WO2005035158A1 - Anlage zum berührungslosen aufbringen des bandzuges bei elektrisch leitfähigen metallbändern - Google Patents

Anlage zum berührungslosen aufbringen des bandzuges bei elektrisch leitfähigen metallbändern Download PDF

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Frank Jurisch
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Definitions

  • the metal strips In all discontinuous and continuous cold strip aluminum plants and process lines, the metal strips must be transported from the decoiler in the input section through the process section to the decoiler in the exit section. In the course of this tape transport, changeable tape speeds and tape pulls, tape running controls, tape storage, tape pull decoupling loops etc. are required.
  • the processing of the strips is carried out in the process parts, e.g. metallurgical processes in pickling processes, rolling plants, continuous annealing and dressing plants.
  • the circulating eddy current linear drive was designed as a brake and / or train frame, optionally connected with a belt run control for metal belt production lines, which enables fundamental design changes. It is used wherever, for example, the tension rollers, drivers, flat brakes, the mechanical linear drive and vacuum brakes are used. In these systems, the strip tension is applied to the strip surface by pressing forces on the strip surface.
  • BESTATIGUNGSKOPIE The system is suitable for all electrically conductive metals and their alloys, especially for aluminum and copper, but also for example for electrically conductive powder metallurgical materials, sintered materials and their alloys.
  • the entrainment effect is achieved by a magnetic field moving with respect to the belt. This magnetic field causes the strip tension via the eddy current excitation, at the same time the metal strip is repelled by this magnetic field.
  • the quality requirements for the metal strip product have increased significantly in recent years.
  • the circulating eddy current linear drive meets these requirements; in addition, quality improvements can be achieved.
  • the mode of operation of the circulating eddy current linear drive is particularly valuable for the highest demands on the surface quality, to avoid multiple bending of the strips with longitudinal tension, for special strip flatness with minimization of the winding curvatures and for discontinuous process lines due to the problem-free handling. For the first time, it will be possible to transport the strips through the process lines after the finishing process without touching the two sides of the strip.
  • the belt tension is built up by wrapping a roll.
  • the train structure can only be changed for each reel depending on the preference, the wrap angle and the coefficient of friction between the belt and the reel coating.
  • Non-contact retraction devices are known using the eddy current forces when moving a tape in a magnetic field.
  • a permanent magnet arrangement usually multi-pole in the direction of tape travel, arranged above and below the tape, ensures the field build-up and the tape speed depending on the tape thickness and the electrical conductivity of the tape material for the retraction force (braking force F B ) against the tape travel direction.
  • the hovering of the belt is made possible by the lifting force F H acting in the direction of the surface normal of the belt.
  • German Patent DE 195 24 289 C2 An eddy current brake is described in German Patent DE 195 24 289 C2.
  • the main difference is that the permanent magnets are moved on a circular path. Only one magnetic track is available for the retention effect.
  • the parallelism of the permanent magnets only occurs for a fraction of the period, as a result of which the retention effect is built up unevenly and significantly reduced.
  • the speeds of the brake rollers would have to be reduced to orders of magnitude that could no longer be controlled.
  • great drive power is achieved with a very unfavorable efficiency.
  • the band brake device consists of two opposing devices 1 and 2, in the gap of which a magnetic alternating magnetic field 3 is generated.
  • the strip material 4 moves in this gap at the working speed v A.
  • the band tension ⁇ B F B / A B (where A B is the band cross-sectional area d * b B ) is set by the differential velocity v between the band and the magnetic field, which creates a traveling wave field 3a.
  • the braking or retraction force results from the geometry (thickness d and width b B ), the electrical conductivity K of the strip, the active length l M of the magnetic field (overlap) and the air gap induction peak value B ⁇ , which is dependent on the gap width ⁇ .
  • the vertical force F v for compensating the belt's own weight is derived from the braking force F B by a shift ⁇ of the upper to the lower field wave.
