EP4585876A1 - Verfahren zum herstellen eines organisch beschichteten metallflachprodukts - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines organisch beschichteten metallflachprodukts

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EP4585876A1
EP4585876A1 EP24151416.5A EP24151416A EP4585876A1 EP 4585876 A1 EP4585876 A1 EP 4585876A1 EP 24151416 A EP24151416 A EP 24151416A EP 4585876 A1 EP4585876 A1 EP 4585876A1
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EP
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gas
oven
directly heated
product
flat metal
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EP24151416.5A
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English (en)
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Jan-Eric Ehlers
Josef Schneider
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Publication date
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Definitions

  • plants powered by fossil fuels are to be converted or converted to more environmentally friendly fuels or energy sources, such as hydrogen, in order to reduce or ultimately avoid the use of fossil energy.
  • a furnace atmosphere can be set in the directly fired drying furnace and/or in the directly fired curing furnace or in at least one directly heated zone of a drying furnace and/or in at least one directly heated zone of a curing furnace, which can have a low water vapor partial pressure or a low furnace humidity (compared to the pure combustion gas), regardless of which fuel gas is used for firing.
  • hydrogen can be used in the fuel gas for the drying oven and/or the curing oven or the at least one directly heated zone of the drying oven and/or the at least one directly heated zone of the curing oven in a proportion of at least 10 vol.%.
  • hydrogen can be contained in the fuel gas in a proportion of at least 20 vol.%.
  • hydrogen can be contained in the fuel gas in a proportion of at least 40 vol.%.
  • hydrogen can be contained in the fuel gas in a proportion of at least 60 vol.%.
  • hydrogen can be contained in the fuel gas in a proportion of at least 80 vol.%. More preferably, hydrogen can be contained in the fuel gas in a proportion of at least 98 vol.%.
  • the fuel gas does not consist entirely of hydrogen, it may contain, in addition to hydrogen, further proportions of methane (CH 4 ) and/or carbon monoxide (CO) to give 100 vol.%, together with impurities which are permitted up to 0.5 vol.%, in particular up to 0.2 vol.%, preferably less than 0.1 vol.%.
  • CH 4 methane
  • CO carbon monoxide
  • the oxygen required for combustion can also be generated and provided by electrolysis using renewable energies (sun, wind, water, etc.).
  • the gas which in particular is low in/free from water vapor and/or low in/free from hydrogen, for introduction and thus for mixing with the combustion gas can contain or consist of nitrogen (N 2 ), argon (Ar), carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO) or a mixture thereof.
  • inert gases are used.
  • gases or mixtures of gases which contain no or relatively low proportions of water and/or water vapor and/or hydrogen or no or relatively low proportions of hydrogen compounds and which are suitable for a drying oven for drying a primer and/or a baking oven for baking a top coat or for at least one directly heated zone of a drying oven and/or for at least one directly heated zone of a baking oven can also be used accordingly.
  • air preferably dry air
  • air preferably dry air
  • the PMT for drying a primer-coated flat metal product in the drying oven of a coil coating line is essentially between 100 °C and 300 °C, in particular between 120 °C and 285 °C, preferably between 150 °C and 270 °C, this temperature referring to the temperature of the coated flat metal product, or the coating.
  • the furnace atmosphere temperature in the drying oven is considerably higher.
  • the PMT for curing a topcoat-coated metal flat product in the curing oven of a coil coating line is generally between 150 °C and 350 °C, in particular between 170 °C and 320 °C, and preferably between 190 °C and 270 °C. This temperature refers to the temperature of the coated metal flat product, or rather the coating. The furnace atmosphere temperature in the curing oven is certainly higher.
  • the coil coating line is preferably equipped with a horizontal drying oven and/or a horizontal curing oven.
  • the temperature of the burner flame also influences the temperature of the furnace atmosphere.
  • the combustion temperature with ambient air and natural gas is approximately 1970 °C, and with ambient air and hydrogen it is approximately 2130 °C.
  • Combustion with oxygen and natural gas is approximately 2860 °C, and with oxygen and hydrogen it is approximately 3080 °C.
  • the drying oven (5) and/or the baking oven (7) or the at least one zone of the drying oven (5) and/or the baking oven (7) has at least one burner (11) which is operated with a fuel gas (11.3) and an oxygen-containing gas (11.4), which are burned to form a combustion gas (11.9), wherein, depending on the composition of the fuel gas (11.3) and the composition of the oxygen-containing gas (11.4), the combustion gas (11.9) has a composition with a water vapor partial pressure, cf.
  • Figure 2 which shows a schematic cross-section through a drying oven (5) and/or curing oven (7).
  • hydrogen is used in the fuel gas (11.3) with a proportion of at least 10 vol.%.
  • a gas (11.5) is additionally introduced into the drying oven (5) and/or the curing oven (7) or into the at least one directly heated zone and mixed with the combustion gas (11.9) in such a way that a water vapor partial pressure is established in the oven atmosphere (10.1) of the oven (5, 7) or the at least one directly heated zone, which partial pressure is lower than the water vapor partial pressure of the combustion gas (11.9).
  • Hydrogen can be provided partially or entirely as fuel gas (11.3). Additionally, at least one means (11.1) is provided for introducing a preferably water vapor-free and/or hydrogen-free gas (11.5).
  • the hydrogen used at least partially in the fuel gas can be generated and provided, for example, in water electrolysis using renewable energies such as wind, water, solar, biogas, and/or geothermal energy; this is not shown here.
