WO2002092861A1 - Verfahren und vorrichtung zum thermischen behandeln von metallsträngen, insbesondere von stahlband - Google Patents

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Rolf Brisberger
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    • H05B6/103—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces multiple metal pieces successively being moved close to the inductor
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    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the thermal treatment of metal strands, in particular steel strip, in which the metal strand which is in motion and moves at the speed corresponding to the predetermined production quantity is heated with the pursuit of high temperature gradients.
  • the inductive band heating used is based on longitudinal or transverse field heating, with the dimensions of the magnet coils being a function of the band dimensions, the frequencies of the alternating fields used and the possible force field densities in the magnet coils depending on the frequencies used.
  • the invention has for its object to provide and transfer the amount of heat required for the heat treatment of metal strips in high-speed metal strands in a short time.
  • the object is achieved according to the invention in that by using a flux concentrator on the metal strand moving at high speed, the metal strand temperature is set in the millisecond to second range by inductive heating.
  • a flux concentrator leads to a significant increase in the magnetic force field density in the processes of strip heating. It is an advantageous process of inductive cross-field heating.
  • the method can also be applied favorably to processes of metal structure conversion after mechanical treatments. Sufficient heat can also be transferred here in a short time.
  • Another application of the method is used to initiate diffusion and alloying processes in metallic coatings.
  • a device for the thermal treatment of metal strands, in particular steel strip, which is surrounded by a magnetic field with a high magnetic field strength achieves the object according to the invention in that on each metal strand side - in the case of metal strips at least on the two flat sides - parallel to the plane of the metal strand side extending induction coils are arranged, the cavity of which is filled by means of a flux concentrator.
  • the vector of the magnetic induction field strength is perpendicular to the strip surface.
  • Coreless air coils are normally used due to the high operating frequencies. The resulting stray magnetic field is disadvantageously large.
  • the flux concentrator is placed in the magnetic inserted coil for inductive cross-field heating and causes that no large stray field can form and the magnetic field strength is limited to the exit from the pole faces of the flux concentrator.
  • the field densities are therefore very high and band heating over a short band length is possible.
  • the flux concentrator is made from amorphous ferromagnetic material.
  • the requirement of the amorphous material results from the high frequencies used for inductive band heating.
  • the fact that the classic systems for inductive band heating led to meter-high coils is avoided by the flux concentrator in a magnetic coil, so that a significantly lower coil height is now sufficient.
  • the flux concentrator is approximately bow-shaped and has parallel end faces spaced at both ends from the metal strand side. This makes alignment with the metal strand easier.
  • the device it is provided that its arrangement in towers with a vertical metal strand guide and between pairs of guide rollers arranged at greater intervals in the direction of strip travel is advantageous. Since the magnetic coils are generally located in areas of production plants in which the metal strip, after coating for reasons of a high-quality surface, must not have any contact with the rolls for a certain time, such systems are used in towers with a vertical strip guide. The production costs for such towers are very high due to the requirements of inherent stability. Here, significantly lower heights of the solenoid coils and thus significantly reduced manufacturing costs have an advantageous effect. In the drawing, an embodiment of the device according to the invention is shown, which is explained in more detail below.
  • Fig. 1 is a side view of the device with metal tape
  • FIG. 1 is a front view of FIG .. 1
  • the device for the thermal treatment of metal strands, in particular steel strip 1 has induction coils 4 running on each metal strand side 1a and 1b, in the case of steel strip 1 on the flat sides 2, parallel to the plane 3 of the metal strand sides 1a, 1b, the cavity 4a of which is by means of a flux Concentrator 5 is filled.
  • the flux concentrator 5 is made of amorphous ferromagnetic material. As can be seen, the flux concentrator 5 has an approximately bow-shaped design and has end faces 5c that are parallel and spaced apart at both ends 5a and 5b to the metal strand side 1a and 1b.
  • This device can be used in towers with a vertical metal strand guide and between pairs of guide rollers arranged at greater intervals in the direction of strip travel 6.

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Abstract

Ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Metallsträngen, insbesondere von Stahlband (1) bei dem der in Bewegung befindliche, mit der der vorgegebenen Produktionsmenge entsprechenden Geschwindigkeit bewegte Metallstrang unter Anstreben von hohen Temperaturgradienten erwärmt wird, kann die für die Wärmebehandlung von Metallbändern (1) erforderliche Wärmemenge bei schnellaufenden Metallsträngen in kurzer Zeit zur Verfügung stellen, indem durch Anwendung eines Flux-Konzentrators (5) am mit hoher Geschwindigkeit bewegten Metallstrang die Metallstrang-Temperatur im Millisekundenbis Sekundenbereich durch induktives Aufheizen eingestellt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Metallsträngen, insbesondere von Stahlband
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln von Metallsträngen, insbesondere von Stahlband, bei dem der in Be- wegung befindliche, mit der der vorgegebenen Produktionsmenge entsprechenden Geschwindigkeit bewegte Metallstrang unter Anstreben von hohen Temperaturgradienten erwärmt wird.
