckt man das Band entweder mit einem Gasstrahl
oder mit einem Flüssigkeitsstrahl
oder mit mindestens einer Kühlwalze
ab, mit der das Band in Kontakt kommt.
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Die
bekannten Verfahren zum Kühlen
mit einer Walze bestehen darin, dass das Band, das sich in einer kontinuierlichen
Bewegung bewegt, an mindestens eine Kühlwalze angelegt wird, in deren
Innerem eine Kühlflüssigkeit,
insbesondere Kaltwasser, umläuft.
Die Walze ist um ihre Achse drehbeweglich, indem sie entweder durch
die Reibung des ablaufenden Bandes oder durch eine eigene Motoreinheit
angetrieben wird. Das auf diese Weise auf die Walze aufgelegte Band
bildet einen Bogen, dessen Innenfläche mit der Außenseite
der Walze eine Kontaktzone begrenzt, die dafür ausgelegt ist, einen Teil
der Wärme
des Bands auf das Innere der Walze zu abzuführen.
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Die
Schrift JP-A-60255933 beschreibt ein Verfahren und eine Anlage zum
Kühlen
eines ablaufenden Stahlbands während
des kontinuierlichen Glühens
oder der Galvanisierung.
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Zur
Verbesserung des Kontakts zwischen dem Band und der Kühlwalze
hat man in der Vergangenheit vorgeschlagen, das Stahlband mit der
Walze mit Hilfe von Metallwalzen zum Andrücken an die Außenfläche des
Bogens in Kontakt zu halten. Um die Aufrechterhaltung eines Anlageeffekts
des Bandes an die Kühlwalze zu
gewährleisten,
ist jede dieser Andrückwalzen
frei drehbar um ihre Achse montiert, und zwar am Ende von starren
Armen, deren Entfernung bezüglich
der Kühlwalze
in Abhängigkeit
von der Dicke des Bandes vorbestimmt ist.
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Obwohl
derartige metallische Andrückwalzen
den erwarteten Halt des Bandes auf der Kühlwalze herstellen, bringen
sie die Gefahr mit sich, dass einerseits die Außenfläche des Bands eingedrückt wird,
wobei diese Eindrückung
im Fall eines Parallelitätsfehlers
der Achsen der Kühlwalze
und der Andrückwalze
sehr tief sein kann, und dass andererseits die Kühlung des Bandes aufgrund der
schnellen Wärmeakkumulation
in den Andrückwalzen
gestört
wird.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage
zum Kühlen
eines ablaufenden Metallbandes zu schaffen, die es gestatten, das
Band fest auf einer Kühlwalze
zu halten und gleichzeitig die Kühlung
zu steuern, ohne dass dadurch dem Oberflächenzustand des Bandes geschadet
wird.
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Zu
diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines
ablaufenden Metallbandes, bei dem man:
- – das zu
kühlende
Metallband kontinuierlich bewegt,
- – das
Band auf eine Hauptkühlwalze
auflegt, die um ihre Achse beweglich ist, so dass das Band einen
Bogen bildet, dessen Innenfläche
mit der Außenseite
der Hauptkühlwalze
eine Kontaktzone bildet, die dafür ausgelegt
ist, einen Teil der Wärme
des Bands zum Inneren dieser Walze abzuführen, und
- – das
Band mit der Hauptkühlwalze
mit Hilfe mindestens einer Walze zum Andrücken an die Außenfläche des
von dem Band gebildeten Bogens in Kontakt hält, wobei die oder jede Andrückwalze
im Wesentlichen parallel zur Hauptkühlwalze angeordnet ist und
um ihre Achse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die oder
jede Andrückwalze
mindestens am Umfang aus einem elastisch verformbaren und thermokapazitiven
Werkstoff besteht und dass man die von dem Band auf die oder jede
Andrückwalze übertragene
Wärme durch
Nebenkühlmittel
abführt,
die dafür
ausgelegt sind, mit einem Teil der Außenseite der oder jeder Andrückwalze
eine Zone des Wärmeübergangs
zu den Nebenkühlmitteln
zu bilden.
