EP2671035B1

EP2671035B1 - Verfahren zum kontrollieren einer schutzgasatmosphäre in einer schutzgaskammer zur behandlung eines metallbandes

Info

Publication number: EP2671035B1
Application number: EP12715806.1A
Authority: EP
Inventors: Martin HAMMAN; Jerome VALLEE
Original assignee: Andritz Technology and Asset Management GmbH
Current assignee: Andritz Technology and Asset Management GmbH
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: AT511034A1; JP6061400B2; CA2825855C; ES2531482T3; CN103380346A; PL2671035T3; CN103380346B; RU2013138601A; KR20140022003A; KR101807344B1; EP2671035A1; US8893402B2; BR112013019485B1; ZA201306439B; WO2012103563A1; BR112013019485A2; US20130305559A1; CA2825855A1; JP2014505795A; AT511034B1

Description

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zum Kontrollieren der Atmosphäre in einer Schutzgaskammer zur kontinuierlichen Behandlung von Metallbändern, wobei das Metallband über Schleusen in und aus der Schutzgaskammer geführt wird und wobei zumindest eine der Schleusen zwei oder mehrere Dichtungselemente für das hindurchlaufende Metallband aufweist, sodass sich zwischen den Dichtungselementen zumindest eine Dichtungskammer bildet.
In kontinuierlich arbeitenden Wärmebehandlungsöfen für Flachmaterial wird das Band gegen Oxidation geschützt, indem eine reduzierende Atmosphäre aus einem Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch verwendet wird. Üblicherweise wird der Wasserstoffgehalt im ganzen Ofen unter 5 % gehalten.
Die Stahlindustrie verlangt nun aber auch immer mehr nach Ofenanlagen, die mit zwei verschiedenen Schutzgasatmosphären betrieben werden können. Beispielsweise wird bei der Herstellung von hochfesten Stahlgüten im Schnellabkühlungsbereich (jet cooling section) ein hoher Wasserstoffgehalt (15 bis 80 % H2) im) und im restlichen Ofenbereich ein niedriger Wasserstoffgehalt (<5 % H2) gefordert.
Bei der die Herstellung von Elektrostahl werden in den Aufwärm-, Tauch- und Langsamkühlbereichen ein hoher Wasserstoffgehalt (50 bis 100%) und im restlichen Ofenbereich ein mittlerer Wasserstoffgehalt (0 bis 70% H2) gefordert.
Diese einzelnen Ofenbereiche müssen durch entsprechende Schleusen voneinander getrennt werden und zwar so, dass das zu behandelnde Metallband die einzelnen Ofenbereiche mit den jeweiligen Gasatmosphären durchlaufen kann, ohne dass dabei zuviel Gas durch die Schleusen entweichen kann.
Außerdem muss der Ofen gegenüber der Umgebung und gegenüber weiteren Aggregaten durch entsprechende Schleusen abgedichtet werden.
Der Gasfluss zwischen unterschiedlichen Ofenkammern bzw. zwischen einer Ofenkammer und der Umgebung wird durch folgende Faktoren verursacht:

a.) Unausgeglichenheit der Atmosphärengasströme (Einlauf/Auslauf): Die in eine bestimmte Kammer eingedüste Gasmenge entspricht nicht der von derselben Kammer entnommenen Gasmenge, weshalb die Differenzmenge in die Nebenkammer oder ins Freie strömt.
b.) Konvektionswirkung auf Grund der Temperaturunterschiede zwischen zwei Kammern (in Vertikalöfen): Das leichteste (heißeste) Gas strömt nach oben und das schwerste (kälteste) Gas strömt nach unten, wodurch ein Atmosphärengas-Kreislauf in den Kammern geschaffen wird.
c.) Ausdehnung oder Zusammenziehen des Atmosphärengases infolge von Temperaturschwankungen im Gas: Die Temperaturschwankungen entstehen durch den Prozess selbst (Änderung der Ofentemperatur, Änderung der Betriebsgeschwindigkeit der Linie, Ein-/Ausschalten eines Umwälzventilators, usw. ...) und sind unvermeidbar.
d.) Bandbewegung: Wegen der Viskosität des Gases strömt das Gas in Bandnähe auch in Bandlaufrichtung. Daher wird eine gewisse Gasmenge mit dem Band von einer Kammer in die Nächste mitgezogen.

