DE69310897T2

DE69310897T2 - Verfahren zur kontinuierlichen aufkohlung eines stahlbandes

Info

Publication number: DE69310897T2
Application number: DE69310897T
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Hanazono; Koushi Kuramoto; Jun Morozumi; Tsuguhiko Nakagawa; Susumu Okada; Susumu Satoh
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2013-10-16
Also published as: EP0626467B1; CA2125785A1; KR100266037B1; DE69310897D1; EP0626467A4; WO1994009175A1; EP0626467A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Gasaufkohlen eines Metallbandes. Beispielsweise beim kontinuierlichen Gasaufkohlen eines Bandes aus einem Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt im Wege eines Banddurchlaufs von einem Glüh- zu einem Aufkohlungsofen (zum Aufkohlen mit einer bestimmten Kohlenstoffmenge) erreicht das Band, das mit einer bestimmten Durchlaufgeschwindigkeit aufgrund anderer Verfahrensbedingungen als beim Aufkohlen die Gleichgewichtskonzentration Band/Gasatmosphäre in einem von der Oberflächenreaktion bestimmten Bereich vor einer bestimmten Kohlenstoffkonzentration in einer Randzone des Bandes. Um eine bestimmte Kohlenstoffkonzentrations-Verteilung im Stahl zu erreichen, werden erfindungsgemäß die Zusammensetzung der Gasatmosphäre, die Gaskonzentration, die Oberflächentemperatur, die Metallbandtemperatur, die Durchlaufgeschwindigkeit etc. als atmosphärische Faktoren eingestellt, die eine Rußbildung verhindern.
Die metallverarbeitende Industrie verlangt eine bessere Umformbarkeit und Festigkeit bei zu verarbeitendem Blech. Insbesondere erfordert die Automobilindustrie unter dem Gesichtspunkt des Karosseriegewichts im Hinblick auf einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aus Gründen der Umweltverschmutzung neuerdings Stahlbleche mit höherer Festigkeit und gleich guter Tiefziehbarkeit wie bisher.
Als Bewertungsfaktoren für solche Bleche dienen beispielsweise ein Dehnungsindex, die Tiefziehbarkeit, ein Alterungsindex, die Festigkeit, die Reckalterung, die Bake-Hardening-Eigenschaften, das Schweißverhalten etc. So ist es bei der Bewertung der Tiefziehbarkeit mit Hilfe des Lankford-Werts (im folgenden als r-Wert: Blechbreitenspannung/Blechdickenspannung) im Falle einer großen Bedeutung des Tiefziehverhaltens bekannt, daß eine Verringerung des Kohlenstoffgehalts im Stahl außerordentlich vorteilhaft ist und darüber hinaus als Folge eines niedrigen Kohlenstoffgehalts der Dehnungsindex (EI) und der Kaltaushärtungsindex (AI: je geringer der Index, desto besser) bzw. die Lagerbeständigkeit verbessert werden. Andererseits beeinträchtigt ein geringerer Kohlenstoffgehalt des Stahls die meisten anderen Bewertungskriterien. So verringert sich beispielsweise, wenn die Konstruktionsfestigkeit infolge geringerer Ausscheidungen herabgesetzt wird, die Zugfestigkeit (ZF) und wird, weil die Korngrenzenfestigkeit abnimmt, die Reckalterung beeinflußt, und, weil die Menge des in fester Lösung befindlichen Kohlenstoffs geringer ist, wird die Bake-Hardening Eigenschaft beeinträchtigt. Darüber hinaus wird bei einem Kohlenstoffgehalt von 50 ppm oder weniger die Grobkombildung infolge des Wärmeeinbringens beim Schweißen gefördert und infolge einer Grobkornbildung in der Wärmeeinflußzone (WEZ) die Punktschweißbarkeit beeinträchtigt.
Die Patentinhaberin hat ein Verfahren zum kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen entwickelt, das in der japanischen Offenlegungsschrift Hei 4-88126 beschrieben und in Fig. 2 dargestellt ist und die Zugfestigkeit, die Reckalterung bzw. Verarbeitungsversprödung, den BH-Wert (Bake-Hardening-Wert) und die Punktschweißbarkeit dadurch verbessert, daß durch ein kontinuierliches Aufkohlen im Anschluß an ein kontinuierliches Glühen des Bandes aus einem Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt, wie in Fig. 1 dargestellt, sich in einer Oberflächenzone der Kohlenstoff in fester Lösung befindet und der Dehnungsindex, die Tiefziehbarkeit und die Lagerbeständigkeit im Wege einer Rekristallisation und eines Glühens eingestellt werden.
