ES2202790T5 - Procedimiento para el recocido continuo de substratos metalicos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de recocido de un substrato de acero a su paso que presenta una anchura, particularmente de una chapa de acero, que comprende: - una creación, en una atmósfera gaseosa por la cual pasa el substrato, de un plasma frío que se reparte por toda la anchura del substrato, con formación de descargas por plasma entre una primera cara del substrato que forma un electrodo y un contraelectrodo, - una disipación de potencia eléctrica procedente de estas descargas en el substrato y - una distribución uniforme de densidad de potencia procedente de estas descargas por toda la anchura del substrato, caracterizado por incluir un recocido de recristalización uniforme del substrato a su paso por medio de dichas descargas por plasma.
Description
Procedimiento para el recocido continuo de
substratos metálicos.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de recocido continuo de un substrato metálico a su
paso, particularmente una chapa de acero.
Las técnicas de recocido en continuo aplicadas
actualmente según las cuales los substratos que se han de tratar son
sometidos a temperaturas relativamente elevadas presentan diferentes
inconvenientes.
Así, la inercia térmica de las instalaciones
para la realización de estos procedimientos conocidos es muy
importante. El consumo de gas reductor necesario para evitar la
oxidación de los substratos es elevado. Es imposible obtener,
mediante una sola operación de recocido, un estado superficial que
sea tal que permita el depósito de una capa ulterior, de forma que
generalmente es necesaria una etapa suplementaria de decapado. Dado
que en las instalaciones de recocido conocidas se utilizan tubos
radiantes como medio de calentamiento, estas instalaciones tienen un
tamaño importante y provocan, además, costes de mantenimiento
elevados. Para el recocido de substratos ferromagnéticos, cuando se
utiliza un calentamiento por inducción de frecuencia media, se está
limitado a temperaturas por debajo de la temperatura de Curie. Por
último, el sistema de calentamiento en frecuencias media y alta
presenta un mal rendimiento energético.
Se conoce además un procedimiento de tratamiento
de un substrato de acero a su paso que presenta una anchura,
particularmente de una chapa de acero, que comprende:
- una creación, en una atmósfera gaseosa en la
cual pasa el substrato, de un plasma frío que se reparte por toda la
anchura del substrato, con formación de descargas por plasma entre
una primera cara del substrato, que forma un electrodo, y un
contraelectrodo, y
- una disipación de potencia eléctrica
procedente de estas descargas en el substrato, y
una distribución uniforme de densidad de
potencia procedente de estas descargas por todo el ancho del
substrato (véanse, por ejemplo,
US-A-4896613; S. Schiller y col., A
new sputter cleaning system for metallic substrates, en Thin Solid
Films, 33 (1978), 331-339; S. Schiller y col., The
use of ring gaps discharges for high-rate vacuum
ring, en J. Vac. Sci. Technol., Vol. 14, nº 3, mayo/junio de
1977).
También se conoce un procedimiento de barrido de
substrato por plasmas calientes (véanse Patent Abstracts of Japan,
Vol. 95, nº 4, 31 de mayo de 1995, y JP 07018465 A).
Uno de estos fines esenciales de la presente
invención consiste en proponer un procedimiento que permite resolver
los inconvenientes antes citados y que, además permite asociar, en
una etapa de recristalización a alta velocidad y a temperatura
apropiada, una preparación de la superficie, de tal forma que ésta
permite el depósito de una capa ulterior de acabado sin que sea
necesario someter esta superficie a una operación suplementaria de
decapado, por
ejemplo.
ejemplo.
A este efecto, según la invención, se preve un
procedimiento de tratamiento de un substrato de acero por medio de
descargas por plasma, tal como se ha indicado antes, procedimiento
que incluye un recocido de recristalización uniforme del substrato a
su paso por medio de dichas descargas de plasma.
Ventajosamente, este recocido es realizado a una
presión comprendida entre 10^{-4} y 100 Torr.
Según una forma de realización preferencial, se
realiza el recocido bien sea en atmósfera reductora, por ejemplo en
presencia de hidrógeno, metano, una mezcla de
nitrógeno-hidrógeno o también una mezcla de
argón-hidrógeno, o en atmósfera oxidante seguido de
una de una atmósfera reductora.
Según otra forma de realización preferencial del
procedimiento según la invención, se utiliza una descarga de tipo
magnetrón, encontrándose el substrato en el cátodo y la presión de
los gases durante el recocido comprendida entre 0,001 Torr y 1
Torr.