Neben den bekannten Verfahren zum Beschichten von Metallband, bei denen eine elektromotorische Kraft zum Zurückhalten des flüssigen Überzugsmaterials am Ausgang eines Beschichtungsbehälters hervorgerufen wird, durch den das Metallband eingeführt wird, sind keine Verfahren bekannt, bei denen dem Metallband Wärme für anderweitige Prozesse bei schnelllaufendem Metallband zugeführt werden kann.
Bei der Wärmebehandlung von Metallbändern zu unterschiedlichen Anwendungen müssen aus Gründen der Metallurgie und der Produktivität in kurzer Zeit hohe Temperaturen erreicht werden. Dabei könnte die Bandgeschwindigkeit verlangsamt werden, was sofort zu einer unerwünschten geringeren Produkti- onsmenge führen würde. Die verwendeten induktiven Banderwärmungen basieren auf einer Längs- oder Querfelderwärmung, wobei die Dimensionen der Magnetspulen eine Funktion der Bandausmaße, der verwendeten Frequenzen der Wechselfelder und der möglichen Kraftfelddichten in den Magnetspulen in Abhängigkeit der verwendeten Frequenzen sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für die Wärmebehandlung von Metallbändern erforderliche Wärmemenge bei schnelllaufenden Metallsträngen in kurzer Zeit zur Verfügung zu stellen und zu übertragen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch An- Wendung eines Flux-Konzentrators am mit hoher Geschwindigkeit bewegten Metallstrang die Metallstrang-Temperatur im Millisekunden bis Sekunden- Bereich durch induktives Aufheizen eingestellt wird. Die Anwendung eines Flux- Konzentrators führt zu einer deutlichen Erhöhung der magnetischen Kraftfelddichte in den Prozessen der Band-erwärmung. Es handelt sich um einen vor- teilhaften Prozess der induktiven Querfeld-Erwärmung.
Das Verfahren ist weiterhin günstig auf Prozesse der Metallgefüge- Umwandlung nach mechanischen Behandlungen anzuwenden. Hier ist ebenfalls ausreichend Wärme in kurzer Zeit zu übertragen.
Eine andere Anwendung des Verfahrens dient zur Initiierung von Diffusionsund Legierungsvorgängen bei metallischen Beschichtungen.
Ferner ist eine vorteilhafte Anwendung auf Trocknungs- und Einbrennvorgänge bei organischer Beschichtung von Metallsträngen möglich.
Eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Metallsträngen, insbesondere von Stahlband, das von einem Magnetfeld bei hoher magnetischer Feldstärke umgeben ist, löst die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass an jeder Metallstrang-seite - bei Metallbändem zumindest an den beiden Flachseiten - parallel zur Ebene der Metallstrangseite verlaufende Induktionsspulen angeordnet sind, deren Hohlraum mittels eines Flux-Konzentrators ausgefüllt ist. Dadurch steht der Vektor der magnetischen Induktionsfeldstärke senkrecht auf der Bandoberfläche. Normalerweise werden durch die hohen Betriebsfre- quenzen kernlose Luftspulen verwendet. Das daraus resultierende magnetische Streufeld ist jedoch nachteilig groß. Der Flux-Konzentrator wird in die Magnet- spule zur induktiven Querfelderwärmung eingefügt und bewirkt, dass sich kein großes Streufeld bilden kann und sich die magnetische Feldstärke auf den Austritt aus den Polflächen des Flux-Konzentrators beschränkt. Die Felddichten sind somit sehr hoch und damit ist eine Banderwärmung auf kurzer Bandlänge möglich.
Nach einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Flux-Konzentrator aus amorphem ferromagnetischem Werkstoff hergestellt ist. Die Forderung des amorphen Werkstoffes ergibt sich aus den verwendeten hohen Frequenzen zur induktiven Banderwärmung. Der Umstand, der bei den klassischen Anlagen zur induktiven Banderwärmung zu meterhohen Spulen führte, wird durch den Flux- Konzentrator in einer Magnetspule vermieden, so dass jetzt eine deutlich geringere Spulenhöhe ausreicht.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Flux-Konzentrator etwa bügeiförmig gestaltet ist und an beiden Enden zur Metallstrangseite beabstandet parallele Stirnflächen aufweist. Dadurch kann die Ausrichtung zum Metallstrang leichter erfolgen.
