CN107429309A - 用于反应控制的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对钢带(5)进行退火的连续退火炉(1)，包括反应室(2)，其中钢带(5)在反应室中竖直输送，所述反应室(2)包括供给反应物的开口(4)，也称作反应物开口，该反应物开口位于反应室(2)的顶部或底部，其中反应室(2)还包括供给惰性气体的其它开口，也称作惰性气体开口(3)，所述惰性气体开口位于反应室(2)的侧向侧上。

Description

用于反应控制的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制在连续镀锌或退火生产线上输送的钢板上的表面反应的装置和方法。
背景技术
高强度钢种通常包含高含量的诸如硅、锰和铬等元素(其重量百分比通常分别在0.5至2％；1.5至6％，以及0.3至1％之间)，由于这些元素在浸入镀锌槽之前的退火期间会形成氧化层，因此使得其难以涂覆。当浸没在槽内时，该氧化层会损害钢表面的润湿能力。结果是一些区域未涂覆，且涂层的粘合性差。
一种用于改进这些钢种的润湿的众所周知的方法是，当钢的温度通常在600至750℃之间时，在特定腔室内将钢表面完全氧化。得到的氧化层包括大量氧化铁，在退火炉的加热和保持区段结束以及接下来的热处理期间，氧化铁被还原。目标是获得大约50至300nm的氧化物厚度，该厚度与规格低于2gr/m2的氧化铁对应。
在还原步骤之前，有不同方式来将钢表面氧化。例如，能在利用过量空气进行燃烧的直接加热炉内进行该氧化。另一种方式是在位于退火炉中间且供给氮和氧化剂的混合物的专用腔室内进行该氧化。专利EP2010690Bl以及图1中描述了这种实施方式。氧化区段通过密封件与退火炉的其它部分分离，以使第一和最后区段内氧化剂的引入最小化。
必须小心控制氧化层的形成以避免形成的层过厚或过薄。在第一种情况下，由于时间不足，退火炉的最后部分内的还原可不完全。还已知的，在这种情况下，氧化物可粘附于炉辊，产生缺陷。在第二种情况下，由于无法充分抑制合金元素的氧化，氧化层并非足够有效，因此液态金属槽内的润湿未得到充分改进。
氧化层的形成由三个主要参数指导：钢带温度、腔室大气中的氧气浓度以及所述氧气至钢表面的输送。由于钢板边缘与钢板中心的边界条件和湍流不同，因此向边缘的氧化剂输送也不同。与处理线中的边缘冷却程度较高相似，以往边缘的氧化程度较高。取决于氧化室的设计以及所使用的工艺参数，受该过氧化影响的宽度在1至10cm的范围内。
为了获得均匀的氧化物厚度，因此需要具有可控系统，其还能够适应连续镀锌生产线上钢带宽度的频繁变化(通常为900至2000cm)。
机械系统能设计成具有可变注入区段，但是由于钢带的高温以及引起的材料热膨胀，该方法在工业上并不可靠。还已知了由于并非所有钢板均需要这种氧化处理，因此仅能偶而使用氧化室，这成为了实际问题。
附图说明
以下将基于示例性附图更详细地描述本发明。本发明并不限于示例性实施方案。
本文描述和/或图示的所有特征在本发明的在实施方案中均能单独使用或组合成不同组合。通过参考附图阅读以下详细描述，本发明的各种实施方案的特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示意性地示出了根据现有技术水平的包括氧化区段的退火炉。
图2示意性地示出了根据本发明的具有用于注入惰性气体的侧向侧开口的氧化室。
图3示出了根据本发明的具有用于注入氧化剂的横向开口的氧化室的上部部分。
图4示出了根据本发明的一个实施方案的具有增强件的氧化室的横向开口。
图5示出了根据本发明的一个实施方案的具有抽取开口的氧化室的下部部分。
图6示出了根据本发明的另一个实施方案的具有抽取开口的氧化室的下部部分。
图7示出了未侧向注入惰性气体时氧化层的每单位面积的质量随着钢带宽度的演变。
图8示出了侧向注入惰性气体时氧化层的每单位面积的质量随着钢带宽度的演变。
图9示出了根据本发明的用于独立调节氧化室的每一个侧向侧的惰性气体流的控制机构和用于控制在氧化室顶部注入氧化剂的控制机构。
发明内容
本发明涉及一种用于对钢带进行退火的连续退火炉，包括反应室，在反应室中，钢带竖直地输送，所述反应室包括供给反应物的开口，也称作反应物开口，，该开口位于反应室的顶部或底部，其中反应室还包括供给惰性气体的其它开口，也称作惰性气体开口，所述惰性气体开口位于反应室的侧向侧上。
