DE10304945A1

DE10304945A1 - Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen unter Schutzgas

Info

Publication number: DE10304945A1
Application number: DE10304945A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Bussmann; Manfred Szigan
Original assignee: LOI Thermprocess GmbH
Current assignee: LOI Thermprocess GmbH
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-19
Also published as: EP1445338B1; ATE432368T1; EP1445338A1; DE502004009515D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen in einer Schutzgasatmosphäre in einem Glühraum, wobei die Metallteile während einer Aufheizphase (A) aufgeheizt, während einer Haltephase (B) auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten und ggf. während einer Abkühlphase (C) abgekühlt werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß läuft in der Schutzgasatmosphäre kontinuierlich ein Gebläse mit einer konstanten Drehzahl um. Das Gebläse wird von einem Elektromotor angetrieben. Die Stromaufnahme des Elektromotors wird erfasst. In der Haltephase (B) wird die Änderung der Stromaufnahme des Gebläses als Signal zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen in einer Schutzgasatmosphäre in einem Glühraum, wobei die Metallteile während einer Aufheizphase aufgeheizt, während einer Haltephase auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten und ggf. während einer Abkühlphase abgekühlt werden.
Viele Wärmebehandlungsprozesse in Industrieöfen erfolgen unter Schutzgas, das entsprechend den jeweiligen Anforderungen aus einem oder mehreren unterschiedlichen Gasen bestehen kann. Das Schutzgas kann beispielsweise neutrales Inertgas wie Stickstoff und/oder ein reduzierendes Gas wie Wasserstoff oder ein kohlenstoffenthaltenes Gas oder eine Mischung von Gasen sein. Der Glühraum wird in der Regel indirekt beheizt.
Ein wichtiges Wärmebehandlungsverfahren ist das Glühen von Metallteilen in Haubenglühöfen, beispielsweise das Blank- oder Rekristallisationsglühen von Blechen, Bändern oder Drähten, die zu Coils gewickelt sind und zum Glühen übereinander gestapelt werden.
Die Oberfläche der Bleche, Bänder oder Drähte sind mit Walzemulsionen oder Ölen verunreinigt. Für die Erzielung einer hohen Oberflächenreinheit ist es erforderlich, dass die Schutzgasatmosphäre ausgetauscht, d. h. dass der Glühraum gespült wird. Beim Spülen wird kontinuierlich oder in vorgegebenen Intervallen Schutzgas in den Glühraum eingeleitet, während die Schutzgasatmosphäre abströmt. Bisher erfolgt die Schutzgaszufuhr nach fest vorgegebenen Spülraten bzw. mit vorgegebenen Volumenströmen und nach errechneten Spülzeiten.
Während der Haltephase wird üblicherweise in Intervallen mit einem vorgegebenen Schutzgasvolumenstrom, und zwar etwa 5 bis 35 m³ pro Stunde, gespült.
Der Schutzgasverbrauch, der wesentlich die Glühkosten beeinflusst, ist bei den bekannten Verfahren relativ groß. Trotzdem ist eine gleichbleibende ausreichende Oberflächenreinheit nicht gewährleistet, weil die Emulsions- oder Ölmengen auf der Oberfläche der Metallteile sehr unterschiedlich sein können.
Problematisch ist außerdem, dass unerwünschte Reaktionen während der Wärmebehandlung, wie die Methanbildung aus Crackprodukten oder die Russbildung durch Methanzertall in der Haltephase und/oder der Kühlphase oder Taupunktveränderungen nicht festgestellt werden können.
Bei einigen Wärmebehandlungsvertahren ist es erforderlich, während des Verfahrens ein Gas gegen ein Schutzgas mit einer anderen Zusammensetzung auszutauschen, beispielsweise beim Vorspülen eines Glühraums vor dem Aufheizen. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass bei errechneten Spülzeiten nicht immer gewährleistet ist, dass das Gas tatsächlich vollständig ausgetauscht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäss darin, diese Mängel zu beseitigen und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses oder des Spülprozesses verbessert und der Schutzgasverbrauch reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Stromaufnahme des Elektromotors in Abhängigkeit von der Dichte der Schutzgasatmosphäre ändert. Da in der Haltephase die Temperatur der Schutzgasatmosphäre im wesentlichen konstant ist, können nicht temperaturbedingte Änderungen der Dichte erfasst werden, insbesondere Dichteänderungen aufgrund erhöhter Öl- bzw. Emulsions-Abdampfraten. Die Änderung der Stromaufnahme kann als Signal zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches des Schutzgases genutzt werden. Beispielsweise kann die Änderung der Stromaufnahme als Signal zur Anpassung der Spülmenge bzw. des Volumenstromes des Schutzgases in Phasen höherer Abdampfung von Walzemulsionen oder Ölen von der Oberfläche der Metallteile genutzt werden.
Die Methanbildung aus Crackprodukten oder die Russbildung durch Methanzerfall in der Haltephase und/oder der Kühlphase oder Taupunktveränderungen können festgestellt und der Wärmebehandlungsprozess entsprechend gesteuert werden.
