DE69918821T2

DE69918821T2 - Verfahren zum kontrollieren der atmosphäre und der zugspannung in einem ofen zur kontinuierlichen wärmebehandlung von metallband

Info

Publication number: DE69918821T2
Application number: DE69918821T
Authority: DE
Inventors: Naoto Ueno; Sachihiro Iida; Ichiro Samejima
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: CA2290949A1; CN1286729A; EP1069193A1; DE69918821D1; EP1069193B1; CA2290949C; EP1408126A2; US6190164B1; CN1094521C; KR20010012881A; DE69930330T2; EP1069193A4; DE69930330D1; EP1408126B1; WO1999050464A1; EP1408126A3; BR9904910A; KR100541003B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung und insbesondere das Regeln der Atmosphäre in einem Ofen, der zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von Metallbändern, zum Beispiel aus Stahl und Aluminium, verwendet wird, sowie ein Betriebsverfahren dafür.
Technischer Hintergrund
Bei der Erfindung bedeutet hier und nachstehend "%" für die Wasserstoffkonzentration "Volumen-%".
Der Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung ist im Prinzip eine Einrichtung zum Anwenden einer Wärmebehandlung mit einem bestimmten Aufheizmuster, wobei bandförmige Materialien, beispielsweise Stahlbänder, stetig hindurchgeleitet werden. Er besteht aus aufeinander folgenden Ofenzonen mit jeweils einer Verarbeitungsleistung für das Aufheizen/Ausgleichglühen/Abkühlen (langsames Abkühlen und schnelles Abkühlen) in der Reihenfolge der Behandlung.
Beispielsweise umfasst ein Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung von kaltgewalzten Stahlbändern 4 zufolge folgendes: Eine Aufheizzone 10 zum Erwärmen eines Stahlbandes S auf eine vorbestimmte Temperatur oder dessen weiteres Ausgleichglühen oder dessen weiteres langsames Abkühlen, eine Schnellkühlzone 11 zum schnellen Abkühlen in einem vorbestimmten Temperaturbereich und eine Abkühlzone 12 zum Abkühlen auf eine vorbestimmte Behandlungsendtemperatur oder Überaltern vor dem Abkühlen, die in der Reihenfolge der Behandlung angeordnet und aufgebaut sind.
Oxidiert die Oberfläche von Materialien bei der Wärmebehandlung, verschlechtert sich das Aussehen der Produkte. Deshalb stellt man im Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung eine nichtoxidierende Atmosphäre ein. Bei einem Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung von Stahlbändern wird als Atmosphärengas gewöhnlich ein gemischtes Gas (HN-Gas) aus Wasserstoff- und Stickstoffgas verwendet, das mehrere % Wasserstoffgas enthält.
Bei Verwendung von HN-Gas trägt Wasserstoff zur Reduktion bei und wird verbraucht, und es bildet sich im Verlauf der Wärmebehandlung H₂O. Die Atmosphäre im Inneren des Ofens kann dann nicht mehr nichtoxidierend gehalten werden. Daher verfügt jede Ofenzone über ein Ablassrohr und ein Zuführrohr zum Ablassen verbrauchter Gase und zum Zuführen frischer Gase. Dadurch wird im Ofen eine vorbestimmte Wasserstoffkonzentration aufrechterhalten.
Nebenbei ist die Zusammensetzung des Atmosphärengases nicht immer in allen Ofenzonen identisch, sondern es wird, wie nachstehend beschrieben, je nach den Eigenschaften, die die Stahlbänder erhalten sollen, manchmal in einer bestimmten Ofenzone eine andere Zusammensetzung des Atmosphärengases eingestellt als in anderen.
Beispielsweise führt man bei kohlenstoffarmem Stahl mit einem C-Gehalt von 0,01 bis 0,02 Gew.-% folgendes durch: eine so genannte Überalterungsbehandlung aus Erhitzen, Ausgleichsglühen und anschließendem schnellem Abkühlen eines Stahlbandes zur Lösen von festem C im Stahl bis zur Übersättigung und anschließendem Halten bei etwa 400°C, so dass die Alterungseigenschaften verbessert werden. Das schnelle Abkühlen kann in diesem Fall ein Kühlverfahren mittels Gasstrahl umfassen, wobei ein Atmosphärengas durch einen Wärmetauscher abgekühlt/umgeführt und als Hochgeschwindigkeitsgasstrahl aus Gasstrahlkammern 13, wie in 4 gezeigt, auf einen Stahlband aufgeblasen wird, ein Walzkühlverfahren, bei dem eine Kühlwalze mit darin befindlichen Kühlmitteln auf einen Stahlband gepresst wird, und ein Wasser- oder Nebelkühlverfahren, bei dem Wasser oder Nebel auf einen Stahlband aufgeblasen wird. Unter diesen kann das Gasstrahlkühlverfahren dem Stahlband nach Abkühlen zufriedenstellendes Aussehen und zufriedenstellende Form verleihen und ist hinsichtlich der Anlagen billiger als andere Verfahren.
Das Gasstrahlkühlverfahren hat jedoch den Nachteil einer kleinen Abkühlrate. Zur Überwindung dieses Nachteils offenbaren die geprüfte japanische Patentveröffentlichung Sho 55-1969, die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Hei 6-346156 und die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Hei 9-235626 die Verwendung von HN-Gas, dessen Kühlleistung durch Erhöhen der Wasserstoffkonzentration in einer Schnellkühlzone verstärkt wird. Dann ist eine zufriedenstellend schnelle Abkühlung mit einer Abkühlrate über 50°C/s in der Schnellkühlzone möglich.
Verwendet man in einer bestimmten Ofenzone ein anderes Atmosphärengas als in anderen Ofenzonen, muss das Mischen mit Atmosphärengasen aus den anderen Ofenzonen verhindert werden. Daher werden Dichtungsvorrichtungen an der Grenze zu anderen Ofenzonen bereitgestellt.
