DPIV-Messungen am Kaltmodell eines Schwebebandofens für die Herstellung von NE-Metallband

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1 47.1 DPIV-Messungen am Kaltmodell eines Schwebebandofens für die Herstellung von NE-Metallband 1) H.-J. Odenthal, K. Hornig, H. Pfeifer1), K. Berns2) RWTH Aachen, Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik - IOB 2) OTTO JUNKER GmbH, Lammersdorf 1 Einleitung Beim Walzen von NE-Metall sind Zwischenglühprozesse zur Rekristallisation sowie Endglühprozesse zum Einstellen der geforderten Materialeigenschaften erforderlich. Hierzu haben sich aus mehreren Gründen Schwebebandöfen bewährt. Der wichtigste Grund ist, dass das Band berührungslos der Wärmebehandlung unterzogen wird, wodurch Kanten- und Oberflächenbeschädigungen vermieden werden. Zudem gewährleistet die Wärmebehandlung im Schwebebandofen eine gleichmäßige Erwärmung des Bandes über den Querschnitt und über die Bandlänge und damit eine konstante Produktqualität. Im erforderlichen Temperaturbereich von 6-11 K ist der Wärmeübergang vorwiegend konvektiv. Die Öfen werden indirekt durch gasbefeuerte oder elektrische Strahlrohre beheizt. Für die Atmosphäre im Ofen werden Stickstoff bzw. Stickstoff/Wasserstoff-Gemische verwendet [1, 2]. Bild 1: a) Prinzip einer Junker-Banddurchlaufanlage mit horizontalem Schwebebandofen [1] b) Einzelne Heizzone eines Schwebebandofens; 1-Ventilatoreintritt, 2-Ventilatorkammer, 3,4-untere und obere Strahlrohre, 5,6-untere und obere Beruhigungskammer, 7,8-untere und obere Düsenkästen

2 Bild 1a zeigt den typischen Aufbau der Gesamtanlage eines Schwebebandofens. Neben dem Ofen als Kernstück umfasst die Anlage zur Behandlung von Bändern aus Kupfer und Kupferlegierungen die Ab- und Aufwickelgruppe mit Haspeln, Scheren, Bandverbindungseinrichtungen und Beschickungswagen. Hinzu kommen die Bandspeichertürme für den kontinuierlichen Betrieb während des gesamten Behandlungszeitraumes, auch beim Bund-Wechsel. Eine Entfettungseinrichtung reinigt das Band vor dem Eintritt in den Ofen. Eine Beizbehandlung mit Endreinigung im Anschluss an den Ofen stellt eine metallisch blanke Oberfläche sicher. Gesteuert wird die Anlage durch eine elektrische Steuerung mit Prozessleitsystem. Optional werden die Anlagen zusätzlich mit Richt- oder Dressiereinheiten ausgerüstet. Bild 1b zeigt eine einzelne Heizzone des Schwebebandofens, wie sie Gegenstand der aktuellen Untersuchungen ist. Das Gas strömt durch den Ventilator in den Ofeninnenraum und wird durch die unteren und oberen Strahlheizrohre auf ca. 1 K erwärmt. Von dort tritt das Gas in die Beruhigungskammern und durch die unteren und oberen Düsenkästen, bestehend aus je sechs Einzeldüsen, auf das NE-Metallband. Im Rahmen einer Kooperation zwischen der OTTO JUNKER GmbH und dem IOB wird der Einfluss der Strömung auf das Bandschwebeverhalten u. a. experimentell untersucht. Zu diesem Zweck ist am IOB das Kaltmodell einer einzelnen Zone des Schwebebandofens im Maßstab 1:1 aufgebaut worden. Ziel der Untersuchungen ist es, die Bandkräfte quer zum Bandtransport, d. h. die Tragekraft F z und Rückstellkraft F y (Zentrierwirkung) des Bandes in Abhängigkeit der Düsengeometrie quantitativ zu beurteilen und eine Düsengeometrie zu entwickeln, die eine hohe Stabilität des Banddurchlaufes gewährleistet. 