  • the volume of the fuel gas (11.3) and the volume of the introduced gas (11.5) can be determined in a standard manner, in particular depending on the volume of the drying furnace (5) and/or the curing furnace (7) or the at least one directly heated zone.
  • the volume of the fuel gas (11.3) depends on the heat output required for drying and/or curing and is based on a control of the material temperatures required for drying and/or curing.
  • the volume of the introduced Gas (11.5) is determined from the volume of the fuel gas (11.3) and thus from the chemical elements arising from combustion and the volume of the furnace (5, 7), corrected by corresponding analytical measurements of the furnace atmosphere (10.1).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines organisch beschichteten Metallflachprodukts (1') nach Anspruch 1.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines organisch beschichteten Metallflachprodukts.
  • Der Prozess zum Beschichten von Metallflachprodukten, beispielsweise von Stahl- oder Aluminiumflachprodukten mit einem organischen Überzug sowie entsprechende Bandbeschichtungsanlagen zur Durchführung des Prozesses sind Stand der Technik, in der Fachwelt u.a. als "Coil Coating" oder als "Walzenauftrag" bekannt. Zum Trocknen und/oder Einbrennen der organischen Überzüge haben sich in der Praxis direkt beheizte Trocknungs- oder Konvektionsöfen etabliert. Diese werden standardmäßig mit fossilen Brennstoffen, wie zum Beispiel Erdgas, und/oder Hüttengasen gespeist. Bei einer Direktverbrennung von Wasserstoff als Brenngas oder Anteilen von Wasserstoff im Brenngas kommt es infolge der Verbrennungsreaktionen mit Luft und/oder Sauerstoff zu einer höheren Ofenfeuchte respektive einem höheren Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre im Vergleich zu einer konventionellen Erdgasverbrennung. Infolge des höheren Wasserdampfpartialdrucks ist ein ungewollter Wassereintrag mithin nicht ausschließbar, was zu Nachteilen im fertigen Produkt führen kann. Bekannt ist, dass Wasserdampf aus der Atmosphäre vor, während und nach dem Trocknungsprozess in die Matrix eines organischen Überzugs eindiffundiert. Während des Trocknungsprozesses nimmt Wasser Einfluss auf die Vernetzungskinetik, wie zum Beispiel bei einer Quervernetzung von Polyesterharzen mit Melaminderivaten.
  • Der Trocknungs-/Einbrennofen ist in der Regel in unterschiedliche Zonen eingeteilt, wobei jede der Zonen mit mindestens einem Brenner direkt beheizt werden kann. Während des Trocknungs-/Einbrennprozesses wird das mit dem organischen Überzug beschichtete Metallflachprodukt im Wesentlichen berührungslos innerhalb von 10 bis 120 Sekunden durch die unterschiedlichen Zonen des Trocknungs-/Einbrennofens geführt. Es können drei, vier oder mehr als vier Zonen vorliegen und beispielsweise auf maximal zehn beschränkt sein. Jeder Zone kann individuell eine bestimmte Temperatur zugeordnet werden, so zum Beispiel wird die erste Zone oder in den ersten Zonen eine niedrigere Temperatur im Vergleich zur Temperatur in der letzten Zone avisiert, um die Atmosphärenkonzentration der Lösemittel, welche aus dem organischen Überzug infolge des thermischen Einwirkens ausgetrieben werden, im nichtexplosiven Bereich zu halten.
  • Im Rahmen der weltweit geforderten Dekarbonisierung sollen mit fossilen Brennstoffen betriebene Anlagen in Zukunft auf umweltfreundlichere Brennstoffe bzw. Energieträger, wie zum Beispiel Wasserstoff, umgerüstet bzw. umgestellt werden, um somit den Einsatz von fossiler Energie zu reduzieren oder letztendlich zu vermeiden.
  • Die Dekarbonisierung fordert eine Reduzierung des Einsatzes fossiler Einsatzstoffe bzw. Energieträger und damit wiederrum verbunden eine Reduzierung des CO2-Ausstoßes.
  • Wird beispielsweise Luft bzw. Umgebungsluft als Oxidationsmittel zur direkten Verbrennung des Brennstoffes verwendet, unterliegt diese hinsichtlich der relativen Feuchte witterungsbedingt hohen Schwankungen, so dass auch die relative Feuchte der Luft wesentlichen Einfluss auf die Verbrennung haben und damit zu einem höheren Wasserdampfpartialdruck im Verbrennungsgas führen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren zum Herstellen eines organisch beschichteten Metallflachprodukts derart weiterzuentwickeln, welches den Einsatz jeglicher, insbesondere wasserstoffhaltiger Brennstoffe ermöglicht, womit eine negative Beeinflussung der organischen Überzüge vermindert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterführende Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Lehre betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines organisch beschichteten Metallflachprodukts, umfassend die Schritte:
    • Bereitstellen eines Metallflachprodukts;
    • Auftragen eines flüssigen Primers auf dem Metallflachprodukt mittels einer Walzenauftragseinheit;
    • Trocknen des Primers auf dem Metallflachprodukt in einem direkt beheizten Trocknungsofen oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Trocknungsofens;
      entweder
    • Auftragen eines organischen Decklacks auf dem Metallflachprodukt mittels einer Walzenauftragseinheit;
    • Einbrennen des Decklacks auf dem Metallflachprodukt in einem direkt beheizten Einbrennofen oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Einbrennofens, wobei der Trocknungsofen und/oder der Einbrennofen oder die mindestens eine Zone über mindestens einen Brenner verfügt, welcher mit einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas betrieben wird, welche zu einem Verbrennungsgas verbrannt werden, wobei in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Brenngases und der Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases das Verbrennungsgas eine Zusammensetzung mit einem Wasserdampfpartialdruck aufweist;
      oder
    • Applizieren einer organischen Folie auf dem Metallflachprodukt.
