DE3446193C2

DE3446193C2 -

Info

Publication number: DE3446193C2
Application number: DE3446193A
Authority: DE
Inventors: Tohru Kawasaki Kanagawa Jp Iuchi
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-12-20
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1987-10-22
Also published as: US4647319A; IT1177473B; FR2556838A1; BE901317A; IT8424146A0; GB2153520B; GB2153520A; DE3446193A1; GB8431441D0; CA1235925A; FR2556838B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum quantitativen Bestimmen der Entkohlungsreaktion bei der Herstellung eines Stahlblechs, insbesondere eines Elektrostahlblechs in einem Glühofen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen der Entkohlungsreaktion in situ.

Elektrostahlbleche werden für Magnetkerne elektrischer Maschinen und Anlagen verwendet. Elektrostahlbleche werden im wesentlichen in zwei Typen klassifiziert, nämlich unorientiertes Elektrostahlblech, das unter Anwendung von Primärrekristallisation und normalem Kornwachstum erzeugt wird, und kornorientiertes Elektrostahlblech, das unter Anwendung eines Phänomens erzeugt wird, bei dem Kritallkörner mit einer bestimmten Orientierung, beispielsweise der Orientierung mit den Miller-Indizes (110) <001<, zu einem anormalen Wachstum veranlaßt werden. Dieses übermäßig starke Wachstum wird als Sekundärrekristallisation bezeichnet.

Bei einem unorientierten Elektrostahlblech ist Kohlenstoff eine Verunreinigung und wird während der Blechherstellung soweit als möglich entfernt (Entkohlung), da der im Endprodukt verbleibende Kohlenstoff die magnetischen Eigenschaften des Bleches im Laufe der Zeit beeinträchtigt. Diese Verschlechterung wird als magnetische Alterung be zeichnet.

Der Kohlenstoffgehalt von Siliciumstählen kann in den Verfahrensstufen verringert werden, in denen der Stahl flüssig ist, einschließlich der Stahlbereitung und der Vorbehandlung des geschmolzenen Stahls. Wenn versucht wird, in den Flüssig stahl-Verfahrensstufen einen niedrigen Kohlenstoffgehalt zu erreichen, der für die magnetischen Eigenschaften nicht schädlich ist, macht die komplizierte Verfahrenstechnik, die zum Erreichen des gewünschten niedrigen Kohlenstoffgehalts unerläßlich ist, die Wirtschaftlichkeit und Effizienz bei der Stahlherstellung sehr gering. Deshalb verbleibt üblicherweise etwas Kohlenstoff während der Flüssigstahl-Verfahrensstufen im Stahl und wird in einer späteren Verfahrensstufe entfernt. Diese Entkohlung wird üblicherweise während des Glühens durchgeführt, d. h., die Entkohlung wird zusammen mit der Primärrekristallisation und dem normalen Kornwachstum während des Glühens erreicht.

Bei der Herstellung eines kornorientierten Elektrostahlbleches ist ein gewisser Kohlenstoffgehalt erforderlich, um eine stabile Sekundärrekristallisation zu ermöglichen. Der ge schmolzene Stahl weist deshalb einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,02 bis 0,06% auf, so daß dieser Kohlenstoffgehalt eines Bandes die Bedingungen für eine stabile Sekundärre kristallisation schafft.

Die Notwendigkeit, den Kohlenstoffgehalt innerhalb des vorstehenden Bereiches zu regeln, ist seit langem bekannt.

Die EP-A-76 109 beschreibt ein repräsentatives Verfahren zum Steuern des Kohlenstoffgehalts. Bei diesem Verfahren wird das Erzeugnis durch die folgenden Verfahrensstufen erhalten: Kaltwalzen eines warmgewalzten Bandes in einem einzigen Stich oder mehrere Kaltwalzstiche mit Zwischenglühen zum Erreichen der Enddicke des Erzeugnisses; Entkohlungsglühen in einer feuchten Wasserstoffatmosphäre; Aufbringen und anschließendes Trocknen eines hauptsächlich aus MgO bestehenden Pulvers; anschließendes Glühen bei einer Temperatur über 1100°C. Die Ziele dieses beim letzten Herstellungsschritt durchgeführten Glühens sind das Erzeugen der Sekundär rekristallisation und das Ausbilden eines hauptsächlich aus 2 MgO · SiO₂ bestehenden keramischen Isoliermaterials aufgrund der Reaktion zwischen dem während des Entkohlungsglühens auf der Blechoberfläche ausgebildeten SiO₂ und des auf die Blechoberfläche aufgebrachten MgO. Ein Ziel des Entkohlungsglühens ist die Verringerung des Kohlenstoffgehalts des Stahlblechs vor dem sekundären Rekristallisationsglühen auf einen möglichst niedrigen Wert, üblicherweise 0,002% oder weniger, wodurch eine stabile Sekundärrekristallisation erzeugt wird.