2 Physikalisches Modell Bild 2 zeigt das Kaltmodell des Schwebebandofens. Zwei externe Radialventilatoren mit einer Leistung von je 32 kw führen die Umgebungsluft der unteren und oberen Beruhigungskammer zu. Vor der unteren Beruhigungskammer ist im Verbindungsstück zwischen Ventilator und Kammer ein Strömungsgleichrichter eingebaut. Die Luft für die obere Luftkammer wird durch Schläuche vom Ausblasstutzen des Ventilators aus zugeführt. Das Band wird u. a. durch eine Edelstahlplatte der Abmessungen l B x b B x s B (3 mm x 6-8 mm x mm) simuliert; Breite und Dicke sind in Abhängigkeit des untersuchten Bandsortenspektrums variabel. Der vertikale Abstand zwischen den unteren und oberen Düsenkästen beträgt 12 mm. Dazwischen stellt sich die Bandhöhe h B je nach Ausblasgeschwindigkeit der Düsen ein. Untersucht werden zwei Düsenvarianten A und B, vgl. Bild 4a. Die Düsen bestehen aus jeweils zwei Querschlitzen über die Düsenbreite, welche die Band-Tragekraft garantieren, sowie einer Vielzahl von kleinen Langlöchern, die für den konvektiven Wärmeübergang sorgen. Der Hauptunterschied zwischen den Varianten A und B besteht in den Querschlitzen, deren Öffnungsquerschnitte sich im Fall B in y-richtung ändern. Zwischen jeder Düse sind konvex gebogene e angebracht, die ein direktes Abströmen der Luft zwischen die einzelnen Düsenkästen vermeiden und somit die Band-Tragekraft erhöhen. Zur Simulation der Ofenwände sind Absperrwände seitlich vom Versuchsstand positioniert worden, deren Einfluss auf die Düsenströmung jedoch sehr gering ist. Zur Messung der am Band wirkenden Trage- und Querkräfte wurde ein spezielles Bandaufhängungssystem mit Linearführungen entwickelt. Vierreihige Miniatur-Kugelumlaufeinheiten sorgen für eine reibungsarme Lagerung des Bandes und erlauben dem Band, sich unter dem Einfluss der Düsenströmung in horizontaler und vertikaler Richtung frei zu bewegen. Die Messung der Querkräfte, die quer zur Durchlaufrichtung auf das Band wirken, erfolgt mittels elektrischer Kraftsensoren. Die Bandspannung wird mit einer Bandvorspannungs-Einrichtung eingestellt. Zur Vermeidung des Eintrags von Momenten in die Aufhängung wird das Band mit dem Wagen der Miniatur-Kugelumlaufeinheiten durch ein fixierbares Axialkugelgelenk verbunden [3].

3 47.3 Zur Messung der auf das Band wirkenden Drücke wird dieses durch eine feste Platte simuliert und die Druckverteilung an der Unterseite mittels Wandbohrungen ermittelt. Gemessen wird die Differenz p zwischen dem Gesamtdruck pg am Band und dem Umgebungsdruck p. Ein Nebelgenerator dient als Partikelquelle für qualitative Strömungsvisualisierungen mit der Laser-Lichtschnitttechnik (LLT) und für zweidimensionale laseroptische Strömungsmessungen mit einer Dantec-DPIV-Anlage; die technischen Daten der DPIV-Anlage sind in [4] beschrieben. Erst die Kombination der unterschiedlichen Messtechniken (Strömungsvisualisierung, Druck-, Kraft- und Geschwindigkeitsmessung) liefert detaillierte Aussagen zur Effizienz neuer Düsenkonzepte. Parallel hierzu erfolgen am IOB auch CFD-Simulationen der thermischen Ofenströmung [3]. Für Stickstoff als Prozessgas im Ofen mit einer Temperatur von 1 K und Luft im Kaltmodell bei Umgebungstemperatur liegen unterschiedliche Stoffdaten vor. Es ist notwendig, einen Betriebsparameter festzulegen, für den sowohl die Strömung als auch das Schwebeverhalten des Bandes im Ofen (Index O) und Kaltmodell (Index M) ähnlich sind. Als