EP0572780A2 - Process and device for cleaning of metal strip surfaces by gas-washing in hydrogen-rich athmospheres - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for cleaning metal strip surfaces, in particular for removing oil-containing deposits when the strip is heated in continuous annealing lines, and with the further generic features mentioned in claim 1.
- a wafer-thin, greasy coating of about 0.1 to 1 ⁇ m thick from residues of the rolling emulsion or rolling oil, mixed with a small amount of iron abrasion in a covering density of between 5 and 50 mg Fe per m2 surface, on cold-rolled thin sheet , and other solids - mainly iron oxides, but also oxides of the alloying elements.
- a typical composition of the residues after rolling can be given as follows: Covering in g / m2 Percentage ownership % Oil residue 0.387 89.3 Solids 0.0463 10.7 of which iron 0.0138 3,185
- the oil residue can also contain dissolved iron, depending on the alkalinity of the oil - 0.05 to 0.5% can be found.
- the ester compounds hydrolyzed to fatty acids from the roll emulsion in the event of excess water can form metal soaps (carboxylates) with the metal hydroxide on the strip surface.
- metal soaps carboxylates
- This process only begins at strip temperatures above 100 ° C; iron and manganese tend to form metal soaps, but not copper and nickel. There is also no evidence of metal soap formation on stainless steel strips (chrome / nickel / iron).
- carboxylates are very difficult to distill off and leave dark shades. According to current knowledge, they are the main cause of carbon residues on the belt.
- the volatile paraffinic mineral oil components evaporate between 100 and 300 ° C; their thermal stability decreases sharply with chain length. This is followed by naphthenic and aromatic hydrocarbons, at around 400 ° C only the higher-boiling esters are detectable.
- Continuous annealing lines are necessary upstream of belt cleaning systems to remove the oil-containing residues on the strip surface.
- Processes such as spray cleaning with strongly alkaline cleaning solutions, steam or spray degreasing using trichlorethylene, the various electrolytic cleaning processes and combined processes that work in the steam and liquid phases are known.
- One or more brushing devices are installed in almost all systems.
- the spraying power can be increased so that the cleaning is only effected by the high pressure.
- Alkaline cleaning solutions contain organic solvents such as trichlorethylene or perchlorethylene, and inorganic solvents such as soda, caustic alkalis, as well as complexing agents, silicates, pyrophosphates, tripolyphosphates, and surface-active substances, mostly low-foam biodegradable surfactants.
- organic solvents such as trichlorethylene or perchlorethylene
- inorganic solvents such as soda, caustic alkalis, as well as complexing agents, silicates, pyrophosphates, tripolyphosphates, and surface-active substances, mostly low-foam biodegradable surfactants.
- the choice of cleaning method depends on the desired surface condition of the strip before it is processed further, for example whether it should be painted, hot-dip galvanized, chrome-plated or otherwise surface-coated after cleaning, or whether it should be subjected to an annealing treatment, the result of which determined Material properties are expected - as in the case of electrical sheet, for example, minimal magnetic loss and high polarization with minimal aging.
- the preparation of the solvents enriched with the oily residue is critical in all processes, whether immersion, spraying, brushing or electrolytic processes. First, the residue must be separated from the solvent in complex process steps. Only then can it be disposed of appropriately.
- a method for annealing thin steel sheet with a thickness of less than 0.5 mm with oil residues in a protective gas atmosphere containing at least 20% hydrogen is described in European Patent Application 0405092 A 1 (1990). Thereafter, good cleaning quality can be achieved if, when the coil is heated, a temperature of 450 ° C. is only exceeded after a period of 5 hours or longer.
- the annealing of metal strip in continuous annealing lines differs from the stationary annealing process in bell-type furnaces in particular in that when untreated strip is passed through, suitable measures have to be taken to prevent the otherwise inevitable carbon deposits in the furnace chamber.
- suitable measures In order to convert the oil that evaporates when the strip is heated in the furnace into CO and CO2, an atmosphere that oxidizes against carbon must be set.
- Sensitive materials in this regard such as vacuum-degassed, ultra-pure electrical steel grades with the lowest carbon and oxygen contents, can only be annealed under gas atmospheres that have a reducing effect on the metal surface and the alloying elements.
- FR-A-2308436 describes a method for removing oil residues on the inner wall of copper pipe. This consists in that the tube is heated to a temperature during the annealing process which is sufficient to generate the vapor pressure required for the evaporation of the oil residues. The resulting oil vapors are removed by flushing gas throughput.
- the impingement flow which is generated by blowers, pumps and the like, and slot or round nozzles.
- This is characterized in that a gas jet emerging from a nozzle with a high outflow velocity strikes the strip surface vertically or with the jet axis slightly inclined to the normal.
- the turbulent free jet hitting the belt turns into a wall parallel when it hits it Flow redirected. Because of the high gas velocities, much higher heat transfers can be achieved with the impingement flow than with a gas flowing along the material to be heated.
- the characteristics of the impingement flow have been sufficiently described in the specialist literature; R. Gardon, JC Akfirat: "The rate of turbulence in determining the heat-transfer characteristics of impinging jets", Int. Journal Heat Mass Transfer, Vol. 8 (1965), pp. 1261-1272.
- the belt entering the cleaning section is exposed to an atmosphere that oxidizes not only carbon but also iron.
- the negative effects they remain tolerably small, as long as the belt stays in the cleaning section only for a short time and the belt surface is protected for as long as possible by the oil film, which has not yet completely evaporated - provided the temperature is appropriate. Under these conditions, the oxidation is of no importance kinetically.
- This object is achieved according to the invention by a cleaning process integrated in the continuous annealing process with the features mentioned in the characterizing part of claims 1 and 2.
- This has a particular advantage that the band in the area of the impingement is heated up quickly by superimposing heat radiation and convection to a temperature (T1) which corresponds to the boiling point of the oil residue, which in connection with the proportional to the heating rate ( ⁇ ) increasing vapor pressure (p D ) allow the thermal conditions for a complete vaporization of even polar adhering oil components to be set.
- the nozzles directed to the belt produce a blow-off effect, with it proving to be an additional advantage that the pressure energy (p g ) of the gas jet via the outflow speed (u d ) and thus via the adjustable blower pressure (p 1) to the degree of surface contamination can be adjusted.
- the advantage of being able to influence the evaporation process by heating the strip surface under the gas jet is based on the fact that the strip temperature (T1) and the evaporation rate ( ⁇ ) of the oil residue are linked via the boiling curve, and on the observation that the evaporation rate ( ⁇ ) is normally distributed over the temperature (T):
- the temperature (T1) of the strip under the gas jet is calculated at a given temperature (T0) with which the strip enters the area of the impingement flow and given protective gas temperature (T g ) as a function of the heat transfer coefficient ( ⁇ d ), half the width (R) the area covered by the impinging gas jet, as well as the density ( ⁇ ), thickness (h), speed (u) and heat capacity (c) of the strip according to:
- T0 the given temperature
- T g protective gas temperature
- the latter represents the solution of a differential equation, which is derived from the fixed consideration of the heat transfer and the heat transport on a strip element of the belt moving at speed (u) under the gas jet
- the temperature calculation according to the above equation can be used particularly advantageously for strips in the thickness range below 3 mm; the temperature deviation between the surface of the strip and the middle of the strip cross-section is in the range of tenths of a Kelvin.
- the rows of nozzles are positioned within the cleaning part, hence T0> T a and T1 ⁇ T e .
- the temperature (T1) at which the boiling point occurs is defined using an empirically determined, substance-specific numerical value of the oil residue ( ⁇ ):
- the following relationships can advantageously be used to control the evaporation and blow-off process:
- the pressure energy of the gas jet increases with the square of the outflow speed (u d ). It is advantageous that according to the laws of the impingement flow, the mean heat transfer coefficient ( ⁇ d ) and thus the strip temperature (T1) also increase, according to: The change in fan pressure thus affects both the evaporation rate and the blow-off effect.
- the use of hydrogen-enriched protective gas is advantageous for heat transfer and tape cleanliness.
- at least as much water vapor is added to it as is required for the conversion of the carbon from the oil residue according to the law of mass action when the heterogeneous and homogeneous water gas equilibrium is established.
- a protective gas Hydrogen / nitrogen composition and temperature (T g ) the oxidation potential ( ⁇ Ox ) compared to carbon is calculated from the equilibrium constants of the water gas reactions and the partial pressures or volume fractions of hydrogen and water vapor:
- the equilibrium constants of the water gas reactions can be found in the relevant specialist literature, see for example D'ANSLAX, paperback for chemists and physicists, Springer-Vlg.
- volume fractions CO and CO2 can be calculated as follows: With a known carbon coating on the belt, which can be equated with the mass of the oil coating on the belt for practical purposes, an equilibrium condition can be formulated, from which for a given carbon coating multiplied by the evaporation rate, either the required minimum oxidation potential for a given gas supply from the nozzle (V ⁇ d ) can be determined, or, given the oxidation potential of the protective gas, the minimum gas supply of the nozzle: V ⁇ d ⁇ ⁇ Ox ⁇ m C.
- K1, K2 are the constants of the heterogeneous or homogeneous law of mass action at the protective gas temperature T g ; are the protective gas volume fractions with heterogeneous or homogeneous water gas equilibrium; M C is the molar mass of carbon, 0.012011 kg / mol; V ⁇ m is the standard molar volume of the gases, 0.02241384 m 3rd n / mol; ⁇ Ox is the oxidation potential of the protective gas composition compared to carbon; V ⁇ d is the gas volume flow through the nozzle; m C is the carbon coating on the belt per unit area.
- Another advantage of the method according to the invention is that the protective gas temperature and therefore the temperature of the gas jet is very much higher than the temperature of the strip entering the cleaning part. As the band heating progresses, the temperature difference decreases, but the band temperature at the outlet of the cleaning section remains clearly, up to several hundred Kelvin, below the protective gas temperature.
- Oil residues are generally washed off the strip surface with a volatile solvent, for example trichlorofluorocarbon, known under the trade names Freon, Kaltron, Frigen, or n-heptane (light petrol).
- a volatile solvent for example trichlorofluorocarbon, known under the trade names Freon, Kaltron, Frigen, or n-heptane (light petrol).
- ⁇ evaporation rate
- T n-heptane
- bimodal or multimodal distributions can also occur whenever the residue consists of a mixture of different types of oil, for example mineral oil and synthetic or animal / vegetable esters.
- the oils differ in their structure and molar mass and consequently also in their boiling behavior.
- thermograms In Fig. 1, the right part of the picture shows the boiling curve, the left part of the picture shows the first derivative of the boiling curve after time. Since the heating rate is kept constant, for example 1 Kelvin per minute, the boiling loss per unit of time is equivalent to the boiling loss per Kelvin temperature increase. If the boiling loss is divided by the initial weight, the evaporation rate ( ⁇ ) results. The evaporation rate ( ⁇ ) is the definite integral below the evaporation rate in the temperature range under consideration.
- Said prediction of the evaporation rate ( ⁇ ) of the oil residue requires, in addition to the boiling curve, knowledge of the basic composition of the rolling oil and / or fatty oil used, or at least knowledge of the quantity distribution of the main components.
- the supplier must provide this information, but also information about changing the recipe. By periodically monitoring the boiling behavior of the oils both at the supplier and The user must ensure the stability of the relevant product properties and ensure the reproducibility of the process. It is also common, for example, to alloy the oil with polar additives. Such a measure proves to be particularly effective when rolling with an emulsion.
- the oil residue on the cold-rolled strip unaffected by the rolling parameters, will consist almost exclusively of residues of the fatty oil, not residues of the emulsion oil.
- the composition of the oil residue and thus the boiling behavior show no significant fluctuations over longer periods.
- thermograms in Fig. 3 The results of examinations are compared, between which there is a period of 16 months.
- FIG. 4 shows the side view of the inlet part of the glow line in longitudinal section as the first special exemplary embodiment of the cleaning device according to the invention.
- the belt 1 is guided into the cleaning part 4 separated by the inlet lock 2 and outlet lock 3 against the ambient air or against the adjacent furnace atmosphere.
- the latter is equipped with nozzle bars 11 and radiant heating tubes 7 arranged successively above and below the belt.
- the belt is moved on driven support rollers 6 through the cleaning part.
- dry protective gas for example a hydrogen / nitrogen mixture in a ratio of four to one, flows in countercurrent through the outlet lock 3 into the cleaning part 4.
- the protective gas is fed through a steam feed 13, which in the rear third of the cleaning section opens below the belt into the furnace, mixed with water vapor.
- the protective gas outlet 18 is located near the inlet lock also below the belt.
- the protective gas in the cleaning part is circulated with a plurality of blowers 8 installed on the furnace and driven by electric motor 15, by suction through a suction line 14 leading through the furnace vault and through the pressure line and nozzle bars 11 and nozzles 12 arranged above and below the belt onto the belt surface is blown.
- two thermocouples 17 are installed in the rear third of the cleaning part, which are expediently guided from above through the vault into the furnace chamber.
- Fig. 5 shows the cross section of the cleaning part with blower 8 and associated electric drive 15, suction line 14, pressure line 9 and the throttle valve 10 built therein for quantity regulation as well as the positioning of the dew point control 16, nozzle bar 11 and nozzles 12, support roller 6 and volume 1 and the steam feed 13.
- claim 8 provide a modified version of the cleaning part according to claim 7 insofar as it is divided into several chambers by locks, whereby the cleaning distance can be shortened or lengthened depending on the belt speed by means of fans and rows of nozzles as well as required in the individual chambers Steam can be switched off or on.
- a temperature below the decomposition temperature of the oil residue is given as the upper limit which the belt temperature may reach before leaving the cleaning part.
- the latter is the temperature at which the vapor pressure, even under isothermal conditions, i.e. without further temperature rise, becomes a time-dependent variable and the vapor pressure increase is by definition 1.87 Pascal per second.
- claims 9 and 11 to 14 provide refinements of the cleaning device which ensure a homogeneous and effective protective gas atmosphere and regulated heating of the belt.
- an embodiment of the nozzle holder in the nozzle bar 11 is specified, through which the nozzles 12 are brought out of the danger zone in the simplest way when threading the beginning of the tape.
- claim 5 is given as an alternative process feature to claim 4, the tape after leaving the cleaning part through the outlet lock 3 in a decarburizing furnace atmosphere with a correspondingly high dew point, which extends the scope of the method to materials that, for example, due to the susceptibility to aging must be subjected to decarburization annealing
- the transport in suspension via a gas cushion generated by blower pressure and nozzles 12 below the belt 1 is specified, which means that for cleaning the usually dirtier belt underside anyway pressure energy brought to a higher level on the underside of the belt is advantageously used for the adjustment of the floating state, so that postponements, scratches and pimples are reliably avoided at least in this stage of heating.
