СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕАКЦИЕЙ
REACTION CONTROL METHOD AND DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству и способу управления поверхностной реакцией на стальных листах, транспортируемых в непрерывной линии гальванизации или отжига.
Уровень техники
[0002] Стали высокопрочных марок обычно имеют высокое содержание таких элементов, как кремний, марганец и хром (как правило, соответственно от 0,5 до 2%; от 1,5 до 6%; от 0,3 до 1% массовой доли), что затрудняет нанесение на них покрытия, поскольку в процессе отжига, предшествующем погружению в ванну для гальванизации, образуется оксидный слой этих элементов. Этот оксидный слой снижает смачиваемость поверхности стали при погружении в ванну. В результате это приводит к худшему сцеплению покрытия и наличию непокрытых участков.
2
[0003] Известный из уровня техники способ повышения смачиваемости стали таких марок заключается в полном оксидировании поверхности стали в специальной камере в условиях, когда сталь имеет температуру, как правило, от 600 до 750°С. Получаемый оксидный слой содержит большое количество оксидов железа, которые затем восстанавливаются в конце секции нагрева и выдержки печи для отжига и последующей термической обработке. Целью данного процесса заключается в достижении толщины оксида приблизительно от 50 до 300 нм, что соответствует количеству оксида железа менее 2 г/м.
[0004] Существуют различные способы оксидирования поверхности стали перед этапом восстановления. Например, оксидирование может осуществляться в пламенной печи прямого нагрева, в которой горение проходит при избытке воздуха. Другой способ заключается в осуществлении оксидирования в специальной камере, которая расположена в средней части печи для отжига и в которую подается смесь азота и окислителя. Такое воплощение раскрыто в патенте ЕР 2010690 В1 и на фиг. 1. Секция оксидирования отделена от других частей печи для отжига посредством уплотнений для минимизации количества окислителя, впрыскиваемого в первую и конечную секции.
[0005] Образование оксидного слоя необходимо тщательно контролировать для предотвращения образования слишком толстого или слишком тонкого слоя. В первом случае восстановление в конечной части печи может быть неполным по причине недостатка времени. Известно, что в этом случае упомянутый оксид может прилипать к роликам печи и образовывать дефекты. Во втором случае оксидный слой может не являться достаточно эффективным, поскольку оксидирование легирующих элементов не может ингибироваться в достаточной степени и, следовательно, смачиваемость в ванне с жидким металлом будет увеличена в недостаточной степени.
[0006] Процесс образования оксидного слоя управляется тремя основными параметрами: температурой ленты, концентрацией кислорода в газовой среде камеры и переносом этого кислорода на поверхность стали. Поскольку на краях листа имеются не те же самые пограничные условия и турбулентность, что в центральной части листа, перенос окислителя на край отличается. По аналогии с тем, что охлаждение края в технологической линии выражено более сильно, оксидирование края, как правило, также выражено более сильно. Ширина этого избыточного оксидирования находится в диапазоне от 1 до 10 см, в зависимости от конструкции камеры оксидирования и используемых параметров процесса.
[0007] Таким образом, для получения равномерной толщины оксида необходимо иметь управляемую систему, которая также предусматривала бы возможность частого изменения ширины ленты в линии непрерывной гальванизации (обычно от 900 до 2000 см).
[0008] Кроме того, могут быть сконструированы механические системы с изменяемыми секциями впрыска, однако этот способ не является надежным с точки зрения промышленной применимости по причине высокой температуры ленты и вызванного этим теплового расширения материала. Это является настоящей проблемой с учетом того, что камера оксидирования может использоваться лишь периодически, поскольку не все, стальные листы требуют такой процесс оксидирования.