Üblicherweise wird die Entkohlung eines warmgewalzten Stahl blechs nur während des Entkohlungsglühens durchgeführt. Wie in der vorstehend erwähnten EP-A-76 109 beschrieben, hängt der optimale Kohlenstoffgehalt für die Sekundärrekristallisation vom Kohlenstoffgehalt während des Kaltwalzens ab. Deshalb wird die Entkohlung bei einem in jüngster Zeit angewandten Entkohlungsverfahren während des Glühens eines warmgewalzten Bandes oder während des Zwischenglühens durchgeführt, um eine derartig vollständige Entkohlung zu ermöglichen, wie sie vorher beim Entkohlungsglühen erzielt wurde.

Zusammengefaßt ist festzustellen, daß unabhängig von der Art des herzustellenden unorientierten oder kornorientierten Elektrostahlbleches die Entkohlung während des Glühens durch geführt wird.

Die Entkohlung läuft während des Entkohlungsglühens nach den folgenden Reaktionen ab:
C (in Fe-Si) + H₂O ⇄ CO + H₂.

Da der Kohlenstoffgehalt des Stahles in der Anfangsphase des Glühens groß ist, ist die gebildete CO-Menge ebenfalls groß. Wenn eine beträchtliche Menge an CO gebildet ist, läuft die vorstehende Reaktion nach links ab, oder es wird ein Oxid auf der Oberfläche des Stahlblechs gebildet, was dazu führt, daß die Entkohlungsgeschwindigkeit verzögert wird. In diesem Fall ist es erforderlich, entweder den H₂O-Gehalt zu erhöhen oder das gebildete CO mit einem zugeführten Gasmedium zu verdünnen, um die Entkohlung zu fördern. In einer Glühphase, in der die Entkohlung fortschreitet und der Kohlenstoffgehalt des Stahls deshalb zu niedrig wird, wird die Menge des gebildeten CO gering. In diesem Fall wird auf der Oberfläche des Stahlblechs ein Oxid höherer Ordnung gebildet, falls der H₂O-Gehalt in der gasförmigen Glühatmosphäre nicht verringert wird. Es ist deshalb erforderlich, die H₂O- und CO-Gehalte in der Glühatmosphäre zu ermitteln und die Glühatmosphäre in Abhängigkeit von den ermittelten H₂O- und CO-Gehalten zu regeln. Diese Steuerung wird durch Zufuhr von Gasen in den Glühofen oder durch Einstellung des Taupunktes der Gasatmosphäre des Glühofens durchgeführt. Diese Steuerung ist am strengsten während des Entkohlungsglühens, das nach dem letzten Kaltwalzschritt bei der Herstellung eines kornorientierten Elektrostahlblechs durchgeführt wird, wie nachstehend näher erläutert.

Die Hauptziele des Entkohlungsglühens sind die Ausbildung der Primärrekristallisation des kaltgewalzten Stahlblechs und die Entkohlung sowie die Ausbildung einer Kieselsäure- Zunderschicht, d. h. eines Oxidfilms. Die während des Entkohlungsglühens ausgebildete Kieselsäure-Zunderschicht übt einen großen Einfluß bei der Bildung eines primären Films aus, d. h., eines Forsterit-Films, der in einer späteren Stufe als das Entkohlungsglühen gebildet wird. Die Bildung einer Kieselsäure- Zunderschicht und ihre Eigenschaften spielen deshalb eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Energieverlust- Charakteristika der Erzeugnisse, in denen das kornorientierte Elektrostahlblech verwendet wird.

Das H₂O, das an der vorstehenden Entkohlungsreaktion
C + H₂O ⇄ CO + H₂O
teilnimmt und das mit dem Kohlenstoff im Stahl reagiert, ist der in der Gasatmosphäre des Glühofens enthaltene Wasserdampf. Beim Entkohlungsglühen tritt zunächst Entkohlung durch H₂O auf. Wenn jedoch der H₂O-Partialdruck zu groß ist, wird ein Film von Oxiden, FeO, Fe₂O₃ und dgl. auf der Oberfläche des Stahlblechs gebildet und beeinträchtigt den Kontakt zwischen H₂O und C, wodurch die Entkohlung unterdrückt und infolgedessen die magnetischen Eigenschaften verschlechtert werden.

