DE3035000A1

DE3035000A1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen verzinken von kaltgewalztem stahlband

Info

Publication number: DE3035000A1
Application number: DE19803035000
Authority: DE
Inventors: Albert Ing.(grad.) 5600 Wuppertal Lichte; Hans-Joachim Ing.(grad.) 4130 Moers Platzen; Hans Ing.(grad.) 4100 Duisburg Siber
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1980-09-17
Filing date: 1980-09-17
Publication date: 1982-03-25
Also published as: DE3035000C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verzinken von
kaltgewalztem Stahlband sowie ein Verfahren zum Betrieb der genannten Vorrichtung.
Normalerweise wird Stahlband nach einem Tauchverfahren verzinkt. Dabei durchläuft das Band einen Ofen für die Oberflächenreinigung und eine rekristallisierende Schutzgasglühe mit einer anschließenden Kühlung, die die Temperatur des Bandes auf einen wenig oberhalb dem Schmelzpunkt von Zink liegenden Wert vermindert. In dieser Weise wird im ersten Teil des Ofens die Stahlbandoberfläche von anhaftendem Ul durch Verbrennung bei ca. 4500 C oder darüber gereinigt. Im zweiten Teil des Ofens wird eine rekristallisiercnde Schutzgas- bzw. Weichglühung des Bandes bei ca. 9000C mit gleichzeitiger Reduktion der im ersten Ofenteil oxidierten Oberfläche mit Wasserstoffgas durchgeführt. Im dritten Ofenteil wird das Band mit gleichem Schutzgas, welches Ammoniak-Spaltgas sein kann, auf ca. 4700 C gekühlt.
Ohne Luftrerührung, sondern immer noch unter Schutzgas stehend, wird das Band in a e Zinkschmelze eingeführt, umläuft eine im Zinkbad befindliche Umleriisrolle und verl äSt mit flüssigen Zink behaftet das Bad nach oben-, wo es ir die Aun,enluft eintritt. Der metallische Oberzug bildet ei-ne gut haftende intermetallische Phase mit dem Stahl band und erreicht eine Dicke von ca. 25/1000 mm. Wenn dünnere Beschichtung gewünscht wird, kann dies durch Einsatz von mit Luft betriebenen Abstreifdüsen erreicht werden.
Die Nachfrage der Verarbeiter von kaltgewalztem Stahl band nach einseitig mit Zink beschichtetem Material nimmt ständig zu. Insbesondere ist die Automobil industrie für die Karosserieherstellung an einseitig verzinktem Stahl band interessiert.
Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von einseitig verzinktem Bandraterial vorgeschlagen wordep, die aber aus verschiedenen Gründen keine voll befriedigenden Ergebnisse erbracht haben. So hat man versucht,- nach dem ::al zeriauftragsverfa hren geschmolzenes Zink einseitig auf Stahlband aufzutragen. Dieses Verfahren hat Jedoch den Nachteil, daß zur Vermeidung von Oxidation alle Einrichtunyen unter Schutzgas stehen müssen und eine Benetzung der Bandrückscite mit Zink nicht ganz vermieden werden kann.
Ein anderes Verfahren für die einseitige Verzinkung arbeitet elektrolytisch. Die Qualität des Produktes genügt zwar den Anforderungen, jedoch erfordert das Verfahren sehr lange Behandlungszeiten des Bandes. Bei den gegenwärtig geforderten Produktionsleistungen sind Bandgeschwindigkeiten von 150 m/min und mehr üblich und notwendig. Die lange Zeitdauer, die die elektrolytische Auftragsweise verlangt, hat zur Folge, daß die Anlage ausserordentlich lang wird und entsprechend hohe Erstellungskosten verursacht.
Hinzu kommt, daß, das Elektrolyseverfahren erhebliche Betriebskosten verursacht, insbesondere bei dickeren Beschichtungen, wodurch der Betrieb derartiger Anlagen unwirtschaftlich wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche den wahlweisen Betrieb als Tauchbeschichtungsanlage, die den Ausgangswerkstoff beidseitig verzinkt, und als Anlage gestattet, bei der der Ausgangswerkstoff einseitig beschichtet wird. Diese Aufgabe löst die Erfindung mit Hilfe der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeb nen Ma3nahlllen.
Der grundlegende Vorteil, der sich bei Anwendung des Erfindungsgedankens ergibt, besteht darin, da,3 bereits vorhandene Anlagen mit relativ geringem Aufwand in die Lage versetzt werden, nunmehr auch einseitig verzinktes Band zu erzeugen. Da die Nachfrage nach einseitig verzinktem Band auf Kosten der Nachfrage nach beidseitig verzinktem Band, jedenfalls teilweise, geht, stellt es keinen Nachteil dar, daß eine erfindungsgemäß ausgeführte Anlage nicht gleichzeitig beide Arten von beschichtetem Material erzeugen kann.