Bei diesem kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen findet nach einem voraufgehenden Rekristallisieren und Glühen eines Metallbandes A in einer Vorwärmzone 1 und einer Glühzone 2 oder einer einheitlichen Glühzone 3 ein Aufkohlen in einer Aufkohlungszone 4 in der Weise statt, daß die Bandtemperatur, die Gasatmosphäre und die Durchlaufgeschwindigkeit (Ofenzeit) sowie die Abkühlungsbedingungen so eingestellt werden, daß sich kontinuierlich ein Metallband mit den gewünschten Werten für die Aufkohlungstiefe und die Konzentrationsverteilung unter gleichzeitiger Gewährleistung der spezifischen Werkstoffeigenschaften erreichen lassen.
Andererseits beschreibt die japanische Patentschrift 54- 31976 ein Verfahren zum Einstellen der Aufkohlungstiefe und Konzentrationsverteilung in der Randzone eines Metallbandes. Bei diesem Verfahren zum Einstellen der Aufkohlungstiefe und der Konzentrationsverteilung wird ein Aufkohlungsgas mit vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge eingespeist, um Kohlenstoff in die Oberflächenzone des Metallbands einzubringen und während einer Diffusionsphase im Anschluß an die Aufkohlung den eingebrachten Kohlenstoff unter hinreichend verringertem Druck des abgesaugten Aufkohlungsgases in der Randzone des Metallbandes einer Diffusion zu unterwerfen. Die aus der Aufkohlungstiefe und der Kohlenstoffkonzentration resultierende Kohlenstoffkonzentrationsverteilung wird mit Hilfe der Aufkohlungs- und der Diffusionszeit eingestellt. Bei diesem Verfahren zum Einstellen der Aufkohlungstiefe und der Kohlenstoffkonzentration ist es möglich, eine ungleichmäßige Aufkohlung zu verhindern, wie sie beim Gasstrahl-Aufkohlen insbesondere im Falle schmaler Aufkohlungszonen auftritt.
Unter verschiedenen Bedingungen wurde bei einem solchen Durchlaufaufkohlung und -glühen festgestellt, daß sich die folgenden Probleme ergeben:
(1) Hinsichtlich der Aufkohlungsgeschwindigkeit ist es aus einem Bericht von Yo u.a. (Yo kuun, HARUYAMA shiro et al.: Japan Metallic Society Journal 49 (1985) 7,529) bekannt, daß, wie in Fig. 3 dargestellt, bei hohem Kohlenstoffgehalt in der Randzone und langer Aufkohlungszeit nach dem Erreichen der Kohlenstoff-Gleichgewichtskonzentration zwischen dem Band und der Gasatmosphäre die Aufkohlungsgeschwindigkeit normalerweise der Quadratwurzel der Zeit proportional ist. Dieser Aufkohlungsbereich wird als diffusionsgesteuerter Bereich bezeichnet, weil hier die Aufkohlungsgeschwindigkeit proportional der Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs im Metallgefüge ist. Ist andererseits die Menge des Kohlenstoffs in der Randzone sehr gering und die Aufkohlungszeit sehr kurz, dann ist, weil die Kohlenstoffkonzentration in der Randzone die Gleichgewichtskonzentration nicht erreicht, die Aufkohlungsgeschwindigkeit proportional der Reaktionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs unmittelbar an der Metalloberfläche. Dieser Zeit-Aufkohlungs-Bereich wird als oberflächenreaktionsbestimmter Bereich bezeichnet.
Wenn sich demgemäß beispielsweise die Aufkohlungsbedingungen für ein Metallband aus der Spezifikation (japanische Offenlegungsschrift Hei 3-199 344 etc.) des Metallbands bzw. dessen Eigenschaftsprofil ergeben, das hinsichtlich seiner Umform- bzw. Verarbeitungsversprödung verbessert werden soll, dann ist es, weil die Kohlenstoffkonzentration und die Aufkohlungstiefe sehr gering sind, in diesem Falle erforderlich, in dem oberflächenreaktionsbestimmten Bereich aufzukohlen. Dabei wurde festgestellt, daß sich die Aufkohlungsmenge im Metallband nicht mit Hilfe eines Einstellens des Kohlenstoffpotentials über das Verhältnis CO/CO&sub2; etc. einstellen läßt, weil dem die Vorstellung zugrundeliegt, daß sich die Bandoberfläche stets im Gleichgewichtszustand mit dem Aufkohlungsvermögen der Gasatmosphäre befindet.