charakteristischer Parameter wird die mittlere Düsenaustrittsgeschwindigkeit wd gewählt. Im Ofen beträgt wd,o 6 m/s, für das Kaltmodell wird sie anhand der Reynolds- und Euler-Ähnlichkeit definiert gemäß ReO = EuO = w D,O lo ρg,o w l ρ = ReM = D,M,Re M Luft, µg,o µluft po ρg,o w D,O 2 = EuM = pm ρluft w D,M,Eu 2. (1) (2) Die Re-Ähnlichkeit liefert wd,m,re = 7.8 m/s, bei der die charakteristischen Strömungsphänomene im Modell und Schwebebandofen identisch sind. Die Eu-Ähnlichkeit liefert wd,m,eu = 32.5 m/s, bei der das Trageverhalten des Bandes im Modell und Ofen identisch ist [3]. Da das Ziel der Untersuchungen die Optimierung der am Band angreifenden Kräfte ist, wird wd,m,eu für alle Druck- und Kraftmessungen gewählt. Für die laseroptischen Untersuchungen der Wirbelstrukturen zwischen den Düsenkästen wird wd,m,re verwendet. Bild 2: Kaltmodell des Schwebebandofens (Maßstab 1:1); 1,2-untere und obere Beruhigungskammer, 3,4-Düsenkasten, 5,6-e, 7,8-Ventilatoren, 9-Ventilatorensteuerung, 1-linke Bandaufhängung, 11-Messwerterfassung, 12-Nebelgenerator

4 3 Ergebnisse Beispielhaft zeigt Bild 3 die Form des schwebenden Bandes im Kaltmodell des Schwebebandofens für ein dünnes Band (s B =.1 mm) für eine spezifische Bandzugkraft von f Z = 1 N/mm² und w D,Eu = 32.5 m/s. Wegen des Düsenversatzes nimmt das Band von Düsenkasten zu Düsenkasten eine stabile, wellige Form an. Im Modell ist zu sehen, dass Querwellen des Bandes in y-richtung das Bandschwebeverhalten stabilisieren. Bild 3: Physikalische Simulation des Bandverhaltens am Kaltmodell des Schwebebandofens; s B =.1 mm, b B = 8 mm, w D,Eu = 32.5 m/s, h B 6 mm, f Z = 1 N/mm² Informationen über die Bandanströmung erhält man aus Druckmessungen am Band. Zu diesem Zweck wurde ein Druckmesssystem eingesetzt, mit dem die Druckdifferenz p = p g - p an der unteren Bandseite über Wandbohrungen ermittelt wird. Der Messbereich umfasst infolge der Repetierbauweise des Düsensystems eine einzelne Düse mit zwei en. Aufgrund der Symmetrie der Düsen werden die Druckmessungen nur für eine Bandhälfte (y - - Bereich) durchgeführt. Die Ergebnisse für beide Düsenvarianten A und B sind in Bild 4a dargestellt. Es ist zu erkennen, dass für die Düse B ein Druckabfall von p = 425 Pa bis auf 1 Pa entlang der Düsenquerschlitze in y - -Richtung auftritt, wobei dieser Druckabfall für die Düse A deutlich kleiner ist. Austrittsgeschwindigkeit und Volumenstrom sind im Seitenbereich der Querschlitze bei Düse B folglich größer als bei Düse A; allerdings sind die mittleren Austrittsgeschwindigkeiten aus den Langlöchern geringer. Hieraus ist abzuleiten, das zwar das Trageverhalten (Querschlitze) stabiler ist, jedoch der Wärmeübergang (Langlöcher) gemäß dem Zusammenhang q w 2/3 bei Düse B geringer ist [5]. Die Freistrahlen aus den Querschlitzen und Langlöchern treffen auf das Band und werden dort in horizontaler Richtung umgelenkt. Durch das Zusammenspiel der Strömung benachbarter Düsen werden im Bereich der e bei x = -25 mm bis -1 mm bzw. x = 1 mm bis 25 mm Wirbelwalzen induziert, die einen deutlichen Unterdruck von ca. p = -25 Pa verursachen. Dieser Effekt verstärkt die Bandwelligkeit. Die Wirbelwalzen sind in Bild 4b bei einer reduzierten Düsenaustrittsgeschwindigkeit mit der Laser-Lichtschnitttechnik qualitativ visualisiert worden. Eine Übersicht über die Lage des Lichtschnittes zeigt Bild 4c. Die Blickrichtung erfolgt unter einem Winkel von ca. α = 1, um die in Vorwärtsrichtung höhere Lichtstreuung an den Partikeln auszunutzen. An der Stelle (1)