Краткое описание чертежей
[0009] Настоящее изобретение описано более подробно ниже на основании чертежей примеров осуществления. Настоящее изобретение не ограничивается примерными вариантами осуществления. Все описанные и/или проиллюстрированные признаки могут быть использованы по отдельности или быть объединены в различных комбинациях в вариантах осуществления настоящего изобретения. Признаки и преимущества различных вариантов осуществления настоящего изобретения очевидны из нижеприведенного подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
[0010] на фиг. 1 схематично показана печь для отжига, содержащая секцию оксидирования в соответствии с предшествующим уровнем техники;
[0011] на фиг. 2 схематично показана камера оксидирования в соответствии с настоящим изобретением, имеющая боковые отверстия для впрыскивания инертного газа;
[0012] на фиг. 3 показана верхняя часть камеры оксидирования в соответствии с настоящим изобретением, имеющая поперечные отверстия для впрыскивания окислителя;
[0013] на фиг. 4 показано поперечное отверстие камеры оксидирования с элементом жесткости согласно одному варианту осуществления изобретения;
[0014] на фиг. 5 показана нижняя часть камеры оксидирования с выпускными отверстиями согласно одному варианту осуществления изобретения;
[0015] на фиг. 6 показана нижняя часть камеры оксидирования с выпускными отверстиями согласно другому варианту осуществления изобретения;
[0016] на фиг. 7 показано изменения массы на единицу площади оксидного слоя по ширине ленты при отсутствии впрыскивания в поперечном направлении инертного газа;
[0017] на фиг. 8 показано изменения массы на единицу площади оксидного слоя по ширине ленты при наличии впрыскивания в поперечном направлении инертного газа;
[0018] на фиг. 9 в соответствии с настоящим изобретением показаны средства управления для отдельной регулировки потока инертного газа на каждой из боковых сторон камеры оксидирования и средства управления для управления впрыскиванием окислителя в верхнюю часть камеры оксидирования.
Раскрытие сущности изобретения
[0019] Настоящее изобретение относится к печи непрерывного отжига для отжига стальных лент, содержащей реакционную камеру, выполненную с возможностью транспортировки в ней стальных лент в вертикальном направлении, причем упомянутая камера имеет отверстия, выполненные с возможностью подачи в них реагента, также называемые отверстиями для реагента и расположенные в верхней части или в нижней части реакционной камеры, при этом реакционная камера дополнительно имеет другие отверстия, выполненные с возможностью подачи в них инертного газа, также называемые отверстиями для инертного газа, причем отверстия для инертного газа расположены на боковых сторонах реакционной камеры.
[0020] В соответствии с частными предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения, печь в соответствии с настоящим изобретением дополнительно обладает по меньшей мере одним или соответствующей комбинацией из следующих признаков:
- отверстия для инертного газа расположены так, чтобы находиться ниже по потоку относительно потока реагента из отверстий для реагента;
- она имеет одно или несколько отверстий для инертного газа на каждой из боковых сторон реакционной камеры;
- она содержит средства для управления потоком и температурой инертного газа;
- она содержит средства для отдельного управления потоком инертного газа на каждой из боковых сторон реакционной камеры;
- реакционная камера имеет выпускные отверстия для предотвращения превышения давления внутри реакционной камеры, причем упомянутые выпускные отверстия расположены так, чтобы находиться ниже по потоку относительно потока реагента и потока инертного газа, выходящих из отверстий для реагента и отверстий для инертного газа соответственно;
- расстояние между боковыми сторонами реакционной камеры и краями стальной ленты составляет от 75 до 220 мм, предпочтительно от 100 до 200 мм, и более предпочтительно 100 мм;
- реакционная камера имеет отверстие для реагента, обращенное к каждой из сторон стальной ленты;
- реакционная камера представляет собой камеру оксидирования, причем реагент представляет собой окислитель.
[0021] Изобретение также относится к способу управления поверхностной реакцией на стальной ленте, движущейся в вертикальном направлении через вышеописанную реакционную камеру печи, включающему в себя этап впрыскивания инертного газа в боковом направлении в реакционную камеру и этап впрыскивания реагента выше по потоку относительно потока инертного газа в упомянутую камеру.