Gegenwärtig werden primär zwei unterschiedliche Schleusentypen verwendet. Einerseits verwendet man Einfachdichtungen, die durch ein Paar von metallischen Dichtwalzen, oder ein Paar von Dichtklappen, oder eine Kombination von einer Dichtklappe und einer Dichtwalze gebildet werden. Das Metallband wird dann durch den Walzenspalt/Klappenspalt in den Ofen geführt.
Andererseits verwendet man Doppeldichtungen mit Stickstoffeindüsung. Hierbei handelt es sich um ein doppeltes metallisches Dichtwalzenpaar oder um ein doppeltes Klappenpaar, oder um eine doppelte Dichtklappe -Dichtwalze Einrichtung oder eine Kombination von zwei obengenannten Dichteinrichtungen, wobei Stickstoff in den Raum zwischen den beiden Dichteinrichtungen eingedüst wird. Der Stickstoff wird dabei mit einer fixen oder durch den Bedienungsmann verstellbaren Durchflussmenge eingeleitet. Es ist keine automatische Regelung der Durchflussmenge im Verhältnis zu den Prozessparametern vorgesehen. Derartige Dichtschleusen werden beispielsweise in kontinuierlichen Glühanlagen und in kontinuierlichen Verzinkungsanlagen eingesetzt, um eine Trennung zwischen der Ofenatmosphäre und dem Außenbereich (Einlaufdichtungen oder Ausgussdüsendichtung) sowie zwischen zwei unterschiedlichen Brennkammern zu erzielen. Dabei kann beispielsweise eine Brennkammer mit direkter Feuerung und die zweite Brennkammer mittels Strahlrohen beheizt werden.
Diese Dichtungen liefern zufriedenstellende Ergebnisse, wenn ein Gasfluss durch die Schleuse in einer bestimmten Richtung vermieden werden muss, wobei aber ein relativ hoher Gasfluss in der Gegenrichtung erlaubt wird.
Beispielsweise ist das Strömen von Verbrennungsprodukten aus einem Ofen mit direkter Feuerung in einen mit Strahlrohren beheizten Ofen verboten, aber in der Gegenrichtung dürfen größere Mengen Gas durchströmten. Ebenso ist ein Ausströmen von Abgasen aus dem direkt befeuerten Ofen ins Freie verboten, wobei jedoch ein gewisser Luftzustrom aus der Umgebung in den Ofen erlaubt ist. In mit Strahlrohren befeuerten Ofenkammern ist der Lufteintritt zu vermeiden, wobei es erlaubt ist, dass eine gewisse Menge von Schutzgas aus dem Ofen in die Umgebung austritt. Gleiches gilt im Rüsselbereich, wenn der Zinktopf entfernt wird.
Typischerweise liegt die Gasdurchfluss zwischen zwei Ofenkammern durch herkömmliche Schleusen hindurch in einer Richtung bei Null und in der Gegenrichtung im Bereich von 200 bis 1000 Nm³/h. Derartige Durchflussmengen werden nur dann erreicht, wenn der Druck in beiden Ofenkammern innerhalb einer gewissen Toleranz geregelt werden kann.
Wenn aber in einer der beiden Ofenkammern der Druck außerhalb dieser Toleranz schwankt, ist die Schleuse nicht mehr effektiv.
Die einfachen Dichtungen bewältigen die bei wechselnden Betriebsbedingungen auftretenden Druckschwankungen nicht zufriedenstellend. Die chemische Zusammensetzung des Atmosphärengases kann dadurch nicht präzise geregelt werden, da unvermeidbare Druckschwankungen in beiden Kammern eine abwechselnde Atmosphärengasströmung in die eine oder andere Richtung hervorrufen würden.
Eine herkömmliche Doppeldichtung mit Eindüsung einer konstanten Stickstoffmenge ist ebenfalls empfindlich gegenüber den Druckschwankungen in den Brennkammern. Die chemische Zusammensetzung des Atmosphärengases in den Brennkammern kann nicht präzise geregelt werden, da der eingedüste Stickstoff je nach Druckverhältnissen abwechselnd in die eine Kammer, oder in die andere Kammer, oder in beide Kammern fließt.
Folglich trennen diese herkömmlichen Dichtungssysteme das Atmosphärengas nicht ausreichend und führen teilweise zu einem erheblichen Anstieg im Atmosphärengasverbrauch.
Eine herkömmliche Doppeldichtung, die eine gute atmosphärische Trennung gewährleistet, ist in der WO 2008/000945 A1 beschrieben. Der Schwachpunkt dieser Technologie liegt jedoch im hohen Atmosphärengasverbrauch, der höhere Betriebskosten verursacht und eine Anwendung in Öfen für Siliziumstahl sogar untersagt.
Die JP 8 003652 A offenbart ein Verfahren zum Kontrollieren der Atmosphäre eines Vorheizofens einer Glühlinie mit Hilfe einer Dichtungskammer. Im Betrieb wird der Druck im Ofen und in der Dichtungskammer gemessen und der Druck in der Dichtungskammer so geregelt, dass er stets höher ist als der Druck im Ofen. Dadurch wird verhindert, dass Gas aus dem Ofen ausströmt, somit kann auch kein im Ofengas enthaltener Wasserdampf an den Dichtungen kondensieren und auf das Metallband tropfen.
Bei Öfen für Siliziumstahl besteht die Einlaufdichtung üblicherweise aus einem Dichtungswalzenpaar aus Metall sowie einer Reihe von Vorhängen. Die atmosphärische Trennung innerhalb des Ofens erfolgt normalerweise durch eine einfache Öffnung in einer Schamottewand und die Ausgangsdichtung besteht entweder aus weich beschichteten Walzen (Hypalon oder Elastomer) oder aus feuerfesten Fasern.
Ein derartiges Dichtungssystem hat den Nachteil, dass bei der Einlaufdichtung eine ständige Leckage von wasserstoffhaltigen Atmosphärengas durch den Walzenspalt (1 bis 2 mm) erfolgt. Dieses Gas brennt ständig. Die Innendichtung führt zu einer schlechten Trennleistung auf Grund der Öffnungsgröße (100 bis 150 mm) und die Ausgangsdichtung ist bei hoher Temperatur >200°C nicht einsetzbar.
