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DE102011103806B3 - Vorrichtung zum schwebenden Führen von metallischen Bändern mittels eines Gases sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum schwebenden Führen von metallischen Bändern mittels eines Gases sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung Download PDF

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DE102011103806B3
DE102011103806B3 DE201110103806 DE102011103806A DE102011103806B3 DE 102011103806 B3 DE102011103806 B3 DE 102011103806B3 DE 201110103806 DE201110103806 DE 201110103806 DE 102011103806 A DE102011103806 A DE 102011103806A DE 102011103806 B3 DE102011103806 B3 DE 102011103806B3
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Hansjörg Hoppe
Günter Valder
Klaus Schmitz
Dimitri Mertke
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Otto Junker GmbH
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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Vorrichtung zum schwebenden Führen von metallischen Bändern mittels eines Gases mit einer Mehrzahl von Wärmebehandlungseinheiten (1, 1') mit jeweils einem unteren und oberen Düsenherd (4A, 4B), einem unteren und oberen Strömungskanalsystem, wenigstens einem Ventilator (5A, 5A', 5B, 5B') und mehreren Strahlrohren (6A, 6B), wobei jedes Strömungskanalsystem quer zur Bandrichtung wenigstens eine Vertiefung (11A, 11B) in Richtung der Düsenherde (4A, 4B) zur Aufnahme wenigstens eines Strahlrohres (6A, 6B) aufweist und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung. Um die Energieeffizienz, die Wärmeübertragung und damit auch die Durchsatzleistung sowie die Produktqualität der Vorrichtung zu verbessern und die Vorrichtung für die Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen zu optimieren ist vorgesehen, dass die Vertiefung (11A, 11B) im Längsschnitt bogenförmig oder parabelförmig ausgebildet ist. Die gebogene Vertiefung sorgt für eine sanfte Umlenkung und Minimierung der Ströme und minimiert daher Strömungsverluste.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schwebenden Führen von metallischen Bändern mittels eines Gases mit einer Mehrzahl von Wärmebehandlungseinheiten mit jeweilseinem unteren und oberen Düsenherd, einem unteren und oberen Strömungskanalsystem, wenigstens einem Ventilator und mehreren Strahlrohren wobei jedes Strömungskanalsystem quer zur Bandrichtung wenigstens eine Vertiefung in Richtung der Düsenherde zur Aufnahme wenigstens eines Strahlrohres aufweist sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
  • Vorrichtungen zum schwebenden Führen von metallischen Bändern dienen dazu, breitere Metallbänder durch Beaufschlagung mit Gas von oben und unten in der Schwebe zu halten und zur gleichzeitigen Temperierung. Als Gas kann, je nach Anwendung, Schutzgas oder auch Luft zum Einsatz kommen. Die Temperierung kann sowohl die Erwärmung auf Glühtemperatur und Halten dieser Temperatur mit einem anschließenden Abkühlen aus metallurgischen Gründen beinhalten als auch zum Zweck der reinen Oberflächenbehandlung der Bänder, wie beispielsweise der Trocknung von beschichteten Bändern, erfolgen.
  • Dabei wird das strahlrohrerwärmte Gas mittels der Ventilatoren angesaugt und den unteren und oberen Strömungskanalsystemen zugeführt, welche das Gas durch untere und obere Düsenherde in Richtung auf das Metallband laden, das dadurch in der Schwebe gehalten wird. Die Anpassung an das Bandgewicht wird durch Auslegung der verwendeten Ventilatoren bzw. deren Drehzahlen bestimmt.
  • Aus der EP 1 699 721 B1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, bei der die Strahlrohre als Heizelemente mit einer komplizierten Geometrie ausgebildet sind.
  • Aus der DE 197 10 142 B4 ist eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung schwebend geführter Bänder (Schwebeofen) bekannt, bei dem die Wärmebehandlungseinheiten vertikal spiegelsymmetrisch aufgebaut sind.
  • Die auf die Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung zurückgehende DE 10 2006 056 518 beschreibt eine Vorrichtung zur schwebenden Führung von bahnförmigem Material, bei der in einer Wärmebehandlungseinheit pro Strömungssystem mehrere Mantelstrahlheizrohre vorgesehen sind, wobei die Ventilatoren auf einer Seite der Wärmebehandlungseinheit angeordnet sind. Hieraus ist es auch für sich bekannt, dass die Drücke im oberen und unteren Teilgasstrom unterschiedlich groß eingestellt werden können.
