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Elektrische Induktionseinrichtung zum kontinuierlichen Erhitzen von
Bandmaterial Die Erfindung bezieht sich auf die elektrische Beheizung von Metallbändern
und betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Induktionsbeheizung von Bandmaterial.
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Bei der kontinuierlichen elektrischen Beheizung von Metallbändern
wurde bisher unter anderem die induktive Beheizung nach dem Transformatorprinzip
angewendet. Dabei wird der Primärwicklung eines Transformators ein Wechselstrom
zugeführt, und das zu erhitzende Metall ist so angeordnet, daß es induktiv von der
Primärwicklung beeinflußt wird und auf Grund seines eigenen Widerstandes durch den
induzierten Strom erhitzt wird.
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Es wurden bisher verschiedene Techniken angewendet, um ein Bandmaterial
induktiv zu erhitzen. Zum Beispiel wurde das Band kontinuierlich durch eine Primärwicklung
geführt und das Metall durch elektrische Wirbelströme erhitzt. Diese Methode ist
jedoch relativ unwirksam, da es schwierig ist, Wirbelströme von solcher Größe zu
induzieren, daß das Bandmaterial auf die erforderlichen Warmbehandlungstemperaturen
erhitzt wird.
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Gemäß einer anderen Technik wird das Band durch eine Primärinduktionsvorrichtung
hindurchgeführt und ist an seinen beiden Enden über metallische Kontaktschneiden
geleitet, die zum Schließen des Metallbandes zu einer Bandschleife dienen. Diese
Bandschleife bildet dabei die Sekundärwicklung eines Transformators. Bei diesem
System lassen sich zwar genügend hohe Temperaturen erzielen, es ist jedoch nachteilig,
weil zwischen: den Kontaktschneiden und dem Band Lichtbogen auftreten, durch die
die Wirksamkeit des Systems vermindert wird. Außerdem erzeugen die von den Lichtbogen
gebildeten Schmorstellen auf dem Band eine ungleiche Spannung, die die durch die
Wärme-Behandlung erzeugten Eigenschaften erheblich verändert und einen sehr hohen
Verschleiß des Kontaktbereiches mit sich bringt. Die Unterhaltungskosten sind daher
sehr hoch.
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Eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades wird gemäß einer
anderen bekannten Technik dadurch erreicht, daß man als Stromzuführungselektroden
zum Schließen der Bandschleife elektrisch leitende Bäder, z. B. aus geschmolzenem
Metall; verwendet. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art zum Erhitzen von Bandmaterial,
welches dadurch mit einem Metallüberzug versehen werden soll, wird das Band durch
das Schmelzbad als geschlossene elektrische Schleife geführt, die die Sekundärseite
eines die Erwärmung des Bandes bewirkenden Transformators bildet. Diese' bekannte
Vorrichtung hat jedoch noch den Nachteil, daß sich keine optimale Wärmeausnutzung
erreichen läßt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die eine wesentlich bessere Wärmeausnutzung aufweist bzw. bei gleichem Erwärmungsgrad
eine wesentlich höhere Durchlaufgeschwindigkeit zuläßt.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist im wesentlichen dadurch gegeben,' daß
der thermische Wirkungsgrad durch Wärmeübertragung durch Berührung zwischen dem
einlaufenden und dem auslaufenden Abschnitt des Bandes in eine Kammer erhöht wird,
die von einem geschlossenen Behälter mit einer Abschreckwanne ausgeht welcher eine
Anordnung von Leitrollen und eine Trennplatte enthält, die das leitende Medium in
zwei Temperaturbereiche untmteilt, wobei der Einlaufabschnitt des Bandes durch,
die beiden Zonen erhöhte Temperatur läuft und 1 nach Induktionserhitzung auf eine
sehr hohe Temperatur mittels eines Transformators wieder in das Bad eintritt und
dabei schnell auf die niedrigste,Temperatur, in der Wanne abgeschreckt wird.
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Vorzugsweise ist der freie Raum der Kammer der Wärmebehandlungseinrichtung
mit einer wohldefinierten Atmosphäre gefüllt, und die Kammer enthält mehrere Leitrollen,
die mit anderen Leitrollen , zu-; sammenwirken.
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Die Abschreckwanne kann mittels einer Kolbenstange 32 abgesenkt werden,'
so daß die Leitrollen
frei liegen und das Bandmaterial eingefädelt
werden kann.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.
