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Verfahren und Vorrichtung zur fortlaufenden Wärmebehandlung eines
Metallbandes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
kontinuierlichen Warmbehandlung eines Metallbandes, gleichgültig ob Einzelband oder
mehrfach geschichtetes Band. Insbesondere betrifft sie das Glühen von Bandeisen,
z. B. kaltgewalztem Stahlband. Der Begriff »Band« soll auch Draht, Litzendraht u.
dgl. einschließen.
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Stahlband wird jetzt z. B. in der Weise geglüht, claß es fortlaufend
durch einen turmartigen Glühofen geführt wird. Solche Anlagen sind jedoch kostspielig
und sind nur gerechtfertigt, wenn ein großer Durchsatz dauernd aufrechterhalten
werden kann. Eine Begrenzung der aus einer Anlage bestimmter Größe erzielbaren Produktion
ist die Geschwindigkeit, mit welcher/ die Wärme dem Band mitgeteilt und wieder entzogen
werden kann. Die bekannten Einrichtungen erfordern 25 bis 40 Sekunden, um die Temperatur
einer Stelle des wandernden Bandes auf 675 bis 730° C zu bringen und die geforderte
Wärmedurchdringung zu gewährleisten. Es ist das Ziel der Erfindung, die Erwärmung
bei höherer Laufgeschwindigkeit des Bandes durchzuführen, als dies mit den bekannten
Einrichtungen erreicht wird.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Band
durch eine Vorwärmkammer geführt, in welcher es in ein Bad von geschmolzenem Metall
eingetaucht wird, worauf es durch eine Endwärmkammer wandert, worin es mit dem Dampf
des .Metalls in Berührung kommt. Das Band durchläuft dann ein Abschreckbad aus dem
flüssigen Metall und dann eine Warmhaltekammer. Schließlich passiert das Band ein
zweites gleichartiges Abschreckbad. Eine neutrale oder nichtoxydierende Atmosphäre
wird in der Warmhaltekammer und oberhalb des Spiegels des geschmolzenen Metalls
in der Vorwärmkammer der Warmhaltekammer und über den Abschreckbädern aufrechterhalten.
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Heißer Metalldampf wird der Endwärmkammer aus einem geeigneten Kessel
zugeführt. Flüssiges Metall aus der Kondensation des Dampfes in der Warmhaltekammer
sammelt sich in der Vorwärmkammer, von wo aus ein Teil nacheinander durch die die
Abschreckbäder enthaltenden Behälter umgewälzt wird, während der Rest dem Kessel
wieder zugeführt wird. Als Erwärmungsmedium ist metallisches Natrium vorteilhaft.
Diese sowie Caesium sind als Wärmeübertrager schon bekanntgeworden.
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Weitere Alkali- oder alkalische Erdmetalle oder Legierungen können
ebenfalls Anwendung finden. Zur Erläuterung der Erfindung dient die Beschreibung
mit ihren Zeichnungen, welche ein Ausführungsbeispiel veranschaulichen. Von den
Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt der Anlage und Fig.2 ein Schema, das
den Weg des Bandes durch die verschiedenen Verfahrensstufen und die Umwälzung des
Metalldampfes und Kondensats aus dein Kessel durch die Vorrichtung hindurch und
zurück zum Kessel zeigt.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einer Vorwärmkammer
10, einer Hauptwärmkammer 11, einem ersten Abschrecktank 12, einer Warmhaltekammer
13 und einem zweiten Abschrecktank 14. Die Vorwärmkammer10 umfaßt getrennte Wannen10a,
10b und 10c in Serienanordnung zur Aufnahme geschmolzenen Metalls. Bandeisen 15
wird durch die verschiedenen Kammern und Tanks nacheinander geführt, wobei es in
einer Vielzahl von vertikalen Schleifen über vertikal übereinander angeordnete Paare
von Führungsrollen gezogen wird. Diese Rollen besitzen Wellen, welche durch die
Wände der Kammern und Tanks verlaufen, dort abgedichtet und in geeigneten äußeren
Lagern gelagert sind. Die oberen und unteren Rollen in der Vorwärmka,mmer sind mit
16 bzw. 17, diejenigen in der Hauptwärmkammer mit 18 bzw. 19 bezeichnet, diejenigen
in der Warmhaltekammer mit 20 bzw. 21. Führungsrollen 22 sind in der Z'erbindung
zwischen Kammer 11 und Tank 12 angebracht. Die Tanks 12 und 14 sind mit Bodenrollen
23 versehen.