Das Ziel der Erfindung ist es, ein Regelverfahren für die Regelung des Gasflusses durch die Schleuse anzubieten, das ein hohes Maß an Atmosphärengastrennung gewährleistet und den Atmosphärengasverbrauch senkt
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Regelverfahren, bei dem der Gasdruck in zumindest einer Schutzgaskammer und in der Dichtungskammer der Schleuse gemessen wird und bei dem der Druck in der Dichtungskammer geregelt wird und zwar so, dass im Betrieb der Differenzdruck (ΔP_Dichtung) zwischen der Schutzgaskammer und der Dichtungskammer weitestgehend über oder unter einem vorgegebenen Wert für den kritischen Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) gehalten wird.
Der kritischen Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) ist dabei jener Wert, bei dem sich der Gasfluss zwischen Schutzgaskammer und Schleuse umkehrt. Beim kritischen Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) sollte also kein Gasfluss zwischen der Schutzgaskammer und der Dichtungskammer stattfinden. Der kritische Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) muss aber nicht notwendigerweise den Wert Null haben, zwar wären bei diesem Wert die Drücke in der Schutzgaskammer und in der Dichtungskammer gleich groß, es kann aber trotzdem zu einem Gasfluss zwischen diesen Kammern kommen, da das Metallband an seiner Oberfläche eine gewisse Gasmenge mittransportiert.
Der vorgegebene Wert für den kritischen Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) wird über ein mathematisches Modell berechnet, das vorzugsweise die Geschwindigkeit des Metallbandes, die Spaltöffnung der beiden Dichtungselemente, die Eigenschaften des Schutzgases und die Dicke des Metallbandes berücksichtigt.
Auf Grund des kleinen Volumens der Dichtungskammer kann der Druck in dieser Kammer durch Eindüsung oder Abfuhr einer kleinen Menge Gas schnell und präzise geregelt werden.
Auf Grund der präzisen Druckreglung in der Dichtungskammer, wird der Differenzdruck (ΔP_Dichtung) erfindungsgemäß nahe dem Wert für den kritischen Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) gehalten. Dadurch wird die Durchflussmenge des Atmosphärengases in oder aus der Schutzgaskammer auf ein Minimum reduziert. Es ist vorteilhaft, wenn der eingestellte Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) auf einen konstanten Abstand vom kritischen Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) gehalten wird, wobei jedoch der Abstand möglichst klein gehalten werden sollte. Typischerweise liegt der kritische Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) zwischen 0 und 100 Pa, und der Abstand zwischen eingestelltem und kritischem Differenzdruck zwischen 5 und 20 Pa.
Dieses Verfahren ermöglicht eine hohe Trennleistung der Atmosphären zwischen Schutzgaskammem bei relativ niedrigem Schutzgasverbrauch (von 10 bis 200 Nm³/h). Es ermöglicht auch eine gute Abtrennung der Schutzgaskammer gegenüber der Umgebung.
Der Druck in der Dichtungskammer kann entweder über ein Regelventil und eine Gaszufuhr oder über ein Regelventil und eine Unterdruckquelle geregelt werden. Die Unterdruckquelle kann beispielsweise ein Sauglüfter, ein Kamin oder die Umgebung sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für NGO Siliziumstahllinien. Bei derartigen Anlagen muss eine Atmosphäre mit 95% H₂ in einer Kammer von einer Atmosphäre mit 10% H₂ in einer zweiten Kammer getrennt werden, wobei der Wasserstoffverbrauch durch die Schleuse weniger als 50 Nm³/h betragen soll.
Außerdem eignet sich das Verfahren gut für die schnelle Abkühlung in kontinuierlichen Glühlinien oder Verzinkungslinien für C-Stahl. Hierbei muss eine Atmosphäre mit 30 - 80% H₂ von einer Atmosphäre mit 5% H₂ getrennt werden, wobei der Wasserstoffverbrauch durch die Schleuse weniger als 100 Nm³/h betragen soll.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch in Verzinkungslinien die Übertragung von Zinkstaub vom Rüssel in den Ofen minimiert werden und zwar insbesondere bei Anlagen zur Zink-Aluminium Beschichtung von Metallbändern. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Schleuse zwischen der Schutzgaskammer und einer weiteren Behandlungskammer mit einer Schutzgasatmosphäre angeordnet.
Das Metallband kann dabei entweder zuerst durch die weitere Behandlungskammer und danach durch die Schutzgaskammer geführt werden, bzw. kann es zuerst durch die Schutzgaskammer und danach durch die weitere Behandlungskammer geführt werden.
Es ist sinnvoll, wenn die optimale Spaltöffnung der beiden Dichtungselemente anhand der Eigenschaften des Schutzgases und der Dicke des Metallbandes errechnet wird.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Variante der Erfindung mit einem Gaszuführungssystem für die Dichtungskammer;
Fig. 2 den Druckverlauf in den Kammern für ein Regelverfahren für die erste Variante gemäß Fig. 1;
Fig. 3 den Druckverlauf in den Kammern für ein weiteres Regelverfahren für die erste Variante gemäß Fig. 1;
Fig. 4 eine zweite Variante der Erfindung bei der die Dichtungskammer mit einem Unterdrucksystem verbunden ist;
Fig. 5 den Druckverlauf in den Kammern für ein Regelverfahren für die zweite Variante gemäß Fig. 4;
Fig. 6 den Druckverlauf in den Kammern für ein weiteres Regelverfahren für die zweite Variante gemäß Fig. 4;

