EP4715305A1

EP4715305A1 - Verfahren zum wärmebehandeln eines stahlprodukts

Info

Publication number: EP4715305A1
Application number: EP25201025.1A
Authority: EP
Inventors: Valentin Kokotin; Jörn Lochstampfer; Tobias SCHAFFNER; Frank Struska; Waldemar Wessel
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2024-09-20
Filing date: 2025-09-09
Publication date: 2026-03-25
Also published as: DE102024127131A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Stahlprodukts, wobei das Stahlprodukt in einen direkt beheizten Wärmebehandlungsofen (1) umfassend mehrere Gasbrenner, welche mit Wasserstoff als Brenngas gespeist werden, eingebracht wird, in welchem das Stahlprodukt auf eine Temperatur (T) unterhalb einer zwischen 1000 °C und 1500 °C betragenden Zieltemperatur (Tz) aufgewärmt wird, und optional auf dieser Temperatur (T) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt anschließend in einer Anlage (2) elektrisch auf Zieltemperatur (Tz) weitererwärmt und optional auf dieser gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Stahlprodukts.
Wärmebehandlungsöfen, wie zum Beispiel direkt beheizte Öfen (direct fired furnace, auch DFF genannt), sind in der Praxis etablierte Öfen, die zur Wärmebehandlung von Metallen verwendet werden. Diese werden standardmäßig mit fossilen Brennstoffen, wie zum Beispiel Erdgas, gespeist. Da die Verbrennung im Ofen stattfindet, kann mit Hilfe der direkten Beheizung, je nach eingestellter Luftzahl (Lambda-Wert des Brenngases), eine reduzierende oder oxidierende Ofenatmosphäre eingestellt werden. Auch sogenannte Kuppelgase oder deren Mischungen sind als Brenngase geeignet, welche insbesondere in einem integrierten Hüttenwerk anfallen und somit entsprechend verwertet werden können. Im Ofen befindet sich somit das von dem/den Brenner(n) erzeugte Verbrennungsgas als Ofenatmosphäre, welches Wasserdampf geringer als 30 Vol.-%, insbesondere geringer als 25 Vol.-% und, je nach Luftzahl, Sauerstoff (O₂) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) oder Wasserstoff (H₂) und Kohlenstoffmonoxid/ Kohlenstoffdioxid (CO/CO₂) enthalten kann.
Vor dem Hintergrund der weltweit geforderten Dekarbonisierung soll der Anteil fossiler Brennstoffe in betrieblichen Anlagen in Zukunft zugunsten CO₂-neutraler Brennstoffe bzw. Energieträger reduziert werden. So soll der Einsatz von Wasserstoff als Brenngas u.a. in der Stahlindustrie zur Minderung der entstehenden Emissionen im Produktionsbetrieb beitragen. Bei der Umstellung des Verbrennungsprozesses von einem fossilen Brennstoff (Erdgas) auf einen nachhaltigen, wasserstoffbasierten Brennstoff treten signifikante Veränderungen der Ofenatmosphäre in Erscheinung, welche mit einem massiven Zunderwachstum, vgl. u. a. Bericht "D2.1 - Impact of H2 heating on product quality, yield, and refractory", abrufbar unter dem Link https://hyinheat.eu/wp-content/uploads/2024/07/D2.1-Impact-of-H2-heating-on-product-quality-yield-and-refractory PU.pdf , sowie einem verstärkten Wasserstoffeintrag in den Stahl verbunden ist. Ursache dafür ist der bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehende, erhöhte Wasseranteil im Rauchgas, welcher die Oxidationsprozesse und Absorptionsprozesse an der Oberfläche beeinflusst/beschleunigt. Diese Effekte können mit diversen Auswirkungen auf das Stahlprodukt und die Weiterverarbeitung verbunden sein:

