CN1252518A - 连续热处理炉的密封装置及密封方法 - Google Patents

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Abstract

一种密封辊装置,使具有连续地加热和冷却带状材料的数个热处理区域的连续热处理炉中的该热处理区域相互间保持密封状态,该密封辊装置由至少一对内部水冷式密封辊和间隔壁形成密封室,上述一对密封辊与带状材料表里面之间留有间隙地相向配置,上述间隔壁分别设在密封辊的入口侧和出口侧,具有用于通过带状材料的开口部。可以在不使穿炉材料产生表面缺陷等质量劣化现象的情况下提高密封性能。

Description

连续热处理炉的密封装置及密封方法
本发明涉及一种在对带状热处理材料例如钢或铝等金属带连续地进行热处理的连续热处理炉内，防止该炉内热处理区域的保护气体泄漏的密封辊装置及密封方法。
连续热处理炉基本上由将带状材料加热到规定温度进行退火处理的加热区域、和将退火处理后的高温材料冷却到室温的冷却区域构成。作为其典型例子的冷轧钢带连续热处理炉如图3所示，依次配置下述各段：对加热段14的废气显热进行回收和热交换并对钢带S进行预热的预热段15；将钢带S加热到规定温度的加热段14；对加热到规定温度的钢带S进行均热的均热段16；对均热后的钢带S进行缓冷的缓冷段17；在过时效段处理前进行快速冷却的快速冷却段18；进行过时效处理的过时效段19以及将过时效处理后的钢带S最终冷却到室温的最终冷却段20。预热段15-均热段16构成加热区域，缓冷段17-最终冷却段20构成冷却区域。
经过冷轧而加工硬化的钢带S通过设置在炉内的炉底辊21依次通过预热段15-最终冷却段20的各处理区域而进行退火处理。这时，对不需要过时效处理的材料进行热处理时，往往将过时效段作为缓冷段使用。
在退火处理过程中，若钢带表面发生氧化，则有损于产品质量，故一般在连续热处理时，在炉子的各处理区域设置供气路线22a-22f和排气路线23a-23g，用无氧化性的保护气体充满炉内而调整成为无氧化气氛。这时，一般在钢带热处理时使用氢气和氮气的混合气体(称之为HN气体)作为保护气体。
在这种连续热处理炉中，有时在加热或冷却区域相邻的各处理区域相互间要改变保护气体进行热处理。
例如，作为改善低碳钢时效性的措施，例如特公昭55-1969号公报和特开平6-346156号公报公开了这样一种方法，即为了在过时效处理前的快速冷却段提高冷却速度，提高快速冷却段内循环使用的冷却气体中的含氢浓度，使传热率提高。
在上述公报所公开的工艺中，在含氢浓度高的快速冷却段内的保护气体向与快速冷却炉相邻的缓冷段或过时效段泄漏的情况下，为了使快速冷却段内保持高的氢浓度，必须供给大量的氢气。因此，必须在快速冷却炉与相邻的缓冷段和过时效段之间设置防止不同成份保护气体相互混合的密封装置。
图4是示意性地表示以往为了遮断连续退火炉的保护气体而设置的密封辊装置的一例。在图4中，钢带S的表里面上分别相向地配置2个密封辊24a、24b，并且为了提高密封性，在密封辊附近配置了间隔壁25。
钢带S通过密封辊24a、24b的辊子之间的间隙(称之为辊距)，为了提高密封性能，将该辊距尽可能地调整得小些，另外，密封辊做成分别驱动旋转的结构，以便于在即使行走的钢带S与辊子相接触时钢带表面也不产生擦伤划痕。