  • the lifting force F H described above then only serves to center the band in the gap and to dampen vertically acting band vibrations. Fig. 1
  • a belt tension measuring device 5 regulates the relative speed by influencing the traveling wave speed and possibly its direction.
  • Distance sensors for detecting the band position in the gap control the phase angle between the upper and lower traveling waves.
  • the traveling wave can be generated in different ways:
  • the traveling field can also be generated electrically by mounting electromagnets, preferably three-phase stators 22, 23 (analogous to the armatures of linear motors) on top and bottom of the strips instead of the permanent magnets and feeding them from one or two (for electrical phase shift) converters be (see Figs. 10 and 11).
  • electromagnets preferably three-phase stators 22, 23 (analogous to the armatures of linear motors) on top and bottom of the strips instead of the permanent magnets and feeding them from one or two (for electrical phase shift) converters be (see Figs. 10 and 11).
  • the traveling field using three-phase stators (analogous to the armatures of linear motors), as already suggested in the documents cited.
  • the phase shift then takes place via two synchronized converters or a mechanical shift of the stators to one another.
  • the advantage of this solution would be that there are no more mechanically moving parts one depends on the phase shift and the gap height adjustment. This would reduce the noise and maintenance work.
  • the traveling field speed and its phase shift are regulated by two synchronized inverters analogous to the control in FIG. 1. It would thus be possible to drive higher frequencies and thus higher field speeds than with mechanically driven circulation chains.

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  • Control Of Linear Motors (AREA)
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Abstract

Um bei einer Anlage zum berührungslosen Aufbringen des Bandzuges, bei der die mittels bewegter Magnetfelder (3) erzeugte Schwebekraft aus der Rückzugskraft entsteht, Oberflächenbeschädigungen des Bandes (4) zuverlässig zu vermeiden und einen optimierten Leistungswirkungsgrad zu erhalten, wird zwischen zwei synchron laufenden oberen und unteren magnetischen Wanderfeldwellen eine Phasenverschiebung eingebracht und so geregelt, daß das mittige Schweben des Bandes (4) bzw. eine gewünschte Bandlage erreicht wird.

Description

"Anlage zum berührungslosen Aufbringen des Bandzuges bei elektrisch leitfähigen Metallbändern"
1 Stand der Technik
In allen diskontinuierlichen und kontinuierlichen Kaltband alzanlagen und Prozesslinien müssen die Metallbänder vom Abwickelhaspel im Ein- gangsteil über den Prozessteil bis zum Aufwickelhaspel im Ausgangsteil transportiert werden. Im Ablauf dieses Bandtransportes werden veränderbare Bandgeschwindigkeiten und Bandzüge, Bandlaufsteuerungen, Bandspeicherungen, Bandzug-Entkopplungsschlingen usw. gefordert. In den Prozessteilen erfolgt die verfahrenstechnische Bearbeitung der Bän- der, z.B. metallurgische Verfahren in Beizprozessen, Walzanlagen, Durchlaufglühen und Zurichtanlagen.
Der Umlauf-Wirbelstrom-Linearantrieb wurde konzipiert als Brems- und/oder Zuggerüst, wahlweise verbunden mit einer Bandlaufsteuerung für Metallband-Fertigungslinien, das grundsätzliche Konzeptionsveränderungen ermöglicht. Er kommt überall dort zum Einsatz, wo bisher z.B. die Spannrollen, Treiber, Flachbremsen, der mechanische Linearantrieb und Vakuumbremsen eingesetzt werden. Bei diesen Systemen werden jeweils die Bandzüge mittels Anpresskräften auf die Bandoberfläche in das Band eingeleitet.
BESTATIGUNGSKOPIE Das System eignet sich für alle elektrisch leitfähigen Metalle und deren Legierungen, insbesondere für Aluminium und Kupfer, aber beispielsweise auch für elektrisch leitfähige pulvermetallurgische Werkstoffe, Sinterwerkstoffe und deren Legierungen.
