EP2188403B1 - Verfahren und schmelztauchveredelungsanlage zur bandstabilisierung eines zwischen abstreifdüsen der schmelztauchveredelungsanlage geführten, mit einer beschichtung versehenen bandes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bandstabilisierung eines zwischen Abstreifdüsen einer Schmelztauchveredelungsanlage geführten, mit einer Beschichtung versehenen Bandes sowie eine entsprechende Schmelztauchbeschichtungsanlage. Dabei werden durch in Bandlaufrichtung den Abstreifdüsen nachgeordnete elektromagnetisch berührungslos auf das durchlaufende Stahlband wirkende Spulen stabilisierende Kräfte nach Maßgabe der erfassten Bandposition auf das Band ausübt. Um die Bandstabilisierung im Bereich der Abstreifdüse zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Abstand der Wirkungslinie der Bandstabilisierungseinrichtung von den Abstreifdüsen auf einen Wert ≤ einem Abstandsschwellenwert eingestellt wird, welcher als Funktion der Bandbreite unter Berücksichtigung eines Faktors Phi ermittelt wird, wobei der Faktor Phi als Funktion der Banddicke und des Bandzuges berechnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bandstabilisierung eines zwischen Abstreifdüsen einer Schmelztauchveredelungsanlage geführten, mit einer Beschichtung versehenen Bandes sowie eine entsprechende Schmelztauchbeschichtungsanlage. Dabei werden durch in Bandlaufrichtung den Abstreifdüsen nachgeordnete elektromagnetisch berührungslos auf das durchlaufende Stahlband wirkende Spulen stabilisierende Kräfte nach Maßgabe der erfassten Bandposition auf das Band ausübt.
• Elektromagnetische Bandstabilisierungen basieren auf dem Prinzip der Induktion, um mittels definierter Magnetfelder anziehende Kräfte senkrecht zum ferromagnetischen Stahlband zu erzeugen. Damit kann die Lage des Stahlbands zwischen zwei gegenüberliegenden elektromagnetischen Induktoren (Elektromagnete) berührungslos verändert werden. Solche Systeme sind in unterschiedlicher Bauart bekannt. Sie werden z.B. in Schmelztauchveredelungsanlagen im Beschichtungsbereich oberhalb der so genannten Abstreifdüsen verwendet. Unterschiedlichste Regelungs. und Steuerungskonzepte sind bekannt (z. B. DE 10 2005 060 058 A1 , WO 2006/006911 A1 , WO 02/14572 A1 ).
• Abstreifdüsen werden in Schmelztauchveredelungsanlagen für Stahlband eingesetzt, um eine definierte Menge Beschichtungsmedium auf der Bandoberfläche zu erhalten. Die Qualität der Beschichtung (Gleichmäßigkeit der Auftragung, Schichtdickengenauigkeit, homogener Oberflächenglanz) hängt maßgeblich von der Gleichmäßigkeit des Abstreifdüsenmediums (z.B. Luft oder Stickstoff) sowie von der Bandbewegung im Düsenbereich ab. Die Bandbewegungen werden durch Unrundheiten von Rollen oder z.B. durch Impulswirkung der Luft im Kühlturmbereich von Schmelztauchveredelungsanlagen hervorgerufen.
• Mit zunehmender Bandbewegung in der Abstreifdüse reduziert sich die Beschichtungsqualität bzw. Gleichmäßigkeit der Beschichtung des durchlaufenden Stahlbands.
• Durch den Einsatz von in Bandlaufrichtung nach geschalteten Bandstabilisierungssystemen kann eine innerhalb der Abstreifdüse auftretende Bandbewegung gedämpft bzw. reduziert werden, so dass eine Verbesserung der Beschichtungsgenauigkeit und Beschichtungsgleichmäßigkeit des flüssigen Metalls auf dem Stahlband erreicht wird. Dies können z. B. elektromagnetisch wirkende Aktuatoren sein, die berührungslos anziehende Kräfte auf das durchlaufende Stahlband ausüben und somit die Bandlage verändern.
• Bei den bekannten Systemen ergibt sich Bauart bedingt aufgrund der in Bandlaufrichtung der Abstreifdüse nachgeordneten Bandstabilisierung eine reduzierte Wirkung der Regelung auf die Bandbewegung in der Abstreifdüse. Die Beruhigung der Schwingungen erfolgt oberhalb der Abstreifdüse innerhalb der Bandstabilisierung mittels der Bandstabilisierungsspulen mit hoher Effektivität. Im Bereich der Düse ist die Wirkung mit steigendem Abstand zwischen dieser und der Stabilisierungseinheit jedoch deutlich eingeschränkt. Die Position der Bandstabilisierung wird dabei entsprechend der baulichen Gegebenheiten festgelegt, ohne die physikalischen Abhängigkeiten zu beschreiben.
• Daher ist das Ziel aller Anwendungen die Bandstabilisierung möglichst nahe an die Abstreifdüse zu positionieren, wobei der Zusammenhang zwischen Abstand und Wirkung nicht berücksichtigt wird.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Bandstabilisierung im Bereich der Abstreifdüse zu verbessern.
• Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (der Wirkung) der Bandstabilisierung von den Abstreifdüsen auf einen Wert kleiner gleich einem Abstandsschwellenwert eingestellt wird, welcher als Funktion der Bandbreite unter Berücksichtigung eines Faktors Phi ermittelt wird, wobei der Faktor Phi als Funktion der Banddicke und des Bandzuges berechnet wird.
• Die Messgröße Bandposition repräsentiert im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die zeitliche und / oder örtliche Änderung des Abstandes des Bandes gegenüber einer graden Referenzlinie quer zur Bandlaufrichtung; dass heißt, die Bandposition repräsentiert das Bandprofil und/ oder dessen Schwingungsverhalten als Funktion der Zeit.
• Der Begriff Bandstabilisierung umfasst im Rahmen der vorliegenden Beschreibung zwei wesentliche Aspekte: Zum einen meint Bandstabilisierung eine Glättung eines wellenförmigen Bandprofils und zum anderen meint dieser Begriff eine Dämpfung von Schwingungen des Bands. Beide Aspekte der Bandstabilisierung können unabhängig voneinander oder in Kombination bzw. gleichzeitig mit Hilfe geeigneter Regelkreise realisiert werden.
• Der wesentliche Vorteil der beanspruchten Begrenzung des Abstandes ist darin zu sehen, dass bei einer Einstellung des Abstandes auf einen Wert unterhalb des erfindungsgemäß berechenbaren Abstandsschwellenwertes, eine erheblich bessere Wirkung für beide Aspekte der angestrebten Bandstabilisierung erreicht wird. Demgegenüber lässt die Wirkung der Bandstabilisierung bei Abständen oberhalb des Abstandsschwellenwertes deutlich nach oder das Band wird trotz Stabilisierungsregelung sogar instabiler als ohne Regelung (gegenteiliger Effekt).
• Ideal wäre ein Abstand von Null, d.h. wenn die Bandstabilisierung auf Höhe der Abstreifer angeordnet wäre, weil dann die Bandstabilisierung unmittelbar auf Höhe der Abstreifdüsen wirken würde und das Band während eines Messvorganges dann optimal stabil gehalten würde. Diese Anordnung ist aber bautechnisch aufgrund von Platzmangel in der Regel nicht realisierbar. Deshalb sollte der Abstand möglichst klein, maximal jedoch auf den Wert des erfindungsgemäß berechenbaren Abstandsschwellenwert eingestellt werden.
• Die elektromagnetischen Kräfte werden durch auf jeder Bandseite sich paarweise gegenüberliegende Spulenanordnungen aufgebracht, deren Abstand von den Abstreifdüsen veränderbar ist.
• Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bandposition innerhalb der Spulenanordnung gemessen, und zwar in räumlicher Nähe der Spulenanordnung.
• Zusätzlich kann die Bandposition ober- und unterhalb der Spulenanordnung gemessen werden.
• Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind auf jeder Bandseite mehrere Spulen angeordnet, wobei die jeweils außen liegenden Spulen auf die durchlaufenden Bandkanten parallel zur Ebene des Bandes einstellbar angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht vorteilhafter Weise eine optimale Wirkung bei der Glättung des Bandprofils.
• Der Abstand der Bandstabilisierungseinrichtung, nachfolgend verkürzt auch Bandstabilisierung genannt, von den Abstreifdüsen sollte bei breiteren Bändern (B > 1400 mm) deren Bandbreite nicht überschreiten. Bei schmaleren Bändern (B < 1400 mm) kann ein Abstand bis zum 1,75fachen der Bandbreite zugelassen werden. Dieser Abstand ergibt sich aus dem Prinzip von Staint-Venant, das besagt, dass mit steigendem Abstand einer angreifenden Kraft auf z. B. ein eingespanntes Stahlband deren Wirkung auf dem Gesamtzustand abnimmt.
• Grundlage für die erfindungsgemäße Lösung ist die Positionierung der Bandstabilisierung zur Abstreifdüse bzw. den Abstreifdüsen unter Berücksichtigung der Spannungsmechanik.
• Die Wirkung eines punktuellen Lastangriffs in einem gegebenen Lastsystem ergibt sich nach dem Prinzip von Saint Venant nur in einem kleinen Bereich um den Lasteingriffspunkt. Die durch die Krafteinleitung örtlich unregelmäßigen Kraftverteilungen klingen sehr schnell ab, Dieses Prinzip wird bei Festigkeitsberechnungen zur Dimensionierung von Bauteilen standardmäßig eingesetzt und wird hier auf die Bandstabilisierungswirkung im Abstreifdüsenbereich angewendet.
• Um eine ausreichende Wirkung in der Abstreifdüse auf das Bandprofil und die Bandbewegung (Schwingung) zu erzielen, um diese maßgeblich zu verändern bzw. zu dämpfern, muss entsprechend des Prinzips von Saint-Venant der Abstand zwischen Stabilisierungswirkung und Abstreifdüse in einem festgelegten Bereich gewählt werden bzw. darf einen Höchstwert in Form eines Abstandsschwellenwertes nicht überschreiten, Dabei muss der Abstand, d. h. die Länge Stahlband, in der eine Wirkung durch die Bandstabilisierung zu erwarten ist nach folgender Regel gewählt werden: $$\mathrm{Abstand}\le \mathrm{Abstandsschwellenwert}=\mathrm{Phi}*\mathrm{charakteristische\; Länge}$$