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F i g. 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine Wärmebehandlungseinrichtung
gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt einen Vertikalschnitt längs der Linie 2-2 von
F i g. 1; F i g. 3 zeigt eine Teilansicht längs der Linie 3-3 von F i g. 2, und
F i g. 4 zeigt ein vereinfachtes Betriebsschema mit einem elektrischen Schaltschema
dieser Einrichtung. Wie in F i g.1 dargestellt, ist bei einer Ausführungsform die
Wärmebehandlungseinrichtung 1 durch zwei Beine 2 bzw. 3 abgestützt. Das eine Bein
2 ist an seinem oberen Ende mit einer Wand 4 verbunden, die aus einem elektrisch
nicht leitenden Material, z. B. Schamotte oder anderem keramischen Werkstoff, hergestellt
ist. Die Wand bildet einen Teil einer Kammer 5, die von einem relativ breiten vertikalen
Kammerbereich 5 a zu einem im wesentlichen horizontalen engeren Kammerbereich
5 b so verläuft, daß beide Kammerbereiche 5 a und 5 b im wesentlichen
rechtwinklig zueinander liegen. Am Schnittpunkt der beiden Bereiche sind zwei Leitrollen
6 und 7 auf in den Wänden der Kammer 5 gelagerten Wellen 6 a und 7 a angeordnet.
An der inneren Wand 10 der Kammer 5 sind zwei zum anderen Stützbein 3 verlaufende
Verbindungsglieder 8 und 9 angebracht, so daß die beiden Beine 2 und 3, die Kammer
5 und die Verbindungsglieder 8 und 9 eine Einheit bilden. Diese Glieder bestehen
ebenfalls vorzugsweise an den Verbindungsstellen miteinander aus keramischen oder
anderen elektrisch nicht leitenden Materialien. Als Abwandlung dieser Konstruktion
können die Teile auch aus elektrisch leitenden Werkstoffen hergestellt sein, vorausgesetzt,
daß zwischen ihnen elektrisch nicht leitende Verbinder angeordnet sind.
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Am Verbindungsglied 9 ist ein Paar paralleler Platten 11 und
12, wie in F i g. 1 und 2 dargestellt, befestigt. Diese parallelen Platten
11 und 12 tragen an ihrer Oberseite zwei Transformatorkerne 13 und 14. Zwischen
ihren unteren Enden sind fünf Wellen 15a, 16a, 17a, 18a und
19a gelagert. Auf diesen Wellen sitzen drehbar fünf Leitrollen 15, 16, 17,
18 bzw. 19. Da diese unteren Abschnitte der Platten 11 und 12 und alle Rollen 15
bis 19 mit ihren Stützwellen während des Betriebs der Einrichtung in eine leitende
Schmelze eingetaucht sind, braucht keine elektrische Isolierung zwischen diesen
Teilen vorgesehen zu werden.
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Die Kerne 13 und 14 sind jeder mit zwei Primärwicklungen
20 und 21 versehen, so daß sowohl eine Primärwicklung 20 als auch
eine Primärwicklung 21 an jedem der beiden Kerne liegt. Die Anordnung der Wicklung
20 und 21 an jedem Kern wird aus F i g. 3 deutlich.
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Jeder Kern 13 und 14 ist aus einer Vielzahl von aufeinandergestapelten
Blechlamellen mit rechteckigem Querschnitt gebildet. Sie sind alle mit einer mittleren
rechteckigen Öffnung versehen, so daß jeder Kern 13 und 14 eine entsprechende
rechteckige Mittelöffnung 13 a bzw. 14 a mit rechteckigem Querschnitt aufweist.
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Durch jede dieser Öffnungen 13 a und 14 a verlaufen
zwei Rohre 22 und 23, die mit den Wänden der Öffnung 13 a und 14 a nicht in Berührung
stehen. Diese Rohre 22 und 23 sind am Bodenteil einer Kammer 24 mit gesteuerter
Atmosphäre aufgehängt, die an dem Verbindungsglied 8 der Stützanordnung für die
Einrichtung befestigt ist. Das Rohr 22 ist mit einem Verbinder 22a versehen, der
es in zwei elektrisch gegeneinander isolierte Längenabschnitte teilt. Dieser Verbinder
22a soll eine Unterbrechung der elektrischen Leitfähigkeit des Rohres 22 derart
bewirken, daß kein geschlossener Stromkreis zwischen den Teilen der Kammer 24, den
beiden Rohren 22 und 23 und dem flüssigen Leitmedium, das als Umgebungsmedium für
die Rollen 15 bis 19 dient, besteht. Das andere Rohr besteht aus einer glatten Länge.