另外，保护气体的密封机构除了上述密封辊装置以外，例如特开平5-125451号公报中公开了一种隔壁结构，该隔壁配置在不同成份保护气体交界部位，兼作可以供给和排出不同成分保护气体的数个处理室的隔壁。而且，实公昭63-19316号公报中公开了使密封部件与钢带的表里面接触的密封辊装置，特开昭59-133330号公报中公开了将密封辊、送风喷嘴、密封挡板组合起来的装置。
但是，在上述以往形式的密封装置中存在下述问题，希望解决这些问题。
接触型密封装置的密封性虽然优良，但钢带的表里面有可能产生擦伤划痕。
在气封式密封装置中，由于是非接触方式的密封结构，不会在钢带表面上产生擦伤划痕，但必须始终确保密封气体的流量，故密封气体的使用量增加。另外，为了确保密封性，必须非常精确地控制气体流量，设备造价高。
在使密封辊旋转并接触钢带的密封辊装置中没有上述装置所存在的难题。因此，从实用性考虑，可以说这种密封辊装置是很好的，但由于密封辊受到钢带和炉壁的辐射热、或者因以气体作为媒介物的对流传热而不可避免地引起的密封辊自身的热膨胀，因此减小密封辊的辊距有限，不能完全遮断保护气体。
图5A-图5C是示意性地表示使密封辊旋转并接触钢带的密封辊装置。在密封辊24a、24b受到退火过程中的高温钢带和炉壁面的热辐射的情况下，密封辊24a、24b辊身方向的温度分布不均匀，产生这种不均匀的热膨胀(称之为热凸度)的结果，难以使密封辊24a、24b的辊距保持在相对辊身方向为最小的间距。
另外，为了清除该热凸度造成的影响，还必须在一定程度上确保密封辊与间隔各处理区域的间隔壁25之间的间距。
还有，如上所述，要在减小了密封辊辊矩的情况下，即使在钢带与密封辊接触，在钢带上也不产生擦伤划痕地驱动密封辊。这时，如果密封辊的圆周速度与钢带的输送速度不一致，则在钢带的表里面上不可避免地产生擦伤划痕。
当然，密封辊的辊距越小，密封辊与钢带的接触机会越多，产生擦伤划痕的几率越高。
一般，密封辊的圆周速度的设定值是这样进行设定的，即该设定值等于输送辊转速的实测值乘以根据预先输入控制装置的该输送辊的辊径计算出的圆周长度的值。但是，由于加热段内的炉内输送辊暴露在高温气氛中，因此由于热膨胀的原因，炉内输送辊的实际辊径比预先输入控制装置的辊径要大。所以，实际的钢带输送速度比密封辊的圆周速度设定值要快些。另外，炉内输送辊的转速越大、即输送速度越快，密封辊圆周速度设定值与钢带输送速度之差越大。
本发明的目的在于提出一种新的密封辊装置，可在不产生对处理材料的质量带来不良影响的擦伤划痕的情况下使密封性能提高。
本发明是在使带状材料连续地穿炉、且具有对该材料依次进行加热和冷却的数个热处理区域的连续热处理炉中，使该热处理区域相互间保持密封状态的密封辊装置。该密封辊装置的特征是，通过设有至少一对水冷式密封辊和在该密封辊的入口侧及出口侧分别设置间隔壁而形成密封室，上述密封辊夹着带状材料、与其表里面留有一定间距而相向配置，上述间隔壁设有开口部，用于使该带状材料通过。
另外，本发明的特征在于，根据下述条件设定密封辊的辊子圆周速度设定值(VSR)。
VSR＝VS×(1+R)              (1)式
R＝A×α×T+B                 (2)式
其中，VSR：密封辊圆周速度设定值(mpm)
      VS：靠近密封辊的炉内输送辊速度(mpm)
   〔＝用靠近密封辊的炉内输送辊的转速(实测值)×该输送辊
  的辊子圆周长度(室温状态下的实测值)计算出的值〕
    R：密封辊圆周速度前滑率
    T：该炉内输送辊的辊子表面温度(℃)
    α：靠近密封辊的炉内输送辊的热膨胀率
    A，B：常数
而且，本发明的特征在于，根据下述条件设定密封辊的辊子圆周速度设定值(VSR)。