Konkrete Strukturen oder Vorrichtungen für bekannte Dichtungsvorrichtungen können beispielsweise umfassen: (A) eine Mehrzahl Teilungswandstrukturen, die auch als Verarbeitungskammern dienen, an der Grenze zwischen den jeweiligen Atmosphärengasen unterschiedlicher Zusammensetzungen bereitgestellt werden und die Atmosphärengase unterschiedlicher Zusammensetzungen zuführen/ablassen können (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Hei 5-125451), (B) eine Gleitkontaktvorrichtung eines Dichtungselementes mit einem Stahlband (geprüfte japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Sho 63-19316), (C) eine Vorrichtung, die eine Kombination aus Dichtungswalzen, Blasdüsen und Dichtungsdämmern umfasst, (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Sho 59-133330) und (D) eine Walzendichtungsvorrichtung 4, umfassend Walzen, die mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Durchlaufgeschwindigkeit eines Materials rotieren, wobei das Material mit seiner Vorder- und Rückseite zwischen sie eingebracht wird, siehe 4. Siehe 4: In einer Schnellkühlzone 11 befindet sich zudem nicht nur eine Walzendichtungsvorrichtung 4 am Einlass und am Auslass, sondern auch am Auslass stromaufwärts der Schnellkühlzone, in der sich Gasstrahlkammern 13 befinden.
Unter diesen Dichtungsvorrichtungen verursacht das Dichtungselement (B) Kratzer beim Kontakt mit dem Stahlband. Das Risiko ist besonders hoch unter Wärmebehandlungsbedingungen mit hoher Durchlaufgeschwindigkeit. Bei (A) und (C) wird mehr Atmosphärengas verbraucht, weil die Strömungsrate des Sperrgases immer beibehalten werden muss und zudem die Gasströmungsrate sehr genau eingestellt werden muss, damit die Dichtungsleistung gewährleistet ist, was die Anlage verteuert. Dagegen werden bei (D) keine Kratzer an den Stahlbändern verursacht und die Anlage ist billig.
Wie oben beschrieben, setzt man im Hinblick auf die Oberflächeneigenschaften der Produkte und die Kosten der Anlagen in der Schnellkühlzone des Ofens für die kontinuierliche Wärmebehandlung vorteilhafterweise ein Gasstrahlkühlverfahren ein, wobei ein HN-Gas mit höherer Wasserstoffkonzentration als in anderen Ofenzonen (Aufheizzone, Abkühlzone oder dergleichen) verwendet und das Gas umgeführt/abgekühlt und auf die Stahlbänder aufgeblasen wird. Vorteilhafterweise wird die Walzendichtungsvorrichtung unter dem gleichen Gesichtspunkt als Dichtungsvorrichtung eingesetzt.
Wie 4 tatsächlich zeigt, wird jedoch ein dynamischer Druck durch den Strom aus dem Atmosphärengas mit hoher Wasserstoffkonzentration erzeugt, der auf das Bandmaterial aufgeblasen wird und entlang des bandförmigen Materials in der Schnellkühlzone strömt (auch als mitgeführter Strom bezeichnet), wenn sich Walzendichtungsvorrichtungen 4 vor und hinter (am Einlass und Auslass) der Schnellkühlzone 11 befinden und das Atmosphärengas mit hoher Wasserstoffkonzentration in der Schnellkühlzone vollständig abschirmen. Der so aufgebaute dynamische Druck wird durch die Walzendichtungsvorrichtungen unterbrochen und führt zu einer Erhöhung des statischen Drucks in Nähe der Walzendichtungsvorrichtungen. 5 zeigt zum Beispiel das Messergebnis für den statischen Druck (5(a)) und die Wasserstoffkonzentration im Atmosphärengas (5(b)) an den Punkten P1 bis P9 in der Schnellkühlzone vor und hinter der Zone, wird ein Bandmaterial mit 0,8 mm Dicke und 1250 mm Breite durch den Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung mit einer Anlagengeschwindigkeit von 400 m/min geleitet. Aus 5(a) ist ersichtlich, dass an einigen Punkten große Löcher im statischen Druck entstehen. Daher geht in der Schellkühlzone sowie vor und hinter der Zone das Gleichgewicht der Ofendrücke verloren, wodurch große Gasströme des Atmosphärengases mit hoher Wasserstoffkonzentration aus der Schnellkühlzone strömen und die Wasserstoffkonzentration in der Schnellkühlzone sinkt, siehe 5(b). Man muss die eingebrachte Menge an HN-Gas mit hoher Wasserstoffkonzentration erhöhen, so dass das Absinken der Wasserstoffkonzentration in der Schnellkühlzone kompensiert wird. Dadurch erhöht sich der HN-Gasverbrauch.
Demzufolge führt die Bereitstellung einer starken Dichtungsvorrichtung zur Verhinderung des Gasstroms zu dem unabsichtlichen Ergebnis, dass ein Gasstrom aufgrund der Verteilung des Ofendrucks (Atmosphärendruck im Ofen) induziert wird. Diese Probleme werden durch bestehende Dichtungsvorrichtungen nicht berücksichtigt.
Weiterhin ist durch eine neuere Studie der Erfinder gefunden worden, dass Ablassen des Atmosphärengases mit hoher Konzentration aus der Schnellkühlzone nicht nur zu einer Erhöhung des HN-Gasverbrauchs führt, sondern auch einen Einfluss auf die Kristallstrukturen des Metallbandmaterials beim Umkristallisieren stromaufwärts der Schnellkühlzone hat. Es wurde nämlich der Befund erhalten, dass bei einer Erhöhung der Wasserstoffkonzentration in der zum Einlass der Schnellkühlzone benachbarten Ofenzone auf mehr als 10% die Nitrierung an der Oberflächenschicht des Bandmaterials im Hochtemperaturzustand vor dem schnellen Abkühlen erfolgt, wodurch sich ein Problem mit einer teilweisen Härtung der Oberflächenschicht ergibt.