Wenn auch die Rohre 22 und 23 aus Festigkeitsgründen aus Metall hergestellt
werden, sind sie doch vorzugsweise mit einer Anzahl von aufeinandergestapelten feuerfesten
Steinen 25 und 26 mit einem Mitteldurchgang derart ausgekleidet, daß diese feuerfeste
Rohre in den Rohren 22 und 23 bilden, wodurch an der Innenseite der Rohre 22 und
23 eine Isolierwand gebildet wird. Die Durchlässe 25a und 26a bilden Durchgänge,
durch die hindurch das Metallband S geführt werden kann.
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Die Kammer 24 mit gesteuerter Atmosphäre ist vorzugsweise luftdicht
und während des Betriebs der Einrichtung mit einem inerten Gas gefüllt. Sie enthält
drei Leitrollen 27, 28, 29 auf in den Seitenwänden der Kammer gelagerten
Wellen 27 a, 28 a und 29 a. Die Leitrollen 27, 28 und 29 sind durch
Büchsen 27b aus Isoliermaterial gegen ihre Wellen 27, 28 und 29 elektrisch
isoliert, um einen Kurzschlußkreis für den elektrischen Strom durch die Metallkammer
24 zu verhindern.
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Unterhalb des Bodenendes der Rohre 22 und 23 ist, normalerweise die
Platten 11 und 12 und deren Leitrollen umgebend, eine Abschreckwanne
30 auf einer auf der Oberseite einer Kolbenstange 32 angeordneten Platte
31 abgestützt. Die Kolbenstange 32
ist mit dem Kolben eines üblichen
hydraulischen Zylinders verbunden, der so betätigbar ist, daß die Platte
31. zur Wartung angehoben oder abgesenkt werden kann. Im Betrieb liegt die
Wanne 30 in der in F i g.1 und 2 dargestellten Lage, wird jedoch unter die
Rollen 15 bis 19 abgesenkt, wenn diese Rollen und die zugeordneten
Teile zugänglich gemacht werden müssen. Diese Wanne 30 ist vorzugsweise an ihrer
Außenwand 31 aus einem feuerfesten Material und ist mit einer metallischen Abdeckung
32 versehen. Entlang der Innenwand 32 ist ein Heizelement 33 angeordnet, um, falls
notwendig, eine Beheizung des Wanneninhaltes zu ermöglichen. Zwischen den Seitenplatten
11 und 12 ist eine Trennplatte 34 angeordnet, um einzelne Bereiche mit verschiedenen
Temperaturen der Leitflüssigkeit in der Wanne an den gegenüberliegenden Seiten der
Leitfläche zu bilden.
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Außerhalb des freien Endes der Kammer 5 sind zwei Leitrollen
35 und 36 auf zwei an einer festliegenden Stelle gelagerten Wellen
35 a und 36 a angeordnet.
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Wie in F i g. 1 dargestellt, verläuft das Band S zuerst über die Rolle
35, durch den Kammerbereich 5 b über die Leitrolle 7 nach unten, um die Leitrolle
16, um die Leitrolle 18 und 17 nach oben, durch das Rohr 22, um die Rollen 27, 28
und 29, durch das. Rohr 23, um die Leitrollen 19 und 15 nach oben und um die Rolle
6 unter dem einlaufenden Bandabschnitt durch und zum Schluß um die Leitrolle 36
ab.
Wenn auch in der in F i g.1 dargestellten Einrichtung scheinbar nur ein Band S wärmebehandelt
werden kann, so ist doch aus F i g. 2 ersichtlich, daß zwei Bänder gleichzeitig
wärmebehandelt werden können. Außerdem kann die Einrichtung selbst zur Wärmebehandlung
vieler Bänder gleichzeitig verwendet werden, indem diese entlang parallel zu den
in F i g.1 dargestellten Bahnen verlaufenden Bahnen geführt werden.
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In F i g. 4 ist ein Schaltschema des in der Einrichtung gemäß F i
g. 1 und 2 verwendeten elektrischen Kreises dargestellt. Eine Primärwicklung 20
und eine Primärwicklung 21 liegen um den Kern 13, sind in Serie miteinander geschaltet
und eine Primärwicklung 20 und eine Primärwicklung 21 um den Kern 14 sind ebenfalls
in Serie miteinander geschaltet. Die in Serie geschalteten Wicklungen 20 und 21.
des Kernes 13 liegen parallel zu den in Serie geschalteten Wicklungen 20 und 21
des Kernes 14, und sie sind beide über die Klemmen 37 und 38 mit einer gemeinsamen
Stromversorgung verbunden. Jede Primärwicklung für jeden Kern besteht aus zwei Primärwicklungen
20 und 21, die so gewickelt sind, daß ihre Wirkungen gleichgerichtet sind. Der Grund
dafür ist, daß jede Wicklung 20 und 21, wie in F i g. 3 dargestellt, an gegenüberliegenden
Seiten eines Kernes angeordnet werden kann, so daß eine gleichförmigere Beheizung
erreicht wird, als wenn die Primärwicklung an einer Seite jedes Kernes angeordnet
ist. Da das Band sich nach oben durch die Primärwicklungen auf dem Kern 13 und nach
unten in entgegengesetzter Richtung durch den Kern 14 bewegt, sind die entsprechenden
Primärwicklungen 20 und 21 an einem Kern entgegengesetzt denen am anderen Kern gewickelt,
so daß, vom Band aus betrachtet, die Primärwicklungen an einem Kern in gleicher
Richtung wirken wie die am anderen.