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Die Kammern 10, 11 und 13 sowie die Abschrecktanks 12 und 14 sind
aus Metallblech von geeigneter Zusammensetzung, z. B. rostfreiem Stahl gefertigt
und sind mit einer Wärmeisolation zwecks geringen
Wärin.everlustes
versehen. Senkrechte Leitbleche aus Metallblech sind in den verschiedenen Kammern
und Tanks angeordnet und in der Vorwärmkammer mit 24, in der Hauptwärmkammer mit
25, in der Warmhaltekammer mit 26 und in den Abschrecktanks mit 27 unc1 28 bezeichnet.
Die Leitbleche begrenzen getrennte Abteilungen für die Züge oder Gruppen von Ziigen
des Bandes aufwärts und abwärts und steuern den Strcin des Heizmediums oder dienen
zur Abtrennung einer Kammer von den benachbarten.
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1atriumdampf aus einem geeigneten Kessel B (s. Fig. 2) wird dem Oberteil
der Hauptwärmkammer 11 durch die Öffnungen 29 zugeführt. Der Dampf, der mit dem
wandernden Band in Berührung kommt, gibt Wärme an dieses ab und kondensiert. Das
Kondensat sammelt sich in abgedichteten Behältern 30 am Boden der Hauptwärmkammer
11, in welchen die Rollen 19 angeordnet sind, strömt aus den Behältern 30 in die
Vorwärmkammer 10 über und fließt infolge der Schwerkraft durch die verschiedenen
Wannen 10a, 10b und 10e. die nach Art einer Treppe niedrigere Spiegel aufweisen.
wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Ein Teil des Kondensats wird dem Kessel durch
ein Rohr31 mittels Speisepumpe32 wieder zugeführt. Der Pest des Kondensats wird
dem Abschrecktank 14 durch das Rohr33 mittels Pumpe34 zugeleitet. Das Kondensat
im Abschrecktank 14 wird durch eine Pumpe 35 über Verbindungsleitungen 36 und 37
fortlaufend umgewälzt. Ein Wärmeaustauscher37a an der Verbindungsleitung 37 ermöglicht
die Regelung der Temperatur des Kondensats im Abschrecktank 14. Gleichzeitig wird
ein Teil des Kondensats durch die Pumpe 38 entnommen und durch eine Verbindungsleitung
39 dem Abschrecktank 12 zugeführt. Aus dem Abschrecktank 12 wird das Kondensat durch
eine Rohrleitung 40 und einen Wärineaustauscher41 durch eine Ptimpe42 entnommen
und der Kammer10a wieder zugeführt.
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Eine neutrale oder nichtoxydierende Atmosphäre, wie Stickstoff, wird
in der Vorwärmkammer 10 oberhalb des Spiegels des Kondensats, in der Warmhaltekammer
13 und über den Abschreckbädern aufrechterhalten, wobei das Gas durch Einlässe43
zugeleitet wird. Die Vorwärinkammer 10 weist Eintritts-Abdichtungsrollen44 auf.
Eine Vorlage45 ist an die Vorwärmkammer 10 angeschlossen, um überschüssigen
Natriumdampf aus der Hauptwärmkammer 11 während einer Stillsetzung des Bandes aufzunehmen,
bis die Zufuhr von Dampf aus dem Kessel gedrosselt werden kann. Der obere Auslaß
aus der Vorlage besitzt ein Sperrventil45a. Eine seitliche Verbindung zum Auslaß
schafft einen Hilfseinlaß für das Schutzgas und weist ein gleichartiges Ventil 45
b auf. Eine Trennwand 47 in der Vorwärmkammer 10 mit einem eingearbeiteten Schlitz
für das Band hemmt ein Entweichen von Natriumdampf aus der Hauptwärmkammeril, so
daß es in die Vorlage45 gelangt. Die Hauptwärmkammer 11 ist mit einer öffnung 48
zur Entfernung nicht kondensierbarer Gase versehen, die sich aus dem Band bei dessen
Erwärmung entwickeln.
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Die Warmhaltekammer 13 besitzt ein Umwälzrohr 49 für das neutrale
Gas, das an getrennten Stellen angesetzt ist und mit einem Gebläse 50 versehen ist.