Hinsichtlich der vorstehenden Probleme des Standes der Technik ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung bereitzustellen, der eine Schnellkühlzone mit hoher Wasserstoffkonzentration aufweist und die Wasserstoffkonzentration eines Atmosphärengases in einer Ofenzone zum Aufheizen und zum Halten nach dem Erwärmen sowie die Wasserstoffkonzentration im Atmosphärengas in der Schnellkühlzone genau regeln kann und der hinsichtlich des HN-Gasverbrauchs ausgezeichnet ist, indem Mischen zwischen dem Atmosphärengas mit hoher Wasserstoffkonzentration in der Schnellkühlzone und dem Atmosphärengas in den zur Schnellkühlzone benachbarten Zonen (Aufheizzone, Abkühlzone und dergleichen) eines Gasstrahlkühlsystems verhindert wird.
US-A-5 137 586 offenbart ein besseres Verfahren für die Wärmebehandlung eines kontinuierlichen Bandes aus Metallmaterial unbestimmter Länge in einem Durchlaufglühofen. Der Ofen umfasst einen Aufheizabschnitt mit einer Mehrzahl Gasstrahlheizgeräte und einen Abkühlabschnitt mit einer Mehrzahl Gasstrahlkühler. Das kontinuierliche Band wird in den Aufheiz- und Abkühlabschnitten innerhalb vorbestimmter gewählter Temperaturbereiche für das Band mittels Konvektion und nur mit Gemischen aus Wasserstoff- und Stickstoffgas erwärmt und abgekühlt, die durch die Gasstrahlheizgeräte und Gasstrahlkühler gegen beide Seiten des Bandes gelenkt werden. Die Temperaturen der Bänder im Aufheiz- und Abkühlabschnitt werden überwacht. Die Temperaturen werden durch Variieren der Mischungsverhältnisse der Aufheiz- und Abkühlgase geregelt, wodurch die vorbestimmten gewählten Temperaturbereiche für das Band in den Aufheiz- und Abkühlkammern trotz Veränderungen der Betriebsbedingungen erreicht und beibehalten werden. Die Spannung im Band wird jedoch nicht geregelt, so dass dieses Verfahren das Problem des Verbiegens oder der plastischen Verformung des Bandes, wie nachstehend beschrieben, anscheinend nicht löst.
Die Erfindung stellt ein Abkühlverfahren bei einer Wärmebehandlung eines metallischen Bandmaterials in einem Atmosphärengas bereit, umfassend Erwärmen des Bandmaterials im Verlauf der Behandlung und dann rasches Abkühlen des Bandes durch Aufblasen eines wasserstoffhaltigen Gases, wobei die Wasserstoffkonzentration des Atmosphärengases in der Ofenzone zum Aufheizen des Bandmaterials und in einer Ofenzone zum Halten nach dem Aufheizen auf 10% oder weniger geregelt wird, und die Spannung des Materials pro Querschnittseinheit Tu (kgf/mm²) in einem Bereich gehalten wird, der je nach Dicke t (mm) und Breite W (mm) des Bandmaterials folgenden Bedingungen genügt (die Formel entspricht einer der Formeln (1) bis (3)):

(a) unter der Bedingung W < 1350 mm: 1,88 – 0,18 × t – 0,00080 × W ≤ Tu ≤ 2,38 – 0,11 × t – 0,00084 × W (1)
(b) unter der Bedingung W ≥ 1350 mm und t ≤ 0,85 mm: 0,73 + 0,38 × t – 0,00030 × W ≤ Tu ≤ 1,23 + 0,35 × t – 0,00028 × W (2)
(c) unter der Bedingung W ≥ 1350 mm und t > 0,85 mm: 1,10 + 0, 00033 × W ≤ Tu ≤ 1,54 – 0,00029 × W (3)

Kurze Erläuterung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Beispiels für einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung, auf den die Erfindung angewendet werden kann;
2 eine schematische Ansicht eines Beispiels für einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung, auf den die Erfindung angewendet werden kann;
3 eine schematische Ansicht eines Beispiels für einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung, auf den die Erfindung angewendet werden kann;
4 eine schematische Ansicht eines Beispiels für einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung des Standes der Technik;
5 ein Diagramm (a) einer Druckverteilung und (b) einer Wasserstoffkonzentrationsverteilung eines Atmosphärengases vor und hinter der Schnellkühlzone in dem Ofen des Standes der Technik und im Beispiel 3;
6 eine Ansicht, die erläutert, welchen Einfluss die Temperatur der Wärmebehandlung und die Wasserstoffkonzentration in einem Atmosphärengas auf das Auftreten von Nitrierung auf der Oberflächenschicht eines Stahlbandes ausüben;
7 ein Diagramm der jeweiligen Beziehung zwischen der Aufblasmengendichte Q und der Wasserstoffkonzentration und dem Wärmeübertragungskoeffizienten α des Abkühlgases in der Schnellkühlzone;
8 ein Diagramm der Veränderung des Ofendrucks (a) und der Wasserstoffkonzentration (b) mit der Zeit für Beispiel 1;
9 ein Diagramm der Veränderung des Ofendrucks (a) und der Wasserstoffkonzentration (b) mit der Zeit für ein Vergleichsbeispiel.