根据特定优选实施方案，根据本发明的退火炉进一步公开了以下特征的至少其中之一或合适的组合：
-惰性气体开口以这样的方式定位：位于来自反应物开口的反应物流的下游；
-反应室的每一个侧向侧上其包括一个或数个惰性气体开口；
-其包括用于控制惰性气体的流动和惰性气体温度的机构；
-其包括用于独立控制反应室每一个侧向侧的惰性气体的流动的机构；
-反应室包括用于避免反应室内部压力过大的抽取开口，所述抽取开口以这样的方式定位：位于分别从反应物开口和惰性气体开口离开的反应物流和惰性气体流的下游；
-反应室的侧向侧与钢带边缘之间的距离在75至220mm之间，优选在100至200mm之间，更优选为100mm；
-反应室包括面向钢带每一侧的反应物开口；
-反应室为氧化室，反应物为氧化剂。
本发明还涉及一种用于控制在钢带上的表面反应的方法，该钢带竖直运行穿过上述退火炉的反应室，包括以下步骤：在反应室内侧向地注入惰性气体，以及在所述反应室内的惰性气体流的上游注入反应物。
根据特定优选实施方案，根据本发明的方法进一步公开了以下特征的至少其中之一或合适的组合：
-反应室为氧化室，反应物为氧化剂，其中氧化剂的氧含量以体积计在0.01至8％之间，优选在0.1至4％之间；
-惰性气体流在5至70Nm3/h之间，优选在10至60Nm3/H之间；
-当通过在反应室顶部注入反应物来进行钢带的反应时，惰性气体的温度在低于钢带温度的200至50℃之间，以及其中，当通过在反应室底部注入反应物来进行钢带的反应时，惰性气体的温度在高于钢带温度的200至50℃之间；
-存在抽取气体(包含惰性气体和反应物)的步骤，抽取流量基于反应室内部与炉的其它部分之间的压力差计算。
最后，本发明还涉及一种通过上述方法获得的钢带，其中钢带在氧化室的出口处具有氧化层，该氧化层每单位表面区域的质量从钢带中心处的值至钢带边缘的最大值之间的增量小于15％，优选地小于10％。
具体实施方式
本发明旨在提供一种用于控制板材边缘的表面反应的无机械系统的装置和方法。表面反应可以是能在退火炉的区段内发生的任何反应，如还原反应或氮化反应，其中区段供给合适的反应物。实际上，无论是何种类型的反应物，均存在板材边缘形成的层的厚度不同的问题。例如，以下说明了用于控制供给氧化剂的氧化室内发生的表面反应的方法和装置。
退火炉包括氧化室，氧化室设有用于调控板边缘附近的区域内的大气(atmosphere)的氧气浓度的机构。根据本发明的氧化室可用于连续镀锌生产线和无热浸镀锌设施的连续退火生产线。在连续退火生产线的情况下，能进一步对未涂覆钢板进行酸洗以除去退火期间形成的氧化层。
根据本发明的方法是，通过氧化室的侧以限定的流量和温度注入惰性气体。为此，且如图2所示，除了用于注入氧化剂介质(也称作氧化剂)的横向开口4之外，氧化室2还包括用于注入惰性气体的侧向侧开口3。如此，根据由侧向注入惰性气体导致的稀释速率，能在边缘区域增大或减小横向地注入的氧化剂的水平。此外，且如以下详细所述，氧化室能进一步包括用于在横向开口的相对侧抽取流体以避免室内压力过大的开口。
根据本发明的实施方案，氧化室的侧向开口可以是孔的形式，且氧化室的每一个侧向侧能设置一个、两个或两个以上的孔。根据其它实施方案，开口可以是狭槽形式或适于注入气体的任何形式。
此外，氧化室能设有用于独立控制每一个侧向侧的惰性气体流的机构。
出于以下解释的原因，用于穿过氧化室注入氧化气体的横向开口优选位于室的顶部。板材的每一侧均具有开口。根据图3所示的本发明的实施方案，横向开口4为狭槽形式，但根据其它实施方案，横向开口4可具有其它形状。此外，开口4可设有增强件6以使开口4的几何形状保持恒定，如图4所示。
在横向开口的相对侧，即氧化室的底部处，如果氧化剂注入在顶部实行，则氧化室包括抽取开口7以当流体不再循环时减小室内的压力。在板材每一侧上的抽取开口7可以是狭槽形式，如图5所示，或可以是圆形、正方形或矩形开口，如图6所示。
氧化室在其入口和出口处还包括辊或相似的密封系统，以将该室的大气与退火炉的其它部分独立，并且从而使退火炉的其它部分内的氧化剂的流动最小化。为了简单起见，图3、5和6中仅示出了距氧化室最近的一半辊8。此外，氧化室是隔热的，但如果需要，可增添一些加热装置来补偿热损失。