(2) Darüber hinaus läßt sich im allgemeinen die Zusammensetzung der Gasatmosphäre bei den Aufkohlungsbedingungen mit Hilfe des chemischen Gleichgewichts einstellen. Bei herkömmlichen Verfahren werden alle erdenklichen Reaktionen in der Gasphase berücksichtigt und ergibt sich eine Gaszusammensetzung durch Lösen nicht linearer simultaner Gleichungen aus diesen Gleichgewichtsbedingungen für einzelne Reaktionen. Es ist jedoch sehr schwierig, eine genaue Grenze für das Entstehen von Ruß aus den Reaktionsgleichungen in der Gasphase zu gewinnen.
(3) Des weiteren wird bezüglich der oben erwähnten Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion in dem Bericht von Yo u.a. a.a.O. ausschließlich die Aufkohlungsgeschwindigkeit des Kohlenmonoxids diskutiert, und es ist unmöglich, dies auf eine betriebliche Situation beim kontinuierlichen Aufkohlen anzuwenden, die eine komplizierte Zusammensetzung verlangt.
In dieser Hinsicht ist es beim kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen in einer Anlage gemäß Fig. 2 erforderlich, eine Temperatursteuerung des Metallbands (im folgenden auch als Steuerung der Blechtemperatur bezeichnet) in der betreffenden Wärmebehandlungszone beispielsweise durch Einstellen der Ofentemperatur durchzuführen, da es erforderlich ist, in der Aufwärmzone 2 und/oder der einheitlichen Glühzone 3 eine bestimmte Wärmebehandlung des Metallbands, in der Aufkohlungszone 4 eine bestimmte Aufkohlung und in jeder Kühlzone 5 und 6 eine bestimmte Abkühlung durchzuführen. In jedem Ofen, der eine Wärmebehandlungszone darstellt, wird die Blechtemperatur primär durch den Wärmeübergang gesteuert, jedoch sind gleichzeitig obere und untere Grenzen der Ofeninnentemperatur (im folgenden auch als Ofentemperatur bezeichnet) infolge der berechneten Ofenleistung gegeben. So ergeben sich beispielsweise im Aufwärmofen in der Aufwärmzone und in einem einheitlichen Glühofen in der einheitlichen Glühzone obere Grenzwerte der Ofentemperatur aus der Ofenleistung. Darüber hinaus wird die Ofenzeit (d.h. auch die Aufwärmzeit oder einheitliche Glühzeit) des Bandes, die den oberen und unteren Grenzwerten Rechnung trägt, aus der Wärmebilanz abgeleitet, die den Wärmeübergangskoeffizient zwischen einem Strahlungsrohr, der Ofenwandung, den Herdrollen etc. Rechnung trägt. Als Ergebnis fällt eine Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes an, die der Verweildauer im Ofen Rechnung trägt. Ebenso dient bei jedem Kühlofen in jeder Kühlzone ein Wärmeübergangskoeffizient des Kühlgasstrahls als Wärmeübergangskoeffizient im obigen Sinne.
Andererseits überlagern sich bei einer derartigen kontinuierlichen Glüh- und Aufkohlungsanlage verschiedene Verfahrensbedingungen, wodurch sich die Verfahrensbedingung an einem nicht stationären Punkt, beispielsweise an einer Verbindungsstelle der Bänder zweier Coils oder dergleichen ändert, und es so, um diesen Bedingungen Rechnung zu tragen, nicht selten erforderlich ist, die Bandgeschwindigkeit zu ändern, welche die höchste Ansprechgeschwindigkeit besitzt. Jedoch wurden noch keine konkreten Maßnahmen zum Festlegen der verschiedenen Aufkohlungsbedingungen im Aufkohlungsofen bezüglich der Bandgeschwindigkeit vorgeschlagen, die beim oben erwähnten kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen von verschiedenen Verfahrensbedingungen einschließlich der Bandtemperatur bestimmt wird. Es ist daher im höchsten Maße wünschenswert, Mittel zum Einstellen der physikalischen Eigenschaften und der Temperatur im Aufkohlungsofen zu schaffen, um die Aufkohlungsmenge zu erreichen und die für das Stahlblech geforderten Werkstoffeigenschaften, wie oben beschrieben, insbesondere unter Bedingungen zu erreichen, welche die Bandgeschwindigkeit vorgeben.
