DE19531447A1 - Verfahren zum Vermeiden von Klebern beim Glühen von Kaltband - Google Patents
Verfahren zum Vermeiden von Klebern beim Glühen von KaltbandInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermeiden von Klebern
beim Glühen von Kaltband nach dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Kaltband wird in Form von Festbunden in Topf-, Hauben- oder
Rollendurchlauföfen geglüht. Beim rekristallisierenden Glühen in
geschlossenen Ofenanlagen, wie z. B. Haubenöfen, insbeson
dere Hochkonvektionsöfen, entstehen zwischen den Windun
gen des Kaltbandes oft Diffusions-Verschweißungen, soge
nannte Bandkleber. Diese verursachen im Nachwalzwerk einen
erhöhten Abwickelwiderstand, wodurch auf der Bandoberfläche
Knicke bzw. Werkstoffaufrisse entstehen.
In der DE 42 07 394 C1 ist ein Verfahren zum Vermeiden dieser
Bandkleber beschrieben. Nach diesem Verfahren wird die
Oberfläche des zu Festbunden (Coils) aufgewickelten Kaltban
des oberhalb 600°C durch definierte Oxidationsvorgänge mit ei
ner dünnen Deckschicht, die das Kleben der Windungen ver
hindert, belegt. Während der Abkühlphase, unterhalb 600°C
wird diese Deckschicht durch Reduktion der Oxide wieder ent
fernt. Dies erfolgt durch Änderung des Wassergasgleichgewich
tes. Der gesamte Glühprozeß findet in einem Glühofen, insbe
sondere Haubenofen unter N₂-H₂-Schutzgasgemisch mit ma
ximal 5% H₂ und Zugabe von definierten CO₂-Mengen statt. Der
gesamte Reaktionsprozeß ist der Wassergasreaktion
H₂ + CO₂ = CO + H₂O
zugeordnet. Die Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlen
dioxid verursacht eine intensive Wasserdampfbildung, die von
dem thermodynamischen Zustand des Systems abhängt. Sie
wird von einer hohen H₂ bzw. CO₂-Konzentration und hohen
Temperaturen begünstigt. Tabelle 2 und Bild 2 zeigen z. B. die
temperaturabhängige Konzentrationsänderung in einem Aus
gangsgemisch von 5% H₂ und 1% CO₂. Die H₂O- und CO-Kurven
decken sich. Auf der Abzisse ist die Temperatur und auf
der Ordinate die Konzentration der Gasanteile aufgetragen. Die
Wasserdampfbildung nimmt mit steigender Temperatur zu. Bei
700°C liegen diese Werte noch unter 1 Vol.%. Eine höhere
CO₂-Konzentration im Ausgangsgemisch erhöht die Wasser
dampfbildung bis zu ca. 2 Vol.%. Die CO₂-Menge ist festgelegt
und hängt von der behandelten Glühgutoberfläche ab. Ein ent
sprechend oxidierendes Verhältnis der CO₂- und CO-Partial
drücke wird durch eine Änderung des stationären Gleichgewich
tes der Wassergasreaktion erreicht. Dies erfolgt durch einen
höheren Duchsatz des Schutzgases.
Ein Schutzgas mit einem Anteil von 92,6% Wasserstoff ist der
Tabelle 3, Bild 3 zu entnehmen. Wie diese Tabelle zeigt, ent
stehen bei H₂-Anteilen < 5% unzumutbare Wasserdampfkon
zentrationen von bis zu ca. 6,6 Vol.% (bei 700°C). Das ent
sprechend oxidierende CO₂-CO Verhältnis wird in keinem
Temperaturbereich erreicht. Bei hohen CO₂-Konzentrationen
erfolgt die Oxidation unkontrolliert im H₂-H₂O System bei nied
rigen, also ungewollten Temperaturen, wobei die Möglichkeit
einer anschließenden Reduktion der Bandoberfläche nicht ge
geben ist. Diese, in der Tabelle 3 aufgeführten Ergebnisse wur
den in durchgeführten Laborversuchen eindeutig bestätigt. Eine
Beimischung von 5 bis 10 Vol.% CO₂ zum Wasserstoff bei Be
handlungstemperaturen von 680°C verursachte eine so starke
Wasserbildung, daß diese Versuche unterbrochen werden
mußten, um eine Zerstörung der Analysen-Geräte zu verhin
dern. Der Anteil des Wasserstoffs in dem Schutzgas bei kleber
freiem Glühen von Kaltband ist daher in der DE 42 07 374 C1
auf max. 5 Vol.% begrenzt.