Se indican otras formas de realización de la
invención en las reivindicaciones adjuntas.
Otros detalles y particularidades de la
invención se desprenderán de la descripción, dada a continuación, a
título de ejemplo no limitativo, de una forma de realización
particular del procedimiento según la invención con referencia a la
figura única adjunta, que es una representación esquemática de una
instalación para la realización del procedimiento según la
invención.
En la descripción dada a continuación las cifras
de referencia se refieren a esta figura.
\newpage
La invención se refiere, de un modo general, a
un procedimiento de recocido de un substrato metálico a su paso que
está preferentemente constituido por una chapa de acero 1 que se
desplaza de una forma sensiblemente continua a través de una cámara
de recocido 2 en la cual se realiza el recocido por medio de
descargas mediante
plasma.
plasma.
Esta cámara 2 está constituida por un recinto
cerrado en el cual reina una presión que generalmente está
comprendida entre 10^{-4} y 100 Torr, de preferencia inferior a 10
Torr.
Las descargas se establecen entre la chapa 1,
durante su paso a través de esta cámara 2, y un contraelectrodo 3,
de una forma tal que se disipe la potencia eléctrica procedente de
las descargas en esta chapa 1 y así por consiguiente que se cree el
recocido. Se obtiene así una recristalización a elevada velocidad,
lo cual permite obtener granos relativamente finos, por ejemplo,
para la producción de acero de elevada resistencia.
Se trata por consiguiente de hecho de un
procedimiento de pulverización catódica ("sputtering") en el
transcurso del cual la chapa es bombardeada por iones procedentes de
un plasma 4 que permite un calentamiento rápido y uniforme y al
mismo tiempo un decapado de la superficie de esta.
Según la invención, el plasma puede ser creado
en corriente continua, formando la chapa entonces el cátodo, o en
corriente alterna.
En este último caso, se utiliza un
contraelectrodo 3 que se extiende por la cámara de recocido 2,
frente a la chapa 1, y que presenta una superficie dirigida hacia la
chapa cuya superficie es superior a la de la parte de la chapa
enfrentada, con el fin de mantener una autopolarización negativa de
esta última.
Como en el procedimiento clásico de
pulverización catódica, la descarga puede eventualmente realizarse
en presencia de campos de inducción magnéticos gracias a la
presencia de imanes 5 cerca de la chapa 1 y por el lado opuesto de
ésta con relación al contraelectrodo 3.
Las densidades de potencia disipadas por
superficie sobre la chapa de acero 1 se encuentran típicamente
comprendidas entre 1 W/cm^{2} y 500 W/cm^{2}, mientras que las
velocidades de paso de esta chapa se encuentran generalmente
comprendidas entre 1 m/min y 1.500 m/min.
La subida de temperatura tiene lugar en la zona
de la chapa donde se realiza la disipación de potencia, mientras que
la velocidad de subida de la temperatura depende de la adaptación de
la densidad de potencia utilizada, de la velocidad de línea así como
del espesor de la chapa y de su capacidad calorífica.
En ciertos casos, puede resultar útil introducir
un grado de estabilización en temperatura en el ciclo de recocido.
Este puede, por ejemplo, ser obtenido previendo en la cámara de
recocido 2 una zona donde la chapa pase libremente bajo una presión
reducida. Basta, por ejemplo, en tal caso, con prever un
compartimento 6 un poco aislado de aquél donde tiene lugar la
creación del plasma. A este respecto, hay que observar que, a
presión reducida, las pérdidas térmicas por conducción son limitadas
y las pérdidas por radiación pueden ser restituidas a la chapa por
medio de reflectores o por medios de calentamiento de pico
radiantes.
En otros casos aún, puede resultar útil
refrigerar la chapa 1 en la cámara de recocido 2, por consiguiente a
presión reducida, por ejemplo haciendo pasar la chapa por cilindros
de refrigeración 7. Así, siempre en la cámara de recocido 2, se
puede aún, si es necesario, considerar revestir la chapa 1 mediante
una película de acabado o de protección, por ejemplo, mediante un
procedimiento de depósito PVD ("physical vapor deposition"),
PECVD ("plasma enhanced chemical vapor deposition") o también
mediante un procedimiento CVD ("Chemical vapor deposition") con
la ayuda de un dispositivo de depósito a vacío 8.
