WO2014048656A1 - Verfahren zum herstellen eines stahlflachprodukts mit hohem reflektionsvermögen, stahlflachprodukt und spiegelelement für solarkonzentratoren - Google Patents

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flat
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Utz KARSTEN
Jörg KAZMIERSKI
Nina KOLBE
Hans-Joachim Krautschick
Klaus Manfred LANGE
Stefan Peter Puls
Janine SCHAUER-PAß
Bernd Schuhmacher
Dirk Wiemer
Frank WÖRSTER
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Outokumpu Nirosta GmbH
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
Outokumpu Nirosta GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a flat steel product with a high reflectivity in the radiation range of the sun, a correspondingly procured flat steel product and a mirror element for
  • Carbon steel, stainless steel or stainless steel produced steel strips or steel sheets as well as blanks, blanks and the like made thereof.
  • Mirror elements of the type in question are used, for example, in solar thermal energy to focus the sunlight falling on them and concentrate on a pipe or the like, which leads a heat transfer medium.
  • mirror elements come here in question type in power plant technology, such.
  • Have reflectivity can be prepared by polishing the respective steel substrate until required for a high reflectivity
  • arithmetic mean roughness Ra means the value determined according to DIN EN ISO 4287. In the case of a polished flat steel product surface, the arithmetic mean roughness Ra has no pronounced preferential direction. Instead, it shows at the
  • Mean roughness of at best Ra 0.05 ⁇ .
  • the gloss and the associated reflectivity of such a surface is usually not sufficient to meet the high demands that are placed on mirror elements produced from such flat steel products today.
  • the object of the invention was to provide a method with which it is possible in a cost-effective manner to produce a flat steel product which, in the finished rolled state, ie. H. without additional
  • Fine machining such as polishing or grinding, a
  • the solution according to the invention of this task is that in the manufacture of a flat steel product with a high
  • a steel flat product according to the invention which solves the above-mentioned problem has the features specified in claim 10, wherein it should be emphasized that these features are produced on the finish-rolled, ie. H. not further mechanically finished flat steel product are present.
  • For producing such a flat steel product is
  • the invention is based on the recognition that a
  • Steel flat product surface has a high directional reflection when the surface in question has an extremely low surface roughness, whose arithmetic mean roughness Ra is much smaller than 0.1 pm.
  • the invention proposes a Rolling strategy, referring to conventional
  • Method is provided optimally up to 2.5 mm thick, hot or cold rolled flat steel product, wherein at least one of the surfaces
  • step b) taking into account at least the following provisos
  • Walzstiche depends on the initial thickness and the required final thickness. Typically, at least ten rolling passes are required in carrying out the process according to the invention, wherein
  • the total deformation rate achieved by cold rolling is 75-90%.
  • Mirror elements for solar concentrators provided steel flat products are cold rolled so that they are in the finished rolled state, for example, up to 0.4 mm thick.
  • the deformation rate achieved during cold rolling decreases from rolling pass to rolling pass.
  • the cold rolling thus begins in the first rolling pass with a high, in particular at least 20% amount of deformation rate. At each subsequent roll pass is then a lower
  • the rolling pressure is adjusted depending on the strength of the processed material such that in the first pass 200 - 800 MPa and in the last
  • Rolling pass 1000 - 4000 MPa For example, with a total deformation rate of 84% for a flat steel product made from a steel with the material number 1.4301, the rolling pressure in the first rolling pass is 400 MPa and in the last pass
  • the cold rolling takes place with the addition of a rolling oil whose viscosity is 5 - 10 mm 2 / s at 40 ° C.
  • the rolling speed during cold rolling is greater than 200 m / min. In this way, a uniform oil film is maintained between the work rolls and the flat steel product during the respective cold rolling pass.
  • Mean roughness Ra of ⁇ 0.01 ⁇ exchange Mean roughness Ra of ⁇ 0.01 ⁇ exchange.
  • the arithmetic mean roughness Ra of the work rolls used before the roll change can, for example, in
  • the process according to the invention can be carried out on a conventional 20-roll stand.
  • step c) the cold strip obtained is subjected to softening a Kaltbandglüh harmony performed for example in a conventional bright annealing.
  • the annealing takes place under a
  • step d) the annealed and inventively cold-rolled steel flat product, for example, in a duo-rolling mill in one or more, in particular two rolling passes is re-rolled.
  • the degree of deformation achieved during this re-rolling is 0.5-2%.
  • the Nachwalzen serves, as usual, to eliminate a pronounced yield strength, which is present after the annealing and the so-called "Lüder's lines"
  • the duo rolls are pre-ground and typically have one on their surface in contact with the stock
  • the average roughness Ra has a pronounced preferred direction, which is aligned parallel to the rolling direction of the cold rolling.
  • the rolling directions can be clearly identified on the basis of topographic images.
  • a flat steel product can be produced which has a gloss of more than 1,200 gloss units and a directional reflection of more than 60% already determined after the finish rolling.
  • a reflective layer system can be applied to the flat steel product produced and produced according to the invention.
  • the application of the coating can be carried out, for example, by means of vacuum evaporation, in particular in the
  • the coating consists of at least one
  • the sheet can be coated with an Al-Ag alloy, with Sn, with a Sn-Al alloy or a Sn-Ag alloy.