Die Bezugszahlen bezeichnen in allen Zeichnungen jeweils S: Material (Bandmaterial, Stahlband), 1 und 2: Verbindungsrohre, 3: walzenabgedichtete Kammer, 4: Walzendichtungsvorrichtung, 4A: erste Walzendichtungsvorrichtung, 4B: zweite Walzendichtungsvorrichtung, 4C: dritte Walzendichtungsvorrichtung, 6: am weitesten stromaufwärts gelegener Abschnitt in einer Schnellkühlzone, 8: Spannwalze, 10: Zone (Aufheizzone) in Nachbarschaft zur Schnellkühlzone, 11: Schnellkühlzone, 12: Zone (Abkühlzone) in Nachbarschaft zur Schnellkühlzone und 13: Gasstrahlkammer.
Bestes Verfahren zur Durchführung der Erfindung
Erstes Merkmal der Erfindung
Wie beschrieben, wird unter der Annahme, dass das Atmosphärengas in der Schnellkühlzone ein Gas mit hoher Wasserstoffkonzentration ist, beim Ablassen des Gases mit hoher Wasserstoffkonzentration aus der Schnellkühlzone ein Anstieg der Wasserstoffkonzentration im Inneren des Ofens in Nachbarschaft zur Schnellkühlzone beobachtet. Wie beschrieben, liefert eine neuere Studie den Befund, dass die Oberflächenschicht eines Stahlbandes durch Nitrierung gehärtet wird, liegt während der Wärmebehandlung des Stahlbandes bei einem Umkristallisierungsschritt bei hoher Temperatur eine hohe Wasserstoffkonzentration vor. Beispielsweise erläutert 6 den Einfluss der Temperatur der Wärmebehandlung und der Wasserstoffkonzentration im Atmosphärengas auf das Auftreten von Nitrierung an der Oberfläche des Stahlbandes. Es ist ersichtlich, dass Nitrierung auf der Oberfläche des Stahlbandes stattfindet, wird die Wärmebehandlung unter den Bedingungen einer Wasserstoffkonzentration über 10% in einem Umkristallisationstemperaturbereich durchgeführt.
In diesem Fall wird Vorliegen oder Fehlen von Nitrierung durch den Anstieg der Härte an der Oberfläche der Stahlplatte und den Anstieg der Menge Stickstoff an der Oberfläche des Stahlblechs (auf Basis von Auger-Spektralanalyse) bewertet.
Aufgrund des oben genannten Befundes muss in der langsamen Abkühlzone neben der Schnellkühlzone sowie in einer Ausgleichsglühzone und einer Aufheizzone stromaufwärts der langsamen Abkühlzone die Wasserstoffkonzentration auf 10% oder weniger gesenkt werden, wird ein Gas mit hoher Wasserstoffkonzentration als Atmosphärengas in der Schnellkühlzone verwendet.
Folglich ist ein erstes Merkmal der Erfindung, dass die Wasserstoffkonzentration im Atmosphärengas in der Ofenzone zum Aufheizen eines Bandmaterials und in der Ofenzone zum Halten nach dem Aufheizen auf 10% oder weniger geregelt wird.
Zweites Merkmal der Erfindung
In einem Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung eines Bandmaterials, beispielsweise eines Stahlbandes, befindet sich eine Schnellkühlzone in einem Teil einer Kühlzone zum schnellen Abkühlen des Stahlbandes mittels Gasstrahlkühlung. Bei einem zweiten Merkmal zusätzlich zu dem ersten Merkmal wird die Spannung des Materials pro Querschnittseinheit Tu (kgf/mm²) in einem Bereich gehalten, der je nach Dicke t (mm) und Breite W (mm) des Bandmaterials in der Schnellkühlzone einer der entsprechenden Formeln (1) bis (3) genügt, und ein wasserstoffhaltiges Gas mit einer Wasserstoffkonzentration von 10% oder mehr wird auf das Material aufgeblasen. Der Grund dafür wird anhand von 7 erläutert.
Das Diagramm in 7 zeigt die jeweilige Beziehung zwischen der Aufblasmengendichte Q, der Wasserstoffkonzentration und dem Wärmeübertragungskoeffizienten α des Abkühlgases in der Schnellkühlzone, wobei α im Wesentlichen proportional zu Q und der Wasserstoffkonzentration ansteigt. Die Aufblasmengendichte Q wird erhalten, indem die auf beide Oberflächen des Stahlbandes aufgeblasene Aufblasmenge durch die Fläche einer Oberfläche des Stahlbandes in der Schnellkühlzone dividiert wird.
In diesem Fall ist der für die Schnellkühlzone benötigte Wert α je nach der Art (Stahlsorte) des Materials (bei diesem Beispiel Stahlblech) und der Dicke unterschiedlich. Zum Beispiel wird bei einem BH-Stahlblech (für Automobilstahlbleche oder dergleichen verwendetes Stahlblech, das durch Backen gehärtet werden kann) eine Abkühlrate von 30°C/s oder mehr in der Schnellkühlzone benötigt, was α = 200 kcal/(m²·Std.·°C) oder mehr bei einer Dicke von 1,0 mm und α = 350 kcal/(m²·Std.·°C) oder mehr bei einer Dicke von 1,6 mm entspricht.
Weil ein der Dicke entsprechender vorbestimmter α-Wert gewährleistet sein muss, wird vorzugsweise eine unterste Grenze für die Wasserstoffkonzentration festgelegt. Zudem wird vorzugsweise die Aufblasmengendichte Q je nach der Dicke erhöht. Andererseits muss Q je nach der Dicke auf weniger als eine vorbestimmte Menge geregelt werden.
Hinsichtlich der Abkühleffizienz ist es nämlich vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen einer Abkühlgasstrahldüse und einem Bandmaterial verkürzt wird. Wird aber die Aufblasmengendichte Q erhöht, flattert das Stahlband und kommt in Kontakt mit den Abkühlgasstrahldüsen, wodurch es zerkratzt wird. Der Wert Q, bei dem oft Kratzer verursacht werden, hängt von der Dicke und der Spannung des Bandmaterials ab und nimmt bei abnehmender Dicke einen kleineren Wert an.
