JP7378615B2 - 調整された箔熱処理 - Google Patents

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Description

本発明は、熱処理炉の中の金属帯板または金属箔の熱処理のための、特に圧延残留物を除去するための方法に関する。本発明は、さらに、本発明による方法を実行するための金属帯板または金属箔の熱処理のための装置に関する。
熱処理は、金属帯板または金属箔の製造において特別な役割を果たす。例えば、金属製品は、一般に、材料の構造における温度依存性の過程が金属製品の特性に目標として設定された影響を及ぼすことができるように、製造プロセス時に熱間圧延および冷間圧延プロセスならびに中間焼なましを受ける。
通常、様々なプロセスステップの後に、特に箔製造において最も重要なプロセスの1つを代表する仕上げ焼なましが続く。仕上げ焼なましは、一方では金属帯板および金属箔の再結晶または部分再結晶、いわゆる条件焼なまし(独:Zustandsgluehen,英:condition annealing)または逆焼なまし(独:Rueckgluehen,英:back annealing)のために用いられ、材料の再結晶温度を超えることによって再結晶が行われる。他方では、仕上げ焼なましは、帯板表面の熱清浄化法、特に圧延機械において用いられる潤滑剤、例えばグリース、ワックスおよび圧延油のような圧延残留物のいわゆる脱脂法として用いられる。金属製品のさらなる加工に備えて潤滑剤のない表面を確実にするためおよび例えば後続の成形時の固着問題を防ぐために、帯板表面の徹底的な清浄化が必要である。これは、帯板または箔表面における潤滑剤および油を含有する残留物の蒸発からなる時間遅延焼なまし段階によってなされる。
従って、用いられる焼なましプログラムは、温度-時間曲線、環境と炉室との間のプロセス空気交換の体積および炉室の中の循環のための空気体積がとりわけ考慮され、常に焼なましプロセスのための再結晶要件と脱脂要件との間の妥協である。部分再結晶の方が焼なましパラメータ制御に敏感なため、プロセスは条件焼なまし時にいっそう複雑になる。しかし、現行の焼なましプロセスの一部として通常は一般的な焼なましプログラムが用いられ、かつ差別化基準がないので、出発材料のパラメータに特に個別に応答することは可能でない。そのうえ、プロセス技術は通常、計装化が不十分であり、金属帯板または金属箔についての実際に有効なパラメータ、例えば金属温度または空気体積は、未知であり、例えばファン回転速度またはスクリーン位置のような補助的な変数に基づいて推定されるだけである。
長年にわたり、当業界において2つの焼なましの考え方が確立されてきた。第1に、品質重視の低温長時間焼なまし、第2に、資源重視の高温短時間焼なましである。低温長時間焼なましは、例えば表面粗さ、油コーティングの品質および量、プロセス空気の密度および湿度、または巻かれてコイルにされた金属帯板または金属箔の場合の巻き密度のような、入力パラメータおよび環境パラメータの偏差へのその許容性を特徴とし、従って品質最適化型の良心的な考え方(独:gutmuetige Philosophie,英:good-natured philosophy)を代表する。しかし、低温長時間焼なましに伴う問題は、低めの焼なまし温度において燃え尽きないトランプ油による圧延油の汚染である。そのうえ、比較的長い焼なまし時間は、一時的に焼なまし能力の空き不足を生じ、かなりのコスト要因も代表する。従って、製品品質への要件が増加し、表面品質についての狭い許容限界を遵守しなければならない一方で、コストを抑え資源を節約する製造プロセスを背景として、より効率的なエネルギーの使用がますます重要になりつつある。
高温短時間焼なましは、効率的なスループット最適化型の考え方を代表するが、上述の入力条件および環境条件に対する許容性があまりないので、高い焼なまし誤り頻度を有する。誤り許容性がない高温短時間焼なまし、先行プロセスからの自然なプロセス揺らぎおよび計装化が不十分な炉技術の組み合わせは、不可避的に脱脂プロセスにおける高頻度の不均質箇所、ひいては焼なまし誤りをもたらし、そのことが不十分な解き放し品質、特にロール芯近くの固着、およびその後の加工における製品の固着問題を生じる。特に、薄い金属帯板または金属箔は、焼なまし処理に敏感に反応し、応力箇所、フローラインを形成し、あるいは焼なまし泡さえ形成する。制御不能なしわ形成および不均等な強度特性は、最終製品に至るまで後続の加工操作に悪影響を及ぼす。最悪の場合のシナリオでは、応力箇所、フローラインおよび焼なまし泡は亀裂の原因となり、金属製品を使用不能にし得る。
熱処理時の不活性気体の供給を最適化することができる、熱処理炉の中の気体雰囲気を決定する方法が特許文献1から公知である。炉雰囲気を制御する精密な方法も特許文献2から公知である。しかし、どちらの文献も帯板または箔コイルを焼なましするときの焼なまし誤りの回避を扱っていない。
独国特許出願公開第197 466 733(A1)号 欧州特許出願公開第2 871 248(A1)号
従って、本発明の目的は、プロセス信頼性がありかつコスト効果のある方法で高品質金属製品を提供することができ、金属帯板および金属箔の不良率を低くすることができる、熱処理炉の中の金属帯板または金属箔の熱処理のための、特に圧延残留物を除去するための方法を提供することである。さらに、本発明の根底にある目的は、金属帯板または金属箔の熱処理のための、特に本発明による方法を実行するための有利な装置を提案することである。
本発明の第1の教示によれば、上記の目的は、圧延残留物を除去するための熱処理炉の中の帯板または箔コイルの形の金属帯板または金属箔の熱処理のための方法について、熱処理が実行されている間に炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量が決定され、熱処理のプロセス制御または調整のために用いられ、熱処理時に金属帯板または金属箔における圧延残留物の除去の速度が制御されるかまたは調整されることにおいて実現される。
熱処理は、例えば金属帯板または金属箔の仕上げ焼なましである。適切な焼なましは、例えば後続の成形ステップのようなさらなる加工を容易にし、金属製品の機械的性質を向上させ、寸法安定性を高めることができる。仕上げ焼なましは、特に軟化焼なましおよび清浄化を目的として実行される。清浄化、特に脱脂によって、圧延された金属製品の表面から冷却用潤滑剤の残留物をなくし、例えば帯板コーティングに備えることができる。例えば不十分な解き放し品質または後続の成形時の固着問題のようなさらなる加工時の問題は、製品表面を清浄化することによって防ぐことができる。これを目的として、金属帯板または金属箔は、帯板または箔コイルの形で熱処理炉の中で焼なましされる。
