[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abstreifen überschüssiger
Metallschmelzen, insbesondere Zinkschmelzen bei Schmelztauchverfahren und nimmt die
Priorität der deutschen Patentanmeldungen 100 61 869.3 und 101 28 710.0 in Anspruch,
auf die inhaltlich Bezug genommen wird.
[0002] Zur Verbesserung der korrosiven und optischen Bandeigenschaften werden dünne gleichmäßige
Metallschichten, u.a. auch Zinkschichten mittels verschiedener Verfahren auf Metallbänder
aufgebracht. So durchläuft beispielsweise bei der Bandverzinkung nach dem Schmelztauchverfahren
das Band zunächst eine Zinkschmelze und wird anschließend nach oben abgezogen. Aufgrund
ihrer Viskosität haftet die Schmelze oberhalb des Metallbadspiegels an dem Metallband
und bildet damit um das Metallband eine frei anhaftende Zinkschicht. Diese Zinkschicht
ist meist wesentlich dicker als benötigt - so kann sie z.T. bis zum 20-fachen der
geforderten Schichtdicke betragen - und muß deshalb im Anschluß auf die jeweilig angestrebte
Schichtdicke zurückgeführt werden.
[0003] Dazu ist es bekannt, das überschüssige Metall noch in flüssigem Zustand außerhalb
des Bades und oberhalb des Metallbadspiegels mit Hilfe pneumatischer Abstreifer zurückzuhalten,
so daß sich die gewünschte Schichtdicke ergibt. So wird beispielsweise in einer Höhe
von etwa 0,5 bis 1 m oberhalb des Zinkbades dicht am Band zu beiden Seiten eine Spaltdüse
installiert, die sich über die gesamte Bandbreite erstreckt. Als Gas wird z.B. Luft
oder Stickstoff verwendet. Durch den hohen Auftreffimpuls des Gases auf die flüssige
Schmelzenschicht wird Schmelze abgestreift und fließt am Band entlang zurück in das
Bad.
[0004] Dieses Verfahren hat vor allem den Nachteil, daß damit allenfalls Zinkschichten von
30 bis 40 g/m
2 je Bandseite erzeugt werden können, obwohl teilweise noch dünnere Schichten benötigt
werden. Zudem kann es zu Verstopfungen der Spaltdüsen kommen, wenn das Band gegen
die Düsen stößt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich gerade bei der Verwendung
von Luft unerwünschte Schlacke bildet. Dazu kommen Probleme der Lärmbelastung und
der Entstehung von Zinkstaub.
[0005] Zur möglichen Vermeidung dieser Nachteile wurden elektromagnetische Abstreifer entwickelt
(Malmendier, M.; M. Schyns: Improvement in Zinc' and Zinc Alloy Coating - Measurement
and Control European Commission, Contract No. 7210-GB / 207 / 409 / 604 / 810 EUR
18802 EN, 1999; Lloyd-Jones, C., H. A. Barker, V. J. Worner: Investigation into magnetic
wiping techniques as alternative to gas wiping on hot dip galanising lines Ironmaking
and Steelmaking 1998, Vol. 25). Ein solcher elektromagnetischer Abstreifer ist auch
aus EP 0 681 036 B1 bekannt.
[0006] Bei diesen Verfahren werden Induktoren mit elektrischen Spulen oberhalb der Schmelze
angeordnet. Sie können aber auch teilweise in die Schmelze eintauchen. Der in den
Spulen angelegte Strom erzeugt ein Magnetfeld, das seinerseits einen Strom in der
Zinkschmelze induziert. Überschüssiges Metall wird zunächst mit dem Band nach oben
ausgetragen und wird im Anschluß daran magnetisch abgestreift. Der so erzeugte Effekt
entspricht daher im Prinzip demjenigen der pneumatischen Abstreifer.
[0007] Die bekannten elektromagnetischen Abstreifverfahren benötigen einen sehr hohen Magnetisierungsstrom
und haben darüber hinaus insbesondere den Nachteil, daß Schichten im Minimum von 90
g/m
2 erzeugt werden können.
[0008] Geringere Schichtdicken können dagegen nicht erreicht werden. Daneben ist es nachteilig,
daß zunächst große Mengen der Metallschmelze aus dem Bad herausgeführt und anschließend
zu wesentlichen Teilen dem Bad wieder zugeführt werden müssen. Damit geht das Risiko
der Verschlackung der Schmelze einher.