Das Regelverfahren wird nun an Hand einer Schleuse 4 zwischen einer Nebenkammer 1 (weiteren Behandlungskammer 1) und einer Schutzgaskammer 2 erläutert. Dasselbe Prinzip gilt auch, wenn sich die Schleuse 4 zwischen einer Schutzgaskammer 2 und dem Außenbereich befindet, wobei der Außenbereich als eine mit konstantem Luftdruck befüllte Nebenkammer 1 betrachtet wird.
Die in den Figuren dargestellten Drücke P und Durchflussmengen F sind folgendermaßen definiert:

P1 = Druck in der Nebenkammer 1 bzw. des Außenbereichs 1
P2 = Druck in der Schutzgaskammer 2
P_D = Druck in der Dichtungskammer 7
ΔP_Kammer = P2 - P1 (= Differenzdruck zwischen der Schutzgaskammer 2 und der Nebenkammer 1 bzw. Differenzdruck zwischen der Schutzgaskammer 2 und des Außenbereiches)
ΔP_Dichtung = P_D - P2 (= Differenzdruck zwischen der Dichtungskammer 7 und der Schutzgaskammer 2)
ΔP_{Dichtung, k} = kritischer Differenzdruck zwischen der Dichtungskammer 7 und der Schutzgaskammer 2 = jener Differenzdruck (P_D - P2), bei dem sich die Gasflussrichtung F2 zwischen der Schutzgaskammer 2 und der Dichtungskammer 7 ändert (umkehrt)
F2 = Durchflussmenge des Atmosphärengases zwischen der Schutzgaskammer 2 und der Dichtungskammer 7
F1 = Durchflussmenge des Atmosphärengases zwischen der Dichtungskammer 7 und der Nebenkammer 1
F_D = Durchflussmenge des in die Dichtungskammer 7 eingedüsten oder abgeleiteten Atmosphärengases

In Figur 1 sind die Nebenkammer 1 und die Schutzgaskammer 2 mit der dazwischen liegenden Schleuse 4 dargstellt. Die Schleuse 4 besteht aus einem ersten Dichtungselement 5 und aus einem zweiten Dichtungselement 6, dazwischen befindet sich die Dichtungskammer 7.
Die Zusammensetzungen des Schutzgases (N₂-Gehalt, H₂-Gehalt, Taupunkt) in den beiden Kammern 1 und 2 und der jeweilige Druck P1 und P2 in den Kammern 1 und 2 werden durch zwei separate Mischstationen geregelt. Diese Regelung der Mischstationen erfolgt an Hand herkömmlicher Steuerungen. D.h. die chemische Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre wird durch Anpassung des N₂-, H₂-, und des H₂O-Gehalts im eingedüsten Atmosphärengas geregelt und die Druckregelung erfolgt durch Anpassung der Durchflussmenge des in die Kammern 1, 2 eingedüsten Atmosphärengases. Das Atmosphärengas wird durch fest eingestellte oder verstellbare Öffnungen aus den Kammern 1, 2 ausgetragen.
Die Dichtungselemente 5 und 6 können jeweils durch zwei Walzen oder zwei Klappen oder eine Walze und eine Klappe gebildet werden, zwischen denen das Metallband 3 hindurchgeführt wird. Der Spalt zwischen den Walzen oder Klappen wird unter Berücksichtigung der Eigenschaften (chemische Zusammensetzung, Temperatur) des Atmosphärengases in Kammer 1 (bzw. 2) und der Banddicke definiert. Er kann fest eingestellt oder verstellbar sein, je nach Schwankungsbreite der Eigenschaften des Atmosphärengases und der Bandabmessungen. Ist der Spalt verstellbar, wird er gemäß Banddicke, chemischer Zusammensetzung des Atmosphärengases sowie gemäß der Bandtemperatur voreingestellt.
Die Größe der Öffnung in den Dichtungselementen 5 und 6 ist vom Spalt, von den Bandabmessungen (Breite, Dicke), sowie von den restlichen konstruktionsbedingten Öffnungen abhängig. Um eine gute Dichtleistung zu erzielen, muss die Öffnung in den Dichtungselementen 5, 6 entsprechend klein sein.
Der Druck P_D in der Dichtungskammer 7 zwischen den beiden Dichtungselementen 5, 6 kann durch das Regelventil 10 verstellt werden. Das Regelventil 10 regelt die Durchflussmenge des in die Dichtungskammer 7 eingedüsten oder abgeführten Gases. In Fig. 1 ist das Regelventil 10 mit einer Gaszufuhr 8 verbunden, die Druckregelung in der Dichtungskammer 7 erfolgt also über eine Regelung der Gaszufuhr in die Dichtungskammer 7.
Die Kammerdrücke P1 und P2 werden von zwei unabhängigen Druckregelkreisen geregelt. Für die Regelung der Schleuse 4 wird der Druck P_D in der Dichtungskammer 7 und in der Schutzgaskammer 2 gemessen. Der Druck P_D wird nahe dem Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 gehalten.
In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel wird ΔP_Dichtung mit P_D - P2 festgelegt. Der Druck P_D wird so geregelt, dass ΔP_Dichtung weitestgehend konstant bleibt, auch wenn der Druck P2 variiert.
Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 lassen sich beispielsweise zwei Druckregelstrategien für die Schleuse 4 verfolgen:

1.) Eine Verunreinigung der Schutzgaskammer 2 soll vermeiden werden:

Das Ziel besteht darin, den Eintritt von Atmosphärengas durch die Schleuse 4 in die Schutzgaskammer 2 zu vermeiden, damit die chemische Zusammensetzung in dieser Kammer geregelt werden kann. Ziel ist es aber auch das Entweichen von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 zu minimieren, damit der Gasverbrauch der Schutzgaskammer 2 minimiert werden kann.
Figur 2 zeigt den Druckverlauf in den Kammern 1, 2, und7. Der Druck P1 in der Nebenkammer 1 wird niedriger als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 eingestellt, während der Druck in der Dichtungskammer P_D zwischen P1 und P2, jedoch nur leicht geringer als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, eingestellt wird.
Ändert sich der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, wird der Druck P_D entsprechend verstellt, um die Druckdifferenz ΔP_Dichtung = P_D - P2 möglichst konstant zu halteni ΔP_Dichtung ist hier negativ. Die Durchflussmenge F2 des Atmosphärengases in oder aus der Schutzgaskammer 2 wird über den Differenzdruck ΔP_Dichtung geregelt.
Wird ΔP_Dichtung unterhalb des Wertes für den kritischen Differenzdruck ΔP_{Dichtung k} gehalten, tritt kein Atmosphärengas in die Schutzgaskammer 2 ein. Durch die Regelung von ΔP_Dichtung möglichst nahe am Wert ΔP_{Dichtung k}, kann die Durchflussmenge F2 des entweichenden Atmosphärengases aus der Schutzgaskammer 2 minimiert werden. Die Durchflussmenge F_D wird durch den Druckregelkreis für die Regelung von ΔP_Dichtung bestimmt, während sich die Durchflussmenge F1 aus F2 + F_D ergibt.
Diese Regelstrategie eignet sich für Anwendungen, bei denen die chemische Zusammensetzung in der Schutzgaskammer 2 optimal geregelt werden muss. Diese Strategie kann beispielsweise gut in kontinuierlichen Glühanlagen (CAL) und in kontinuierlichen Verzinkungsanlagen (CGL) mit hohem H₂-Gehalt eingesetzt werden. Die Kammer mit dem hohen H₂-Gehalt bildet dabei die zuvor erwähnte Schutzgaskammer 2. Diese Regelstrategie eignet sich auch für die Aufwärm-, Tauch- und Strahlrohrkühlkammern mit hohem H₂-Gehalt bei der Elektrostahlwärmebehandlung. Auch hier bildet die Kammer mit dem hohen H₂-Gehalt die Kammer 2.

2.) Eine Leckage von Schutzgas aus der Schutzgaskammer 2 soll vermeiden werden:

Das Ziel ist, eine Leckage von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 zu vermeiden, damit die Nebenkammer 1 nicht durch eine Komponente aus der Schutzgaskammer 2 verunreinigt wird. Es soll aber auch der Eintritt von Atmosphärengas in die Schutzgaskammer 2 minimiert werden.
Figur 3 zeigt den Druckverlauf in den Kammern 1, 2 und 7, wobei der Druck P1 in der Nebenkammer 1 so eingestellt wird, dass er niedriger als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 ist. Der Druck P_D in der Dichtungskammer 7 wird höher als P1 und P2, jedoch nur geringfügig höher als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, eingestellt.
Ändert sich der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, so wird der Druck P_D entsprechend angepasst, um die Druckdifferenz ΔP_Dichtung = P_D - P2 möglichst konstant zu halten. ΔP_Dichtung ist hier positiv. Die Durchflussmenge F2 des Atmosphärengases in oder aus Kammer 2 wird über den ΔP_Dichtung-Wert geregelt.
Wird ΔP_Dichtung oberhalb des Wertes für den (berechneten) kritischen Differenzdruck ΔP_{Dichtung k} gehalten, so entweicht kein Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2. Durch die Regelung von ΔP_Dichtung möglichst nahe am Wert ΔP_{Dichtung k} kann die Durchflussmenge F2 des in Kammer 2 strömenden Atmosphärengases minimiert werden. Die Durchflussmenge F_D wird durch den Druckregelkreis für die Regelung von ΔP_Dichtung bestimmt, während sich die Durchflussmenge F1 aus F_D - F2 ergibt.
Diese Regelstrategie eignet sich für Anwendungen, bei denen kein Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 entweichen darf und bei denen die Schutzgaskammer 2 nicht durch Atmosphärengas aus der Nebenkammer 1 verunreinigt werden darf. Sie kann beispielsweise zur Regelung der Eingangs-oder Ausgangsschleuse in FAL, CAL und CGL eingesetzt werden. Der Ofen bildet dabei die Schutzgaskammer 2. Ebenso eignet sie sich für die Schleusensteuerung in Zink-Aluminium-Beschichtungsverfahren (der Rüssel bildet dabei die Schutzgaskammer 2) oder für Verfahren mit Kammern mit unterschiedlichen Taupunkten. Die Kammer mit dem hohen Taupunkt bildet dann die Schutzgaskammer 2.
In Figur 4 ist nun eine Variante dargestellt, bei der die Dichtungskammer 7 mit einer Unterdruckquelle 9 verbunden ist. In Figur 4 erfolgt also im Gegensatz zu Fig.1 die Regelung des Gasdrucks in der Dichtungskammer 7 über eine Gasabfuhr F_D.
Durch die Verstellung der Durchflussmenge F_D des aus der Dichtungskammer 7 strömenden Gases wird der Druck P_D in der Dichtungskammer 7 kontinuierlich angepasst. Die Durchflussmenge F_D des ausströmenden Gases wird über ein Steuerventil 10 geregelt, wobei der Unterduck mittels eines Sauglüfters oder durch den natürlichen Kaminzug erzeugt wird.
In dem in Figur 4 dargestellten Beispiel läuft das Metallband aus der Schutzgaskammer 2 hinaus in die Schleuse 4. Die Regelstrategie ist jedoch nicht von der Bandlaufrichtung abhängig. Der Druck in der Dichtungskammer P_D wird so geregelt, dass ΔP_Dichtung möglichst konstant bleibt, auch wenn der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 variiert.
Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 lassen sich beispielsweise zwei unterschiedliche Druckregelstrategien verfolgen:

1.) Eine Leckage aus der Schutzgaskammer 2 soll vermeiden werden:

Das Ziel ist, eine Leckage von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 zu vermeiden, damit die Nebenkammer 1 nicht durch eine Komponente aus der Schutzgaskammer 2 verunreinigt wird, aber auch den Eintritt von Atmosphärengas in die Schutzgaskammer 2 zu minimieren, damit die chemische Zusammensetzung in der Schutzgaskammer 2 geregelt werden kann.
Figur 5 zeigt den Druckverlauf in den Kammern 1, 2 und 7 für eine Schleuse 4 gemäß Fig. 4. Der Druck P1 in der Nebenkammer 1 wird so eingestellt, dass er höher als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 ist. Der Druck P_D in der Dichtungskammer 7 wird zwischen P1 und P2, jedoch nur geringfügig höher als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, eingestellt.
Ändert sich der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, so wird der Druck P_D entsprechend angepasst, um die Druckdifferenz ΔP_Dichtung = P_D - P2 möglichst konstant zu halten. ΔP_Dichtung ist hier also positiv. Die Durchflussmenge F2 des Atmosphärengases in oder aus Kammer 2 wird über den ΔP_Dichtung-Wert geregelt.
Wird ΔP_Dichtung oberhalb des kritischen Wertes für den Differenzdruck ΔP_Dichtung,k gehalten, entweicht kein Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2. Regelt man die Größe ΔP_Dichtung möglichst nahe am Wert ΔP_{Dichtung k}, dann kann die Durchflussmenge F2 des in die Schutzgaskammer 2 strömenden Atmosphärengases minimiert werden. Die Durchflussmenge F_D wird durch den Druckregelkreis für die Regelung von ΔP_Dichtung bestimmt, während sich die Durchflussmenge F1 sich aus F2 + F_D ergibt.
Diese Regelstrategie eignet sich für Anlagen bei denen kein Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 entweichen darf und bei denen die Zuströmung in die Schutzgaskammer 2 minimiert werden muss. Die Anwendungen sind gleich wie die Anwendungen für Fig. 3, jedoch für den Fall, dass der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 niedriger ist als in der Nebenkammer 1.