  • a vapor deposition method PVD processes, agnetron sputtering, electron beam evaporation, and the like can be used.
  • a reflection surface surface of the inventively manufactured flat steel product
  • an organic or inorganic coating can be applied to the flat steel product as an alternative or in addition to a coating which increases the reflectivity ("top layer").
  • inorganic coatings with barrier effect for example, Sn0 2 , ln 2 0 3 , A1 2 0 3 , Si0 2 , Ti0 2 , Zr0 2 , but also amorphous layer systems such as glasses consisting of z. B. from Si0 2 / B 2 0 3 -Borosilicatgläser, Si0 2 / P 2 0 5 -
  • Silicophosphatgläser or B 2 0 3 / P 2 0 5 -Borophosphatgläser be used. Again, the order can be done by PVD method, preferably by sputtering or atomic layer deposition, but also by wet chemical methods, such as sol-gel coating by spin or dip coating.
  • hybrid layer systems such as Si: 0: C: H layers (plasma polymers) may be suitable, which can be applied by CVD method.
  • Organic top layer layer systems consisting of
  • transparent paints also offer the possibility of a continuous coating.
  • the top layer obtained and applied in the manner described above not only protects against corrosion but at the same time against abrasive wear.
  • the invention is based on
  • Fig. 1 is a diagram in which for three
  • FIG. 2 shows the surface topography of a rolled flat steel product sample according to the invention
  • Fig. 3 shows the surface topography of a polished
  • Fig. 4 is a diagram in which for an inventive
  • the directed reflection in the solar spectral region is plotted over the wavelength in the purely cold-rolled condition and after the application of a coating
  • Fig. 5 is a diagram in which schematically shows the stitch plan of the invention in the generation
  • Solar Concentrator specific steel flat product has been used in a coil form, which was a hot-rolled, descaled hot-rolled strip.
  • the 2.5 mm thick primary material consisted of one under the
  • Material number 1.4301 standardized steel and had an arithmetic according to DIN EN ISO 4287 determined
  • the starting material was rolled in twelve stages in a 20-roll stand to a final thickness of 0.4 mm.
  • the first roll pass rolled more than 20% with a strain of el.
  • the deformation was reduced from stitch to stitch relatively between 5% and 10%, so that in the last pass of cold rolling with a deformation el2 of less than 10% was rolled (FIG. 5).
  • the work rolls in the first eight passes had an arithmetic mean roughness Ra of 80 nm at their peripheral surface in contact with the cold rolled flat steel product.
  • the work rolls of the 20-roll stand were set against specially prepared work rolls
  • the cold rolled flat steel product obtained in this way is one in a blank annealing plant under a protective gas atmosphere with a hydrogen content greater than 50%
  • Partial pressure ratio of water vapor to hydrogen p (H 2 0) / p (H 2 ) was less than 10 ⁇ 4 .
  • the annealed cold-rolled strip is dry in a duo mill stand in two passes with a rolling force of 150 t, d. H. without oil or roller emulsion, re-rolled.
  • the duo reels had theirs with theirs
  • Table 1 shows the roughness values determined by means of atomic force microscopy, the roughness values determined by means of white-light interferometry and the directional reflection in the state obtained after the post-rolling for two inventive flat-product samples E1, E2 processed in the above manner. Likewise, in Table 1, for comparison, the corresponding values for one are generated and displayed in a conventional manner their examined surface polished sample V registered.
  • Fig. 1 The result of the measurement of the directed reflection in the solar spectral range is shown in detail in Fig. 1 (sample El: solid line, sample E2: dashed line, comparative sample V: solid line). It turns out that the samples produced according to the invention already have a reflectivity after being rolled in the cold rolled, non - polished state, which in the
  • rolled flat steel products and the highly polished sample used for comparison can be detected with respect to roughness.
  • topographical images see Fig. 2
  • the rolling directions in which the respective flat steel product has been cold-rolled can be clearly identified.
  • Fig. 2 clearly characterized by a line-shaped preferred direction of roughness can be determined.
  • the steel flat product sample E1 according to the invention is characterized by
  • Electron beam evaporation was provided with a 90 - 100 nm thick silver layer. As a result of this coating, the directed reflection in the solar spectral range increased to about 93% and thus reached the order of magnitude of conventional glass mirrors.