[0009] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abstreifen von
Metallschmelzen insbesondere zum Erzeugen dünner Metallschichten bereitzustellen,
das die Nachteile des Standes der Technik weitgehend überwindet. Ebenso soll eine
Vorrichtung zum Durchführen' des Verfahrens bereitgestellt werden.
[0010] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach einem der
unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0011] Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, den bei dem Entnehmen
eines Gegenstandes - beispielsweise eines Bandes - einsetzenden abwärts gerichteten
Schmelzenstrom in eine der Aufwärtsbewegung entgegengesetzte Richtung zu beschleunigen
und den beschleunigten Schmelzenstrom in Form eines sog. Freistrahls zurück gegen
das Band zu führen. In der Grenzschicht am Band strömt die Schmelze im Gegenstrom
zu dem aufsteigenden Band nach unten. Durch diesen Gegenstrom wird die Grenzschicht,
d.h. die Metallschicht auf dem Band verringert.
[0012] Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt demnach die kinetische Energie der Strömung
zum Abstreifen überflüssiger Schmelze. Demnach stellt es im Vergleich zu den bekannten
Verfahren ein dynamisches Abstreifen dar, während jene statischer sind, da die Grenzschicht
nicht angeströmt wird, sondern lediglich Volumenkräfte in die Grenzschicht geprägt
werden. Die Beschleunigung des Schmelzenstroms und die nachfolgende Ausnutzung der
kinetischen Energie haben dabei den Vorteil, daß sich wesentlich höhere Energiedichten
an dem Band erreichen lassen.
[0013] Das Erzeugen und die Beschleunigung des Schmelzenstroms (oder auch Volumenstroms)
kann magnethydrodynamisch erfolgen (magnethydrodynamische Abstreifer (MHD)). In dieser
Ausführungsform werden nicht - wie dies in den bekannten Verfahren üblich ist - ein
Magnetfeld und der Strom getrennt eingeprägt, sondern lediglich ein magnetisches Feld
eingeprägt . Dieses induziert den Strom in der Schmelze. Vorteilhafterweise handelt
es sich um ein magnetisches Drehfeld.
[0014] Das magnethydrodynamische Abstreifen beruht auf folgendem Prinzip:
[0015] Induktoren können in der Metallschmelze und im Band Spannungen induzieren und damit
ein elektrisches Strömungsfeld erzeugen. Dabei kann gemeinsam mit dem resultierenden
Magnetfeld ein Kraftfeld in dem Metallbad, in der Metallschicht sowie in dem Band
entstehen. Die Kraftrichtung im Bereich zwischen den Induktoren weist dabei im wesentlichen
nach unten und ist der Laufrichtung des aufsteigenden Bandes entgegengesetzt.
[0016] Das Rückhalten des Metalls kann somit weitgehend unterhalb und oberhalb des Metallbadspiegels
erfolgen, wobei der bevorzugte Bereich für das Rückhalten des Metalls in Höhe des
Metallbadspiegels liegt. Dabei spielen mehrere Teilvorgänge eine Rolle, wobei unterhalb
des Badspiegels ein nach unten gerichtetes umlaufendes Strömungsfeld in der Metallschmelze
entstehen kann, welches - im Falle eines engen Querschnittes - eine erhöhte Geschwindigkeit
aufweisen kann.
[0017] Für das Abstreifen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Abstreifers ist es bedeutsam,
daß in der Schmelze durch abwärts strömende Metallschmelze am Band nach unten gerichtete
Schubspannungen entstehen. Darüber hinaus können in der Schmelze auch abwärts gerichtete
Volumenkräfte auf die Metallschmelze in unmittelbarer Bandnähe einwirken. Oberhalb
der Schmelze können abwärts gerichtete Volumenkräfte in der am Band haftenden Schmelze
das Abstreifen der Metallschmelze unterstützen.