VSR＝VS×(1+R)              (1)式
R＝A×α×T+B                 (2)式
其中，VSR：密封辊圆周速度设定值(mpm)
      VS：靠近密封辊的炉内输送辊速度(mpm)
   〔＝用靠近密封辊的炉内输送辊的转速(实测值)×该输送辊
  的辊子圆周长度(室温状态下的实测值)计算出的值〕
    R：密封辊圆周速度前滑率
    T：靠近该炉内输送辊的钢带温度(℃)
    α：靠近密封辊的炉内输送辊的热膨胀率
    A，B：常数
另外，本发明的特征在于，密封辊具有可根据该带状材料的板厚而改变辊距的辊距调整机构。
图1是对本发明密封辊装置的构成进行说明的视图。
图2是比较并表示操作中的密封辊表面温度的视图。
图3是表示连续热处理炉的构成的视图。
图4是示意性地表示以往的密封辊装置的构成的视图。
图5A-图5C是说明密封辊中热凸度发生状况的视图。
图中，1：材料(金属带)，2a：通路，2b：通路，3：密封辊装置，4a：间隔壁，4b：间隔壁，5a：辊距调整机构，5b：辊距调整机构，6：密封辊辊距计算装置，7：密封辊辊距控制装置，8：炉内输送辊(炉底辊)，9：辊子转速检测装置，10：材料输送速度计算装置，11：密封辊圆周速度控制装置，12：辊子表面温度检测装置，13：密封辊圆周速度设定值计算装置，14：加热段，15：预热段，16：均热段，17：缓冷段，18：快速冷却段，19：过时效段，20：最终冷却段，21：炉底辊，22a-22f：气体供给路线，23a-23g：气体排出路线，24a：密封辊，24b：密封辊，25：间隔壁，30：水冷管。
本发明中，在密封辊的入口侧和出口侧分别设置间隔壁而形成密封辊室，因此密封辊不会直接受到热源和炉壁的辐射热影响。
另外，在本发明中，作为密封辊，在辊子的辊套内部设有水路，时常将冷却水通入该水路而对辊子进行冷却，故可以抑制因通过辊子之间的钢带的辐射热造成的辊子自身的热膨胀，其结果，可以减少热凸度，连续退火操作中在密封辊的辊身方向上也不产生不均匀的热膨胀，因此，在密封辊的辊距比以往减小的状态下可以稳定地保持辊距。而且，由于密封辊与间隔壁之间的距离在操作时没有大的变动，故可以使密封辊与间隔壁之间的距离比过去减小，可使密封性比以往提高。
还有，计算密封辊的圆周速度设定值时，用靠近密封辊的炉底辊表面温度或靠近该炉底辊的钢带温度修正因热膨胀率造成的炉底辊辊径增加的部分对该炉底辊圆周速度实测值的影响，在此基础上计算密封辊圆周速度设定值，因此密封辊与钢带之间不产生滑动，可以缩小密封辊与钢带之间的距离。
在比较高温的气氛中采用密封辊装置的情况下，有时不仅密封辊因热膨胀而产生变形，而且间隔壁的热变形也成为问题。在这种情况下，不仅密封辊采用图1的水冷管30之类的机构，而且间隔壁也通过制成内部水冷式而防止热变形。
〔实施例〕
以下，参照附图对本发明更具体地进行说明。
图1是表示本发明密封辊装置的构成的视图。图中的符号1是需要热处理的带状材料(钢带)2a，2b分别是连接相邻的热处理区域之间的通路，3是配置在通路2a、2b之间的密封辊装置，该密封辊装置3具有内部水冷式的水冷辊3a，3b。4a、4b是间隔壁，该间隔壁具有通过材料1用的开口部，配置在密封辊3a、3b的入口侧及出口侧而形成密封室。另外，5a、5b是用于调整密封辊3a、3b辊距的辊距调整机构。该辊距调整机构5a、5b使用液压缸等，根据材料1的板厚信息、连续热处理炉内材料跟踪信息，通过计算装置6计算出密封辊3a、3b的辊距，依据该数据、按照密封辊辊距控制装置7的指令进行驱动。
