DE69410599T2 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen behandlung eines verzinkten stahlbandes - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Behandeln eines verzinkten Stahlbandes, insbesondere in Gestalt eines Galvannealing. Sie betrifft des weiteren eine entsprechende Anlage.
• Die unter der Bezeichnung "Galvannealing" bekannte Wärmebehandlung besteht darin, ein verzinktes Stahlband zu erwärmen, auf der Temperatur zu halten und schließlich abzukühlen. Mit dieser Behandlung soll eine Diffusion des Eisens in das Zink der Beschichtung erreicht werden, bis ein Gehalt von 7% bis 13% in der Beschichtung erreicht ist. Diese Werte bestimmen die optimale Zusammensetzung der Legierung, außerhalb des beim Tiefziehen die Beschichtung pulverisiert wird, wenn der Eisengehalt zu hoch ist, oder die Schweißbarkeit nicht ausreichend ist, wenn der Eisengehalt zu niedrig liegt.
• Gegenwärtig wird das Galvannealirig in einer Anlage durchgeführt, in der das Band wenigstens zwei senkrechte Bahnen durchläuft, nämlich eine aufsteigende Bahn und eine absteigende Bahn. Normalerweise läßt sich diese Anlage auch beim Herstellen üblicher verzinkter Bänder verwenden.
• Bei einem üblichen Galvannealing ist oberhalb des Verzinkungsbades ein Erwärmungs- und Temperaturhalteofen unmittelbar nach einer Abstreifvorrichtung aus Luftbürsten angeordnet. Dieser Ofen läßt sich im allgemeinen beiseite schaffen, da er beim Herstellen von üblichem, verzinktem Band nicht benötigt wird. Oberhalb eines solchen Ofens ist eine erste Kühlvorrichtung angeordnet, die üblicherweise aus einer Gruppe von Ventilatoren zum Aufblasen von Luft besteht, um die Beschichtung beim Passierenen von Umlenkwalzen nicht zu beschädigen. Die Anordnung des Ofens und der Kühlvorrichtung bestimmt die Höhe der aufsteigenden Bahn, die wegen der im Bereich der Luftbürsten erzeugten Vibrationen im allgemeinen nicht mehr als 50 m übersteigt. Eine weitere Kühlvorrichtung, beispielsweise eine zweite Ventilatorgruppe, ist üblicherweise am Beginn der absteigenden Bahn angeordnet.
• In einer derartigen Vorrichtung verläßt das beschichtete Band das Zinkbad mit einer Temperatur von ungefähr 450º bis 480ºC und wird nach dem Abstreifen mittels der Luftbürsten dem Galvannealing durch Erwärmen und Halten der Temperatur in dem vorerwähnten Ofen bei 460º bis 600ºC, abhängig von der Stahlqualität, unterzogen. Anschließend wird das Band zunächst durch eine erste Ventilatorgruppe am Ende der aufsteigenden Bahn und danach am Beginn der absteigenden Bahn bis auf eine im Hinblick auf eine nachfolgende Behandlung des beschichteten Bandes geeignete Temperatur abgekühlt.
• Die üblichen verzinkten Bänder werden ausschließlich von ungefähr 450º bis 480ºC, der Temperatur nach dem Abstreifen, auf eine Temperatur unterhalb von 330ºC am oberen Ende der aufsteigenden Bahn abgekühlt, um ein Kleben des Bandes an den Umlenkwalzen zu verhindern. Das Abkühlen setzt sich dann in der zweiten Kühlvorrichtung fort, die am Anfang der absteigenden Bahn angeordnet ist, bis die für eine nachfolgende Behandlung des verzinkten Bandes erforderliche Temperatur erreicht ist. Die übliche Praxis sieht Heizvorrichtungen für das Band in Gestalt eines Ofens mit direkter Beheizung oder eines Induktionsofens vor. Diese Heizvorrichtungen sind in der Lage, eine Temperaturerhöhung es Bandes von 50º bis 100ºC zu bewirken, wobei die Aufheizgeschwindigkeit indessen gering ist und beispielsweise für ein Band mit einer Dicke von 0,7 mm nur 6ºC/s in einem mit Brennern ausgestatteten Ofen und 30ºC/s in einem Induktionsofen mit einer Frequenz von 10 kHz beträgt. Des weiteren weisen die Öfen mit Gasbrennern einen geringen energetischen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 30% auf, während die klassischen Induktionsöfen mit Spulen, die zahlreiche Windungen und einen Fluß in Längsrichtung oder Querrichtung aufweisen, ggf. eine Korrektur der unregelmäßigen Querverteilung der Temperaturen erfordern.