原則として、熱処理は、例えば後続の圧延ステップを容易にする目的を有する中間焼なましであってもよい。特に金属帯板または金属箔がコイルの形であり、厚さが非常に小さい場合、中間焼なましであっても焼なまし誤りを生じ得る。
圧延残留物の除去は、金属製品の表面に圧延後に残留物として残る冷却用潤滑剤の蒸発および酸化によって定まり、蒸発させるべき圧延油の蒸気圧(独:Dampfdruck,英:steam pressure)およびその酸化にとって、金属温度、圧延油コーティングのタイプおよび量ならびに炉室の中の雰囲気、いわゆる炉雰囲気またはプロセス空気が決定的である。金属製品の温度は、とりわけ、予め定められた焼なましプログラムの温度-時間曲線、製品の重量および寸法、材料厚さ、炉充填レベル、炉の構造タイプおよび効率の結果である。圧延油コーティングのタイプおよび量は、粗圧延、二層化(独:Doppeln,英:doubling)および仕上げ圧延のために用いられた圧延油の選択および(可変)組成の結果であり、これらの圧延油は、今度は基油および添加剤からなる。炉雰囲気の組成は、特に、清浄化の結果に大きな影響を及ぼす。炉雰囲気の組成と炉室から排出されるプロセス排出気体の組成との両方は、今度はいくつかの要因に依存する。とりわけ、それらは、焼なまし段階、実行されるべきプロセス、炉充填レベルおよび処理されるべき出発材料の所産である。
本発明による方法を用いると、出発材料の条件、例えば油コーティングの沸騰挙動および量、ならびに焼なましプロセスの状態、例えば蒸発および酸化段階は、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を測定することによって非明示的に定められることが示された。含有量情報とは、一般に混合物の中の単一の物質の割合を定量化する。本件において、これは、例えば所定の空気体積に対する生成物の量を指し示す濃度としても理解される。体積を知ることのない純粋な量決定も考えられる。
従って、少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を決定することによって冷却用潤滑剤の蒸発および酸化の速度についてのステートメントを作成することができる。今度はこれに応じて熱処理の制御または調整に影響を及ぼすために、特に圧延残留物の除去を制御するかまたは調整するために本発明による方法を用いることができる。これは、例えば帯板または箔コイルの中の圧延残留物の蒸発および酸化の速度を有利に制御することを可能にする。好ましくは、炉雰囲気の中の直接測定がリアルタイム結果を提供し、従って雰囲気の中に現に存在する蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量に関する高い情報価値を提供できる。プロセス排出気体の中の測定は、特に容易である一方で本プロセスの慣性が時間遅延の原因になる。
本発明によれば、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を決定することによって、熱処理、特に圧延残留物の除去を今度は有利に制御するかまたは調整することができることが認識された。ここで、プロセス調整とは、所望の目標値からの偏差がある場合に、実際の値が目標値に近づき、理想的にはそれに到達するように、パラメータの実際の値が適切なプロセス措置によって変えられることを意味する。目標値からの揺れ動きに対する措置が講じられるため、フィードバックはネガティブフィードバックである。例えば、プロセス調整は、PIDコントローラによって実行することができる。他方、プロセス制御においてはフィードバックがなく、従って閉じた影響のシーケンスがない。制御とは、システムの動きに影響を及ぼし、その制御によってそのシステムが異なる状態に移されることを意味すると理解される。制御または調整は、選ばれたパラメータに影響を及ぼすことによって、例えばある値を増減することによって行うことができる。
本発明による方法による制御または調整は、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中に存在する少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として、ひいては出発材料の条件および焼なましプロセスの状態の関数として行われることを特徴とする。これは、前述のプロセスパラメータのばらつきにしかるべく応答し、ひいては圧延された金属製品の表面から冷却用潤滑剤残留物を確実になくすことが可能であるという利点を有する。従って、本発明による方法は、高温短時間焼なましを用いると同時に典型的な焼なまし誤りを避けることを可能にする。従って、それは、圧延残留物を除去するための実施可能なコスト効果のある解決策を代表し、その特性という点で入力条件およびプロセスパラメータに強く依存する高温短時間焼なましの誤り許容性を増大させる。
金属帯板または金属箔は、好ましくは、バッチ炉の中の帯板または箔コイルの形で焼なましされる。バッチ炉は、通常、運転および購入するのに連続炉ほどコストがかからない。しかし、通常、バッチ炉に伴う難事は、例えば金属コイルを炉に装填するとき温度が均等に分布することを確実にすることである。圧延油の酸化および排出気体の放出は、巻かれたロール(独:gewickelten Rollen,英:wound rolls)の端面を介して起こるので、通常は主に帯板または箔コイルで清浄化プロセスにおける不均質箇所が発生する。熱処理時、加熱は最初に外側から行われるが箔コイルの内部の金属が熱くなる速さは遅くなる。これは、箔コイルの内部にある金属の追加の加熱の場合、遅れるが最終的には蒸発生成物および/または酸化生成物の突発的な増加をもたらす。不均質箇所は、焼なまし誤りを生じ、さらなる加工時の不十分な解き放し品質ならびに固着問題を生じる結果となり得る。特に、薄い金属帯板および金属箔は、焼なまし条件に敏感であり、特に箔コイルの内部において応力、または最悪の場合には製品中の亀裂を生じ得る焼なまし泡さえ形成する。