Stark haftender und dickerer Zunder kann zu Problemen beim Abtrag (Zunderwäscher) führen und so Folgefehler in der Weiterprozessierung (bspw. Einwalzen von Restzunder beim Warmwalzen) provozieren,
eine schlechtere Oberflächenqualität, welche zur Abwertung bis hin zum Produktausfall führen kann,
ein massiver Wasserstoffeintrag, welcher zu Versprödungseffekten bei der Weiterverarbeitung bis hin zum Bauteilversagen führen kann,
des Weiteren kann eine Zunderschicht respektive eine erhöhte Zunderschichtdicke auch zu Ausbringungsverlusten führen, die sich negativ auf die Energiebilanz auswirken können.

Wärmebehandlungsöfen, welche Stahlprodukte vorzugsweise in Form von Brammen in sogenannten Stoß- und/oder Hubbalkenöfen erwärmen/durchwärmen, werden mit Erdgas beheizt oder, wenn verfügbar und in einem sogenannten Hüttenverbund integriert, können mit Gasen (Kuppelgasen) bzw. Gasgemischen wie Koksofengas, Hochofengas, Konvertergas usw. betrieben werden. Eine Umstellung auf eine Verbrennung mit Wasserstoff nimmt mithin einen stärkeren, insbesondere negativen Einfluss auf die Oberflächenqualität des wärmezubehandelnden Stahlprodukts respektive erhöht den Wasserstoffeintrag in das Stahlprodukt.
Des Weiteren ist aus dem Fachbericht Dekarbonisierung "Strategien zur Dekarbonisierung von Wiedererwärmungs- und Wärmebehandlungsprozessen in der Stahlindustrie" von Wuppermann et al., S. 16 bis 25, veröffentlicht am 22.09.2023 auf https:/Iwww.tube.de/cgibin/md wiretube/lib/all/lob/return download.cgi bekannt, s. Szenario 4 auf Seite 22, dass eine Ofenkammer eines Hubbalkenofens für die Wiedererwärmung von Brammen mittels 160 Seitenwand- und Deckenstrahlbrennern offen beheizt wird, wobei eine Integration von geeigneten Brennern, welche im Versuchsmaßstab erfolgreich unter Einsatz von 100 % H₂ und auch Gemischen aus H₂ und Erdgas getestet wurden, nach Vorbereitung großtechnisch noch umgesetzt werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren zum Erwärmen eines Stahlprodukts derart weiterzuentwickeln, dass es einen positiven Einfluss auf die CO₂-Emissionen haben kann und sich gleichzeitig nicht nachteilig auf die Zunderausbildung im Wärmebehandlungsprozess auswirken kann respektive eine Verminderung von Wasserstoffeintrag im Wärmebehandlungsprozess nehmen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterführende Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Stahlprodukts, wobei das Stahlprodukt in einen direkt beheizten Wärmebehandlungsofen umfassend mehrere Gasbrenner, welche mit Wasserstoff als Brenngas gespeist werden, eingebracht wird, in welchem das Stahlprodukt auf eine Temperatur unterhalb einer zwischen 1000 °C und 1500 °C betragenden Zieltemperatur aufgewärmt wird, und optional auf dieser Temperatur gehalten wird.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Stahlprodukt anschließend in einer Anlage elektrisch auf Zieltemperatur weitererwärmt und optional auf dieser gehalten wird.
Die Zunderbildung hängt dabei von den technologischen Bedingungen, beispielsweise von der Temperatur, der Luftzahl, der Zeit und der chemischen Zusammensetzung des Stahlprodukts ab. Mit steigender Temperatur, zunehmender Luftzahl und größerer Zeitdauer nimmt der Zunder auf der Oberfläche eines Stahlprodukts zu. Auch der Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre kann Einfluss auf die Zunahme (Dicke) des Zunders nehmen. Mit steigendem Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre steigt auch der Wasserstoffeintrag in das wärmezubehandelnde Stahlprodukt, wobei dieser Effekt durch steigende Prozess- und Produkttemperaturen und sinkende Luftzahlen verstärkt werden kann.
Die zuvor aufgeführten Effekte können durch selektiven Einsatz verschiedener Wärmebehandlungstechnologien mitigiert werden. Grundlage dafür bildet die starke Temperatur- und Brenngasabhängigkeit bei der Ausbildung von Zunder und des Eintrags von Wasserstoff. Mit steigender Temperatur nehmen die Effekte der erhöhten Zunderausbildung und des erhöhten Wasserstoffeintrags bei der Wasserstoff-Verbrennung zu. Zur Reduzierung dieser Effekte wird daher ein selektiver Einsatz verschiedener Wärmebehandlungstechnologien vorgeschlagen.