Um die Grenzen für die Durchlaufgeschwindigkeit zu beseitigen, könnte man zwischen die betreffenden Glühzonen einen Bandspeicher schalten. Dies ist unter praktischen Gesichtspunkten schwierig, da ein Bandspeicher in der Glühstrecke viel Platz beansprucht und die Glühstrecke ohnehin schon einen großen Raumbedarf besitzt. Dies gilt auch für eine kontinuierliche Glüh- und Aufkohlungsstrecke, bei der es sich um eine kontinuierliche Glühstrecke mit einer zusätzlichen kontinuierlichen Aufkohlungsstrecke handelt.
Des weiteren geht die Tendenz dahin, feinfühligere Bedingungen zu schaffen als die Werkstoffeigenschaften des oben erwähnten aufgekohlten Feinblechs sie verlangen. Um die betreffenden Anforderungen einzuhalten, ist es erforderlich, die Kohlenstoffkonzentrationsverteilung in der Randzone zu beeinflussen und einzustellen, d.h. ein Konzentrationsprofil in Banddickenrichtung der aufgekohlten Randzone zu schaffen. Um bei Karosserie- und Elektroblech nach einem Preßverformen ein Bake-Hardening durchzuführen, muß das Blech Eigenschaften besitzen, die beim Pressen eine hohe Verformbarkeit in Gestalt eines hohen Dehnungsindex EI und der Tiefziehbarkeit in Gestalt des ausreichenden r-Werts gewährleisten, während beim Bake-Hardening die Festigkeit in Gestalt des BH- Wertes erhöht wird. Gleichzeitig muß das Stahlblech eine hinreichende Lagerbeständigkeit (AI) besitzen, welche die Verformungseigenschaften bis zum Zeitpunkt des Preßumformens gewährleistet. Demgemäß müssen diese Stahlbleche einen niedrigen Auslagerungs-Index und einen hohen Bake-Hardening-Wert (Stahlblech mit niedrigem AI und hohem EH) besitzen und tiefziehbar sein. Betrachtet man das Konzentrationsprofil der Aufkohlung im Stahl, d.h. den Verteilungszustand, der beim kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen eines ELC-Stahls erforderlich ist, so ergibt sich die Notwendigkeit, die Kohlenstoffkonzentration in der Oberflächenzone in starkem Maße zu erhöhen und einen optimalen Kohlenstoff-Gradienten einzustellen, gleichzeitig aber die Kohlenstoffkonzentration außerhalb der Oberflächenzone in Richtung der Blechdicke auf dem Niveau des ELC-Stahls zu halten. Das in der oben erwähnten japanischen Patentschrift 54-31967 beschriebene Verfahren zum Steuern der Aufkohlungstiefe und der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration zieht ein solches Konzentrationsprofil nicht in Betracht, und es ist daher nicht möglich, dieses Verfahren als solches zum Einstellen des Konzentrationsprofils anzuwenden.
Die deutsche Offenlegungsschrift 21 52 440 bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufkohlen von Stahl ohne Rußbildung während des Glühens bei einer Temperatur unterhalb der Endtemperatur. Diese Entgegenhaltung beschreibt jedoch nicht ein kontinuierliches Verfahren zum Behandeln von Stahl und ist daher ungeeignet für Stahlband.
Die deutsche Offenlegungsschrift 21 52 439 bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Aufkohlen von Stahl, bei dem der Kohlenstoffgehalt zur Unterdrückung einer Rußbildung mit Hilfe eines Temperatur- und eines Kohlenstoffpotential-Signals automatisch geregelt wird. Auch diese Entgegenhaltung bezieht sich auf ein nicht kontinuierliches Verfahren und beschreibt keine Maßnahmen zum kontinuierlichen Behandeln von Stahlband.