5 47.5 wird das Fluid aus dem Langloch mit wd = 2.75 m/s ausgeblasen, bei (2) bildet sich ein Staupunkt. Bei (4) und (4*) entstehen ruhigere Zonen mit niedriger Geschwindigkeit. Die Strömung in (3) und (3*) ist asymmetrisch, weil die Langlöcher ebenfalls asymmetrisch angeordnet sind. Von (3*) strömt die Luft abwärts und bildet bei (7) direkt vor dem Düsenquerschlitz eine Verwirbelung. Bei (5) und (5*) strömt das Fluid aus den Querschlitzen aus und induziert bei (6) die bereits erwähnte Wirbelwalze über dem. a) b) Band 2 3* 5* 6 7 c) 3 4* 4 1 Düse 5 Ansicht Düse Düsenblech Düsenöffnung Band α Laserschnitt Düsenblech Band x z Düse Düse y Bild 4: Druckmessungen und Strömungsvisualisierungen; bb = 8 mm, hb = 6 mm a) Differenzdruckverteilung p = pg p am Band für Düsen A und B, wd,eu = 32.5 m/s b) Strömungsvisualisierung (LLT) für Düse B, wd = 2.75 m/s, y = (Mittelschnitt) c) Übersichtskizze für die Strömungsvisualisierung (LLT) der Düse B

6 a) Düse A, y = (Mittelschnitt) 7.8 m/s 6 Band 4 zinmm 2 Düsenkappe Langloch -5 b) Düse A, y = 35 mm (Außenschnitt) 6 4 zinmm 2 Düsenkappe c) Düse B, y = (Mittelschnitt) Langloch 4 zinmm 2 Düsenkappe Langloch -5 d) Düse B, y = 35 mm (Außenschnitt) 6 4 zinmm Düsenkappe 5 Langloch Bild 5: DPIV-Geschwindigkeitsmessung (u,w) für die Düsen A und B; b B = 8 mm, w D,Re = 7.8 m/s, h B = 6 mm

7 Bild 5 zeigt die mit der DPIV-Anlage gemessenen Geschwindigkeiten im Mittelschnitt (y = ) und Außenschnitt (y = 35 mm) des Ofen-Kaltmodells mit den Düsenvarianten A und B. Die Aufnahmen erfolgen mit zwei nebeneinander montierten CCD-Kameras mit überlappendem Bildbereich. Pro Messreihe werden 15 Doppelbilder mit einer Frequenz von 5 Hz erfasst und ausgewertet. Die Kreuzkorrelation wird mit Auswertefenstern von 64 x 64 Pixel bei 75%iger Überlappung durchgeführt. Zur besseren Übersicht wird in Bild 5 nur jeder zweite Geschwindigkeitsvektor dargestellt. Wie Bild 5a zeigt, tritt das Fluid mit w D,Re = 7.8 m/s aus dem Langloch aus, wird am Band umgelenkt und strömt wieder abwärts. Über der Düsenkappe bildet sich bei beiden Düsenvarianten ein Wirbel mit Zentrum bei x,z = 5,3 mm. Die Wirbelwalze liegt über dem mit Zentrum bei x,z = 175,1 mm (Düse A, Bild 5a) bzw. x,z = 19,1 mm (Düse B, Bild 5c) und induziert dort einen Unterdruck. Im Mittelschnitt ist die Ausströmung aus den Querschlitzen für beide Düsen gering, wie die Druckmessungen bereits gezeigt haben. Im Außenschnitt (y = 35 mm) nimmt die Ausströmgeschwindigkeit, sowohl aus den Langlöchern als auch aus den Querschlitzen, zu. Das Zentrum der Wirbelwalze über dem verlagert sich entsprechend der konvexen Form geringfügig nach oben, verschiebt sich aber auch in x-richtung. Für Düse A wandert es zum Punkt x,z = 195,3 mm, für Düse B zum Punkt x,z = 18,3 mm. Bei Düse B sind die mittleren Geschwindigkeiten aus dem Querschlitz höher und aus dem Langloch geringer als bei Düse A. Die Lage der Wirbelzentren über dem korreliert exakt mit der Lage der gemessenen Druckminima, vgl. Bild 4a. Der Einfluss der Druckverteilungen der Düsen A und B auf die am Band angreifenden Kräfte wird durch integrale Messungen der Querkraft F y am Band untersucht. Zur Simulation des Bandverhaltens wird ein b B = 8 mm