  • Alternativ kann eine Beschichtung auch nur einschichtig erfolgen. Üblicherweise werden Ober- und Unterseite des Metallflachprodukts beschichtet. Auch sind Kombinationen aus Folienkaschierung und Lackierung möglich.
  • Wesentlich für die Erfindung ist, dass in den Trocknungsofen und/oder den Einbrennofen oder in die mindestens eine direkt beheizte Zone zusätzlich ein Gas eingeleitet bzw. hinzugefügt und mit dem Verbrennungsgas gemischt wird, derart, dass sich ein Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre des Ofens oder der mindestens einen direkt beheizten Zone einstellt, welcher im Vergleich zum Wasserdampfpartialdruck des Verbrennungsgases geringer ist.
  • Durch das zusätzlich eingeleitete Gas, welches ein "Verdünnen" der Ofenatmosphäre bewirken soll, kann in vorteilhafterweise eine Absenkung des Wasserdampfpartialdrucks und damit verbunden eine Reduzierung der Ofenfeuchte erzielt werden. Dadurch kann die Gefahr des schädlichen Wassereintrags unabhängig vom verwendeten Brennstoff reduziert werden.
  • Die Bestimmung respektive Erfassung eines Wasserdampfpartialdrucks in einer Ofenatmosphäre ist dem Fachmann geläufig. Dies kann beispielsweise durch Messung des Taupunktes mit geeigneten Messeinrichtungen erfolgen.
  • Als Gas zum Einleiten (und Mischen) wird bevorzugt ein wasserdampfarmes/-freies und/oder wasserstoffarmes/-freies Gas verwendet, um eine Reduzierung des Wasserdampfpartialdrucks respektive Ofenfeuchte erzielen zu können.
  • Unter wasserdampfarm ist ein Wasser- bzw. Wasserdampfgehalt im hinzuzufügenden Gas von maximal 15,0 Vol.-%, insbesondere maximal 10,0 Vol.%, vorzugsweise maximal 8,0 Vol.-%, bevorzugt maximal 5,0 Vol.-%, weiter bevorzugt maximal 3,0 Vol.-%, weiter bevorzugt maximal 1,50 Vol.-% und insbesondere > 0,10 Vol.-% zu verstehen. Wasserdampffrei bedeutet, dass entweder kein Wasser bzw. Wasserdampf enthalten ist oder im hinzuzufügenden Gas Spuren bis zu maximal 0,10 Vol.-% enthalten sein können.
  • Unter wasserstoffarm ist ein Wasserstoffgehalt im hinzuzufügenden Gas von maximal 7,0 Vol.-%, insbesondere maximal 5,0 Vol.%, vorzugsweise maximal 4,0 Vol.-%, bevorzugt maximal 2,50 Vol.-%, weiter bevorzugt maximal 1,0 Vol.-%, weiter bevorzugt maximal 0,50 Vol.-% und insbesondere > 0,10 Vol.-% zu verstehen. Wasserstofffrei bedeutet, dass entweder kein Wasserstoff enthalten ist oder im hinzuzufügenden Gas Spuren bis zu maximal 0,10 Vol.-% enthalten sein können.
  • Die Erfindung kann bei den bestehenden, konventionell eingesetzten Brenngasen Anwendung finden. Eine Umstellung von einem fossilen Brennstoff (Erdgas) oder insbesondere von Hüttengasen als Brennstoff auf einen alternativen, wasserstoffhaltigen Brennstoff in einem Trocknungsofen und/oder einem Einbrennofen oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Trocknungsofens und/oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Einbrennofens in einer Bandbeschichtungsanlage führt zu einer geänderten Ofenatmosphäre. Beim Verbrennen von wasserstoffhaltigen Brennstoffen wird eine im Vergleich zum Erdgas größere Menge an Wasserdampf erzeugt, was dafür sorgt, dass ein höherer Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre vorliegen würde. Dies hätte zur Folge, dass der Überzug nachteilig beeinflusst werden und damit zu erheblichen Qualitätseinbußen bis hin zu einem Totalausfall des Produkts führen könnte.
  • Eine Dekarbonisierung im Anwendungsfall des Trocknens eines Primers und/oder des Einbrennens eines Decklacks auf einem organisch beschichteten Metallflachprodukt in einem direkt beheizten Ofen oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Ofens in einer Bandbeschichtungsanlage wäre somit nicht nur ein einfacher Wechsel von fossilen zu nichtfossilen Brennstoffen, sondern würde auch eine komplexe Beeinflussung der Produktparameter beinhalten.
  • Einer Erhöhung des Wasserstoffs im Brenngas und somit einer Erhöhung des Wasserdampfpartialdrucks im daraus resultierenden Verbrennungsgas sollte dahingehend gegengesteuert werden, dass das Verbrennungsgas durch gezielte Mischung mit einem Gas "verdünnt" wird, um eine Ofenatmosphäre einzustellen, welche einen geringeren Wasserdampfpartialdruck im Vergleich zum (reinen) Verbrennungsgas aufweist, insbesondere eine Ofenatmosphäre eingestellt werden kann, welche näherungsweise einer konventionellen, beispielsweise mit Erdgas befeuerten Ofenatmosphäre oder sogar noch mit einer geringeren Ofenfeuchte entspricht, um die bisherige Prozesskette nicht unnötig ändern zu müssen und den Standardprozess im Wesentlichen beibehalten zu können.
  • Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist eine Ofenatmosphäre im direkt befeuerten Trocknungsofen und/oder im direkt befeuerten Einbrennofen oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Trocknungsofens und/oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Einbrennofens einstellbar, welche einen geringen Wasserdampfpartialdruck respektive eine geringe Ofenfeuchte (im Vergleich zum reinen Verbrennungsgas) aufweisen kann, unabhängig davon, mit welchem Brenngas befeuert wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann für den Trocknungsofen und/oder den Einbrennofen oder die mindestens eine direkt beheizte Zone des Trocknungsofens und/oder die mindestens eine direkt beheizte Zone des Einbrennofens Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 10 Vol.-% verwendet werden. Insbesondere kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 20 Vol.-% enthalten sein. Vorzugsweise kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 40 Vol.-% enthalten sein. Bevorzugt kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 60 Vol.-% enthalten sein. Besonders bevorzugt kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 80 Vol.-% enthalten sein. Weiter bevorzugt kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 98 Vol.-% enthalten sein. Diese Ausgestaltung umfasst beispielsweise einen 100%-igen Einsatz von Wasserstoff, mit anderen Worten, das Brenngas besteht aus Wasserstoff, wobei Verunreinigungen im Brenngas bis zu 0,5 Vol.-%, insbesondere bis zu 0,2 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 0,1 Vol.-% zugelassen werden, wobei Verunreinigungen technisch nicht oder nur mit hohem apparativem Aufwand vermieden werden können.
  • Der zumindest anteilsmäßige im Brenngas zum Einsatz kommende Wasserstoff kann beispielsweise in einer Wasserelektrolyse unter Verwendung regenerativer Energien, wie Wind, Wasser, Sonne, Biogas und/oder Geothermie, erzeugt und bereitgestellt werden.
  • Wenn das Brenngas nicht vollständig aus Wasserstoff besteht, können neben Wasserstoff weitere Anteile an Methan (CH4) und/oder Kohlenmonoxid (CO) enthalten sein, um 100 Vol.-% nebst Verunreinigungen, welche bis zu 0,5 Vol.-%, insbesondere bis zu 0,2 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 0,1 Vol.-% zugelassen werden, zu ergeben.
  • Beispielsweise bei der Verwendung von Erdgas können die Anteile des Hauptbestandteils Methan variieren und damit auch weitere Bestandteile, wie zum Beispiel Ethan, Propan, Ethen und Butan einzeln oder kombiniert umfassen.
  • Auch der eventuell benötigte Sauerstoff zum Verbrennen kann ebenfalls mittels Elektrolyse durch erneuerbare Energien (Sonne, Wind, Wasser etc.) erzeugt und bereitgestellt werden.
  • Das insbesondere wasserdampfarme/-freie und/oder wasserstoffarme/-freie Gas zur Einleitung und somit zur Mischung mit dem Verbrennungsgas kann enthalten oder bestehen aus Stickstoff (N2), Argon (Ar), Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) oder einer Mischung daraus. Beispielweise kommen inerte Gase zur Anwendung. Auch weitere Gase oder Mischungen aus Gasen, welche keinen oder verhältnismäßige geringe Anteile an Wasser und/oder Wasserdampf und/oder Wasserstoff oder keine oder verhältnismäßige geringe Anteile an Wasserstoffverbindungen enthalten und für einen Trocknungsofen zum Trocknen eines Primers und/oder einen Einbrennofen zum Einbrennen eines Decklacks oder für mindestens eine direkt beheizte Zone eines Trocknungsofens und/oder für mindestens eine direkt beheizte Zone eines Einbrennofens geeignet sind, können entsprechend verwendet werden.
  • Alternativ kann beispielsweise auch Luft (Umgebungsluft), bevorzugt trockene Luft, zur Anwendung kommen.
  • Die sogenannte PMT (Peak Metal Temperature) stellt die höchste erreichte Temperatur der Beschichtungsoberfläche dar und wird vorzugsweise mittels Pyrometer oder anderen geeigneten Mitteln bestimmt.
  • Die PMT für das Trocknen eines mit einem Primer beschichteten Metallflachprodukts im Trocknungsofen einer Bandbeschichtungsanlage liegt im Wesentlichen zwischen 100 °C und 300 °C, insbesondere zwischen 120 °C und 285 °C, vorzugsweise zwischen 150 °C und 270 °C, wobei sich diese Temperatur auf die Temperatur des beschichteten Metallflachprodukts, respektive des Überzugs, bezieht. Die Ofenatmosphärentemperatur im Trocknungsofen ist durchaus höher.
  • Die PMT für das Einbrennen eines mit einem Decklack beschichteten Metallflachprodukts im Einbrennofen einer Bandbeschichtungsanlage liegt im Wesentlichen zwischen 150 °C und 350 °C, insbesondere zwischen 170 °C und 320 °C, vorzugsweise zwischen 190 °C und 270 °C, wobei sich diese Temperatur auf die Temperatur des beschichteten Metallflachprodukts, respektive des Überzugs, bezieht. Die Ofenatmosphärentemperatur im Einbrennofen ist durchaus höher.