• Das Halten der Temperatur geschieht im allgemeinen in einem wärmeisolierten Tunnel, der ggf. mit Heizelementen, beispielsweise elektrischen oder Gasheizelementen versehen ist. Dieser Tunnel erstreckt sich über ungefähr ein Viertel der Höhe der senkrecht aufsteigenden Bahn. Die Aufheiz- und Haltezone muß lang genug sein, um eine Verweildauer von mehr als 10 Sekunden, vorzugsweise von mehr als 15 Sekunden bei einer Temperatur oberhalb von 450ºC zu gewährleisten.
• Derartige Anlagen erlauben es nicht, die Wärmebehandlung unter optimalen Bedingungen durchzuführen. Aufgrund der geringen Erwärmungsgeschwindigkeit des verzinkten Bandes ist es erforderlich, die betreffende Zone mit einer großen Länge auszuführen, was die Länge der Haltezone, in der die Diffusion des Eisens in die Zinkbeschichtung stattfindet, beschränkt, so daß es notwendig ist, auf höhere Temperaturen zurückzugreifen. Es ist andererseits wohlbekannt, daß sich die Gefahr eines Pulverisierens beim Tiefziehen verringert, wenn die Haltetemperatur geringer und die Haltedauer länger ist.
• Ziel der Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen und einen thermischen Zyklus vorzuschlagen, der ausgezeichnete Bedingungen für die Wärmebehandlung gewährleistet. Anstelle der derzeit praktizierten Zyklen verwirklicht das erfindungsgemäße Verfahren einen "Rechteck"-Zyklus mit einer langen Haltedauer, während der die Temperatur aufgrund der langen Haltezeit verhältnismäßig niedrig sein kann.
• Das Verfahren zum kontinuierlichen Behandeln von feuerverzinktem Stahlband, das Gegenstand der Erfindung ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Band nach der Abstreifstufe am Austritt aus dem Zinkbad rasch mit einem spezifischen Wärmestrom von mehr als 100 kW/m² Produktfläche auf eine Temperatur zwischen 460º und 600ºC wiedererhitzt, für 10 bis 30 Sekunden auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten und dann rasch mit einem spezifischen Wärmestrom von mehr als 100 kW/m² Produktfläche auf eine Temperatur unter 420ºC abgekühlt wird.
• Die Temperatur, auf die das Band gebracht wird, hängt von dem zu behandelnden Stahl ab, so wie dies auch beim üblichen Galvannealing der Fall ist. In der Praxis kann die Temperatur indessen etwas weniger hoch, beispielsweise zwischen 460º und 560ºC liegen.
• Der spezifischen Wärmestrom in kW/m², ist eine den Praktikern, insbesondere den Praktikern der Wärmebehandlung von Stahlblechen wohlbekannte Größe. Es ist ohne weiteres möglich, den spezifischen Wärmestrom in eine Temperaturänderungsgeschwindigkeit als Funktion der Dicke des Bandes umzurechnen.
• Beispielsweise ergibt ein spezifischen Wärmestrom von 180 kW/m² Produktfläche bei einem Blech mit einer Dicke von 0,7 mm eine Aufheizgeschwindigkeit von 100ºC/s und von 60ºC/s bei einem Blech mit einer Dicke von 1,25 mm. Andererseits ergibt ein spezifischer Wärmestrom von 100 kW/m² Produktfläche eine Abkühlgeschwindigkeit von 54ºC/s bei einer Banddicke von 0,7 mm und von 30ºC/s bei einer Dicke von 1,25 mm.
• Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zum raschen Erhitzen des Bandes ein Induktionsofen mit sehr hoher Frequenz, beispielsweise zwischen 100 und 500 kHz. Dabei ist es möglich, sehr große spezifische Wärmeströme und folglich sehr hohe Aufheizgeschwindigkeiten zu erreichen, beispielsweise von 150ºC/s bei einem Band mit einer Dicke von 0,7 mm in einem Ofen mit 100 kHz.
• Gemäß einer bevorzugten Abwandlung dieses Verfahrens wird der Induktionsofen sehr hoher Frequenz mit einer Induktionsspule mit einer Windung, beispielsweise aus einer das Band umhüllenden Kupferfolie, kombiniert. Diese Variante verbessert die Querverteilung der Temperatur im Band, so daß die Probleme mit den periodischen Temperaturänderungen über der Breite des Bandes entfallen und die Randzonen auf die gleiche Temperatur wie der mittlere Bereich erwärmt werden.
• Die Temperaturhaltezone kann erfindungsgemäß aus einem umschlossenen, ggf. mit Wiedererhitzungsmitteln wie Gasbrenner versehenen Raum bestehen, die dazu dienen, die Wärme einzubringen, die aufgrund lokaler Wärmeverluste ersetzt werden muß.
• Erfindungsgemäß wird das Band am Ausgang der Temperaturhaltezone bis auf eine Temperatur unter 350ºC abgekühlt. Bei einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens werden die Parameter des Kühlsystems so gewählt, daß sich ein spezifischer Wärmestrom von mehr als 125 kW/m² Produktfläche ergibt.
• Eine praktische Ausführung der Erfindung besteht darin, daß ein rasches Abkühlen des Bandes mittels einen Wasser-Luft-Nebel versprühender Düsen bewirkt wird.
• Es ist festzuhalten, daß die Temperaturerhöhung durch induktives Erwärmen bekanntermaßen eine bessere Steue rung der Wärmebehandlung erlaubt, vorausgesetzt, die Temperaturverteilung im Band am Ausgang des Ofens ist so homogen wie möglich, was von den Bedingungen beim Verlassen des Zinkbades abhängt. Unter diesem Gesichtspunkt kann es sich als nützlich erweisen, erfindungsgemäß zwischen der Zone zum raschen Erhöhen der Temperatur und der Haltezone eine Ausgleichszone zum Vergleichmäßigen der Temperatur vorzusehen, die beispielsweise mit quer über dem Band angeordneten Brennern versehen ist, deren Brennstoffzufuhr sich individuell einstellen läßt.
• Nachstehend wird eine erfindungsgemäße Anlage im einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine übliche Anlage zum Galvannealing,
• Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anlage und
• Fig. 3 ein Temperatur-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungszyklus und eines üblichen Wärmebehandlungszyklus zeigen.
• Diese Zeichnungen sind wohlgemerkt schematische Darstellungen, in denen absichtlich nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Elemente wiedergegeben sind. Aus Gründen der Klarheit sind gleiche oder entsprechende Elemente in allen Darstellungen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
• In Fig. 1 ist eine Anlage zum Behandeln eines verzinkten Stahlbandes dargestellt, die für den Stand der Technik typisch ist.
• Das aus einem Glühofen kommende Stahlband 1 taucht in ein Bad mit schmelzflüssigem Zink 2 in einen Verzinkungsbehälter 3 ein. Das Band 1 wird mittels einer ersten Umlenkwalze 4 umgelenkt und verläßt das Zinkbad in senkrechter Richtung, wobei es durch Führungswalzen 5 geführt wird. Am Ausgang des Zinkbades 2 durchquert es eine Abstreifvorrichtung 6, die aus Luftbürsten besteht und die Dicke der Zinkschicht auf dem Stahlband 1 einstellt.
• Das so beschichtete Stahlband 1 durchläuft nacheinander eine senkrechte, aufsteigende Bahn bis zu einer zweiten Umlenkwalze 7, eine waagerechte Bahn bis zu einer dritten Umlenkwalze 8 und dann eine senkrecht absteigende Bahn in Richtung einer nachfolgenden Behandlung.