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Gemäß anderen
Merkmalen dieses Verfahrens, die einzeln oder in allen ihren technisch
möglichen Kombinationen
verwendet werden
- – erstreckt sich die oder jede
Andrückwalze
mindestens über
die ganze Breite des Bandes, so dass auf die Außenfläche des von dem Band gebildeten
Bogens ein auf dieser Breite im Wesentlichen homogener Druck ausgeübt wird;
- – ist
die Temperatur des am Eintritt der Hauptkühlwalze angelegten Bandes niedriger
als die Temperatur der Beschädigung
des die Andrückwalze
oder -walzen bildenden Werkstoffs; und
- – ist
die Temperatur des am Eintritt angelegten Bandes niedriger als etwa
200°C.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner eine Anlage zum Kühlen eines ablaufenden Metallbandes,
wobei das zu kühlende
Band kontinuierlich bewegt wird, umfassend eine Hauptkühlwalze,
an die das Band so angelegt ist, dass ein Bogen gebildet wird, dessen
Innenfläche
mit der Außenseite
dieser Walze eine Kontaktzone begrenzt, die dafür ausgelegt ist, einen Teil
der Wärme
des Bands zum Inneren der Hauptkühlwalze
abzuführen,
und mindestens eine Walze zum Andrücken an die Außenfläche des
von dem Band gebildeten Bogens, die dafür ausgelegt ist, das Band auf
der Hauptkühlwalze
in Kontakt zu halten, wobei die oder jede Andrückwalze im Wesentlichen parallel
zur Hauptkühlwalze
angeordnet und um ihre Achse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die oder jede Andrückwalze
mindestens am Umfang aus einem elastisch verformbaren und thermokapazitiven
Werkstoff besteht und dass die Anlage Nebenkühlmittel aufweist, die dafür ausgelegt sind,
mit einem Teil der Außenseite
des oder jeder Andrückwalze
eine Zone des Wärmeübergangs
zu diesen Nebenkühlmitteln
zu bilden, um die vom Band auf die oder jede Andrückwalze übertragene
Wärme abzuführen.
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Gemäß anderen
Merkmalen dieser Anlage, die einzeln oder in allen technisch möglichen
Kombinationen verwendet werden:
- – ist die
oder jede Andrückwalze
mindestens am Umfang aus Elastomer, insbesondere aus vulkanisiertem Silikon,
hergestellt;
- – besitzt
der Werkstoff, aus dem die oder jede Andrückwalze mindestens am Umfang
besteht, eine Wärmeleitzahl
von weniger als 1 W/m·K;
- – beträgt der Durchmesser
der oder jeder Andrückwalze
zwischen etwa einem Viertel und einem Zehntel des Durchmessers der
Hauptkühlwalze;
- – umfassen
die Nebenkühlmittel
mindestens eine Nebenkühlwalze,
die um ihre Achse drehbar und im Wesentlichen parallel zu der bzw.
den Andrückwalzen
angeordnet ist;
- – besitzt
die Anlage Mittel zur Versorgung mit einem Wärmeübertragungsfluid, die der Hauptkühlwalze
und den Nebenkühlmitteln
gemeinsam sind.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung folgt eine Beschreibung, die nur als Beispiel dient
und in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In
dieser zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kühlanlage,
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2 und 3 der 1 entsprechende
Ansichten, die zwei Abwandlungen der erfindungsgemäßen Anlage
zeigen.
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Die
in 1 dargestellte Anlage 1 ist dazu bestimmt,
ein Stahlband 2 zu kühlen,
das in der mit den Pfeilen 4 angegebenen Richtung abläuft. Diese
Anlage wird beispielsweise bei Beschichtungsbehandlungen des Bands
insbesondere unter Vakuum verwendet. Diese Anlage umfasst:
- – zwei
Walzen 8A und 8B zum Umlenken des Bands 2,
die gegebenenfalls mit einem nicht dargestellten motorisierten Antriebssystem
versehen sind;
- – eine
Hauptkühlwalze 10 mit
der Achse X-X, die gegenüber
den Umlenkwalzen 8A und 8B so angeordnet ist,
dass diese das Band 2 in geeigneter Weise am Eintritt bzw.
am Austritt der Walze 10 führen;
- – eine
Walze 14 zum Andrücken
des Bands an die Kühlwalze 10 mit
der Achse Z-Z, die zur Achse X-X der Walze 10 im Wesentlichen
parallel ist und im Wesentlichen im Lot der Zone der Aufrollung
des Bands um die Walze 10 ist; und
- – eine
Nebenkühlwalze 16 mit
einer zur Achse Z-Z der Walzen 14 parallelen Achse X'-X', die mit diesen Walzen 14 auf
der der Walze 10 entgegengesetzten Seite in Kontakt ist,
wobei eine gemeinsame Ebene P Mittelebenen für die Walzen 10 und 16 bildet.