Bei Glühräumen, die kein Gebläse zur Umwälzung der Schutzgasatmosphäre aufweisen, kann ein Gebläse kleiner Leistung mit genormtem Motor ausschließlich zum Zweck der Detektion von Dichteänderungen eingesetzt werden. Ein derartiges Hilfsgebläse liefert genaue Messdaten.
Der Austausch des Schutzgases kann über Spülprogramme gesteuert werden, die den Volumenstrom des einströmenden Schutzgases oder der abströmenden Schutzgasatmosphäre, die Anzahl und/oder die Dauer von Spülintervallen steuern. Der Volumenstrom kann beispielsweise verändert werden, indem ein austrittsseitiges Stellventil in Öffnungsrichtung verstellt wird und folglich mehr Schutzgas in den Glühraum des Haubenglühofens einströmt.
Anhand der Istwerte der Stromaufnahme können Spülprogramme erstellt oder optimiert werden. Beim Blankglühen können die Spülmenge bzw. der Volumenstrom des Schutzgases und/oder die Spüldauer in Abhängigkeit von Abdampfverhalten der Coilstapel gesteuert werden.
Vorteilhafterweise wird während der Aufheizphase (A) und ggf. der Abkühlphase (C) die Stromaufnahme des Elektromotors mit einer Sollwertkurve verglichen. In Abhängigkeit von der Abweichung des Istwertes der Stromaufnahme vom Sollwert wird ein Signal gebildet, das zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt wird.
Wenn der Elektromotor seine Höchstleistung erreicht, wird bei frequenzgeregelten Motoren, die üblicherweise in Haubenglühöfen eingesetzt werden, die Drehzahl reduziert. Daher wird vorzugsweise ein Maximalwert der Stromaufnahme festgelegt. Bei einem Anstieg der Stromaufnahme über den Maximalwert hinaus wird gespült, indem die Anzahl der Spülintervalle verändert, Spülzeiten verlängert und/oder der Volumenstrom des Schutzgases so lange erhöht wird bis die Stromaufnahme unter einen eingestellten Sollwert sinkt. Auf diese Weise kann bei Wärmebehandlungsverfahren eine maximale Umwälz- und Kühlleistung erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Bei dem Beispiel handelt es sich um ein Verfahren zum Blankglühen von Stahlblechen in einem Glühraum eines nicht dargestellten Haubenglühofens mit einem Umwälzventilator in einer Schutzgasatmosphäre, die im wesentlichen aus Wasserstoff besteht. Während der Wärmebehandlung wird der Glühraum gespült. Das Spülen wird mittels eines Spülprogramms gesteuert. Schutzgas wird durch eine Schutzgasleitung, in der sich in bekannter Art und Weise ein ansteuerbares Ventil befindet, zugeführt. Die Schutzgasatmosphäre strömt über eine Austrittsleitung, in der sich ebenfalls ein Ventil befindet, ab.
Die Zeichnung zeigt die Stromaufnahme (Ampere) des Elektromotors des Umwälzventilators sowie den zugeführten Schutzgasvolumenstrom (m³ pro Stunde) in Abhängigkeit von der Zeit (Stunden).
Das in der Zeichnung dargestellte Diagramm zeigt eine Aufheizphase A, eine Haltephase B sowie eine Abkühlphase C. Die Stromaufnahme des Elektromotors ist mit Hilfe einer durchgehenden Linie dargestellt. Der Schutzgasvolumenstrom ist als gestrichelte Linie dargestellt.
In der Aufheizphase A wird die Schutzgasatmosphäre auf eine festgelegte Temperatur, hier ca. 700°C aufgeheizt. Der erste Anstieg der Stromaufnahme ist bedingt durch die Drehzahlerhöhung. Danach sinkt die Stromaufnahme, da mit steigender Temperatur die Dichte der Schutzgasatmosphäre sinkt.
In der Haltephase B wird die Temperatur der Schutzgasatmosphäre im wesentlichen konstant gehalten. Die Drehzahl des Umwälzventilators ist ebenfalls konstant. Das Schutzgas wird mit einem minimalen Volumenstrom in den Glühraum eingeleitet und Schutzgasatmosphäre abgeführt, und zwar in Abhängigkeit von einem Sollwert. Der Sollwert des Volumenstromes wird anhand der Mindestanforderungen an die Oberflächenreinheit und minimaler Beladung der Oberfläche der Stahlbänder mit Emulsion oder Öl festgelegt und kann 2 m³ bis 20 m³ pro Stunde betragen. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Volumenstrom ca. 3 m³.
Der im Diagramm zu erkennende Anstieg der Stromaufnahme ist bedingt durch einen Dichteanstieg der Schutzgasatmosphäre aufgrund eines hohen Anteils von abdampfenden Öldämpfen. Der Anstieg der Stromaufnahme des Elektromotors des Umwälzventilators wird als Signal zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt. Beim Anstieg der Stromaufnahme wird der Volumenstrom des zugeführten Schutzgases so fange erhöht bis die Stromaufnahme wieder konstant ist oder sinkt. Durch das bedarfsgerechte Spülen wird der Verbrauch an Spülgas gering gehalten.
In der Abkühlphase C wird die Temperatur der Schutzgasatmosphäre abgekühlt. Die Stromaufnahme des Motors steigt nach einer definierten Sollwertkurve entsprechend der Dichtezunahme. Die Stromaufnahme des Elektromotors wird mit der Sollwertkurve verglichen. Jede Abweichung im Kurvenverlauf der Stromaufnahme lässt somit auf eine zusätzliche Änderung der Atmosphärendichte schließen. Dies kann beispielsweise eine unerwünschte Methanbildung sein. Bei Abweichung des Istwertes vom jeweiligen Sollwert wird ein Signal gebildet, das zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt wird.
Im Rahmen der Erfindung sind ohne Weiteres Abwandlungen möglich. So kann das Spülen in mehreren Zeitintervallen erfolgen.