Das Stahlprodukt kann in Form einer Bramme, eines Blockes, einer Scheibe oder eines Knüppels vorliegen.
Das Wärmebehandeln eines Stahlprodukts erfolgt in der Art, dass das Stahlprodukt zunächst in einem direkt beheizten Wärmebehandlungsofen auf eine Temperatur erwärmt wird, welche einer Temperatur unterhalb einer zwischen 1000 °C und 1500 °C betragenden Zieltemperatur entspricht, optional gehalten und anschließend das Stahlprodukt elektrisch auf Zieltemperatur weitererwärmt und optional auf dieser gehalten wird, insbesondere auch mit dieser Temperatur einer weiteren Bearbeitung zugeführt wird. Vor der weiteren Bearbeitung kann das (heiße) Stahlprodukt vorzugsweise entzundert werden. Die weitere Bearbeitung kann beispielsweise mindestens ein Warmwalzen oder mindestens ein Schmieden umfassen. Die Zieltemperatur kann insbesondere mindestens 1050 °C, vorzugsweise mindestens 1100 °C, bevorzugt mindestens 1150 °C, besonders bevorzugt mindestens 1200 °C betragen. Prinzipiell sollte die Zieltemperatur von 1500 °C nicht überschritten werden, um ein partielles/vollständiges Aufschmelzen und/oder eine zu starke Verzunderung des Stahlprodukts zu vermeiden. Aus ökologischen und ökonomischen Gründen kann die Zieltemperatur insbesondere auf maximal 1450 °C, vorzugsweise auf maximal 1400 °C, bevorzugt auf maximal 1350 °C, besonders bevorzugt auf maximal 1300 °C beschränkt sein. Gemessen wird die Temperatur/Zieltemperatur beispielsweise an einer Seite auf der Oberfläche des Stahlprodukts, insbesondere mit Pyrometern oder anderen geeigneten Messmitteln. Die genannten Zieltemperaturen sollten auch im Kern des Stahlprodukts nicht unter- bzw. überschritten werden, wobei die Kerntemperatur eines Stahlprodukts im Normalbetrieb nicht direkt ermittelbar ist. Allgemein kann die Temperatur am Stahlprodukt mit dem Fachmann bekannten Mitteln erfasst werden. Die Temperatur im Wärmebehandlungsofen respektive die Temperatur der Ofenatmosphäre in dem Wärmebehandlungsofen kann durchaus höher liegen.
Der Wasserstoff für das Brenngas kann beispielsweise in einer Wasserelektrolyse unter Verwendung regenerativer Energien, wie Wind, Wasser und/oder Sonne erzeugt und bereitgestellt wird, bzw. keinen fossilen Ursprung haben, um eine Dekarbonisierung in der Stahlindustrie voranzutreiben. Das Brenngas besteht zwar aus Wasserstoff, es können aber auch 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, so dass dennoch von 100 Vol.-% Wasserstoff im Brenngas gesprochen werden kann.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß das Stahlprodukt auf eine Temperatur zwischen 850 °C und 1200 °C aufgewärmt. Die Temperatur kann insbesondere mindestens 900 °C, vorzugsweise mindestens 950 °C, bevorzugt mindestens 1000 °C betragen. Die Temperatur von 1200 °C sollte nicht überschritten werden, um einen signifikanten Wasserstoffeintrag und/oder eine andersartige Zunderausbildung im Wesentlichen zu vermeiden. Die Temperatur kann daher insbesondere auf maximal 1150 °C, vorzugsweise auf maximal 1100 °C, bevorzugt auf maximal 1050 °C beschränkt sein. Dadurch kann eine (Teil-)Dekarbonisierung bei der Wärmebehandlung von Stahlprodukten stattfinden, indem eine Umstellung im Wärmebehandlungsofen von einem fossilen Brenngas auf Wasserstoff als alternatives Brenngas erfolgt. Beim Verbrennen von Wasserstoff wird eine im Vergleich zum Erdgas größere Menge an Wasserdampf erzeugt, was dafür sorgt, dass ein höherer Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre vorliegt. Dies hat zur Folge, dass eine höhere Tendenz zur Oxidation (=Zunderbildung) während des Wärmebehandelns durch sauerstoffaffine Elemente im Stahlprodukt gegeben ist, welche