Beim Umlauf-Wirbelstrom-Linearantrieb wird der Mitnahmeeffekt durch ein bezüglich des Bandes wanderndes Magnetfeld erreicht. Dieses Magnetfeld bewirkt über die Wirbelstromanregung den Bandzug, gleichzeitig wird das Metallband von diesem Magnetfeld abgestoßen.
Die Qualitätsanforderungen an das Produkt Metallband sind in den letzten Jahren erheblich gestiegen. Der Umlauf-Wirbeltrom-Linearantrieb wird diesen Anforderungen gerecht; darüber hinaus können Qualitätsverbesserungen erzielt werden. Die Wirkungsweise des Umlauf-Wirbelstrom- Linearantriebs ist besonders wertvoll bei höchsten Ansprüchen an die Oberflächengüte, zur Vermeidung von mehrfachen Biegungen der Bänder mit Längszug, für besondere Bandebenheiten mit Minimierung der Wickelbogigkeiten sowie bei diskontinuierlichen Prozesslinien aufgrund des problemlosen Hand lings. Es wird erstmalig möglich, die Bänder nach dem Veredlungsprozess ohne Berührung der beiden Bandseiten durch die Prozesslinien zu transportieren.
Zum Aufwickeln von Bändern beim Umspulen oder in der Adjustage nach dem Spalten von Breit- in Schmalband wird ein Rückhaltezug benötigt, um mechanisch stabil aufgewickelte Bandbunde (Coils) zu erhalten. Dies ist für den Transport, das Handling und die Weiterverarbeitung dieser Coils unerlässlich. Üblicherweise wird der benötigte Bandzug durch mechanische Bremsen aufgebracht, wobei die Reibfläche die Bandoberfläche darstellt. Es handelt sich dabei um mit Textilien belegte Backen (sogenannte Teppichbremse), oder die Anpresskraft wird durch das Aufpumpen eines (Feuerwehr-) Schlauches erzeugt. Mit diesem System kann man nur Rückzug aufbauen und keinen Vorzug. Es kann nur bei anspruchslosen Oberflächen zur Anwendung kommen, da der Rückzug bei 100% Relativbewegung erzeugt wird. Dieses System ist sehr verbreitet, da es preisgünstig zu erstellen ist.
Bei dem S-Rollen-System wird der Bandzug durch Umschlingen einer Rolle aufgebaut. Der Zugaufbau kann nur pro Rolle in Abhängigkeit vom Vorzug, dem Umschlingungswinkel und dem Reibwert zwischen Band und Rollenbeschichtung verändert werden.
Wird der Bandzug in einer Treibereinheit aufgebaut, so entstehen erhebliche spezifische Belastungen für die Bandoberfläche. Die zu übertragenden Kräfte sind stark begrenzt.
Dieser Nachteil konnte durch den mechanischen Linearantrieb eliminiert werden. Dabei wird mittels Wagenkette der Mitnahmebereich dem Bedarfsfall angepasst. Bei höchstem Anspruch an die Oberfläche werden auch bei diesem System Grenzen erreicht.
Um bei empfindlichen Oberflächen (z.B. polierte Flächen) Kratzer und Striemen zu vermeiden, wird in einigen Lösungen der Bandzug durch Umlenkrollen mit integrierter Bremse aufgebracht. Hier besteht jedoch immer noch die Gefahr von Abdrücken und des Einbringens von Spannungen in das Material (besonders bei größeren Banddicken) durch die entstehende Walkarbeit bei der erforderlichen Umschlingung dieser Bremsrollen zur Vermeidung eines Schlupfes, wodurch sonst Kratzer ent- stehen würden. Beim Spalten von Band sind aber walzprozessbedingt die Außenstreifen in der Regel länger als die Mittelstreifen. Somit kann eine Umlenkrollenbremse nicht eingesetzt werden, da entweder der Bandzug fehlt oder Kratzer durch den Schlupf entstehen.