- the features of claim 6 provide a feasible with simple technical means, the environmentally friendly exhaust gas combustion or exhaust gas recovery device, which ensures that only CO2, H2O and N2 occur in the exhaust gas.
- the boiling curve of the oil residue - weighed in at 5.796 mg, heating rate 10 Kelvin per minute - recorded under technically pure nitrogen with a thermal balance - results in a bimodal distribution of the evaporation rate with the boiling maxima, dominated by the two main components of the oil residue and as well as with the maximum evaporation rates at these temperatures of and 6 shows the boiling curve on which the exemplary embodiment is based. They are transferred to the evaporation behavior under the real furnace atmosphere, taking into account the respectively set H2 / N2 ratio.
- the shift of the boiling maxima to lower temperatures with increasing H2 content is calculated from the relationship with sufficient accuracy for technical purposes: A lowering of the boiling maxima of 46 Kelvin would therefore have to be expected for annealing under 100% hydrogen.
- the evaporation rate ( ⁇ ) can be a good approximation as the sum of the integrals of the two evaporation rates ( ⁇ A ) and ( ⁇ B ) normally distributed over the temperature (T) within the limits given by the strip start temperature (T a ) and the end strip temperature (T e ) being represented.
- T a strip start temperature
- T e end strip temperature
- the mass fractions of the main components A and B of the oil residue have to be named.
- the rolling oil supplier provides the relevant information; As a rule, component A will be the mineral oil component boiling at a lower temperature and component B will be the fatty acid / fatty ester component boiling at a higher temperature.
- the information refers to the fresh oil delivered, it is advisable to check it on the oil residue by determining the saponification number according to DIN 51 559.
- the final strip temperature (T e ) must be defined;
- the material constant ( ⁇ B ) of the oil residue, with the aid of which the temperature at which the evaporation of component B has ended, must be known.
- the position of the nozzle in the cleaning section changes the heating speed ( ⁇ ) of the strip under the gas jet and, in proportion to the heating speed, the vapor pressure (p D ) of the oil film on the surface of the strip.
- the change in vapor pressure with the heating rate in the boiling range of oil components A and B corresponds to their evaporation rates at these temperatures; they component B will be about a factor of 0.0100 / 0.0033 ⁇ 3 larger than component A. This is important insofar as the heating rate ( ⁇ ) decreases with increasing strip temperature (T0); Water vapor feed 10 volume percent: Nozzle position, m 2nd 6 10th 14 18th 22 26 ⁇ , Kelvin / second 146 123 105 90 75 60 46
- the heating speed is reduced, for example, to around half if the value at the nozzle position 14 m is compared with that at the nozzle position 26 m.
- This disadvantage is compensated for by the larger gradient of the vapor pressure rise with the heating speed at the nozzle position 26 m.
- Fig. 7 shows how the minimum shielding gas requirement changes depending on the water vapor content and the nozzle position, indicated by the strip temperature (T0) when entering under the gas jet.
- the conditions in the temperature range between 350 and 750 Kelvin and with a steam input of 10 to 20 percent by volume are shown.
- a constant carbon coating m C 0.5 g / m2 surface of the belt entering the cleaning section is assumed on average. Under these conditions, otherwise as stated above, the shielding gas requirement increases with the strip temperature and decreases with the proportion of water vapor in the shielding gas.
- High strip temperatures (T0), from 664 to 700 Kelvin, and high water vapor proportions between 16 and 20 percent by volume from the point of view of protective gas consumption are considered favorable for the cleaning effect.
- Fig. 8 shows the carbon that can be converted per standard cubic meter of protective gas as a function of the water vapor content and the protective gas temperature (T g ).
- T g protective gas temperature
- the relationships in the temperature range between 800 and 1200 Kelvin and with a steam feed of 1 to 20 percent by volume are shown.
- the oxidation potential ( ⁇ Ox ) compared to carbon grows exponentially with the gas temperature and practically linear with the water vapor content in the protective gas.
- the inert gas circulation should be such that temperature differences in the gas atmosphere are reduced and carbon deposits are avoided.
- the turbulence is intended to promote the conversion of carbon to CO and CO2 until equilibrium is reached. It is therefore important to ensure that the sum of the volume flows of all nozzles connected exceeds the shielding gas throughput at least twice.
- the heat exchange with the belt becomes more intense, the gas will cool down. As the gas temperature drops, the conversion of the carbon according to FIG. 8 will decrease. It is therefore necessary to limit the amount circulated.
- the strip cleanliness and freedom from aging achieved will be used as a benchmark, and the special features of the furnace system and the annealing program such as length of the cleaning part, strip speed, strip dimensions, material, surface condition must be taken into account.
- the circulation rate in the inlet part can be increased without causing the oil film to evaporate there by rotating the nozzles of the front nozzle bars from the vertical position, as in the threading process, so that the gas jet away from the belt surface, for example towards the radiant heating pipes or horizontally.
- the minimum circulation capacity as a function of the water vapor feed-in is determined as follows, in standard cubic meters per hour: Water vapor share,% 10th 15 20th Minimum circulation capacity, m 3rd n /H 1040 700 480
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Metallbandoberflächen, insbesondere zur Entfernung von ölhaltigen Belägen bei der Erwärmung des Bandes in kontinuierlichen Glühlinien, und mit den weiteren, im Patentanspruch 1 genannten gattungsbestimmenden Merkmalen.The invention relates to a method and a device for cleaning metal strip surfaces, in particular for removing oil-containing deposits when the strip is heated in continuous annealing lines, and with the further generic features mentioned in
Zum Beispiel befindet sich auf kaltgewalztem Feinblech in der Regel ein hauchdünner, fettiger Belag von etwa 0,1 bis 1 µm Dicke aus Rückständen der Walzemulsion oder des Walzöls, vermischt mit einem geringen Anteil Eisenabrieb in einer Belegungsdichte zwischen 5 und 50 mg Fe pro m² Oberfläche, und anderen Feststoffen - überwiegend Eisenoxide, aber auch Oxide der Legierungselemente. Eine typische Zusammensetzung der Rückstände nach dem Walzen kann wie folgt angegeben werden:
Auch der Ölrückstand kann gelöstes Eisen enthalten, gefunden werden - abhängig von der Alkalität des Öls - 0,05 bis 0,5 %.The oil residue can also contain dissolved iron, depending on the alkalinity of the oil - 0.05 to 0.5% can be found.
Wird vor dem Walzen auf das frisch gebeizte Band ein Einfettöl mit Rostschutzfunktion aufgetragen und enthält dieses Öl verseifbare Bestandteile und polare Substanzen, so finden sich Reste des Ölfilms aufgrund seiner Verankerung mit der Bandoberfläche selbst nach dem Walzen wieder, wobei die verseifbaren Bestandteile im Öl dominieren und die freien Fettsäuren im Vergleich zum Frischöl etwa auf das doppelte angereichert sind.If a grease oil with rust protection function is applied to the freshly pickled strip before rolling and this oil contains saponifiable constituents and polar substances, residues of the oil film can be found even after rolling, due to its anchoring to the strip surface, the saponifiable constituents dominating in the oil and the free fatty acids are approximately twice as rich as fresh oil.
Im Druck- und Temperaturfeld des Walzspaltes können die bei Wasserüberschuß aus der Walzemulsion zu Fettsäuren hydrolisierten Esterverbindungen mit dem Metallhydroxid auf der Bandoberfläche Metallseifen (Carboxylate) bilden. Dieser Prozeß setzt erst bei Bandtemperaturen über 100 °C ein; zur Metallseifenbildung neigen Eisen und Mangan, nicht aber Kupfer und Nickel. Auf Edelstahlbändern (Chrom/Nickel/Eisen) läßt sich Metallseifenbildung ebenfalls nicht nachweisen.In the pressure and temperature field of the roll gap, the ester compounds hydrolyzed to fatty acids from the roll emulsion in the event of excess water can form metal soaps (carboxylates) with the metal hydroxide on the strip surface. This process only begins at strip temperatures above 100 ° C; iron and manganese tend to form metal soaps, but not copper and nickel. There is also no evidence of metal soap formation on stainless steel strips (chrome / nickel / iron).
Carboxylate destillieren bei der nachfolgenden Wärmebehandlung des kaltgewalzten Bandes nur sehr schwer ab und hinterlassen dunkle Schattierungen. Nach heutigem Kenntnisstand sind sie der Hauptverursacher der Kohlenstoffrückstände auf dem Band. Bei der Erwärmung des Bandes verdampfen zwischen 100 und 300 °C zunächst die leichtflüchtigen paraffinischen Mineralölbestandteile; ihre thermische Stabilität nimmt mit der Kettenlänge stark ab. Dann folgen naphthenische und aromatische Kohlenwasserstoffe, bei etwa 400 °C sind nur noch die höher siedenden Ester nachweisbar.During the subsequent heat treatment of the cold-rolled strip, carboxylates are very difficult to distill off and leave dark shades. According to current knowledge, they are the main cause of carbon residues on the belt. When the tape is heated, the volatile paraffinic mineral oil components evaporate between 100 and 300 ° C; their thermal stability decreases sharply with chain length. This is followed by naphthenic and aromatic hydrocarbons, at around 400 ° C only the higher-boiling esters are detectable.
Der Oberflächenzustand von kaltgewalztem Band vor und nach Glühbehandlung sowie vor und nach Reinigung ist in der Fachliteratur umfassend beschrieben worden. Hinreichend belegt ist auch, daß die Menge an Feststoff mit der Ölmenge auf dem Band ansteigt, ferner, daß die Menge an Metallpigmenten auf geglühtem Band mit der Restkohlenstoffmenge zunimmt. Die beim Aufheizen abdampfenden Ölrückstände können unter Rußabscheidung im Ofenraum, vorzugsweise an den Ofenwänden im Einlaufteil aber auch an den Strahlrohren, kondensieren. Polymorpher Kohlenstoff (Ruß und Graphit) begünstigt den Aufbau von Pickeln auf den Ofentragrollen. Pickel hinterlassen auf der Bandunterseite Beschädigungen in Form von Eindrücken und Kratzern und führen mithin zu Qualitätsabwertungen und Ausschuß. Eine andere negative Begleiterscheinung ist die Aufkohlung der Bandoberfläche, die insbesondere bei Werkstoffen mit niedrigsten Kohlenstoffgehalten wie zum Beispiel legiertes Elektroblech, mit Blick auf die Alterungsanfälligkeit derartiger Werkstoffe unbedingt vermieden werden muß.The surface condition of cold-rolled strip before and after annealing and before and after cleaning has been extensively described in the specialist literature. There is also sufficient evidence that the amount of solid increases with the amount of oil on the strip, and that the amount of metal pigments on the annealed strip increases with the amount of residual carbon. The oil residues that evaporate during heating can condense with soot separation in the furnace chamber, preferably on the furnace walls in the inlet part, but also on the jet pipes. Polymorphic carbon (soot and graphite) favors the build-up of pimples on the oven support rollers. Pimples leave damage in the form of impressions and scratches on the underside of the belt and therefore lead to quality devaluations and scrap. Another negative side effect is the carburization of the strip surface, which must be avoided in view of the susceptibility to aging of such materials, particularly in the case of materials with the lowest carbon contents, such as alloyed electrical steel.
Kontinuierlichen Glühlinien sind zur Beseitigung der ölhaltigen Rückstände auf der Bandoberfläche notwendigerweise Bandreinigungsanlagen vorgeschaltete Bekannt sind Verfahren wie die Spritzreinigung mit stark alkalischen Reinigungslösungen, die Dampf- oder Spritzentfettung mittels Trichlorethylen, die verschiedenen elektrolytischen Reinigungsverfahren und kombinierte Verfahren, die in der Dampfphase und Flüssigphase arbeiten. Dabei sind in fast allen Anlagen eine oder mehrere Bürsteinrichtungen installiert. Andererseits kann die Aufspritzleistung so erhöht werden, daß die Reinigung ausschließlich durch den hohen Druck bewirkt wird.Continuous annealing lines are necessary upstream of belt cleaning systems to remove the oil-containing residues on the strip surface. Processes such as spray cleaning with strongly alkaline cleaning solutions, steam or spray degreasing using trichlorethylene, the various electrolytic cleaning processes and combined processes that work in the steam and liquid phases are known. One or more brushing devices are installed in almost all systems. On the other hand, the spraying power can be increased so that the cleaning is only effected by the high pressure.
Alkalische Reinigungslösungen enthalten organische Lösemittel wie Trichlorethylen oder Perchlorethylen, und anorganische Lösemittel wie Soda, Ätzalkalien, sowie Komplexbildner, Silikate, Pyrophosphate, Tripolyphosphate, und oberflächenaktive Substanzen, meist schaumarme biologisch abbaubare Tenside.Alkaline cleaning solutions contain organic solvents such as trichlorethylene or perchlorethylene, and inorganic solvents such as soda, caustic alkalis, as well as complexing agents, silicates, pyrophosphates, tripolyphosphates, and surface-active substances, mostly low-foam biodegradable surfactants.
Die Wahl des Reinigungsverfahrens richtet sich nach dem gewünschten Oberflächenzustand des Bandes vor dessen Weiterverarbeitung, zum Beispiel danach, ob es nach der Reinigung lackiert, feuerverzinkt, verchromt oder in anderer Weise oberflächenveredelt werden soll, oder ob es einer Glühbehandlung unterzogen wird, in derem Ergebnis bestimmte Werkstoffeigenschaften erwartet werden - wie im Fall des Elektroblechs zum Beispiel geringste Ummagnetisierungsverluste und hohe Polarisation bei minimaler Alterung.The choice of cleaning method depends on the desired surface condition of the strip before it is processed further, for example whether it should be painted, hot-dip galvanized, chrome-plated or otherwise surface-coated after cleaning, or whether it should be subjected to an annealing treatment, the result of which determined Material properties are expected - as in the case of electrical sheet, for example, minimal magnetic loss and high polarization with minimal aging.
Kritisch bei allen Verfahren, ob Tauch-, Spritz-, Bürst- oder elektrolytischen Verfahren, ist die Aufbereitung der mit dem öligen Ruckstand angereicherten Lösemittel. Zunächst muß der Rückstand in aufwendigen Verfahrensschritten vom Lösemittel getrennt werden. Erst dann kann dieser einer entsprechenden Entsorgung zugeführt werden.The preparation of the solvents enriched with the oily residue is critical in all processes, whether immersion, spraying, brushing or electrolytic processes. First, the residue must be separated from the solvent in complex process steps. Only then can it be disposed of appropriately.