In der späteren Halbperiode des Entkohlungsglühens reagiert das H₂O mit dem im Stahl enthaltenen Si und bewirkt die Ausbildung einer Zunderschicht aus Kieselsäure, d. h., einen Film von Oxiden, wie SiO₂, 2 FeO · SiO u. dgl., gemäß den nachstehenden Reaktionen:
Si + 2 H₂O → SiO₂ + 2 H₂,
2 Fe + Si + 4 H₂O → 2 FeO · SiO₂ + 4 H₂.

Wenn diese Reaktionen bis zu einer übermäßigen Oxidation fortschreiten, wird die Haftfähigkeit des Films verschlechtert, und die Filmdicke überschreitet diejenige des erforderlichen Primär-Films, was zu einer Verringerung des Stapelfaktors des Magnetkernes und einer Verschlechterung der Filmeigenschaften führt. Die Oxidation durch die vorstehenden Reaktionen sollte gesteuert werden, um die Menge und Zusammensetzung des Oxid-Films für die Ausbildung einer Primärbeschichtung mit ausgezeichneter Qualität geeignet zu machen, da die Menge und die Zusammensetzung des Oxid-Films einen Einfluß auf die Qualität des glasartigen Isolierfilms ausübt, der hauptsächlich aus 2 MgO · SiO₂ besteht und als Primärschicht bezeichnet wird.

Wie vorstehend beschrieben, treten sowohl die Entkohlungsreaktion als auch die Oxidationsreaktion zum Ausbilden einer Oxidschicht während des Entkohlungsglühens auf.

Um eine geeignete und zufriedenstellende Entkohlung und Bildung der Oxidschicht zu erzielen, ist es wichtig, daß die Gasatmosphäre, der Taupunkt, die Zeit u. dgl. des Entkohlungsglühens genau geregelt werden.

Üblicherweise wird das Partialdruckverhältnis P _H₂O/P _H₂ zwischen Wasserdampf und Wasserstoffgas oder der Taupunkt der Gase des Glühofens geregelt, wie in der DE-OS 29 23 374 beschrieben. Das Partialdruckverhältnis und der Taupunkt werden durch Messen des Verhältnisses von Wasserdampf zu Wasserstoff bestimmt, bevor die Versorgungsgase in den Glühofen eingelassen werden. Wie im "Steel Handbook IV, 3. Aufl.", herausgegeben vom Japanischen Institut für Eisen und Stahl, S. 561 beschrieben, kann alternativ dazu eine Taupunktsonde, bei der die hygroskopische Sättigungs-Charakteristik von Lithiumchlorid angewandt wird, am Glühofen befestigt werden, und die Gasatmosphäre des Ofens wird nach außen in die Taupunktsonde gesaugt, um den Taupunkt zu messen. In diesem Fall wird die Gasatmosphäre in einem Teil des Ofeninneren zur Messung des Taupunktes verwendet. Die auf diese Weise ermittelten Werte liefern keine tatsächliche Information über die Entkohlung und Oxidfilmbildung, da das Partialdruckverhältnis und der Taupunkt zweifellos innerhalb des riesigen Raumes des Glühofens räumlich stark variieren.

Unter "tatsächlicher Information" ist der Zustand der Gasatmosphäre in der Nähe des Stahlbleches zu verstehen. Es ist erforderlich, die Entkohlung einschließlich der Bildung eines Oxidfilmes und der Reaktionen zwischen der Oberfläche des Stahlbleches und des in der Nähe der Oberfläche vorhandenen Wasserdampfes quantitativ zu erfassen.

Da die herkömmlichen Verfahren zum Messen des Taupunktes und dgl. verbesserungsfähig sind, sind die herkömmlichen Verfahren zur Steuerung der Entkohlung nicht zufriedenstellend. Da bisher kein geeignetes Verfahren zum Erhalten tatsächlicher und wahrheitsgemäßer Information bekannt ist, wurde bisher keine auf tatsächlichen und realistischen Meßwerten basierende Steuerung der Entkohlung durchgeführt.

Aus der DE-OS 23 21 405 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration verschiedener Bestandteile einer fließfähigen Probe bekannt, bei der elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge von den Bestandteilen der fließfähigen Probe, beispielsweise CO, absorbiert wird, durch die fließfähige Probe geführt und anschließend von einem Detektor empfangen wird. Aus der gemessenen Absorption der elektromagnetischen Strahlung sollen die Konzentrationen der entsprechenden Bestandteile erhalten werden. Aus der DE-OS 23 21 405 sind keine Hinweise auf die Anwendung eines derartigen Meßverfahrens in einem Entkohlungsglühofen zu entnehmen.