  

  mit $$\mathrm{Phi}=\mathrm{Funktion}\left(\mathrm{Banddicke},\mathrm{Bandzug}\right)$$

  
• Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch die beanspruchte Schmelztauchbeschichtungsanlage gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (der Wirkung) der Bandstabilisierung von den Abstreifdüsen auf einen Wert kleiner gleich einem Abstandsschwellenwert eingestellt ist, welcher als Funktion der Bandbreite unter Berücksichtigung eines Faktors Phi, als Funktion der Banddicke und des Bandzuges, ermittelt ist.
• Die Vorteile dieser Anlage entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, insbesondere der Ansprüche 5-8 und 14.
• Die erfindungsgemäße Lösung soll nachfolgend - auch unter Bezug auf die Zeichnungen - näher erläutert werden.
• Dabei zeigt:

Fig. 1

schematisch die Anordnung der Bandstabilisierungsspulen,

Fig. 2

die Profilierungen des Bandes,

Fig. 3

schematisch die Anordnung der Düsenbalken,

Fig. 4

das Bandstabilisierungssystem,

Fig.5

die Abhängigkeit des Faktors Phi von der Bandbreite und

Fig.6

den Zusammenhang zwischen Bandschwingungen und dem Abstand der Bandstabilisierung von der Abstreifdüse.