本発明による方法は、帯板および箔コイルの蒸発プロセスの速さおよび均質性についてのステートメントを作成するために用いることができる。さらに、清浄化プロセスの入力パラメータおよびプロセスパラメータのばらつきに応答することおよび、ひいては特に帯板または箔コイルの中の気体圧力に影響を及ぼすことが有利に可能であり、気体圧力は、本方法によって調和化され、例えば制御されるかまたは調整される。気体圧力の調和化とは、例えば気体圧力の増加の均一化、すなわち熱処理時の蒸発の速度の減少として理解することができる。従って、本発明による方法は、帯板および箔コイルの中の圧延残留物の蒸発および酸化の速度を有利に制御または調整することができる。本発明による方法によって精密に調和が取られた炉雰囲気は、従って帯板または箔コイルの熱処理にとっての所望の結果も確実にし、高温短時間焼なましの誤り許容性の増大を可能にする。本発明による方法を用いて製造された帯板および箔コイルは、特に、速さを増して固着なしで解き放すことができる。
好ましくは本発明による方法を用いて1μm~250μm、好ましくは1μm~60μm、特に好ましくは4μm~20μmの厚さを有する金属箔が処理される。通常、金属箔の製造は、箔粗圧延帯板として知られているものから粗圧延、二層化、仕上げ圧延、分離、巻きおよび仕上げ焼なましのプロセスステップを用いて行われる。この場合、粗圧延および仕上げ圧延は高さ減少のため、二層化は2倍型仕上げ圧延に備えて2枚の帯板層を貼り合わせるため、分離は仕上げ圧延された箔ウェブを分離するため、巻きは箔コイルを提供するため、仕上げ焼なましは箔表面を脱脂し、材料を再結晶させるために用いられる。
好ましくは、本発明による方法は、帯板または箔コイルの中の過度の蒸発生成物または過度の酸化生成物の生成による金属帯板または金属箔への損傷を目標設定型の方法で顕著に減らすことができるように、熱処理時に帯板または箔コイルの中の蒸発生成物および/または酸化生成物の気体圧力を制御するかまたは調整するために用いられる。
本発明による方法の第1の構成によれば、プロセス制御または調整において、炉温度、炉温度勾配、プロセス空気交換体積、プロセス空気の循環体積および/または炉雰囲気の組成が、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として制御されるかまたは調整される。特に、温度、温度勾配、交換体積および循環体積のパラメータならびに炉雰囲気の組成は、帯板または箔コイルの特に効果的かつ均質な熱処理に影響を及ぼすことが認識された。製品表面における圧延残留物の均質な除去を確実にするために、残留物の均質な蒸発が必要であり、そのために均一な温度分布が特に重要である。炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の蒸発生成物および酸化生成物の突発的な増加を避けるために、本発明による方法を用いて温度勾配をしかるべく適応させることができる。プロセス空気の循環体積も間接的に熱処理炉の中の温度分布の均質性に影響を及ぼすことができる。さらに、循環体積を制御するかまたは調整することによって炉室の中の個々の気体成分の一定の分布を実現することができる。例えば対流換気の一部としてプロセス空気交換体積を制御するかまたは調整することによって炉雰囲気に影響を及ぼすこともできる。
従って、圧延残留物、特に圧延油の蒸発および酸化の速度は、本発明によって、例えば、炉温度の抑制的または促進的な設定、炉温度の勾配の設定および炉雰囲気の設定によって制御される。
蒸発させるべき圧延油の蒸気圧および蒸発プロセスの速さは、炉室温度および炉室温度の勾配を測定することおよび設定することによって影響を受ける。測定されるべきパラメータは、例えば割り当てられた目標値であってよい。炉雰囲気の中の圧延油および部分的に酸化された圧延油の濃度あるいは圧延油酸化生成物の濃度が予め定められた閾値を上回るかまたは下回る場合に、炉温度を、例えば維持または低くさせたり、あるいは温度増加の勾配を、例えば小さくしたりする等の変更が行われる。
蒸発させるべき圧延油の蒸気圧および蒸発プロセスの速さも、炉雰囲気の中の既に蒸発したおよび/または酸化された圧延油の含有量を測定することおよび設定することによって影響を受ける。例えば、炉雰囲気の中の圧延油および部分的に酸化された圧延油の含有量または圧延油酸化生成物の含有量が予め定められた閾値を下回る場合、プロセス空気交換を、例えば増減する等の変更が行われる。
蒸発させるべきおよび/または蒸発した圧延油の酸化性および酸化プロセスの速さも、炉雰囲気の中の既に蒸発したおよび/または酸化された圧延油の含有量を測定することによって、および炉雰囲気の酸化能力を設定することによって影響を受ける。例えば、炉雰囲気の中の圧延油および部分的に酸化された圧延油の含有量または圧延油酸化生成物の含有量が予め定められた閾値を上回る場合、炉雰囲気の酸化能力は、例えば酸化を弱めるかまたは減らす窒素または水素のようなプロセス気体を加えることによって影響を受け、好ましくは減らすことができる。炉雰囲気の中の圧延油および部分的に酸化された圧延油の含有量または圧延油酸化生成物の含有量が予め定められた限界値を下回る場合、炉雰囲気の酸化能力は、例えば酸化を増加させる酸素またはオゾンのようなプロセス気体を加えることによって影響を受け、好ましくは増大する。
従って、本発明による方法の有利な構成は、特に、金属帯板または金属箔コイルの中の気体圧力に多くの点で影響を及ぼすこと、時間の経過に伴ってそれらを調和化させること、およびひいては高温短時間焼なましの誤り許容性を増大させることを可能にする。温度レベルおよび勾配および/または炉雰囲気の組成の連続監視および調整された影響によって、巻かれたコイルの中の金属帯板または金属箔の表面の清浄化プロセスを最適化することができる。
本発明による方法のさらなる有利な構成によれば、プロセス制御または調整において、炉温度勾配は、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の勾配の関数として制御されるかまたは調整される。蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の増減に応じて、このことは、蒸発させるべき圧延油の蒸気圧および蒸発プロセスの速さにも目標を設定した上で影響を及ぼすこともできる。炉雰囲気の中の圧延油および部分的に酸化された圧延油の含有量および/または圧延油酸化生成物の含有量の勾配が例えば予め定められた閾値を上回る場合、温度増加の勾配は、例えば小さくされる等して適応させられる。