La chapa así tratada puede dejar la cámara de
recocido 2 a una temperatura compatible con el final del
procedimiento metalúrgico.
Señalemos también que el recocido puede ser
realizado en atmósfera reductora, por ejemplo en presencia de
hidrógeno, de metano, de una mezcla de
nitrógeno-hidrógeno o también de una mezcla de
argón-hidrógeno. Si es necesario, se puede realizar
una prelimpieza con plasma en atmósfera oxidante, por ejemplo para
eliminar aceites presentes después de una etapa de laminado. Esta
atmósfera oxidante puede estar formada por una mezcla de
argón-oxígeno conteniendo eventualmente CF_{4} y
podría ir seguida de una atmósfera reductora.
A continuación se facilitan algunos ejemplos de
realización prácticos que permiten ilustrar más el procedimiento
según la invención.
\newpage
Ejemplo
1
| Velocidad de línea | 200 m/min |
| Anchura de banda | 1.000 mm |
| Espesor de banda | 1 mm |
| Temperatura de entrada de recocido | 20ºC |
| Temperatura máx. de recocido (meseta) | 700ºC |
| Tiempo de mantenimiento | 30 s |
| Velocidad de refrigeración (hasta 20ºC) | 50ºC/s |
En esas condiciones, la zona de subida de
temperatura se limitaba a 10 m de longitud para una potencia útil de
10 MW, creando así una velocidad de subida de temperatura del orden
de 224ºC/s. La zona de mantenimiento de temperatura necesitaba una
longitud útil de 100 m. La chapa estaba dispuesta en forma de
acordeón, lo cual permitía una minimización de las pérdidas
térmicas. Además, se utilizaron cilindros de refrigeración de
longitud desarrollada útil del orden de 2,5 m, de forma que hicieron
falta 20 cilindros para volver a la temperatura ambiente. Tras la
esclusa de salida, se enrolló la chapa en forma de bobina.
Ejemplo
2
| Velocidad de línea | 800 m/min |
| Anchura de banda | 1.000 mm |
| Espesor de banda | 0,18 mm |
| Temperatura de entrada de recocido | 20ºC |
| Temperatura máx. de recocido (sin | 600ºC |
| mantenimiento) | 30 s |
| Velocidad de refrigeración (hasta 20ºC) | 6ºC/s |
En estas condiciones la zona de subida de
temperatura se limitó a 7 m de longitud para una potencia útil de 10
MW, creando así una velocidad de subida de temperatura del orden de
los 1.200ºC/s. La chapa experimentó una refrigeración de 600ºC a
420ºC a una velocidad de 6ºC/s, lo cual necesitó una refrigeración
de 400 m. La refrigeración fue asegurada por chorro refrigerante
después de la esclusa de salida bajo atmósfera controlada.
Seguidamente, se estañó o se pasivo la chapa.
Ejemplo
3
| Velocidad de línea | 140 m/min |
| Anchura de banda | 1.000 mm |
| Espesor de banda | 1 mm |
| Temperatura de entrada de recocido | 20ºC |
| Temperatura máx. de recocido (meseta) | 800ºC |
| Tiempo de mantenimiento | 20 s |
| Velocidad de refrigeración (hasta 500ºC) | 100ºC/s |
En estas condiciones, la zona de subida de
temperatura se limitó a 7 m de longitud para una potencia útil de 10
MW, creando así una velocidad de subida de temperatura del orden de
los 260ºC/s. La zona de mantenimiento en temperatura necesitaba una
longitud útil de 47 m. También, se dispuso la chapa en forma de
acordeón para permitir la minimización de las pérdidas térmicas. La
chapa experimentó una refrigeración de 800ºC a 500ºC a una velocidad
de 100ºC/s, lo cual necesitó una longitud útil de refrigeración de 7
m sobre cilindros de refrigeración (3 cilindros de 2,5 m de longitud
útil desarrollada). Después de la salida de la instalación a través
de la esclusa, se sumergió la chapa en un baño de zinc líquido a
490ºC, se escurrió y se refrigeró.
Una alternativa consistía en refrigerar la chapa
hasta 100ºC, lo cual necesitó 3 cilindros de refrigeración
suplementarios, y en revestirla inmediatamente con una película de
protección o de acabado sin volver a la presión atmosférica por
evaporación a vacío (por ejemplo por
sputter-evaporation). Después de la esclusa de
salida, la chapa se revistió con una película a su paso, se aceitó y
se enrolló.