Claims

Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen in einer Schutzgasatmosphäre in einem Glühraum, wobei die Metallteile während einer Aufheizphase (A) aufgeheizt, während einer Haltephase (B) auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten und ggf. während einer Abkühlphase (C) abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schutzgasatmosphäre kontinuierlich ein Gebläse mit einer konstanten Drehzahl umläuft, dass das Gebläse von einem Elektromotor angetriebenen wird, dass die Stromaufnahme des Elektromotors erfasst wird und dass in der Haltephase die Änderung der Stromaufnahme des Gebläses als Signal zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufheizphase (A) und ggf. der Abkühlphase (C) die Stromaufnahme des Elektromotors mit einer Sollwertkurve verglichen wird, dass in Abhängigkeit von der Abweichung des Istwertes der Stromaufnahme vom Sollwert ein Signal gebildet wird, das zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei während der Haltephase (B) ein Schutzgas kontinuierlich oder in Intervallen mit vorgegebenem Volumenstrom in den Glühraum eingeleitet und Schutzgasatmosphäre abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Anzahl und/oder Länge der Spülintervalle und/oder der Volumenstrom des Schutzgases auf Mindestwerte eingestellt werden und dass bei einem Anstieg der Stromaufnahme des Elektromotors die Mindestwerte so lange erhöht werden bis die Stromaufnahme konstant ist oder sinkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalwert der Stromaufnahme festgelegt wird und das bei einem Anstieg der Stromaufnahme über den Maximalwert hinaus die Anzahl der Spülintervalle verändert, Spülzeiten verlängert und/oder der Volumenstrom des Schutzgases so lange erhöht wird bis die Stromaufnahme unter einen eingestellten Sollwert sinkt.