[0018] In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die
Beschleunigung des Schmelzenstroms in einem Strömungsspalt (oder Strömungskanal) erfolgen,
der zwischen einem zum Erzeugen, des Drehfelds verwendeten Induktor und einem den
Induktor umgebenden Gehäuse liegt. Durch einen Einlaß unterhalb des Metallbadspiegels
kann der Schmelzenstrom in den Strömungsspalt eintreten und ihn anschließend mit hoher
Umlaufgeschwindigkeit relativ zu der Bandgeschwindigkeit umlaufen, bevor er aus dem
Auslaß des Spalts in Höhe des Metallbadspiegels entlassen wird. Zur weiteren Erhöhung
der Geschwindigkeit kann der Auslaß in Form einer Spaltdüse gebildet sein. Neben dem
Beschleunigungseffekt hat die Verwendung eines Strömungskanals den Vorteil, daß die
Schmelze möglichst wenig mit der Umgebungsluft in Kontakt tritt und so unerwünschte
Verschlackungen verringert werden. Soll das Abstreifen beispielsweise an einem Band
erfolgen, kann diese Anordnung beidseitig des Bandes angebracht sein.
[0019] Bei den MHD-Abstreifern werden die Volumenkräfte im Strömungskanal eingeprägt und
in Strömungsgeschwindigkeit umgewandelt. Diese wirkt auf die Grenzschicht zwischen
Metallschmelze und Gegenstand.
[0020] Vorteilhafterweise sollte der Winkel zwischen dem aus dem Strömungsspalt gegen die
Schmelze strömenden Freistrahl und dem Band möglichst klein gehalten werden, so daß
eine ungewollte Wirbelbildung insbesondere in dem kritischen Raum, d.h. der Raum oberhalb
des Auftreffens des Freistrahls auf das Band möglichst vermieden wird. Dieser sog.
Anströmwinkel ist vorzugsweise kleiner 20 Grad. Auch die Wahl und Anordnung des Einlasses
in den Strömungsspalt hilft, die Strömungswirbel in dem kritischen Raumbereich zu
verringern.
[0021] Vorteilhafterweise erfolgt das Abstreifen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
an der Austrittsstelle des Gegenstandes aus der Metallschmelze. In diesem Fall kann
die Vorrichtung zum Abstreifen ganz oder teilweise in die Schmelze eintauchen. Durch
die Wahl der Eintauchtiefe der Vorrichtung oder die Veränderung ihres Abstandes zum
Gegenstand sowie durch Modifikationen der Stromstärke und der Frequenz am Induktor
kann die Schichtdicke der auf dem Gegenstand verbleibenden Metallschicht variiert
werden. Des weiteren kann eine Beeinflussung der Schichtdicke durch eine Veränderung
des Anströmwinkels des Freistrahls erfolgen.
[0022] Um den Verschleiß beispielsweise durch die heiße Metallschmelze möglichst gering
zu halten, kann das den Induktor umgebende Gehäuse innen und außen keramisch beschichtet
werden. Gleiches gilt hinsichtlich der Oberflächenbeschichtung des Induktors. Darüber
hinaus kann das Gehäuse ferromagnetisch sein, so daß es für das Drehfeld einen magnetischen
Rückschluß bilden kann. Das hat den Vorteil der Verringerung des erforderlichen Magnetisierungsstroms.
[0023] Das Gehäuse kann in der Richtung der Bandbreite mehrere veränderliche Zusatzluftspalte
in Form verschiebbarer Segmente aufweisen, durch die sich der magnetische Rückfluß
gezielt verändern läßt. Das führt zu einer Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit
der Schmelze an der Ausströmdüse (Auslaß), so daß sich damit die Dicke der Metallschicht
über der Breite des Gegenstandes einstellen läßt. Die Schichtdicke an einzelnen Breitenstellen
(Schichtdickenquerprofil) kann also über die Stärke des magnetischen Feldes mit Hilfe
der Luftspalte eingestellt werden.
[0024] Der Induktor weist vorzugsweise eine Breite auf, die größer als die jeweilige Bandbreite
ist. Er kann aus einem geblechten Eisenpaket mit Nuten für eine elektrische Wicklung
bestehen. Erfindungsgemäß können die Induktoren entweder horizontal oder vertikal
positioniert sein. Die Wicklungen der Induktoren sollten dabei derart angeordnet sein,
daß ein umlaufendes Magnetfeld (Drehfeld) entsteht. Vorteilhafterweise wird ein Werkstoff
mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und einer Temperaturfestigkeit über 600 °C verwendet.