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Die
Hauptkühlwalze 10 und
die Nebenkühlwalze 16 sind,
genauer gesagt, in der Lage, Kalorien von ihrer Außenseite
auf das Innere der Walzen zu abzuführen, wenn ein warmer Körper auf
sie aufgelegt wird. Zu diesem Zweck besitzen die Walzen 10 und 16 auf
bekannte Weise eine doppelte Hülle,
die es gestattet, im Innenumfang dieser Walzen ein Kühlfluid,
wie Kaltwasser, umlaufen zu lassen. Es können auch andere dem Fachmann
bekannte Typen von Walzen zum Kühlen
durch Kontakt vorgesehen sein.
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Die
Andrückwalze 14 ist
ihrerseits von einem einstückigen
zylindrischen Teil mit der Achse Z-Z oder von einem Stapel von koaxialen
Zylindern geringer Dicke, die unabhängig oder nicht sind, gebildet.
Die Walze 14 ist aus einem elastisch verformbaren Material,
insbesondere aus Elastomer hergestellt. Bei der vorliegenden Erfindung
ist der Ausdruck "elastisch
verformbares Material" allgemein
als ein Material zu verstehen, dessen Elastizitätsmodul (oder Youngmodul) wesentlich
kleiner als der des das Band 2 bildenden Materials ist, und
zwar aus im Nachstehenden dargelegten Gründen. Als Beispiel für ein geeignetes
Elastomer kann man ein vulkanisiertes Silikon nennen.
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Der
die Andrückwalze 14 bildende
Werkstoff besitzt außerdem
bevorzugte Eigenschaften der thermischen Leitfähigkeit und Kapazität, und zwar
darf er nicht vollständig
oder fast vollständig
der Wärmeleitung
widerstehen, wie es z.B. bei einem keramischen Material sein könnte, darf
aber auch nicht notwendigerweise eine starke Leitung gewährleisten,
wie eine gängige
Metalllegierung. Außerdem
muss er in seinem Inneren die dem Band entzogene Wärmeenergie
speichern können.
Das Elastomer, aus dem die Andrückwalze 14 besteht,
besitzt beispielsweise einen Wärmeleitkoeffi zienten
von weniger als etwa 1 W/m·K
(Watt pro Meter und pro Kelvin) und eine hohe Wärmekapazität, beispielsweise von etwa
1000 J/kg·K
(Joule pro Kilogramm und pro Kelvin).
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Der
Durchmesser der Walze 14 beträgt vorzugsweise zwischen einem
Viertel und einem Zehntel des Durchmessers der Walze 10.
Außerdem
ist die Länge
dieser Walze 14 mindestens etwas größer als die Breite der Walze 2.
Die Arbeitsweise der Anlage 1, die das erfindungsgemäße Verfahren
illustriert, ist folgende:
Das Band 2, das stromauf
der Anlage 1 von einer benachbarten Produktionsanlage,
einer Spule oder einer Heizanlage, die nicht dargestellt sind, kommt,
kommt am Eingang der Anlage 1 mit einer als heiß betrachteten Temperatur
an, die insbesondere zwischen der Raumtemperatur und der hohen Temperatur
liegt, oberhalb welcher die Gefahr besteht, dass das die Andrückwalze 14 bildende
Material beschädigt
wird, d.h. beispielsweise zwischen der Raumtemperatur und etwa 200°C. Sein Antrieb
kann mindestens teilweise durch die Walze 8A gewährleistet
werden.
Das Band 2 wird nach Verlassen der Walze 8A an
die Hauptkühlwalze 10 angelegt,
um welche das Band einen möglichst
großen
Bogen von beispielsweise etwa 240° bildet,
dessen Innenfläche
mit der Außenseite
der Walze 10 in Kontakt ist. Bei seinem Anlegen an die
Walze 10 ist der von dem Band 2 gebildete Bogen
vorzugsweise in seiner Zone des Beginns des Aufrollens durch die
Andrückwalzen 14 in
an diese Walze angepresstem Kontakt gehalten.