In Bezug auf die Spannung nimmt Grenze für Q, bei der oft Kratzer erzeugt werden, mit abnehmender Spannung ab. 7 zeigt die Grenze für Q, bei der oft Kratzer erzeugt werden, bei einer Dicke von 1,0 mm bzw. einer Dicke von 1,6 mm im Fall (A), wobei Tu = 1,88 – 0,18 × t – 0,00080 × W (W < 1350 mm) und Tu = 1,10 – 0,00033 × W (W ≥ 1350 mm) bzw. im Fall (B), wobei Tu = 1,78 – 0,18 × t – 0,00080 × W (W < 1350 mm) und Tu = 1,00 – 0,00033 × W (W ≥ 1350 mm). Im Fall (A) beträgt die Grenze für Q, bei der oft Kratzer erzeugt werden, 150 m³/(m²,min) bei einer Dicke von 1,0 mm und 400 m³/(m²,min) bei einer Dicke von 1,6 mm. Der angestrebte Wert α kann in beiden Fällen erreicht werden, ist die Wasserstoffkonzentration größer als 10% oder mehr. Dagegen kann im Fall (B), wobei Tu kleiner als der oben beschriebene Wert ist, der angestrebt Wert α ohne Flattern nicht erreicht werden, wird die Wasserstoffkonzentration nicht erheblich erhöht.
Ist Tu größer als der Wert auf der rechten Seite der Formel, die einer der Formeln (1) bis (3) entspricht, entsteht ein Problem hinsichtlich der Qualität, weil Verbiegen oder plastische Verformung des Stahlbandes auftritt, wird es um eine Herdwalze in der Schnellkühlzone gewickelt. Außerdem wird der Unterschied zwischen der Spannung in der Schnellkühlzone und der Spannung in der langsamen Abkühlzone oder der Ausgleichsglühzone zu groß. Dann wird eine zu hohe Motorleistung für die Spannwalzen, beispielsweise zum Regeln der Spannung, benötigt, und die Wirkungen sind ökonomisch unerwünscht.
Folglich legt die Erfindung fest, dass die Wasserstoffkonzentration in der Schnellkühlzone begrenzt ist. Erfindungsgemäß wird ebenfalls festgelegt, dass die Spannung des Materials in einem Bereich der Formel gehalten wird, die einer der Formeln (1) bis (3) entspricht. Die Vorzeichen der Koeffizienten sind in den Formeln (1) bis (3) in Anbetracht der Dicke unterschiedlich. Es ist nämlich bevorzugt, Analysen auf Basis experimenteller Formeln durchzuführen, die das Verhindern von Verbiegen berücksichtigen, werden dünne Bleche verwendet, sowie auf Basis experimenteller Formeln, die das Verhindern von durch übermäßige Spannung hervorgerufener plastischer Verformung des Bleche berücksichtigen, sowie für den Schritt der Verringerung des Spannungsunterschieds zwischen dem Blech und einem Dichtungsmaterial bei Verwendung dicker Bleche.
Damit der erfindungsgemäßen Definition genügt wird, benötigt man eine Dichtungsvorrichtung, die ein wasserstoffhaltiges Gas in der Schnellkühlzone in einem derartigen Bereich abdichten kann, dass die Wasserstoffkonzentration in der langsamen Abkühlzone in Nachbarschaft zur Schnellkühlzone für das Aufblasen eines wasserstoffhaltigen Gases (eines Gases mit hoher Wasserstoffkonzentration mit einer Wasserstoffkonzentration von 10% oder mehr bei der zweiten Erfindung) und einer Ausgleichsglühzone und einer Aufheizzone, die sich stromaufwärts der langsamen Abkühlzone befinden, 10% nicht übersteigt. Eine derartige Hochleistungs-Dichtungsvorrichtung kann hergestellt werden durch die folgenden Beispiele für einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung, auf den die Erfindung anwendbar ist.
2 zeigt schematisch ein Beispiel für einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung, auf den die Erfindung anwendbar ist. Die Zeichnung zeigt, dass in dem Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung eine einer Mehrzahl von Ofenzonen, ausgenommen die erste und letzte Zone, eine Schnellkühlzone 11 zum schnellen Abkühlen eines Materials durch Aufblasen eines Atmosphärengases ist, umfassend eine erste Walzendichtungsvorrichtung 4A am Eingang der walzenabgedichteten Kammer und eine zweite Walzendichtungsvorrichtung 4B an ihrem Ausgang als Dichtungsvorrichtungen für ein Atmosphärengas, wobei der Einlass der ersten Walzendichtungsvorrichtung 4A und der Auslass der zweiten Walzendichtungsvorrichtung 4B durch ein Verbindungsrohr 1 verbunden sind. Die Verbindungsvorrichtung ist nicht auf das Verbindungsrohr dieses Beispiels beschränkt, sondern kann auch aus miteinander verbindbaren Verbindungsteilen von Ofenhüllen bestehen. In 2 tragen Teile, die gleich denjenigen der 4 sind oder diesen entsprechen, gleiche Bezugszahlen und werden nicht erläutert.