Neben den Entsorgungsproblemen und den hohen Betriebskosten von Bandreinigungsanlagen ist von Nachteil, daß nicht in jedem Fall eine ausreichende Entfettung der Bandoberfläche und restlose Entfernung der mechanisch haftenden Abriebteilchen gelingt. So ist bekannt, daß man mit Trichlorethylen zwar eine ausgezeichnete Entfettung erreicht, die Entfernung der an der Oberfläche haftenden Feststoffpartikel aber unzulänglich ist. Umgekehrt entfernen Spritzanlagen mit Bürsteinrichtungen vorwiegend Feststoffpartikel, entfetten aber nicht vollständig, wodurch zum Beispiel der Entkohlungsprozeß in der nachfolgenden Wärmebehandlung beeinträchtigt wird.In addition to the disposal problems and the high operating costs of belt cleaning systems, it is disadvantageous that adequate degreasing of the belt surface and complete removal of the mechanically adhering abrasion particles is not always possible. It is known, for example, that excellent degreasing is achieved with trichlorethylene, but the removal of the solid particles adhering to the surface is inadequate. Conversely, spraying systems with brushing devices mainly remove solid particles, but do not completely degrease, which, for example, impairs the decarburization process in the subsequent heat treatment.
Auch andere Verfahren arbeiten nicht zuverlässiger; bei der elektrolytischen Reinigung stört die Adsorption von Silikaten auf der Bandoberfläche, selbst mit mehrmaliger Reinigung läßt sich kein günstigeres Ergebnis erzielen.Other methods do not work more reliably either; during electrolytic cleaning, the adsorption of silicates on the belt surface interferes, even with repeated cleaning no more favorable result can be achieved.
Diese Erfahrungen zwingen häufig zum Einsatz kombinierter Reinigungsverfahren mit entsprechend höheren Anlagen-, Betriebs- und Wartungskosten. Aber selbst hiermit ist die restlose Entfernung von Fertigungshilfsstoffen und Abrieb auf Metallbandoberflächen nicht immer zu verwirklichen, meist bleibt die Effizienz des Verfahrens hinter den Erwartungen zurück. Gemessen an der Ausgangsbelegungsdichte gilt eine Reinigung schon als überdurchschnittlich, wenn die Restbelegung eine Quote unter zehn Prozent erreicht.This experience often forces the use of combined cleaning processes with correspondingly higher system, operating and maintenance costs. But even with this, the complete removal of manufacturing aids and abrasion on metal strip surfaces cannot always be achieved; the efficiency of the process usually falls short of expectations. Measured in terms of the initial occupancy density, cleaning is considered above average if the remaining occupancy reaches a rate of less than ten percent.
Besonders saubere Oberflächen werden bei Glühung in reiner Wasserstoffatmosphäre erzielt. Stellvertretend für die zahlreichen Publikationen, die die Vorteile der Haubenglühung unter Wasserstoff beschreiben, sei hier auf Hubert, G. und R. Maaß: Zeitschrift "Gas wärme international". Band 38 (1989), Heft 9, Seiten 515 bis 522, verwiesen. Es wurde erkannt, daß Wasserstoff auf das Siedeverhalten eines Walzöls insofern Einfluß nimmt, als die Siedemaxima zu niedrigeren Temperaturen verschoben werden.Particularly clean surfaces are achieved with annealing in a pure hydrogen atmosphere. Representative of the numerous publications that describe the advantages of bell annealing under hydrogen are Hubert, G. and R. Maass: Journal "Gas warmer international". Volume 38 (1989), No. 9, pages 515 to 522. It was recognized that hydrogen influences the boiling behavior of a rolling oil in that the boiling maxima are shifted to lower temperatures.
Ein Verfahren zum Glühen von dünnem Stahlblech unter 0,5 mm Dicke mit Ölrückständen in mindestens 20 % Wasserstoff enthaltender Schutzgasatmosphäre ist in der Europäischen Patentanmeldung 0405092 A 1 (1990) beschrieben. Danach läßt sich eine gute Reinigungsqualität dann erzielen, wenn beim Aufheizen des Coils eine Temperatur von 450 °C erst nach einer Zeit von 5 Stunden oder länger überschritten wird.A method for annealing thin steel sheet with a thickness of less than 0.5 mm with oil residues in a protective gas atmosphere containing at least 20% hydrogen is described in European Patent Application 0405092 A 1 (1990). Thereafter, good cleaning quality can be achieved if, when the coil is heated, a temperature of 450 ° C. is only exceeded after a period of 5 hours or longer.
Ein anderes Verfahren zur Glühung von kaltgewalztem Stahlblech in nichtoxidierender Stickstoff/Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre ist aus JP-Patent 63255326 (1988) bekannt. Die aus der thermischen Spaltung der Öldämpfe stammenden Kohlenstoffverbindungen CO, CO₂, CH₄, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₃ und C₃H₆ werden durch katalytische Behandlung des Schutzgases entfernt.Another method for annealing cold-rolled steel sheet in a non-oxidizing nitrogen / hydrogen protective gas atmosphere is known from JP patent 63255326 (1988). The carbon compounds CO, CO₂, CH₄, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₃ and C₃H₆ originating from the thermal cracking of the oil vapors are removed by catalytic treatment of the protective gas.
Schließlich wird in der Europäischen Patentanmeldung 0416758 A 1 (1990) ein Verfahren zur thermischen Entfettung von Aluminiumblech und Aluminiumteilen vorgestellt, das ohne Lösemittel auskommt, indem die zu entfettenden Teile bei einer Temperatur zwischen 300 und 400 °C über eine Dauer von 10 bis 30 Minuten einer reaktiven Atmosphäre, vorzugsweise Luft oder Sauerstoff, ausgesetzt werden. Die organischen Verunreinigungen auf dem Blech sollen mit der Gasatmosphäre reagieren, ohne die darunterliegende Oxidhaut anzugreifen, um die Lötbarkeit nicht zu beeinträchtigen. Gestützt auf die analytische Untersuchung der nach verschiedenen Reinigungsverfahren vorgefundenen Oberflächenbeläge wird geschlußfolgert, daß die thermische Entfettung an Luft eine gangbare Alternative zur Entfettung unter Vakuum oder mittels Lösemitteldämpfen darstellt. Außer der globalen Feststellung, daß die Glühparameter auf den Öltyp und die reaktiven Komponenten der Gasatmosphäre zuzuschneiden sind, vergleiche Seite 3 der Patentschrift, Zeilen 35 und 36, fehlt jeglicher Hinweis, auf welche Weise das geschehen soll, wie zum Beispiel Gastemperatur und Glühguttemperatur, Siedeverlauf und Glühzeit miteinander abzustimmen sind, um ein vollständiges Abdampfen des Ölbelags und quantitativ die Umsetzung der Öldämpfe mit der oxidierenden Atmosphäre Sicherzustellen. Die fehlende Vorschrift erklärt den mit über 30 % ausgewiesenen verhältnismäßig hohen Kohlenstoffanteil im Rückstand nach beendeter thermischer Entfettung, vergleiche Seite 5 der Patentschrift, Tabelle III (A1-8 bis A1-10), Spalten 7 und 14.Finally, in European patent application 0416758 A 1 (1990), a process for the thermal degreasing of aluminum sheet and aluminum parts is presented, which does not require solvents by the parts to be degreased at a temperature between 300 and 400 ° C over a period of 10 to 30 minutes exposed to a reactive atmosphere, preferably air or oxygen. The organic impurities on the sheet should react with the gas atmosphere without attacking the underlying oxide skin in order not to impair the solderability. Based on the analytical investigation of the surface coverings found after various cleaning processes, it is concluded that thermal degreasing in air is a viable alternative to degreasing under vacuum or with solvent vapors. In addition to the global finding that the annealing parameters are tailored to the type of oil and the reactive components of the gas atmosphere, see
Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß für das Abdampfen ölhaltiger Beläge auf dem Glühgut genügend Zeit zur Verfügung steht, d.h. die Glühdauer ist für den Abdampfvorgang keine kritische Größe. Bei kontinuierlichen Glühlinien hingegen ist man an vergleichsweise kurze Zeiten gebunden, die sich aus der Länge des Aufheizteils und der maximalen Bandgeschwindigkeit ergeben. Diese Zeiten liegen im Sekundenbereich und erfordern zusätzliche Maßnahmen, um ein vollständiges Abdampfen des Ölrückstandes zu erreichen.All these processes have in common that there is sufficient time for the evaporation of oily deposits on the annealing material, i.e. the annealing time is not a critical variable for the evaporation process. With continuous annealing lines, on the other hand, you are bound to comparatively short times, which result from the length of the heating part and the maximum strip speed. These times are in the range of seconds and require additional measures to achieve a complete evaporation of the oil residue.
Die Glühung von Metallband in kontinuierlichen Glühlinien unterscheidet sich vom stationären Glühprozeß in Haubenöfen insbesondere dadurch, daß beim Durchsatz von ungereinigtem Band geeignete Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die ansonsten unvermeidlichen Kohlenstoffablagerungen im Ofenraum zu unterbinden. Um das bei der Erwärmung des Bandes im Ofen abdampfende Öl in CO und CO₂ umzusetzen, muß eine gegenüber Kohlenstoff oxidierende Atmosphäre eingestellt werden. Damit ist andererseits aber die Gefahr gegeben, daß auch die Metalloberfläche oxidiert wird und im ungünstigsten Fall sogar die Oberflächenschichten erfaßt werden. Diesbezüglich sensible Werkstoffe wie vakuumentgaste, ultrareine Elektroblechgüten mit niedrigsten Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalten, können jedoch nur unter Gasatmosphären geglüht werden, die gegenüber der Metalloberfläche und den Legierungselementen reduzierend wirken.The annealing of metal strip in continuous annealing lines differs from the stationary annealing process in bell-type furnaces in particular in that when untreated strip is passed through, suitable measures have to be taken to prevent the otherwise inevitable carbon deposits in the furnace chamber. In order to convert the oil that evaporates when the strip is heated in the furnace into CO and CO₂, an atmosphere that oxidizes against carbon must be set. On the other hand, however, there is a danger that the metal surface will also be oxidized and, in the worst case, even the surface layers may be detected. Sensitive materials in this regard, such as vacuum-degassed, ultra-pure electrical steel grades with the lowest carbon and oxygen contents, can only be annealed under gas atmospheres that have a reducing effect on the metal surface and the alloying elements.
In der Patentschrift FR-A-2308436 wird ein Verfahren zur Entfernung von Ölresten auf der Innenwand von Kupferrohr beschrieben. Dieses besteht darin, daß das Rohr während der Glühung auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die ausreicht, den für die Verdampfung der Ölreste erforderlichen Dampfdruck zu erzeugen. Die entstandenen Öldämpfe werden durch Spülgasdurchsatz entfernt.FR-A-2308436 describes a method for removing oil residues on the inner wall of copper pipe. This consists in that the tube is heated to a temperature during the annealing process which is sufficient to generate the vapor pressure required for the evaporation of the oil residues. The resulting oil vapors are removed by flushing gas throughput.
In den Patentschriften EP 0 069 009 B1 und EP 0 157 708 B1 sind Verfahren zur kontinuierlichen Entfettung kaltgewalzter Metallbänder (vor dem Galvanisieren) beschrieben, die das nicht oxidierende Potential einer Flamme nutzen, bzw. durch zusätzliche Injektion von Luft oder oxidierendem Abgas stöchiometrische oder sogar leicht oxidierende Verhältnisse erzeugen, vergl. hierzu R. Wang: "New process for continuous hot-dip strip galvanizing. Galvanizing Into the Next Century" - First International Conference on Galvanizing in South Africa, 3-6 November, 1986. Publisher: Council for Scientific and Industrial Research, PO Box 395, Pretoria 0001, South Africa, Vol. 8801-72-0049, 13 pages, zum anderen R. Wang: "Direct-fired heating in continous hot-dip galvanizing lines", Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf (1990), Seiten 75-87, ISBN 3-514-00416-1.The patents EP 0 069 009 B1 and EP 0 157 708 B1 describe processes for the continuous degreasing of cold-rolled metal strips (before electroplating), which use the non-oxidizing potential of a flame, or stoichiometric or even by additional injection of air or oxidizing exhaust gas produce slightly oxidizing conditions, cf. R. Wang: "New process for continuous hot-dip strip galvanizing. Galvanizing Into the Next Century" - First International Conference on Galvanizing in South Africa, 3-6 November, 1986. Publisher: Council for Scientific and Industrial Research, PO Box 395, Pretoria 0001, South Africa, Vol. 8801-72-0049, 13 pages, on the other R. Wang: "Direct-fired heating in continous hot-dip galvanizing lines", Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf (1990), pages 75-87, ISBN 3-514-00416-1.
Diese Verfahren sind in wesentlichen Merkmalen nicht geeignet, das technische Problem zu lösen, das darin besteht, daß nicht nur die ölhaltigen Rückstände vom Band entfernt werden müssen, sondern daß auch eine Rückkohlung des Bandes durch sich ablagernden Kohlenstoff, wie sie bei unterstöchiometrischer Umsetzung der Öldämpfe unvermeidlich eintreten würde, aber selbst bei leicht oxidierenden Bedingungen in den angegebenen Temperaturbereichen eintreten kann, verhindert werden muß. Der Nachteil obiger Verfahren kann nur durch eine technische Lösung beseitigt werden, mit der sichergestellt ist, daß für die Umsetzung der Öldämpfe sowohl bei ihrer Entstehung unmittelbar über der Bandoberfläche als auch bei ihrer Vermischung mit der Gasatmosphäre immer mindestens soviel reaktiver Sauerstoff zur Verfügung steht, wie für die restlose Oxidation des Kohlenstoffs aus den Ölrückständen gebraucht wird.The essential features of these processes are not suitable for solving the technical problem which consists in the fact that not only the oil-containing residues have to be removed from the belt, but also that the belt is recooled by carbon which deposits, as is the case with the substoichiometric conversion of the oil vapors would inevitably occur, but can occur even under slightly oxidizing conditions in the specified temperature ranges, must be prevented. The disadvantage of the above methods can only be overcome by one Technical solution to be eliminated, which ensures that at least as much reactive oxygen is available for the conversion of the oil vapors both when they are formed directly above the strip surface and when they are mixed with the gas atmosphere as for the complete oxidation of the carbon from the Oil residue is needed.
Unterstöchiometrische Verhältnisse in bezug auf die Kohlenstoffumsetzung zu CO und Co₂, wie sie sich aus den für die Verfahren angegebenen Band- und Gastemperaturbereiche und auch den vorgeschriebenen Schwankungsbreiten des Wasserstoff- und Wasserdampfangebots (H₂ zwischen 2 und 30 %, H₂O zwischen 5 und 30 %) sowie den daraus resultierenden Partialdruckverhältnissen
bzw.
ergeben, sind schädlich.Sub-stoichiometric ratios with regard to the carbon conversion to CO and Co₂, as they result from the band and gas temperature ranges specified for the processes and also the prescribed fluctuation ranges of the hydrogen and steam supply (H₂ between 2 and 30%, H₂O between 5 and 30%) and the resulting partial pressure ratios
respectively.
are harmful.