Der Wärineaustauscher 41 ist im Rohr 49 angeordnet, wodurch das Gas der Warmhaltekammer
bei Umwälzung durch das Gebläse wieder angewärmt wird, um die richtige Temperatur
in der Warmhaltekammer 13 aufrechtzuerhalten.
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Ein Ausgang 51 aus dem Tank 14 weist Führungsrollen 52 und Verschlußrollen
53 auf. Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung wird nun an Hand der Fig. 2 erläutert. Stahlband 15, z. B. kaltgewalztes
Schmiedeeisenbandmaterial, das zwischen den Verschlußrollen 44 eintritt, wird von
38° C auf etwa 565° C durch geschmolzenes Natrium in Wannen10a, 10b und 10c angewärmt.
Das Band tritt dann in die Hauptwärmkammer 11 ein und wird dort unter direkter Berührung
mit \Tatriumdampf auf eineTemperatur von etwa 882°C (Siedepunkt vonNatrium = 883°
C) angewärmt. Beim Heraustreten aus dem Tank 19 gelangt das Band in den Abschrecktank
12, wo seine Temperatur auf etwa 590 C reduziert wird. Die Temperatur des Bandes
bleibt beim Durchlaufen der Warinhaltekammer 13 im wesentlichen unverändert, was
zu isothe-rmer Umwandlung führt. Bei Verlassen der Warrnhaltekammer 13 wird das
Band im Abschrecktank 14 auf etwa 315° C abgeschreckt, und nach Passieren derAustrittsverschlußwalzen
wird das Band in einem Wasserbehälter54 auf etwa 93° C abgeschreckt, gelangt dann
zum Spülen in eine Sprühkammer 55 und wird schließlich in einem Trockner 56 getrocknet.
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Fig. 2 zeigt auch die Umwälzung des Anwärinmediums. Den Kessel mit
etwa 899° C verlassender Natriumdampf kondensiert zu flüssigem Natrium bei etwa
889° C in der Hauptwärmkammer 11. Es wird weiter auf etwa 302° C beim Verlassen
der Anwärmkammer 10 abgekühlt. Der zum Kessel zurückkehrende Teil des Kondensats
wird zuerst auf etwa 149° C in einem Wärmeaustauscher 57 abgekühlt, in einem Filter
58 filtriert und in einem Behälter 59 gesammelt. Der Rest strömt zunächst durch
den Abschrecktank 14 und dann den Abschrecktank 12, wobei er durch das in diesen
einlaufende Band auf etwa 583° C vor Rückkehr in die Vorwärmkammer 10 angewärmt
wird. Der Wärmeaustausch,er37a entzieht Wärme aus dem Umwälzteil des geschmolzenen
Natriums im Abschrecktank 14, um zu verhindern, daß die Temperatur desselben übermäßig
ansteigt.
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Das beschriebene Verfahren umfaßt die Erwärmung von Bandeisen, auf
austenitbildende Temperatur durch Wärmeübertragung in den Kammern 10 und
11,
Abschrecken. auf Isotherm-Glühtemperatur im Abschrecktank 12, Verweilen
bei isothermer Glühtemperatur in der Warmhalteka,mmer 13 und Abschrecken auf eine
niedrigere Temperatur im zweiten Abschrecktank 14, der das Band zur weiteren Verarbeitung
oder zum Austritt an die Luft ohne Bildung von Oberflächenoxyd in unzulässigem Grade
vorbereitet.