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Die
Lage der Walze 14 relativ zur Außenfläche der Walze 10 ist
entweder insbesondere in Abhängigkeit
von der Dicke des Bandes 2 voreingestellt oder wird durch
elastisch verformbare Tragmittel so gesteuert, dass die Außenfläche des
Bands 2 einem Kontaktdruck ausgesetzt ist, der ausreicht,
um das Band gemäß seiner
Breite zu planieren und um die Wärmeübertragung
vom Band auf die Kühlwalze 10 zu
begünstigen,
indem die Kontaktfläche
zwischen der Innenfläche
dieses Bands und der Außenseite
dieser Walze erhöht
wird.
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Die
geringe Steifheit des die Andrückwalzen
bildenden Werkstoffs begrenzt die Gefahren des Eindrückens der
Außenfläche des
Bandes selbst in dem Fall, in dem ein Parallelitätsfehler zwischen den Achsen
Z-Z und X-X besteht. Außerdem
besitzt das Band 2 hierbei eine gute Querplanheit.
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Da
der die Andrückwalzen 14 bildende
Werkstoff thermokapazitiv ist, wird außerdem ein Teil der Wärme des
Bands vom Band auf die Andrückwalze übertragen,
was auf diese Weise eine ergänzende
Kühlung des
Bandes gewährleistet.
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Der
Ablauf des Bands 2 nimmt die Andrückwalze 14 in Drehung
um ihre Achse mit, wobei diese Walze 14 ihrerseits die
Nebenkühlwalze 16 antreibt.
Die Kontaktzone, die die Andrücke 14 mit
der Walze 16 hält,
gestattet die Wärmeübertragung
von dem Umfangsteil der Walze 14 bis ins Innere der Walze 16.
Da der die Andrückwalzen
bildende Werkstoff stark thermokapazitiv ist, wird die vom Band
auf die Andrückwalze 14 übertragene
Wärme am
Umfang der Walze 14 gespeichert, bevor sie ihrerseits auf
die Kühlwalzen 16 übertragen wird.
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Die
Elastizität
des die Andrückwalze 14 bildenden
Werkstoffs gewährleistet
selbst im Falle des Fehlens von Parallelität zwischen den Achsen Z-Z und
X'-X' die Bildung einer
großen
Kontaktfläche
zwischen der Walze 14 und der Außenseite der Walze 16 und
damit einen guten Wärmeübergang.
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Bei
Verlassen der Walze 10 rollt sich das Band 2 um
die Ablenkwalze 8b und verlässt die Anlage 1.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gestattet auf diese Weise die kontrollierte Kühlung des Bands 2 ohne
seine Seiten zu beschädigen
oder einzudrücken.
Die erhaltene Kühlung
ist homogen, was die Homogenität
der Eigenschaften des gekühlten
Bandes gewährleistet,
und gleichzeitig schnell, was eine Reduzierung der Kühlzeit und
auf diese Weise der Länge
der entsprechenden Zone gestattet.
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Die
Verwendung von Elastomer zur Bildung der Andrückwalzen 14 ist wenig
aufwändig,
und für
die Nebenkühlwalze 16 kommt
eine bereits vorhandene Technologie zum Einsatz. Ferner kann das
Umlaufnetz des zur Hauptkühlwalze 10 geleiteten
Kühlfluids
auf vorteilhafte Weise beispielsweise mit Hilfe von Abzweigungen
zur Versorgung der Nebenkühlwalze 16 verwendet
werden. Mit anderen Worten, ausgehend von einer bereits vorhandenen
Kühlanlage
sind die Investitionskosten für
eine erfindungsgemäße Anlage
minimal.
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In 2 ist
eine Abwandlung der Anlage 1 dargestellt, die sich von
der der 1 dadurch unterscheidet, dass
einerseits zwischen der Hauptkühlwalze 10 und
der Nebenkühlwalze 16 zwei
Andrückwalzen 14 anstelle
von einer angeordnet sind und dass andererseits die Ausgangsumlenkwalze 8B durch
eine zweite Hauptkühlwalze 12 ersetzt
ist, die beispielsweise der Walze 10 entspricht. Die Arbeitsweise
dieser Anlage ist im Wesentlichen dieselbe wie die von 1.
