EP1445338A1 - Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen unter Schutzgas - Google Patents

Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen unter Schutzgas Download PDF

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EP1445338A1
EP1445338A1 EP04002129A EP04002129A EP1445338A1 EP 1445338 A1 EP1445338 A1 EP 1445338A1 EP 04002129 A EP04002129 A EP 04002129A EP 04002129 A EP04002129 A EP 04002129A EP 1445338 A1 EP1445338 A1 EP 1445338A1
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    • C21METALLURGY OF IRON
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    • C21D11/00Process control or regulation for heat treatments
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/767Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material with forced gas circulation; Reheating thereof
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B11/00Bell-type furnaces
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D7/00Forming, maintaining or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/04Circulating atmospheres by mechanical means

Definitions

  • the invention relates to a method for heat treating metal parts in a protective gas atmosphere in an annealing room, the metal parts during a heating phase is heated, during a holding phase on one essentially kept constant temperature and possibly during a cooling phase be cooled.
  • the protective gas can, for example neutral inert gas such as nitrogen and / or a reducing gas such as hydrogen or a carbon-containing gas or a mixture of gases.
  • the glow room is usually heated indirectly.
  • An important heat treatment process is the annealing of metal parts in Bell annealing furnaces, for example the bright or recrystallization annealing from Sheets, strips or wires, which are wound into coils and for annealing stacked on top of each other.
  • the surface of the sheets, strips or wires are covered with roller emulsions or Oil contaminated. It is for achieving a high surface cleanliness required that the protective gas atmosphere be exchanged, d. H. that the glow room is rinsed. When rinsing is carried out continuously or at predetermined intervals Shielding gas introduced into the glow room while the shielding gas atmosphere flows. So far, the protective gas supply has been carried out according to fixed, predetermined conditions Flushing rates or with specified volume flows and according to the calculated Flushing times.
  • purging is usually carried out at intervals with a predetermined flow of protective gas, namely approximately 5 to 35 m 3 per hour.
  • the shielding gas consumption which significantly influences the annealing costs, is with the known method relatively large. Still, a consistent is sufficient Surface cleanliness not guaranteed because of the emulsion or Amounts of oil on the surface of the metal parts can be very different.
  • Another problem is that unwanted reactions during the Heat treatment, such as methane formation from crack products or soot formation due to methane decay in the holding phase and / or the cooling phase or Dew point changes cannot be determined.
  • the object of the invention is accordingly to remedy these shortcomings and to provide a method by which to control the heat treatment process or the flushing process is improved and the shielding gas consumption can be reduced.
  • the invention is based on the knowledge that the current consumption of the Electric motor changes depending on the density of the protective gas atmosphere. Since in the holding phase the temperature of the protective gas atmosphere essentially constant, can not change the density due to temperature are recorded, in particular changes in density due to increased oil or Emulsion evaporation rates.
  • the change in current consumption can be used as a signal to control the heat treatment process and / or to control the Exchange of the protective gas can be used. For example, the change the current consumption as a signal for adjusting the flush volume or Volume flow of the protective gas in phases of higher evaporation of roller emulsions or oils from the surface of the metal parts.
  • the formation of methane from crack products or the formation of soot due to methane breakdown in the holding phase and / or the cooling phase or dew point changes can be determined and the heat treatment process controlled accordingly become.
  • a fan of low power with a standardized motor can only be used for the purpose of detecting changes in density. On such an auxiliary fan provides accurate measurement data.
  • the exchange of the protective gas can be controlled via flushing programs, the volume flow of the inflowing protective gas or the outflowing Shielding gas atmosphere, the number and / or the duration of purging intervals Taxes.
  • the volume flow can be changed, for example, by a outlet-side control valve is adjusted in the opening direction and consequently more Shielding gas flows into the annealing chamber of the bell annealer.
  • Rinse programs can be created or based on the actual values of the current consumption be optimized.
  • the flush volume or the volume flow can be changed of the protective gas and / or the purging time depending on the evaporation behavior the coil stack can be controlled.
  • the example is a process for bright annealing steel sheets in an annealing room of a bell annealer, not shown a circulation fan in a protective gas atmosphere, which essentially consists of hydrogen.
  • a protective gas atmosphere which essentially consists of hydrogen.
  • the rinsing is controlled by means of a rinsing program.
  • protective gas is through a protective gas line, in which in a known manner controllable valve is supplied.
  • the protective gas atmosphere overflows an outlet line, in which there is also a valve.
  • the drawing shows the current consumption (amperes) of the electric motor of the circulation fan and the protective gas volume flow (m 3 per hour) as a function of time (hours).
  • the diagram shown in the drawing shows a heating phase A, a Hold phase B and a cooling phase C.
  • the current consumption of the electric motor is shown with a solid line.
  • the inert gas volume flow is shown as a dashed line.