  • Die Bandbeschichtungsanlage ist bevorzugt kontinuierlich ausgeführt.
  • Die Bandbeschichtungsanlage ist bevorzugt mit einem horizontal ausgeführten Trocknungsofen und/oder einem horizontal ausgeführten Einbrennofen ausgestattet.
  • Der Prozess zum Walzenauftrag eines Primers sowie eines Decklacks und somit auch der Aufbau einer Bandbeschichtungsanlage ist Stand der Technik und dem Fachmann damit geläufig. Auch eine Applikation nach dem Trocknen des Primers mit einer organischen Folie ist Standard.
  • Das sauerstoffhaltige Gas für den Betrieb des Brenners kann Luft, beispielsweise Umgebungsluft, Sauerstoff oder eine Kombination aus Luft und Sauerstoff sein. Das sauerstoffhaltige Gas und/oder das Brenngas können vor der Zuführung zur Verbrennung vorgewärmt werden, um die Energieeffizienz zu steigern, beispielsweise auf mindestens 200 °C, insbesondere auf mindestens 300 °C, vorzugsweise auf mindestens 400 °C. Das Vorwärmen kann beispielsweise auf maximal 500 °C begrenzt sein. Das Vorwärmen des Brenngases und/oder des sauerstoffhaltigen Gases kann zu einer Erhöhung der adiabaten Flammentemperatur führen.
  • Unter "Metallflachprodukt" werden dabei hergestellte Bleche oder vergleichbar beschaffene Bänder als Walzerzeugnisse aus einem Aluminiumwerkstoff (Aluminiumflachprodukt) oder einem Stahlwerkstoff (Stahlflachprodukt) verstanden, welches entweder warmgewalzt, quasi einem Warmband, oder bevorzugt kaltgewalzt, quasi einem Kaltband, entsprechen kann.
  • Um den Wasserdampfpartialdruck respektive die Ofenfeuchte in der Ofenatmosphäre senken zu können, sollte eine Durchflussrate des einzuleitenden Gases in Abhängigkeit von dem Volumen der Ofenkammer, in welche das Gas eingeleitet wird, derart eingestellt werden, dass mindestens das Volumen der Ofenkammer in einer Stunde, insbesondere mindestens das 1,5-fache des Volumens der Ofenkammer pro Stunde, vorzugsweise mindestens das 2-fache des Volumens der Ofenkammer pro Stunde, bevorzugt mindestens das 2,5-fache des Volumens der Ofenkammer pro Stunde gefüllt werden kann. Die Durchflussrate wird derart eingestellt und ist darauf beschränkt, dass sie maximal das 50-fache des Volumens der Ofenkammer pro Stunde, insbesondere maximal das 25-fache des Volumens der Ofenkammer pro Stunde, vorzugsweise maximal das 15-fache des Volumens der Ofenkammer pro Stunde, bevorzugt maximal das 10-fache des Volumens der Ofenkammer pro Stunde füllen kann, um beispielsweise die Wärmeenergie durch das resultierende Verbrennungsgas nicht nachteilig zu beeinflussen. In Kenntnis des Volumens kann dann auf gängige Angaben in Liter pro Sekunde oder pro Minute oder auch Kubikmeter pro Minute oder pro Stunde umgerechnet werden.
  • Um die Energie des Verbrennungsgases nicht negativ zu beeinflussen und/oder die Energieeffizienz sogar zu erhöhen, kann es von Vorteil sein, wenn gemäß einer Ausgestaltung das insbesondere wasserdampfarme/-freie und/oder wasserstoffarme/-freie Gas vor dem Einleiten zu erwärmen. Um das Energieniveau des Verbrennungsgases im Wesentlichen beizubehalten, erfolgt das Erwärmen des insbesondere wasserdampfarmen/-freien und/oder wasserstoffarmen/-freien Gases auf eine Temperatur, welche vorzugsweise der Temperatur des Verbrennungsgases zwischen +/- 300 °C entspricht. Die Temperatur kann somit einem Temperaturfenster zwischen minus und plus 300 °C bezogen auf die Temperatur des Verbrennungsgases entsprechen. Die Temperatur des Verbrennungsgases kann dabei mit dem Fachmann bekannten Mitteln erfasst werden.
  • Um das aus dem Trocknungsofen und/oder Einbrennofen oder der mindestens einen Zone des Ofens einer Bandbeschichtungsanlage abgeführte Abgas, einem Mischgas aus Verbrennungsgas und eingeleitetem insbesondere wasserdampfarmen/-freien und/oder wasserstoffarmen/-freien Gas, wirtschaftlich nutzen zu können, kann es von Vorteil sein, einen Teil des Abgases oder vollständig zum Erwärmen des insbesondere wasserstoffarmen/-freien und/oder wasserdampfarmen/-freien Gases vor dem Einleiten zu verwenden. Auch in diesem Fall sind die Mittel zur Abgasnutzung respektive Wärmeübertragung dem Fachmann bekannt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch das sauerstoffhaltige Gas und/oder das Brenngas entsprechend erwärmt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Abgasnutzung kann das (zusätzliche) Erwärmen auch mit anderen Mitteln, beispielsweise elektrisch, durchgeführt werden, wenn insbesondere ein im Vergleich zur Abgastemperatur höheres Temperaturniveau benötigt wird.