2.) Eine Verunreinigung der Schutzgaskammer 2 soll vermeiden werden:

Das Ziel besteht darin, den Eintritt von Atmosphärengas in die Schutzgaskammer 2 zu vermeiden (damit die chemische Zusammensetzung in der Schutzgaskammer 2 geregelt werden kann), aber auch das Entweichen von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 zu minimieren (damit der Gasverbrauch der Schutzgaskammer 2 minimiert werden kann).
Figur 6 zeigt den Druckverlauf in den Kammern 1, 2 und 7. Der Druck P1 in der Nebenkammer 1 wird höher als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 eingestellt, während der Druck P_D in der Dichtungskammer 7 geringer als P1 und P2, jedoch nur leicht geringer als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, eingestellt wird.
Ändert sich der Druck P2, wird der Druck P_D entsprechend verstellt, um die Druckdifferenz ΔP_Dichtung = P_D - P2 möglichst konstant zu halten. ΔP_Dichtung ist hier negativ. Die Durchflussmenge F2 des Atmosphärengases in oder aus Kammer 2 wird über den ΔP_Dichtung-Wert geregelt.
Wird ΔP_Dichtung unterhalb des Wertes für den kritischen Differenzdruck ΔP_{Dichtung k} gehalten, tritt kein Atmosphärengas in Kammer 2. Regelt man die Größe ΔP_Dichtung möglichst nahe am Wert ΔP_{Dichtung k}, dann kann die Durchflussmenge des entweichenden Atmosphärengases F2 aus Kammer 2 minimiert werden. Die Durchflussmenge F_D wird durch den Druckregelkreis für die Regelung von ΔP_Dichtung bestimmt, während Durchflussmenge F1 sich aus F_D + F1 ergibt.
Diese Regelstrategie eignet sich gut, wenn die chemische Zusammensetzung in der Schutzgaskammer 2 optimal geregelt werden muss, aber die Ausströmung von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 minimiert werden muss bzw. wenn die chemische Zusammensetzung in beiden Kammern 1, 2 optimal geregelt werden muss.
Da die Leckage-Menge des Gases durch ein Dichtungselement (5, 6) hindurch nicht gemessen werden kann, wurde für deren Berechnung ein mathematisches Modell entwickelt.
Das Modell ermöglicht die Berechnung des Differenzdrucks ΔP_Dichtung zwischen der Schutzgaskammer 2 und der Dichtungskammer 7 (ΔP_Dichtung = P_D - P2) in Abhängigkeit von folgenden Parametern:

physikalische Eigenschaften des Atmosphärengases (wie beispielsweise spezifisches Gewicht und Viskosität): Diese Eigenschaften werden aus der chemischen Zusammensetzung (Prozentsatz an H₂ und N₂, usw.) und der Temperatur des durch die Dichtungselemente strömenden Atmosphärengases berechnet.
offene Fläche in den Dichtungselementen 5, 6: Die offene Fläche hängt vom in den Dichtungselementen eingestellten Spalt sowie den Bandabmessungen (Dicke, Breite) ab.
Liniengeschwindigkeit: Die Liniengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit des behandelten Bandes.
Durchfluss des Atmosphärengases F_D, F1, F2: Der Durchfluss F1 oder F2 des Atmosphärengases durch die Dichtungselemente 5, 6 gilt als zu regelnder Parameter.
Aufbau der Schleuse 4: Es stehen mehrere Technologien für den Aufbau zur Verfügung (Klappen, Walzen, sonstige ...). Das mathematische Modell berücksichtigt die jeweilige Technologie.

Das mathematische Modell basiert auf einer Formel, die den Zusammenhang zwischen den Parametern darstellt. Die Berechnung erfordert nur wenig Rechenaufwand und kann daher in Ofensteuerungen integriert werden.
Das mathematische Modell lautet wie folgt: ${ΔP}_{Dichtung} = f 1 (ρ, μ, h, Vs) + f 2 (ρ, μ, h, Vg)$