  • the protective gas atmosphere is set to a fixed value Temperature, here approx. 700 ° C heated.
  • Temperature here approx. 700 ° C heated.
  • the first increase in power consumption is due to the speed increase. After that, the current consumption drops because the density of the protective gas atmosphere decreases with increasing temperature.
  • the temperature of the protective gas atmosphere is kept essentially constant.
  • the speed of the circulation fan is also constant.
  • the protective gas is introduced into the glow chamber with a minimal volume flow and the protective gas atmosphere is removed, depending on a setpoint.
  • the setpoint of the volume flow is determined on the basis of the minimum requirements for surface cleanliness and minimal loading of the surface of the steel strips with emulsion or oil and can be 2 m 3 to 20 m 3 per hour. In the exemplary embodiment, the volume flow is approximately 3 m 3 .
  • the increase in current consumption shown in the diagram is due to a rise in the density of the protective gas atmosphere due to a high proportion of evaporating oil vapors.
  • the increase in the current consumption of the electric motor of the circulation fan is used as a signal to control the exchange the protective gas atmosphere.
  • the Volume flow of the protective gas supplied increases until the current consumption is constant again or decreases. By rinsing according to needs the purge gas consumption was kept low.
  • the temperature of the protective gas atmosphere is cooled.
  • the current consumption of the motor increases according to a defined setpoint curve according to the increase in density.
  • the current consumption of the electric motor is compared with the setpoint curve. Any deviation in the curve the current consumption thus indicates an additional change in the atmospheric density conclude. This can, for example, lead to undesired methane formation his. If the actual value deviates from the respective setpoint, a Signal formed to control the heat treatment process and / or is used to control the exchange of the protective gas atmosphere.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen in einer Schutzgasatmosphäre in einem Glühraum, wobei die Metallteile während einer Aufheizphase (A) aufgeheizt, während einer Haltephase (B) auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten und ggf. während einer Abkühlphase (C) abgekühlt werden. Erfindungsgemäß läuft in der Schutzgasatmosphäre kontinuierlich ein Gebläse mit einer konstanten Drehzahl um. Das Gebläse wird von einem Elektromotor angetrieben. Die Stromaufnahme des Elektromotors wird erfasst. In der Haltephase (B) wird die Änderung der Stromaufnahme des Gebläses als Signal zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen in einer Schutzgasatmosphäre in einem Glühraum, wobei die Metallteile während einer Aufheizphase aufgeheizt, während einer Haltephase auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten und ggf. während einer Abkühlphase abgekühlt werden.
Viele Wärmebehandlungsprozesse in Industrieöfen erfolgen unter Schutzgas, das entsprechend den jeweiligen Anforderungen aus einem oder mehreren unterschiedlichen Gasen bestehen kann. Das Schutzgas kann beispielsweise neutrales Inertgas wie Stickstoff und/oder ein reduzierendes Gas wie Wasserstoff oder ein kohlenstoffenthaltenes Gas oder eine Mischung von Gasen sein. Der Glühraum wird in der Regel indirekt beheizt.
Ein wichtiges Wärmebehandlungsverfahren ist das Glühen von Metallteilen in Haubenglühöfen, beispielsweise das Blank- oder Rekristallisationsglühen von Blechen, Bändern oder Drähten, die zu Coils gewickelt sind und zum Glühen übereinander gestapelt werden.
Die Oberfläche der Bleche, Bänder oder Drähte sind mit Walzemulsionen oder Ölen verunreinigt. Für die Erzielung einer hohen Oberflächenreinheit ist es erforderlich, dass die Schutzgasatmosphäre ausgetauscht, d. h. dass der Glühraum gespült wird. Beim Spülen wird kontinuierlich oder in vorgegebenen Intervallen Schutzgas in den Glühraum eingeleitet, während die Schutzgasatmosphäre abströmt. Bisher erfolgt die Schutzgaszufuhr nach fest vorgegebenen Spülraten bzw. mit vorgegebenen Volumenströmen und nach errechneten Spülzeiten.
Während der Haltephase wird üblicherweise in Intervallen mit einem vorgegebenen Schutzgasvolumenstrom, und zwar etwa 5 bis 35 m3 pro Stunde, gespült.
Der Schutzgasverbrauch, der wesentlich die Glühkosten beeinflusst, ist bei den bekannten Verfahren relativ groß. Trotzdem ist eine gleichbleibende ausreichende Oberflächenreinheit nicht gewährleistet, weil die Emulsions- oder Ölmengen auf der Oberfläche der Metallteile sehr unterschiedlich sein können.
Problematisch ist außerdem, dass unerwünschte Reaktionen während der Wärmebehandlung, wie die Methanbildung aus Crackprodukten oder die Russbildung durch Methanzerfall in der Haltephase und/oder der Kühlphase oder Taupunktveränderungen nicht festgestellt werden können.