Es hat sich zusätzlich gezeigt, daß ein gehobeneren Qualitätsansrpüchen genügendes, sauberes Band nur zu erzielen ist (sofern auf eine Vorreinigung verzichtet werden soll), wenn mit entsprechenden technischen Mitteln für einen intensiven Austausch des Reaktionsgases auf der Bandoberfläche und für ausreichende Durchwirbelung der Gasatmosphäre gesorgt wird.It has also been shown that a clean belt that meets high quality requirements can only be achieved (if pre-cleaning should be avoided) if appropriate technical means are used to ensure an intensive exchange of the reaction gas on the belt surface and sufficient swirling of the gas atmosphere .
Ein solches technisches Mittel bietet sich erfindungsgemäß mit der Prallströmung, die durch Gebläse, Pumpen und dergleichen, und Schlitz- oder Runddüsen erzeugt wird. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Düse mit hoher Ausströmgeschwindigkeit austretender Gasstrahl senkrecht oder mit zur Normalen geringfügig geneigten Strahlachse auf die Bandoberfläche auftrifft. Der auf das Band prallende turbulente Freistrahl wird beim Auftreffen in eine wandparallele Strömung umgelenkt. Wegen der hohen Gasgeschwindigkeiten können mit der Prallströmung wesentlich höhere Wärmeübergänge als mit einem am Wärmgut entlang strömenden Gas erzielt werden. Die Charakteristika der Prallströmung sind in der Fachliteratur hinlänglich beschrieben worden; als Beispiel hierfür sei angeführt R. Gardon, J.C. Akfirat: "The rate of turbulence in determining the heat-transfer characteristics of impinging jets", Int. Journal Heat Mass Transfer, Vol. 8 (1965), pp. 1261-1272.According to the invention, such a technical means is offered by the impingement flow, which is generated by blowers, pumps and the like, and slot or round nozzles. This is characterized in that a gas jet emerging from a nozzle with a high outflow velocity strikes the strip surface vertically or with the jet axis slightly inclined to the normal. The turbulent free jet hitting the belt turns into a wall parallel when it hits it Flow redirected. Because of the high gas velocities, much higher heat transfers can be achieved with the impingement flow than with a gas flowing along the material to be heated. The characteristics of the impingement flow have been sufficiently described in the specialist literature; R. Gardon, JC Akfirat: "The rate of turbulence in determining the heat-transfer characteristics of impinging jets", Int. Journal Heat Mass Transfer, Vol. 8 (1965), pp. 1261-1272.
Ein entscheidender Nachteil der in den vorgenannten Patenten beschriebenen Verfahren besteht darin, daß es keinerlei Hinweis für die Bemessung des Schutzgasdurchsatzes in Abhängigkeit von Band- und Gastemperatur sowie der Gaszusammensetzung gibt, so daß ein wirtschaftliches Arbeiten in Frage gestellt ist. Insbesondere fehlt der Bezug zum Abdampfverhalten der Ölrückstände auf dem Band.A decisive disadvantage of the methods described in the abovementioned patents is that there is no indication whatsoever for the measurement of the protective gas throughput as a function of the strip temperature and gas temperature and the gas composition, so that economic operation is questioned. In particular, there is no reference to the evaporation behavior of the oil residues on the belt.
Aus der Differentiation der Siedekurve nach der Zeit erhält man bekanntlich den Verlauf der Abdampfrate, das ist der pro Zeiteinheit abdampfende Masseanteil des Öls, über der Temperatur. Bei bestimmten, den Öltyp kennzeichenden Siedetemperaturen können ein Maximum oder mehrere Maxima der Abdampfrate auftreten. Das führt auf den Gedanken, das Schutzgasangebot und das Oxidationspotential des Gases auf das Abdampfverhalten des Ölrückstandes bei den kennzeichnenden Siedetemperaturen abzustimmen. Im Fachschrifttum und in den angezogenen Patenten wird hiervon nichts erwähnt.As is known, the differentiation of the boiling curve over time gives the course of the evaporation rate, which is the mass fraction of the oil evaporating per unit of time over temperature. At certain boiling temperatures that characterize the oil type, a maximum or several maxima of the evaporation rate can occur. This leads to the idea of coordinating the supply of protective gas and the oxidation potential of the gas with the evaporation behavior of the oil residue at the characteristic boiling temperatures. None of this is mentioned in the specialist literature and in the cited patents.
Schließlich ist zu beachten, daß das in den Reinigungsteil einlaufende Band einer gegenüber Kohlenstoff, aber auch gegenüber Eisen oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt ist. Die negativen Auswirkungen bleiben aber tolerierbar gering, sofern das Band nur kurze Zeit im Reinigungsteil verweilt und die Bandoberfläche möglichst lange von dem noch nicht vollständig abgedampften Ölfilm geschützt wird - entsprechende Temperaturführung vorausgesetzt. Unter diesen Bedingungen erlangt die Oxidation reaktionskinetisch noch keine Bedeutung.Finally, it should be noted that the belt entering the cleaning section is exposed to an atmosphere that oxidizes not only carbon but also iron. The negative effects However, they remain tolerably small, as long as the belt stays in the cleaning section only for a short time and the belt surface is protected for as long as possible by the oil film, which has not yet completely evaporated - provided the temperature is appropriate. Under these conditions, the oxidation is of no importance kinetically.
Wesentliche Vorbedingung für die Anwendbarkeit eines solchen Verfahrens und die erforderliche Prozeßsicherheit ist die Kenntnis der technologischen Grundlagen und der Prozeßparameter in ihrer wechselseitigen Abhängigkeit, beispielsweise des Temperaturgradienten unter dem Gasstrahl in seinem Einfluß auf den Dampfdruck des Ölbelages auf der Bandoberfläche. Konkretes technologisches Wissen für die Ausgestaltung des Verfahrens ist der einschlägigen Fach- und Patentliteratur nicht zu entnehmen.An essential prerequisite for the applicability of such a process and the required process reliability is knowledge of the technological fundamentals and the process parameters in their mutual dependency, for example the temperature gradient under the gas jet in its influence on the vapor pressure of the oil coating on the belt surface. The relevant technical and patent literature does not provide specific technological knowledge for the design of the process.
Insgesamt vermitteln die angezogenen Patentschriften und das einschlägige Fachschrifttum keine Lehre, die den Fachmann in die Lage versetzt, die vorstehend beschriebenen Reinigungsverfahren ohne weiteres oder nach naheliegenden Änderungen auf den kontinuierlichen Glühprozeß zu übertragen. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein die besonderen Bedingungen des kontinuierlichen Glühens von Metallband berücksichtigendes Reinigungsverfahren anzugeben, mit dem ölhaltige Beläge auf der Bandoberfläche in der prozeßbedingt zur Verfügung stehenden Zeitspanne, also innerhalb weniger Sekunden, unter Verzicht auf organische und anorganische Lösemittel zuverlässig und ohne störende Nebenwirkungen wie Kohlenstoffablagerungen im Ofenraum und Aufkohlung oder Oxidation des Glühguts, entfernt werden können. Die Kosten für das Betreiben vorgeschalteter Reinigungsanlagen unter Verwendung flüchtiger oder ätzender Lösemittel wie Trichlorethylen oder Soda, und die damit verbundene Umweltbelastung sowie die toxikologische Gefährdung der an der Anlage und in deren Umgebung arbeitenden Personen sollen entfallen.Overall, the attracted patent specifications and the relevant specialist literature do not convey any teaching that enables the person skilled in the art to use the cleaning processes described above without further or after obvious changes to the continuous annealing process. It is therefore an object of the invention to provide a cleaning method which takes into account the special conditions of the continuous annealing of metal strip, with which oil-containing deposits on the strip surface are available reliably and without in the period of time available, i.e. within a few seconds, without organic and inorganic solvents disruptive side effects such as carbon deposits in the furnace and carburization or oxidation of the annealing material can be removed. The costs for operating upstream cleaning systems using volatile or caustic solvents such as trichlorethylene or soda, and the associated environmental pollution as well as the toxicological hazard to people working on the system and in its surroundings should be eliminated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein in den kontinuierlichen Glühprozeß integriertes Reinigungsverfahren mit den im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 genannten Merkmalen gelöst. Hierbei wirkt sich besonders als Vorteil aus, daß das Band im Bereich der Prallströmung durch Überlagerung von Wärmestrahlung und Konvektion eine schnelle Aufheizung auf eine Temperatur (T₁) erfährt, die dem Siedeende des Ölrückstandes entspricht, womit sich in Verbindung mit dem proportional zur Aufheizgeschwindigkeit (Ṫ) ansteigenden Dampfdruck (pD) die thermischen Bedingungen für ein vollständiges Abdampfen selbst polar haftender Ölkomponenten einstellen lassen. Gleichzeitig erzeugen die auf das Band gerichteten Düsen einen Abblaseffekt, wobei es sich als ein zusätzlicher Vorteil erweist, daß die Druckenergie (pg) des Gasstrahls über die Ausströmgeschwindigkeit (ud) und mithin über den regulierbaren Gebläsedruck (p₁) an den Grad der Oberflächenverschmutzung angepaßt werden kann.This object is achieved according to the invention by a cleaning process integrated in the continuous annealing process with the features mentioned in the characterizing part of
Der Vorteil, mit der Aufheizung der Bandoberfläche unter dem Gasstrahl auf den Abdampfvorgang Einfluß nehmen zu können, gründet sich darauf, daß Bandtemperatur (T₁) und Abdampfquote (Φ) des Ölrückstandes über die Siedekurve verknüpft sind, und auf die Beobachtung, daß die Abdampfrate (φ) über der Temperatur (T) normalverteilt ist:
Die Temperatur (T₁) des Bandes unter dem Gasstrahl errechnet sich bei gegebener Temperatur (T₀), mit der das Band in den Bereich der Prallströmung eintritt, und gegebener Schutzgastemperatur (Tg), als Funktion des Wärmeübergangskoeffizienten (αd), der halben Breite (R) der vom auftreffenden Gasstrahl erfaßten Fläche, sowie der Dichte (ρ), Dicke (h), Geschwindigkeit (u) und Wärmekapazität (c) des Bandes gemäß:
Letzteres stellt die Lösung einer Differentialgleichung dar, die sich aus der ortsfesten Betrachtung des Wärmeüberganges und des Wärmetransportes an einem Streifenelement des mit der Geschwindigkeit (u) unter dem Gasstrahl bewegten Bandes ableitet. Sie gilt unter der Voraussetzung, daß der Wärmeentzug infolge Verdampfung des Ölfilms und die Wärmeleitung in Bandlaufrichtung vernachlässigt werden können; Bedingungen, die für den Fall eines sehr dünnen Ölfilms und für dünne Bänder mit vergleichsweise großen Breiten zutreffen. Diese Bedingungen sind für das Glühgut in kontinuierlichen Glühlinien im allgemeinen erfüllt: Ölfilmdicke zu Banddicke etwa 10⁻³, Banddicke zu Bandbreite etwa 5·10⁻³ bis 5·10⁻⁴.The advantage of being able to influence the evaporation process by heating the strip surface under the gas jet is based on the fact that the strip temperature (T₁) and the evaporation rate (Φ) of the oil residue are linked via the boiling curve, and on the observation that the evaporation rate ( φ) is normally distributed over the temperature (T):
The temperature (T₁) of the strip under the gas jet is calculated at a given temperature (T₀) with which the strip enters the area of the impingement flow and given protective gas temperature (T g ) as a function of the heat transfer coefficient (α d ), half the width (R) the area covered by the impinging gas jet, as well as the density (ρ), thickness (h), speed (u) and heat capacity (c) of the strip according to:
The latter represents the solution of a differential equation, which is derived from the fixed consideration of the heat transfer and the heat transport on a strip element of the belt moving at speed (u) under the gas jet. It applies provided that the heat removal due to evaporation of the oil film and the heat conduction in the direction of the belt run can be neglected; Conditions that apply in the case of a very thin oil film and for thin strips with comparatively large widths. These conditions are generally met for the annealing material in continuous annealing lines: oil film thickness to strip thickness about 10⁻³, strip thickness to bandwidth about 5 · 10⁻³ to 5 · 10⁻⁴.
Es hat sich gezeigt, daß die Temperaturberechnung nach obiger Gleichung besonders vorteilhaft für Bänder im Dickenbereich unter 3 mm angewendet werden kann; die Temperaturabweichung zwischen Bandoberfläche und Mitte des Bandquerschnitts liegt im Bereich von Zehntel Kelvin.It has been shown that the temperature calculation according to the above equation can be used particularly advantageously for strips in the thickness range below 3 mm; the temperature deviation between the surface of the strip and the middle of the strip cross-section is in the range of tenths of a Kelvin.
Es ist sicherzustellen, daß das Band im Reinigungsteil die Temperatur (Te) erreicht, denn der Ölrückstand soll innerhalb der Temperaturgrenzen (Ta) und (Te) vollständig abdampfen. Diese Forderung ist dann erfüllt, wenn die Abdampfquote (Φ) einen Zahlenwert nahe oder gleich eins annimmt:
Ein gutes Reinigungsergebnis stellt sich vor allem dann ein, wenn die Siedetemperatur (Ts), die das Maximum des pro Kelvin Temperaturerhöhung abdampfenden Masseanteils des Ölrückstandes (φs) kennzeichnet, unter dem Gasstrahl, d.h. nach Eintritt des Bandes in den Bereich der Prallströmung, erreicht und vor Verlassen dieses Bereiches soweit überschritten wird, daß der Abdampfvorgang beendet ist.Make sure that the belt in the cleaning section reaches the temperature (T e ), because the oil residue should evaporate completely within the temperature limits (T a ) and (T e ). This requirement is met if the evaporation rate (Φ) assumes a numerical value close to or equal to one:
A good cleaning result arises especially when the boiling temperature (T s ), which characterizes the maximum of the mass of oil residue (φ s ) evaporating per Kelvin temperature increase, under the gas jet, ie after the belt enters the area of the impingement flow, reached and exceeded before leaving this area that the evaporation process has ended.