  • Fig. 4 is the
  • Reflectance of the inventive sample El before coating is shown by a dashed line, while the reflectance after coating is represented by a solid line.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlflachprodukts mit hohem Reflektionsvermögen, dessen Oberflächen einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 0,03 µm aufweisen und bei dem Stahlflachprodukt, das an mindestens einer Oberfläche einen arithmetischen Mittenrauwert Ra < 2,5 µm aufweist, in mehreren Walzstichen kaltgewalzt wird, die über das Kaltwalzen erzielte Gesamtverformungsrate 75 - 90 % beträgt, die Verformungsrate von Walzstich zu Walzstich abnimmt, der Walzdruck im ersten Walzstich 200 - 800 MPa und der Walzdruck im letzten Walzstich 1000 - 4000 MPa beträgt, das Kaltwalzen unter Zugabe eines Walzöls mit einer Viskosität 5 - 10 mm2/s bei 40 °C erfolgt, die Walzgeschwindigkeit > 200 m/min ist und das Kaltwalzen mindestens im letzten Walzstich mit einer Arbeitswalze erfolgt, die einen Mittenrauwert Ra < 0,01 µm aufweist. Anschließend wird das kaltgewalzte Stahlflachprodukt unter einer Schutzgasatmosphäre geglüht und trocken nachgewalzt. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechend erzeugtes Stahlflachprodukt und einen Solarkonzentrator, hergestellt aus einem solchen Stahlflachprodukt.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Stahlflachprodukts mit hohem Reflektionsvermögen , Stahl lachprodukt und
Spiegelelement für Solarkonzentratoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlflachprodukts mit einem hohen Reflektionsvermögen im Strahlungsbereich der Sonne, ein entsprechend beschaffenes Stahlflachprodukt und ein Spiegelelement für
Solarkonzentratoren .
Wenn hier von Stahlflachprodukten die Rede ist, so sind damit, soweit nicht anders angegeben, aus
Kohlenstoffstahl , nicht rostendem Stahl oder Edelstahl hergestellte Stahlbänder oder Stahlbleche sowie daraus hergestellte Platinen, Zuschnitte und desgleichen gemeint.
Spiegelelemente der hier in Rede stehenden Art werden beispielsweise in der Solarthermie eingesetzt, um das auf sie fallende Sonnenlicht zu bündeln und auf ein Rohr oder desgleichen zu konzentrieren, das ein Wärmeträgermedium führt. Durch den Einsatz solcher so genannter
"Solarkonzentratoren" kann eine höhere Effizienz bei der Ausnutzung der Sonnenenergie erzielt werden. Dabei stellt sich nicht nur die Anforderung, dass die Spiegelelemente ein optimales Reflexionsvermögen im Strahlungsbereich des Sonnenlichts aufweisen, sondern solche Spiegelelemente sollen auch noch robust gegen die im Gebrauch auftretenden mechanischen Belastungen und kostengünstig herstellbar sein .
Zur Anwendung kommen Spiegelelemente der hier in Rede stehenden Art in der Kraftwerkstechnologie, wie z. B. bei Parabolrinnen- , Fresnel-, Dish-Stirling- und
Turmkraftwerken. Alle diese Systeme haben gemein, dass die solare Strahlung konzentriert werden muss.
Derzeit werden für Solarkonzentratoren Glasträger
verwendet, die einseitig mit Silber, Aluminium und anderen Bestandteilen zur Reflexion bedampft sind.
Alternativ dazu ist es beispielsweise aus der US 5,912,777 bekannt, dass sich Stahlflachprodukte, die auch bei mehr als 500 °C betragenden Temperaturen noch ein hohes
Reflektionsvermögen aufweisen, dadurch hergestellt werden können, dass das jeweilige Stahlsubstrat poliert wird, bis der für ein hohes Reflexionsvermögen erforderliche
niedrige Rauwert erreicht ist.
Wenn hier vom "arithmetischen Mittenrauwert Ra" die Rede ist, ist damit der gemäß DIN EN ISO 4287 bestimmte Wert gemeint. Bei einer polierten Stahlflachproduktoberfläche weist der arithmetische Mittenrauwert Ra keine ausgeprägte Vorzugsrichtung auf. Stattdessen zeigt sich an der
Oberfläche des polierten Produkts eine
Oberflächenstruktur, die durch eine chaotische Ausrichtung der beim Polieren hinterlassenen Bearbeitungsspuren gekennzeichnet ist.
Der mit dem Polieren einer Stahlflachproduktoberfläche verbundene Aufwand ist erheblich, da hierzu nicht nur speziell eingerichtete Maschinen eingesetzt, sondern auch eine sehr lange Bearbeitungsdauer in Kauf genommen werden muss .
Es sind daher verschiedene Versuche gemacht worden, hochglänzende Stahloberflächen ohne Polieren zu erzeugen. So ist beispielsweise in der JP 7155809 A, der
JP 199876109 Ä oder der JP 1992340706 A jeweils
vorgeschlagen worden, die Bleche unter Verwendung von hochglanzpolierten Arbeitswalzen, deren Mittenrauigkeit Ra im Bereich von 0,01 - 0,06 pm liegt, kaltzuwalzen . Die auf diesem Wege an einem Stahlflachprodukt erzeugbaren
Oberflächen-Werte erreichen jedoch arithmetische
Mittenrauigkeiten von bestenfalls Ra = 0,05 μηα. Der Glanz und das damit einhergehende Reflektionsvermögen einer derart beschaffenen Oberfläche reichen in der Regel nicht aus, um die hohen Anforderungen zu erfüllen, die an aus solchen Stahlflachprodukten erzeugten Spiegelelementen heute gestellt werden.
Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zu nennen, mit dem es auf kosteneffektive Weise möglich ist, ein Stahlflachprodukt zu erzeugen, das im fertig gewalzten Zustand, d. h. ohne zusätzliche
Feinbearbeitung, wie Polieren oder Schleifen, ein
Reflektionsvermögen aufweist, welches das entsprechend erzeugte Stahlflachprodukt für die Herstellung von
Solarkonzentratoren oder andere Anwendungen geeignet macht, bei denen ein hohes Reflektionsvermögen für
Sonnenlicht gefordert wird. Ebenso sollten ein
entsprechend beschaffenes Stahlflachprodukt und eine besonders wirtschaftliche Verwendung eines solchen
Stahlflachprodukts genannt werden.
In Bezug auf das Verfahren besteht die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe darin, dass bei der Herstellung eines Stahlflachprodukts mit einem hohen
Reflektionsvermögen die in Anspruch 1 angegebenen
Arbeitsschritte absolviert werden.
Ein erfindungsgemäßes, die oben genannte Aufgabe lösendes Stahlflachprodukt weist die in Anspruch 10 angegebenen Merkmale auf, wobei hervorzuheben ist, dass diese Merkmale am fertig nachgewalzten, d. h. nicht weiter mechanisch feinbearbeiteten Stahlflachprodukt vorhanden sind. Zur Herstellung eines solchen Stahlflachprodukts ist
insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren geeignet.
Optimal wirtschaftlich nutzen lässt sich ein
erfindungsgemäßes Stahlflachprodukt für die Herstellung von Solarkonzentratoren, wobei auch hier hervorzuheben ist, dass die erfindungsgemäße Verwendung des
erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts im fertig
nachgewalzten, d. h. nicht weiter mechanisch bearbeiteten, insbesondere unpolierten, Zustand erfolgt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine
Stahlflachproduktoberfläche eine hohe gerichtete Reflexion aufweist, wenn die betreffende Oberfläche eine extrem niedrige Oberflächenrauheit aufweist, deren arithmetische Mittenrauigkeit Ra viel kleiner als 0,1 pm ist.
Um eine derart glatte, hohe Glanzwerte erreichende
Oberfläche zu erzeugen, schlägt die Erfindung eine Walzstrategie vor, die sich auf konventionellen
Walzgerüsten durchführen lässt und dennoch zu einem optimal geeigneten Produkt führt. Dabei eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Verarbeitung von
Stahlflachprodukten aus Kohlenstoffstahl oder nicht rostendem Stahl gleichermaßen.
Im ersten Arbeitsschritt a) des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird ein optimalerweise bis zu 2,5 mm dickes, warm- oder kaltgewalztes Stahlflachprodukt bereitgestellt, bei dem mindestens eine der Oberflächen einen
arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 2,5 μπι aufweist .
Das derart beschaffene, insbesondere als Coil angelieferte Vormaterial wird anschließend im Arbeitsschritt b) unter Berücksichtigung mindestens folgender Maßgaben
kaltgewalzt :
- Das Kaltwalzen erfolgt in mehreren Stufen, d. h. in mehreren Walzstichen. Die Anzahl der absolvierten
Walzstiche richtet sich dabei nach der Ausgangsdicke und der jeweils geforderten Enddicke. Typischerweise sind bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens zehn Walzstiche erforderlich, wobei
regelmäßig mindestens zwölf Walzstiche durchgeführt werden .
- Die über das Kaltwalzen erzielte Gesamtverformungsrate beträgt 75 - 90 %. Ausgehend von einer typischen
Ausgangsdicke von beispielsweise 2,5 mm liegt die Dicke des nach dem Kaltwalzen erhaltenen Bands folglich im Bereich von 0,625 - 0,25 mm. Für die Verformung zu - -
Spiegelelementen für Solarkonzentratoren vorgesehene Stahlflachprodukte werden dabei so kaltgewalzt, dass sie im fertig gewalzten Zustand beispielsweise bis zu 0,4 mm dick sind. Die beim Kaltwalzen erzielte Verformungsrate nimmt von Walzstich zu Walzstich ab. Das Kaltwalzen beginnt somit im ersten Walzstich mit einer hohen, insbesondere mindestens 20 % betragenden Verformungsrate. Bei jedem folgenden Walzstich wird dann eine niedrigere
Verformungsrate eingestellt als beim jeweils
vorangehenden. Optimalerweise wird dabei die
Verformungsrate von Walzstich zu Walzstich um jeweils 5 - 10 % vermindert. D. h., die Verformungsrate im jeweiligen Walzstich entspricht 90 - 95 % der
Verformungsrate des vorangegangenen Walzstichs. Im letzten Walzstich wird das Stahlflachprodukt dann mit der niedrigsten, insbesondere weniger als 10 %
betragenden Verformungsrate kaltgewalzt.
Die im jeweiligen Walzstich n erzielte Verformungsrate e berechnet sich dabei wie folgt: en [%] = (De-Da)/De mit De = Dicke des Stahlflachprodukts vor dem Eintritt in den Walzstich n und
Da = Dicke des Stahlflachprodukts nach dem
jeweiligen Walzstich n
Mit der Gesamtverformung eg ist dementsprechend die über den gesamten Walzprozess erzielte Differenz zwischen der Dicke De des Stahlflachprodukts vor dem Kaltwalzen und der Dicke Da nach Abschluss des Kaltwalzens bezogen auf die Dicke Da bezeichnet.