Weil der Ofendruck stromauf- und stromabwärts auf beiden Seiten der Schnellkühlzone im Wesentlichen identisch ist, wird bei der oben beschriebenen Bauweise, sogar wenn der Ofendruck schwankt, beispielsweise an der langsamen Abkühlzone, die Schwankung durch den Austausch der Atmosphäre mit der stromaufwärts gelegenen gemäßigt. Der Ofendruck kann nur geregelt werden, nimmt man das Gleichgewicht zwischen zwei Zonen, d.h. der Schnellkühlzone und anderen Zonen. Natürlich sind der Eintritt von Gas in Spuren in die Schnellkühlzone am Einlass und die Abgabe von Spuren von Gas aus der Schnellkühlzone am Auslass im Hinblick auf das Gleichgewicht mit dem mitgeführten Strom tolerierbar, aber die Gasmenge kann viel kleiner sein verglichen mit der Menge an Gasströmung, die durch die Ofendruckverteilung auftreten kann (Verschlechterung des Gleichgewichts der Ofendrücke). Zusätzlich ist stromaufwärts der Schnellkühlzone, wo das Risiko von Nitrierung besteht, ein Gasstrom vorhanden, der in Richtung zur Schnellkühlzone strömt, und dies ist auch hinsichtlich der Verhinderung von Nitrierung wirksam.
Weil der Atmosphärendruck im Verbindungsrohr 1 ein Durchschnitt des Drucks am Eingang und Ausgang der Schnellkühlzone ist, wird zudem der Ofendruck relativ zur Schnellkühlzone stärker bevorzugt durch Einbau eines Ofendruckmanometers (nicht gezeigt) geregelt. Bei der oben beschriebenen Bauart wird der Unterschied des Ofendrucks zwischen der Aufheizzone 10 und der Abkühlzone 12 beseitigt, so dass Mischen der Atmosphärengase zwischen der Schnellkühlzone 11 und der Zone 10 oder 12 in Nachbarschaft zur Schnellkühlzone durch den Unterschied der Ofendrücke unterdrückt wird.
3 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für den Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung, auf den die Erfindung angewendet werden kann. Wie dargestellt, ist bei dem Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung eine der Mehrzahl von Ofenzonen, ausgenommen der ersten und der letzten Zone, eine Schnellkühlzone 11 zum schnellen Abkühlen eines Materials durch Aufblasen von Atmosphärengas, die eine walzenabgedichtete Kammer 3 am Eingang umfasst, die durch erste und zweite Walzendichtungsvorrichtungen 4A und 4B von stromaufwärts gelegenen Abschnitten abgetrennt ist, sowie eine dritte Walzendichtungsvorrichtung 4C am Ausgang als Dichtungsvorrichtung für Atmosphärengas, wobei die walzenabgedichtete Kammer 3 und ein am weitesten stromaufwärts gelegener Abschnitt 6 in der Schnellkühlzone durch ein Verbindungsrohr 2 verbunden sind. Diese Verbindungsvorrichtung ist nicht nur auf das Verbindungsrohr dieses Beispiels beschränkt, sondern kann auch aus miteinander verbindbaren Verbindungsteilen von Ofenhüllen bestehen. In 3 tragen Teile, die gleich denjenigen der 4 sind oder diesen entsprechen, gleiche Bezugszahlen und werden nicht erläutert.
Die oben beschriebene Bauweise beseitigt den Unterschied im Ofendruck zwischen Innenseite und Außenseite am Eingang der Schnellkühlzone 11, der durch Schwankung des Gasstrahldrucks an einer Stelle, an der sich Gasstrahlkammern befinden, verursacht wird, so dass Mischen der Atmosphärengase zwischen der Schnellkühlzone 11 und der Aufheizzone 10 aufgrund von Unterschieden im Ofendruck verhindert werden kann.
1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für den Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung, auf den die Erfindung angewendet werden kann. Wie im Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung dargestellt, ist eine der Mehrzahl an Ofenzonen, ausgenommen der ersten und der letzten Zone, eine Schnellkühlzone 11 zum schnellen Abkühlen eines Materials durch Aufblasen eines Atmosphärengases, umfassend eine walzenabgedichtete Kammer 3 am Eingang, die durch erste und zweite Walzendichtungsvorrichtungen 4A und 4B von stromaufwärts gelegenen Abschnitten abgetrennt wird, sowie eine dritte Walzendichtungsvorrichtung 4C am Ausgang als Dichtungsvorrichtung für Atmosphärengas, wobei der Einlass der ersten Walzendichtungsvorrichtung 4A und der Auslass der dritten Walzendichtungsvorrichtung 4C durch ein Verbindungsrohr 1 verbunden sind und die walzenabgedichtete Kammer 3 und ein am weitesten stromaufwärts gelegener Abschnitt 6 in der Schnellkühlzone durch ein Verbindungsrohr 2 verbunden sind. Diese Verbindungsvorrichtungen sind nicht auf das Verbindungsrohr dieses Beispiels beschränkt, sondern können auch aus miteinander verbindbaren Verbindungsteilen von Ofenhüllen bestehen. In 1 tragen Teile, die gleich denjenigen der 4 sind oder diesen entsprechen, gleiche Bezugszahlen und werden nicht erläutert.
Die oben beschriebene Bauweise beseitigt den Unterschied im Ofendruck zwischen der Aufheizzone 10 und der Abkühlzone 12, so dass Mischen der Atmosphärengase zwischen der Schnellkühlzone 11 und den Zonen 10 oder 12 in Nachbarschaft zur Schnellkühlzone aufgrund von Unterschieden in den Ofendrücken verhindert werden kann. Gleichzeitig wird der Unterschied in den Ofendrücken zwischen Innenseite und Außenseite am Eingang der Schnellkühlzone 11, der durch Schwankung des Gasstrahldrucks an einer Stelle, an der sich Gasstrahlkammern 13 befinden, verursacht wird, beseitigt, so dass Mischen der Atmosphärengase zwischen der Schnellkühlzone 11 und der Aufheizzone 10 aufgrund von Unterschieden im Ofendruck unterdrückt werden kann.