Die Düsenreihen sind innerhalb des Reinigungsteils positioniert, folglich gilt T₀ > Ta und T₁ < Te. Mit einem empirisch ermittelten, stoffspezifischen Zahlenwert des Ölrückstandes (γ) wird die Temperatur (T₁) definiert, bei der das Siedeende eintritt:
Für die Steuerung des Abdampf- und Abblasvorganges lassen sich vorteilhaft die folgenden Zusammenhänge nutzen:
Die Druckenergie des Gasstrahls wächst mit dem Quadrat der Ausströmgeschwindigkeit (ud). Von Vorteil ist, daß nach den Gesetzen der Prallströmung zugleich auch der mittlere Wärmeübergangskoeffizient (αd) und mithin die Bandtemperatur (T₁) ansteigt, gemäß:
Somit wirkt sich die Änderung des Gebläsedrucks sowohl auf die Abdampfquote wie auf den Abblaseffekt aus.The rows of nozzles are positioned within the cleaning part, hence T₀> T a and T₁ <T e . The temperature (T₁) at which the boiling point occurs is defined using an empirically determined, substance-specific numerical value of the oil residue (γ):
The following relationships can advantageously be used to control the evaporation and blow-off process:
The pressure energy of the gas jet increases with the square of the outflow speed (u d ). It is advantageous that according to the laws of the impingement flow, the mean heat transfer coefficient (α d ) and thus the strip temperature (T₁) also increase, according to:
The change in fan pressure thus affects both the evaporation rate and the blow-off effect.
Die in vorgenannten Gleichungen benutzten Symbole - Buchstaben und Indizes - haben die folgende Bedeutung:
- Φg
- ist der im Reinigungsteil unter dem Gasstrahl bei Temperaturerhöhung von T₀ auf T₁ abdampfende Masseanteil des Ölrückstandes;
- φs
- ist die maximale Abdampfrate des Ölrückstandes pro Kelvin Temperaturzunahme;
- T
- ist die unter dem Gasstrahl von T₀ auf T₁ ansteigende Bandtemperatur;
- Ts
- ist die Siedetemperatur, bei der das Maximum φs des pro Kelvin Temperaturerhöhung abdampfenden Masseanteils auftritt;
- Ta, Te
- sind die Anfangstemperatur bzw. Endtemperatur des Bandes im Reinigungsteil;
- γ
- ist ein stoffspezifischer Zahlenwert des Ölrückstandes, aus dem sich die Temperatur errechnet, bei der der Abdampfvorgang beendet ist;
- PD
- ist die Dampfdruckänderung des Ölrückstandes;
- Ṫ
- ist der Anstieg der Bandtemperatur pro Zeiteinheit unter dem Gasstrahl;
- u
- ist die Bandgeschwindigkeit unter dem Gasstrahl;
- R
- ist die halbe Breite der vom Gasstrahl auf dem Band erfaßten Fläche;
- αd
- ist der mittlere effektive Wärmeübergangskoeffizient in dem vom Gasstrahl erfaßten Bereich der Bandoberfläche;
- ρ
- ist die Dichte des Bandwerkstoffes;
- ρg
- ist die Dichte des Gasgemisches bei der Gastemperatur Tg;
- pg
- ist die Druckenergie des Gasstrahls;
- c
- ist die spezifische Wärmekapazität des Bandwerkstoffes;
- cg
- ist die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches bei der Gastemperatur Tg;
- λg
- ist die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches bei der Temperatur Tg;
- νg
- ist die kinematische Viskosität des Gasgemisches bei der Temperatur Tg;
- d
- ist der Düsendurchmesser;
- k₀
- ist eine Konstante, die sich aus der mittleren Nusseltzahl, der Prandtlzahl, der Reynoldszahl und dem Quotienten aus der vom Gasstrahl erfaßten Bandoberfläche und der Düsenquerschnittsfläche errechnet, gemäß:
- k₁, k₂
- sind die dazugehörigen Exponenten, für die praktische Rechnung ist k₁ = 0,42 und k₂ = 0,707 einzusetzen.
- Φ g
- is the mass portion of the oil residue evaporating in the cleaning section under the gas jet when the temperature rises from T₀ to T₁;
- φ p
- is the maximum evaporation rate of the oil residue per Kelvin temperature increase;
- T
- is the band temperature rising under the gas jet from T₀ to T₁;
- T s
- is the boiling temperature at which the maximum φ s of the mass fraction evaporating per Kelvin temperature increase occurs;
- T a , T e
- are the start or end temperature of the belt in the cleaning section;
- γ
- is a substance-specific numerical value of the oil residue from which the temperature is calculated at which the evaporation process has ended;
- P D
- is the change in vapor pressure of the oil residue;
- Ṫ
- is the increase in strip temperature per unit time under the gas jet;
- u
- is the belt speed under the gas jet;
- R
- is half the width of the area covered by the gas jet on the belt;
- α d
- is the mean effective heat transfer coefficient in the area of the strip surface covered by the gas jet;
- ρ
- is the density of the strip material;
- ρ g
- is the density of the gas mixture at the gas temperature T g ;
- p g
- is the pressure energy of the gas jet;
- c
- is the specific heat capacity of the strip material;
- c g
- is the specific heat capacity of the gas mixture at the gas temperature T g ;
- λ g
- is the thermal conductivity of the gas mixture at temperature T g ;
- ν g
- is the kinematic viscosity of the gas mixture at temperature T g ;
- d
- is the nozzle diameter;
- k₀
- is a constant which is calculated from the mean Nusselt number, the Prandtl number, the Reynolds number and the quotient from the strip surface covered by the gas jet and the nozzle cross-sectional area, according to:
- k₁, k₂
- are the associated exponents, for the practical calculation k₁ = 0.42 and k₂ = 0.707 should be used.
Vorteilhaft für die Wärmeübertragung und Bandsauberkeit ist bekanntlich die Verwendung von wasserstoffangereichertem Schutzgas. Diesem wird erfindungsgemäß mindestens soviel Wasserdamf zugesetzt, wie nach dem Massenwirkungsgesetz bei Einstellung des heterogenen und homogenen Wassergasgleichgewichtes für die Umsetzung des Kohlenstoffs aus dem Ölrückstand erforderlich ist. Für ein Schutzgas gegebener Wasserstoff/Stickstoff-Zusammensetzung und Temperatur (Tg) errechnet sich das Oxidationspotential (µOx) gegenüber Kohlenstoff aus den Gleichgewichtskonstanten der Wassergasreaktionen und den Partialdrücken oder Volumenanteilen Wasserstoff und Wasserdampf:
Die Gleichgewichtskonstanten der Wassergasreaktionen können dem einschlägigen Fachschrifttum entnommen werden, siehe zum Beispiel D'ANS·LAX, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, Springer-Vlg. (1967), Band 1, S. 895, oder W. GUMZ, Kurzes Handbuch d. Brennstoff- u. Feuerungstechnik, Springer-Vlg. (1962). Mit bekannten Schutzgasvolumenanteilen Wasserstoff und Wasserdampf lassen sich die Volumenanteile CO und CO₂ wie folgt berechnen:
Bei bekanntem Kohlenstoffbelag auf dem Band, der für praktische Zwecke hinreichend genau mit der Masse des Ölbelages auf dem Band gleichgesetzt werden kann, läßt sich eine Gleichgewichtsbedingung formulieren, aus der für einen gegebenen Kohlenstoffbelag multipliziert mit der Abdampfquote entweder das erforderliche Mindestoxidationspotential bei gegebenem Gasangebot der Düse (V̇d) ermittelt werden kann, oder, bei gegebenem Oxidationspotential des Schutzgases das Mindestgasangebot der Düse:
In diese Bedingung ist definitionsgemäß die Abdampfquote (Φ), das ist der im Reinigungsteil von der Anfangstemperatur (Ta) bis zur Endtemperatur (Te) des Bandes insgesamt abdampfende Masseanteil des Ölrückstandes, einzusetzen.As is well known, the use of hydrogen-enriched protective gas is advantageous for heat transfer and tape cleanliness. According to the invention, at least as much water vapor is added to it as is required for the conversion of the carbon from the oil residue according to the law of mass action when the heterogeneous and homogeneous water gas equilibrium is established. Given for a protective gas Hydrogen / nitrogen composition and temperature (T g ) the oxidation potential (µ Ox ) compared to carbon is calculated from the equilibrium constants of the water gas reactions and the partial pressures or volume fractions of hydrogen and water vapor:
The equilibrium constants of the water gas reactions can be found in the relevant specialist literature, see for example D'ANSLAX, paperback for chemists and physicists, Springer-Vlg. (1967),
With a known carbon coating on the belt, which can be equated with the mass of the oil coating on the belt for practical purposes, an equilibrium condition can be formulated, from which for a given carbon coating multiplied by the evaporation rate, either the required minimum oxidation potential for a given gas supply from the nozzle (V̇ d ) can be determined, or, given the oxidation potential of the protective gas, the minimum gas supply of the nozzle:
The evaporation rate (Φ), which is the mass fraction of the oil residue which evaporates in the cleaning section from the initial temperature (T a ) to the final temperature (T e ) of the belt, is to be used in this condition.
In der Praxis ist es von Vorteil, den Prozeß so zu führen, daß der Quotient (ζ) aus dem Gasangebot der Düse (V̇d) multipliziert mit dem Oxidationspotential des Gasstrahls (µOx) einerseits, und dem Produkt aus dem vom Gasstrahl auf der Bandoberfläche erfaßten Kohlenstoffbelag (ṁC) mit der Abdampfquote (Φ), andererseits, den Zahlenwert eins erreicht und überschreitet:
Die in vorgenannten Gleichungen benutzten Symbole - Buchstaben und Indizes - haben die folgende Bedeutung:
K₁, K₂ sind die Konstanten des heterogenen bzw. homogenen Massenwirkungsgesetzes bei der Schutzgastemperatur Tg; sind die Schutzgasvolumenanteile bei heterogenem bzw. homogenem Wassergasgleichgewicht;
MC ist die Molmasse des Kohlenstoffs, 0,012011 kg/mol;
V
µOx ist das Oxidationspotential der Schutzgaszusammensetzung gegenüber Kohlenstoff;
V̇d ist der Gasvolumenstrom durch die Düse;
mC ist der Kohlenstoffbelag auf dem Band pro Flächeneinheit.In practice, it is advantageous to conduct the process so that the quotient (ζ) from the gas supply of the nozzle (V̇ d ) multiplied by the oxidation potential of the gas jet (µ Ox ) on the one hand, and the product of that from the gas jet on the The carbon surface (erf C ) with the evaporation rate (Φ), on the other hand, reaches and exceeds the numerical value one:
The symbols - letters and indices - used in the above equations have the following meanings:
K₁, K₂ are the constants of the heterogeneous or homogeneous law of mass action at the protective gas temperature T g ; are the protective gas volume fractions with heterogeneous or homogeneous water gas equilibrium;
M C is the molar mass of carbon, 0.012011 kg / mol;
V
µ Ox is the oxidation potential of the protective gas composition compared to carbon;
V̇ d is the gas volume flow through the nozzle;
m C is the carbon coating on the belt per unit area.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Schutzgastemperatur und mithin die Temperatur des Gasstrahls sehr viel höher liegt als die Temperatur des in den Reinigungsteil einlaufenden Bandes. Mit fortschreitender Banderwärmung verringert sich zwar der Temperaturunterschied, die Bandtemperatur bleibt aber am Auslauf des Reinigungsteils noch deutlich, bis zu mehreren hundert Kelvin, unter der Schutzgastemperatur.Another advantage of the method according to the invention is that the protective gas temperature and therefore the temperature of the gas jet is very much higher than the temperature of the strip entering the cleaning part. As the band heating progresses, the temperature difference decreases, but the band temperature at the outlet of the cleaning section remains clearly, up to several hundred Kelvin, below the protective gas temperature.
Sind die Ölrückstände erst einmal in Öldampf umgewandelt, wird die Umsetzung zu CO und CO₂ in der heißen Gasatmosphäre sehr schnell ablaufen, denn die Reaktionsgeschwindigkeiten sind im oberen Temperaturbereich sehr hoch. Auf der anderen Seite erlangen Oxidationsreaktionen an der Bandoberfläche und Diffusionsvorgänge im Bandwerkstoff aufgrund der noch niedrigen Bandtemperatur und kurzen Verweildauer des Bandes im Reinigungsteil reaktionskinetisch kaum Bedeutung. Zusätzliche Sicherheit bietet die Maßnahme, das Band im Reinigungsteil über die Verteilung der Strahlheizrohre oder elektrischen Heizelemente und die Positionierung der Düsenreihen so zu erwärmen, daß die Siedetemperatur (Ts) des Ölrückstandes erst kurz vor Verlassen des Reinigungsteils erreicht ist, so daß der noch nicht vollständig abgedampfte Ölfilm die Bandoberflache möglichst lange vor Oxidation schützt. Somit bleibt diese der oxidierenden Atmosphäre nur über sehr kurze Dauer ausgesetzt. Nach Verlassen des Reinigungsteils durch die Auslaufschleuse gelangt das Band in eine gegenüber Eisen, Mangan, Silicium und Aluminium reduzierende Atmosphäre.Once the oil residues have been converted into oil vapor, the conversion to CO and CO₂ in the hot gas atmosphere will take place very quickly, because the reaction rates are very high in the upper temperature range. On the other hand, oxidation reactions on the belt surface and diffusion processes in the belt material are of little importance in terms of reaction kinetics due to the low belt temperature and the short residence time of the belt in the cleaning section. The measure offers additional safety by heating the belt in the cleaning section via the distribution of the radiant heating pipes or electrical heating elements and the positioning of the rows of nozzles so that the boiling temperature (T s ) of the oil residue is only reached shortly before leaving the cleaning section, so that it is not yet completely evaporated oil film the belt surface as long as possible before oxidation protects. It is therefore only exposed to the oxidizing atmosphere for a very short time. After leaving the cleaning section through the outlet lock, the belt enters an atmosphere that reduces iron, manganese, silicon and aluminum.
Um eine Kohlenstoffabscheidung zu verhindern, wie sie in ruhender oder nur wenig bewegter Ofenatmosphäre selbst bei Einspeisung von Wasserdampf an den kälteren Stellen des Ofenraumes, vor allem im Bereich des Bandeinlaufs, aber auch an den Strahlheizrohren zu beobachten ist, wird das Schutzgas umgewälzt und so für hinreichenden Temperaturausgleich gesorgt. Dieser ist erfindungsgemäß dann gewährleistet, wenn das Gasangebot der zugeschalteten Düsen den für die Umsetzung der Öldämpfe zu CO und CO₂ erforderlichen Schutzgasdurchsatz um ein Mehrfaches, mindestens aber um das Zweifache, übersteigt:
Hierbei ist der Schutzgasdurchsatz (V̇g) als Funktion des zeitlich umzusetzenden Kohlenstoffbelages, der Abdampfquote (Φ) und des Oxidationspotentials des Schutzgases (µOx) wie folgt definiert:
Die in vorgenannten Gleichungen benutzten Symbole - Buchstaben und Indizes - haben die folgende Bedeutung:
- V̇g
- ist der Schutzgasdurchsatz im Reinigungsteil pro Zeiteinheit;
- n
- ist die Zahl der Zugeschalteten Düsen;
- b
- ist die Bandbreite;
- Φ
- ist der im Reinigungsteil bei Temperaturerhöhung von Ta auf Te insgesamt abdampfende Masseanteil des Ölrückstandes.