  • Des Weiteren hat auch die Temperatur der Flamme des Brenners Einfluss auf die Temperatur der Ofenatmosphäre. Die Verbrennungstemperatur mit Umgebungsluft und Erdgas liegt bei ca. 1970 °C und mit Umgebungsluft und Wasserstoff bei ca. 2130 °C, bei Verbrennung mit Sauerstoff und Erdgas bei ca. 2860 °C und mit Sauerstoff und Wasserstoff bei ca. 3080 °C.
  • Der Brenner wird mit einer Luftzahl zwischen 1,0 und 1,25 betrieben, um das Verhältnis n O2 / n Brenngas in Hinblick auf das Verbrennungsgas zu berücksichtigen, um ein zu fettes Gemisch und einer CO-Bildung, aber auch ein zu mageres Gemisch in Verbindung mit einer hohen Verbrennungstemperatur und einer nicht gewollten NOx-Bildung zu vermeiden, so dass die Luftzahl insbesondere auf maximal 1,22, vorzugsweise auf maximal 1,17, bevorzugt auf maximal 1,13 begrenzt wird.
  • Kommt beispielsweise ein Stahlflachprodukt zur Anwendung, kann es vorzugsweise mit einem metallischen Überzug bereitgestellt werden. Bevorzugt kann das Stahlflachprodukt mit einem zinkbasierten Überzug beschichtet sein, besonders bevorzugt durch Schmelztauchbeschichten. Dabei kann das metallische Schmelzenbad neben Zink und unvermeidbaren Verunreinigungen zusätzliche Elemente wie Aluminium mit einem Gehalt bis zu 15 Gew.-%, insbesondere bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 8 Gew.-%, bevorzugt bis zu 5 Gew.-% und/oder Magnesium mit einem Gehalt bis zu 15 Gew.-%, insbesondere bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 8 Gew.-%, bevorzugt bis zu 5 Gew.-% in dem Überzug enthalten oder daraus bestehen. Ist ein verbesserter Korrosionsschutz gefordert, kann das metallische Schmelzenbad enthalten oder bestehen aus Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,3 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,6 Gew.-%, vorzugsweise von mindestens 0,9 Gew.- %. Zusätzlich oder alternativ kann Aluminium zusätzlich zu Magnesium mit einem Gehalt von mindestens 0,1 Gew.-%, insbesondere von mindestens 0,3 Gew.-% vorhanden sein, um beispielsweise eine Anbindung des metallischen Überzugs an das Stahlflachprodukt zu verbessern und insbesondere eine Diffusion von Eisen aus dem Substrat in den Überzug bei einer Wärmebehandlung des beschichteten Stahlflachprodukts im Wesentlichen zu vermeiden, damit beispielsweise eine gute Klebeignung gewährleistet werden kann. Dabei kann eine Dicke des metallischen Überzugs je Seite zwischen 1,5 und 60 µm, insbesondere zwischen 2 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 3 und 30 µm über bekannte und oberhalb des Schmelzenbads angeordneten Abstreifdüsen eingestellt werden.
  • Enthält oder besteht das metallische Schmelzenbad aus Magnesium in den vorgenannten Grenzen, Aluminium in den vorgenannten Grenzen und Rest Zink nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, ist der sich daraus ergebende metallische Überzug auf dem Stahlflachprodukt in der Fachwelt als Zink-Magnesium (ZM) oder Zn-Al-Mg bekannt.
  • Bei einer bevorzugten Variante beträgt der Aluminiumgehalt im metallischen Schmelzenbad 1,1 bis 8 Gew.-%, insbesondere 1,2 bis 5 Gew.-%.
  • Bei einer bevorzugten Variante beträgt der Magnesiumgehalt im metallischen Schmelzenbad 1,1 bis 8 Gew.-%, insbesondere 1,2 bis 5 Gew.-%.
  • Der Überzug kann auch nur Zink mit geringen Aluminiumbestandteilen neben unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten, auch mit der Bezeichnung "Z" in Fachkreisen bekannt.
  • Als unvermeidbare Verunreinigungen können beispielsweise Elemente aus der Gruppe Silizium, Antimon, Blei, Titan, Kalzium, Mangan, Zinn, Lanthan, Cer und Chrom einzeln oder in Kombination mit in Summe bis zu 0,5 Gew.-%, insbesondere bis zu 0,3 Gew.-% im metallischen Schmelzenbad enthalten sein.
  • Alternativ kann das Stahlflachprodukt mit einem zinkbasierten Überzug beschichtet sein, durch elektrolytische Abscheidung, in Fachkreisen mit der Bezeichnung "ZE" bekannt.
  • Dabei kann eine Dicke des metallischen Überzugs je Seite zwischen 1 und 60 µm, insbesondere zwischen 2 und 50 µm, vorzugsweise zwischen 3 und 30 µm eingestellt werden.
  • Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.