作为示例，氧化室的典型尺寸如下。长度为3至5m之间并具有宽度，该宽度比将运行的带材的最大宽度宽约150mm。对于带材的最大宽度为1850mm时，典型的设计为2m。氧化室的壳体与带材之间的最小距离为75至220mm，优选为100至200mm，更优选为100mm。
如图2所示，钢板5竖直地穿过氧化室2。根据退火炉的总体布局，板材能向上或向下移动。氧化气体由N2和O2的混合物构成，氧含量以体积计在0.01与8％之间，优选在0.1与4％之间，通过横向开口4注入该氧化气体。氧化剂的流量、温度和浓度是受控的。对于10mm宽、2m长的狭槽，每一侧的流量通常在150至250Nm3/h之间。N2+O2的混合物的温度为带材温度之下的200℃至50℃之间，以利用浮力原理。优选地，对于在700℃的带材的温度，混合物的温度在580至600℃之间。温度低于带材的气体会向下移动，因此横向开口位于氧化室的顶部。由于紧挨氧化室的侧向侧且在带材边缘外部的区域内无氧气消耗，因此与板材的中心部分相比，在板材的边缘上导致较厚氧化层的那些部分中的O2浓度更高。窄钢板尤其如此。为了解决该问题，经由氧化室的侧向开口在氧化剂注入的下游注入少量纯惰性气体，如N2或Ar。根据带材等级、带材宽度、氧含量以及主氧化剂的流量来控制和调整惰性气体的流速和温度。每个侧向侧通过一个或多个开口供应的总流通常在5至70Nm3/h之间，优选在10至60Nm3/H之间。流体温度为带材温度之下的200℃至50℃之间，以利用浮力原理。优选地，带材的温度为700℃时，目标温度在580至600℃之间。因此，惰性气体流也向下移动。
以下模拟说明了根据本发明的方法和装置根据本发明在板材的整个宽度均匀分配氧化层的效率。
图7示出了具有特定成分的宽1050mm的带材上的典型FeO形成，其中带材在700℃的温度以120mpm的速度在3米长和2米宽的氧化室内运行，在600℃的温度下每一侧的氧化剂流量为160Nm3/h且包含1％的O2。在带材的边缘处，氧化层的每表面单元的质量增加大约30％以上。
在条件相似但是在600℃的温度下以40Nm3/H的速率在氧化室的每一个侧向侧注入惰性气体的情况下，氧化物的均匀性得以提高，如图8所示。在这种情况下，带材中心处的值与带材边缘处的最大值之间的增量小于10％。根据本发明，目标是带材中心处的值与边缘的最大值之间的增加小于15％，优选小于10％。
如上所述，为了实现恰当效率，需要用带材宽度和处理质量来调整主氧化剂和惰性气体的合适流量和温度。
通过控制阀和流量计来控制每个流量。具有温度传感器，且通过使用气体、电或其它方式的热交换器来达到温度。注入的总气体(氧化气体和惰性气体)可再循环或不循环。氧化室内的压力通过密封装置内的流体抽取来控制，但当流体不循环时，还可以通过抽取狭槽来控制。这使得避免了氧化室内压力过大，且避免了氧化剂在退火炉其它部分内出现氧化剂流。通过控制氧化室内部相对于退火炉其它部分内的压力来调整抽取流量。可在符合图9所示PID原理的情况下进行典型的流量控制。通过安装在氧化区段之后的专用系统横跨带材宽度来测量氧化物的厚度，也就是说在氧化室外部，并最终在带材的每一侧。
已经图示并描述了本发明，氧化室具有位于其顶部的横向开口，氧化剂和惰性气体因其温度低于带材的温度而向下移动。本描述还涵盖横向开口位于氧化室底部的构造。在这种情况下，抽取区域必须设置在氧化室的顶部，且必须以高于带材温度的温度对惰性气体和主氧化剂加热以使得惰性气体和主氧化剂向上移动。类似地，侧向开口设置在氧化剂流的下游。
虽然已在附图和以上描述中详细地说明并描述了本发明，但是这种说明和描述应理解为是说明性或示例性而非限制性的。应理解，在以下权利要求的范围内，本领域的技术人员可进行改变和修改。具体而言，本发明涵盖具有来自上述和下述不同实施方案的特征的任意组合的进一步实施方案。
权利要求中使用的术语应解释为具有符合以上描述的最宽泛、合理的解释。例如，元件前使用的冠词“一”或“一个”不应解释为排除多个元件的存在。同样，表述“或”应解释为包括性的，以便表述“A或B”不排除“A和B”，除非根据上下文或以上描述很清楚仅意在包括A和B的其中之一。
附图标记
(1)退火炉
(2)反应区段，也称作反应室，尤其是氧化区段或室
(3)用于注入惰性气体的侧向开口，也称作惰性气体开口
(4)用于注入反应物(尤其是氧化剂)的横向开口，也称作反应物开口