Wie aus den obigen Erläuterungen hervorgeht, werden zudem die vorstehenden Öfen zur Wärmebehandlung durch lediglich einfache Modifikation von Anlagen erhalten, weil diese durch Einbringen eines Gaskommunikationskanals zusätzlich zu einer Durchlaufstrecke für ein Blech zwischen zwei Punkten in den Öfen in einen bestehenden Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung erzielt wird.
Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß die Spannung in der Schnellkühlzone in einem Bereich einer der Formeln (1) bis (3) gehalten. Weil die Streckspannung des Stahlbandes mit der Erhöhung der Temperatur des Stahlbandes in der Aufheizzone sinkt, wird jedoch Verbiegen des Stahlbandes beim Wickeln um die Walze in der Aufheizzone (so genannte Wärmeverbiegung) beobachtet, steigt die Spannung übermäßig an. Beim tatsächlichen Betrieb kann ein Stahlband bei höherer Spannung über den gesamten Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung, einschließlich der Aufheizzone, geleitet werden, hat das Band ein vergleichsweise große Dicke. Beim Hindurchleiten eines Stahlbandes mit vergleichsweise kleiner Dicke muss dieses jedoch mit kleinerer Spannung durchgeleitet werden, damit Wärmeverbiegung in der Aufheizzone verhindert wird, und mit größerer Spannung, damit Flattern in der Schnellkühlzone verhindert wird. Somit muss die Spannung zwischen der Aufheizzone und der Schnellkühlzone geändert werden, und es werden als wahlfreies Merkmal Spannwalzen vor und hinter der Schnellkühlzone in jedem der obigen Ofen für die Wärmebehandlung als dafür geeignete Maßnahme bereitgestellt. Dies kann die Spannung in der Schnellkühlzone in einem Bereich einer der Formeln (1) bis (3) halten und gleichzeitig die Spannung in der Aufheizzone kleiner halten.
Im Ofen für die Wärmebehandlung beträgt der Spalt zwischen den Dichtungswalzen jeder Walzendichtungsvorrichtung und einem Stahlband vorzugsweise 5 mm oder weniger. Als Dichtungswalzen sind wassergekühlte Walzen oder Walzen aus einem Walzenmaterial mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Keramik, bevorzugt.
Beispiel
Die Erfindung wurde an Öfen untersucht, wie in 2, 3 und 1 dargestellt, die einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung für kaltgewalzte Stahlbänder betreffen und als Beispiel 1, Beispiel 2 und Beispiel 3 bezeichnet werden. Aus 2, 3 und 1 ist ersichtlich, dass die Bauweise von Beispiel 1, Beispiel 2 und Beispiel 3 derart ist, dass Spannwalzen 8 vor und hinter der Schnellkühlzone bereitgestellt werden, so dass die Spannung in der Schnellkühlzone getrennt von der Spannung in der Aufheizzone geregelt wird.
Beispiel 4 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Zustand ohne Spannwalzen (entsprechend der Anordnung im Beispiel 3, siehe 1) angenommen wird und die Spannung in der Schnellkühlzone gleich der Spannung in der Aufheizzone ist. Diese ist kleiner als der Bereich der Formel, die einer der Formeln (1) bis (3) entspricht (und somit nicht den erfindungsgemäßen Bedingungen genügt.
Die in der Schnellkühlzone verwendete Menge an Atmosphärengas mit hoher Wasserstoffkonzentration (Wasserstoffkonzentration: etwa 30%) und die Häufigkeit von Nitrierung in Stahlbändern wurden für das vorstehend beschriebene Beispiel 1, Beispiel 2, Beispiel 3 und Beispiel 4 untersucht. Als Vergleichsbeispiel wurden zudem Untersuchungsergebnisse (Vergleichsbeispiele) bei Betrieb eines Ofens für die kontinuierliche Wärmebehandlung des Standes der Technik bestimmt, wobei die Spannung im Ofen, wie in 4 gezeigt, der Formel entsprechend einer der Formeln (1) bis (3) genügte. 4 zeigt ein Beispiel für einen Ofen des Standes der Technik, der mit Spannwalzen ausgerüstet war, aber nicht dem Bereich der 1 bis 3 entsprach. Zudem wurden bei Beispiel 3 der statische Druck und die Wasserstoffkonzentration im Atmosphärengas an den Punkten P1 bis P9 für die Schnellkühlzone sowie vor und hinter der Zone (siehe 1: die gleichen Positionen, wie die Messpunkte in 4) beim Durchlaufen eines Bandmaterials mit einer Dicke von 0,8 mm und einer Breite von 1250 mm bei einer Anlagengeschwindigkeit von 400 m/min gemessen. In dem Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung ist die der Schnellkühlzone vorhergehende Ofenzone eine langsame Abkühlzone, und die auf die Schnellkühlzone folgende Ofenzone ist eine Überalterungszone. Das Atmosphärengas ist HN-Gas.
Es ist aus den 5(a) und 5(b) ersichtlich, dass die Messergebnisse für den statischen Druck und die Wasserstoffkonzentration im Atmosphärengas bei Beispiel 3 überlappen. Die verwendete Menge an Atmosphärengas und die Häufigkeit von Nitrierung bei den Beispielen 1 bis 3 und dem Vergleichsbeispiel sind in Tabelle 1 gezeigt. Die verwendete Menge an Atmosphärengas und die Häufigkeit von Nitrierung sind in Tabelle 1 durch relative Kennzahlen, bezogen auf die Werte des Vergleichsbeispiels, angegeben, die als 100 gesetzt wurden.
Aus 5 und Tabelle 1 ist ersichtlich, dass Mischen der Atmosphärengase in der Schnellkühlzone und in den Zonen in Nachbarschaft zur Schnellkühlzone wirksam verhindert wird, wodurch auch die Menge Atmosphärengase reduziert werden kann, das zur Verhinderung von Nitrierung verwendet wird.