- Der Walzdruck wird in Abhängigkeit von der Festigkeit des verarbeiteten Materials derart eingestellt, dass er im ersten Walzstich 200 - 800 MPa und im letzten
Walzstich 1000 - 4000 MPa beträgt. Beispielsweise beträgt bei einer Gesamtverformungsrate von 84 % bei einem Stahlflachprodukt, das aus einem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4301 hergestellt ist, der Walzdruck im ersten Walzstich 400 MPa und im letzten Walzstich
1600 MPa.
- Das Kaltwalzen erfolgt unter Zugabe eines Walzöls, dessen Viskosität 5 - 10 mm2/s bei 40 °C beträgt.
- Die Walzgeschwindigkeit während des Kaltwalzens ist größer als 200 m/min. Auf diese Weise wird während des jeweiligen Kaltwalzstichs ein gleichmäßiger Ölfilm zwischen den Arbeitswalzen und dem Stahlflachprodukt aufrechterhalten .
Um dem Stahlflachprodukt die geforderte minimierte Oberflächenrauigkeit zu verleihen, wird schließlich das Kaltwalzen mindestens im letzten Walzstich,
optimalerweise in den letzten vier Walzstichen, mit einer Arbeitswalze durchgeführt, deren mit dem Walzgut in Kontakt kommende Umfangsfläche einen arithmetischen Mittenrauwert Ra aufweist, der unterhalb des für die jeweilige Oberfläche des Stahlflachprodukts geforderten Mittenrauwert liegt, typischerweise weniger als 0,01 pm beträgt. Die Arbeitswalzen können dabei mehrfach ausgetauscht werden. So kann es zweckmäßig sein, die Arbeitswalzen im vorletzten und viertletzen Stich gegen speziell präparierte Arbeitswalzen mit einem
Mittenrauwert Ra von ^ 0,01 μηα auszutauschen. Der arithmetische Mittenrauwert Ra der vor dem Walzenwechsel eingesetzten Arbeitswalzen kann beispielsweise im
Bereich von 0,08 μκι oder darunter liegen.
In der Praxis kann das erfindungsgemäße Verfahren auf einem konventionellen 20-Rollen-Gerüst durchgeführt werden .
Im Arbeitsschritt c) wird das erhaltene Kaltband zur Entfestigung einer beispielsweise in einer konventionellen Blankglühanlage durchgeführten Kaltbandglühbehandlung unterzogen. Die Glühung erfolgt dabei unter einer
Schutzgasatmosphäre mit einem Wasserstoffanteil von mehr 50 Vol.-%. Im Fall, dass das Stahlflachprodukt aus einem nicht rostenden Stahl besteht, der einen Cr-Gehalt von mehr als 10,5 Gew.-% aufweist, sollte dabei das
Partialdruckverhältnis von Wasserdampf zu Wasserstoff p(H20)/P(H2) < 10~4 betragen, während bei einem Cr-Gehalt des Stahls von bis zu 10,5 Gew.-% ein
Partialdruckverhältnis (H20)/P(H2) < 10"3 ausreichend ist .
Im Arbeitsschritt d) wird das geglühte und erfindungsgemäß kaltgewalzte Stahlflachprodukt beispielsweise in einem Duo-Walzgerüst in einem oder mehreren, insbesondere zwei Walzstichen nachgewalzt. Der während dieses Nachwalzens erzielte Verformungsgrad beträgt 0,5 - 2 %. Das Nachwalzen dient, wie üblich, zur Beseitigung einer ausgeprägten Streckgrenze, die nach der Glühbehandlung vorliegt und die sogenannte „Lüder 'sehe Linien" hervorrufen kann. Das
Nachwalzen erfolgt dabei trocken, um bei den geringen Umformgraden diesen Effekt zu erzielen. Die Duo-Walzen sind vorgeschliffen und weisen an ihrer mit dem Walzgut in Kontakt kommenden Oberfläche typischerweise einen
arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 0,03 pm auf .
Das in der erfindungsgemäßen Weise kaltgewalzte
Stahlflachprodukt besitzt als solches im fertig
nachgewalzten Zustand an mindestens einer seiner
Oberflächen einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 0,03 μηα, insbesondere weniger als 0,02 μηα. Wesentliches Kennzeichen eines erfindungsgemäßen
Stahlflachprodukts ist dabei, dass der Mittenrauwert Ra eine ausgeprägte Vorzugsrichtung aufweist, die parallel zur Walzrichtung des Kaltwalzens ausgerichtet ist. So lassen sich bei einem erfindungsgemäß fertig nachgewalzten Stahlflachprodukt anhand von Topographieaufnahmen die Walzrichtungen eindeutig identifizieren.