an der Oberfläche des Stahlprodukts entsteht. Durch das Vorhandensein eines höheren Wasserdampfpartialdrucks kann die Verbindung zwischen Zunder und Stahlproduktoberfläche, vereinfacht gesagt die Haftung an der Stahlproduktoberfläche, beeinflusst werden. Die Zunderschicht (Oxidschicht) würde zudem wachsen und/oder beeinflusst werden. Auch eine höhere Tendenz zum Wasserstoffeintrag ist gegeben. Diese nachteiligen Effekte treten nur in geringem Ausmaß auf bzw. können vernachlässigbar klein in ihrer Auswirkung gehalten werden, wenn die Temperatur respektive die Spanne der Temperatur nicht überschritten wird.
Die elektrische Weitererwärmung des Stahlprodukts kann in vorteilhafterweise außerhalb des Wärmebehandlungsofens durchgeführt werden. Dadurch muss die Anlage nicht den thermischen Einflüssen des Wärmebehandlungsofens ausgesetzt werden und/oder aktiv gekühlt werden, was wiederum die Effizienz der elektrischen Weitererwärmung reduzieren würde.
Gemäß einer Ausgestaltung kann die elektrische Weitererwärmung des Stahlprodukts induktiv durchgeführt werden. Dabei können in vorteilhafter Weise Induktoren ausgeführt sein, insbesondere oberhalb eines Rollengangs, über welchen das Stahlprodukt vorbeigeführt werden kann und welcher optional anhaltbar ist. Je nach Größe und Leistung können mehrere Induktoren hintereinander angeordnet sein, an welchen das weiterzuerwärmende Stahlprodukt vorbeiführbar ist. Induktive Erwärmungseinheiten sind bekannt und wirtschaftlich verwendbar. Dabei kann durch eine sogenannte Längsfelderwärmung und/oder Querfelderwärmung in Verbindung mit einer optimalen Frequenz und/oder Leistung Einfluss auf die Temperatur des Stahlprodukts über seine Breite und/oder Länge und/oder Dicke genommen werden und entsprechend eingestellt werden. Bei einer Längsfelderwärmung kann das Stahlprodukt an einem geöffneten Induktor oder an mehreren hintereinander angeordneten Induktoren und/oder mehreren über den Umfang des Stahlprodukts angeordneten Induktoren vorbeigeführt werden. Die dabei entstehenden Wirbelströme verlaufen innerhalb der Stromeindringtiefe parallel zur Oberfläche des Stahlprodukts. Bei einer Querfelderwärmung kann das Stahlprodukt durch eine Spule oder mehrere hintereinander angeordnete Spulen hindurchgeführt werden. Insbesondere kann die Temperatur des Stahlprodukts vor der induktiven Weitererwärmung erfasst werden und mittels induktiver Weitererwärmung das Stahlprodukt hinsichtlich Oberflächen- und Kerntemperatur ausgeglichen werden, um im Wesentlichen eine homogene Temperatur im Stahlprodukt für den Weiterprozessierung bereitstellen zu können. Entsprechende Ausführungen sind Stand der Technik.
Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann die elektrische Weitererwärmung des Stahlprodukts konduktiv durchgeführt werden. Dabei kann das Stahlprodukt mindestens einseitig oder vorzugsweise beidseitig mit jeweils einer Kontaktplatte in Kontakt gebracht werden, wobei die Kontaktplatten als Elektroden, welche entsprechend an einer Stromquelle angeschlossen sind, zur Weitererwärmung des Stahlprodukts fungieren. Entsprechende Ausführungen sind Stand der Technik.
Der für die induktive sowie für die konduktive Weitererwärmung benötigte Strombedarf kann idealerweise unter Verwendung regenerativer Energien, wie Wind, Wasser und/oder Sonne erzeugt und bereitgestellt werden, so dass die CO₂-Emissionen gesenkt werden können. Ebenfalls kann der Strom auch aus Kernkraftwerken bezogen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Anlage normale Atmosphäre vorherrschen. Dadurch kann insbesondere auf eine zusätzliche Einhausung und/oder auf ein Fluten mit einem Inertgas verzichtet werden. Somit herrscht in der Anlage die Umgebungsatmosphäre vor.
Die Temperatur der Flamme des Brenners hat Einfluss auf die Temperatur in der Ofenatmosphäre. Die Flammentemperatur, beispielsweise bei einer Luftzahl von 1, kann wie folgt angegeben werden:

Propan/Butan mit Luft 1925 °C und mit Sauerstoff 2850 °C;
Methan (Erdgas) mit Luft 1970 °C und mit Sauerstoff 2860 °C;
Ethin (Acetylen) mit Luft 2250 °C und mit Sauerstoff 3030 °C;
Wasserstoff mit Luft 2130 °C und mit Sauerstoff 3080 °C.

Die Verbrennung kann mit einer Luftzahl zwischen 0,75 und 1,25 eingestellt werden. Insbesondere kann die Luftzahl mindestens 0,90, vorzugsweise mindestens 0,95, bevorzugt mindestens 1,0 betragen. Insbesondere kann die Luftzahl maximal 1,35, vorzugsweise maximal 1,30, bevorzugt maximal 1,25 betragen. Besonders bevorzugt, um schädliche Emissionen während der Verbrennung weitestgehend zu vermeiden, kann eine Luftzahl zwischen 1,02 und 1,20 gewählt werden.
Je nach Volumen des wärmezubehandelnden Stahlprodukts, und insbesondere auch abhängig von der Temperatur, auf welche das Stahlprodukt erwärmt werden soll, kann eine Verweilzeit im Wärmebehandlungsofen zwischen 10 Minuten und 48 Stunden betragen, insbesondere zwischen 20 Minuten und 24 Stunden, vorzugsweise zwischen 30 Minuten und 12 Stunden.
Der Wärmebehandlungsofen mit direkter Beheizung zum Wärmebehandeln eines Stahlprodukts kann ein Stoßbalkenofen oder ein Hubbalkenofen sein, welcher zur Aufnahme und Wärmebehandeln von Brammen, Blöcken, Scheiben oder Knüppeln ausgelegt ist. Hier kann je nach Volumen des wärmezubehandelnden respektive des zu erwärmenden Stahlprodukts beispielsweise eine Verweilzeit zwischen 10 min und 6 Stunden in Betracht gezogen werden.
Das Stahlprodukt kann auch warm oder heiß mit einer bis zu 800 °C, insbesondere bis zu 700 °C, vorzugsweise bis zu 600 °C betragenden Temperatur in den Wärmebehandlungsofen eingesetzt werden. Dabei kann beispielsweise das Stahlprodukt noch eine Temperatur, beispielsweise aus der Herstellungshitze kommend, aufweisen, ohne dass es beispielsweise auf Raumtemperatur abkühlt. Alternativ kann das Stahlprodukt auch elektrisch auf die vorgenannte Temperatur erwärmt werden, insbesondere induktiv oder konduktiv. Die Mindesttemperatur kann dabei 200 °C betragen.