Se entiende que la invención no se limita a las
formas de realización descritas anteriormente y que pueden
contemplarse muchas variantes sin salirse del marco de la presente
invención, particularmente en lo que respecta a la creación del
plasma de recocido, el confinamiento de magnetrones, que, a presión
relativamente elevada, podría omitirse, y el cátodo, que puede ser
un cátodo hueco formado por la chapa que se desplaza en
zig-zag o en acordeón.
Una de las diferencias importantes de la
invención con relación al estado anterior de la técnica reside en el
tipo de plasma utilizado para calentar la banda metálica que se ha
de tratar. En efecto, en el procedimiento según la invención se
utiliza lo que comúnmente se denominan "plasmas fríos"
uniformemente repartidos por todo lo ancho de la banda metálica,
mientras que en los procedimientos conocidos se utilizan bien sea
plasmas de arcos caracterizados por puntos calientes localizados en
la superficie de la banda metálica o chorros de plasma caliente
igualmente de acción muy localizada a nivel de la superficie que se
ha de tratar. Esta acción muy localizada implica por consiguiente
necesariamente sistemas de desplazamiento rápidos de los puntos
calientes con relación al substrato, es decir sistemas que permiten
el desplazamiento de los arcos o de los chorros de plasma por medios
independientes del desplazamiento de la banda metálica. Este
desplazamiento de los puntos calientes es generalmente indispensable
con el fin de tender hacia una densidad de potencia media disipada
por unidad de superficie constante a lo ancho de la chapa. Un
problema de este tipo no se plantea con el procedimiento según la
invención, dado que la densidad de potencia disipada en la chapa
está uniformemente repartida por todo el ancho tratado de la banda
metálica.
Claims (11)
1. Procedimiento de recocido de un substrato de
acero a su paso que presenta una anchura, particularmente de una
chapa de acero, que comprende:
- una creación, en una atmósfera gaseosa por la
cual pasa el substrato, de un plasma frío que se reparte por toda la
anchura del substrato, con formación de descargas por plasma entre
una primera cara del substrato que forma un electrodo y un
contraelectrodo,
- una disipación de potencia eléctrica
procedente de estas descargas en el substrato y
- una distribución uniforme de densidad de
potencia procedente de estas descargas por toda la anchura del
substrato,
caracterizado por incluir un recocido de
recristalización uniforme del substrato a su paso por medio de
dichas descargas por plasma.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por efectuarse el recocido anteriormente citado
a una presión comprendida entre 10^{-4} y 100 Torr, de preferencia
inferior a 10 Torr.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por crearse el plasma
con corriente continua, formando el substrato entonces un
cátodo.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por crearse el plasma
con corriente alterna utilizando un contraelectrodo que se extiende
frente al substrato y que presenta, en un volumen determinado, una
superficie dirigida hacia el substrato, cuya superficie superior a
la de la parte del substrato presente en este volumen, con el fin de
mantener una autopolarización negativa de este último.
5. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por realizarse las
descargas en presencia de campos de inducción magnéticos.
6. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por realizarse el
recocido bien sea en atmósfera reductora, por ejemplo en presencia
de hidrógeno, de metano, de una mezcla de
nitrógeno-hidrógeno o también de una mezcla de
argón-hidrógeno, bien en atmósfera oxidante seguido
de una atmósfera reductora.
7. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por hacer pasar al
substrato a una velocidad comprendida entre 1 m/min y 1.500
m/min.
8. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por utilizar una
descarga de tipo magnetrón, estando el substrato en el cátodo y
estando comprendida la presión entre 0,001 y 1 Torr.
9. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 8, caracterizado por incluir, para
formar los campos de inducción magnéticos, una disposición de imanes
en la proximidad del substrato, por un lado de éste que está en la
parte opuesta al contraelectrodo.
10. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por incluir
- una creación de un plasma frío adicional por
medio de descargas mediante plasma entre una segunda superficie de
substrato y un contraelectrodo adicional, estando el indicado plasma
adicional repartido por todo lo ancho del substrato, y
- una disipación de potencia eléctrica
procedente de estas descargas en el substrato con una distribución
uniforme de densidad de potencia por todo lo ancho y su recocido
rápido y uniforme.
11. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por incluir además un
enfriamiento del substrato recocido, seguido de un revestimiento del
substrato recocido y enfriado por una película de acabado o de
protección.
Applications Claiming Priority (2)
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