Überraschend hat sich gezeigt, dass sich erfindungsgemäß ein Stahlflachprodukt erzeugen lässt, das bereits nach dem Nachwalzen einen nach DIN 67530 ermittelten Glanz von mehr als 1200 Glanzeinheiten und eine gerichtete Reflexion von mehr als 60 % besitzt, wobei in der Praxis regelmäßig eine gerichtete Reflexion von mehr als 80 %, insbesondere mehr als 90 %, erreicht wird. Erfindungsgemäße
Stahlflachprodukte weisen damit ein Reflexionsvermögen auf, das mindestens gleich dem Reflexionsvermögen
konventionell erzeugter und polierter Stahlflachprodukte ist . Ein weiterer signifikanter Unterschied zwischen einem erfindungsgemäßen Stahlflachprodukt und einem
konventionell kaltgewalzten und anschließend polierten Stahlflachprodukt besteht darin, dass die polierte
Stahlflachproduktoberfläche eindeutig härter ist als die Oberfläche eines erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts. So weisen erfindungsgemäße Stahlflachprodukte an ihrer reflektierenden Oberfläche typischerweise eine
Oberflächenhärte von weniger als 4 GPa, insbesondere weniger als 3,5 GPa, auf. Dies höhere Oberfläche von in konventioneller Weise polierten Stahlflachprodukten ist mit einer durch den Polierprozess verursachten
Kaltverfestigung der Oberfläche zu erklären, da das
Polieren erst nach der rekristallisierenden Glühung erfolgt .
Um das Reflexionsvermögen weiter zu steigern, kann auf das erfindungsgemäß erzeugte und beschaffene Stahlflachprodukt ein reflektierendes Schichtsystem aufgebracht werden.
Der Auftrag der Beschichtung kann beispielsweise mittels Vakuumaufdampf erfahren, insbesondere im
Durchlaufbeschichtungsverfahren, aufgebracht werden. Die Beschichtung besteht dabei aus mindestens einer
reflektierenden Schicht, die beispielsweise aus einem oder mehreren der Elemente "AI, Ag, Sn" besteht. So kann das Blech mit einer Al-Ag-Legierung, mit Sn, mit einer Sn-Al- Legierung oder einer Sn-Ag-Legierung beschichtet werden. Als Bedampfungsverfahren können PVD-Prozesse, agnetron- Sputtern, Elektronenstrahlverdampfen und desgleichen angewendet werden. Um die als Reflexionsfläche dienende Oberfläche des erfindungsgemäß beschaffenen Stahlflachprodukts
erforderlichenfalls langzeitstabil vor Korrosion zu schützen, kann alternativ oder ergänzend zu einer das Reflexionsvermögen erhöhenden Beschichtung eine organische oder anorganische Beschichtung auf das Stahlflachprodukt aufgetragen werden ( "Toplayer" ) .
Als anorganische Beschichtungen mit Barrierewirkung können beispielsweise Sn02, ln203, A1203, Si02, Ti02, Zr02, aber auch amorphe Schichtsysteme wie Gläser bestehend z. B. aus Si02/B2 03-Borosilicatgläser, Si02/P2 05-
Silicophosphatgläser oder B203/P205-Borophosphatgläser zum Einsatz kommen. Auch hier kann der Auftrag mittels PVD- Verfahren erfolgen, vorzugsweise durch Sputtern oder Atomic Layer Deposition, aber auch mittels nasschemischer Verfahren, wie das Sol-Gel-Beschichten mittels Spin- oder Dip-Coating .
Ebenso kommen als Schutzschichten Spin-or. Glassysteme als Toplayer in Frage, bei denen Organo-Silicium bzw. Organo- Bor-Verbindungen zunächst mittels Spin- cder Dip-Coating appliziert werden und dann im Nachgang thermisch zu dichten Glasschichten zersetzt werden. Dieses Verfahren bietet Vorteile bei einer potentiellen kontinuierlichen Beschichtung mittels Coil-Coating .
Weiterhin können auch hybride Schichtsysteme wie Si:0:C:H- Schichten (Plasmapolymere) geeignet sein, die mittels CVD- Verfahren appliziert werden können. Organische Toplayer-Schichtsysteme bestehend aus
transparenten Lacken bieten ebenfalls die Möglichkeit einer kontinuierlichen Beschichtung .
Der in der voranstehend beschriebenen Weise beschaffene und aufgebrachte Toplayer schützt nicht nur vor Korrosion, sondern gleichzeitig vor abrasivem Verschleiß.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, in dem für drei
Stahlflachproduktproben die gerichtete Reflexion im solaren Spektralbereich über die Wellenlänge aufgetragen ist;
Fig. 2 die Oberflächentopographie einer erfindungsgemäß gewalzten Stahlflachproduktprobe ;
Fig. 3 die Oberflächentopographie einer polierten
Stahlflachproduktprobe ;
Fig. 4 ein Diagramm, in dem für eine erfindungsgemäß
kaltgewalzte Stahlflachproduktprobe die gerichtete Reflexion im solaren Spektralbereich über die Wellenlänge im rein kaltgewalzten Zustand und nach dem Auftrag einer Beschichtung aufgetragen ist;
Fig. 5 ein Diagramm, in dem schematisch der Stichplan des bei der Erzeugung erfindungsgemäßer
Stahlflachprodukte durchlaufenen Kaltwalzens dargestellt ist. Ein zur Erzeugung eines als Stahlband vorliegenden, für die Herstellung von Spiegelelementen für einen
Solarkonzentrator bestimmten Stahlflachprodukts ist ein Vormaterial in Coilform eingesetzt worden, bei dem es sich um ein warmgewalztes, entzundertes Warmband handelte. Das 2,5 mm dicke Vormaterial bestand aus einem unter der
Werkstoffnummer 1.4301 genormten Stahl und hatte einen gemäß DIN EN ISO 4287 bestimmten arithmetischen
Mittenrauwert Ra von weniger als 2,4 m.