熱処理を制御するかまたは調整するために、本発明による方法の次の有利な構成によれば、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の炭素含有量(Ctotal含有量)、有機化合物の含有量(Vorg含有量)、一酸化炭素含有量(CO含有量)および/または二酸化炭素含有量(CO含有量)が決定され、熱処理のプロセス制御または調整のために用いられる。炉雰囲気およびプロセス排出気体の炭素含有量は、特に簡単な方法で確実に決定することができ、蒸発生成物および酸化生成物に特有である。例えば、COおよび/またはCO含有量は、圧延油酸化生成物の含有量を代表し、一方、Vorg含有量は、圧延油および部分的に酸化された圧延油の含有量を反映する。すべての炭素含有物質の、すなわちVorg、COおよびCOを含む合計は、Ctotalによって指し示される。
炉雰囲気またはプロセス気体の中のCtotal含有量、Vorg含有量、CO含有量およびCO含有量は、特に重要なパラメータである。こうすると、炉雰囲気の中またはプロセス排出気体の中の金属帯板または金属箔コイルに対して従来の方法で実施されたステップの間に、Ctotal含有量、Vorg含有量、CO含有量および/またはCO含有量の非常に突発的な増加が起こり、はっきりとしたCtotalピーク、Vorgピーク、COピークまたはCOピークが得られる結果となることが見いだされた。しかし、そのような従来の方法は、帯板または箔製造において上述の問題を生じ、従って、不適切な製品結果をもたらす。対照的に、本発明による方法は、目標設定型の方法で熱処理に有利に影響を及ぼすことができ、例えば温度、循環体積またはプロセス空気交換を制御するかまたは調整することによってそのような炭素ピークを小さくするかまたは避けることができ、そのことが良好な焼なまし結果をもたらす。
好ましくは、例えば定められた炉雰囲気またはプロセス排出気体体積の交換体積の場合、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の最大炭素含有量Ctotal max、有機化合物の最大含有量Vorg max、最大一酸化炭素含有量COmax、および/または最大二酸化炭素含有量CO2 maxが制限される。定められた炉雰囲気またはプロセス排出気体体積の交換体積における最大炭素含有量Ctotal max、有機化合物の最大含有量Vorg max、最大一酸化炭素含有量COmaxおよび/または最大二酸化炭素含有量CO2 maxを制限することによって、本発明による方法は、例えば最大蒸発速さが制御されることを可能にし、それによって、良好な焼なまし結果を有利に実現することができ、特に、焼なまし泡を減らすかまたは完全に避けることができる。
さらなる構成によれば、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の炭素勾配Ctotal grad、有機化合物の含有量の勾配Vorg grad、一酸化炭素勾配COgradおよび/または二酸化炭素勾配CO2 gradが制限される。炉雰囲気の中またはプロセス排出気体の中のCtotal、Vorg、COまたはCO含有量の過度の勾配は、蒸発生成物および/または酸化生成物の突発的かつ強い増加を指し示し、この増加が今度は金属製品の中の固着および焼なまし泡の形成をもたらすことが示されている。従って、勾配の制御は、蒸発速さの制御および、ひいては炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の合計含有量Ctotal、Vorg、COおよび/またはCOとは独立に、例えば焼なまし泡のような焼なまし誤りの回避を可能にする。
好ましくは、Vorg含有量はFID分析装置、好ましくはオンラインFID分析装置によって、CO含有量はCO分析装置、好ましくはオンラインCO分析装置によって、CO含有量はCO分析装置、好ましくはオンラインCO分析装置によって、および/またはCtotal含有量はFID分析装置およびCO分析装置および任意選択としてCO分析装置によって決定される。FID(フレームイオン化検出器)分析装置は、揮発性炭素物質を監視するために特に適している。FID分析装置の検出器信号は、広い濃度範囲にわたって炭素含有量に線形に比例するので、炭素含有量を較正なしに確定することができ、FID分析装置は、定量に特に適している。そのうえ、FID分析装置は、高速かつ堅牢であるだけでなく感度が高い。従って、炭素含有量の決定は、信頼性がありかつ制御された方法で実行することができる。
COまたはCOセンサーまたは赤外分析装置は、例えば、COまたはCO含有量を測定するために用いることができ、それらの特に高い精度を特徴とする。特に、CO赤外分析は、特に正確なその場で測定可能な方法である。しかし、同時にこの分析装置は定期的な較正を必要とするので、赤外分析は比較的高価かつ複雑である。
total含有量は、FID分析装置、好ましくはオンラインFID分析装置、CO分析装置、好ましくはオンラインCO分析装置およびCO分析装置、好ましくはオンラインCO分析装置を用いて決定することができる。しかし、Ctotal含有量を決定するのに十分な正確さは、FID分析装置およびCO分析装置を用いることによって既に実現され得る。
本発明による方法のさらなる有利な実施形態によれば、熱処理は、80~120℃または200℃超、好ましくは220℃超、特に好ましくは300℃超の温度で実行される。200℃を超える焼なまし温度で、製品表面の圧延残留物の実質的に完全な除去を実現することができる。熱処理の持続時間は、温度および処理される材料の質量にとりわけ依存する。80~120℃の低温焼なましの場合、例えば圧延を行ったばかりの箔の場合に、あまり軟化させずに圧延残留物を除去するために本発明による方法を用いることができる。
金属帯板または金属箔は、好ましくは、コイルの形で処理される。コイル幅に応じて、実質的に完全な圧延残留物の除去を実現するために焼なまし時間は、約20~180時間であってよい。コイル幅は、主として金属帯板および金属箔の使用法に依存する。狭幅コイルは、例えば、250mm~1000mmの幅を有する。製品表面の実質的に完全な清浄化を目的とする場合、約220℃の焼なまし温度における狭幅コイルのための焼なまし時間はおよそ80時間、約350℃の温度においておよそ35時間、約400℃の温度においておよそ20時間にすぎない焼なまし時間である。他方で、広幅コイルは、1000mm~2500mm、好ましくは1300mm~2100mmの幅を有してよい。例えば、約220℃の温度における焼なまし時間は、およそ180時間、約350℃の温度においておよそ80時間、および約400℃の温度においておよそ60時間である。
好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金帯板または箔が処理される。材料アルミニウムは、その広い範囲の技術的な用途を特徴とする。合金用元素を加えることによって、種々の特性を有するアルミニウム帯板およびアルミニウム箔を製造することができる。種々の熱処理との組み合わせでアルミニウムの力学的性質をそれぞれの加工および操作条件に最適に適応させることができる。