• Im unteren Bereich der senkrecht aufsteigenden Bahn, d. h. kurz nach der Abstreifvorrichtung 6 ist ein Ofen angeordnet, der Heizzonen 9, 10 und eine sich anschließende Temperaturhaltezone 11 besitzt. Mittels dieses Ofens läßt sich das Band erwärmen und auf einer bestimmten Temperatur halten, um die Diffusion des Eisens in das Zink zu ermöglichen, die für das Galvannealing charakteristisch ist. Der ganze Ofen oder ein Teil davon ist verfahrbar, um verzinktes Stahlband in üblicher Weise, d. h. ohne Galvannealing herzustellen. Insbesondere läßt sich der Ofen durch andere Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Vorrichtung zum Minimieren der Zinkblumenbildung, wie die häufig beim klassischen Verzinken eingesetzt wird, ersetzen. Die Temperatur des Bandes beträgt nach dem Abstreifen ungefähr 450ºC. Im Ofen wird sie beim Galvannealing auf 460º bis 600ºC je Stahlqualität erhöht.
• Oberhalb des Ofens, d. h. im Bereich oberhalb der senkrecht aufsteigenden Bahn, weist die herkömmliche Anlage eine Kühlvorrichtung 12 für das verzinkte Stahlband auf, die im allgemeinen aus einer Ventilatorgruppe zum Aufblasen von Luft besteht. Diese Vorrichtung bewirkt das Abkühlen des verzinkten Bandes, ggf. nach einem Galvannealing auf eine ausreichend niedrige Temperatur, um ein Kleben an der Umlenkwalze 7 zu vermeiden.
• In einer solchen Anlage weicht der thermische Zyklus erheblich von einem quadratischen Temperaturverlauf ab, so daß sich die Wärmebehandlung schlecht kontrollieren läßt. Daraus ergeben sich insbesondere Schwierigkeiten, die einerseits die Regelung der Behandlung und andererseits die Beherrschung der Zusammensetzung der Eisen- Zink-Legierung betreffen, insbesondere bei dickem Stahlband mit einer dünnen Zinkschicht.
• Diese Probleme löst die erfindungsgemäße Anlage, von der ein Beispiel in der nachstehend beschriebenen Fig. 2 dargestellt ist.
• Dieses Beispiel weicht bezüglich des Verzinkens sowie des Abstreifens der Zinkschicht nicht vom Stand der Technik ab.
• Der wesentliche Unterschied betrifft den Ofen zum Galvannealing der erfindungsgemäß eine kurze Heizzone 10 zum Schnellaufheizen des verzinkten Bandes, eine sich anschließende kurze Zone 13 zum Vergleichmäßigen der Temperatur und eine lange Haltezone 11 zum Halten auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperatur umfaßt. Am Ofenausgang ist eine Kühlzone 14 zum schnellen Abkühlen mittels einen Wasser-Luft-Nebel versprühender Düsen angeordnet.
• Wie bereits erwähnt, kann die Länge der senkrecht aufsteigenden Bahn 4, 7 derzeit 50 m nicht überschreiten, insbesondere wegen der Querschwingungen des Bandes und der Schwierigkeit, die Dicke der Beschichtung zu steuern. Bei der in Fig. 1 dargestellten üblichen Anlage ist die zur Verfügung stehende Länge der Temperaturhaltezone 11 aufgrund der langen Kühlvorrichtung 12 vor der ersten Umlenkwalze 7 und der Länge der Heizzone 10 beschränkt. Aufgrund der wesentlichen Verkürzung der Heiz- und der Kühlzone läßt sich erfindungsgemäß die Zeit, während derer das Band auf einer bestimmten Temperatur gehalten wird, stark verlängern, wodurch einerseits die Temperaturregelung und die Behandlung erleichtert werden und andererseits ein langes Halten auf einer weniger hohen Temperatur als bei üblichen Verfahren möglich ist, was für die Eigenschaften der Beschichtung günstig ist.