Das Vormaterial ist in einem 20-Rollen-Gerüst in zwölf Stufen auf eine Enddicke von 0,4 mm abgewalzt worden. Die über das Kaltwalzen erzielte Gesamtumformung eg betrug demnach eg = (2,4 - 2)/2,4 = 83 %.
Im ersten Walzstich wurde mit einer Verformung el von mehr als 20 % gewalzt. In den elf anschließend durchgeführten Walzstichen wurde die Verformung von Stich zu Stich relativ zwischen 5 % und 10 % reduziert, so dass im letzten Walzstich des Kaltwalzens mit einer Verformung el2 von weniger als 10 % gewalzt wurde (Fig. 5).
Die Arbeitswalzen in den ersten acht Walzstichen hatten an ihrer mit dem kaltzuwalzenden Stahlflachprodukt in Kontakt kommenden Umfangsfläche einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von 80 nm. Für den neunten, zehnten, elften und zwölften Walzstich wurden die Arbeitswalzen des 20-Rollen- Gerüsts gegen speziell präparierte Arbeitswalzen
ausgetauscht, deren arithmetischer Mittenrauwert Ra kleiner als 10 nm war. Der Walzdruck betrug während der zwölf Kaltwalzstiche im Durchschnitt 1600 MPa.
Jeder der Kaltwalzschritte wurde unter Zugabe eines
Walzöls durchgeführt, dessen Viskosität 8 mm2/s bei 40 °C betrug. Um einen ausreichenden Ölfilm zwischen den
Arbeitswalzen und dem Stahlflachprodukt
aufrechtzuerhalten, wurde mit einer Walzgeschwindigkeit von mehr als 200 m/min gewalzt.
Das so erhaltene kaltgewalzte Stahlflachprodukt ist in einer Blankglühanlage unter Schutzgasatmosphäre mit einem Wasserstoffanteil größer als 50 % einer
Kaltbandglühbehandlung unterzogen worden, wobei das
Partialdruckverhältnis von Wasserdampf zu Wasserstoff p(H20)/p(H2) kleiner als 10~4 war.
Abschließend ist das geglühte Kaltband in einem Duo- Walzgerüst in zwei Stichen mit einer Walzkraft von 150 t trocken, d. h. ohne Öl oder Walzemulsion, nachgewalzt worden. Die Duo-Walzen hatten an ihren mit dem
Stahlflachprodukt in Kontakt kommenden Umfangsflächen einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von 20 nm.
In Tabelle 1 sind für zwei erfindungsgemäße, in der voranstehenden Weise verarbeiteten Stahlflachproduktproben El,E2 die mittels Rasterkraftmikroskopie ermittelten Rauheitswerte, die mittels Weißlichtinterferometrie ermittelten Rauheitswerte und die gerichtete Reflexion im nach dem Nachwalzen erhaltenen Zustand angegeben. Ebenso sind in der Tabelle 1 zum Vergleich die entsprechenden Werte für eine in konventioneller Weise erzeugte und an ihrer untersuchten Oberfläche polierte Vergleichsprobe V eingetragen .
Figure imgf000016_0001
Tabelle 1
Das Ergebnis der Messung der gerichteten Reflexion im solaren Spektralbereich ist im Einzelnen in Fig. 1 gezeigt (Probe El: durchgezogene Linie, Probe E2 : gestrichelte Linie, Vergleichsprobe V: durchgezogene Linie) . Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäß erzeugten Proben bereits nach dem Nachwalzen im kaltgewalzten, nicht polierten Zustand ein Reflexionsvermögen besitzen, das im
Wesentlichen gleich dem Reflexionsvermögen der mit
erheblich größerem Aufwand zunächst walztechnisch
erzeugten und dann polierten Vergleichsprobe ist.
Es waren deutliche Unterschiede zwischen den
erfindungsgemäß gewalzten Stahlflachprodukten und der zum Vergleich herangezogenen hochglanzpolierten Probe bzgl. der Rauheit nachweisbar. Anhand von Topographieaufnahmen (s. Fig. 2) lassen sich die Walzrichtungen, in denen das jeweilige Stahlflachprodukt kaltgewalzt worden ist, eindeutig identifizieren. So ist in Fig. 2 eindeutig eine durch eine linienförmige Ausbildung charakterisierte Vorzugsrichtung der Rauheit feststellbar. Bei der
polierten, zum Vergleich herangezogenen Probe V liegt eine solche Vorzugsrichtung dagegen nicht vor (Fig. 3). Um zu untersuchen, wie sich das Reflexionsvermögen der erfindungsgemäß erzeugten Stahlflachproduktproben durch Auftrag einer Beschichtung weiter erhöhen lässt, ist die erfindungsgemäße Stahlflachproduktprobe El mittels
Elektronenstrahlverdampfen mit einer 90 - 100 nm dicken Silberschicht versehen worden. Durch diese Beschichtung stieg die gerichtete Reflexion im solaren Spektralbereich auf etwa 93 % und erreicht damit die Größenordnung konventioneller Glasspiegel. In Fig. 4 ist das
Reflexionsvermögen der erfindungsgemäßen Probe El vor dem Beschichten durch eine gestrichelte Linie dargestellt, während das Reflexionsvermögen nach der Beschichtung durch eine durchgezogene Linie wiedergegeben ist.