とりわけ、アルミニウムは、包装業界にとって鍵となる材料と考えられる。特に、食品および製薬セクターにおいて、アルミニウムは、液体包装、例えばミルクまたはジュースカートンのような多くの包装製品形も遍在する。低い密度によって、アルミニウム帯板およびアルミニウム箔の使用は、重さに敏感な用途にとって特に有利である。成形性、印刷性および優れたバリアー特性、例えば光、酸素および風味に対する低い透過性の対応する組み合わせを実現することができる競合材料はなく、保護および保存を行う複雑な食品サプライチェーンにおいてアルミニウム箔は右に出るものがない。従って、適切に処理されたアルミニウム帯板およびアルミニウム箔の使用は、食品包装にとって、特に液体包装にとって特に有利である。
本発明の第2の教示によれば、上記の目的は、本発明による方法によって圧延残留物を除去するための、帯板または箔コイルの形の金属帯板または金属箔の熱処理のための装置によって、該装置が、熱処理が実行されている間に、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を決定するための少なくとも1つの手段と、熱処理時に金属帯板または金属箔における圧延残留物の除去の速度を制御するかまたは調整することができるように設計されている、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として熱処理を制御または調整するための少なくとも1つの手段と、を有することにおいて実現される。熱処理を制御または調整するための少なくとも1つの手段は、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として熱処理を制御するかまたは調整するように特に設計される。従って、本発明による装置は、本発明による方法を実行するために適している。
好ましくは、熱処理のための装置は、バッチ炉である。一般に、バッチ炉は、運転および購入するのに連続炉より費用がかからず、巻かれてコイルにされた金属帯板または金属箔の熱処理を可能にする。これを目的として、バッチ炉は、炉本体および炉室を有し、炉室は、炉本体の内部に配置され、少なくとも1つの帯板または箔コイルを受け容れるように設計されている。
本発明による装置は、例えばVorg、COおよび/またはCOの分析装置、好ましくはFIDまたは赤外分析装置のような、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を決定するための少なくとも1つの手段も有する。炉雰囲気は、炉室の内部のプロセス空気である。炉室と環境との間でプロセス空気交換が行われ、本発明によってプロセス排出気体の中の蒸発生成物および/または酸化生成物を決定するための手段も提供されている。熱処理を制御するかまたは調整するための手段として、例えばPIDコントローラを提供することができる。
熱処理のための本発明による装置を用いて、例えば清浄化を目的として金属帯板または金属箔の仕上げ焼なましを実行することができる。この場合、本発明による装置は、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を監視し、熱処理のプロセスパラメータへ特に影響を与え、例えば熱処理時のコイルの中の金属帯板または金属箔における圧延残留物の除去の速度の制御または調整することが可能である。例えば、こうすると、帯板または箔コイルの中の蒸発生成物および/または酸化生成物の気体圧力も、制御された効率的かつ信頼性のある金属帯板または金属箔の表面の圧延残留物からの清浄化が確実であるように、熱処理時に制御するかまたは調整され得る。これは、焼なまし泡、後続のさらなる加工ステップに伴う問題または、製品損傷あるいは製品表面における亀裂さえ生じ得る帯板または箔コイルを解き放すときの固着を避ける助けとなる。
本発明による装置の第1の有利な構成によれば、装置は、炉温度、炉温度勾配、プロセス空気交換体積および/またはプロセス空気の循環体積を、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として制御するかまたは調整するための少なくとも1つの手段を有する。
好ましくは、本装置は、炉温度勾配を、炉雰囲気および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の勾配の関数として制御するかまたは調整するための少なくとも1つの手段を有する。これは、例えば、調和化、すなわち例えば帯板または箔コイルの中の圧延残留物の蒸発の速度の均一化、特に低下を直接的に実現することができる。
炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として熱処理に影響を及ぼすことができるように、好ましくは、本装置は、熱処理に影響を及ぼすための少なくとも1つの制御可能な手段を有する。例えば、ヒーターまたはフラップを用いて炉室の中の温度または温度勾配に影響を及ぼすことができる。炉室の中の空気循環のためにはファンが有利であり、一方、炉雰囲気、特に炉雰囲気の酸化能力を設定するために、用量調整弁を用いてプロセス気体、例えば不活性気体または反応気体を供給することができる。
ここで本発明による方法および本発明による装置を構成し、さらに発展させるために複数の可能性がある。これを目的として、一方で請求項1および11に従属する請求項、ならびに図面と関連する実施形態例の記載が参照される。
概略表示において、箔コイルの中に形成された焼なまし泡の上面図を示す。 概略表示において、箔コイルの中に形成された焼なまし泡の側面図を示す。 概略表示において、本発明による装置の実施形態例を示す。 概略表示において、本発明による方法の有利な構成を示す。 概略表示において、本発明による方法の有利な構成を示す。 グラフにおいて、従来の方法によって実施された脱脂焼なましの場合と本発明による方法の有利な構成による脱脂焼なましの場合との炉パラメータの測定値からなる試験結果を示す。 グラフにおいて、従来の方法によって実施された脱脂焼なましの場合と本発明による方法の有利な構成による脱脂焼なましの場合との炉パラメータの測定値からなる試験結果を示す。