Nun treten Bandkleber bei der Behandlung von Kaltband in
Hochkonventionsöfen unter Wasserstoff < 5% enthaltenden
Schutzgasen weiter auf. Es wäre daher ein Verfahren zum Glü
hen von Kaltband wünschenswert, mit dem Bandkleber auch
beim Einsatz von Schutzgasen mit bis zu 100% H₂ vermieden
werden könnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Vermeiden der Bandkleber beim Glühen von Kaltband unter
Schutzgasen mit einem Anteil des Wasserstoffs < 5% zu
schaffen.
Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berück
sichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsge
mäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1
angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er
findung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erst durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete
Deckschicht wird ein Schutz gegen das Zusammenkleben der
einzelnen Windungen des Kaltbandes unter einem Schutzgas
mit einem Wasserstoffanteil größer 5%, vorzugsweise mit ei
nem Wasserstoffanteil größer 70%, insbesondere 100%, er
reicht. Die Voraussetzung dafür ist eine extrem starke Zerstö
rung des thermodynamischen Gleichgewichtes der homogenen
Wassergasreaktion. Dies bedeutet fast eine Unterbindung des
Reaktionsablaufes nach H₂ + CO₂ = CO + H₂. Betriebsversuche
mit etwa 60 t Glühchargen haben überraschend ergeben, daß
man Kaltband in geschlossenen Ofenanlagen, wie z. B. in Hau
benöfen, mit Hochkonvektion auch unter 100% H₂-haltigem
Schutzgas bei Zugabe von CO₂ mit einer Deckschicht belegen
und damit kleberfrei behandeln kann.
Durch eine hohe Leistung der in Hochkonvektionsöfen einge
setzten Umwälzventilatoren, sind die Strömungsgeschwindigkei
ten des umgewälzten H₂-Schutzgases bei Temperaturen von 600
bis 750°C so hoch, daß die homogene Wassergasreaktion
kaum noch stattfinden kann und das stationäre Gleichgewicht
vom thermodynamischen sehr stark abweicht. Erfindungsgemäß
wird hier mit stationären Gleichgewichten von K « 0,01 gear
beitet. Unter stationärem Gleichgewicht wird dabei ein Ist-Zustand
verstanden, der anhand der Analyse der Gaszusam
mensetzung mathematisch durch folgende Formel berechnet
wird:
Der Quotient K wird « 0,01 nur dann, wenn der Divisor sehr
groß und der Divident sehr klein sind, was ein fast-Stillstand der
Reaktion bedeutet. Dadurch wird das Erreichen eines oxidie
renden Partialdruckverhältnisses (P) Kohlendioxid
(CO₂)/Kohlenmonoxid (CO) überraschenderweise möglich. Die
Wasserdampfbildung wird dabei stark begrenzt.
Die homogene Wassergasreaktion ist dabei für die Steuerung
des erfindungsgemäßen Verfahrens unbrauchbar. Die Steue
rung erfolgt vielmehr über den Zerfall (Dissoziation) der beige
mischten, definierten CO₂-Menge nach:
CO₂ = CO + 0,5 O₂
Aus dieser Reaktion resultierender Sauerstoffpartialdruck wird
in der Schutzgasatmosphäre nach Bedarf eingestellt. Der Pro
zeß der Belegung der Bandoberfläche mit einer Deckschicht,
die das Kleben der Windungen verhindert, wird unter einem de
finiertem O₂-Partialdruck durchgeführt. Dieser kann als Quotient
der Partialdrücke (P) von CO₂ und CO definiert werden und darf
beim Oxidationsvorgang oberhalb 600°C nicht kleiner 1 werden.
