Reinigung gewalzter Bänder

Technik/Oberflächen und Kanten

Die Anforderung an die Qualität gewalzter Bänder ist in den letzten Jahren stetig gestiegen. In zunehmendem Maße gilt es, strengere Vorgaben bezüglich Restöl- und Restschmutzgehalt (metallischer Abrieb) der Oberflächen einzuhalten.

29. August 2017
Im HIP-Cleaningmaster wurden verschiedene Parameter untersucht. Bildquelle: Breuer
Bild 1: Reinigung gewalzter Bänder (Im HIP-Cleaningmaster wurden verschiedene Parameter untersucht. Bildquelle: Breuer)

Mit dem HIP-Cleaningmaster gelang es, ein neues Verfahren zur Reinigung und Entfettung von Bandoberflächen zur Produktionsreife zu entwickeln. HIP steht für ›High Impact‹ (hoher Strahldruck). Damit können Entfettungs- und Reinigungsaufgaben mit geringem Platz-, Energiebedarf und kleinen Medienvolumenströmen erfolgreich gelöst werden.

Kernstück des Verfahrens ist eine rotierende Düsenwalze, an deren Oberfläche Düsen entlang einer Schraubenlinie angebracht sind. Die Düsenwalze wird über eine Hochdruckpumpe mit Wasser als Reinigungsmedium versorgt und ein integriertes Steuersystem sorgt dafür, dass nur die Düsen, die nahezu senkrecht zum Band stehen, mit Medium versorgt werden. Wird diese Düsenwalze in Drehbewegung versetzt, ›wandert‹ ein Reinigungsstrahl von der einen zur anderen Bandkante. Bei etwa 1.000 min-1 wird die Oberfläche folglich in einer Minute 1000 Mal abgezeilt.

Drei aus der Strömungsmechanik bekannte Prinzipien kombiniert ermöglichen ein viel besseres Reinigungsergebnis als ein stationärer Strahl:

• unterbrochener Strahl

• rotierender Strahl

• hoher Strahldruck

Darüber hinaus liegt der erforderliche Volumenstrom des Reinigungsmediums bei etwa einem Zehntel des Volumenstroms einer klassischen alkalischen Entfettung auf der Basis Spritzreinigung – Bürstreinigung – Kaskadenspülung. Die kompakte Bauweise reduziert den Platzbedarf auf etwa zwei bis drei Meter. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, eine effektive Reinigung in schon vorhandene Bandanlagen zu integrieren und somit einen eventuell notwendigen zusätzlichen Prozessschritt einzusparen.

Die Medienkreisläufe sind so gestaltet, dass der Wasserverbrauch durch erprobte Feststoffseparationstechnik in Kombination mit einer Öl-Wasser-Phasentrennung sehr gering gehalten wird. Der Medienkreislauf ist nahezu geschlossen. Auf ›Chemie‹ in Form alkalischer Reiniger oder Tenside wird bewusst verzichtet.

Zunächst wurde ein Prototyp des Cleaningmaster entwickelt und als Laboranlage für Blechstreifen gebaut. In Kooperation mit dem Institut für Strömungsmechanik der Bergischen Universität Wuppertal wurden umfangreiche theoretische und praktische Untersuchungen durchgeführt. Ergänzend wurden Simulationsrechnungen eingesetzt, die es ermöglichen, Messwerte in einem semiphysikalischen Modell zu beschreiben und somit auch zu Ergebnissen außerhalb des Messbereichs zu gelangen.

Die folgenden Parameter wurden untersucht und variiert:

• Düsengeometrie

• Pumpendruck

• Abstand Düse-Probe

• Auftreffwinkel

• Bandgeschwindigkeit

• Drehzahl Düsenwalze

• Viskosität des Öls

Als Maß für den Reinigungseffekt wurden der Restölgehalt und die Oberflächenenergie (›Tintentest‹) ermittelt.

Mit zunehmendem Düsendruck verbessert sich das Reinigungsergebnis. Als optimal hat sich ein Düsendruck im Bereich von 100 bar herausgestellt. Höhere Drücke sind zwar prinzipiell möglich, haben aber Nachteile.

Mit wachsendem Düsenabstand vergrößert sich die Strahlfläche, sodass der Strahldruck und damit der Reinigungserfolg abnehmen. Der Düsenabstand ist so zu wählen, dass eine leichte Überlappung erzeugt wird.

 Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kontaktzeit unabhängig von der Drehzahl ist. Die Tatsache, dass das Reinigungsergebnis mit zunehmender Walzendrehzahl bei gleicher Kontaktzeit besser wird, resultiert aus der zunehmenden Zahl der Auftreffimpulse. Je schneller die Walze dreht, desto öfter trifft ein Strahl auf eine Stelle auf. Ein analoges Verhalten beobachtet man, wenn ein stationärer Strahl unterbrochen wird. Laut Literatur ist dieses Phänomen des pulsierenden Strahls eingehend untersucht und bestätigt.

Die Bandgeschwindigkeit beeinflusst die Kontaktzeit des Reinigungsstrahls und damit auch das Reinigungsergebnis maßgeblich. Allerdings liegt hier eine logarithmische Abhängigkeit vor. Das heißt, dass bei höheren Bandgeschwindigkeiten der Einfluss der Geschwindigkeit geringer ist als bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten.

Sowohl die theoretischen Betrachtungen als auch die praktischen Versuche mit Ölen unterschiedlicher Viskosität haben gezeigt, dass sich dünnflüssige Öle wie Walzöl hervorragend entfernen lassen. Zähflüssige Öle mit Viskositäten größer 60 cSt hingegen lassen sich schwerer entfernen. In solchen Fällen wäre eine Doppeldüsenwalze sicherlich von Vorteil.

Neben dem Restölgehalt auf der Bandoberfläche ist auch die Oberflächenspannung der gereinigten Oberfläche ein Maß für den erzielten Reinigungseffekt.

Bei der Bandreinigung mit dem Cleaningmaster wurden bereits bei dem relativ geringen Düsendruck von 50 bar Oberflächenspannungen von etwa 44 mN/m erzielt. Diese Werte lassen sehr gute Haftungsergebnisse zum Beispiel beim Kleben oder Beschichten erwarten.

Eine Komplettanlage des Reinigungs- und Entfettungssystem Cleaningmaster besteht aus dem Walzenpaar als Einzel- oder Doppelpaar, einem Ab-quetschwalzen-Paar und einer nachgeschalteten Bandtrocknung. In der einfachsten Ausführung beträgt die Anlagenlänge etwa drei Meter.

Der Medienteil besteht aus einem Sammelbehälter, dem ein Bandfilter vorgeschaltet ist. Im Nebenstrom werden je nach Aufgabe unterschiedliche Filter und Separationskomponenten integriert. Hierzu zählen Tellerseparatoren, Mikro- oder Ultrafeinfilter und Skimmer. Die Medienbefüllung erfolgt üblicherweise mit vollentsalztem (VE-)Wasser. Die Nachdosierung kann über eine externe VE-Wasserleitung oder über eine kleine Umkehrosmoseanlage realisiert werden.

Das von den im Nebenstrom arbeitenden Komponenten erzeugte Filtrat wird in einem Reintank gesammelt. Von dort wird es entweder in den Sammelbehälter gepumpt oder es wird nach der Düsenwalze auf das Band gesprüht und läuft von dort in den Sammelbehälter.

Die Hochdruckpumpe zur Versorgung der Düsenwalze saugt über eine Vordruckpumpe aus dem Vorlagebehälter ab und liefert konstanten Volumenstrom mit einem vorgewählten Druck. Zum Schutz der Hochdruckpumpe ist dieser ein Beutelfilter vorgeschaltet.

Dr. Patrick Elsen, Breuer; Dr. Bernd Berger, Bebcon-Kaarst;Chethan Mohan Kumar M.Sc., Bergische Universität Wuppertal

Hintergrund

Seit über 50 Jahren entwickelt BREUER Maschinen und Anlagen zur Oberflächenbearbeitung für gewalzte Bänder. Das mittelständische Unternehmen ist weltweit tätig und hat mit seinen Produkten Bandschleifmaschinen, Bürstmaschinen und Poliermaschinen die Ansprüche von über 100 Kunden erfüllt. An Bandreinigungs- und Entfettungsanlagen werden je nach Folgebearbeitung unterschiedliche Ansprüche hinsichtlich Restölgehalt und. Metallabrieb gestellt. Speziell die Reinigung geschliffener Oberflächen erweist sich aufgrund der Schleifstruktur als aufwendig.

Erschienen in Ausgabe: 05/2017