Bei einigen Wärmebehandlungsverfahren ist es erforderlich, während des Verfahrens ein Gas gegen ein Schutzgas mit einer anderen Zusammensetzung auszutauschen, beispielsweise beim Vorspülen eines Glühraums vor dem Aufheizen. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass bei errechneten Spülzeiten nicht immer gewährleistet ist, dass das Gas tatsächlich vollständig ausgetauscht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäss darin, diese Mängel zu beseitigen und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses oder des Spülprozesses verbessert und der Schutzgasverbrauch reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Stromaufnahme des Elektromotors in Abhängigkeit von der Dichte der Schutzgasatmosphäre ändert. Da in der Haltephase die Temperatur der Schutzgasatmosphäre im wesentlichen konstant ist, können nicht temperaturbedingte Änderungen der Dichte erfasst werden, insbesondere Dichteänderungen aufgrund erhöhter Öl- bzw. Emulsions-Abdampfraten. Die Änderung der Stromaufnahme kann als Signal zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches des Schutzgases genutzt werden. Beispielsweise kann die Änderung der Stromaufnahme als Signal zur Anpassung der Spülmenge bzw. des Volumenstromes des Schutzgases in Phasen höherer Abdampfung von Walzemulsionen oder Ölen von der Oberfläche der Metallteile genutzt werden.
Die Methanbildung aus Crackprodukten oder die Russbildung durch Methanzerfall in der Haltephase und/oder der Kühlphase oder Taupunktveränderungen können festgestellt und der Wärmebehandlungsprozess entsprechend gesteuert werden.
Bei Glühräumen, die kein Gebläse zur Umwälzung der Schutzgasatmosphäre aufweisen, kann ein Gebläse kleiner Leistung mit genormtem Motor ausschließlich zum Zweck der Detektion von Dichteänderungen eingesetzt werden. Ein derartiges Hilfsgebläse liefert genaue Messdaten.
Der Austausch des Schutzgases kann über Spülprogramme gesteuert werden, die den Volumenstrom des einströmenden Schutzgases oder der abströmenden Schutzgasatmosphäre, die Anzahl und/oder die Dauer von Spülintervallen steuern. Der Volumenstrom kann beispielsweise verändert werden, indem ein austrittsseitiges Stellventil in Öffnungsrichtung verstellt wird und folglich mehr Schutzgas in den Glühraum des Haubenglühofens einströmt.
Anhand der Istwerte der Stromaufnahme können Spülprogramme erstellt oder optimiert werden. Beim Blankglühen können die Spülmenge bzw. der Volumenstrom des Schutzgases und/oder die Spüldauer in Abhängigkeit von Abdampfverhalten der Coilstapel gesteuert werden.
Vorteilhafterweise wird während der Aufheizphase (A) und ggf. der Abkühlphase (C) die Stromaufnahme des Elektromotors mit einer Sollwertkurve verglichen. In Abhängigkeit von der Abweichung des Istwertes der Stromaufnahme vom Sollwert wird ein Signal gebildet, das zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt wird.
Wenn der Elektromotor seine Höchstleistung erreicht, wird bei frequenzgeregelten Motoren, die üblicherweise in Haubenglühöfen eingesetzt werden, die Drehzahl reduziert. Daher wird vorzugsweise ein Maximalwert der Stromaufnahme festgelegt. Bei einem Anstieg der Stromaufnahme über den Maximalwert hinaus wird gespült, indem die Anzahl der Spülintervalle verändert, Spülzeiten verlängert und/oder der Volumenstrom des Schutzgases so lange erhöht wird bis die Stromaufnahme unter einen eingestellten Sollwert sinkt. Auf diese Weise kann bei Wärmebehandlungsverfahren eine maximale Umwälz- und Kühlleistung erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Bei dem Beispiel handelt es sich um ein Verfahren zum Blankglühen von Stahlblechen in einem Glühraum eines nicht dargestellten Haubenglühofens mit einem Umwälzventilator in einer Schutzgasatmosphäre, die im wesentlichen aus Wasserstoff besteht. Während der Wärmebehandlung wird der Glühraum gespült. Das Spülen wird mittels eines Spülprogramms gesteuert. Schutzgas wird durch eine Schutzgasleitung, in der sich in bekannter Art und Weise ein ansteuerbares Ventil befindet, zugeführt. Die Schutzgasatmosphäre strömt über eine Austrittsleitung, in der sich ebenfalls ein Ventil befindet, ab.
Die Zeichnung zeigt die Stromaufnahme (Ampere) des Elektromotors des Umwälzventilators sowie den zugeführten Schutzgasvolumenstrom (m3 pro Stunde) in Abhängigkeit von der Zeit (Stunden).