The shielding gas throughput (V̇ g ) is defined as a function of the carbon to be converted over time, the evaporation rate (Φ) and the oxidation potential of the shielding gas (µ Ox ) as follows:
The symbols - letters and indices - used in the above equations have the following meanings:
- V̇ g
- is the protective gas throughput in the cleaning section per unit of time;
- n
- is the number of activated nozzles;
- b
- is the bandwidth;
- Φ
- is the total mass fraction of the oil residue evaporating in the cleaning section when the temperature rises from T a to T e .
Ölrückstände werden von der Bandoberfläche im allgemeinen mit einem flüchtigen Lösemittel, zum Beispiel Trichlorfluorkohlenwasserstoff, bekannt unter den Handelsnamen Freon, Kaltron, Frigen, oder n-Heptan (Leichtbenzin) abgewaschen. Bei der Untersuchung des Siedeverhaltens dieser Rückstände mittels Thermowaage, zum Beispiel System Mettler oder Perkin-Elmer, hat sich herausgestellt, daß neben unimodalen Verteilungen der Abdampfrate (φ) über der Temperatur (T) auch bimodale oder multimodale Verteilungen auftreten können. Letztere stellen sich immer dann ein, wenn der Rückstand aus einer Mischung verschiedener Ölsorten besteht, zum Beispiel aus Mineralöl und synthetischen oder tierisch/pflanzlichen Estern. Die Öle unterscheiden sich in ihrer Struktur und Molmasse und folglich auch im Siedeverhalten.Oil residues are generally washed off the strip surface with a volatile solvent, for example trichlorofluorocarbon, known under the trade names Freon, Kaltron, Frigen, or n-heptane (light petrol). When examining the boiling behavior of these residues by means of a thermo balance, for example the Mettler or Perkin-Elmer system, it was found that in addition to unimodal distributions of the evaporation rate (φ) over the temperature (T), bimodal or multimodal distributions can also occur. The latter occur whenever the residue consists of a mixture of different types of oil, for example mineral oil and synthetic or animal / vegetable esters. The oils differ in their structure and molar mass and consequently also in their boiling behavior.
Diese Gegebenheiten werden nachstehend anhand von Thermogrammen erläutert. In Fig. 1 zeigt der rechte Bildteil die Siedekurve, der linke Bildteil die erste Ableitung der Siedekurve nach der Zeit. Da die Aufheizgeschwindigkeit konstant gehalten wird, zum Beispiel 1 Kelvin pro Minute, ist der Siedeverlust pro Zeiteinheit gleichzusetzen mit dem Siedeverlust pro Kelvin Temperaturerhöhung. Wird der Siedeverlust durch die Einwaage dividiert, ergibt sich die Abdampfrate (φ). Die Abdampfquote (Φ) ist das bestimmte Integral unter der Abdampfrate im betrachteten Temperaturbereich.These conditions are explained below using thermograms. In Fig. 1, the right part of the picture shows the boiling curve, the left part of the picture shows the first derivative of the boiling curve after time. Since the heating rate is kept constant, for example 1 Kelvin per minute, the boiling loss per unit of time is equivalent to the boiling loss per Kelvin temperature increase. If the boiling loss is divided by the initial weight, the evaporation rate (φ) results. The evaporation rate (Φ) is the definite integral below the evaporation rate in the temperature range under consideration.
Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine unimodale Verteilung der Abdampfrate mit dem Maximum bei der Temperatur (Ts) von 189,7 °C, entsprechend 462,9 Kelvin. Es hat sich herausgestellt, daß die Abdampfrate über der Temperatur mit guter Näherung als Normalverteilung mit einer Spreizung (Standardabweichung) von 34,1 Kelvin abgebildet werden kann. Die Abdampfrate erreicht im Siedemaximum den Wert von 0,0117 pro Kelvin.In the present case, it is a unimodal distribution of the evaporation rate with the maximum at the temperature (T s ) of 189.7 ° C, corresponding to 462.9 Kelvin. It has been found that the evaporation rate over temperature with good Approximation can be represented as a normal distribution with a spread (standard deviation) of 34.1 Kelvin. The evaporation rate reaches the value of 0.0117 per Kelvin at the maximum boiling point.
In Fig. 2 sind Siedekurve und Abdampfrate übereinander dargestellt. Die Abdampfrate folgt einer multimodalen Verteilungsfunktion, die jedoch von den normalverteilten Abdampfraten der beiden Hauptkomponenten des Ölrückstandes so dominiert wird, daß sie in guter Näherung als bimodale Funktion angesehen werden kann. Die Siedemaxima der beiden dominanten Verteilungen treten bei 229,4 °C, entsprechend 502,6 Kelvin, und bei 378,5 °C, entsprechend 651,7 Kelvin, auf, bei einer Spreizung von 53,9 bzw. 18,1 Kelvin. Die maximalen Abdampfraten betragen 0,0037 bzw. 0,0110 pro Kelvin. Somit kann die Abdampfquote (Φ) unter Zugrundelegung der Bimodalität aus der Summe der beiden normalverteilten Abdampfraten (φA) und (φB) der Hauptkomponenten des Ölrückstandes berechnet werden:
Auch bei bimodaler Verteilung der Abdampfrate über der Temperatur gilt, daß sich ein gutes Reinigungsergebnis dann einstellt, wenn die Siedetemperaturen
und
nach Eintritt des Bandes in den Bereich der Prallströmung erreicht und vor Verlassen dieses Bereiches soweit überschritten sind, daß der Abdampfvorgang beendet ist. Vorteilhaft ist hierbei die Positionierung von mindestens zwei Düsenreihen in der Weise, daß das Maximum der Abdampfrate
der bei der niedrigeren Temperatur siedenden Hauptkomponente des Ölrückstandes unter der Prallströmung der in Bandlaufrichtung zuerst positionierten Düsenreihe erreicht wird, das Maximum der Abdampfrate
der bei der höheren Temperatur siedenden Hauptkomponente unter der Prallströmung der folgenden Düsenreihe. Zur Gewährleistung der vollständigen Verdampfung des Ölrückstandes hat es sich als ausreichend erwiesen, die Temperatur (Te), die das Band vor Verlassen des Reinigungsteils erreichen soll, am Siedeende der höhersiedenden Hauptkomponente zu orientieren, gemäß:
Die in den vorgenannten Gleichungen benutzten Symbole - Buchstaben und Indizes - haben die folgende Bedeutung:
- kA, kB
- sind die Masseanteile der dominanten Komponenten A und B im Ölrückstand;
- φA, φB
- sind die über der Temperatur T normalverteilten Abdampfraten der Hauptkomponenten A und B im Ölrückstand; sind die maximalen Abdampfraten der Hauptkomponenten A und B im Ölrückstand; sind die Siedetemperaturen der Hauptkomponenten A und B im Ölrückstand, bei denen das Maximum der Abdampfraten und auftritt;
- γB
- ist ein stoffspezifischer Zahlenwert des Ölrückstandes, aus dem sich die Temperatur errechnet, bei der die Verdampfung der Hauptkomponente B beendet ist.
Even with a bimodal distribution of the evaporation rate over the temperature, a good cleaning result is achieved when the boiling point
and
reached after the belt entered the area of the impingement flow and, before leaving this area, exceeded so far that the evaporation process has ended. The positioning of at least two rows of nozzles is advantageous in such a way that the maximum of the evaporation rate
the one at the lower one Temperature boiling main component of the oil residue is reached under the impact flow of the row of nozzles first positioned in the direction of belt travel, the maximum of the evaporation rate
the main component boiling at the higher temperature under the impact flow of the following row of nozzles. In order to ensure the complete evaporation of the oil residue, it has proven sufficient to orient the temperature (T e ) which the belt is to reach before leaving the cleaning part at the boiling end of the higher-boiling main component, in accordance with:
The symbols - letters and indices - used in the above equations have the following meanings:
- k A , k B
- are the mass fractions of the dominant components A and B in the oil residue;
- φ A , φ B
- are the normally distributed evaporation rates of the main components A and B in the oil residue; are the maximum evaporation rates of the main components A and B in the oil residue; are the boiling temperatures of the main components A and B in the oil residue, at which the maximum evaporation rates and occurs;
- γ B
- is a substance-specific numerical value of the oil residue, from which the temperature is calculated at which the evaporation of the main component B has ended.
Besagte Vorausberechnung der Abdampfquote (Φ) des Ölrückstandes erfordert neben der Siedekurve die Kenntnis der Grundzusammensetzung des verwendeten Walzöls und/oder Einfettöls, zumindest aber die Kenntnis der Mengenverteilung der Hauptkomponenten. Diese Angaben, aber auch Angaben über die Änderung der Rezeptur, muß der Lieferer stellen. Durch die periodische Überwachung des Siedeverhaltens der Öle sowohl beim Lieferer wie beim Anwender ist für die Stabilität der diesbezüglichen Produkteigenschaften Sorge zu tragen und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens sicherzustellen. Es ist beispielsweise auch üblich, das Einfettöl mit polaren Zusätzen zu legieren. Eine solche Maßnahme erweist sich besonders dann als wirkungsvoll, wenn mit Emulsion gewalzt wird. Bei entsprechender Rezeptureinstellung wird der Ölrückstand auf dem kaltgewalzten Band unbeeinflußt von den Walzparametern fast ausschließlich aus Resten des Einfettöls bestehen, nicht aus Resten des Emulsionsöles. Die Zusammensetzung des Ölrückstandes und mithin das Siedeverhalten weisen über größere Zeiträume keine nennenswerten Schwankungen auf.Said prediction of the evaporation rate (Φ) of the oil residue requires, in addition to the boiling curve, knowledge of the basic composition of the rolling oil and / or fatty oil used, or at least knowledge of the quantity distribution of the main components. The supplier must provide this information, but also information about changing the recipe. By periodically monitoring the boiling behavior of the oils both at the supplier and The user must ensure the stability of the relevant product properties and ensure the reproducibility of the process. It is also common, for example, to alloy the oil with polar additives. Such a measure proves to be particularly effective when rolling with an emulsion. With the appropriate recipe setting, the oil residue on the cold-rolled strip, unaffected by the rolling parameters, will consist almost exclusively of residues of the fatty oil, not residues of the emulsion oil. The composition of the oil residue and thus the boiling behavior show no significant fluctuations over longer periods.
Dieser Sachverhalt wird durch die Thermogramme in Fig. 3 bestätigt. Es werden die Ergebnisse von Untersuchungen verglichen, zwischen denen ein Zeitraum von 16 Monaten liegt.This fact is confirmed by the thermograms in Fig. 3. The results of examinations are compared, between which there is a period of 16 months.
Neben den vorstehend erläuterten Verfahrensmerkmalen der Erfindung nach Patentanspruch 1 und Patentanspruch 2 ergeben sich weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung aus der Beschreibung der Vorrichtung anhand der Zeichnung.In addition to the above-described method features of the invention according to
Es zeigt Fig. 4 die Seitenansicht des Einlaufteils der Glühlinie im Längsschnitt als erstes spezielles Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung. Das Band 1 wird in den durch die Einlaufschleuse 2 und Auslaufschleuse 3 gegen die Umgebungsluft bzw. gegen die angrenzende Ofenatmosphäre abgetrennten Reinigungsteil 4 geführt. Letzterer ist mit über und unter dem Band aufeinanderfolgend angeordneten Düsenbalken 11 und Strahlheizrohren 7 bestückt. Das Band wird auf angetriebenen Tragrollen 6 durch den Reinigungsteil bewegt. Vom Rest des Aufheizteils 5 gelangt trockenes Schutzgas, zum Beispiel ein Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch im Verhältnis vier zu eins, im Gegenstrom durch die Auslaufschleuse 3 in den Reinigungsteil 4. Das Schutzgas wird durch eine Dampfeinspeisung 13, die im hinteren Drittel des Reinigungsteils unterhalb des Bandes in den Ofenraum mündet, mit Wasserdampf versetzt. Der Schutzgasaustritt 18 befindet sich nahe der Einlaufschleuse ebenfalls unterhalb des Bandes. Das Schutzgas im Reinigungsteil wird mit mehreren auf dem Ofen installierten und durch Elektromotor 15 angetriebenen Gebläse 8 umgewälzt, indem es über eine durch das Ofengewölbe führende Ansaugleitung 14 angesaugt und durch die Druckleitung und über und unter dem Band angeordnete Düsenbalken 11 und Düsen 12 auf die Bandoberfläche geblasen wird. Zur Messung der Ofenraumtemperatur sind im hinteren Drittel des Reinigungsteils zwei Thermoelemente 17 installiert, die zweckmäßigerweise von oben durch das Gewölbe in den Ofenraum geführt werden.4 shows the side view of the inlet part of the glow line in longitudinal section as the first special exemplary embodiment of the cleaning device according to the invention. The
Ergänzend zeigt Fig. 5 den Querschnitt des Reinigungsteils mit Gebläse 8 und zugehörigem elektrischen Antrieb 15, Ansaugleitung 14, Druckleitung 9 und die darin zur Mengenregulierung eingebaute Drosselklappe 10 sowie die Positionierung der Taupunktregelung 16, Düsenbalken 11 und Düsen 12, Tragrolle 6 und Band 1 und die Wasserdampfeinspeisung 13.In addition, Fig. 5 shows the cross section of the cleaning part with
Durch die Merkmale des Anspruchs 8 ist eine abgewandelte Ausführung des Reinigungsteils nach Anspruch 7 insoweit gegeben, als dieser durch Schleusen in mehrere Kammern unterteilt ist, womit die Reinigungsstrecke je nach Bandgeschwindigkeit verkürzt oder verlängert werden kann, indem in den einzelnen Kammern bedarfsweise Gebläse und Düsenreihen sowie Dampf weg- oder zugeschaltet werden.The features of
Die Merkmale des Anspruchs 2 wurden vorstehend bereits im Zusammenhang mit den Verfahrensmerkmalen des Anspruchs 1 erörtert.The features of
Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 sind die Bereiche der wichtigen Verfahrensparameter Zeitdauer, Bandtemperatur und Aufheizgeschwindigkeit unter der Prallströmung definiert, für die das Verfahren im wesentlichen ausgelegt ist.With the features of
In Anspruch 5 wird als obere Grenze, die die Bandtemperatur vor Verlassen des Reinigungsteils erreichen darf, eine Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Ölrückstandes angegeben. Letztere ist diejenige Temperatur, bei der der Dampfdruck selbst unter isothermen Bedingungen, d.h. ohne weiteren Temperaturanstieg, eine zeitabhängige Größe wird und die Dampfdruckzunahme definitionsgemäß 1,87 Pascal pro Sekunde beträgt. Mit der Festlegung einer maximal zulässigen Bandtemperatur im Reinigungsteil wird Krackerscheinungen und somit einer Aufkohlung des Bandes durch graphitische Ablagerungen entgegengewirkt.In
Durch die Merkmale der Ansprüche 9 und 11 bis 14 werden Ausgestaltungen der Reinigungsvorrichtung angegeben, die eine homogene und wirksame Schutzgasatmosphäre und eine regulierte Erwärmung des Bandes sicherstellen.The features of
Mit den Merkmalen des Anspruchs 10 wird eine Ausgestaltung der Düsenhalterung im Düsenbalken 11 angegeben, durch die die Düsen 12 auf einfachste Weise beim Einfädeln des Bandanfangs aus der Gefahrenzone gebracht werden.With the features of
Im Anspruch 5 ist als alternatives Verfahrensmerkmal zum Anspruch 4 angegeben, das Band nach Verlassen des Reinigungsteils durch die Auslaufschleuse 3 in eine entkohlende Ofenatmosphäre mit entsprechend hoch eingestelltem Taupunkt zu führen, womit der Anwendungsbereich des Verfahrens auf Werkstoffe ausgedehnt wird, die beispielsweise aus Gründen der Alterungsanfälligkeit einer Entkohlungsglühung unterzogen werden müssenIn
In Anspruch 15 wird als Alternative zum Bandtransport im Reinigungsteil mit Hilfe angetriebener Tragrollen 6 der Transport im Schwebezustand, über ein durch Gebläsedruck und Düsen 12 unterhalb des Bandes 1 erzeugtes Gaspolster angegeben, womit die für die Reinigung der meist schmutzigeren Bandunterseite ohnehin auf ein höheres Niveau gebrachte Druckenergie auf der Bandunterseite vorteilhaft für die Einstellung des Schwebezustands ausgenutzt wird, so daß Aufschiebungen, Kratzer und Pickel zumindest in diesem Stadium des Aufheizens zuverlässig vermieden werden.In
Durch die Merkmale des Anspruchs 6 ist eine mit einfachen technischen Mitteln realisierbare, die Umwelt schonende Abgasverbrennungs- oder Abgasverwertungseinrichtung angegeben, womit sichergestellt wird, daß im Abgas ausschließlich CO₂, H₂O und N₂ anfallen.The features of
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Berechnung und räumlichen Darstellung der verschiedenen Verfahrensparameter für ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung.Further details and features of the invention result from the following calculation and spatial representation of the various process parameters for a special exemplary embodiment of the invention.