Die Erfindung wurde im Angesicht der vorerwähnten verschiedenen Probleme gemacht und hat sich ein Verfahren zum Ziel gesetzt, das es erlaubt, bei Stahlband eine gewünschte Aufkohlung und Verteilung der Kohlenstoffkonzentration ohne Rußbildung selbst dann zu erreichen, wenn die Banddurchlaufgeschwindigkeit durch Verfahrensbedingungen außerhalb der Aufkohlung begrenzt ist. Die Auf kohlung findet auch bei einer solchen Banddurchlaufgeschwindigkeit in dem vorerwähnten, durch die Oberflächenreaktion bestimmten Bereich statt.
Die Erfinder haben die vorerwähnten Probleme intensiv studiert und die vorliegende Erfindung aufgrund der folgenden Erkenntnisse gemacht. Speziell beim Problem der Rußbildung, die in Gestalt von freiem Kohlenstoff selbst dann auftritt, wenn in einem Produktionssystem im Aufkohlungsofen jede Komponente quantitativ geändert wird, bleibt die betreffende Gesamtmenge konstant, wenn man das Niveau auf der Basis jedes Elements betrachtet. Und im Falle eines isothermen, isotaktischen Systems verringert sich bei einer natürlichen Änderung die Gibbssche freie Energie und erreicht diese ein Minimum, wenn in dem System ein Gleichgewichtszustand zwischen der Gasatmosphäre und dem Metallband existiert. Demzufolge ist es möglich, die Reaktion in Richtung des Entstehens von freiem Kohlenstoff (Ruß) zu begrenzen oder zu unterdrücken, da sich der Gleichgewichtszustand in der Ofenatmosphäre erreichen läßt, wenn eine Zusammensetzung der Gasatmosphäre gewählt wird, bei der die Gibbssche freie Energie dem Minimalwert entspricht. Es wurde jedoch festgestellt, daß es nicht möglich ist, den tatsächlichen Gleichgewichtszustand des betrieblichen kontinuierlichen Aufkohlens rechnerisch zu ermitteln, d.h. die wahre Rußgrenze, ohne die begrenzenden Bedingungen des Stoffeintrags und -austrags zu berücksichtigen, bei dem Elemente vom Metallband im Wege einer Reaktion in der Randzone des Metallbandes aus der Gasatmosphäre ausgetragen werden, während die in das System eingetragenen Elementverbindungen konstant sind. Dementsprechend sind im Hinblick auf das aktuelle Stoffeinbringen und -ausbringen nicht nur die Zusammensetzung der Gasatmosphäre, sondern auch die Zuström- und die Abströmgeschwindigkeit des Gases der Ofenatmosphäre, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes, die Ofentemperatur, die Banddicke und die Bandbreite etc. in Betracht zu ziehen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen von einem Aufkohlungsofen mit einer bestimmten Atmosphäre durchlaufendem Band, die im wesentlichen ein Element aus der Gruppe: Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff enthält, bei dem eine Rußbildung dadurch verhin dert wird, daß die Rußgrenze entsprechend der CO/00&sub2; Konzentration durch Einstellen der Mengen der in den Aufkohlungsofen einströmenden Gase der betreffenden Aufkohlungsatmosphäre und die Bandtemperatur eingestellt werden. Dabei werden
(a) die gesamte Aufkohlungsmenge aufgrund der Formel für die Geschwindigkeit (V) der Aufkohlungsreaktion an der Oberfläche,
V = k&sub1; f&sub1;(pCO, pH&sub2;, θo) x α f&sub3;(pCO, pCO&sub2;), oder
V = k&sub1; f&sub1;(pCO, pH&sub2;, θo) -k&sub2; f&sub2;(pCO&sub2;, pH&sub2;O)
wobei α eine Konstante, k&sub1;, k&sub2; Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten, pCO der Partialdruck des Kohlenmonoxids, pCO&sub2; der Partialdruck des Kohlendioxids, pH&sub2; der Partialdruck des Wasserstoffs und θo die Überzugsgeschwindigkeit des absorbierten Sauerstoffs ist, sowie auf der Basis der folgenden Modellformel für die Kohlenstoff-Diffusion im Stahl:
dc/dt = D d²c/dX²,
berechnet, wobei C die Kohlenstoffkonzentration im Stahl, t die Zeit, D der Diffusionskoeffizient und X die Diffusionsstrecke sind;
(b) geeignete Bereiche für die Aufkohlungstemperatur, die jeweilige Konzentration des CO, H&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O in der Aufkohlungsatmosphäre sowie die Aufkohlungszeit gewählt, so daß die Aufkohlungsmenge der Zielmenge entspricht;
