CZ288475B6 - Method of preventing local sticking when annealing a steel strip - Google Patents

Description

Způsob zabraňování lokálnímu slepování při žíhání ocelového pásu

Oblast techniky

Předložený vynález se týká zabraňování lokálnímu slepování při žíhání ocelového pásu s nízkým obsahem uhlíku pod ochranným plynem z 95 až 99 % objemových dusíku a zbytku tvořeného vodíkem, s fázemi zahřívání, udržování v zahřátém stavu a ochlazování.

Dosavadní stav techniky

Ocelový pás se jak známo žíhá ve formě pevných svazů v poklopových pecích, hrncových pecích nebo průběžných pecích válečkovou nístějí. Jako ochranný plyn se obvykle používá plynná směs dusík N₂ - vodík H₂ nebo tak zvaný exoplyn (exotermě vytvořený ochranný plyn, vyráběný spalováním zemního plynu a vzduchu). Při žíhání těchto ocelových pásů často dochází kjejich lokálnímu slepování. Toto lokální slepování je ovlivňováno řadou faktorů. Podstatnými faktory jsou geometrie a velikost povrchové drsnosti, druh ochranného plynu, kontaktní tlak, teplota a čas.

Lokální slepení vznikají, jak se v literatuře předpokládá, na místě ocelového povrchu, na němž se vyskytuje zvýšený tlak a relativní pohyb závitů svinutého pásu během ochlazování. Tím dochází k adhezivním a difuzním pochodům.

Předložený vynález si klade za úkol vytvořit způsob zabraňování lokálnímu slepování při žíhání ocelového pásu s nízkým obsahem uhlíku.

Z dokumentu US 2 165 635 je znám způsob zabraňování slepování ocelových pásů při žíhání oxidací ocelového pásu postřikem vodou.

Podstata vynálezu

Podle předloženého vynálezu se navrhuje způsob zabraňování lokálnímu slepování při žíhání ocelového pásu s nízkým obsahem uhlíku pod ochranným plynem, obsahujícím 95 až 99 % objemových dusíku a zbytek tvořený vodíkem, s fázemi zahřívání, udržování v zahřátém stavu a ochlazování, vytvořením oxidové krycí vrstvy na ocelovém pásu, jehož podstatou je, že se na ocelovém pásu vytváří ve fázi jeho udržování v zahřátém stavu tenká krycí vrstva oxidací při teplotách nad 600 °C přidáváním oxidu uhličitého do ochranného plynu v množství 0,2 až 0,3 g na čtvereční metr žíhaného povrchu, načež se během ochlazovací fáze při teplotách pod 600 °C krycí vrstva znovu zcela odstraní redukcí.

Podle dalšího znaku vynálezu dochází k redukci měněním rovnováhy vodního plynu.

Žíhání (udržování v zahřátém stavu) ocelových pásů se provádí při teplotě od 650 do 720 °C.

Krycí vrstva, vytvořená způsobem podle vynálezu, slouží jako ochrana proti slepování jednotlivých závitů při začátku ochlazovací fáze, to je až do teploty 600 °C v jádře. Jelikož jsou za tohoto stavu napětí uvnitř svazku mezi jednotlivými závity největší, byla tato mezní teplota označena jako „kritická“. Po poklesu teploty pod tuto kritickou teplotu musí být v peci znovu vytvořeny redukční podmínky tak, aby vytvořená oxidová vrstva byla v dalším průběhu žíhání plně redukována a odstraněna.

Toho se dosahuje měněním rovnováhy vodního plynu (kryt pod tlakem) nebo výměnou pecní atmosféry za například atmosféru dusík N₂ - vodík H₂.

-1 CZ 288475 B6

Přehled obrázků na výkresech

Předložený vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladě provedení s odvoláním na připojené výkresy, na kterých znázorňují obr. 1 diagram tří látek C-H-O pro určení atomového složení ochranného plynu při teplotě 680 °C; a obr. 2a a 2b diagramy příkladů průběhu žíhacích fází při žíhání (teplota 680 °C) pásové oceli při rozložení směsi ochranného plynu N₂ -H₂ -CO₂ na dvě teoretické plynné směsi.

Příklad provedení vynálezu

Na obr. 1 značí bod 1 plynnou směs N₂-H₂, bod 2 exoplyn a bod 3 plynnou směs N₂-H₂ s přídavkem CO₂.

Obr. 2a se vztahuje na teoretické plynné směsi CO-CO₂ a H₂-H₂O, příslušné pro redukci. Obr. 2b se vztahuje na teoretické plynné směsi CO-CO₂ a H₂-H₂O, příslušné pro oxidaci (doba udržování až po teplotu cca 600 °C)/redukci (T<600 °C).