Der Bandabstand kann wenige Millimeter betragen. Sofern der Induktor aus einem Eisenpaket
besteht, kann dieser das sogenannte Joch für den Rückschluß der Metallschmelze darstellen.
[0025] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann zudem durch ein Verfahren nach Anspruch
9 gelöst werden.
[0026] Dieser Lösung liegt der Gedanke zugrunde, daß durch den Einsatz hochfrequenter periodischer
Druckänderungen an oder nahe der Austrittsstelle des Gegenstandes eine Beeinflussung
der Strömungsverhältnisse an der Grenzschicht der Schmelze am Band erreicht werden
kann. Die Druckänderungen können in der Schmelze selber oder in der umgebenden Atmosphäre
erzeugt werden. Im letzten Fall können sich die Druckänderungen in die Schmelze fortsetzen.
Insbesondere kann damit die Viskosität der Schmelze verändert werden. Diese sog. dynamische
Viskosität ist neben der Geschwindigkeit und der Gewichtskraft sowie der davon abhängigen
Reynoldzahl ein wesentlicher Parameter, der auf die Strömungsverhältnisse in der Grenzschicht,
d.h. beispielsweise ob die Strömung laminar oder turbulent ist, einwirkt.
[0027] In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der
Austrittshöhe des Gegenstandes aus der Schmelze auf mindestens zwei Seiten mehrere
leistungsstarke Ultraschallsender, beispielsweise Piezosender, angebracht.
[0028] Die Sender können teilweise oder ganz eingetaucht sein. Sie können in einen Hohlbalken
eingebaut sein, so daß sie gegen die Schmelze geschützt sind. Der Abstand der Sendeköpfe
zum Gegenstand kann nur wenige Millimeter betragen.
[0029] Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Bad eine transversale Druckwelle
senkrecht zum Band entstehen, die an dem Gegenstand reflektiert wird. Durch die periodischen
hochfrequenten Druckänderungen ändert sich sodann die Viskosität der Schmelze, insbesondere
im Fall der Kavitation. Damit sinkt die wirksame Viskosität, so daß sich damit die
Dicke der Metallschicht verringern läßt.
[0030] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
des näheren erläutert.
[0031] In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- die Anordnung zweier erfindungsgemäßer Abstreifer an einem Metallband;
- Fig. 2
- einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abstreifer mit Strömungsspalt.
[0032] Die Anordnung 1 der Fig. 1 besteht aus zwei Induktoren 2 und 3, die teilweise in
ein Bad 4 aus Zinkschmelze 5 eintauchen. Sie sind in einer Höhe h2 oberhalb des Badspiegels
angeordnet.
[0033] Zwischen den in einem Abstand A zueinander angeordneten Induktoren verläuft ein Metallband
6, das aus der Schmelze nach oben gezogen wird.
[0034] Die Wicklungen der Induktoren sind derart angeordnet, daß ein umlaufendes Magnetfeld
7 (Drehfeld) entsteht, dessen Kraftrichtung der Laufrichtung des aufsteigenden Bandes
entgegengesetzt ist.
[0035] Der erfindungsgemäße Abstreifer der Fig. 2 besteht aus einem zylindrischen ferromagnetischen
Induktor 10, dessen Oberfläche keramisch beschichtet ist. Er weist eine Mehrphasenwicklung
20 auf, die über seinen gesamten Umfang verteilt ist. Die Wicklung erhält eingeprägte
Ströme mit einstellbarer Stromstärke und Frequenz. Die Wicklung erzeugt ein magnetisches
Drehfeld.
[0036] Der Induktor wird von einem ebenso zylindrischen ferromagnetischen Gehäuse 30 umgeben,
das innen und außen keramisch beschichtet ist. Es trägt radial verschiebbare Gehäuse-Segmente
40 zur Einstellung eines Zusatzluftspaltes I.
[0037] Zwischen Gehäuse und Induktor verläuft ringförmig ein Strömungsspalt 50, durch den
flüssige Metallschmelze mit hoher Umlaufgeschwindigkeit relativ zu der Geschwindigkeit
V
B des Bandes läuft. Die Strömung strömt in dem Bild entgegen dem Uhrzeigersinn.
[0038] Der Strömungsspalt ist zum Band hin über einen Auslaß 60 und einen Einlaß 70 geöffnet.