In "Stahl und Eisen", 92 (1972), Nr. 25, S. 1278 wird die Anwendung der massenspektrometrischen Prozeßgasanalyse in der Eisen- und Stahlindustrie beschrieben. Bei der Massenspektrometrie wird die Gasanalyse dadurch durchgeführt, daß das zu analysierende Gas in eine Vakuumkammer eingesaugt, mit einem Ionenstrahl bestrahlt und dadurch ionisiert wird, und daß die Intensität der in dem Gas enthaltenen Ionen mittels eines elektrostatischen Blendensystems ermittelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum exakten quantitativen Bestimmen des Reaktionszustandes bei der Entkohlungsreaktion eines Stahlbleches in einem Glühofen bereitzustellen, um aufgrund dieser Information eine exakte Verfahrenssteuerung der Entkohlung zu ermöglichen.

Die vorstehende Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gleichzeitig die Konzentration des Wasserdampfs und die Konzentration des CO-Gases, d. h. des Reaktionsproduktes, in der Nähe der Oberfläche des Stahlblechs gemessen werden, wo die Entkohlung stattfindet, und es können Partialdrücke von CO-Gas und Wasserdampf oder das Partialdruckverhältnis P _H₂O/P _CO gemessen werden.

Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, eine elektromagnetische Welle zum Messen des Taupunktes einzusetzen. Das erfindungsgemäße Taupunkt-Meßverfahren besteht insbesondere darin, einen Strahl einer elektromagnetischen Welle in die Nähe des Stahlbleches in einem Ofen zu führen und die Absorption der elektromagnetischen Welle durch den Wasserdampf innerhalb des Ofens zu messen. Durch dieses Verfahren kann der Taupunkt in der Nähe des Stahlbleches im Ofen gemessen werden. Der vorstehende Grundgedanke wird insbesondere bei einem Verfahren zur Herstellung eines Elektrostahlbleches angewandt.

Die Konzentration von Wasserdampf und/oder CO-Gas, die Partialdrücke von Wasserdampf und CO-Gas, das Partialdruckverhältnis P _H₂O/P _CO und/oder der der Konzentration von Wasserdampf in der unmittelbaren Umgebung eines Stahlblechs in einem Glühofen entsprechende Taupunkt werden unter Anwendung der Tatsache gemessen, daß der absorbierte Anteil des Strahls der elektromagnetischen Welle in Abhängigkeit vom Gehalt an Wasserdampf und CO-Gas variiert, wenn ein Strahl einer elektromagnetischen Welle mit einer bestimmten Wellenlänge und mit einer charakteristischen Absorption aufgrund des Wasserdampfes und/oder des CO-Gases sich im Ofenraum aus breitet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Meßprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 die Beziehung zwischen dem Taupunkt und dem Druck von gesättigtem Wasserdampf,

Fig. 3 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Meßsystems,

Fig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 5 das Ergebnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen des mittleren Taupunkts und der mittleren CO- Gaskonzentration in der Umgebung eines Stahlblechs in einem kontinuierlichen Entkohlungsglühofen für ein Elektrostahlblech.

In Fig. 1 sind die Grundelemente der Erfindung dargestellt.

Ein Entkohlungs-Glühofen 1 weist an beiden Seitenwänden 2, 2′ kleine Öffnungen auf, die durch Fenster 3, 3′ abgedichtet werden, um ein Lecken oder Austreten der Gasatmosphäre aus dem Ofeninneren zu verhindern. Die Fenster 3, 3′ sind für die elektromagnetische Welle durchlässig und werden nachstehend als für elektromagnetische Wellen durchlässige Fenster 3, 3′ bezeichnet. Ein Strahl 5 einer elektromagnetischen Welle wird von einer Quelle 4 emittiert.

Zwischen der Quelle 4 und dem Fenster 3 ist ein Strahlteiler 7 angeordnet. Das Wellenlängenband der elektromagnetischen Welle von der Quelle 4 weist ein oder mehrere von Wasserdampf absorbierte Bänder, wie 1,39 µm, 1,84 µm, 2,7 µm und 5,5 bis 6,5 µm, und von CO-Gas absorbierte Bänder, wie 4,6 bis 4,7 µm auf. In dem im Strahlteiler 7 abgelenkten Teilstrahl ist ein Detektor 8 angeordnet. Außerhalb des anderen Fensters 3′ ist ein Reflexionsspiegel 6, wie ein Littrow-Reflektor angeordnet.

Das Elektrostahlblech 9 ist im Inneren 1′ des Entkohlungs-Glühofens 1 angeordnet, und die Oberfläche 9′ wird in eine Grenzflächenreaktion mit dem Wasserdampf im Ofeninneren 1′ gebracht.