另外，8是炉内输送辊，9是用于检测炉内输送辊8的转速的辊子转速检测装置，10是根据辊子的转速计算材料输送速度的材料输送速度计算装置，11是控制密封辊圆周速度的控制装置，通过材料输送速度计算装置10计算出的值被输入控制装置11，12是检测炉底辊8的辊子表面温度的温度检测装置，13是根据检测出的温度计算密封辊3a、3b的圆周速度设定值的计算装置，在此计算出的值输入控制装置11。
当密封辊3a、3b的辊子圆周速度与材料(钢带)1的输送速度之间有速度差时，材料1的表面上不可避免地产生擦伤划痕。因此，在本发明中，为了使该速度差接近于零，按照下述(1)、(2)式设定密封辊的圆周速度设定值VSR。
VSR＝VS×(1+R)             (1)式
R＝A×α×T+B                (2)式
其中，VSR：密封辊圆周速度设定值(mpm)
      VS：靠近密封辊的炉内输送辊速度(mpm)
   〔＝用靠近密封辊的炉内输送辊的转速(实测值)×该输送辊
  的圆周长度(室温状态下的实测值)计算出的值〕
    R：密封辊圆周速度前滑率
    T：该炉内输送辊的表面温度(℃)
    α：靠近密封辊的炉内输送辊的热膨胀率
    A，B：常数
(1)式中的参数R是密封辊圆周速度前滑率，通过将(2)式求出的值加到圆周速度上，便可以使密封辊圆周速度与材料输送速度的速度差接近于零。
为了使密封辊与材料之间的距离始终保持一定以提高密封性，可以利用穿炉中的材料板厚信息和跟踪的信息，根据穿炉材料的板厚，用调整机构5a、5b对密封辊的辊距进行调整。
以下，对于在冷轧钢带连续退火炉的快速冷却段使用高浓度氢气的操作中，采用本发明密封辊装置时的密封状况进行说明。
该连续热处理炉在快速冷却段使用高浓度氢气的保护气体(氢气浓度40vol％，其余为氮气)，在加热区域使用低浓度氢气的保护气体(氢气浓度4vol％，其余为氮气)，在快速冷却炉的入口和出口必须抑止快速冷却段使用的高浓度氢气的漏泄。快速冷却段内的高浓度氢气在快速冷却段内循环使用，但当从密封辊漏泄的氢气多时，为了使快速冷却段内的氢气浓度保持高浓度，必须投入大量氢气，故要求极为优良的密封性。本发明实施例的操作条件如下。
连续热处理炉：在快速冷却段使用高浓度氢气的冷轧钢带连续退火炉
密封辊设置场所：将图1所示结构的密封辊配置在缓冷段与快速冷却段的交界处
钢带尺寸：板厚＝0.8mm、板宽＝1200mm的连续穿炉板材
钢带在加热段出口侧的板温＝780℃
钢带输送速度：300mpm
炉内输送辊辊径：1200mm
密封辊辊径：300mm(内部水冷式)
密封辊辊距：4.8mm
密封辊-间隔壁的距离：2.0mm
另外，靠近密封辊的钢带输送辊的表面温度由埋入输送辊表层的热电偶进行检测。一般，为检测输送辊的表面温度，除了利用热电偶以外，例如也可以采用利用辐射温度计的方法。
为了掌握在上述操作条件下钢带连续穿炉时密封辊表面的温度分布，将热电偶埋入密封辊表层进行温度测定，与以往使用无水冷密封辊(辊径300mm，其它条件也相同)时的温度分布进行比较。
图2是表示其结果，由于密封辊进行水冷，其热凸度与以往的密封辊相比，最大可减少约350℃(换算为辊径，相当于约2mm)。
另外，为了搞清设定密封辊圆周速度前滑率的效果，对按照本发明考虑前滑率而设定密封辊圆周速度的情况、和按照以往将密封辊圆周速度作为输送辊实际速度值进行设定的情况，调查研究了钢带表面上有无擦伤划痕发生。在此，密封辊的辊距为4.8mm，对在各种情况下连续穿炉的钢带按1m为单位计量产生擦伤划痕的长度，对带卷全长上擦伤划痕发生率进行了比较，采用以往方法擦伤划痕发生率为0.43％(累计擦伤划痕长度＝86m，分母＝2000m)，而采用本发明方法则未发现擦伤划痕。