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Eine alternative Ausführungsart umfa.ßt Anwärmen wie oben, Abschrecken
auf .eine Temperatur im ersten Abschrecktank 12 zur Umwandlung in Martensit, Verweilen
bei dieser Temperatur oder weiteres Abkühlen in der Warm- oder Verweilkaminer, dann
Steigerung der Bandtemperatur in dem zweiten Abschrecktank 14 zum Erzielen eines
Vergütungseffektes. Eine weitere Modifikation umfa.ßt eine der vorhergehenden mit
Überleitung des Bandes aus den Ausgangsverschlußrollen 53 in eine Schutzatmosphäre
in einen anschließenden Prozeß oder in ein Bad von ge-
| schmolzenem @7berzugsmetall, wie Zink, Aluminium, |
| Zinn oder die Legierung, die zur Herstellung |
| Weißblech dient. Dadurch werden zwei Eigens |
| des vorliegenden Verfahrens nutzbar gemacht, |
| lich die Warmbehandlung und die Fähigkeit, _ . |
| flächen für anschließende Überzugsvorgänge |
| Grund der hohen Reaktionsfähigkeit und Deoxyds_- |
| tionskraft des flüssigen Alkalimetalls und D |
| vorzubereiten. ._-=, |
Wie aus dem Vorstehenden erhellt, ist der Metalldampf ein vorzügliches
Mittel für die Wärmezufuhr zur Wärmebehandlung von Bandeisen. Die Wärmeübertragung
zu dem Band in der Hauptwärmkammer 11 erfolgt durch Strahlung, Konvektion, Leitung
und Kondensation von Metalldampf auf der Bandoberfläche. Ausgenommen bei den niedrigsten
Arbeitsgeschwindigkeiten herrscht die Kondensation vor. In den einzelnen Vorwärmwannen
10a, 10h und 10c der Vorwärmkammer bewirken Leitbleche 24 das Auftreten eines Gegenstromvorganges,
woraus sich eine bessere Wärmerückgewinnung aus dem die Abschrecktanks 12 und 14
oder die Verschlußtanks 30 verlassenden flüssigen Metall ergibt. Die Leitbleche
25 verhindern ein Gleichgewicht des Metalldampfes unter normalen Betriebsbedingungen
und ermöglichen, einen Druckunterschied zwischen der Hauptwärmkammer 11 und den
Kammern 10 und 13 aufrechtzuerhalten, während gleichzeitig ein übermäßiger Druckanstieg
oder -abfall des Heizdampfes in der Hauptwärmkammer 11 verhindert wird.
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Für den Fall, daß Metalldampf schneller als erforderlich zugeführt
wird, steigt der Druck bis zu dem Grade an, wo der Dampf in die Vorwärmkaminer entweicht
und seinen Weg zur Vorlage45 findet, wo er kondensiert wird. Das anfallende flüssige
Metall kann zur Vorwärmkammer 10 zur Wärmerückgewinnung oder zu einem Speichertank
zurückgeleitet werden. Das Leitblech 47 verhindert das Strömen überschüssigen Metalldampfes
in die Vorwärmkammer und beschränkt es auf die Vorlage 45. Für den Fall eines raschen
Druckanstieges ermöglicht das Sperrventil 45a den Austritt des nicht kondensierbaren
Teiles des Dampfes in einen Abzug oder Schornstein. Wird der 1`-Ietalldampf mit
einer für den Prozeß zu geringen Geschwindigkeit zugeführt, bewirkt eine Druckminderung
eine Änderung im Metallspiegel im Verschlußtank 30, wodurch das Schutzgas durch
das Sperrventil 45b in die Hauptwärmkammer 11 fließt, wobei der Metalldampfanteil
so weit verringert wird, bis sein Einfluß auf die Wärmeübertragung einen solchen
Grad erreicht hat, da.ß die Verdichtungsgeschwindigkeit des Metalldampfes praktisch
gleich seiner Zuführungsgeschwindigkeit ist. Die Leitbleche26 in der Kammer 13 dienen
zur Verhinderung eines Kurzschließens des Gasstromes. Das mittlere Leitblech25 wirkt
ähnlich wi.e in der Hauptwärmkammer 11. Der Wärmeaustauscher37a ermöglicht einen
Wärmeentzug oder eine Wärmezuführung zum flüssigen Metall, das in den Abschrecktank
14 strömt. Der Abzug 48 ermöglicht einen stetigen Entzug eines Teileis des Heizdampfes
zu einer Vorlage, wodurch ein Teil des nicht verdichtbaren Gases, das sich aus Oberflächenverunreinigungen
dies Bandes entwickelt, abgezogen und die Wärmeübertragung zwischen dem Heizdampf
und dem Band ungestört gehalten wird.
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Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß infolge des sehr
schnellen, Wärmeüberganges aus dem flüssigen Metall und dem Metalldampf auf das
Behandlungsgut die Temperatur des letzteren auf 870 bis 885° C innerhalb 5 Sekunden
gesteigert werden kann.
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Mit dieser hohen Aufheizgeschwindigkeit kann infolge der sich daraus
ergebenden hohen Durchlaufgeschwindigkeit ein hoher Durchsatz mit einer kleinen
Anlage erzielt werden.