breites, l B = 3 mm langes und s B = 1.25 dickes Band (ρ B = 8 kg/m³) in das Kraftmesssystem eingespannt, schrittweise aus der mittleren Position (y = ) in beide y-richtungen (y +,y - ) ausgelenkt und F y in jeder Position gemessen. In Bild 6 ist die F y -Verteilung für beide Düsen dargestellt. Da die e einen großen Einfluss auf die Druckverteilung haben, wurde bei der Düse B auch die F y -Verteilung ohne e gemessen. selbstzentrierender Bereich Düse B Bild 6: Querkraftverteilung F y am Band in y-richtung für Düse A und B; b B = 8 mm, l B = 3 mm, s B = 1.25, ρ B = 8 kg/m³, w D,Eu = 32.5 m/s

8 Für die Düse A steigt F y mit der Auslenkung linear an. Im untersuchten Messbereich treten keine Rückstellkräfte auf, d. h. das Band kehrt nach der Auslenkung aus dem mittleren Bereich von y = -25 mm bis 25 mm nicht eigenständig in die Ausgangslage zurück. Es liegen keine selbstzentrierenden Schwebeeigenschaften des Bandes vor. Für die Düse B treten im Messbereich von y = -17 mm bis 12 mm Rückstellkräfte auf. Die maximale Rückstellkraft für die Auslenkung in y - -Richtung beträgt ca. 1 N und in y + -Richtung ca. 6 N. Die für Düse B charakteristische Selbstzentrierung, verursacht durch die zur Seite hin zunehmende Impulskraft auf das Band, garantiert im Ofen eine gute horizontale Bandstabilität. Die Messung der F y -Verteilung der Düse B ohne e zeigt, dass sowohl die Rückstellkraft als auch der selbstzentrierende Bereich des Düsensystems für den Betrieb ohne e größer ist. Allerdings ist in diesem Fall das Trageverhalten des Bandes deutlich kleiner. 4 Zusammenfassung Die kombinierten Druck-, Kraft- und Geschwindigkeitsmessungen sowie Strömungsvisualisierungen am Kaltmodell (Maßstab 1:1) eines Schwebebandofens geben einen detaillierten Einblick in die Physik der Strömung und dienen dem Verständnis sowie der Optimierung des Schwebeverhaltens des Bandes. Das Ziel ist es, die Bandkräfte quer zum Bandtransport, d. h. die Tragekraft und Rückstellkraft (Zentrierwirkung) des Bandes in Abhängigkeit der Düsengeometrie quantitativ zu beurteilen und eine Düsengeometrie zu entwickeln, die eine maximale Stabilität des Banddurchlaufes gewährleistet. Es zeigt sich, dass die Düsengeometrie einen großen Einfluss auf das Schwebeverhalten des Bandes besitzt. Eine Rückstellkraft, die der Bandauslenkung quer zur Durchlaufrichtung im Ofens entgegen wirkt, kann durch eine gezielte Düsengeometrie mit variablen Querschlitzen realisiert werden. Das Konzept B dient als Ausgangspunkt zur weiteren Optimierung der Düsengeometrie. Dank Die Autoren danken der Otto Junker Stiftung, Lammersdorf, für die finanzielle Unterstützung der durchgeführten Arbeiten. Literatur [1] Interne Mitteilung, Firma Otto-Junker GmbH, Lammersdorf [2] Berns, K.: Theoretische Grundlagen zur Auslegung eines Bandschwebedüsensystems, Infoblatt der Firma Otto Junker GmbH, Lammersdorf [3] Hornig, K.; Bölling, R.; Odenthal, H.-J.; Pfeifer, H.; Berns, K.; Schmitz, K.: Strömungssimulation eines Schwebebandofens für NE-Metallbänder, GASWÄRME International Vol. 52 (23), Nr. 5, S [4] Odenthal, H.-J.; Bölling, R.; Pfeifer, H.: Analyse dynamischer Strömungsphänomene im Stranggießverteiler mit Turbostopper mittels LDA-, PIV- und CFD-Methoden, 9. GALA Fachtagung, Lasermethoden in der Strömungsmeßtechnik, Shaker Verlag, Winterthur (CH), , S [5] VDI: VDI-Wärmeatlas, Springer Verlag, 1997