Der Ölrückstand auf der Bandoberfläche ist im Mittel zu 0,5 g/m² bestimmt worden. Vorgegeben sind ferner der Düsendurchmesser mit d = 0,031 m, der Auftreffdurchmesser des Gasstrahls gleich der Breite der vom Gasstrahl auf dem Band erfaßten Fläche 2R = 0,30 m, die Banddicke h = 0,0005 m und Bandbreite b = 1,240 m, die Bandgeschwindigkeit im Reinigungsteil u = 1,75 m/s und die Dichte des Bandwerkstoffs ρ = 7860 kg/m³.The average oil residue on the belt surface has been determined to be 0.5 g / m². Also specified are the nozzle diameter with d = 0.031 m, the impact diameter of the gas jet equal to the width of the area covered by the gas jet on the belt 2R = 0.30 m, the belt thickness h = 0.0005 m and belt width b = 1.240 m, the belt speed in the cleaning section u = 1.75 m / s and the density of the strip material ρ = 7860 kg / m³.
Die unter technisch reinem Stickstoff mit einer Thermowaage aufgenommene Siedekurve des Ölrückstandes - Einwaage 5,796 mg, Aufheizgeschwindigkeit 10 Kelvin pro Minute - ergibt differenziert nach der Temperatur eine von den zwei Hauptkomponenten des Ölrückstandes dominierte bimodale Verteilung der Abdampfrate mit den Siedemaxima
und
sowie mit den maximalen Abdampfraten bei diesen Temperaturen von
und
Fig. 6 zeigt die dem Ausführungsbeispiel zugrundeliegende Siedekurve. Ihre Übertragung auf das Abdampfverhalten unter der realen Ofenatmosphäre erfolgt unter Berücksichtigung des jeweils eingestellten H₂/N₂-Verhältnisses. Die Verschiebung der Siedemaxima zu niedrigeren Temperaturen mit steigendem H₂-Anteil errechnet sich mit für technische Zwecke hinreichender Genauigkeit aus der Beziehung:
Für die Glühung unter 100 % Wasserstoff wäre demgemäß mit einer Erniedrigung der Siedemaxima von 46 Kelvin zu rechnen.The boiling curve of the oil residue - weighed in at 5.796 mg,
and
as well as with the maximum evaporation rates at these temperatures of
and
6 shows the boiling curve on which the exemplary embodiment is based. They are transferred to the evaporation behavior under the real furnace atmosphere, taking into account the respectively set H₂ / N₂ ratio. The shift of the boiling maxima to lower temperatures with increasing H₂ content is calculated from the relationship with sufficient accuracy for technical purposes:
A lowering of the boiling maxima of 46 Kelvin would therefore have to be expected for annealing under 100% hydrogen.
Im Beispiel ist ein H₂/N₂-Verhältnis gleich vier eingestellt; entsprechend ergeben sich die Siedemaxima zu
und In the example, an H₂ / N₂ ratio is set to four; the boiling maxima result accordingly
and
Es läßt sich nun auf einfache Weise überprüfen, ob die Abdampfraten (φ) über der Temperatur (T) normalverteilt sind. Letzteres trifft zu und wird für die Berechnung der Abdampfquote (Φ) zugrundegelegt, wenn Siedemaximum (φs) und Spreizung (Standardabweichung σ) der Verteilungsfunktion sich zumindest näherungsweise entsprechen:
Für das vorliegende Beispiel mit der Spreizung σA = 19,3 Kelvin und σB = 56,0 Kelvin ergibt die Gegenüberstellung:
For the present example with the spread σ A = 19.3 Kelvin and σ B = 56.0 Kelvin, the comparison shows:
Somit kann die Abdampfquote (Φ) in guter Näherung als Summe der Integrale der beiden über der Temperatur (T) normalverteilten Abdampfraten (φA) und (φB) in den mit der Bandanfangstemperatur (Ta) und Bandendtemperatur (Te) gegebenen Grenzen dargestellt werden. Hierfür sind noch die Masseanteile der Hauptkomponenten A und B des Ölrückstandes zu benennen. Die diesbezüglichen Angaben stellt der Walzöllieferant; in der Regel wird es sich bei der Komponente A um den bei niedrigerer Temperatur absiedenden Mineralölanteil handeln und bei der Komponente B um den bei höherer Temperatur absiedenden Fettsäure/Fettesteranteil. Da sich die Angaben auf das angelieferte Frischöl beziehen, empfiehlt es sich, diese am Ölrückstand durch die Bestimmung der Verseifungszahl nach DIN 51 559 zu überprüfen. Für das Ausführungsbeispiel werden die Masseanteile A und B bei der Berechnung der Abdampfquote mit kA = 1/3 und kB = 2/3 berücksichtigt.Thus, the evaporation rate (Φ) can be a good approximation as the sum of the integrals of the two evaporation rates (φ A ) and (φ B ) normally distributed over the temperature (T) within the limits given by the strip start temperature (T a ) and the end strip temperature (T e ) being represented. For this purpose, the mass fractions of the main components A and B of the oil residue have to be named. The rolling oil supplier provides the relevant information; As a rule, component A will be the mineral oil component boiling at a lower temperature and component B will be the fatty acid / fatty ester component boiling at a higher temperature. Since the information refers to the fresh oil delivered, it is advisable to check it on the oil residue by determining the saponification number according to DIN 51 559. For the exemplary embodiment, the mass fractions A and B are taken into account in the calculation of the evaporation rate with k A = 1/3 and k B = 2/3.
Zum anderen ist die Bandendtemperatur (Te) festzulegen; hierzu muß die Stoffkonstante (γB) des Ölrückstandes, mit deren Hilfe die Temperatur berechnet wird, bei der die Verdampfung der Komponente B beendet ist, bekannt sein. Im vorliegenden Fall wurde diese Größe experimentell zu γB = 2,187 bestimmt, so daß sich die Bandendtemperatur (Te) wie folgt ergibt:
Die Temperaturzunahme unter der Prallströmung hängt bei gegebener Schutzgastemperatur (Tg) maßgeblich von der Temperatur des Bandes (T₀) bei Eintritt unter die Prallströmung ab. Da die Banderwarmung im Reinigungsteil ohne Düsen nahezu linear verläuft, d.h die Temperatur des sich mit konstanter Geschwindigkeit (u) durch den Reinigungsteil bewegenden Bandes mit der Ofenlänge linear ansteigt, hängt die Temperaturerhöhung unter der Prallströmung letztlich von der Position der Düse im Reinigungsteil ab. Hierbei sind Einflüsse wie Abstand Düse/Bandoberfläche, Öffnungswinkel des Gasstrahls, Strahlverdrallung, Düsenform und -öffnung, im Ausführungsbeispiel aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht berücksichtigte Optimierungsgrößen. Entsprechend ändert sich die Bandtemperatur (T₁) bis zum Austritt aus dem Bereich der Prallströmung bei gleichbleibender Schutzgastemperatur Tg = 1173 Kelvin und unverändertem Gebläsedruck p = 1040 mbar (entspricht 0,104 MPa) im wesentlichen nur mit der Position der Düse über die Länge des Reinigungsteils:
The temperature increase under the impingement flow for a given protective gas temperature (T g ) depends largely on the temperature of the belt (T₀) when entering under the impingement flow. Since the belt heating in the cleaning section is almost linear without nozzles, ie the temperature of the belt moving through the cleaning section at a constant speed (u) increases linearly with the length of the furnace, the temperature increase under the impact flow ultimately depends on the position of the nozzle in the cleaning section. Influences such as the distance nozzle / belt surface, opening angle of the gas jet, jet swirl, nozzle shape and opening are optimization variables which have not been taken into account in the exemplary embodiment for reasons of clarity. Correspondingly, the belt temperature (T₁) changes until it leaves the area of the impingement flow with constant protective gas temperature T g = 1173 Kelvin and unchanged blower pressure p = 1040 mbar (corresponds to 0.104 MPa) essentially only with the position of the nozzle over the length of the cleaning part:
Vorstehende Angaben gelten für eine Wasserdampfeinspeisung von 10 Volumenprozent. Mit steigendem Wasserdampfanteil im Schutzgas verringert sich der Wärmeübergangskoeffizient (αd). Diese Änderung fällt aber kaum ins Gewicht. Das sei für eine ausgewählte Position der Düse, ansonsten aber bis auf den Wasserdampfanteil unveränderte Verfahrensparameter nachstehend gezeigt; Düsenposition 22 m:
Mit der Position der Düse im Reinigungsteil ändert sich die Aufheizgeschwindigkeit (Ṫ) des Bandes unter dem Gasstrahl und proportional zur Aufheizgeschwindigkeit der Dampfdruck (pD) des Ölfilms auf der Bandoberfläche. Die Dampfdruckänderung mit der Aufheizgeschwindigkeit im Siedebereich der Ölkomponenten A und B entspricht deren Abdampfraten bei diesen Temperaturen; sie wird bei Komponente B etwa um den Faktor 0,0100/0,0033 ≈ 3 größer ausfallen als bei der Komponente A. Das ist insofern von Bedeutung, als die Aufheizgeschwindigkeit (Ṫ) mit steigender Bandtemperatur (T₀) abnimmt; Wasserdampfeinspeisung 10 Volumenprozent:
Danach verringert sich die Aufheizgeschwindigkeit beispielsweise auf rund die Hälfte, wenn man den Wert bei Düsenposition 14 m mit dem bei Düsenposition 26 m vergleicht. Dieser Nachteil wird aber durch den größeren Gradienten des Dampfdruckanstiegs mit der Aufheizgeschwindigkeit bei Düsenposition 26 m kompensiert.Thereafter, the heating speed is reduced, for example, to around half if the value at the nozzle position 14 m is compared with that at the nozzle position 26 m. This disadvantage is compensated for by the larger gradient of the vapor pressure rise with the heating speed at the nozzle position 26 m.
Fig. 7 zeigt, wie sich der Mindestschutzgasbedarf in Abhängigkeit vom Wasserdampfanteil und von der Düsenposition, angezeigt durch die Bandtemperatur (T₀) bei Eintritt unter den Gasstrahl, verändert. Dargestellt sind die Verhältnisse im Temperaturbereich zwischen 350 und 750 Kelvin und bei einer Wasserdampfeinspeisung von 10 bis 20 Volumenprozent. Es wird im Mittel gleichbleibende Kohlenstoffbelegung mC = 0,5 g/m² Oberfläche des in den Reinigungsteil einlaufenden Bandes vorausgesetzt. Bei diesen Bedingungen, im übrigen wie vorstehend angegeben, erhöht sich der Schutzgasbedarf mit der Bandtemperatur und verringert sich mit dem Wasserdampfanteil im Schutzgas. Als günstig für den Reinigungseffekt sind hohe Bandtemperaturen (T₀), ab 664 bis 700 Kelvin, und unter Kostengesichtspunkten für den Schutzgasverbrauch hohe Wasserdampfanteile zwischen 16 und 20 Volumenprozent anzusehen.Fig. 7 shows how the minimum shielding gas requirement changes depending on the water vapor content and the nozzle position, indicated by the strip temperature (T₀) when entering under the gas jet. The conditions in the temperature range between 350 and 750 Kelvin and with a steam input of 10 to 20 percent by volume are shown. A constant carbon coating m C = 0.5 g / m² surface of the belt entering the cleaning section is assumed on average. Under these conditions, otherwise as stated above, the shielding gas requirement increases with the strip temperature and decreases with the proportion of water vapor in the shielding gas. High strip temperatures (T₀), from 664 to 700 Kelvin, and high water vapor proportions between 16 and 20 percent by volume from the point of view of protective gas consumption are considered favorable for the cleaning effect.
Andererseits wird man die Wasserdampfeinspeisung mit Blick auf unerwünschte Oxidationsreaktionen an der Bandoberfläche auf das für die Oxidation des Kohlenstoffs notwendige Minimum beschränken wollen. Auch hierfür liefern die in der Darstellung veranschaulichten Zusammenhänge erfindungsgemäß die Grundlage.On the other hand, with regard to undesired oxidation reactions on the strip surface, the water vapor feed will be limited to the minimum necessary for the oxidation of the carbon. The ones illustrated in the illustration also provide this Connections according to the invention the basis.