  • Eine andere gattungsgemäße Vorrichtung ist in der EP 1 051 526 B1 beschrieben. Auch diese bekannte Vorrichtung hat einen aufwändigen Aufbau, dort werden in jeder Wärmebehandlungseinheit im Ober- und Untertrum jeweils zwei Ventilatoren verwendet, die jeweils einen Teilbereich des Düsenherdes in axialer Ausdehnung mit Gas beaufschlagen.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung so auszugestalten und weiterzubilden, dass die Energieeffizienz, die Wärmeübertragung und damit die Durchsatzleistung sowie die Produktqualität der Vorrichtung verbessert wird. Darüber hinaus ist es erwünscht, die Vorrichtung für die Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen zu optimieren. Insbesondere sollen auch Bänder von unterschiedlicher Breite bzw. Stärke und damit unterschiedlichem Gewichts von der Vorrichtung verwendet werden können.
  • Dazu ist bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zur Lösung der Aufgabe vorgesehen, dass die Vertiefung jedes Strömungskanalsystems im Längsschnitt Bogen- oder parabelförmig ausgebildet ist. Hierbei werden bevorzugt große Radien verwendet und notwendige Leitbleche und Versteifungsbleche verleihen der Konstruktion eine hohe Stabilität. Die gebogene Vertiefung sorgt auch für eine „sanfte” Umlenkung und Führung der Strömung und minimiert daher Strömungsverluste.
  • Verfahrensmäßig erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass der Druck- und Volumenstrom und/oder Temperatur des unteren Düsenherdes unabhängig vom oberen Düsenherd geregelt werden kann.
  • Die gebogene Vertiefung des Druckraumes wurde gewählt, um ein oder mehrere Strahlrohr/e aufnehmen zu können, die sich auf diese Weise im strömungsaktiven Teil des Saugraumes, längs in Strömungsrichtung positioniert anordnen lassen. Sie sind an einer Seite der Wärmebehandlungseinheit befestigt und auf der anderen Seite auf einer stabilen Stütze bzw. auf stabilen Aufhängungen abgelegt, die eine freie Wärmeausdehnung über ein Abrollgelenk erlauben.
  • Aufgrund dieser Geometrie des Saugraumes können die Ventilatoren über die gesamte Strahlrohrlänge frei ansaugen. Die in der Vertiefung des Druckraums im dadurch vergrößerten Saugraum angeordneten Strahlrohre bestrahlen die Strömungskanalsysteme gleichmäßig, so dass eine bessere Wärme- und Spannungsverteilung erreicht und der Wärmeübergang durch Konvektion wesentlich verbessert wird. Bedingt durch die spezielle Form und Symmetrie des erfindungsgemäßen Strömungskanalsystems hat dieser eine hohe Eigenstabilität.
  • Der Druckraum „umschließt” die Strahlrohre im Saugraum, so dass die Wärme effektiver übertragen werden kann. Dies erfolgt insbesondere durch die bogen- oder parabelförmige Vertiefung, die die Strahlung von den Strahlrohren im Saugraum annimmt und sie gleichmäßig im Druckraum verteilt und weitergibt. Zudem wird durch die gebogene Vertiefung die Wärme wieder abgestrahlt und auf die konzentrierte Strömung im Saugraum fokussiert. Da die gebogene Vertiefung eine größere Fläche als ein durchgehend rechteckiger Kanal aufweist, findet hier ein intensiverer Wärmeübergang durch Konvektion statt. Neben einer bogen- oder parabelförmigen Vertiefung ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Vertiefung U-förmig auszubilden.
  • Auch die Spannungen im Material des Strömungskanalsystems durch Eigengewicht und Wärmebelastung verteilen sich gleichmäßig, so dass die Lebensdauer der verwendeten Bauteile signifikant erhöht werden konnte.
  • Eine weitere, bevorzugte Lehre der Erfindung sieht vor, dass jedes Strömungskanalsystem einer Wärmebehandlungseinheit drei untere und drei obere Strahlrohre aufweist, die so angeordnet sind, dass sie der Geometrie der Vertiefung angepasst sind. Bei der Verwendung von drei Strahlrohren lässt sich das mittlere Strahlrohr an der tiefsten Stelle der Vertiefung anordnen, um einen besonders guten Wärmeübergang zu gewährleisten.
  • In weitere Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jedes Strömungskanalsystem einen Ventilator, vorzugweise Radialventilator, zwei seitliche Druckkanäle und einen gemeinsamen Druckraum mit zwei äußeren Leitkanälen aufweist und dass die Druckkanäle in die Leitkanäle münden. Dies führt zu einer besonders kompakten Konstruktion und – verglichen mit dem Stand der Technik – zu einer signifikanten Verkürzung der Strömungsstrecke des Gases. Die kurze Strömungsstrecke und auch die Geometrie der Kanäle bewirken eine bessere Strömungs-, Druck- und Wärmeverteilung, so dass sich auch die Druckverluste durch Reibung und Verwirbelungen deutlich reduzieren.
  • Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass zwischen den Druckkanälen und Leitkanälen Ausdehnungskompensatoren angeordnet sind. Da bei der beschrieben Konstruktion die Druckkanäle der Ventilatoren beidseitig unmittelbar in die Leitkanäle des Druckraumes münden, sind je Strömungskanalsystem nur zwei Kompensatoren notwendig, so dass auch die Anzahl möglicher Leckagestellen minimiert ist.
  • In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind die Ventilatoren unterschiedlich groß ausgeführt, wobei die Dimensionierung des unteren Ventilators größer gewählt wird als die des oberen Ventilators, um die Gewichtskraft des Metallbandes besser aufnehmen zu können. Bei einer solchen Wärmebehandlungseinheit erfolgt ein spiegelsymmetrischer Aufbau mit einer vertikalen Spiegelachse quer zur Bandlaufrichtung.
  • Eine alternative Ausführung sieht vor, dass die Ventilatoren gleich groß ausgeführt sind. Dies führt dazu, dass jede Wärmebehandlungseinheit nicht nur vertikal sondern auch horizontal spiegelsymmetrisch aufgebaut ist, was unmittelbar zu einer drastischen Reduzierung der verwendeten Konstruktionsteile führt.
  • Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist jede Wärmebehandlungseinheit in einem wärmeisolierten Gehäuse angeordnet, um die Wärmeverluste so gut wie möglich zu reduzieren.
  • Schließlich ist vorgesehen, dass im Ansaugbereich jedes Ventilators Sperrbleche mit verstellbaren Öffnungen vorgesehen sind, die die Gasströmung im Strahlrohrbereich konzentriert und beschleunigt, um so zu bestimmten, wieviel an Volumenstrom an den Strahlrohren vorbei gehen soll. Durch eine permanente und intensive Umströmung der Strahlrohre in Längsrichtung wird mehr Wärme konvektiv übertragen und die thermische Belastung der Strahlrohre sowie des sie umgebenden Druckraumgehäuses durch Wärmestau reduziert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
  • 1 einen Vertikalschnitt durch eine Wärmebehandlungseinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2 eine Draufsicht auf die Wärmebehandlungseinheit aus 1 (ohne Gehäuse),
  • 3 die Wärmebehandlungseinheit aus den 1 und 2 im Längsschnitt entlang der Linie III-III in 1,
  • 4 die Wärmebehandlungseinheit aus 1 im Längsschnitt entlang der Linie IV-IV aus 1,
  • 5 die Strömungskanalsysteme, Düsenherde, Ventilatoren und Strahlrohre der Wärmebehandlungseinheit aus 1 in perspektivischer Ansicht und
  • 6 eine alternative Ausführungsform in Längsschnitt analog zu 4.
  • 1 zeigt einen Vertikalschnitt einer Wärmebehandlungseinheit 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang der Linie I-I in 3. In einem Gehäuse 2 mit einer Wärmeisolation 3 sind zunächst ein unterer 4A und ein oberer Düsenherd 4B zu erkennen, zwischen denen ein (nicht dargestelltes) Metallband hindurchgeführt wird und von der Strömung des Gases berührungslos in der Schwebe gehalten wird. Für die Gasströmung sorgen Ventilatoren 5A, 5B und für die Erwärmung des von den Ventilatoren 5A, 5B angesaugten Gases sorgen Strahlrohre 6A auf der Unterseite und 6B auf der Oberseite der Wärmebehandlungseinheit.
  • Das von den Ventilatoren 5A, 5B angesaugte Gas, beispielsweise Luft, wird durch angeformte Druckkanäle 7A und 7B an Leitkanäle 8A, 8B übergeben. Dabei blasen die Ventilatoren 5A und 5B zweiseitig aus und füllen die Leitkanäle 8A und 8B sowohl von der linken als auch von der rechten Seite, wie aus 1 deutlich ersichtlich. Zwischen den Druckkanälen 7A und 7B und den Leitkanälen 8A und 8B sorgen Wärmeausdehnungskompensatoren 9A und 9B für eine kurze Anbindung und reduzieren die Trennstellen und damit mögliche Leckageorte.
  • 2 zeit in Draufsicht die Anordnung der Strahlrohre 6B, wobei deren räumliche Anordnung besser aus 3 hervorgeht. Dort erkennt man auch deutlich die Geometrie vom inneren Druckraum 10A und 10B, welche beide mit einer entsprechenden Vertiefung 11A bzw. 11B in Richtung der Düsenherde 4A und 4B versehen sind, um die Strahlrohre 6A bzw. 6B besser aufnehmen zu können. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 11A und 11B etwa parabelförmig ausgeführt, so dass durch eine größere Oberfläche der Druckräume 10A bzw. 10B sowie kürzere Abstände zu den Strahlrohren 6A bzw. 6B erreicht werden konnte, einen optimalen Wärmeübergang zu gewährleisten.