All diese mechanischen Reibbremsen und Umlaufbremsrollen sind bei sehr hohen Oberflächena nforderungen (z.B. Materialien für dekorative Zwecke oder für Spiegel und andere Reflektoren) oder bei dünnen Metallfolien nicht anwendbar. Auch für die Kfz-Industrie, insbesondere für die Alu-Außenhaut bei modernen Personenwagen ist diese Technik inter- essant.
Berührungslose Rückzugseinrichtungen sind unter Nutzung der Wirbelstromkräfte beim Bewegen eines Bandes in einem Magnetfeld bekannt. Eine meist in Bandlaufrichtung mehrpolige Permanentmagnetanordnung, über und unter dem Band angeordnet, sorgt für den Feldaufbau und die Bandgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Banddicke und der elektrischen Leitfähigkeit des Bandmaterials für die Rückzugskraft (Bremskraft FB) entgegen der Bandlaufrichtung. Das Schweben des Bandes wird durch die in Richtung der Flächennormale des Bandes wirkende Hubkraft FH ermöglicht. Diese Anordnungen haben den Nachteil, dass die Schwebe- und die Rückzugskraft nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dies hat zur Folge, dass entweder das kratzerfreie Schweben nicht gesichert werden kann oder der Bandzug zu groß wird.
Diese Kräfte sind auch noch direkt von der Leitfähigkeit, der Banddicke und der Banddifferenzgeschwindigkeit abhängig. Bei Bandstillstand gibt es keine Kräfte. Beim Anfahren des Bandes sind die Kräfte ungenügend und die Beschädigungen der Oberfläche werden erst bei Nenngeschwin- digkeit vermieden. Die Verarbeitungsgeschwindigkeiten richten sich nun nicht mehr nach der möglichen Produktivität der Anlage sondern nach dem erforderlichen Bandzug.
In der deutschen Patentschrift DE 195 24 289 C2 wird eine Wirbelstrom- bremse beschrieben. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Permanentmagnete auf einer Kreisbahn bewegt werden. Für den Rück- halteeffekt steht nur eine Magnetbahn zur Verfügung. Zudem stellt sich nur für den Bruchteil der Periode die Parallelität der Permanentmagnete ein, wodurch der Rückhalteeffekt ungleichmäßig und wesentlich vermin- dert aufgebaut wird. Um praxisgerechte spezifische Bandzüge aufbauen zu können, müssten die Drehzahlen der Bremsrollen in nicht mehr beherrschbare Größenordnungen gebracht werden. Zudem stellen sich große Antriebsleistungen bei einem sehr ungünstigen Wirkungsgrad ein.
In der PCT-Patentan meidung PCT/EP99/08606, WO 00/27554 und in der europäischen Patentanmeldung 99 971 746.3-2302 wird eine Wirbelstrombremse beschrieben, in der eine Vielzahl von Permanentmagneten parallel zum Band bewegt werden. Die Bandzüge können über die Differenzgeschwindigkeit des Bandes zu den Permanentmagneten, über die Anzahl der wirkenden Kettenwagen, über den Werkstoff und die Form der Permanentmagnete und über den Abstand der gegenüberliegenden Permanentmagnete bestimmt werden. Diese Ausführungsform hat den Mangel, dass auf die Mittenlage des Bandes kein Einfluss genommen werden kann.
In der deutschen Offen legungsschrift DE 23 01 434 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der der Bandzug durch ein magnetisches Wanderfeld mittels stationärer Induktoren erzeugt wird. Dieses System hat sich in der Praxis nicht bewäh rt, da zu geringe Bandzüge bei einem sehr ungünstigen Wirkungsgrad erzeugt werden.