Das Stahlprodukt kann beispielweise eine Zusammensetzung in Gew.-% umfassen oder bestehen aus:

C:	0,001 bis 0,9;
Mn:	0,05 bis 12,0;
Si:	0,001 bis 5,0;
N:	max. 0,1;
S:	max. 0,1;
P:	max. 0,5;

optional eines oder mehrerer der Elemente:

Al:	max.2,0;
Mo:	max. 1,0;
Ni:	max. 1,0;
Cr:	max. 4,5;
B:	max. 0,01;
Ca:	max. 0,01;
Nb:	max. 0,5;
Ti:	max. 0,5;
V:	max. 0,5;
W:	max. 0,5;
Cu:	max. 1,0;
Co:	max. 0,5;
Sn:	max. 0,5;
As:	max. 0,2;
REM:	max. 0,3;

Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen.

Bevorzugt besteht das Stahlprodukt aus einem Kohlenstoffstahl.
Aus einem erschmolzenen Stahl oder einer erschmolzenen Stahllegierung wird ein Stahlprodukt zu einer Bramme, einem Block oder einem Knüppel vergossen. Am Beispiel einer bekannten Stranggießanlage wird ein geschmolzener Stahl respektive eine geschmolzene Stahllegierung klassisch über eine Kokille gegossen und vollständig zu einem Strang erstarrt, welcher abgezogen und zu mehreren Brammen endlicher Abmessung abgetrennt wird, wobei abschließend zugelassen wird, dass sich die Brammen durch insbesondere natürliche Abkühlung auf Umgebungstemperatur abkühlen. Alternativ können die Brammen aber auch warm oder heiß mit einer bis zu 800 °C, insbesondere bis zu 700 °C, vorzugsweise bis zu 600 °C betragenden Temperatur eingesetzt werden, bevorzugt mit einer Temperatur von mindestens 200 °C. Die Brammen werden zum Weiterverarbeiten beispielsweise in einem Hubbalkenofen oder in einem Stoßofen wärmebehandelt, (wieder-)erwärmt und durchgewärmt. Anschließend werden die Brammen in einer Anlage induktiv und/oder konduktiv somit elektrisch weiterwärmt auf eine Zieltemperatur, welche im Wesentlichen der Walztemperatur entsprechen kann. Nach Verlassen der Anlage zur elektrischen Weitererwärmung werden die Brammen einem Warmwalzwerk zugeführt und warmgewalzt, wobei das Warmwalzwerk mindestens ein Warmwalzgerüst oder vorzugsweise mehrere, bevorzugt bis zu sieben Warmwalzgerüste in einer Warmwalzstaffel umfassen kann, wobei optional ein oder mehrere, beispielsweise bis zu drei Vorwalzgerüste vor einem Warmwalzgerüst respektive einer Warmwalzstaffel in Prozessrichtung angeordnet sein kann oder können.
Die Prozesse zum Wärmebehandeln von Stahlprodukten in Form von Brammen, Blöcken, Scheiben oder Knüppeln und somit auch der Aufbau entsprechender Wärmebehandlungsöfen sowie Anlagen zur elektrischen Weitererwärmung sind Stand der Technik und dem Fachmann damit geläufig.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.
Figur 1 zeigt im oberen Teil eine Prinzipskizze zum Wärmebehandeln eines Stahlprodukts, hier nicht dargestellt, wobei das Stahlprodukt in einen direkt beheizten Wärmebehandlungsofen (1) umfassend mehrere Gasbrenner, welche mit Wasserstoff als Brenngas gespeist werden, nicht dargestellt, eingebracht wird. Im Wärmebehandlungsofen (1) wird das Stahlprodukt auf eine Temperatur (T) unterhalb einer zwischen 1000 °C und 1500 °C betragenden Zieltemperatur (Tz) aufgewärmt, und optional auf dieser Temperatur (T) gehalten. Das Stahlprodukt wird anschließend in einer Anlage (2) elektrisch auf Zieltemperatur (Tz) weitererwärmt und optional auf dieser gehalten. Die Pfeile links und rechts stellen die Prozessrichtung respektive die Durchlaufrichtung des wärmezubehandelnden Stahlprodukts dar.