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Im Betrieb wird die Wanne 30 mit einem flüssigen leitenden Medium,
z. B. einer Bleischmelze, bis zu einem Spiegel 39 gefüllt. Die Wanne 30 ist von
den Leitrollen 15 bis 19 abgesenkt, und das Band wird zuerst entlang der unregelmäßigen
Bahn gemäß F i g.1 und 4 durch die Einrichtung eingeführt. Die Wanne 30 wird dann
durch die Kolbenstange 32 und die Platte 31 angehoben, bis sie die in F i g. 1,
2 und 4 dargestellte Stellung einnimmt. Zu diesem Zeitpunkt bedeckt die Bleischmelze
in der Wanne alle Leitrollen 15 und 19, und das Blei bewirkt eine elektrische Leitung
zwischen den Bereichen 40 und 41 des Bandes S ohne jede Lichtbogenwirkung,
da der Leitungsweg unter der Oberfläche der Bleischmelze liegt. Dieser Leitungsweg
schließt den Schleifenabschnitt 43 des Bandes zwischen den Bereichen 40 und 41,
der so die Sekundärschleife bildet, die .die Transformatorerhitzung der Einrichtung
bewirkt, wenn eine entsprechende Spannung zwischen den Klemmen 37 und 38 auf die
Primärwicklungen 20 und 21 aufgegeben wird.
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Beispiel Zum Verständnis des Arbeitsablaufes der Einrichtung dient
der im folgenden erläuterte typische Wärmebehandlungszyklus und die besonderen,
in diesem bestehenden Bedingungen.
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Es soll die Wärmebehandlung einer 5-m-Schleife eines Stahlbandes mit
mittlerem Kohlenstoffgehalt -wenn auch Stahl mit hohem oder niederem Kohlenstoffgehalt
behandelt werden kann - betrachtet werden, wobei das Band eine Breite zwischen 15
mm (5/s inch) und 32 mm (11/4 Inch) und eine Dicke zwischen 0,5 mm und 0,9 mm (0,020
bis 0,035 Inch) aufweist, wobei ferner jede Primärwicklung 20 und 21 aus
sieben Windungen von zwei Strängen eines Kupferdrahtes entsprechend Nr.3 der »American
Wire Gauge square« aufweist, so daß die aus einer Wicklung 20 und einer Wicklung
21 bestehende Primärwicklung insgesamt vierzehn Windungen von zwei Drahtsträngen
aufweist. Bei einer Eingangsspannung von 550 Volt an der Primärwicklung zwischen
den Klemmen 37 und 38 kann das Band durch einen im folgenden beschriebenen Behandlungszyklus
mit einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 33 m/min (100 ft. p. m.) .wärmebehandelt
werden. Als Beispiel soll angenommen werden, daß der Erhitzer 33 durch eine Thermosteuerung
so gesteuert wird, daß das Blei in der Wanne im Bereich des Bodens der Wanne auf
einer Temperatur von etwa 480° C (900° F) gehalten wird. Da das heißere Blei nach
oben steigt, kann der obere Bereich der Bleischmelze entsprechend dem Wert des Wärmeaustauschs
mit dem Band S und der Isolierwirkung der Wanne eine Temperatur von etwa 650° C
(1200° F) haben. Durch entsprechende Bemessung aller Teile der Einrichtung ist es
möglich, das Band S mit Raumtemperatur, etwa 21° C (70° F), um die Rolle 35 zuzuführen.