Procenta uváděná v celém popisu jsou procenta objemová.

V plynných směsích z oxidu uhelnatého (CO), oxidu uhličitého (CO₂), vodíku (H₂), a popřípadě methanu (CH4), dochází tak dlouho k reakci mezi složkami, až je dosaženo jednotné uhlíkové aktivity. Není-li mezi kovovým povrchem a plynnou fází rovnováha, dochází nauhličováním a oduhličováním nebo oxidačními/redukčními reakcemi tak dlouho k látkové výměně mezi oběma fázemi, až se dosáhne rovnovážného stavu. Každé uhlíkové aktivitě, vyplývající z požadovaného chemického složení povrchu oceli, je tedy v rovnovážném stavu při definované teplotě přiřazeno určité složení plynné směsi:

[C] +-[CO₂]—>2-[CO][C] + -[H₂O]- -> -[CO]- + -[H₂]Jelikož musí být uhlíková aktivita pro nízkolegovanou ocel nízká a v tomto případě jsou oxidační a jiné reakce důležité, bylo plynné složení přiřazeno homogenní reakci vodního plynu, která představuje shrnutí následujících reakcí:

CO₂ = CO + 1/2 O₂

1/2 O₂ + H₂ = H₂O _[CO₂]-+-[H₂]-=-[CO]-+-[H₂O]Při definované teplotě se přes odpovídající rovnovážný stav dosáhne určité složení plynu. Zvolila se například plynná směs Nr-H₂ (97 %/3,0 %). S určitým množstvím přídavku O₂ a celým množstvím ochranného plynu se průběh reakce řídí při určitých teplotách. V homogenním stavu probíhají pod krytem následující reakce:

H₂O = H₂ + 1/2 O

CO₂ = CO + 1/2 O₂

CO₂ + H₂ = H₂O + CO

Přenos kyslíku dále působí:

kov + 1/2 O₂ = (kov)O kov + CO₂ = (kov)O + CO

Jelikož reakce CO₂ => CO + 1/2 O₂ je relativně pomalejší ve srovnání s H₂O = H₂ + 1/2 O₂, musí se také v plynné směsi CO-CO₂ počítat s delšími dobami oxidace.

Příklad

Pro homogenní vodíkovou reakci platí všeobecně:

Lg Kw ⁼ Lg (Pco · Ph2o/Pco2 · ?η₂) ⁼ 1717/T + 1.575;

kde například při teplotě 680 °C Kw = 0,6

Když se nyní kupříkladu zahřívá plynná směs obsahující 1,2 % CO₂,3,0 % H₂ a 0,004 % H₂O na teplotu 680 °C, potom vzniká otázka složení plynu poté, co se ustálila rovnováha. Reakční rovnice v homogenním systému je podle vztahu:

V_aA + V_bB +...........+ ΔΗ = V_eE + V_fF +.........;

kde Ví, i = -[A,.......FJ- znamenají stechiometrické počty mol látek i.

Při použití molámích zlomků Xj = P,/P nabývá zákon o působení aktivních hmot podoby:

E^ . F^vf/A^va . B^vb = K_p . _ρ ^6χΡ-^ΔΣν'

Reakční index ΔΣ Ví, součet počtů mol výchozích produktů po odečtení počtu mol konečných produktů je:

ÁZVi = V_E + V_F-V_A-V_B a poskytuje informaci o změně objemu a závislosti na tlaku.

V předchozím příkladě reakce vodního plynu vychází ΔΣ Vi = 0, přičemž všeobecně platí:

K_PP . P_exp - ΔΣ VI = K_c (RT/P)expAZ Vi

Protože ΔΣ Vi = 0, je K_p = Kc. Proto je reakce nezávislá na tlaku.

Dosadíme-li za původní složení plynu: Xco⁼0; Xh2o⁼0,03; Xco2 = 0,012; Xh2o ⁼ 0,00004 a molámí zlomek nově vytvořeného CO: = Z, tak vyplývá pro rovnovážné složení molámího zlomku:

CO:=Z

CO₂: = Xco2 - Z

H₂: = X_m-Z

H₂O: = Xmo + Z

Zákon působení aktivních hmot potom zní:

K = Z (XffiO + Z)/(X_CQ2 - Z) (Xh2 - Z)

Po oddělení Z vznikne polynom:

(1-K) Z² + (XH2O + KXCO2 + KXh2) z - KX_Co₂Xh2 = 0;

-3CZ 288475 B6 za K (teplota 680 °C) se dosadí hodnota 0,6 a vznikne tak analýza ideálního stavu:

H₂ = 2,4 %, CO = 0,76 %, CO₂ = 0,44 %, H₂O = 0,77 %.