Nach anderen Merkmalen der Vorrichtung ist vorgesehen, dass deren Anord- nung in Türmen mit senkrechter Metallstrang-Führung und zwischen in Bandlaufrichtung in größeren Abständen angeordneten Führungsrollen-Paare vorteilhaft ist. Da sich die Magnetspulen im allgemeinen in Bereichen von Produktionsanlagen befinden, in denen das Metallband nach einer Beschichtung aus Gründen einer hochqualitativen Oberfläche für eine gewisse Zeit kein Band- kontakt mit Rollen haben darf, werden solche Anlagen in Türmen mit senkrechter Bandführung verwendet. Die Herstellungskosten für solche Türme sind durch die Anforderungen der Eigenstabilität sehr hoch. Hier wirken sich deutlich niedrigere Bauhöhen der Magnetspulen und damit deutlich reduzierte Herstellungskosten vorteilhaft aus. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, das nachstehend näher erläutert wird.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung mit Metallband und
Fig. 2 eine Vorderansicht gemäß Fig. 1.
Die Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Metallsträngen, insbesondere von Stahlband 1 weist an jeder Metallstrangseite 1a und 1 b, bei Stahlband 1 an den Flachseiten 2, parallel zur Ebene 3 der Metallstrangseiten 1a, 1b verlaufende Induktionsspulen 4 auf, deren Hohlraum 4a mittels eines Flux- Konzentrators 5 ausgefüllt ist. Der Flux-Konzentrator 5 ist aus amorphem fer- romagnetischem Werkstoff hergestellt. Wie ersichtlich ist der Flux-Konzentrator 5 etwa bügeiförmig gestaltet und weist an beiden Enden 5a und 5b zur Metallstrangseite 1a und 1 b hin jeweils beabstandet parallele Stirnflächen 5c auf.
Diese Vorrichtung kann in Türmen mit senkrechter Metallstrang-Führung und zwischen in Bandlaufrichtung 6 in größeren Abständen angeordneten Führungsrollen-Paaren verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Stahlband
1a Metallstrangseite
1b Metallstrangseite
2 Flachseiten
3 Ebene
4 Induktionsspule
4a Hohlraum
5 Flux-Konzentrator
5a Ende
5b Ende
5c parallele Stirnfläche
6 Bandlaufrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum thermischen Behandeln von Metallsträngen, insbesondere von Stahlband, bei dem der in Bewegung befindliche, mit der der vorgegebenen Produktionsmenge entsprechenden Geschwindigkeit bewegte Metallstrang unter Anstreben von hohen Temperaturgradienten erwärmt wird, gekennzeichnet durch, dass durch Anwendung eines Flux-Konzentrators am mit hoher Geschwindigkeit bewegten Metallstrang die Metallstrang-Temperatur im Millisekunden- bis Sekunden-Bereich durch induktives Aufheizen eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, dessen Anwendung auf Prozesse der Metallgefüge-Umwandlung nach mechanischen Behandlungen.
Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch, dessen Anwendung zur Initiierung von Diffusions- und Legierungsvorgängen bei metallischen Beschichtungen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, dessen Anwendung auf Trocknungs- und Einbrennvorgänge bei organischer Beschichtung von Metallsträngen.
5. Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Metallsträngen, insbesondere von Stahlband, das von einem Magnetfeld bei hoher magnetischer Feldstärkedichte umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Metallstrangseite (1a; 1b), bei Metallbändern (1) zumindest an den beiden Flachseiten (2) parallel zur Ebene (3) der Metallstrangseite
(1a; 1b) verlaufende Induktionsspulen (4) angeordnet sind, deren Hohlraum (4a) mittels eines Flux-Konzentrators (5) ausgefüllt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flux-Konzentrator (5) aus amorphem ferromagnetischem Werkstoff hergestellt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flux-Konzentrator (5) etwa bügeiförmig gestaltet ist und an beiden Enden (5a; 5b) zur Metallstrangseite (1a; 1b) beabstandet parallele Stirnflächen (5c) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch, deren Anordnung in Türmen mit senkrechter Metallstrang-Führung und zwischen in Bandlaufrichtung (6) in größeren Abständen angeordneten Führungsrollen-Paaren.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB593195A (en) * 1944-02-05 1947-10-10 Westinghouse Electric Int Co Improvements in or relating to heating of strip metal, and the like by electromagnetic induction
EP0271614A1 (de) * 1985-10-25 1988-06-22 Nippon Light Metal Co., Ltd. Elektromagnetisches Induktionsheizgerät
US5179258A (en) * 1989-05-17 1993-01-12 Giovanni Arvedi Induction furnace for heating and temperature homogenization in hot-rolling of thin steel strips
US5578233A (en) * 1991-12-18 1996-11-26 Giovanni Arvedi Induction furnace with linear flux concentrator

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