二重の層として巻かれてコイル2にされ、熱処理炉の中で220℃~250℃において従来の方法によって軟焼なましされた金属箔1、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金箔が図1aに示される。コイル2は、250mm~2500mm、特に約1000mmまたは約1700mmの幅を有する。巻き高さhは、例えば18mmであり、それによって、図示されている箔層は、コイル2の芯3に非常に近い。
従来の方法で仕上げ焼なましされた焼なましに起因して、箔表面に深刻な焼なまし泡4が形成された。焼なまし泡4の内表面において移動方向を横切る引っかき傷を見ることができ、これらの箇所で材料が凹んでいる。切線A-Bにおける焼なまし泡4の断面が図1bに詳しく示される。領域Xにおける焼なまし泡4の縁に材料の圧縮部(独:Die Stauchung,英:a compression)が形成された。圧縮部は、焼なまし泡4の内側または外側にあり得る。焼なまし泡4の領域Yにおいて、箔1は、材料の狭窄化(独:Einschnuerung,英:constriction)を示し、金属箔1の亀裂または破断を生じ得るフローラインを有する。
本発明による方法の目的は、制御されかつコスト効果のある方法で高品質金属製品を提供するため、およびひいては金属帯板および金属箔の不良率を低くするために、金属帯板または金属箔のそのような焼なまし泡および溶着部の形成を避けることである。圧痕および引っかき傷の形の金属表面への損傷も品質問題および不良につながる。他方、プロセス技術という点で良好であり、局所固着傾向がないかまたは顕著に低下した箔コイルは、良品として評価される。許容される特性を有する焼なまし泡は、帯板張力が増加しても固着せず、問題なく減速させることができる。これは、特にコイル芯3の近く、例えば例えば12mmまでまたは18mmまでの巻き高さに位置する箔層にもあてはまる。先行技術から公知の問題は、圧延残留物を除去するための熱処理炉の中の帯板または箔コイル2の形の金属帯板または金属箔の熱処理のための、特にアルミニウムまたはアルミニウム合金帯板または箔の処理のための本発明による方法を用いて、熱処理が実行されている間に炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量が決定され、熱処理のプロセス制御または調整のために用いられ、熱処理時に金属帯板または金属箔における圧延残留物の除去の速度が制御されるかまたは調整されることにおいて解決することができる。従って、例えば雰囲気監視と、蒸発生成物および酸化生成物の速度を考慮した制御または調整と、を含む本発明による方法は、とりわけ、金属製品の均質さを確実にし、それらの品質をしかるべく向上させることができる。
図2は、金属帯板または金属箔の熱処理のための、特に圧延残留物を除去するための本発明による装置の有利な構成を示し、装置は、熱処理が行われている間に炉雰囲気11の中および/またはプロセス排出気体12の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を決定するための少なくとも1つの手段8と、熱処理時に金属帯板または金属箔における圧延残留物の除去の速度を制御または調整することができるように設計されている、熱処理を制御または調整するための少なくとも1つの手段9と、を有する。
装置は、この場合、炉室6に加えて炉本体10を有し、炉室6は、炉本体10の内部に配置され、巻き上げられてコイル2にされた金属帯板または金属箔を焼なまし用フレーム(ここでは表示せず)上に受け容れるように設計されている熱処理炉5、特にバッチ炉である。炉室6の内部のプロセス空気は、炉雰囲気11と呼ばれる。炉室6と環境との間でプロセス空気交換が行われ、それによって炉室6からプロセス排出気体12が放出される。熱処理炉5は、炉室6の中の空気循環のためのファン7も有する。
熱処理炉5は、熱処理が実行されている間に炉雰囲気11の中および/またはプロセス排出気体12の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を決定するための少なくとも1つの手段8を有する。特に、熱処理炉5は、炉雰囲気11の中のVorg含有量を決定するためのFID分析装置、好ましくはオンラインFID分析装置、CO含有量を決定するためのCO分析装置、好ましくはオンラインCO分析装置および/またはCO含有量を決定するためのCO分析装置、好ましくはオンラインCO分析装置を有する。COまたはCO分析装置は、特に、赤外分析装置であってよい。あるいは、熱処理炉5は、プロセス排出気体12の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を決定するための少なくとも1つの手段8を有することができる(ここで点線によって表示される)。
熱処理炉5は、熱処理を制御するかまたは調整するための少なくとも1つの手段9も有する。熱処理を制御するかまたは調整するための少なくとも1つの手段9は、熱処理を炉雰囲気11の中および/またはプロセス排出気体12の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として制御するかまたは調整するように特に設計される。例えば、炉温度、炉温度勾配、プロセス空気交換体積および/またはプロセス空気の循環体積を炉雰囲気11の中および/またはプロセス排出気体12の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として制御するかまたは調整するために少なくとも1つの手段9を提供することができ、および/または炉温度勾配を炉雰囲気11の中および/またはプロセス排出気体12の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の勾配の関数として制御するかまたは調整するための少なくとも1つの手段9を提供することができる。特に、熱処理を制御するかまたは調整するための手段9としてPIDコントローラを提供することができる。
熱処理に炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として影響を及ぼすことができるように、熱処理に影響を及ぼすための少なくとも1つの制御可能な手段13、特にヒーター、フラップ、ファンおよび/または用量調整弁も提供される。例えばヒーターまたはフラップを用いて、炉室の中の温度または温度勾配に影響を及ぼすことができる。ファンは、炉室の中の空気循環のために有利であり、一方、炉雰囲気、特に炉雰囲気の酸化能力を設定するために用量調整弁を用いてプロセス気体、例えば不活性気体または反応気体を供給してよい。