  • Die Zeichnung zeigt die Erfindung am Beispiel einer schematisch dargestellten Illustration. Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze von einer Bandbeschichtungsanlage (100) zum Herstellen eines organisch beschichteten Metallflachprodukts (1'). Ein Metallflachprodukt (1) in Form eines Coils wird bereitgestellt. Dabei kann es sich um ein Aluminiumflachprodukt oder vorzugsweise um ein Stahlflachprodukt, bevorzugt mit einem zinkbasierten Überzug beschichtet, handeln. Das somit bereitgestellte Metallflachprodukt (1) in Coil-Form wird auf einem Abhaspler der Bandbeschichtungsanlage (100) platziert und abgerollt. Die nachfolgende Prozesskette ist Standard ist in einer einfachen Konfiguration dargestellt, kann davon, je nach Anlagenkonfiguration, auch abweichen. Das abgerollte Metallflachprodukt (1) kann eine dem Fachmann bekannte und nicht dargestellte Richtmaschine durchlaufen. Das abgerollte Metallflachprodukt durchläuft:
    • eine Reinigungseinheit (2) zum Reinigen der Oberflächen;
    • eine Vorbehandlungseinheit (3) zum Aktivieren der gereinigten Oberflächen;
    • eine Walzenauftragseinheit (4) zum Auftragen eines flüssigen Primers auf dem Metallflachprodukt (1);
    • einen direkt beheizten Trocknungsofen (5) oder einen Trocknungsofen (5) mit mindestens einer direkt beheizten Zone zum Trocknen des Primers auf dem Metallflachprodukts (1);
    • optional eine nicht dargestellte Kühleinheit;
    • eine Walzenauftragseinheit (6) zum Auftragen eines flüssigen organischen Decklacks auf dem Metallflachprodukt (1);
    • einen direkt beheizten Einbrennofen (7) oder einen Einbrennofen (7) mit mindestens einer direkt beheizten Zone zum Trocknen des Primers auf dem Metallflachprodukts (1);
    • optional eine nicht dargestellte Kühleinheit;
    • eine Nachbehandlungseinheit (8) zum beispielsweise Kaschieren mit einer temporären Schutzfolie;
    • abschließend wird das organisch beschichtete Metallflachprodukt (1') zu einem Coil aufgehaspelt.
  • Der Trocknungsofen (5) und/oder der Einbrennofen (7) oder die mindestens eine Zone des Trocknungsofens (5) und/oder des Einbrennofen (7) verfügt über mindestens einen Brenner (11), welcher mit einem Brenngas (11.3) und einem sauerstoffhaltigen Gas (11.4) betrieben wird, welche zu einem Verbrennungsgas (11.9) verbrannt werden, wobei in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Brenngases (11.3) und der Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases (11.4) das Verbrennungsgas (11.9) eine Zusammensetzung mit einem Wasserdampfpartialdruck aufweist, vgl. Figur 2 , welche einen schematischen Querschnitt durch einen Trocknungsofen (5) und/oder Einbrennofen (7) zeigt. Für den Trocknungsofen (5) und/oder den Einbrennofen (7) oder die mindestens eine direkt beheizte Zone des Trocknungsofens (5) und/oder die mindestens eine direkt beheizte Zone des Einbrennofens (7) wird Wasserstoff im Brenngas (11.3) mit einem Anteil von mindestens 10 Vol.-% verwendet. Des Weiteren wird in den Trocknungsofen (5) und/oder den Einbrennofen (7) oder in die mindestens eine direkt beheizte Zone zusätzlich ein Gas (11.5) eingeleitet und mit dem Verbrennungsgas (11.9) gemischt, derart, dass sich ein Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre (10.1) des Ofens (5, 7) oder der mindestens einen direkt beheizten Zone einstellt, welcher im Vergleich zum Wasserdampfpartialdruck des Verbrennungsgases (11.9) geringer ist.
  • Wasserstoff ist anteilsmäßig oder auch vollständig als Brenngas (11.3) bereitstellbar. Zusätzlich ist mindestens ein Mittel (11.1) zum Einleiten eines vorzugsweise wasserdampffreien und/oder wasserstofffreien Gases (11.5) vorgesehen. Der zumindest anteilsmäßige im Brenngas zum Einsatz kommende Wasserstoff kann beispielsweise in einer Wasserelektrolyse unter Verwendung regenerativer Energien, wie Wind, Wasser, Sonne, Biogas und/oder Geothermie, erzeugt und bereitgestellt werden, hier nicht dargestellt.
  • Das Mittel umfasst mindestens eine Einströmdüse (11.1), welche beispielsweise in Raumrichtung individuell ausrichtbar und/oder einstellbar ist. Dadurch kann beispielsweise gezielt die Einströmrichtung (11.10) des eingeleiteten Gases (11.5) so beeinflusst werden, dass durch den Impuls eine Zwangsströmung innerhalb des Ofens (5, 7) und damit eine Mischung mit dem Verbrennungsgas (11.9) erzwungen wird.
  • Um sich beispielsweise an einer konventionell bekannten Ofenatmosphäre mit Erdgasverbrennung zu orientieren und diese trotz des Einsatzes von Wasserstoff im Brenngas einzustellen, kann das Volumen des Brenngases (11.3) und das Volumen des eingeleiteten Gases (11.5), insbesondere in Abhängigkeit von dem Volumen des Trocknungsofens (5) und/oder des Einbrennofens (7) oder die mindestens eine direkt beheizte Zone, fachüblich ermittelt werden. Das Volumen des Brenngases (11.3) ist dabei abhängig von der Wärmeleistung, die zum Trocknen und/oder Einbrennen erforderlich ist und basiert auf einer Regelung der für das Trocknen und/oder Einbrennen benötigten Materialtemperaturen. Das Volumen des einzuleitenden Gases (11.5) wird ermittelt aus dem Volumen des Brenngases (11.3) und somit aus den sich einstellenden chemischen Elementen aus der Verbrennung und dem Volumen des Ofens (5, 7), korrigiert über entsprechende Analysenmessungen der Ofenatmosphäre (10.1).