• Die Anordnung der Bandstabilisierung und der Abstreifdüse ist prinzipiell aus der Figur 4 ersichtlich.
• Der Abstandsschwellenwert ergibt sich nach dem Prinzip von Venant für durchlaufende breite Stahlbänder zu ca. der Bandbreite und bei schmaleren Bändern zu max. dem 1,75fachen der Bandbreite (siehe Figur 5). In einem größeren Abstand ist die Wirkung der Bandstabilisierung im Hinblick auf eine Glättung des Bandprofils (Querbogen, S-Form, siehe Fig. 2) sehr eingeschränkt bzw. bei großen Abständen nicht mehr erkennbar.
• Der Kraftangriffspunkt der Bandstabilisierung liegt dann zu weit von der Düsenlippe weg, um eine ausreichende Wirkung auf die Bandverformungen wie z. B. Reduktion des Querbogens auszuüben.
• Weiterhin konnte durch Messungen und Simulationen nachgewiesen werden, dass die Schwingungsbeeinflussung (Dämpfung der Amplitude der Bandschwingung) im Düsenspalt ebenfalls von dem Abstand des Kraftangriffspunktes zur Wirkstätte Düsenspalt abhängt.
• Damit ergibt sich folgender Zusammenhang: $$\mathrm{Abstand}\le \mathrm{Phi}\left(\mathrm{Banddicke},\mathrm{Bandzug}\right)*\mathrm{Bandbreite}=\mathrm{Abstandsschwellenwert}\mathrm{.}$$