Zudem sind für Beispiel 1 (8) und das Vergleichsbeispiel (9) Beispiele für Veränderungen von Ofendruck und Wasserstoffkonzentration mit der Zeit in der Schnellkühlzone (RC), der langsamen Abkühlzone (SC) und der Überalterungszone (OA) gezeigt. Es ist ersichtlich, dass bei der Erfindung das Druckgleichgewicht, bezogen auf die Schnellkühlzone, beibehalten wird und die Wasserstoffkonzentration nicht durch Gasströme zwischen der Schnellkühlzone und den Zonen vor und hinter der Schnellkühlzone verändert wird, sogar wenn der Ofendruck beim langsamen Abkühlen schwankt.
Wie zudem die Spannung in der Schnellkühlzone (geregelter Wert) und die Flatteramplitude des Stahlbandes in der Schnellkühlzone (untersuchter Wert) zeigen, die ebenfalls in Tabelle 1 angegeben sind, konnte die Flatteramplitude des Stahlbandes in der Schnellkühlzone unterdrückt werden, ohne dass Wärmeverbiegen in der Aufheizzone auftrat, weil bei Beispiel 1, Beispiel 2 und Beispiel 3 die Spannung in der Schnellkühlzone in einem Bereich der Formel (1) getrennt von der Spannung in der Aufheizzone durch Spannwalzen geregelt wurde, die sich vor und hinter der Schnellkühlzone befanden. Dagegen wurde bei Beispiel 4 die Flatteramplitude des Stahlbandes aufgrund von Aufblasen des Kühlgases in der Schnellkühlzone größer und das Stahlband trat in Kontakt mit dem oberen Ende der Gasstrahldüse, so dass Kratzer verursacht wurden, weil die Spannung kleiner ist als der Bereich der Formel, die einer der Formeln (1) bis (3) entspricht. Aufgrund des Flatterns des Stahlbandes war auch der Wert α verglichen mit Beispiel 3 etwas niedriger. Bei Beispiel 4 hört das Flattern auf, wenn die Aufblasmengendichte Q verringert wird. In dem Fall ist es aber schwierig, den Wert α über 180 kcal/(m²·Std.·°C) (einem Wert, bei dem eine Abkühlrate von 30°C/s bei 0,8 mm Dicke gewährleistet werden kann) oder über 350 kcal/(m²·Std.·°C) (einem Wert, bei dem eine Abkühlrate von 30°C/s bei 1,6 mm Dicke gewährleistet werden kann) zu halten.
Gewöhnlich nimmt die Flatteramplitude des Stahlbandes mit zunehmender Durchlaufgeschwindigkeit und höherer Aufblasmenge des Kühlgases zu. Die Flatteramplitude kann verringert werden, indem die Spannwalzen vor und hinter der Schnellkühlzone bereitgestellt werden, sowie durch erfindungsgemäßes Regeln der Spannung in der Schnellkühlzone. Dadurch kann eine höhere Kühleffizienz bei gleicher Kühlgasaufblasmenge erzielt werden, weil der Abstand zwischen dem Stahlband und dem oberen Ende der Kühlgasstrahldüse verringert werden kann.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, kann die Erfindung einen Ofen für die kontinuierliche Wärmebehandlung derart regeln, dass Mischen der Atmosphärengasen zwischen einer Schnellkühlzone und einer Zone in Nachbarschaft zur Schnellkühlzone (Aufheizzone, Abkühlzone oder dergleichen) durch eine einfache Maßnahme verhindert werden kann, wobei Gasstrahlkühlung mit hoher Effizienz bei einer Wasserstoffkonzentration eines Atmosphärengases von mehr als 10% oder mehr in einer Schnellkühlzone eines Gasstrahlkühlsystems durchgeführt wird, und sie kann insbesondere bei einer kontinuierlichen Wärmebehandlung von Stahlbändern die Atmosphärengaseinrichtung bemerkenswert verbessern und zudem das Risiko beseitigen, dass Nitrierung in einer Aufheizzone durch Einwirkung des Atmosphärengases mit hoher Wasserstoffkonzentration auftritt.

Claims

Verfahren zum Kühlen des Ofens für eine kontinuierliche Wärmebehandlung, umfassend Wärmebehandeln eines metallischen Bandmaterials unter Atmosphärengas, Erwärmen des Bandmaterials im Verlauf der Behandlung und dann rasches Abkühlen des Bandes durch Aufblasen eines wasserstoffhaltigen Gases, wobei die Wasserstoffkonzentration des Atmosphärengases in der Ofenzone zum Aufheizen des Bandmaterials und in der Ofenzone zum Halten nach dem Aufheizen auf 10% oder weniger geregelt wird, und die Spannung des Materials pro Querschnittseinheit Tu (kgf/mm²) in einem Bereich gehalten wird, der je nach Dicke t (mm) und Breite W (mm) des Bandmaterials folgenden Bedingungen genügt: (a) unter der Bedingung: W < 1350 mm: 1,88 – 0,18 × t – 0,00080 × W ≤ Tu ≤ 2,38 – 0,11 × t – 0,00084 × W (1)(b) unter der Bedingung: W ≥ 1350 mm und t ≤ 0,85 mm: 0,73 + 0,38 × t – 0,00030 × W ≤ Tu ≤ 1,23 + 0,35 × t – 0,00028 × W (2)(c) unter der Bedingung: W ≥ 1350 mm und t > 0,85 mm: 1,10 – 0, 00033 × W ≤ Tu ≤ 1,54 – 0,00029 × W (3)und Aufblasen eines wasserstoffhaltigen Gases mit einer Wasserstoffkonzentration von 10% oder mehr in der Schnellkühlzone auf das Material, so dass man eine rasche Abkühlung erhält.