Das Band läuft in den Kammerbereich 5 b mit dieser Temperatur ein und wird
in dem Zeitraum, bis es die Rolle 7 erreicht hat, durch Regenerativerhitzung durch
Wärmeabführung aus dem darunter aus der Kammer auslaufenden Bandabschnitt auf etwa
190°C (350° F) erwärmt. Dann verläuft es vertikal nach unten in die Bleiwanne und
die Rolle 16, wo es auf eine Temperatur von etwa 480° C (900° F), d. h. die Temperatur
des Bleis, gebracht wird. Es läuft dann durch das Blei und um die Rollen 18 und
17 und erreicht dabei die Temperatur von etwa 650° C (1200° F) der Oberfläche des
Bleibades. Nachdem es aus dem Blei mit etwa 650° C (1200° F) austritt, verläuft
es vertikal nach oben durch das Rohr 22, indem es in dem Zeitraum, bis es über die
Rolle 28 läuft, durch Induktion durch die Primärwicklungen 20 und
21 auf dem Kern 13
auf eine Temperatur von etwa 730° C (1350 ° F) erwärmt
wird. Nachdem .es vertikal nach unten gewendet wurde, verläuft das Band durch das
Rohr 23 und wird weiterhin durch Induktion durch die Primärwicklungen 20 und 21
auf dem Kern 14 auf eine Temperatur von etwa 850° C (1550° F) erwärmt. Es läuft
dann in das Bleibad ein und wird, bis es um die Rolle 19 herum verläuft, praktisch
unmittelbar auf etwa 480° C (900° F) abgeschreckt. Das Band verläuft dann durch
das Bleibad und um die Rolle 15 nach oben auf die Rolle 6 ohne wesentlichen Temperaturverlust.
Beim Ablaufen von der Rolle 6 auf die Rolle 36 wird es durch Wärmeabgabe von 480°
C (900° F) auf etwa 200° C (400° F) abgekühlt, da es am einlaufenden Band vorbeiläuft
und gelangt darauf in den freien Raum, wo es sich auf Raumtemperatur abkühlt.
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Das gegebene Beispiel dient lediglich zur Erläuterung. Selbstverständlich
können die verschiedenen Temperaturen des Wärmebehandlungszyklus durch Änderung
der Längen, die das Band von Rolle zu Rolle durchläuft, durch Änderung der Eingangsspannung
der Primärwicklungen und durch Änderung der Temperatur der. Bleischmelze in der
Wanne
30 geändert werden. Ferner können die Temperaturen durch mehr
oder weniger starke thermische Isolierung in den einzelnen Bereichen der Einrichtung
variiert werden. Zusätzlich kann die Anzahl der Primärwicklungen so geändert werden,
daß nur eine oder mehrere Primärwicklungen verwendet werden und dadurch eine gewünschte
Temperatur erreicht wird, oder die Primärwicklungen können mit Zwischenklemmstellen
versehen sein.
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Die Kammer 24 mit gesteuerter Atmosphäre kann mit Gasen oder
Chemikalien zur zusätzlichen Behandlung des Bandes während des Durchlaufs durch
die Kammer beschickt sein.
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Die Trennwand 34 zwischen den Rollen 16 und 17 dient zur Einstellung
größerer Temperaturdifferenzen in den Bereichen an den gegenüberliegenden Seiten
der Trennwand 34, als dies ohne Trennwand möglich ist. Die Trennwand unterbindet
lediglich die Strömung von Blei durch die Wanne in diesem Bereich und verhindert
den Wärmeübergang, wenn sie aus nichtleitendem Material hergestellt ist. Es sind
nur zwei durch die Einrichtung laufende Streifen S dargestellt. Selbstverständlich
kann eines oder, durch Vergrößerung der Leitrollen zur Aufnahme der benötigten Anzahl
von Bändern nebeneinander, mehrere Bänder gleichzeitig wärmebehandelt werden.
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Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung
eine Einrichtung geschaffen wurde, die das Band primär durch Induktion erhitzt,
wobei das Band selbst als Sekundärwicklung eines Transformators dient. Um die Bandschleife
elektrisch zu schließen und die Lichtbogenbildung - die übliche Ursache für Kraftverluste
und Beschädigung der Rollen - zu vermindern, wird eine Wanne 30 mit einem leitenden
Medium, z. B. einer Bleischmelze, verwendet. Das leitende Medium hat die zusätzliche
Funktion als Abschreckbad in Verbindung mit seiner Funktion als elektrischer Leiter
zu erfüllen. Die Einrichtung hat das zusätzliche Merkmal einer Regenerativerwärmung
und Abkühlung durch seine Kammer 5b, so daß der Wirkungsgrad des Systems
außerordentlich hoch ist. Mit einer Einrichtung der dargestellten Bauart ist es
möglich, ein Wärmebehandlungssystem für die kontinuierliche Behandlung von Metallband
zu schaffen, welches einen relativ geringen Platzbedarf und einen hohen thermischen
Wirkungsgrad hat und das ferner viele Nachteile der bekannten Einrichtungen überwindet.
Selbstverständlich kann die Erfindung auf die verschiedenste Weise ausgeführt werden,
ohne daß der eigentliche Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.