Der besondere Vorteil, der sowohl für konventionelle Tauchbad- Beschichtungsanlagen, die erfindungsgemä ergänzt werden, wie auch für neu erstellte, integrierte Anlagen gilt, ist darin zu sehen, daß nach der Erfindung für die die einseitige Beschichtung erzeugende Anlage eine solche vorgeschlagen wird, bei der die "Vor- und Nachbehandlungsstufen" der nach dem Tauchverfahren arbeitenden Anlage besonders zwecksmäßig verwendet werden.
Oberraschend hat sich ergeben, daß besondere Maßnahmen, die zur Verbesserung der Qualität des durch Vakuumverdampfung erzeugten Produkts erforderlich sind, sich besonders günstig bei der nach der Erfindung vorgeschlagenen Anordnung durchführen lassen.
So haben Versuche gezeigt, daß zur Regelung der Haftfestigkeit und des Porositätsgrades des durch Vakuumverdampfung aufgetragenen Zinküberzuges besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen. Hierzu gehört, daß außer der normal üblichen Reinigung der Bandoberfläche durch vorgeschaltete Naßbehandlungsstufen im Hochvakuum eine besondere Reinigung der Bandoberfläche notwendig ist. Die Reinigung könnte durch Glimmentladungen bewirkt werden.
Die hierfür erforderlichen Reinigungszeiten sind jedoch für eine Hochleistungsanlage zu lang. Dagegen hat sich gezeigt, daß eine Banderwärmung auf ca. 1000 C im Vakuum genügt, um die molekulare Wasserhaut, Gasmoleküle oder :-öylichrweise noch vorhandene monomolekulare Fettschichten, die sich nocn auf der zuvor in der Naî,stufe behandelten Bandoberfläche befinden, zu beseitigen.
6ei ein2r nonalen Dünnschichtbedampfung verändert der zu bedampfende Gegenstand seine Temperatur kaum, weil der Bedampfungsvorgang meistens nur Bruchteile von Sekunden dauert und der Wärmetransport durch die Moleküle des beschichtunssstoffs geringfügig ist. Sobald jedoch dickere Schichten aufgetragen werden, spielt die Temperaturzunahme des zu bedampfenden Gegenstandes durch den Wärmetransport der moleküle und durch die Strahlungsenergie, die von den das aufzudampfende Metall enthaltenen Tiegeln ausgeht, eine erhebliche Rolle. Von dieser Temperaturzunahme hängt in erster Linie die Kondensationsfähigkeit ab.
Bei dickeren Schichten kann die Kohäsion die Adhäsion überwiegen, so daß starke Spannungen in der Aufdampfschicht auftreten, die zu ihrer Ablösung von der Unterlage führen können. Diese Erscheinung kann sich auch bei hohen Aufdarnpfraten ergeben, weil dann die Turbulenz in der Tiegelschmelze so gro3 wird, daß D',etallspritzer die Porosität erhöhen.
Niedrige Verdampfungsraten ergeben wiederum hohe Strahlungsverluste an den Tiegeln. Je höher die Verdampfungsrate gewählt wird, desto besser wird das Verhältnis zwischen nutzbarer Energie und den Abstrahlverlusten. Im Interesse einer guten Beschichtungsqualität sind daher den jeweiligen Höchstwerten Grenzen gesetzt. So wurde eine gute Beschichtungsqualität bei einer Zinkverdampfungsrate von ca. 14 um/sec. ermittelt. Hierbei betrug die Verdampfungstemperatur ca. 600 o C. Obwohl Zink schon bei etwa 2600 C im Vaku--4 um von 10 Torr teilweise sublimiert, sind zum Verdampfen höhere Temperaturen erforderlich, um eine ausreichende Verdampfungsrate zu erzielen.
Die Grenzen sind durch die Kondensationsfähigkeit des Zinkdampfes auf der Bandoberfläche gegeben. Diese ist noch ausreichend gewährleistet, wenn die Bandtemperatur durch den larmetransport des Dampfes und durch die Strahluncsenergie der Tiegel nicht höher als etwa 2100 C wird. Andererseits stellte sich heraus, daß beim Erreichen dieser Temperatur auch eine gute Haftfestigkeit für Zink auf dem Stahl band erreicht wurde. Sie kommt in der Qualität einer Diffusionsglühung gleich.
