"Anlage zum berührungslosen Aufbringen des Bandzuges bei elektrisch leitfähigen Metallbändern" "System for the contactless application of the tape tension with electrically conductive metal tapes"
1 Stand der Technik1 State of the art
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.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.
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.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
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.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.
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.In the case of a circulating eddy current linear drive, 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.
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.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.
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.To wind up tapes during rewinding or in the finishing line after splitting from wide to narrow tape, a restraint is required in order to obtain coils that are wound in a mechanically stable manner. This is essential for the transport, handling and further processing of these coils. The required belt tension is usually applied by mechanical brakes, the friction surface being the belt surface. These are jaws covered with textiles (so-called carpet brakes), or the contact pressure is generated by inflating a (fire) hose. With this system you can only build retreat and no preference. It can only be used on undemanding surfaces, since the retraction is generated with 100% relative movement. This system is very common because it is inexpensive to build.
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.With the S-roll system, 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.
Wird der Bandzug in einer Treibereinheit aufgebaut, so entstehen erhebliche spezifische Belastungen für die Bandoberfläche. Die zu übertragenden Kräfte sind stark begrenzt.If the belt tension is set up in a driver unit, considerable specific loads are created on the belt surface. The forces to be transmitted are very limited.
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.This disadvantage could be eliminated by the mechanical linear drive. The transport area is adapted to the need using a car chain. With the highest demands on the surface, limits are also reached with this system.
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.In order to avoid scratches and streaks on sensitive surfaces (eg polished surfaces), in some solutions the belt tension is applied by deflection rollers with an integrated brake. Here, however, exists there is still the danger of imprints and the introduction of tension into the material (especially in the case of larger strip thicknesses) due to the flexing work that occurs when these brake rollers are wrapped around to avoid slippage, which would otherwise result in scratches. When strips are split, however, the outer strips are generally longer than the central strips due to the rolling process. This means that a deflection roller brake cannot be used because either the belt tension is missing or scratches are caused by the slippage.
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.All of these mechanical friction brakes and recirculating brake rollers cannot be used with very high surface requirements (e.g. materials for decorative purposes or for mirrors and other reflectors) or with thin metal foils. This technology is also interesting for the automotive industry, especially for the aluminum outer skin of modern passenger cars.
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.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. These arrangements have the disadvantage that the levitation and the retraction force cannot be set independently of one another. As a result, either scratch-free hovering cannot be secured or the tape tension becomes too great.
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.These forces are also directly dependent on the conductivity, the strip thickness and the strip differential speed. There are no forces when the belt is at a standstill. When starting the belt, the forces are insufficient and damage to the surface can only be avoided at the nominal speed. The processing speeds are no longer based on the possible productivity of the system, but on the required strip tension.
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.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. In addition, 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. In order to be able to set up specific, specific belt pulls, the speeds of the brake rollers would have to be reduced to orders of magnitude that could no longer be controlled. In addition, great drive power is achieved with a very unfavorable efficiency.
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 the PCT Patentan avoidance PCT / EP99 / 08606, WO 00/27554 and in the European patent application 99 971 746.3-2302 an eddy current brake is described in which a variety of permanent magnets be moved parallel to the belt. The belt tension can be determined via the difference in speed between the belt and the permanent magnets, the number of chain carriages acting, the material and shape of the permanent magnets and the distance between the opposing permanent magnets. This embodiment has the defect that the center position of the belt cannot be influenced.
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 the German Offenlegungsschrift DE 23 01 434 a device is described in which the strip tension is generated by a traveling magnetic field by means of stationary inductors. This system has not proven itself in practice, as too little belt tension is generated with a very unfavorable efficiency.
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.In the patent specification DD 96 206 of the German Democratic Republic, a system is described in which magnet systems (inductors) constructed according to the principle of linear motors are used to brake the electrically conductive slit band and are powered by three-phase current. A magnetic field is built up between the inductors in the air gap, which moves against the direction of movement of the belts, the speed depending on the feed frequency and the pole pitch, which makes adaptation to different operating conditions - if at all - difficult.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die genannten Mängel behoben.
2 Erfϊndungsgemäße LösungWith the present invention, the aforementioned shortcomings are remedied. 2 Solution according to the invention
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.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.
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.The band tension σ 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 traveling wave field can move with the speed V F in or against the tape running direction or can also stand still, depending on the relative speed v = V A - V F required to apply the desired tape tension. 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 Bδ, which is dependent on the gap width δ.
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. 1The vertical force F v for compensating the belt's own weight is derived from the braking force F B by a shift Δ of the upper to the lower field wave. The vertical force F v = F B sin (Δφ) results from the displacement angle Δφ = arctan (Δ / δ). 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
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.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.
Die Wanderwelle kann auf verschiedene Arten erzeugt werden:The traveling wave can be generated in different ways:
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.Movement of bars 7 arranged with alternating poles and equipped with permanent magnets 6 in a length that corresponds to the maximum working width, which are attached to a chain 8, 9 running around the top and bottom (FIGS. 1 to 4). Speed and phase shift are regulated by two separately controlled converter-fed drives 10, 11 (FIG. 1). The two chains can also be driven by a regulated motor via reversing gear 12 and chains 13. The phase shift is set by a displaceable chain tensioner 14 (see FIG. 5). Another constructive measure for the phase shift takes place via a differential comb roller gear 15 or a normal comb roller gear 17, in which a controllable advance or a Caster is provided (see Figure 6). It is driven by a 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).If a rigid connection between the chain wheel of the upper and the lower carriage chain drive is ensured by means of a worm gear, the offset of the permanent magnets can be achieved by mechanically displacing the upper chain case 18 against the lower one (see FIGS. 7, 7a and 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).If a mechanical shift is carried out on a stationary eddy current brake 19, 20, for example at a chain speed V F = 0, the center position of the belt can also take place in this system by shifting the magnets. This is a significant improvement in practice as a preferred framework (see FIGS. 8 and 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).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).
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.
However, it is also possible to generate 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.