Das in der Zeichnung dargestellte Diagramm zeigt eine Aufheizphase A, eine Haltephase B sowie eine Abkühlphase C. Die Stromaufnahme des Elektromotors ist mit Hilfe einer durchgehenden Linie dargestellt. Der Schutzgasvolumenstrom ist als gestrichelte Linie dargestellt.
In der Aufheizphase A wird die Schutzgasatmosphäre auf eine festgelegte Temperatur, hier ca. 700°C aufgeheizt. Der erste Anstieg der Stromaufnahme ist bedingt durch die Drehzahlerhöhung. Danach sinkt die Stromaufnahme, da mit steigender Temperatur die Dichte der Schutzgasatmosphäre sinkt.
In der Haltephase B wird die Temperatur der Schutzgasatmosphäre im wesentlichen konstant gehalten. Die Drehzahl des Umwälzventilators ist ebenfalls konstant. Das Schutzgas wird mit einem minimalen Volumenstrom in den Glühraum eingeleitet und Schutzgasatmosphäre abgeführt, und zwar in Abhängigkeit von einem Sollwert. Der Sollwert des Volumenstromes wird anhand der Mindestanforderungen an die Oberflächenreinheit und minimaler Beladung der Oberfläche der Stahlbänder mit Emulsion oder Öl festgelegt und kann 2 m3 bis 20 m3 pro Stunde betragen. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Volumenstrom ca. 3 m3.
Der im Diagramm zu erkennende Anstieg der Stromaufnahme ist bedingt durch einen Dichteanstieg der Schutzgasatmosphäre aufgrund eines hohen Anteils von abdampfenden Öldämpfen. Der Anstieg der Stromaufnahme des Elektromotors des Umwälzventilators wird als Signal zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt. Beim Anstieg der Stromaufnahme wird der Volumenstrom des zugeführten Schutzgases so lange erhöht bis die Stromaufnahme wieder konstant ist oder sinkt. Durch das bedarfsgerechte Spülen wird der Verbrauch an Spülgas gering gehalten.
In der Abkühlphase C wird die Temperatur der Schutzgasatmosphäre abgekühlt. Die Stromaufnahme des Motors steigt nach einer definierten Sollwertkurve entsprechend der Dichtezunahme. Die Stromaufnahme des Elektromotors wird mit der Sollwertkurve verglichen. Jede Abweichung im Kurvenverlauf der Stromaufnahme lässt somit auf eine zusätzliche Änderung der Atmosphärendichte schließen. Dies kann beispielsweise eine unerwünschte Methanbildung sein. Bei Abweichung des Istwertes vom jeweiligen Sollwert wird ein Signal gebildet, das zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt wird.
Im Rahmen der Erfindung sind ohne Weiteres Abwandlungen möglich. So kann das Spülen in mehreren Zeitintervallen erfolgen.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen in einer Schutzgasatmosphäre in einem Glühraum, wobei die Metallteile während einer Aufheizphase (A) aufgeheizt, während einer Haltephase (B) auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten und ggf. während einer Abkühlphase (C) abgekühlt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass in der Schutzgasatmosphäre kontinuierlich ein Gebläse mit einer konstanten Drehzahl umläuft,
    dass das Gebläse von einem Elektromotor angetriebenen wird,
    dass die Stromaufnahme des Elektromotors erfasst wird und
    dass in der Haltephase die Änderung der Stromaufnahme des Gebläses als Signal zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufheizphase (A) und ggf. der Abkühlphase (C) die Stromaufnahme des Elektromotors mit einer Sollwertkurve verglichen wird,
    dass in Abhängigkeit von der Abweichung des Istwertes der Stromaufnahme vom Sollwert ein Signal gebildet wird, das zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses und/oder zur Steuerung des Austausches der Schutzgasatmosphäre genutzt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    wobei während der Haltephase (B) ein Schutzgas kontinuierlich oder in Intervallen mit vorgegebenem Volumenstrom in den Glühraum eingeleitet und Schutzgasatmosphäre abgeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass Anzahl und/oder Länge der Spülintervalle und/oder der Volumenstrom des Schutzgases auf Mindestwerte eingestellt werden und dass bei einem Anstieg der Stromaufnahme des Elektromotors die Mindestwerte so lange erhöht werden bis die Stromaufnahme konstant ist oder sinkt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalwert der Stromaufnahme festgelegt wird und das bei einem Anstieg der Stromaufnahme über den Maximalwert hinaus die Anzahl der Spülintervalle verändert, Spülzeiten verlängert und/oder der Volumenstrom des Schutzgases so lange erhöht wird bis die Stromaufnahme unter einen eingestellten Sollwert sinkt.
EP04002129A 2003-02-06 2004-02-02 Verfahren zum Wärmebehandeln von Metallteilen unter Schutzgas Expired - Lifetime EP1445338B1 (de)

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