従って、本発明による熱処理炉5は、本発明による方法を実行するために特に適している。例えば、帯板または箔コイルの中の蒸発生成物および/または酸化生成物の気体圧力も本発明による熱処理炉5によって熱処理時に制御するかまたは調整することができる。
本発明による方法の有利な構成が図3aに表示されている。この事例においては、特に圧延残留物を除去するために熱処理が実行されている間に、ステップAにおいて炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量Gが決定され、ステップCにおいて熱処理のために用いられる。ステップAにおいて、例えば炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中のVorg含有量を例えばFID分析装置によって決定することができる。例えばCO分析装置によるCO含有量の決定および/または例えばCO分析装置によるCO含有量の決定、あるいはFID分析装置およびCO分析装置および任意選択としてCO分析装置によるCtotal含有量の決定も考えることができる。
熱処理が実行されている間に、少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の実際の値Gactual、例えばCtotal含有量の実際の値Ctotal actualがステップBにおいて熱処理のプロセス制御のために用いられる。これを目的として、Gactual値が目標値Gtargetと比較される。これは、例えば手動で行われてよい。熱処理は、Gactual値の関数として制御される。例えば、Gactual値がGtarget値より大きい場合、少なくとも1つのパラメータP、例えば炉温度が小さくされる。Gactual値がGtarget値より小さい場合、パラメータPが大きくされる。これは、逆方向でも実行することができる。Gactual値がGtarget値と等しい場合、パラメータはそのままにされる。炉温度に加えて、例えば炉温度勾配、プロセス空気交換体積、プロセス空気の循環体積および/または炉雰囲気の組成もプロセスにおいて炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量Gの関数として、例えばCtotal含有量の関数として制御することができ、および/または例えば炉温度勾配も炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の勾配の関数として、例えばCtotal勾配の関数として制御することができる。
本発明による方法のさらなる有利な構成が図3bに表示されている。この事例においては、特に圧延残留物を除去するために熱処理が実行されている間に、ステップA’において炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量Gが決定され、ステップC’において熱処理のプロセス制御のために用いられる。ここでも、例えば、例えばFID分析装置用いて炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中のVorg含有量を決定してよく、例えばCO分析装置を用いるCO含有量の決定、および/または例えばCO分析装置を用いるCO含有量の決定は、あるいはFID分析装置およびCO分析装置および任意選択としてCO分析装置によるCtotal含有量の決定も考えることができる。
熱処理が実行されている間に、熱処理のプロセス調整のために少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の実際の値Gactualが用いられる。プロセス制御の場合のように、ステップB’においてGactual値も目標値Gtargetと比較される。Gactual値に応じてステップC’においてパラメータP、例えば炉温度が調整される。例えばGactual値がGtarget値より大きい場合、パラメータPは低くされる。Gactual値がGtarget値より小さい場合、パラメータPは例えば大きくされる。これも逆方向で実行されてもよい。Gactual値がGtarget値と等しい場合、パラメータPは、そのままにされる。炉温度に加えて、例えば炉温度勾配、プロセス空気交換体積、プロセス空気の循環体積および/または炉雰囲気の組成もプロセス調整において炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として、例えばCtotal含有量の関数として調整することができ、および/または例えば炉温度勾配も、炉雰囲気の中および/またはプロセス排出気体の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の勾配の関数として、例えばCtotal勾配の関数として調整することができる。
制御プロセスと異なり、調整プロセスは、閉じた操作シーケンスを有する。Gactual値は、連続的にGtarget値と比較され、パラメータPを変えることによるGtarget値への修正という意味で影響を受ける。例えば、プロセス調整のためにPIDコントローラを用いることができる。
1616mmの幅を有するアルミニウム箔コイルへの従来の仕上げ焼なまし時のFID分析装置の出力が図4aに表示されている。仕上げ焼なましは、330℃のプログラム温度において継続時間ほとんど72時間で実行された。このグラフは、CO含有量[ppm]、炉温度およびプログラム温度[℃]、空気量[m/h]およびファン回転速度[rpm]を時間[h]の関数として表示する。CO含有量は、ここでは炉雰囲気の中で決定された。これによって、炉雰囲気の中の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量についての結論を得ることが可能になった。あるいは、CO含有量は、プロセス排出気体の中で決定されてもよい。あるいはまたはさらに、炉雰囲気および/またはプロセス排出気体の中のVorgおよび/またはCO含有量あるいはCtotal含有量も決定することができる。
このグラフは、従来の仕上げ焼なましにおいては短時間後に炉雰囲気の中の1000ppmのCOmaxピークが早くも発生することを非常に明確に示している。この場合、CO勾配は、およそ200ppm/hだった。しかし、例えば220ppmを超えるCOmaxピークおよび10ppm/hを超えるCO勾配は、よくない焼なまし結果を反映することを広範な試験が示している。対応する炉雰囲気が金属箔において張力部、溶着部および焼なまし泡形成をもたらすことが示されている。最悪の場合、これらはコイルを解き放すとき箔の中に亀裂を生じ得る。