In Fig. 1 sind die Änderungen des Sauerstoff-Partialdrucks
(PO₂) graphisch dargestellt. Dabei ist hier PO₂ als Logaritmus-Funktion
temperatur- und zeitabhängig dargestellt. Deutlich zu
erkennen ist hier die Phase der CO₂-Beimischung. Diese wird
mit Beginn der Abkühlphase beendet. So aufgebaute Deck
schichten mit einer CO₂-Menge von 0,3 bis 0,6 g pro m² Glüh
gutoberfläche verhindern das Kleben der einzelnen Windungen
im Coil. Eine starke Reduzierungskraft des Wasserstoffs in der
Abkühlphase sorgt unterhalb der 600°C für den Abbau dieser
Deckschicht.
Während der Haltezeit in reinen Wasserstoffatmosphären
kommt es zu einer starken Methan-Bildung, weil H₂ den
Kohlenstoff, der als Crackprodukt aus der Abdampfphase
(Aufheizen) stammt, nach H₂ + C = CH₄ umsetzt.
Höhere als etwa 2 Vol.% Methan-Gehalte, wirken negativ auf
die Einstellung des erforderlichen Sauerstoffpartialdruckes, der
für die Belegung mit schützender Deckschicht ausschlagge
bend ist. Das beigemischte CO₂ reagiert dann mit Methan nach
folgender Reaktion:
CH₄ + CO₂ = 2H₂ + 2CO
Somit wird das Kohlendioxid so stark abgebaut und CO neu
gebildet, daß das Verhältnis der Partialdrücke (P)
P(CO₂)/P(CO) < 1
eingestellt wird und dadurch eine definierte Belegung der
Bandoberfläche mit schützenden Deckschicht nicht oder nicht
wirtschaftlich möglich ist.
Um den vorgeschlagenen Prozeß der Belegung störungsfrei
durchzuführen darf der Methan-Gehalt in der letzten Phase der
Haltezeit, vor der CO₂-Beimischung, eine Konzentration von ca.
2 Vol.% der Schutzgasatmosphäre nicht überschreiten. Werden
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kohlenstoffarme und
gegen Aufkohlung empfindliche Stähle behandelt z. B. mit Titan
mikrolegierte IF(Sondertiefziehstahl)-Stahl, so ist eine Ab
senkung des C-Pegels der Schutzgasatmosphäre auf 0,003%
erforderlich.
Claims (4)
1. Verfahren zum Vermeiden von Klebern beim
Glühen von Kaltband im Haubenofen vorzugs
weise mit Hochkonvektion unter einem Schutz
gas aus < 5% bis 100% Wasserstoff, Rest
Stickstoff, mit den Phasen Aufheizen, Halten und
Abkühlen
dadurch gekennzeichnet,
daß während der Haltezeit das Kaltband durch
Oxidation bei Temperaturen oberhalb 600°C mit
einer dünnen Deckschicht belegt wird, indem ein
oxidierendes Partialdruckverhältnis
P (CO2)/P (CO) < 1durch Beimischung von 0,3 g bis 0,6 g Kohlen
dioxid pro m² Glühgutsoberfläche zu dem
Schutzgas und eine starke Zerstörung des
thermodynamischen Gleichgewichtes der
homogenen Wassergasreaktionen (K « 0,01)
eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß während der Abkühlphase bei Tempera
turen unterhalb 600 °C, ein Partialdruckver
hältnis von
P(CO2)/P(CO) < 1zur Reduktion der Deckschicht eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wasserdampf-Anteil in dem Schutzgas
während der CO2-Beimischung unter 1,5 Vol.%
eingestellt wird und die Reduktion der Ober
fläche während der Abkühlphase durch Wasser
stoff erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Methan-Anteil in dem Schutzgas vor der
CO2-Beimischung unter 2 Vol.% eingestellt wird.
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