  
• Der Faktor Phi wurde abhängig vom Bandzug und der Banddicke sowohl analytisch mittels FEM Simulationen als auch empirisch an Bandbehandlungsanlagen untersucht und ermittelt. In Fig. 5 ist der Zusammenhang dargestellt. Mit abnehmender Bandbreite erhöht sich der mögliche Abstand zwischen Bandstabilisierung und Abstreifdüse (siehe Figur 4), da aufgrund der reduzierten Bandbreite eine unsymmetrische Spannungsverteilung bzw. ein nicht optimales wellenförmiges Bandprofil sich weniger nachteilig auf die Bandstabilisierung auswirkt. Aufgrund von Spannungsunterschieden über die Banddicke ergeben sich elastische Verformungen. Die Spannung über der Blechdicke wirkt sich oberhalb eines Grenzwertes in Form von Bandquerverformung aus (Querbogen).
• Lokale Änderungen der Spannungsverteilung über der Blechdicke durch den äußeren Krafteinfluss der Bandstabilisierung zeigen sich abhängig von dem dargestellten Funktionsverlauf bis zu einem Abstand von 0,75 bis 1,75 mal der Bandbreite in Bandlaufrichtung gesehen.
• Liegen Schwingungen des Stahlbands aufgrund von z. B. unrundem Lauf der Stabilisierungsrolle im Zinkgefäß vor, dann erzielt man mit einer Regelung zur Bandstabilisierung eine Reduktion der Bandschwingung gegenüber einer Situation ohne Bandstabilisierungsregelung, wenn der Abstand der Bandstabilisierung von der Abstreifdüse typischerweise max. 1,5 m vom Düsenspalt beträgt. Wie aus Figur 5 zu erkennen ist, ergibt sich der Abstandsschwellenwert von ca. 1,5 m für viele unterschiedliche typische Bandbreiten. Befindet sich die Bandstabilisierung weiter als dieser Abstandsschwellenwert von der Abstreifdüse weg, dann werden die Schwingungen im Bereich der Abstreifdüse nicht mehr gedämpft, sondern können sogar angeregt werden, was trotz Schwingungsdämpfung im Bereich der Bandstabilisierung zu einer Erhöhung der Bandbewegung innerhalb der Abstreifdüse und damit zu einer Verringerung der Beschichtungsqualität führt (Fig. 6).
• Analoges gilt auch für die Stabilisierung/Glättung des Bandprofils. Bei Abständen unterhalb des Abstandsschwellenwertes wird eine gute Glättung erreicht, darüber wird eine Glättung schwierig bzw. nicht mehr möglich.
• Weiterhin ist folgende Vorrichtung zur Kombination der Bandstabilisierung mit der Abstreifdüse vorgesehen, bei der die Bandstabilisierungsspulen immer zur zentrierten Bandlage hin wirken:
• Gegenüber den bekannten Systemen muss die Stabilisierung jeweils auf die Bandlage ausgerichtet werden bzw. die Ist-Position bestimmt werden. Die Ausrichtung erfolgt mittels extra angebrachter Ausrichthilfen.
• Aufgrund der speziellen Rahmenkonstruktion der Abstreifdüse wird die Stabilisierung auf diesem Rahmen befestigt und ist somit mechanisch fest und reproduzierbar einstellbar (Fig. 3). Die Zentrierung auf Bandlage bzw. Bandmitte ist somit immer identisch zwischen Stabilisierung und Abstreifdüse.
• Damit wird einer möglichen Verdrehung des Bands während der Produktion gefolgt und es ist keine Neubestimmung der Nullposition bzw. der Sollposition der Bandlage erforderlich. Abstreifdüsen und Stabilisierungsspulen sind so mechanisch synchronisiert und ausgerichtet!
• Zusammenfassend ergibt sich:
1. 1. Festlegung des maximal zulässigen Abstands zwischen Stabilisierungswirkung und Abstreifdüse aufgrund der physikalischen Zusammenhänge (Prinzip nach Saint Venant) zu Abstand ≤ Phi * Bandbreite.
2. 2. Der Korrekturfaktor Phi ergibt sich aus Simulationen und Betriebsversuchen als Funktion von der Bandbreite zwischen 1,75 und 0,75. Die Verformungen des Bands in Querrichtung ergeben sich aus der Instabilität aufgrund der geringen Banddicke. Mit verringerter Bandbreite wirken sich diese nicht so stark aus, was in einer Vergrößerung des möglichen Abstandes der Bandstabilisierung von der Abstreifdüse resultiert.
3. 3. Integration der Bandstabilisierungsspulen innerhalb der Abstreifdüsenkonstruktion zur Erhöhung der Ausrichtgenauigkeit aufgrund einer mechanischen Kopplung der Düse mit den Stabilisierungsspulen.
4. 4. Die Bandstabilisierungsspulen sind über die Kopplung an die Abstreifdüse immer identisch ausgerichtet, auch bei Schräglagen oder Bandverwindungen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Bandstabilisierung eines zwischen Abstreifdüsen einer Schmelztauchveredelungsanlage geführten, mit einer Beschichtung versehenen Bandes, wobei die Bandposition erfasst wird und durch in Bandlaufrichtung den Abstreifdüsen nachgeordnete elektromagnetisch berührungslos auf das durchlaufende Stahlband wirkende Spulen stabilisierende Kräfte nach Maßgabe der erfassten Bandposition auf das Band ausübt werden,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass der Abstand (der Wirkung) der Bandstabilisierung von den Abstreifdüsen auf einen Wert kleiner gleich einem Abstandsschwellenwert eingestellt wird, welcher als Funktion der Bandbreite unter Berücksichtigung eines Faktors Phi ermittelt wird, wobei der Faktor Phi als Funktion der Banddicke und des Bandzuges berechnet wird; und
   dass der Abstand je nach aktueller Bandbreite das 1,75- 0,75-fache der Bandbreite beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Bandposition innerhalb der Spulenanordnung gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Bandposition in räumlicher Nähe der Spulenanordnung gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Bandposition zusätzlich ober- und unterhalb der Spulenanordnung gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Bandposition als örtliche Verteilung des Abstandes des Bandes gegenüber einer graden Referenzlinie über der Bandbreite erfasst wird und insofern als Ist- Messgröße das Ist-Bandprofil repräsentiert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
   die stabilisierenden Kräfte nach Maßgabe des erfassten Ist-Bandprofils quer zur Transportrichtung auf das Band einwirken, um das erfasste Ist-Bandprofil auf ein vorgegebenes optimales Soll-Bandprofil in Form eines glatten wellenfreien Bandprofils quer zur Bandrichtung glatt zu ziehen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die Bandposition als zeitliche Änderung des Abstandes des Bandes gegenüber einer graden Referenzlinie erfasst wird und insofern als Ist-Messgröße das Ist-Schwingungsverhalten des Bandes in Abhänglgkelt der Zeit repräsentiert.
8. Verfahren nach Anspruch 6.
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die stabilisierenden Kräfte nach Maßgabe des erfassten Ist-Schwingungeverhaltens des Bandes vorzugsweise senkrecht zur Transportrichtung auf das Band einwirken, um das erfasste Ist. Schwingungsverhalten des Bandes falls erforderlich geeignet zu dämpfen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-8,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass die gemessene Bandposition als zeitliche und örtliche über der Bandbreite verteilte Änderung des Abstandes des Bandes gegenüber der graden Referenzlinie das Schwingungsverhalten des Bandprofils als Funktion der Zeit repräsentiert; und
   dass die stabilisierenden Kräfte derart geeignet auf das Band einwirken, dass das Bandprofil, soweit erforderlich, geglättet und gleichzeitig dessen Schwingungsverhalten geeignet gedämpft wird.
10. Schmelztauchveredelungsanlage zum Beschichten eines Bandes mit einer Beschichtung, mit:

    einer mindestens einer Abstreifdüse zum Entfernen überschüssiger Beschichtung von dem Band;

    einer Messeinrichtung zum Erfassen der Bandposition; und

    einer Bandstabilisierung mit elektromagnetischen Spulen, welche der Abstreifdüse in Bandlaufrichtung nachgeordnet ist, zum Erzeugen berührungslos auf das Stahlband wirkender stabilisierender Kräfte nach Maßgabe der erfassten Bandposition;

    dadurch gekennzeichnet,

    dass der Abstand (der Wirkung) der Bandstabilisierung von den Abstreifdüsen auf einen Wert kleiner gleich einem Abstandaschwellenwert eingestellt ist, welcher als Funktion der Bandbreite unter Berücksichtigung eines Faktors Phi ermittelt ist, wobei sich der Faktor Phi als Funktion der Banddicke und des Bandzuges berechnet; und

    dass der Abstand je nach aktueller Bandbreite das 1,75- 0,75-fache der Bandbreite beträgt.
11. Schmeiztauchveredelungsanlage nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Spulen auf der Ober- und Unterseite des Bandes sich paarweise gegenüberliegend angeordnet sind und ihr Abstand zu den Abstreifdüsen veränderbar ist.
12. Schmelztauchveredelungsanlage nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messeinrichtung auf Höhe der Spulen oder in deren Nähe angeordnet ist und dort die Bandposition erfasst.
13. Schmelztauchveredelungsanlage nach Anspruch 10,11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass auf der Ober- und/oder Unterseite des Bandes jeweils mehrere Spulen über der Breite des Bandes verteilt angeordnet sind und dass die jeweils außen liegenden Spulen auf die durchlaufenden Bandkanten parallel zur Ebene des Bandes einstellbar angeordnet sind.
14. Schmelztauchveredelungsanlage nach einem der Ansprüche 11 -13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bandstabilisierung und die Messeinrichtung mechanisch gekoppelt fest zueinander beabstandet sind.

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