他方で、図4bのグラフにおいて、COmax含有量はわずか約70ppmに制限され、COmax勾配はおよそ5.5ppm/hである。プログラム温度は、220℃に設定され、空気量はおよそ280m/hにおいて一定に保たれ、回転速度は、およそ640rpmにおいて一定に保たれた。グラフから分かるように、本事例においては焼なまし処理時にはっきりしたCOピークの形成を避けることができた。これを実現するために、炉温度は本発明による方法によって炉雰囲気の中のCO含有量の関数として制御されるかまたは調整された。炉温度と炉雰囲気の中のCO含有量との両方は、およそ10時間の時点まで一様に増加する(点線参照)が、炉温度は、およそ50ppmCO含有量の臨界値において下げられた。するとCO勾配は平らになり、ここではおよそ24時間後にCO含有量が低下するまでおよそ1.4ppm/hでしかなかった。このことが金属箔の中の張力部および焼なまし泡形成が減らされるかまたは防がれ、制御されかつコスト効果のある方法で高品質金属製品が提供されることを可能にし、金属帯板および金属箔の不良率を低くすることができる。

Claims (13)

  1. 圧延残留物を除去する熱処理炉(5)の中の帯板または箔コイル(2)の形の金属帯板または金属箔(1)の熱処理のための方法であって、
    前記熱処理が実行されている間に、炉雰囲気(11)の中および/またはプロセス排出気体(12)の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量が決定され、前記熱処理のプロセス制御または調整のために用いられ、前記熱処理時に前記金属帯板または金属箔における圧延残留物の除去の速度が制御されるかまたは調整され、前記熱処理時に前記帯板または箔コイルの中の前記蒸生成物および/または酸化生成物の気体圧力が制御されるかまたは調整されることを特徴とする、
    方法。
  2. 前記プロセス制御または調整において、炉温度、炉温度勾配、プロセス空気交換体積、プロセス空気の循環体積および/または炉雰囲気の組成は、前記炉雰囲気(11)の中および/または前記プロセス排出気体(12)の中の前記少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として制御されるかまたは調整されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記プロセス制御または調整において、前記炉温度勾配は、前記炉雰囲気(11)の中および/または前記プロセス排出気体(12)の中の前記少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の勾配の関数として制御されるかまたは調整されることを特徴とする、請求項に記載の方法。
  4. 前記炉雰囲気(11)の中および/または前記プロセス排出気体(12)の中の炭素含有量(Ctotal含有量)、有機化合物の含有量(Vorg含有量)、一酸化炭素含有量(CO含有量)および/または二酸化炭素含有量(CO含有量)が決定され、前記熱処理のプロセス制御または調整のために用いられることを特徴とする、請求項1~の何れか一項に記載の方法。
  5. 前記炉雰囲気(11)の中および/または前記プロセス排出気体(12)の中の最大炭素含有量Ctotal max、有機化合物の最大含有量Vorg max、最大一酸化炭素含有量COmaxおよび/または最大二酸化炭素含有量CO2 maxが制限されることを特徴とする、請求項に記載の方法。
  6. 前記炉雰囲気(11)の中および/または前記プロセス排出気体(12)の中の炭素勾配Ctotal grad、有機化合物の含有量の勾配Vorg grad、一酸化炭素勾配COgradおよび/または二酸化炭素勾配CO2 gradが制限されることを特徴とする、請求項またはに記載の方法。
  7. 前記Vorg含有量は、FID分析装置によって、前記CO含有量は、CO分析装置によって、前記CO含有量は、CO分析装置によって、および/または前記Ctotal含有量は、FID分析装置およびCO分析装置および任意選択としてCO分析装置によって決定されることを特徴とする、請求項の何れか一項に記載の方法。
  8. 前記熱処理は、80~120℃または200℃超の温度において実行されることを特徴とする、請求項1~の何れか一項に記載の方法。
  9. アルミニウムまたはアルミニウム合金帯板または箔が処理されることを特徴とする、請求項1~の何れか一項に記載の方法。
  10. 請求項1~の何れか一項に記載の方法を実行するための帯板または箔コイル(2)の形の金属帯板または金属箔(1)の熱処理のための装置であって、
    前記装置は、前記熱処理が実行されている間に、炉雰囲気(11)の中および/またはプロセス排出気体(12)の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量を決定するための少なくとも1つの手段(8)と、前記熱処理を前記炉雰囲気(11)の中および/または前記プロセス排出気体(12)の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として制御するかまたは調整するための、前記熱処理時に前記金属帯板または金属箔における圧延残留物の除去の速度を制御するかまたは調整するように設計されている少なくとも1つの手段(9)と、を有し、前記熱処理時に前記帯板または箔コイルの中の前記蒸生成物および/または酸化生成物の気体圧力が制御されるかまたは調整されることを特徴とする装置。
  11. 前記装置は、炉温度、炉温度勾配、プロセス空気交換体積および/またはプロセス空気の循環体積を前記炉雰囲気(11)の中および/または前記プロセス排出気体(12)の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の関数として制御するかまたは調整するための少なくとも1つの手段(9)を有することを特徴とする、請求項10に記載の装置。
  12. 前記装置は、前記炉温度勾配を前記炉雰囲気(11)の中および/または前記プロセス排出気体(12)の中の少なくとも1種類の蒸発生成物および/または酸化生成物の含有量の勾配の関数として制御するかまたは調整するための少なくとも1つの手段(9)を有することを特徴とする、請求項11に記載の装置。
  13. 前記装置は、前記熱処理に影響を及ぼすための少なくとも1つの制御可能な手段(13)を有することを特徴とする、請求項1012の何れか一項に記載の装置。
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