ΔP_Dichtung = Druckdifferenz zwischen der Dichtungskammer 7 und der Schutzgaskammer 2
ρ = spezifisches Gewicht des Atmosphärengases
µ = dynamische Viskosität des Atmosphärengases
h = geometrischer Faktor
Vg = Durchflussgeschwindigkeit des in die oder aus der Dichtungskammer 7 strömenden Atmosphärengases
Vs = Liniengeschwindigkeit = Bandgeschwindigkeit
f1 und f2 sind mathematische Formeln, die von dem Aufbau der Schleuse 4 (Walzen, Klappen) sowie von der Art der Gasströmung (laminar, turbulent) abhängig sind.
Die Parameter des mathematischen Modells werden mittels computergesteuerter Simulationssoftware im Offline-Betrieb abgestimmt.
Das Modell liefert den Wert für den kritischen Differenzdruck ΔP_Dichtung,k zwischen der Dichtungskammer 7 und der Schutzgaskammer 2, der zu keinem Gasfluss zwischen der Schutzgaskammer 2 und der Dichtungskammer 7 führt (Vg=0). Dieser kritische Wert ΔP_Dichtung,k dient als Referenz für die Druckregelung in der Dichtungskammer 7. Der Sollwert für den Differenzdruck ΔP_Dichtung richtet sich nach dem berechneten kritischen Differenzdruck ΔP_Dichtung,k, wie dies in den oben genannten Beispielen beschrieben wurde.
Wenn der Differenzdruck ΔP_Dichtung höher ist als dieser kritische Wert ΔP_Dichtung,k, dann strömt das Atmosphärengas aus der Dichtungskammer 7 in die Schutzgaskammer 2. Es ist wichtig, dass man hier auch die jeweiligen Vorzeichen der Differenzdrücke ΔP_Dichtung und ΔP_Dichtung,k berücksichtigt. "Höher" oder "oberhalb" ist gleichbedeutend mit dem Ausdruck "weiter im positive Zahlenbereich" liegend.
Liegt der Differenzdruck ΔP_Dichtung unterhalb des Wertes für den kritischen Differenzdruck ΔP_Dichtung,k, so strömt das Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 in die Dichtungskammer 7.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass der Differenzdruck ΔP_Dichtung auch negativ sein kann (z. B. in Fig. 2 und Fig. 6). Die Bemerkung, dass der Differenzdruck ΔP_Dichtung unterhalb des Wertes für den kritischen Differenzdruck ΔP_Dichtung,k liegt, ist dann so zu verstehen, dass der Wert für den Differenzdruck ΔP_Dichtung weiter im negativen Bereich liegt, als der Wert für den kritischen Differenzdruck ΔP_Dichtung,k.
Das mathematische Modell wird einerseits für die Berechnung des einzustellenden Spalts der beiden Dichtungselemente 5, 6 unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Atmosphärengases und der Banddicke verwendet. Andererseits wird es für die Berechnung des Wertes für den kritischen Differenzdruck ΔP_Dichtung,k zwischen Dichtungskammer 7 und Schutzgaskammer 2 herangezogen. Mit Hilfe des berechneten kritischen Differenzdruckes ΔP_Dichtung,k wird dann der einzustellenden Differenzdruck ΔP_Dichtung (Sollwert) festgelegt.
Die mit dem mathematischen Modell berechneten Einstellparameter bilden die Sollwerte für die Steuerung der Schleuse.

Claims

Verfahren zum Kontrollieren der Schutzgasatmosphäre in einer Schutzgaskammer (2) zur kontinuierlichen Behandlung von Metallbändern (3), wobei das Metallband (3) über Schleusen (4) in und aus der Schutzgaskammer (2) geführt wird und wobei zumindest eine der Schleusen (4) zwei Dichtungselemente (5, 6) für das hindurchlaufende Metallband (3) aufweist, sodass sich zwischen den beiden Dichtungselementen (5, 6) eine Dichtungskammer (7) bildet, wobei der Gasdruck (P2, P_D) in der Schutzgaskammer (2) und in der Dichtungskammer (7) der Schleuse (4) gemessen wird und dass der Druck (P_D) in der Dichtungskammer (7) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P_D) in der Dichtungskammer (7) so geregelt wird, dass im Betrieb der Differenzdruck (ΔP_Dichtung) zwischen der Schutzgaskammer (2) und der Dichtungskammer (7) weitestgehend über oder unter einem vorgegebenen Wert für den kritischen Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) gehalten wird, wobei der kritische Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) als jener Wert festgelegt wird, bei dem sich der Gasfluss zwischen der Schutzgaskammer (2) und der Dichtungskammer (7) umkehrt und wobei der kritische Wert für den Differenzdruck (ΔP_Dichtung,k) über ein mathematisches Modell berechnet wird, das die Geschwindigkeit des Metallbandes, die Spaltöffnung der beiden Dichtungselemente (5, 6), die Eigenschaften des Schutzgases und die Dicke des Metallbandes (3) berücksichtigt und wobei der im Betrieb eingestellte Wert für den Differenzdruck (ΔP_Dichtung) möglichst nahe am kritischen Wert für den Differenzdruck (ΔP_{Dichtung, k}) gehalten wird, sodass des Gasfluss (F2) aus oder in die Schutzgaskammer (2) minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P_D) in der Dichtungskammer (7) über ein Regelventil (10) und eine Gaszufuhr (8) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P_D) in der Dichtungskammer (7) über ein Regelventil (10) und eine Unterdruckquelle (9) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P_D) in der Dichtungskammer (7) über zwei Regelventile (10), eine Gaszufuhr (8) und eine Unterdruckquelle (9) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuse (4) zwischen der Schutzgaskammer (2) und einer weiteren Behandlungskammer (1) mit einer Schutzgasatmosphäre angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (3) zuerst durch die weitere Behandlungskammer (1) und danach durch die Schutzgaskammer (2) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (3) zuerst durch die Schutzgaskammer (2) und danach durch die weitere Behandlungskammer (1) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Spaltöffnung der beiden Dichtungselemente (5, 6) anhand der Eigenschaften des Schutzgases und der Dicke des Metallbandes (3) errechnet wird.