Fig. 8 Zeigt den pro Normkubikmeter Schutzgas umsetzbaren Kohlenstoff in Abhängigkeit vom Wasserdampfanteil und von der Schutzgastemperatur (Tg). Es sind die Verhältnisse im Temperaturbereich zwischen 800 und 1200 Kelvin und bei einer Wasserdampfeinspeisung von 1 bis 20 Volumenprozent dargestellt. Das Oxidationspotential (µOx) gegenüber Kohlenstoff wächst exponentiell mit der Gastemperatur und praktisch linear mit dem Wasserdampfanteil im Schutzgas.Fig. 8 shows the carbon that can be converted per standard cubic meter of protective gas as a function of the water vapor content and the protective gas temperature (T g ). The relationships in the temperature range between 800 and 1200 Kelvin and with a steam feed of 1 to 20 percent by volume are shown. The oxidation potential (µ Ox ) compared to carbon grows exponentially with the gas temperature and practically linear with the water vapor content in the protective gas.
Die Schutzgasumwälzung soll so bemessen sein, daß Temperaturunterschiede in der Gasatmosphäre abgebaut und Kohlenstoffablagerungen vermieden werden. Die Durchwirbelung soll die Umsetzung des Kohlenstoffs zu CO und CO₂ bis zur Gleichgewichtseinstellung fördern. Deshalb ist darauf zu achten, daß die Summe der Volumenströme aller zugeschalteten Düsen den Schutzgasdurchsatz mindestens zweimal übersteigt. Andererseits wird mit zunehmender Gasumwälzung der Wärmeaustausch mit dem Band intensiver, das Gas wird sich abkühlen. Mit sinkender Gastemperatur wird sich die Umsetzung des Kohlenstoffs gemäß Fig. 8 verringern. Deshalb ist es notwendig, die umgewälzte Menge auch nach oben zu begrenzen. Für das Ausführungsbeispiel ist festgelegt, die Umwälzung so zu begrenzen, daß sich das Schutzgas im Reinigungsteil nicht mehr als 30 Kelvin abkühlt.The inert gas circulation should be such that temperature differences in the gas atmosphere are reduced and carbon deposits are avoided. The turbulence is intended to promote the conversion of carbon to CO and CO₂ until equilibrium is reached. It is therefore important to ensure that the sum of the volume flows of all nozzles connected exceeds the shielding gas throughput at least twice. On the other hand, with increasing gas circulation, the heat exchange with the belt becomes more intense, the gas will cool down. As the gas temperature drops, the conversion of the carbon according to FIG. 8 will decrease. It is therefore necessary to limit the amount circulated. For the exemplary embodiment, it is specified to limit the circulation in such a way that the protective gas in the cleaning part does not cool down more than 30 Kelvin.
Bei der Festlegung der Umwälzleistung wird man die erreichte Bandsauberkeit und Alterungsfreiheit als Maßstab anlegen, auch sind die Besonderheiten der Ofenanlage und des Glühprogramms wie Länge des Reinigungsteils, Bandgeschwindigkeit, Bandabmessungen, Werkstoff, Oberflächenzustand, in Betracht zu ziehen. Beispielsweise kann man die Umwälzleistung im Einlaufteil erhöhen, ohne den Ölfilm dort zum Verdampfen zu bringen, indem die Düsen der vorderen Düsenbalken wie beim Einfädelvorgang aus der Senkrechtstellung nach oben gedreht werden, so daß der Gasstrahl von der Bandoberfläche weg, zum Beispiel auf die Strahlheizrohre oder in die Horizontale gerichtet ist.When determining the circulating capacity, the strip cleanliness and freedom from aging achieved will be used as a benchmark, and the special features of the furnace system and the annealing program such as length of the cleaning part, strip speed, strip dimensions, material, surface condition must be taken into account. For example, the circulation rate in the inlet part can be increased without causing the oil film to evaporate there by rotating the nozzles of the front nozzle bars from the vertical position, as in the threading process, so that the gas jet away from the belt surface, for example towards the radiant heating pipes or horizontally.
Für das Ausführungsbeispiel wird die Mindestumwälzleistung in Abhängigkeit von der Wasserdampfeinspeisung wie folgt festgelegt, in Normkubikmeter pro Stunde:
Die Überprüfung der Bedingung ζ ≧ 1 wird für einen Gebläsedruck p = 1040 mbar und die Düsenposition 22 m, das entspricht einer Bandtemperatur bei Eintritt unter den Gasstrahl von T₀ = 703 Kelvin, sowie für unterschiedlichen Wasserdampfanteil vorgenommen, mit folgendem Ergebnis:
Bei den für Walzöle und Einfettöle nach dem Beizen verwendeten Fettestern muß ab etwa 700 Kelvin mit Zersetzungserscheinungen gerechnet werden, beim Mineralölanteil schon ab etwa 600 Kelvin. Die strukturelle Zersetzung wird aber erst dann bedenklich, wenn Krackreste in Form von graphitisiertem Kohlenstoff zurückbleiben. Nach den vorliegenden Erfahrungen tritt diese Erscheinung nicht auf, solange die Banderwärmung im Reinigungsteil auf die Weise reguliert wird, daß das Siedeende bei Verlassen des Reinigungsteils soeben erreicht, aber nicht überschritten ist. Im übrigen wirkt auch der eingespeiste Wasserdampf durch die Erniedrigung der Siedetemperaturen des Ölrückstandes der pyrogenen Zersetzung entgegen.With the fatty esters used for rolling oils and greasing oils after pickling, signs of decomposition must be expected from around 700 Kelvin, with mineral oil content from around 600 Kelvin. The structural decomposition only becomes a concern if cracking residues remain in the form of graphitized carbon. According to the experience available, this phenomenon does not occur as long as the band heating in the cleaning section is regulated in such a way that the boiling point has just been reached when leaving the cleaning section, but has not been exceeded. Moreover, the water vapor fed in counteracts the pyrogenic decomposition by lowering the boiling point of the oil residue.
Claims (15)
dadurch gekennzeichnet, daß wasserstoffreiches Schutzgas mit hoher Anströmgeschwindigkeit senkrecht oder mit geringer Neigung zur Normalen auf Bandoberseite und Bandunterseite geblasen und die entstehende Prallströmung in Kombination mit den folgenden Merkmalen zum Abblasen und Verdampfen des Ölrückstandes wie auch zur Abführung, Umwälzung und Oxidation der Öldämpfe ausgenutzt wird:
characterized in that hydrogen-rich shielding gas is blown vertically or with a low tendency to normal on the top and bottom of the belt and the resulting impingement flow is used in combination with the following features to blow off and evaporate the oil residue as well as to remove, circulate and oxidize the oil vapors:
dadurch gekennzeichnet, daß die Bandoberfläche unter der Prallströmung bei Vorhandensein eines ölhaltigen Belags, dessen Ölanteil aus einer Mischung verschiedener Öle besteht, so weit aufgeheizt wird, daß die Siedetemperatur der höhersiedenden Komponente erreicht und der Abdampfvorgang beendet ist, so daß die Abdampfquote (Φ) einen Zahlenwert nahe oder gleich eins einnimmt.Process for cleaning metal strip according to claim 1,
characterized in that the belt surface under the impingement flow in the presence of an oil-containing coating, the oil portion of which consists of a mixture of different oils, is heated to such an extent that the boiling temperature of the higher-boiling component is reached and the evaporation process is ended, so that the evaporation rate (Φ) unites Takes a numerical value close to or equal to one.
dadurch gekennzeichnet, daß das in den Reinigungsteil einlaufende Band über Wärmestrahlung in 10 bis 30 Sekunden auf 250 bis 510 oC aufgeheizt wird und durch das auf 750 bis 950 oC erhitzte Schutzgas im Bereich der Prallströmung Aufheizgeschwindigkeiten zwischen 10 und 100 K/s erreicht werden.Process for cleaning metal strip according to claims 1 and 2,
characterized in that the strip entering the cleaning section is heated up to 250 to 510 o C by heat radiation in 10 to 30 seconds and heating speeds of between 10 and 100 K / s are achieved in the area of the impingement flow by the protective gas heated to 750 to 950 o C .
dadurch gekennzeichnet, daß das gereinigte Band durch eine Schleuse in eine gegenüber Eisen, Mangan, Silizium und Aluminium reduzierende Atmosphäre geführt wird.Process for cleaning metal strip according to claims 1 to 3,
characterized in that the cleaned strip is passed through a lock into an atmosphere which reduces iron, manganese, silicon and aluminum.
dadurch gekennzeichnet, daß das gereinigte Band durch eine Schleuse in eine entkohlende Ofenatmosphäre mit hohem Taupunkt, beispielsweise 62 oC, geführt wird.Process for cleaning metal strip according to claims 1 to 3,
characterized in that the cleaned belt is passed through a lock into a decarburizing furnace atmosphere with a high dew point, for example 62 o C.
dadurch gekennzeichnet, daß das im Reinigungsteil gegen die Bandlaufrichtung strömende, mit CO und CO₂ beladene Wasserstoff-Wasserdampf-Stickstoff-Gasgemisch einer vollständigen Verbrennung mit Luft in einer Nachverbrennungsanlage oder beispielsweise der Verbrennung in Mantelstrahlheizrohren zugeführt wird, so daß als Endprodukt im Abgas Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff anfallen.Process for cleaning metal strip according to claims 1 to 3,
characterized in that the flowing in the cleaning part against the direction of the belt, loaded with CO and CO₂ hydrogen-water vapor-nitrogen gas mixture of a complete combustion with air in a post-combustion system or, for example, the combustion in jacket radiant tubes, so that the end product in the exhaust gas is carbon dioxide, water vapor and nitrogen accumulate.
dadurch gekennzeichnet, daß im Reinigungsteil erhitztes Schutzgas mit Hilfe von Pumpen, Gebläsen und dergleichen umgewälzt und durch quer oder schräg zur Bandlaufrichtung angeordnete Düsenreihen oder Schlitzdüsen senkrecht oder in geringer Neigung zur Normalen auf die Bandoberseite und Bandunterseite geblasen wird.Device for cleaning metal strip, in particular for removing oily residues from the strip surface, when the strip is heated in the front area of the heating part of a continuous annealing line, which is separated from the rest of the heating part by an inlet lock and an outlet lock as a cleaning part,
characterized in that the shielding gas heated in the cleaning part is circulated with the aid of pumps, blowers and the like and is blown vertically or at a slight inclination to the normal onto the top and bottom of the band by means of nozzle rows or slot nozzles arranged transversely or obliquely to the direction of strip travel.
dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungseil durch Schleusen in mehrere Kammern unterteilt ist, so daß bei reduzierter Bandgeschwindigkeit die Reinigungsstrecke verkürzt, und bei erhöhter Bandgeschwindigkeit die Reinigungsstrecke verlängert werden kann, indem in den einzelnen Kammern bedarfsweise Gebläse und Düsenreihen sowie Dampf weg- oder zugeschaltet werden.Device for cleaning metal strip according to claim 7,
characterized in that the cleaning rope is divided into several chambers by means of locks, so that the cleaning distance is shortened at a reduced belt speed, and the cleaning distance can be extended at a higher belt speed by switching off or on fans or rows of nozzles and steam as required in the individual chambers.
dadurch gekennzeichnet, daß für die indirekte Beheizung des Reinigungsteils die Schutzgasatmosphäre nicht beeinträchtigende Wärmequellen mit hoher Wärmestromdichte, beispielsweise Mantelstrahlheizrohre oder elektrische Heizelemente, zum Einsatz kommen.Device for cleaning metal strip according to claim 7 or 8,
characterized in that heat sources with a high heat flow density, for example jacket radiant heating pipes or electrical heating elements, which do not impair the protective gas atmosphere , are used for the indirect heating of the cleaning part.
dadurch gekennzeichnet, daß die oberhalb und unterhalb des Bandes angeordneten Düsenbalken (11) um ihre Achse drehbar gelagert sind, so daß die Düsen (12) bei Einfädelvorgängen aus der Gefahrenzone gedreht werden können und der Bandanfang ungehindert durch den Reinigungsteil gleitet.Device for cleaning metal strip according to claims 7 to 9,
characterized in that the nozzle bars (11) arranged above and below the belt are rotatably mounted about their axis so that the nozzles (12) can be rotated out of the danger zone during threading operations and the beginning of the belt slides freely through the cleaning part.
dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfeinspeisung (13) entweder in die Ansaugleitung (14) des Umwälzgebläses (8) oder direkt in den Ofenraum des Reinigungsteils (4) erfolgt, und daß letzterer vom Rest des Aufheizteils (5) in Bandlaufrichtung derart getrennt ist, daß das dort vorhandene niedrige Sauerstoffpotential zur Vermeidung der Oxidation der gereinigten Bandoberfläche nicht beeinträchtigt wird.Device for cleaning metal strip according to claim 7 to 10,
characterized in that the steam feed (13) takes place either in the suction line (14) of the circulating fan (8) or directly in the furnace space of the cleaning part (4), and in that the latter is separated from the rest of the heating part (5) in the direction of belt travel in such a way that the low oxygen potential present there to avoid oxidation of the cleaned strip surface is not impaired.
dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsteil (4) mit einer geeigneten Taupunktmessung und -regelung (16) für die Bemessung, Überwachung und Einstellung des vorgegebenen Wasserdampfanteils im Schutzgas ausgerüstet ist.Device for cleaning metal strip according to claims 7 to 11,
characterized in that the cleaning part (4) is equipped with a suitable dew point measurement and control (16) for the dimensioning, monitoring and setting of the predetermined water vapor content in the protective gas.
dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsteil (4) mit einer geeigneten Temperaturmessung und -regelung (17), beispielsweise mit einem Temperaturleitrechner zur Anpassung der Heizleistung an den jeweiligen Massenstrom des zu erwärmenden Bandes, ausgerüstet ist.Device for cleaning metal strip according to claim 7 to 12,
characterized in that the cleaning part (4) is equipped with a suitable temperature measurement and control (17), for example with a temperature control computer for adapting the heating power to the respective mass flow of the strip to be heated.
dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessung des Schutzgasvolumenstroms über drehzahlgeregelte Antriebsmotoren (15) für die Umwälzgebläse (8) und/oder über in der Druckleitung (9) installierte Drosselklappen (10) erfolgt.Device for cleaning metal strip according to claims 7 to 13,
characterized in that the shielding gas volume flow is measured via speed-controlled drive motors (15) for the circulating fans (8) and / or via throttle valves (10) installed in the pressure line (9).
dadurch gekennzeichnet, daß das Band auf einem durch den Gebläsedruck und Düsen erzeugten Gaspolster durch den Reinigungsteil geführt wird.Device for cleaning metal strip according to claims 7 to 14,
characterized in that the belt is passed through the cleaning part on a gas cushion generated by the blower pressure and nozzles.
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