Při K = 0,01 by například bylo:

H₂ = 2,83 %, CO = 0,17 %, CO₂ = 1,03 %, H₂O = 0,17 %.

Složení směsi se může tedy teoreticky měnit v následujících mezích:

H₂ = 2,24 až 2,83 % CO = 0,17 až 0,76% CO₂ = 0,44 až 1,03 % H₂O = 0,17 až 0,77 %

V tomto případě bylo během pokusu naměřeno složení směsi:

H₂ = 2,1 %, CO = 0,78 %, CO₂ = 0,86 %, H₂O = 0,06 %.

Toto složení plynu odpovídá určitému bodu 3 v trojlátkovém systému C-H-O (viz obr. 1).

Poloha bodu v trojlátkovém systému určuje vliv složení plynu na povrch pásové oceli.

Přidáním CO₂ do plynné směsi N2-H₂ se tedy posouvá odpovídající bod 1 plynného složení v trojlátkovém systému z redukční oblasti směrem k hraniční oblasti oxidace. Vždy podle způsobu práce pece se mění složení plynu tak, že se rovnováha vodního plynu může pohybovat mezi 0,01 a 0,6.

V tomto smyslu byla nalezena optimální koncentrace použití oxidu uhličitého CO₂ tak, aby se úplně zužitkovaly vlastnosti reakce vodního plynu pro účely žíhání bez slepování.

Ta se dosahuje při použití CO₂ v množství například 0,9 až 2,5 % v plynné směsi 97/3 N2-H₂, tedy s relativně nízkými obsahy CO₂ ve srovnání s exoplynem.

Další teoretické úvahy ukázaly, že se na povrchu pásové oceli může tvořit oxidová vrstva, popřípadě hranicí vrstva CO₂, jako ochranná vrstva v molekulové oblasti, která zabraňuje slepování závitů svinutého pásu. Aby se toho dosáhlo, musí se v průběhu nebo na konci doby udržování v zahřátém stavu při žíhání v peci vytvořit lehce oxidační atmosféra, která na povrchu pásové oceli vyvolává vytváření tenké neaktivní krycí vrstvy oxidu železnatého (FeO).

Obr. 2a a 2b znázorňují změny ochranné atmosféry N₂-H₂-CO₂ ve všech žíhacích fázích. Ty zde byly teoreticky rozděleny na:

a. H₂-H₂O - plynná směs

b. CO-CO₂ - plynná směs.

V průběhu homogenní reakce vodního plynu nebo obou dílčích reakcí, jak byly právě popsány, se tvoří CO a H₂O v takových množstvích, že plynná směs CO-CO₂ slouží pro oxidaci nad teplotou 600 °C. Plynná směs Η₂-Η₂Ο působí naproti tomu redukčně. S klesající teplotou (ochlazující fáze) se mění poměr CO-CO₂ vznikajícího ochranného plynu tak, že je úplné redukční působení obou plynných směsí využito teprve pod teplotou 600 °C.

Vytvořená oxidová krycí vrstva se na konci ochlazovací fáze redukuje.

-4CZ 288475 B6

Optimální použití oxidu uhličitého CO₂ bylo přiřazeno celému povrchu žíhaných materiálů a činí 0,2 až 0,3 g CO₂ na m² povrchu pásové oceli.

Způsob podle vynálezu poskytuje možnost vyloučit nebo maximálně snížit tvorbu slepování a nahradit výrobu exoplynu syntetickými plyny. Ve srovnání s exoplynem s obsahem cca 8 % CO a 6 % CO₂ je možné tento způsob považovat za proces šetrný k životnímu prostředí, neboť se emise oxidu uhelnatého CO sníží o cca 95 % a emise oxidu uhličitého CO₂ o cca 92 %.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zabraňování lokálnímu slepování při žíhání ocelového pásu s nízkým obsahem uhlíku pod ochranným plynem z 95 až 99 % objemových dusíku a zbytku tvořeného vodíkem, s fázemi zahřívání, udržování v zahřátém stavu a ochlazování, vytvořením oxidové krycí vrstvy na ocelovém pásu, vyznačený tím, že se na ocelovém pásu vytváří ve fázi jeho udržování v zahřátém stavu tenká krycí vrstva oxidací při teplotách nad 600 °C přidáváním oxidu uhličitého do ochranného plynu v množství 0,2 až 0,3 g na čtvereční metr žíhaného povrchu, načež se během ochlazování fáze při teplotách pod 600 °C krycí vrstva znovu zcela odstraní redukcí.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že kredukci dochází měněním rovnováhy vodního plynu.