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Es sind verschiedene Vorteile mit der Verwendung von Natrium als Heizmedium
verbunden. Die extrem holuc latente Verdampfungswärme von Natrium von etwa 1150ca1/g
und. der hohe Siedepunkt von 883° C machen es zu einem selbstregulierenden Heizmedium
bei zur Wärmebehandlung von Eisen sehr geeigneter Temperatur. Diese Kombination
ist einzigartig bei Metallen, die sich nicht mit Eisen legieren. Flüssiges .Natrium
besitzt einen sehr hohen Wärmeübertragungskoeffizienten in Berührung mit Stahl.
Dieser ist beträchtlich größer bei derselben relativen Geschwindigkeit als die Koeffizienten
anderer flüssiger Wärmeübertragungsbäder, wie Blei, Blei-Wismut, Hochtemperatursalze
oder die bekannte Mischung aus 73,5 Diphenyloxyd und 26,5 % Diphenyl. Jede
Verunreinigung des Bandes mit Natrium wird bei dem einfachen Wasserabschreckvorgang
vollkommen beseitigt. Natriumdampf schafft gleichzeitig eine reduzierende und nichtentkohlende
Atmosphäre. Der niedrige Preis, die niedrige Dichte und die leichte Beschaffenheit
von Natrium machen es zum wirtschaftlichsten der Metalle für Wärmeübertragung. Eine
Natrium-Kalium-Legierung (99 bis 20 % Natrium, 1 bis 80 % Kalium) besitzt
viele ähnliche Eigenschaften bei niedrigeren Siedepunkten, je nach der Zusammensetzung.
Bei flüssigen Bädern wird jedoch reines Natrium infolge seiner höheren Wärmeleitfähigkeit
vorgezogen.
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Im Falle der Wärmebehandlung von Bandeisen kann daher das Erwärmungsmedium
aus den Alkaliinetallen oder einer Mischung derselben gewählt werden und kann merkliche
Mengen von Metallen aus den alkalischen Erden enthalten, die nur langsam mit Eisenmetall
bei den angewandten Wärmebehandlungstemperaturen reagieren. Natrium besitzt eine
fast ideale Eignung für diesen Prozeß, da sein Siedepunkt bei atmosphärischem Druck
der Temperatur für die Austenitbildung vieler Eisenlegierungen sehr nahekommt. Die
Verwendung eines nahezu reinen Erwärmungsmetalls verschafft dem Prozeß die genaueste
Kontrolle über die maximale Bandtemperatur. Dieses Maximum liegt nahe dem Siedepunkt
des Erwärmungsmetalls bei dem in der Anwärmkammer bestehenden Druck. Die Wirkung
einer mäßigen Überhitzung im eintretenden Metalldampf ist vernachlässigbar, ausgenommen
bei plötzlichen Verminderungen der Verarbeitungsgeschwindigkeit oder wenn aus anderen
Gründen die Zuführungsgeschwindigkeit des Metalldampfes seine Verdichtungsgeschwindigkeit
in der Anwä: mkammer 11 stark überschreitet.
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Ein weiterer Vorteil ist die Selbstregulierungsfähigkeit der Anwärmeinrichtung.
Wenn das durch die Vorrichtung wandernde Band in einem Notfall plötzlich stillgesetzt
werden muß, nimmt seine Temperatur nicht so zu wie im Fall einer Strahlungserwärmung,
Induktions oder Widerstandserhitzung. Durchbrennen des Bandes wird vermieden, da
die Maximaltemperatur des Dampfes nur wenige Grade oberhalb des Siedepunktes des
Metalls liegt und das Aufhören der Wärmeabsorption durch das sich vorwärts bewegende
Band nur bedeutet, daß weniger Dampf verdichtet wird. Wie bereits erläutert, ist
dafür Sorge getragen, da,ß während einer Bandstillsetzung überschüssiger Dampf abgeführt
wird, bis die Dampfabgabe des Kessels reduziert werden kann. Gleichzeitig wird die
Temperatur der Anwärmkammer für die Wiederingangsetzung in jedem Augenblick aufrechterhalten.
Die eben berührten Faktoren ermöglichen ein Herabsetzen der Bandgeschwindigkeit
während des Zusammenschweißens von Bandenden. Die Länge des im Bandspeicher zu haltenden
Bandes ist also geringer.
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Die Wärmerückgewinnung in den Abschreckbädern reduziert ebenfalls
die Betriebskosten. Der Wärmeverbrauch je Tonne Durchsatz beträgt tatsächlich nur
etwa
drei Viertel desjenigen von gewöhnlichen Bandglühanlagen.