Das nicht dargestellte Stahlprodukt ist bevorzugt eine Bramme und der Wärmebehandlungsofen (1) ein Hubbalkenofen oder ein Stoßofen.
Im unteren Teil der Figur 1 ist ein Diagramm eines Temperaturverlaufs eines zu erwärmenden Stahlprodukts in Prozessrichtung dargestellt umfassend das Wärmebehandeln im Wärmebehandlungsofen (1) und in der Anlage (2). Im Wärmebehandlungsofen (1) wird das Stahlprodukt auf eine zwischen 850 °C und 1200 °C betragende Temperatur (T) erwärmt und auf dieser Temperatur (T) gehalten. In der Anlage (2), welche vorzugsweise von dem Wärmebehandlungsofen (1) separiert ist, kann damit die elektrische Weitererwärmung des Stahlprodukts in vorteilhafterweise außerhalb des Wärmebehandlungsofens (1) durchgeführt werden. Die elektrische Weitererwärmung des Stahlprodukts in der Anlage (2) wird entweder konduktiv oder vorzugsweise induktiv durchgeführt. Die elektrische Weitererwärmung in der Anlage (2) erfolgt auf Zieltemperatur (Tz) zwischen 1000 °C und 1500 °C und kann optional auf dieser gehalten werden. In der Anlage (2) herrscht beispielsweise normale Atmosphäre respektive Umgebungsatmosphäre vor.
Nicht dargestellt ist, dass die Bramme beispielsweise bereits eine zwischen 200 °C und bis zu 800 °C betragende Temperatur aufweisen kann, so dass der Wärmebehandlungsofen (1) insbesondere schneller im Vergleich zu einer kalt eingeführten Bramme durchlaufen werden kann.
In einer Untersuchungsreihe wurden in einem Laborofen Wasserstoffverbrennungen durchgeführt. Dabei wurden Stahlprodukte in Form von Blechstücken der Güte S420MC verwendet. In allen Versuchen wurden Wasserstoff als Brenngas und eine Luftzahl von 1,1 verwendet. Folgende Versuche wurden durchgeführt:

Erwärmen von Proben von Raumtemperatur auf eine Zieltemperatur von 1300 °C im direkt beheizten Laborofen mit einer Verweilzeit von insgesamt 1 Stunde, → Referenzproben;
Erwärmen von Proben von Raumtemperatur bis auf eine Temperatur von 1100 °C im direkt beheizten Laborofen mit einer Verweilzeit von insgesamt 50 Minuten und anschließend Weitererwärmen mittels Induktor auf eine Zieltemperatur von 1300 °C, → Proben A;
Erwärmen von Proben von Raumtemperatur bis auf eine Temperatur von 900 °C im direkt beheizten Laborofen mit einer Verweilzeit von insgesamt 40 Minuten und anschließend Weitererwärmen mittels Induktor auf eine Zieltemperatur von 1300 °C, → Proben B;
Erwärmen von warmen Proben von 600 °C bis auf eine Temperatur von 1100 °C im direkt beheizten Laborofen mit einer Verweilzeit von insgesamt 35 Minuten und anschließend Weitererwärmen mittels Induktor auf eine Zieltemperatur von 1300 °C, → Proben C.