Der Strahl 5 der elektromagnetischen Welle, beispielsweise ein Infrarotstrahl, breitet sich durch das Fenster 3 und in die unmittelbare Umgebung der Oberfläche 9′ aus. Der Strahl 5 wird dann vom Reflexionsspiegel 6 reflektiert und passiert dann wieder das Ofeninnere 1′. Der Strahl 5 wird dann außerhalb des Ofens von Strahlteiler 7 reflektiert und zum Detektor 8 geführt. Die Querschnittsform des Strahles 5 kann gegebenenfalls auf optische Weise gesteuert werden, aber der Durchmesser liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 50 mm. Je kleiner der Abstand zwischen dem Strahl 5 und der Oberfläche 9′ des Elektrostahlbleches ist, um so genauer ist das Erkennen der Grenzflächenreaktion. Da jedoch praktische Probleme bestehen, wie eine Vibration des im Glühofen 1 sich bewegenden Stahlbleches 9, beträgt der Abstand zwischen dem Strahl 5 und der Oberfläche 9′ des Stahlbleches 9 vorzugsweise mindestens 0,1 mm und höchstens 100 mm. Die Intensität der vom Detektor 8 ermittelten elektromagnetischen Welle variiert in Abhängigkeit von den Konzentrationen des aufgrund der Entkohlungsreaktion gebildeten Wasserdampfes und CO-Gases, und es können deshalb die Konzentrationen von Wasserdampf und CO-Gas, die Partialdrücke von Wasserdampf und CO-Gas und/oder das Partialdruckverhältnis durch den Detektor 8 gemessen werden. Diese Messung ist eine in situ-Messung des Ofeninneren 1′, in dem die Entkohlungsreaktion stattfindet.

Der Strahlengang des Strahlers 5 der elektromagnetischen Welle über die Oberfläche 9′ des Stahlbleches 9 kann in jeder beliebigen Richtung erfolgen. Wenn der Strahl 5 über die Breite des Stahlbleches 9 im Ofeninneren 1′ wandert, können die über die Breite gemittelten durchschnittlichen Werte für Wasser dampf und/oder CO-Gas erhalten werden, d. h., diejenigen Komponenten, die an der Grenzflächenreaktion teilnehmen, werden durch ihren Mittelwert in einem bestimmten Abschnitt des Glühofens 1 ermittelt. Dadurch ist es möglich, das Entkohlungsverfahren und die Materialeigenschaften durch ein Verfahren zu steuern, das sich vollständig von den herkömmlichen Steuerungsverfahren für einen Glühofen zur Herstellung eines Elektrostahlbleches unterscheidet. Zudem ist, da die Detektion des Strahlers 5 der elektromagnetischen Welle mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden kann, immer eine kontinuierliche Messung möglich, selbst wenn das Elektrostahlblech 9 sich im Ofeninneren 1′ mit hoher Geschwindigkeit bewegt.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Meßprinzip erläutert. Ein Infrarotstrahl mit einer Wellenlänge (λ), der eine bestimmte Absorptions-Charakteristik für Wasserdampf aufweist, weist in einer Entfernung z eine Intensität I _w (z) auf. Die Intensität I _w (z) wird entsprechend dem Lambert-Beer-Gesetz nach der folgenden allgemeinen Formel ausgedrückt:

I _w (z) = I _w(O) exp (-α _w · n _w · z) (1)

wobei

I _w(O)= Intensität bei z = O, d. h., die Auftreffintensität,n _w= Molzahl des Wasserdampfs pro Volumeneinheit undα _w= Schwächungskonstante eines Infrarotstrahls für Wasserdampf.

Wenn der Abstand zwischen der Quelle 4 und dem Reflexionsspiegel 6 als l bezeichnet wird, wird die Ausbreitungslänge L zu 2 l (L = 2 l).

Durch Ersetzen von z in der Formel (1) durch L gilt:

Daraus erhält man

Da α _w und L von Gleichung (3) Konstante sind, erhält man n _w aus dem Verhältnis der ermittelten Intensität (I _w (L)) zur auftreffenden oder Primärintensität (I _w(O)).

Der in Fig. 1 gezeigte Ofenraum wird als offenes System aufgefaßt, in das befeuchtetes AX-Gas von außen zugeführt wird, um darin einen konstanten Taupunkt aufrechtzuerhalten, und in dem der Druck des Ofeninneren im wesentlichen bei einer Atmosphäre gehalten wird. Die Beziehung zwischen dem Partialdruck von Wasserdampf P _w, dem Ofenvolumen V, der Molzahl von Wasserdampf N _w und der Temperatur der Gasatmosphäre im Ofen T(K) lautet im offenen System des Ofenraums wie folgt:

P _w · V = N _w · R · T, (4)

wobei R die allgemeine Gaskonstante ist.