[0022] Согласно частным предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения, способ в соответствии с настоящим изобретением дополнительно обладает по меньшей мере одним или соответствующей комбинацией из следующих признаков:
- реакционная камера представляет собой камеру оксидирования, при этом реагент представляет собой окислитель, причем содержание кислорода в окислителе по объему составляет от 0,01 до 8%, предпочтительно от 0,1 до 4%;
3
3
- поток инертного газа составляет от 5 до 70 м/ч при нормальных условиях, предпочтительно от 10 до 60 м/ч при нормальных условиях;
- температура инертного газа на 200-50°С ниже температуры стальной ленты, если реакцию стальной ленты осуществляют посредством впрыскивания реагента в верхнюю часть реакционной камеры, причем температура инертного газа на 200-50°С выше температуры стальной ленты, если реакцию со стальной ленты осуществляют посредством впрыскивания реагента в нижнюю часть реакционной камеры;
- предусмотрен этап выпуска газа, содержащего инертный газ и реагент, при этом извлекаемый поток рассчитывают на основе разности давления между внутренней частью реакционной камеры и другими частями печи.
[0023] Наконец, изобретение также относится к стальной ленте, полученной вышеописанным способом, причем стальная лента имеет на выходе из камеры оксидирования оксидный слой с увеличением массы на площадь поверхности от значения в центре ленты до максимального значения на краю ленты меньше 15%, предпочтительно меньше 10%.
Осуществление изобретения
[0024] Проблема, на решение которой наплавлено настоящее изобретение, заключается в создании устройства и способа управления поверхностной реакцией на краях листа без механической системы. Поверхностная реакция может представлять собой любую реакцию, способную протекать в секции печи для отжига, например, реакцию восстановления или реакцию азотирования, с подачей в секцию соответствующего реагента. В действительности проблема образования слоев с разной толщиной на краях листа существует независимо от типа реагента. В качестве примера, упомянутые способ и устройство описаны ниже для случая поверхностной реакции, протекающей в камере оксидирования, в которую подают окислитель.
[0025] Печь для отжига содержит камеру оксидирования, оснащенную средствами для регулирования концентрации кислорода газовой среды в областях вблизи краев листа. Камера оксидирования в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в линии непрерывного цинкования и в линии непрерывного отжига без установки для горячего цинкования погружением. В последнем случае непокрытый стальной лист может быть дополнительно протравлен для удаления оксидного слоя, образованного в процессе отжига.
[0026] Способ в соответствии с настоящим изобретением заключается во впрыскивании инертного газа с определенным потоком и температурой через упомянутые стороны камеры оксидирования. Для этой цели, как показано на фиг. 2, камера 2 оксидирования имеет боковые отверстия 3 для впрыскивания инертного газа в дополнение к поперечным отверстиям 4 для впрыскивания окислительной среды, также называемой окислителем. Таким образом, величина впрыскиваемого в поперечном направлении окислителя может быть либо увеличена, либо уменьшена в краевой области в зависимости от степени разбавления в результате впрыскивания инертного газа в боковом направлении. Кроме того, как описано ниже, камера оксидирования может дополнительно иметь отверстия для выпуска текучей среды на противоположной стороне поперечных отверстий для предотвращения превышения давления внутри камеры.
[0027] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения настоящего изобретения боковые отверстия камеры могут быть выполнены в форме каналов, при этом на каждой из боковых сторон камеры может быть выполнен один, два или более двух каналов. В соответствии с другими вариантами осуществления отверстия могут быть выполнены в форме щелей или иметь любую форму, подходящую для впрыскивания газа.
[0028] Кроме того, камера оксидирования может быть оснащена средствами для отдельного управления потоком инертного газа на каждой из боковых сторон.
[0029] Поперечные отверстия для впрыскивания газа-окислителя через камеру предпочтительно расположены в верхней части камеры по причинам, раскрытым ниже. Отверстие расположено с каждой из сторон упомянутого листа. Согласно показанному на фиг. 3 варианту осуществления настоящего изобретения, поперечные отверстия 4 выполнены в форме щелей, однако они могут иметь другие формы согласно другим вариантам осуществления. Кроме того, отверстие 4 может быть оснащено элемент 6 жесткости для сохранения формы отверстия неизменной, как показано на фиг. 4.