也就是说，如果只对密封辊进行水冷、至减小密封辊辊距，则由于钢带与密封辊相接触的几率增加，故在密封辊的圆周速度与钢带输送速度之间产生速度差的情况下，钢带表面上产生擦伤划痕。另外，在本发明中，考虑了靠近密封辊的钢带输送辊的热膨胀而对密封辊的圆周速度进行设定〔按(1)式和(2)式求出的值〕，由于采用该密封辊圆周速度设定值，故可以尽量使密封辊圆周速度与钢带输送速度的速度差接近于零，其结果，可以使钢带表面的擦伤划痕发生率为零。
在快速冷却段使用高氢气浓度保护气体(氢气浓度40vol％，其余为氮气)、在加热区域使用低氢气浓度保护气体(氢气浓度4vol％，其余为氮气)的连续退火炉的操作中，与使用以往的无水冷、密封辊辊距为12.0mm、不设定密封辊圆周速度前滑率的密封辊装置的情况相比较，氢气单耗可减少至以往的约一半，可以显著地减少具有用高浓度氢气的快速冷却段的连续退火炉中氢气单耗。
另外，在该实施例中，考虑炉内输送辊的热膨胀而计算密封辊圆周速度前滑率时，采用靠近密封辊的炉内输送辊的表面温度测定值(T)，但该温度(T)也可以采用在该炉内输送辊附近所测定的钢带温度。这是因为钢带在卷绕在炉内输送辊上的状态下，考虑到金属具有高的导热率，可以认为炉内输送辊表面温度同与其接触的钢带温度几乎是相同的。因此，即使没有直接测定炉内输送辊表面温度的机构，如果可以用辐射温度计等测定钢带温度，则可以根据本发明计算出密封辊的圆周速度设定值。
为了减少密封辊辊距以使密封性提高，必须根据穿炉钢带的板厚精确地控制密封辊距，为此，在本发明中设置了调整密封辊辊距用的调整机构，在该机构上可以使用电动机作为驱动器。
虽然对于本发明中适用于具有用高浓度氢气的快速冷却段的连续退火炉操作情况进行了说明，但除此以外，本发明也适用于可控制退火气氛的热镀层钢板的连续退火炉等。这是将镀层前的钢板在氧化气氛下退火的活化处理和在还原气氛下退火的还原处理结合起来，使退火后的镀层附着性提高的操作方式，将本发明的密封辊装置设置在氧化气氛段与还原气氛段的交界部位，这样，便可以连续地进行完全不同气氛的退火处理。
本发明是关于适用于连续热处理炉等的密封辊装置，由于在密封辊的前后设置间隔壁而形成密封辊室，并且对密封辊本身进行水冷，故可以大幅度减少因钢带表面和炉壁的热辐射而造成的密封辊的热凸度。
另外，密封辊的圆周速度是根据靠近密封辊的炉内输送辊的表面温度实测值设定的，故可以尽量使密封辊圆周速度与钢带的输送速度之差为零，可以避免成为质量劣化原因的擦伤划痕的发生。
上述2个要点，即通过对密封辊进行水冷和使辊子的圆周速度合适，密封辊的辊距与以往的12-15mm左右相比，可以减小至5mm左右，另外，关于密封辊至间隔板之间的距离也可以达到2.0mm，结果可以使密封辊装置的性能显著提高。

Claims (7)

1.连续热处理炉的一种密封辊装置，使具有连续地加热和冷却带状材料的数个热处理区域的连续热处理炉中的该热处理区域相互之间保持密封状态，其特征在于：
密封辊装置由至少一对内部水冷式密封辊和间隔壁形成密封室，上述一对密封辊与带状材料的表里面留有间隙地相向配置，上述间隔壁分别设在密封辊的入口侧和出口侧、具有用于通过带状材料的开口部。
2.根据权利要求1所述的密封辊装置，满足下述条件地设定密封辊的辊子圆周速度设定值(VSR)，并具有进行控制的机构。