  • Aus 4 geht hervor, dass bei diesem Ausführungsbeispiel zwei unterschiedlich große Ventilatoren 5A und 5B verwendet werden, so dass auch die Druckkanäle 7A und 7B unterschiedlich groß dimensioniert sind. Dennoch ist durch Betrachtung der 3 und 4 klar, dass die dargestellte und insoweit bevorzugte Wärmebehandlungseinheit 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Wesentlichen einen symmetrischen Aufbau zu einer vertikalen Spiegelebene hat.
  • In 5 ist die räumliche Anordnung der den Druckraum 10A bzw. 10B bildenden Strömungskanalsysteme in Bezug auf die eingesetzten Strahlrohre 6A und 6B deutlich zu erkennen. Insbesondere auf der nicht verdeckten Oberseite sieht man deutlich die im Strömungskanalsystem vorhandene Vertiefung 10B, in die die oben liegenden Strahlrohre 6B hinein ragen.
  • 6 zeigt schließlich, dass es auch möglich, ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Ausbildung eine alternative Wärmebehandlungseinheit 1' zu schaffen, bei der die beiden verwendeten Ventilatoren 5A' und 5B' gleich groß dimensioniert sind. Dies führt auch zu einer gleich großen Ausbildung der Druckkanäle 7A' und 7B', wodurch auch ein spiegelsymmetrischer Aufbau zur Bandebene erreicht wird. Dies macht schnell deutlich, dass die Anzahl der unterschiedlich zu fertigenden Konstruktionsteile deutlich reduziert werden kann, wodurch sich auch der Montage- und Wartungsaufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung drastisch reduzieren lässt. Die Regelung des unterschiedlichen Luftdurchsatzes erfolgt dann über eine Variierung der Ventilatordrehzahlen.
  • Es ist klar, wenn auch nicht dargestellt, dass die Erfindung neben den gezeigten Ausführungsbeispielen auch weitere denkbare Ausgestaltungen umfasst, bei denen beispielsweise mehr (oder auch weniger) Strahlrohre verwendet werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung mit den kurzen Strömungswegen und optimiertem Wärmeübergang aufgeben zu müssen.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum schwebenden Führen von metallischen Bändern mittels eines Gases mit einer Mehrzahl von Wärmebehandlungseinheiten (1, 1') mit jeweils einem unteren und oberen Düsenherd (4A, 4B), einem unteren und oberen Strömungskanalsystem, wenigstens einem Ventilator (5A, 5A', 5B, 5B') und mehreren Strahlrohren (6A, 6B), wobei jedes Strömungskanalsystem quer zur Bandrichtung wenigstens eine Vertiefung (11A, 11B) in Richtung der Düsenherde (4A, 4B) zur Aufnahme wenigstens eines Strahlrohres (6A, 6B) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (11A, 11B) im Längsschnitt bogenförmig oder parabelförmig ausgebildet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung im Längsschnitt U-förmig ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Strömungskanalsystem einer Wärmebehandlungseinheit (1) drei untere und obere Strahlrohre (6A, 6B) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Strahlrohre (6A, 6B) der Geometrie der Vertiefung (11A, 11B) angepasst ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Strömungskanalsystem einen Ventilator (5A, 5A', 5B, 5B'), vorzugweise Radialventilator, zwei seitliche Druckkanäle (7A, 7A', 7B, 7B') und einen gemeinsamen Druckraum (10A bzw. 10B) mit zwei äußeren Leitkanälen (8A, 8B) aufweist und dass die Druckkanäle (7A, 7B) in die Leitkanäle (8A, 8B) münden.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Druckkanälen (7A, 7B) und den Leitkanälen (8A, 8B) Ausdehnungskompensatoren (9A, 9B) angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilatoren (5A, 5A', 5B, 5B') auf einer Seite der Wärmebehandlungseinheiten (1, 1') angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilatoren (5A, 5B) unterschiedlich groß ausgeführt sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wärmebehandlungseinheit (1) vertikal spiegelsymmetrisch aufgebaut ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilatoren (5A', 5B') gleich groß ausgeführt sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wärmebehandlungseinheit (1, 1') horizontal spiegelsymmetrisch aufgebaut ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wärmebehandlungseinheit (1, 1') in einem wärmeisolierten Gehäuse (2) angeordnet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugbereich jedes Ventilators (5B) Sperrbleche (12) mit verstellbaren Öffnungen (13) angeordnet sind.
  14. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck- und Volumenstrom und/oder die Temperatur des unteren Düsenherdes (4A) unabhängig vom oberen Düsenherd (5B) geregelt werden kann.
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