Nach Entnahme der Proben wurden diese abgeschreckt und tiefgefroren. An den Proben wurde der Wasserstoffeintrag in den Blechstücken mittels Thermaldesorptions-Massenspektrometrie (TDMS) analysiert, welche fachüblich zur Erfassung des Wasserstoffs ist. So konnte in Abhängigkeit vom vorgenannten Wärmebehandeln ein diffussibler Wasserstoffgehalt mit im Durchschnitt 1,75 ppm (Referenzproben); 1,17 ppm (Proben A); 0,75 ppm (Proben B) und 1,05 ppm (Proben C) bestimmt werden. Der Aufbau des Zunders respektive Zunderschicht ist immer ähnlich, welcher durch die drei folgenden insbesondere geschichteten Phasen gekennzeichnet ist. Die äußerste Schicht respektive obere Phase umfasst Hämatit, die mittlere Schicht respektive mittlere Phase umfasst Magnetit und die untere Schicht respektive untere Phase bzw. die dem Stahlprodukt nächstliegende Schicht/Phase umfasst Wüstit. Zudem kann auch eine Fayalit-Phase entlang der Grenzschichtebene auftreten. Des Weiteren konnte mit steigender Temperatur nicht nur eine sichtbare Zunahme des Zunders festgestellt werden, sondern es entstand auch ein andersartiger Zunder, bedingt durch den hohen Wasserdampfanteil > 30 Vol.-% in der Ofenatmosphäre, wobei eine Einlagerung und damit eine Verschiebung von Fayalit-Phasen aus der Grenzschichtebene in eine Wüstit-Matrix in einer mikroskopischen Untersuchung erkannt wurde.
Es konnte gezeigt werden, dass ein positiver Effekt erzielt werden kann, wenn Stahlprodukte in einen direkt beheizten Wärmebehandlungsofen umfassend mehrere Gasbrenner, welche mit Wasserstoff als Brenngas gespeist werden, eingebracht werden, in welchem sie zunächst auf eine Temperatur unterhalb einer zwischen 1000 °C und 1500 °C betragenden Zieltemperatur aufgewärmt werden, und optional auf dieser Temperatur gehalten werden, und anschließend in einer Anlage elektrisch auf Zieltemperatur weitererwärmt und optional auf dieser gehalten werden.

Claims

Verfahren zum Wärmebehandeln eines Stahlprodukts, wobei das Stahlprodukt in einen direkt beheizten Wärmebehandlungsofen (1) umfassend mehrere Gasbrenner, welche mit Wasserstoff als Brenngas gespeist werden, eingebracht wird, in welchem das Stahlprodukt auf eine Temperatur (T) unterhalb einer zwischen 1000 °C und 1500 °C betragenden Zieltemperatur (Tz) aufgewärmt wird, und optional auf dieser Temperatur (T) gehalten wird, wobei das Stahlprodukt eine Bramme und der Wärmebehandlungsofen (1) ein Hubbalkenofen oder ein Stoßofen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlprodukt anschließend in einer Anlage (2) elektrisch auf Zieltemperatur (Tz) weitererwärmt und optional auf dieser gehalten wird, wobei das Stahlprodukt auf eine Temperatur (T) zwischen 850 °C und 1200 °C aufgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anlage (2) von dem Wärmebehandlungsofen (1) separiert ist und damit die elektrische Weitererwärmung des Stahlprodukts außerhalb des Wärmebehandlungsofens (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die elektrische Weitererwärmung des Stahlprodukts in der Anlage (2) induktiv durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die elektrische Weitererwärmung des Stahlprodukts in der Anlage (2) konduktiv durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei in der Anlage (2) normale Atmosphäre vorherrscht.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Stahlprodukt warm mit einer zwischen 200 °C bis zu 800 °C betragenden Temperatur in den Wärmebehandlungsofen (1) zugeführt wird.