VSR＝VS×(1+R)             (1)式
R＝A×α×T+B                (2)式
其中，VSR：密封辊圆周速度设定值(mpm)
      VS：靠近密封辊的炉内输送辊速度(mpm)
    〔＝用靠近密封辊的炉内输送辊的转速(实测值)×该输送辊
  的辊子圆周长度(室温状态下的实测值)计算出的值〕
    R：密封辊圆周速度前滑率
    T：该炉内输送辊的辊子表面温度(℃)
    α：靠近密封辊的炉内输送辊的热膨胀率
    A，B：常数
3.根据权利要求1所述的密封辊装置，满足下述条件地设定密封辊的辊子圆周速度设定值(VSR)，并具有进行控制的机构。
VSR＝VS×(1+R)              (1)式
R＝A×α×T+B                 (2)式
其中，VSR：密封辊圆周速度设定值(mpm)
      VS：靠近密封辊的炉内输送辊速度(mpm)
   〔＝用靠近密封辊的炉内输送辊的转速(实测值)×该输送辊
  的辊子圆周长度(室温状态下的实测值)计算出的值〕
    R：密封辊圆周速度前滑率
    T：该炉内输送辊近处的钢带温度(℃)
    α：靠近密封辊的炉内输送辊的热膨胀率
    A，B：常数
4.根据权利要求1所述的密封辊装置，具有辊距调整机构，该辊距调整机构可以根据该带状材料的板厚变更辊距。
5.根据权利要求1所述的密封辊装置，其特征在于，对形成密封室的间隔壁进行水冷。
6.连续热处理炉的一种密封方法，该方法是使密封辊旋转，并且通过由间隔壁形成密封室而使该带状材料的连续热处理炉中的数个热处理区域相互间保持密封状态，上述间隔壁分别设在密封辊的入口侧和出口侧、具有用于通过带状材料的开口部，其特征在于：
可满足下述条件地设定密封辊的辊子圆周速度设定值(VSR)，并进行控制。
VSR＝VS×(1+R)                (1)式
R＝A×α×T+B                   (2)式
其中，VSR：密封辊圆周速度设定值(mpm)
      VS：靠近密封辊的炉内输送辊速度(mpm)
     〔＝用靠近密封辊的炉内输送辊的转速(实测值)×该输送辊
    的辊子圆周长度(室温状态下的实测值)计算出的值〕
    R：密封辊圆周速度前滑率
    T：该炉内输送辊的辊子表面温度(℃)
    α：靠近密封辊的炉内输送辊的热膨胀率
    A，B：常数
7.连续热处理炉的一种密封方法，该方法是使密封辊旋转，并且通过由间隔壁形成密封室而使该带状材料的连续热处理炉中的数个热处理区域相互间保持密封状态，上述间隔壁分别设在密封辊的入口侧和出口侧、具有用于通过带状材料的开口部，其特征在于：
可满足下述条件地设定密封辊的辊子圆周速度设定值(VSR)，并进行控制。
VSR＝VS×(1+R)              (1)式
R＝A×α×T+B                 (2)式
其中，VSR：密封辊圆周速度设定值(mpm)
      VS：靠近密封辊的炉内输送辊速度(mpm)
    〔＝用靠近密封辊的炉内输送辊的转速(实测值)×该输送辊
   的辊子圆周长度(室温状态下的实测值)计算出的值〕
     R：密封辊圆周速度前滑率
     T：靠近该炉内输送辊的钢带的温度(℃)
     α：靠近密封辊的炉内输送辊的热膨胀率
     A，B：常数
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