Da n _w = N _w /V ist, kann P _w folgendermaßen ausgedrückt werden:

P _w = n _w · R · T. (5)

Das heißt, daß der Partialdruck von Wasserdampf P _w im Ofeninneren durch die Gleichung (5) erhalten werden kann, wenn die Molzahl von Wasserdampf pro Volumeneinheit (n _w ) gemäß Gleichung (3) gemessen wird und wenn T aus der Ofentemperatur bestimmt wird.

Da zudem die Beziehung zwischen dem Druck von gesättigtem Wasserdampf entsprechend (P _w ) und dem Taupunkt t _w (°C) die in Fig. 2 gezeigte Beziehung aufweist, führt der Wert von P _w zu der Bestimmung des Taupunkt t _w (°C).

In ähnlicher Weise werden die Molzahl von CO-Gas pro Volumeneinheit des Ofengases (N _CO) und der Partialdruck von CO-Gas (P _CO) durch die folgenden Gleichungen gegeben:

und

P _CO = n _CO · R · T, (7)

wobei

I _CO(O)= Einfallsintensität eines Infrarotstrahles bei z = O, dessen Wellenlänge durch CO-Gas absorbiert wird,I _CO (L)= Einfallsintensität eines Infrarotstrahls in einer Entfernung z = L, dessen Wellenlänge von CO-Gas absorbiert wird, undα _CO= Schwächungskonstante eines Infrarotstrahles, dessen Wellenlänge durch CO-Gas absorbiert wird.

Die nachstehende Gleichung (8) wird aus den Gleichungen (3) und (6) erhalten, und die Gleichung (9) wird aus den Glei chungen (5) und (7) erhalten.

Die Gleichung (9), in der das Verhältnis des Partialdrucks von Wasserdampf, der die Grenzflächenreaktion bewirkt, und des Partialdrucks von CO-Gas, das das Reaktionsprodukt darstellt, gegeben ist, ist eine besonders geeignete Formel zur Verwendung als Index des Reaktionszustandes der Entkohlung.

In Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des Meßsystems dargestellt.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der das erfindungsgemäße Meßprinzip angewandt wird.

Der Strahl 5 der elektromagnetischen Welle von der Quelle 4 weist ein Wellenlängenband auf, das die Wellenlänge λ einschließt, die von Wasserdampf absorbiert wird. Nur diese Wellenlänge λ wird von einem Filter 10 durchgelassen. Der durch das Filter 10 geführte Strahl 5 erreicht zunächst den Strahlteiler 7 und danach die rotierende Sektorscheibe 11. Die Sektorscheibe 11 weist ein vollständig durchlässiges Fenster 11′, einen total reflektierenden Spiegel 11′′ und zwei vollständig absorbierende Flächen 11′′′ auf.

Wenn das vollständig durchlässige Fenster 11′ während der Rotation der Sektorscheibe 11 im optischen Weg des Strahlers 5 der elektromagnetischen Welle angeordnet ist, wird der Strahl 5 durchgelassen und breitet sich in das Ofeninnere 1′ aus und wird auf dem vorstehend beschriebenen optischen Weg vom Reflexionsspiegel 6 reflektiert. Der Strahl 5 wird dann vom Strahlteiler 7 reflektiert und tritt in den Detektor 8 ein. Das auf diese Weise vom Detektor 8 ermittelte Signal wird als I₁ bezeichnet.

Wenn der total reflektierende Spiegel 11′′ im optischen Weg des Strahles 5 angeordnet ist, tritt dort eine Spiegelung des Strahles 5 auf. Der reflektierte Strahl 5 wird vom Strahlteiler 7 reflektiert und tritt dann in den Detektor 8 ein, der ein Signal I₂ ermittelt.

Wenn die vollständig absorbierende Fläche 11′′′ im optischen Weg angeordnet ist, weist das von der Fläche 11′′′ reflektierte und danach vom Detektor 8 ermittelte Signal den Wert 0 auf und wird als I₃ bezeichnet.

Die vorstehend erläuterten Signale können folgendermaßen beschrieben werden:

I₁ = k₁ I λ(0) exp (- α n′z ₀ - α nL) + I _b, (10)
I₂ = k₂ I λ(0) exp (-an′z ₀) + I _b, (11)
I₃ = I _b. (12)

Die vorstehenden Koeffizienten k₁ und k₂ sind Konstanten, in die die Reflektivität der Spiegel und geometrische Konstanten des optischen Systems eingehen. n′z ₀ ist der optische Abstand von der rotierenden Sektorscheibe 11 über den Strahlteiler 7 zum Detektor 8. I _b ist der gemessene Rauschwert, der das Rauschen von der umgebenden Untergrundfarbe ent hält.