(c) während des Aufkohlens des Bandes die Aufkohlungstemperatur, die jeweilige Konzentration des Co, H&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O in der Aufkohlungsatmosphäre sowie die Aufkohlungszeit innerhalb der Grenzen gemäß (b) eingestellt.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen von Stahlband in einem Durchlaufofen, bei dem Variable mit Hilfe eines Computers auf der Basis von Ausgangs-Bedingungen aus den Werkstoffeigenschaften des Bandes im aufgekohlten Zustand berechnet und die Variablen eingestellt werden, um eine Ziel-Kohlenstoffmenge zu erreichen, bei der eine Rußbildung mit Hilfe eines von der CO/CO&sub2;-Konzentration und der Stahltemperatur abhängigen Ruß-Grenzwerts sowie durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge jeder Gaskomponente unterdrückt wird, wobei
(a) eine Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔC&sub0;), die Gaszusammensetzung, die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge des Gases, die Aufkohlungstemperatur, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes (LS) und die Größe des Stahlbandes als Input-Bedingungen dienen;
(b) die Konzentration jeder Gaskomponente berechnet wird, bei der eine Rußunterdrückung gewährleistet ist, und die gesamte Gibbssche freie Energie (F(x)), die sich bei der Anwendung der Konzentration jeder Komponente des Gases als Variable ergibt, unter der Bedingung ein Minimum annimmt, daß die Kohlenstoffmenge in dem in den Ofen eingeleiteten Gas und die Menge des beim Aufkohlen des Bandes entstehenden Kohlenstoffs konstant sind;
(c) die Oberflächen-Reaktionsgeschwindigkeit mit Hilfe der Formel:
V = k&sub1; f&sub1;(pCO, pH&sub2;, θo) x α f&sub3;(pCO, pCO&sub2;), oder
V = k&sub1; f&sub1;(pCO, pH&sub2;, θo) -k&sub2; f&sub2;(pCO&sub2;, pH&sub2;O),
berechnet wird, wobei α eine Konstante sowie k&sub1;,k&sub2; Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten sind, die sich mit Hilfe der Gleichung:
ki = Ai exp(-Ei/RT)
bestimmten lassen, in der Ai der Frequenzfaktor, Ei die Aktivierungsenergie, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur ist, und
die Formeln als Parameter den Kohlenmonoxid- Partialdruck und den Wasserstoff-Partialdruck sowie zusätzlich den CO&sub2;-Partialdruck und den H&sub2;O-Partialdruck unter der Voraussetzung einschließen, daß die Aufkohlungsmenge innerhalb des von der Oberflächenreaktion regierten Bereichs eingestellt wird, in dem die Kohlenstoff-Konzentration des Bandes in seiner Randzone unterhalb der Konzentration liegt, bei der sie ihr Gleichgewicht mit dem Gas erreicht, sowie darüber hinaus eine Störung der Aufkohlungsreaktion durch beim Aufkohlen entstehendes CO&sub2; und H&sub2; berücksichtigt wird,
(d) die Aufkohlungsmenge (ΔC') des Bandes durch Integration über die Aufkohlungszeit und die Gesamtfläche des Bandes sowie der - jeweils gemäß (c) berechneten - die Oberflächen-Reaktionsgeschwindigkeit (V) je Zeiteinheit und die Flächeneinheit berechnet wird;
(e) die Aufkohlungsmenge (ΔC') gemäß (d) mit der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) verglichen und die Zusammensetzung des Gases, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes und die Aufkohlungstemperatur, jeweils berechnet oder vorgegeben, einzeln oder nebeneinander geändert werden, um die Verfahrensschritte gemäß (b) bis (d) zu wiederholen, wenn die Differenz zwischen der rechnerischen Aufkohlungsmenge (ΔC') und der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) nicht geringer ist als ein vorgegebener Wert;
(f) die Konzentration jeder Gaskomponente, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes und die Aufkohlungstemperatur, jeweils berechnet oder gewählt, benutzt werden, wenn die Differenz zwischen der berechneten Aufkohlungsmenge (ΔC') und der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) geringer ist als der vorgegebene Wert; sowie