Der Einlaß befindet sich unterhalb des Auslasses dicht am Band. Einlaß und Auslaß
weisen einen Winkel α
E bzw. α
A zum Badspiegel 90 auf. Aus dem Auslaß tritt der Freistrahl 110 aus. Er trifft unter
dem Anströmwinkel und mit der Ausströmgeschwindigkeit V auf das nach oben sich bewegenden
Band 80. Der Anströmwinkel sowie der Einlaß zu dem Strömungsspalt ermöglichen es,
den kritischen Raumbereich 100 möglichst frei von Verwirbelungen zu halten.
[0039] Die Achse des Induktors weist zum Band einen Abstand A auf. Der Induktor ist mit
der Tiefe T in die Schmelze eingetaucht.
1. Verfahren zum Abstreifen von Metallschmelzen (5) von Gegenständen (6; 80) zum Erzeugen
von Metallschichten mit folgenden Schritten:
- Eintauchen des Gegenstandes (6; 80) in die Metallschmelze (5);
- Aufwärtsbewegen des Gegenstandes (6; 80) aus der Schmelze (5);
- Beschleunigen eines an dem Gegenstand (6; 80) abwärts fließenden Schmelzenstroms
in eine der Aufwärtsbewegung des Gegenstandes entgegengesetzte Richtung;
- Anströmen des beschleunigten Schmelzenstroms an den Gegenstand (6; 80).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Erzeugen eines in die Schmelze hineinwirkenden magnetischen Drehfeldes durch mindestens einen Induktor (1; 2, 3) zur Beschleunigung des Schmelzenstroms.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung an oder nahe der Austrittsstelle des Gegenstandes (6; 80) aus
der Metallschmelze erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzenstrom durch einen Strömungsspalt (50) geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit (V) des Schmelzenstroms in dem Strömungsspalt (50) durch veränderliche
Luftspalte (40) reguliert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzenstrom den Strömungsspalt (50) über eine Düse (60) verläßt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beschleunigte Metallschmelze den Gegenstand in einem Anströmwinkel von kleiner
20 Grad anströmt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulation der Dicke der Metallschicht durch die Veränderung eines der folgenden
Parameter erfolgt: Eintauchtiefe (h2; T) des Induktors (1; 2, 3); Abstand (A) des
Induktors von dem Gegenstand (6; 80); Stromstärke und/oder Frequenz an dem Induktor
(1; 2, 3).
9. Verfahren zum Abstreifen von Metallschmelzen von Gegenständen mit folgenden Schritten
- Eintauchen des Gegenstandes in die Metallschmelze;
- Aufwärtsbewegen des Gegenstandes aus der Schmelze;
- Erzeugen periodischer Druckänderungen an der Austrittsstelle des Gegenstandes aus
der Metallschmelze.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Erzeugen der Druckänderungen mittels Ultraschall.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch mindestens einen Piezosender.
12. Vorrichtung zum Abstreifen von Metallschmelzen (5) von einem Gegenstand (6; 80) mittels
mindestens eines Induktors (1; 2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Induktors in die Schmelze (5) eintaucht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor eine Mehrphasenwicklung zum Erzeugen eines magnetischen Drehfelds (7)
aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor eine keramisch beschichtete Oberfläche aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (1; 2, 3) aus einem Eisenpaket gebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (1; 2, 3) von einem Gehäuse (30) umgeben ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Strömungskanal (50) zwischen Induktor (1; 2, 3) und Gehäuse (30).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Einlaß (70) und einen Auslaß (60) des Strömungskanals (50).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß einen Winkel von kleiner 20 Grad und der Auslaß einen Winkel von kleiner
20 Grad gegen den Badspiegel (90) einnimmt.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, gekennzeichnet durch Gehäuse-Segmente (40).
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse-Segmente (40) radial verschiebbar sind.
22. Vorrichtung zum Abstreifen von Metallschmelzen (5) von einem Gegenstand (6; 80) mit
mindestens einem Ultraschallsender.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch einen Piezosender.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender teilweise oder ganz in die Metallschmelze (5) eintaucht.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender in einen Hohlbalken eingebaut ist.
26. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25 zum Abstreifen einer
Metallschmelze von einem Langkörper (6).
27. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25 zum Abstreifen einer
Zinkschmelze von einem Metallband (6; 80).