• Der Unterschied im thermischen Zyklus bzw. Temperaturverlauf beim üblichen Galvannealing und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in Fig. 3 dargestellt, die ein Temperatur-Zeit-Diagramm der beiden Verfahren zeigt.
• In diesem Diagramm, in dem die Temperatur als Ordinate und die Zeit als Abzisse dargestellt ist, entspricht der Abschnitt AB der leichten Abkühlung, der das Band nach dem Verlassen des Zinkbades bei A unterliegt, während der Abschnitt EF der Temperaturverringerung entspricht, die der Zwangskühlung folgt, bevor das Band mit der Umlenkwalze 7 in Berührung kommt.
• Aus dem üblichen Temperaturzyklus BCDE ergibt sich die langsame Temperaturänderung des Bardes, die schwierig zu steuern ist. Demgegenüber erlaubt der erfindungsgemäße Temperaturverlauf mit seinem Abschnitt BG eines schnellen Aufheizens und mit dem Abschnitt HE eines raschen Abkühlens, ein langes Halten GH bei gleichbleibender Temperatur.
• Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft ein Galvannealing eines Stahlbandes mit 0,005% Kohlenstoff, 0,110% Mangan, 0,009% Titan und 0,015% Niob, einer Breite von 1500 mm, einer Dicke von 0,7 mm und einer Durchlaufgeschwindigkeit von 120 m/min.
• Am Ausgang des Zinkbades kühlte das Band bis zum Eintritt in einen Induktionsofen etwas von 460º auf 445ºC ab, in dem sich bei einem spezifischen Wärmestrom von 190 kW/m² die Temperatur auf 490ºC erhöhte. Das Band wurde 15,5 Sekunden bei dieser Temperatur gehalten, wonach es intensiv in einem umschlossenen Raum von 3 m Länge abgekühlt wurde, dessen erster Teil mit Wasser- /Luftdüsen ausgestattet war, deren Kühlleistungsdichte 180 kW/m² Produktfläche betrug. Die Temperatur des Bandes am Ausgang des Raumes lag bei 330ºC.

Claims (8)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Behandeln von feuerverzinktem Stahlband, dadurch gekennzeichnet, daß das Band nach der Abstreifstufe am Austritt aus dem Zinkbad rasch mit einer Heizleistungsdichte von mehr als 180 kW/m² Produktfläche wieder bis auf eine Temperatur zwischen 460ºC und 600ºC erwärmt, das Band zwischen 10 Sekunden und 30 Sekunden auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten und dann rasch mit einer Kühlleistungsdichte von mehr als 100 kW/m² Produktfläche auf eine Temperatur unter 4200ºC abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schhnellerwärmen des Bandes mittels eines Induktionsofens mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 500 kHz geschieht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen durch kombinierte Anwendung des Induktionsofens und einer beispielsweise aus Kupferfolie bestehenden, das Band umhüllenden Induktionsspule mit einer einzigen Windung geschieht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halten der Temperatur in einer gegebenenfalls mit Wiedererhitzungsmitteln wie Gasbrennern versehenen Umgebung geschieht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Band rasch bis auf eine Temperatur unter 350ºC abgekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Band rasch mit einer Kühlleistungsdichte von mehr als 125 kW/m² Produktfläche abgekühlt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mittels eines Wasser/Luftnebel versprühender Düsen rasch abgekühlt wird.

8. Vorrichtung zum kontinuierlichen Behandeln von Stahlband mit einem ein Zinkbad enthaltenden Behälter, eine vertikal ansteigende Bahn für das Band definierenden Umlenkwalzen sowie nach dem Austritt des Bandes aus den Badbehälter in der vertikalen Bahn angeordneten Abstreifern, gekennzeichnet durch nacheinander angeordnete Mittel zum raschen Erwärmen des Bandes aus einem Induktionsofen mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 500 kHz sowie zum Halten das Bandes auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur und aus einen Wasser/Luftnebel versprühenden Düsen zum raschen Abkühlen, die sämtlich entlang der vertikalen Bahn angeordnet sind.