(5)带材或板材
(6)横向开口内的增强件
(7)抽取开口
(8)密封辊
(9)镀锌槽
(10)加热机构
(11)阀

Claims (15)

1.一种连续退火炉(1)，用于对钢带(5)进行退火，所述退火炉包括反应室(2)，在所述反应室内所述钢带(5)竖直地输送，所述反应室(2)包括称作反应物开口(4)的供给反应物的开口，所述反应物开口位于所述反应室(2)的顶部或底部，
其中，所述反应室(2)还包括称作惰性气体开口(3)的供给惰性气体的其它开口，所述惰性气体开口(3)位于所述反应室(2)的侧向侧上。
2.根据权利要求1所述的炉，其中，所述惰性气体开口(3)定位成位于来自所述反应物开口(4)的反应物流的下游。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的炉，包括位于所述反应室(2)的每一个侧向侧上的一个或数个所述惰性气体开口(3)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的退火炉，包括用于控制惰性气体的流动和惰性气体的温度的机构。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的退火炉，包括用于独立控制在所述反应室(2)的每一个侧向侧上的惰性气体的流动的机构。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的退火炉，其中，所述反应室(2)包括用于避免所述反应室(2)内压力过大的抽取开口(7)，所述抽取开口(7)定位成位于分别从所述反应物开口(4)离开的反应物流和从所述惰性气体开口(3)离开的惰性气体流的下游。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的退火炉，其中，所述反应室(2)的侧向侧与所述钢带(5)的边缘之间的距离为75至220mm之间，优选为100至200mm之间，更优选为100mm。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的退火炉，其中，所述反应室(2)包括面向所述钢带(5)的每一侧的反应物开口(4)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的退火炉，其中，所述反应室(2)为氧化室，所述反应物为氧化剂。
10.用于控制在钢带(5)上的表面反应的方法，所述钢带竖直地运行穿过根据前述权利要求中的任一项所述的炉(1)的所述反应室(2)，所述方法包括：在所述反应室(2)内侧向地注入惰性气体的步骤，以及在所述反应室(2)内的惰性气体流的上游注入反应物的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述反应室(2)为氧化室，所述反应物为氧化剂，所述氧化剂的氧含量按体积计包含在0.01至8％之间，优选在0.1至4％之间。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述惰性气体流在5至70Nm3/h之间，优选在10至60Nm3/H之间。
13.根据前述权利要求10至12的任一项所述的方法，其中，当通过在所述反应室(2)的顶部注入所述反应物来进行所述钢带(5)的反应时，所述惰性气体的温度在低于所述钢带的温度的200至50℃之间，以及其中，当通过在所述反应室(2)的底部注入所述反应物来进行所述钢带(5)的反应时，所述惰性气体的温度在高于所述钢带的温度的200至50℃之间。
14.根据前述权利要求10至13中的任一项所述的方法，其中，存在抽取包含所述惰性气体和所述反应物的气体的步骤，基于所述反应室(2)内部与所述退火炉(1)的其它部分之间的压力差计算所述抽取的流。
15.钢带(5)，所述钢带通过根据前述权利要求11至14中的任一项所述的方法获得，其中，所述钢带(5)在氧化室(2)的出口处具有氧化层，所述氧化层在所述钢带的中心处的每单位表面区域的质量的值与在所述钢带的边缘处的每单位表面区域的质量的最大值之间的增量小于15％，优选地小于10％。
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