  • Vor dem Einleiten (11.10) kann das vorzugsweise wasserdampfarme/-freie und/oder wasserstoffarme/-freie Gas (11.5) erwärmt werden. Auch das sauerstoffhaltige Gas (11.4), nicht dargestellt, kann vor der Verbrennung vorgewärmt werden. Dabei kann ein Abgas (11.7) aus dem Ofen (5, 7) abgeführt werden, welches zum Teil oder vollständig zum Erwärmen des vorzugsweise wasserdampfarmen/-freien und/oder wasserstoffarmen/-freien Gases (11.5) mittels eines geeigneten Wärmeübertragers (11.6) genutzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das vorzugsweise wasserdampfarme/-freie und/oder wasserstoffarme/-freie Gas (11.5), insbesondere zusätzlich, erwärmt werden, beispielsweise durch eine elektrische Heizeinrichtung (11.8), strichliniert dargestellt, mit welcher auch eine Temperaturerhöhung des vorzugsweise wasserdampfarmen/-freien und/oder wasserstoffarmen/-freien Gases (11.5) oberhalb der Temperatur des Abgases (11.7) möglich wäre.
  • Mit der erfindungsgemäß eingestellten Ofenatmosphäre (10.1) ist ein Trocknen des auf dem Metallflachprodukt (1) aufgebrachten Primers und/oder das Einbrennen des auf dem Metallflachprodukt (1) aufgebrachten Decklacks ohne Nachteile trotz des Einsatzes nichtfossiler Brennstoffe, wenn Wasserstoff mit Anteilen zwischen 10 und 100 Vol.-% im Brenngas (11.3) eingesetzt wird, möglich.
  • Nicht dargestellt kann die Erfindung auch bei konventioneller Betriebsweise Anwendung finden, insbesondere um eine Atmosphäre mit einem gleichbleibenden Wasserdampfpartialdruck respektive Ofenfeuchte durch Einleiten des zusätzlichen Gases aufrecht zu halten, unabhängig davon, welches Brenngas und welche relative Feuchte die zur Verbrennung verwendete Umgebungsluft eingesetzt wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen eines organisch beschichteten Metallflachprodukts (1'), umfassend die Schritte:
    - Bereitstellen eines Metallflachprodukts (1);
    - Auftragen eines flüssigen Primers auf dem Metallflachprodukt (1) mittels einer Walzenauftragseinheit (4);
    - Trocknen des Primers auf dem Metallflachprodukt (1) in einem direkt beheizten Trocknungsofen (5) oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Trocknungsofens (5);
    entweder
    - Auftragen eines flüssigen organischen Decklacks auf dem Metallflachprodukt (1) mittels einer Walzenauftragseinheit (6);
    - Einbrennen des Decklacks auf dem Metallflachprodukt in einem direkt beheizten Einbrennofen (7) oder in mindestens einer direkt beheizten Zone eines Einbrennofens (7), wobei der Trocknungsofen (5) und/oder der Einbrennofen (7) oder die mindestens eine Zone über mindestens einen Brenner (11) verfügt, welcher mit einem Brenngas (11.3) und einem sauerstoffhaltigen Gas (11.4) betrieben wird, welche zu einem Verbrennungsgas (11.9) verbrannt werden, wobei in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Brenngases (11.3) und der Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases (11.4) das Verbrennungsgas (11.9) eine Zusammensetzung mit einem Wasserdampfpartialdruck aufweist;
    Oder
    - Applizieren einer organischen Folie auf dem Metallflachprodukt (1);
    dadurch gekennzeichnet, dass in den Trocknungsofen (5) und/oder den Einbrennofen (7) oder in die mindestens eine direkt beheizte Zone zusätzlich ein Gas (11.5) eingeleitet und mit dem Verbrennungsgas (11.9) gemischt wird, derart, dass sich ein Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre (10.1) des Ofens (5, 7) oder der mindestens einen direkt beheizten Zone einstellt, welcher im Vergleich zum Wasserdampfpartialdruck des Verbrennungsgases (11.9) geringer ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Trocknungsofen (5) und/oder den Einbrennofen (7) oder die mindestens eine direkt beheizte Zone des Trocknungsofens (5) und/oder die mindestens eine direkt beheizte Zone des Einbrennofens (7) Wasserstoff im Brenngas (11.3) mit einem Anteil von mindestens 10 Vol.-% verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei als Gas (11.5) zum Einleiten ein wasserdampfarmes/-freies und/oder wasserstoffarmes/-freies Gas verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei eine Durchflussrate des Gases (11.5) in Abhängigkeit von dem Volumen der Ofenkammer, in welchen das Gas (11.5) eingeleitet wird, derart eingestellt wird, dass mindestens das Volumen der Ofenkammer in einer Stunde und maximal das 50-fache des Volumens der Ofenkammer pro Stunde gefüllt werden kann.
  5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Gas (11.5) vor dem Einleiten in den Trocknungsofen (5) und/oder den Einbrennofen (7) oder in die mindestens eine Zone des Trocknungsofens (5) und/oder des Einbrennofens (7) erwärmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Erwärmen auf eine Temperatur erfolgt, welche der Temperatur des Verbrennungsgases (11.9) zwischen +/- 300 °C entspricht.
  7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Brenner (11) mit einer Luftzahl zwischen 1,0 und 1,25 betrieben wird.
  8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Metallflachprodukt (1) ein Stahlflachprodukt ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Metallflachprodukt (1) ein Aluminiumflachprodukt ist.
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