[0030] На стороне, противоположной упомянутым поперечным отверстиям, то есть, в нижней части камеры оксидирования для случая, когда впрыскивание окислителя осуществляют в верхнюю часть, камера имеет выпускные отверстия 7 для уменьшения давления внутри камеры, когда текучую среду не рециркулируют. Они могут быть в форме щелей на каждой из сторон листа, как показано на фиг. 5, или быть круглыми, квадратными или прямоугольными отверстиями, как показано на фиг. 6.
[0031] Камера дополнительно содержит ролики или аналогичную систему уплотнения на ее входе и выходе для отделения газовой среды этой камеры от остальной части печи для отжига и, следовательно, для минимизации потока окислителя в других частях печи. Для упрощения, на фиг. 3, 5 и 6 показана только половина роликов 8, ближайших к камере. Кроме того, камера теплоизолирована, однако, в случае необходимости, для компенсации тепловых потерь могут быть дополнительно предусмотрены некоторые нагревательные устройства.
[0032] Например, типовыми размерами камеры оксидирования являются следующие: длина от 3 до 5 м и ширина, которая примерно на 150 мм больше максимальной ширины ленты, предназначенной для прохождения. Типовая конструкция - ширина 2 м при максимальной ширине ленты 1850 мм. Минимальное расстояние между корпусом камеры оксидирования и лентой составляет от 75 до 220 мм, предпочтительно от 100 до 200 мм и более предпочтительно 100 мм.
2
2
2
2
2
2
3
3
3
[0033] Как показано на фиг. 2, через камеру 2 оксидирования проходит в вертикальном направлении стальной лист 5. Лист может перемещаться в направлении- вверх или вниз в зависимости от общей компоновки печи. Газ-окислитель, состоящий из смеси N и О с содержанием кислорода по объему от 0,01 до 8%, предпочтительно от 0,1 до 4%, впрыскивают через поперечные отверстия 4. При этом контролируют поток, температуру и концентрацию окислителя. Поток, приходящийся на каждую сторону, обычно составляет от 150 до 250 м/ч при нормальных условиях для щели с раскрытием 10 мм и длиной 2 м. Температура смеси N + О на 200°С-50°С ниже температуры ленты для возможности задействовать принцип плавучести. Температура смеси предпочтительно составляет от 580 до 600°С для ленты с температурой 700°С. Газ, являясь более холодным, чем лента, опускается вниз, поэтому поперечные отверстия расположены в верхней части камеры. Поскольку кислород в области вблизи сторон камеры не потребляется и находится снаружи краев ленты, концентрация О в этих частях выше, что приводит к образованию более толстого оксидного слоя на краях листов по сравнению с центральной частью листа. Это в особенности справедливо для узких листов. Для решения этой проблемы ниже по потоку от места впрыскивания окислителя через боковые отверстия камеры впрыскивают небольшое количество чистого инертного газа, например, N или Ar. Расход потока и температуру инертного газа регулируют и управляют в зависимости от марки ленты, ширины ленты, содержания кислорода и потока основного окислителя. Суммарный поток, приходящийся на боковую сторону, обычно составляет от 5 до 70 м/ч при нормальных условиях, предпочтительно от 10 до 60 м/ч при нормальных условиях, при этом он подается через одно или множество отверстий. Температура текучей среды на 200°С-50°С ниже температуры ленты также для возможности задействовать принцип плавучести. Целевое значение составляет 580-600°С для ленты с температурой 700°С. Таким образом, поток инертного газа также перемещается вниз.
[0034] Нижеприведенная симуляция демонстрирует эффективность способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением в отношении равномерности распределения оксидного слоя по ширине листа.