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Im
Nachstehenden werden Ausführungsbeispiele
von Verfahren gemäß dem Stand
der Technik und gemäß der Erfindung
mit der Anlage 1 von 2 beschrieben.
In den beiden nachstehenden Tabellen sind die Betriebsparameter
dieser Anlage zusammengefasst:
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In
der nachstehenden Tabelle sind die Testergebnisse zusammengefasst: TABELLE
3
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Die
Tests 1 und 2 wurden ohne jede Andrückwalze ausgeführt, während die
Tests 3 und 4 mit den beiden Andrückwalzen 14 aus Elastomer,
wie in 2 dargestellt, ausgeführt wurden.
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Man
stellt eine fünfzehn
Mal höhere
Kühlwirksamkeit
an der ersten Hauptkühlwalze 10 fest,
wenn diese mit den beiden Andrückwalzen 14 kombiniert
ist, aber auch eine merkliche Erhöhung an der zweiten Kühlwalze 12.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Andrückwalzen 14 dem Band 2 eine
gute Querplanheit verleihen, die eine starke und auf der Breite
des Bandes homogene Kühlung
gestattet. Temperaturmessungen durch Infrarotthermographie bestätigen ferner,
dass die Temperaturabkühlung
sehr homogen ist.
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Ferner
konnte man, was die von den Andrückwalzen 14 erreichte
Temperatur betrifft, bestimmen, dass die Oberflächenschicht des Werkstoffs
der Walzen 14 während
einer ziemlich kurzen Zeit von etwa der Kontaktdauer die Temperatur
des Bandes 2 erreichen kann, mit dem diese Walzen in Kontakt
sind. Dies ist vor allem der Fall, wenn die Ablaufgeschwindigkeit des
Bands gering ist, beispielsweise etwa 20 m/min bei dem in den vorstehenden
Tabellen 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Wenn
jedoch die Ablaufgeschwindigkeit des Bandes zunimmt, genügt die Dauer
des Kontakts des Elastomers auf dem Band nicht, damit der Wärmeaustausch
vollständig
ist, und die Temperatur des Elastomers bleibt hierbei unter der
des Bands. So erreicht das Elastomer bei einer Ablaufgeschwindigkeit
von etwa 150 m/min, was einer Ablaufgeschwindigkeit bei einer Industrieanlage
entspricht, und bei einer Eintrittstemperatur des Bands von etwa
150°C, maximal
eine Temperatur von etwa 100°C,
was einer gängigen
Betriebstemperatur bei der Mehrzahl der vulkanisierten Elastomere
entspricht.
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Es
sind verschiedene Ausgestaltungen und Abwandlungen des oben beschriebenen
Verfahrens und der oben beschriebenen Anlage möglich. So sind insbesondere
die Anzahl von Andrückwalzen
und von Nebenkühlwalzen,
ihre Abmessungen sowie ihre Anordnung nur durch den um die betreffende
Hauptkühlwalze herum
verfügbaren
freien Raum begrenzt. Jede Kombination ist möglich, sofern jede Andrückwalze
durch mindestens eine Nebenwalze gekühlt wird. Als Beispiel zeigt 3 eine
Hauptkühlwalze 10,
der fünf
Andrückwalzen 14 und
vier Nebenkühlwalzen 16 zugeordnet
sind.
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Außerdem kann
die Andrückwalze 14 bzw.
können
die Andrückwalzen 14 eine
Mehrschichtstruktur aufweisen, wobei nur die Außenschicht und/oder die Außenschichten
die oben dargelegten Merkmale der Biegsamkeit und der thermischen
Kapazität
zur Durchführung
der Erfindung aufweisen müssen.
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Ferner
kann die Kühlwalze 16 durch
andere Nebenkühlmittel
ersetzt werden, wie Systeme zum Abschrecken mit Gasstrahl, solange
diese Mittel mit einem Teil der Außenfläche der Andrückwalzen
eine ausreichende Wärmeabfuhrzone
bilden.