(I₁ - I₃)/(I₂ - I₃) wird aus den Gleichungen (10) bis (12) folgendermaßen erhalten:

Aus Gleichung (13) wird die nachstehende Gleichung (14) erhalten:

wobei k = k₂/k₁ eine Konstante ist.

Aus der Gleichung (14) wird somit die Molzahl (n) von Wasserdampf pro Volumeneinheit des Ofeninneren (Gas) erhalten.

Ein mit dem Detektor 8 verbundenes Rechensystem kann die vorstehenden Berechnungen gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Verfahrensablauf durchführen und auf einfache Weise den Wert für "n" erhalten.

Das Verfahren zum Bestimmen von Wasserdampf wurde mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Das Verfahren zum Messen von CO-Gas kann in ähnlicher Weise durchgeführt werden. Alternativ dazu können Wasserdampf und CO-Gas gleichzeitig gemessen werden, falls ein Strahl mit einer von Wasserdampf absorbierten Wellenlänge und ein Strahl mit einer von CO-Gas absorbierten Wellenlänge sich auf dem gleichen optischen Weg ausbreiten.

Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

In Beispiel 1 wird Wasserdampf unter Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform gemessen.

Als Quelle 4 wird eine Wolfram-Halogenlampe verwendet. Als Filter 10 wird ein Interferenzfilter mit einer Wellenlänge λ = 1,39 µm und einer Halbwertsbreite Δλ = 0,15 µm verwendet. Der Strahl 5 der elektromagnetischen Welle weist einen Durchmesser von 3 mm auf und breitet sich über die Oberfläche 9′ des Stahlblechs in einer Entfernung von 10 mm von der Oberfläche 9′ aus. Als Detektor 8 wird ein Germanium-Infrarot-Sensor verwendet.

Das Ofeninnere 1′ ist ein offenes System und wird bei einer Temperatur von 820°C der Gasatmosphäre gehalten. In das Ofeninnere 1′ wird eine konstante Menge an Wasserdampf ent haltendem N₂-Gas eingeführt.

Durch die Messung von Wasserdampf wird die Molzahl von Wasserdampf pro Volumeneinheit (n) als 3,5 Mol/m³ ermittelt. Der Partialdruck von Wasserdampf wird aus Gleichung (5) als P _w = 32 kPa erhalten. Der Taupunkt t _w = 70°C wird aus P _w und den Daten von Fig. 2 erhalten.

Um den Wert des erhaltenen Taupunkts mit dem durch andere Verfahren erhaltenen Wert zu vergleichen, werden die Gase des Ofeninneren 1′ von der unmittelbaren Umgebung der Oberfläche 9′ nach außen gesaugt und danach unter Verwendung eines handelsüblichen Lithiumchlorid-Taupunkt-Meßgerätes der Taupunkt gemessen. Der von diesem Meßgerät gemessene Taupunkt beträgt 71°C.

Der durch das erfindungsgemäße Verfahren gemessene Taupunkt entspricht im wesentlichen dem mit dem herkömmlichen Verfahren gemessenen Taupunkt. Durch diese Tatsache werden die Messungen der Mol-Konzentration und des Wasserdampf-Partialdurckes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verifiziert.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wird CO-Gas unter Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform gemessen.

Ein Strahler in Form eines schwarzen Körpers mit einer Temperatur von 800°C wird als Quelle 4 verwendet. Als Filter 10 wird ein Interferenzfilter mit einer Wellenlänge λ = 4,6 µm und einer Halbwertsbreite Δλ = 0,1 µm verwendet. Als Detektor 8 wird ein HgCdTe-Infrarot-Sensor verwendet. CO-Gas wird von einer Druckgasflasche dem bei Normaltemperatur gehaltenen Ofeninneren 1′ in einer derartigen Menge zugeführt, daß die Mol-Konzentration des CO-Gases n _CO = 1,8 Mol/m³ beträgt.

Die Mol-Konzentration wird unter Verwendung der Gleichung (14) als n _CO = 1,9 Mol/m³ gemessen, was nahe der zugeführten Mol- Konzentration ist. Dieser Wert wird in die Gleichung (7) eingesetzt, um den Partialdruck des CO-Gases zu erhalten. Es wird ein Wert von P _CO = 4,76 kPa erhalten.