In der Patentschrift DD 96 206 der Deutschen Demokratischen Republik ist ein System beschrieben, bei dem zum Abbremsen des elektrisch leitfähigen Spaltbandes nach dem Prinzip der Linearmotoen aufgebauten Magnetsystemen (Induktoren) verwendet werden, deren Speisung durch Drehstrom erfolgt. Zwischen den Induktoren wird im Luftspalt ein Magnetfeld aufgebaut, das sich entgegen der Bewegungsrichtung der Bänder fortbewegt, wobei die Geschwindigkeit von der Speisefrequenz und der Polteilung abhängig ist, was eine Anpassung an unterschiedliche Betriebsverhältnisse - wenn überhaupt - nur schwer möglich macht.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die genannten Mängel behoben. 2 Erfϊndungsgemäße Lösung
Die Bandbremseinrichtung besteht aus zwei sich gegenüberstehenden Einrichtungen 1 und 2, in deren Spalt ein magnetisches wechselpoliges Magnetfeld 3 erzeugt wird. In diesem Spalt bewegt sich das Bandmaterial 4 mit der Arbeitsgeschwindigkeit vA.
Der Bandzug σB = FB/AB (wobei AB die Bandquerschnittsfläche d*bB ist) wird durch die Differenzgeschwindigkeit v zwischen Band und Magnet- feld, wodurch ein Wanderwellenfeld 3a entsteht, eingestellt. Das Wanderwellenfeld kann sich mit der Geschwindigkeit VF in oder entgegen der Bandlaufrichtung bewegen oder auch still stehen, je nach der zur Aufbringung des gewünschten Bandzuges erforderlichen Relativgeschwindigkeit v = VA - VF. Die Brems- oder auch Rückzugskraft ergibt sich aus der Geometrie (Dicke d und Breite bB), der elektrischen Leitfähigkeit K des Bandes, der aktiven Länge lM des Magnetfeldes (Überdeckung) und dem Luftspaltinduktionsscheitelwert Bδ , der von der Spaltweite δ abhängig ist.
Die vertikale Kraft Fv zur Kompensation des Eigengewichts des Bandes wird durch eine Verschiebung Δ der oberen zur unteren Feldwelle aus der Bremskraft FB abgeleitet. Aus dem Verschiebungswinkel Δφ = arctan(Δ/δ) resultiert die vertikale Kraft Fv = FB sin(Δφ). Die oben beschriebene Hubkraft FH dient dann nur zur Zentrierung des Bandes im Spalt und zur Dämpfung von senkrecht wirkenden Bandschwingungen. Fig. 1
Eine Bandzugmesseinrichtung 5 regelt die Relativgeschwindigkeit über die Beeinflussung der Wanderwellengeschwindigkeit und ggf. deren Richtung. Abstandssensoren zur Detektierung der Bandlage im Spalt steuern den Phasenwinkel zwischen der oberen und unteren Wanderwelle.
Die Wanderwelle kann auf verschiedene Arten erzeugt werden:
Bewegung von wechselpolig angeordneten mit Permanentmagneten 6 bestückten Leisten 7 in einer Länge, die der maximalen Arbeitsbreite entspricht, welche an einer oben und unten umlaufenden Kette 8, 9 befestigt sind (Fig. 1 bis 4). Geschwindigkeit und Phasenverschiebung werden über zwei separat gesteuerte umrichtergespeiste Antriebe 10, 11 geregelt (Fig. 1). Die beiden Ketten können auch von einem geregelten Motor über Umlenkgetriebe 12 und Ketten 13 angetrieben werden. Die Phasenverschiebung wird durch einen verschiebbaren Kettenspanner 14 eingestellt (siehe Fig. 5). Eine weitere konstruktive Maßnahme für die Phasenverschiebung erfolgt über ein Differential-Kammwalzgetriebe 15 oder ein normales Kammwalzgetriebe 17, in dem eine regelbare Voreilung oder ein Nachlauf vorgesehen wird (siehe Figur 6). Der Antrieb erfolgt über einen Motor 16.
Wird mittels Kammwalzgetriebe eine starre Verbindung zwischen dem Kettenrad des oberen und des unteren Wagenkettenantriebs sichergestellt, kann der Versatz der Permanentmagnete dadurch erreicht werden, dass der obere Kettenkasten 18 gegen den unteren mechanisch verschoben wird (siehe Figuren 7, 7a und 7b).