Nachfolgendes Beispiel zeigt anhand von Versuchsergebnissen die Temperaturerhöhung des Stahlbandes beim Verzinken bei verschiedenen Band- und Beschichtungsstoff-Dicken, wobei die Tiegelstrahlung nur mit 2 bis 4 « an der Temperaturerhöhung des Bandes beteiligt ist.
Banddicke Temperaturerhöhung bei Zinkschichtdicken von doppelseitig einseitig 2,5 um/Seite 16 um 17,83 g/m2 u. Seite 114,08 g/m 2 (mm) ( °C) ( C) 0,4 54 175 0,8 27 87 1,0 21 71 Eine befriedigende Porosität und eine gute Haftfestigkeit des Beschichtungsstoffes werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die-Bedampfung des Bandes im Vakuumteil bei einer Temperatur erfolgt, die gewährleistet, daß das Band nach dem Zinkauftrag konstant eine Temperatur von beispielsweise 210 OC hat. Bei dieser Bandtemperatur ist eine gute Haftfestigkeit des Zinkes gewährleistet. Andererseits bewirkt die entsprechende Vorwärmung die Beseitigung der molekularen Wasserhaut und der noch auf der Oberfläche haftenden Gasmoleküle. Um diese Bedingungen zu erfüllen, sind jedoch bei dünnen Bändern die gewünschten Vorwänutemperaturen des Bandes zu hoch. In diesem Falle muß die Schichtdicke reduziert werden, weil sonst keine ausreichende Kondensationsrate erhalten werden kann, oder aber es ist erforderlich, die Bandoberfläche mit einem Elektronenstrahl zu aktivieren, was ohne w2sentliche anderwännung erfolgt.
Die ahl einer dünneren Schichtdicke ist die wirtschaftlichere Lösung. Die erzielbarn technologischen Eigenschaften aufgedampfter Schichten lassen in Gezuy auf Porositätsjrad, Duktilität, Haftfestigkeit und Oberflächen-Aussehen dünnere Auftragsdicken im Vergleich zu den bisher bekannten Verfahrer zu.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontinuierlichen Verzinken von kaltgewalztem Stahlband ist in der Abbildung dargestellt.
Im Normalfall - beidseitige Verzinkung - gelangt das Stahlband aus dem Glühofen 1 unter Schutzgas mit Hilfe eines Tauchrüssels 3 in eine Zinkschmelze 2. Aus dieser tritt das mit Zink beschichtete Stahl band senkrecht nach oben über walzen oder Düsenabstreifer aus. Es durchläuft dann eine Kühl strecke 4, bevor es nach einer folgenden Nachbehandl ungsstufe aufgewickelt wird.
Soll das Ban einseitig verzinkt werden, wird eine Flüssigkeitsschleuse 7 in die Linie gefahren und mit einen einen Vakuumteil bildenden Behandlungsraum 11 verbun:ie. Ferner wird mit Hilfe eines kanals 6 eine gasdichte Verbindung zwischen dem Glühofen 1 und der Flüssigkeitsschleuse 5 heryestellt. Der Kanal 6 ist zu diesem Zweck zwischen der gezeigten Arbeitsstellung und einer nicht dargestellten Nichtgebrauchsstellung bewe3bar. Der Tauchrüssel 3 wird außer Betrieb gesetzt, wenn das Band einseitig verzinkt werden soll.
In einer ersten Vakuurikammer 8 wird für den Bandein- und -austritt ein Grobvakuum von etwa 100 Torr erzeugt. In einer zweiten Kammer 9 wird ein Zwischenvakuum von etwa 1 Torr und in einer dritten Kammer 10 ein Feinvakuum von etwa 10 ~3Torr erzeugt., während im eigentlichen Behandlungsraum 11 ein Vakuum von etwa 10 Torr hergestellt wird.
In dem Behandlungsraum der eigentlichen Hochvakuum-Kammer 11 durchläuft das Band 12 zuerst eine Entgasungs- bzw. Oberflächen-Reinigungsstrecke, wird umgelenkt und anschließend einseitig bedampft. Hierbei wird das Band über flüssiges Zink enthaltende Tiegel 13 geführt. Anschließend durchläuft das Band die Kammern 10, 9 und 8 und wird nach Umlenkung in die Flüssigkeitsschleuse 7 geleitet, die sich am Ende der Grobvakuumstufe 8 befindet. Die Bandkühlung von ca. 2100 C auf etwa 50 0 C erfolgt in dieser Flüssigkeitsschleuse 7, so daß beim Eintritt des Stahlbandes in die Atmosphäre keine Gefahr einer Oxydation der nicht beschichteten Eandseite durch Luftsauerstoff besteht. Die Behandlungsstrecke 4 dient in diesem Falle als Trockenstrecke.