Beispiel 3

Die in den Beispielen 1 und 2 verwendeten Meßvorrichtungen werden an die Seitenwände eines Entkohlungs-Glühofens zur Herstellung von Elektrostahlblech montiert, so daß der optische Weg 10 mm von der Blechoberfläche entfernt ist und die Vorschubrichtung des Stahlbleches senkrecht kreuzt. Der mittlere Taupunkt und die mittlere CO-Gaskonzentration in der Nähe der Blechoberfläche werden über einen längeren Zeitraum kontinuierlich überwacht. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 5 zeigt deutlich die Variation der mittleren CO- Gaskonzentration über die Zeit.

Wie vorstehend insbesondere in den Beispielen erläutert, ermöglichen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Konzentrationen und Partialdrücke von Wasserdampf und CO-Gas und das Partialdruckverhältnis die quantitative in situ-Bestimmung und Ermittlung der auf der Oberfläche eines Elektrostahlbleches auftretenden Entkohlungsreaktion. Während der normalen Herstellung eines elektrischen Stahlbleches, wie gemäß Beispiel 3, ist die Variation der Konzentration des CO-Gases gering, wie in Fig. 5 dargestellt. Wenn jedoch die Geschwindigkeit der Produktionslinie und/oder die Temperatur geändert werden, kann ein durch diese Änderung hervorgerufenes außergewöhnliches Signal der CO- Gaskonzentration mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen und direkt zur Steuerung der Entkohlung verwendet werden, wodurch die Stabilität der Verfahrensführung wieder herge stellt wird.

Außer der Halogen-Wolfram-Lampe und dem schwarzen Strahler können auch andere Lichtquellen, wie eine Xenon-Lampe, eine Wolfram-Lampe und ein abstimmbarer Laser, wie ein Halbleiterlaser oder ein CO₂-Laser verwendet werden. Außerdem kann als Lichtquelle auch eine Mikrowellen emittierende Quelle verwendet werden, wenn das Wellenlängenband der Mikrowelle für Wasserdampf und/oder CO-Gas Absorptionseigenschaften aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann an mehreren Punkten in Längsrichtung eines Glühofens oder in Vorschubrichtung eines Stahlbleches durchgeführt werden, so daß das Fortschreiten der Entkohlung oder die Grenzflächenreaktion eines Elektrostahlbleches genau gemessen werden können.

Eine emittierende Quelle und ein Empfänger für elektromagnetische Wellen können an den Ofenwänden oder außerhalb des Ofens installiert werden, wodurch verhindert wird, daß die Wärme des Ofeninneren die Messung beeinflußt. In diesem Fall wird eine kontinuierliche Messung auf jede Weise stabilisiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nicht nur für die quantitative Ermittlung der Entkohlungsreaktion eines Elektrostahlbleches verwendet, sondern kann auch für die Steuerung des Taupunkts des Ofeninneren beim Strahlungsglühen eines nichtrostenden Stahlbleches und beim Durchlaufglühen eines dünnen Stahlbleches einfach angewandt werden.

Claims

1. Verfahren zum quantitativen Bestimmen der Entkohlungsreaktion bei der Herstellung eines Stahlblechs, insbesondere eines Elektrostahlblechs, in einem Entkohlungs-Glühofen, dadurch gekennzeichnet,

- daß elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge von Wasserdampf und/oder CO-Gas absorbiert wird, in die Nähe einer Oberfläche des Stahlbleches geführt wird,
- daß die Absorption der elektromagnetischen Strahlung durch den Wasserdampf und/oder durch das bei der Reaktion zwischen dem Wasserdampf und der Oberfläche des Stahlbleches gebildete CO-Gas gemessen wird, und
- daß aus den Meßwerten die Konzentrationen des Wasserdampfs und des CO-Gases und/oder der Taupunkt erhalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Konzentrationen des Wasserdampfs und CO-Gases deren Partialdrücke sowie das Verhältnis dieser Partialdrücke bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung in einem Abstand zwischen 0,1 mm und 100 mm von der Oberfläche des Stahlbleches geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung entlang der Breite des Stahlblechs geführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle der elektromagnetischen Strahlung
eine Infrarot-Lampe, insbesondere ein schwarzer Strahler,
eine Halogen-Wolfram-Lampe,
eine Xenon-Lampe,
ein Infrarot-Laser, insbesondere ein Infrarot-Strahlung mit variabler Wellenlänge emittierender Halbleiter-Laser,
ein CO₂-Laser oder
ein Mikrowellengenerator, insbesondere eine Gunn-Diode
verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (4) und der Empfänger (8) der elektromagnetischen Strahlung an Seitenwänden des Glühofens (1) oder außerhalb des Glühofens (1) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßvorrichtungen für die elektromagnetische Strahlung im Glühofen angeordnet sind.