Wird bei einer stationären Wirbelstrombremse 19, 20, zum Beispiel bei einer Kettengeschwindigkeit VF = 0 eine mechanische Verschiebung vorgenommen, kann auch in diesem System die Mittenlage des Bandes durch die Verschiebung der Magnete erfolgen. Dies ist für die Praxis als Vorzuggerüst eine bedeutende Verbesserung (siehe Figur 8 und 9).
Das Wanderfeld kann auch elektrisch erzeugt werden, indem oben und unten statt der Permanentmagnete auf den Leisten Elektromagnete, vorzugsweise Drehstromstatoren 22, 23 (analog den Ankern von Line- armotoren) angebracht sind und diese von einem oder auch zwei (für elektrische Phasenverschiebung) Stromrichtern gespeist werden (siehe Fig. 10 und 11).
Es ist aber auch möglich, das Wanderfeld durch Drehstromstatoren (analog den Ankern von Linearmotoren) zu erzeugen, wie schon in den zitierten Schriften vorgeschlagen. Die Phasenverschiebung erfolgt dann über zwei synchronisierte Stromrichter oder eine mechanische Verschiebung der Statoren zueinander. Vorteil dieser Lösung wäre, dass keine mechanisch bewegten Teile mehr vorhanden sind, sieht man von der Phasenverschiebung und der Spalthöhenverstellung ab. Dadurch würden sich die Geräusche und Wartungsarbeiten vermindern. Die Wanderfeldgeschwindigkeit und deren Phasenverschiebung werden über zwei synchronisierte Umrichter analog der Steuerung zu Fig. 1 geregelt. Es wäre damit möglich, höhere Frequenzen und somit höhere Feldgeschwindigkeiten als mit mechanisch angetriebenen Umlaufketten zu fahren.

Claims

Patentansprüche:
1. Anlage zum berührungslosen Aufbringen des Bandzuges, in dem die mittels bewegter Magnetfelder erzeugte Schwebekraft aus der Rückzugskraft entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden synchron laufenden oberen und unteren magnetischen Wanderwellenfeldern (3a) eine Phasenverschiebung eingebracht und so geregelt wird, dass ein mittiges Schweben des Bandes, bzw. eine gewünschte Bandlage erreicht wird.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanderfeldwellen durch Systeme (1, 2) mit quer zur Bandlaufrichtung wechselpolig positionierten Magnetleisten (6, 7) erzeugt werden.
3. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei jeweils oben und unten angeordnete mechanisch angetriebene umlaufende Systeme (1, 2).
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetleisten (7) mit Permanentmagneten (6) be- stückt sind.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Leisten elektrisch zu erregende Spulensysteme (22, 23) angeordnet sind.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung der Wanderwellen durch mechanisch gegenläufige Veränderung der Längen der beiden nicht im Eingriff befindlichen Teilstücke einer Antriebskette oder andere schlupffreie Übertragungsglieder erzeugt wird (Fig. 5).
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich- net, dass der Antrieb über zwei Motoren (10, 11) erfolgt, die über zwei synchronisierte Umrichter gespeist werden, und die Phasenverschiebung der Wanderwellen elektrisch durch Phasenverschiebung der Ansteuersignale erfolgt (Fig. 1).
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung mechanisch durch geometrisches Verschieben (18) eines der beiden die Magnetleisten tragenden Kettensysteme (8, 9) vorgenommen wird (Fig. 6 und 7).
9. Anlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Kammwalzgetriebe (17) oder ein Differential-Kammwalzgetriebe (15) zum Erzeugen des geometrischen Verschiebens.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich- net, dass bei sich gegenüberstehenden stationären Drehstromstatoren (19, 20) die Phasenverschiebung mechanisch durch geometrisches Verschieben der beiden mehrphasig elektrisch erregten Statoren (19, 20) zueinander vorgenommen wird (Fig. 8 und 9).
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