3
2
[0035] На фиг. 7 проиллюстрировано известное из уровня техники образование FeO на ленте шириной 1050 мм со специальным составом при 700°С, проходящей со скоростью 120 м/мин в камере оксидирования, длина которой составляет три метра и ширина которой составляет два метра, при этом поток окислителя, приходящийся на сторону, составляет 160 м/ч при нормальных условиях при 600°С и с содержанием O 1%. На краях листа масса оксидного слоя на единицу поверхности увеличена примерно на 30%.
3
[0036] В аналогичных условиях, но при впрыске 40 м/ч (при нормальных условиях) инертного газа с температурой 600°С на каждую из боковых сторон камеры, однородность оксида увеличена, как показано на фиг. 8. В этом случае, увеличение от значения в центральной части ленты до максимального значения на краю ленты составляет меньше 10%. В соответствии с настоящим изобретением целевое значение увеличения между центральной частью ленты и максимальным значением на краю составляет менее 15% и предпочтительно менее 10%.
-
[0037] Как упомянуто выше, для надлежащей эффективности необходимо регулировать соответствующий поток и температуру основного окислителя и инертного газа в соответствии с шириной ленты и качеством обработки.
[0038] Каждым из потоков управляют посредством клапанов управления и расходомеров. Предусмотрен температурный датчик, при этом упомянутой температуры достигают посредством теплообменника, использующего газ, электричество или другое. Весь впрыскиваемый газ (окислитель и инертный) могут рециркулировать или не рециркулировать. Давлением внутри камеры управляют при помощи выпуска текучей среды в уплотнительных устройствах, однако это также может быть осуществлено посредством выпускных щелей, когда текучую среду не рециркулируют. Это позволяет предотвратить превышение давления в камере, а также поток окислителя в остальных частях печи. Выпускной поток регулируют за счет управления давлением внутри камеры относительно давления в остальных частях печи. Типовое управление потоком может быть выполнено в соответствии с пропорционально-интегрально-дифференциальным принципом (PID), как показано на фиг. 9. Толщину оксида измеряют поперек ширины ленты посредством специальной системы, установленной после секции оксидирования, то есть вне камеры и в некоторых случаях с каждой из сторон ленты.
[0039] Настоящее изобретение было показано и описано для камеры оксидирования с поперечными отверстиями, расположенными в верхней части камеры, в которой окислитель и инертный газ движутся вниз, поскольку их температуры меньше температуры ленты. Настоящее изобретение также включает в себя конфигурацию с поперечными отверстиями, расположенными в нижней части камеры оксидирования. В этом случае зоны выпуска должны быть расположены в верхней части камеры, а инертный газ и основной окислитель должны нагреваться до температуры, превышающей температуру ленты, чтобы перемещаться вверх. Боковые отверстия аналогичным образом расположены ниже по потоку относительно потока окислителя.
[0040] Не смотря на то, что настоящее изобретение было показано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, чертежи и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие. Очевидно, что специалистом могут быть выполнены изменения и модификации в рамках нижеприведенной формулы изобретения. В частности, настоящее изобретение включает в себя дополнительные варианты осуществления с любой комбинацией признаков из различных вариантов осуществления, описанных выше и ниже.
[0041] Термины, используемые в формуле изобретения, следует рассматривать как имеющие наиболее широкое рациональное толкование, соответствующее вышеприведенному описанию. Например, использование форм единственного числа при раскрытии элемента не должно интерпретироваться как исключение множества элементов. Сходным образом упоминание "или" следует интерпретировать как включающее, так что упоминание "А или В" не исключает "А и В", если только из контекста или предшествующего описания не ясно, что имеется в виду лишь одно из А и В.
Перечень ссылочных обозначении
(1) печь для отжига
(2) реакционная секция, также называемая реакционной камерой, и, в частности, секция или камера оксидирования
(3) боковое отверстие для впрыскивания инертного газа, также называемое отверстием для инертного газа
(4) поперечное отверстие для впрыскивания реагента и, в частности, окислителя, также называемое отверстием для реагента
(5) лента или лист
(6) элемент жесткости в поперечном отверстии
(7) выпускное отверстие
(8) уплотнительный ролик
(9) ванна для цинкования
(10) нагревательные средства
(11) клапан