Die hier nicht dargestellte Tiegelbeschickung 13 kann beispielsweise mit Zinkdraht oder aber auch mit Zink in flüssiger Foriri erfolgen. Im letzteren Fall wird die síetallschmeize außerhalb des Vakuums mittels einer einfachen preiswerten Wärmequelle geschmolzen. Das flüssige Metall kann durch Ausnutzung der Gravitation gasdicht in die Behandlungskammer zu den Verdampiertigeln geführt werden.
Die lJesarntc lläncebehandlung des Bandes kann im hochvakuum vollzogen werden, u einmal die hohen Schutzgaskosten zu sparen und zum anderen die Möglichkeit der Erwärmung mit Elektronenstrahlen im Hochvakuum auszunutzen. Hiermit lassen sich hohe Energiedichten erreichen, wodurch die Glühbehandlungslänge sehr klein gehalten werden kann. In diesem Falle erfolgt vorher eine Naßreinigung des Bandes außerhalb des Vakuums, so daß im Glühteil die die Oberfläche nicht mehr reduziert zu werden braucht. Die Kühlung nach der Glühbehandlung innerhalb des Vakuums erfolgt über Kühirollen auf eine Temperatur, die nun auch unterhalb von 1000 C liegen darf, weil das Band schon im Glühteil gut entgast wurde.

Claims

Vorrichtung zum kontinuierlichen Verzinken von kaltgewalztem Stahlband Patentansprüche 0. Vorrichtung zum kontinuierlichen Verzinken von kaltcewalztem Stahl band, dadurch gekennzeichnet, da3 zur wahlweisen Herstellung von beidseitig oder einseitig verzinktem Band hinter einer gemeinsamen Vorbehandlungseinrichtung parallel zueinander eine Tauchverzinkungseinrichtung und eine Vakuumbedarnpfungsei nrichtung angeordnet sind.
2. Vorrichtung zum kontinuierlichen Verzinken von kaltgewalztem Stahlband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den die Vorbenandlungsstufen bildenden Glühofen (1) sowohl der in das Zinkbad führende Tauchrüssel (3) als auch ein zur Eintrittsschleuse (7) der Vakuumbedampfungseinrichtung führender Kanal (6) angeschlossen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (6) mit einer fliissigkeitsgefüilten Trenneinrichtung verbunden ist, die die Trennung der Grobvakuumkammer (8) von der Außenatmosphäre bewirkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der die Bedampfungseinrichtung bildenden Vakuumkammer (11) die Schleusenkammern (8, 9, 10) für das Grob-, Zwischen- und Feinvakuum für den Bandein- und -austritt auf einer Seite zusammengefaßt sind und das Band durch die Vakuumkammer in einer zur Eintrittsseite zurückführenden Schleife geführt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daS an Bandaustritt der Vakuumkanimer (11) ebenfails eine flüssigkeitsgefüllte Trenneinrichtung (7) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (6) zwischen einer Arbeitsstellung, in der er den Glühofen (1) mit der eingangsseitigen Trenneinrichtung (5) der Vakuumkammer (11) verbindet und einer tlichtgebrauchsstellung bewegbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die am Bandaustritt der Vakuumkammer (11) angeordnete Trenneinrichtung (7) zwischen einer Arbeitsstellung, in der sie das die Vakuumkammer (11) verlassende Band (12) in die Bahn lenkt, auf der das Band von der Tauchverzinkungseinrichtung abgeführt wird, und einer Michtbrauchsstellung bewegbar ist, in der das aus der Tauchverzinkungseinrichtung kommende Band behinderungsfrei vorbeiläuft.
8. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedampfung unter der Wirkung eines Unterdrucks 10-3 bis 14 Torr erfolgt, wobei das Band vor dem Aufbringen des Metall dampfes auf über 100o C erwänit wird.
9. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Bedampfen aufgebrachte Zinkmenge so bemessen wird, daß die Bandtemperatur 2100 C nicht übersteigt.
10.Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedampfung mit einer Verdampfungsrate des Zink von ca. 14 um/sec. bei einer Temperatur von ca. 6000 C in einem Vakuumdruck von 10 -4 Torr durchgeführt wird.
11.Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bedampfte Band in einer der Grobvakuumkammer austrittsseitig nachgeordneten, als Fl üssi gkeitsschl euse ausgebildeten Trenneinrichtung auf ca. 50 0 C gekühlt wird.
12.Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Band naß vorgereinigt in Hochvakuum mit Hilfe von Elektronenstrahlen glühbehandelt, dann mit Zink bedampft und noch in Hochvakuum auf ca. 100 ° C und weniger abgekühlt wird.