Schließlich ist noch in einer Nano-Identer-Messung die Härte der reflektierenden Oberflächen der Proben El, E2 und V untersucht worden. Hier zeigte sich eine eindeutig höhere Härte bei der polierten Vergleichsprobe. Die
Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 2
zusammengefasst .
Figure imgf000017_0001
Tabelle 2

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Herstellen eines Stahlflachprodukts mit hohem Reflektionsvermögen, bei dem mindestens eine Oberfläche einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 0,03 μιη aufweist, umfassend folgende Arbeitsschritte: a) Bereitstellen eines Stahlflachprodukts, bei dem mindestens eine der Oberflächen einen
arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 2,5 m aufweist; b) in mehreren Walzstichen erfolgendes Kaltwalzen des Stahlflachprodukts,
- wobei die über das Kaltwalzen erzielte Gesamtverformungsrate 75 - 90 % beträgt,
- wobei die Verformungsrate von Walzstich zu
Walzstich abnimmt;
- wobei der Walzdruck im ersten Walzstich 200 - 800 MPa und der Walzdruck im letzten Walzstich 1000 - 4000 MPa beträgt;
- wobei das Kaltwalzen unter Zugabe eines Walzöls erfolgt, dessen Viskosität 5 - 10 mmz/s bei
40 °C beträgt; - wobei die Walzgeschwindigkeit während des
Kaltwalzens größer als 200 m/min ist;
- wobei das Kaltwalzen mindestens im letzten
Walzstich mit einer Arbeitswalze erfolgt, deren mit dem Walzgut in Kontakt kommende
Umfangsflache einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 0,01 pm aufweist; c) Glühen des erhaltenen kaltgewalzten
Stahlflachprodukts unter einer
Schutzgasatmosphäre mit einem Wasserstoffgehalt von mehr als 50 Vol.-%;
und d) trocken erfolgendes Nachwalzen des geglühten
Stahlflachprodukts mit einem Nachwalzgrad von 0,5 - 2 %; e) optional im Anschluss an das Nachwalzen
erfolgendes Beschichten des im nachgewalzten Zustand befindlichen Stahlflachprodukts mit einer reflektierenden Beschichtung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Dicke des in Arbeitsschritt a) bereitgestellten
Stahlflachprodukts höchstens 2,5 mm beträgt.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Dicke des nach dem Kaltwalzen erhaltenen
Stahlflachprodukts höchstens 0,4 mm beträgt.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Kaltwalzen im Arbeitsschritt b) in mindestens zehn Stufen durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s im Arbeitsschritt b) die Verformungsrate von
Walzstich zu Walzstich um jeweils 5 - 10 % abnimmt.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s im Arbeitsschritt b) die Verformungsrate im ersten Walzstich des Kaltwalzens mindestens 20 % beträgt.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s im Arbeitsschritt b) die Verformungsrate im letzten Walzstich des Kaltwalzens weniger 10 % beträgt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s im Arbeitsschritt d) das Nachwalzen mit einer Arbeitswalze erfolgt, deren mit dem Walzgut in
Kontakt kommende Oberfläche einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 0,03 μπι aufweist.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s beim optional durchgeführten Arbeitsschritt e) die Beschichtung durch ein Vakuumdampf erfahren auf das Stahlflachprodukt aufgebracht wird.
10. Stahlflachprodukt mit hohem Reflektionsvermögen, das im fertig nachgewalzten Zustand an mindestens einer seiner Oberflächen
- einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von weniger als 0,03 μπι mit einer parallel zur Walzrichtung des Kaltwalzens gerichteten Vorzugsrichtung,
- einen nach DIN 67530 ermittelten Glanz von
> 1200 Glanzeinheiten und
- eine gerichtete Reflexion von > 60 % aufweist .
11. Stahlflachprodukt nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s es an der mindestens einen Oberfläche einen arithmetischen Mittenrauwert von weniger als 0,02 pm besitzt.
12. Stahlflachprodukt nach einem der Ansprüche 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s es an der mindestens einen Oberfläche eine Oberflächenhärte von < 4 GPa aufweist.
13. Stahlflachprodukt nach einem der voranstehenden
Ansprüche, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s es durch Anwendung des gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten Verfahrens hergestellt ist.
14. Stahlflachprodukt nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s es aus einem nicht rostenden Stahl mit einem Cr-Gehalt von mindestens 10,5 Gew.-%
hergestellt ist.
15. Spiegelelement für Solarkonzentratoren, hergestellt aus einem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14 ausgebildeten Stahlflachprodukt.
PCT/EP2013/067701 2012-09-28 2013-08-27 Verfahren zum herstellen eines stahlflachprodukts mit hohem reflektionsvermögen, stahlflachprodukt und spiegelelement für solarkonzentratoren Ceased WO2014048656A1 (de)

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