(g) aufgrund der Ergebnisse gemäß (f) die Ofentemperatur auf einen Wert von 700 bis 950ºC, die Kohlenmonoxid-Konzentration auf einen Wert von über 0% bis höchstens 22%, die Wasserstoffkonzentration auf einen Wert von 0 bis 30% als Bedingungen für die Gaszusammensetzung und die Ofentemperatur eingestellt werden, bei denen es zu keiner Rußbildung im Ofen kommt.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen von Stahlband in einem Durchlaufofen, bei dem variable Steuergrößen mit Hilfe eines Computers auf der Basis von durch die Werkstoffeigenschaften des Bandes im aufgekohlten Zustand vorgegebenen Eingaben berechnet und die Variablen im Hinblick auf eine Ziel-Aufkohlungsmenge und eine bestimmte Verteilung der Kohlenstoffkonzentration über die Banddicke eingestellt und eine Rußbildung mit Hilfe eines Ruß-Grenzwerts entsprechend der CO/CO&sub2;-Konzentration und der Stahltemperatur sowie durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge jeder in den Ofen eingeleiteten Gaskomponente unterdrückt wird, indem
(a) eine Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo), die Kohlenstoff-Konzentration (C&sub1;) bei einem bestimmten Abstand (X&sub1;) von der Oberfläche des Bandes, die Zusammensetzung und die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge des Gases, die Aufkohlungstemperatur, die Bandgeschwindigkeit (LS) und die Größe des Bandes eingegeben werden;
(b) die Konzentration jeder Gaskomponente, bei der eine Rußbildung unterdrückt wird, und die gesamte Gibbssche freie Energie (F(x)), wie sie sich bei der Benutzung der Konzentration jeder Komponente des Gases als Variable ergibt, unter der Bedingung ein Minimum annimmt, daß die Menge des Kohlenstoffs in dem Gas und die Menge des beim Aufkohlen des Bandes aufgenommenen Kohlenstoffs konstant sind;
(c) die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs in fester Lösung im Stahlband (d.h. die Aufkohlungsgeschwindigkeit) entsprechend der Modellformel für die Kohlenstoff-Diffusion im Stahl:
dC/dt = D d²c/dX²
berechnet wird, wobei C die Kohlenstoff-Konzentration im Stahl, t die Zeit, D der Diffusionskoeffizient und X die Diffusionsstrecke ist und sich eine Kohlenstoff-Diffusionsmenge für die Diffusion in das Band ergibt;
(d) eine Aufkohlungsmenge (ΔC') im Stahlband durch Integration über die Aufkohlungszeit, die Gesamtfläche des Stahlbandes und - jeweils gemäß (c) berechnet - die diffundierte Kohlenstoffmenge im Stahlband je Zeit- sowie die Flächeneinheit berechnet wird;
(e) die Aufkohlungsmenge (ΔC') gemäß (d) mit der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) verglichen und die Zusammensetzung des Gases, die Bandgeschwindigkeit und die Aufkohlungstemperatur, jeweils berechnet oder gewählt, einzeln oder nebeneinander geändert werden, um die Verfahrensschritte gemäß (b) bis (d) zu wiederholen, wenn die Differenz zwischen der rechnerischen Aufkohlungsmenge (ΔC') und der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) nicht geringer ist als ein vorgegebener Wert;
f) die Kohlenstoff-Konzentration (C'&sub1;) bei einer bestimmten Aufkohlungstiefe (X&sub1;), bezogen auf die Bandoberfläche, nach der Modellformel der Kohlenstoff-Diffusion im Stahl:
dC/dt = D d²C/dx²
berechnet wird, wenn die Differenz zwischen der rechnerischen Aufkohlungsmenge (ΔC') und der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔC&sub0;) geringer als ein vorgegebener Wert ist;
(g) die Kohlenstoff-Konzentration (C'&sub1;) bei einer gemäß (f) berechneten bestimmten Aufkohlungstiefe (X&sub1;) mit der Ziel-Kohlenstoff-Konzentration (C&sub1;) bei der gemäß (a) eingegebenen Tiefe (X&sub1;) verglichen wird und die Zusamensetzung des Gases, die Band-Durchlaufgeschwindigkeit, die Aufkohlungstemperatur, jeweils berechnet oder gewählt, einzeln oder nebeneinander geändert und die Verfahrensschritte (b) bis (f) wiederholt werden, wenn die Differenz zwischen der rechnerischen Kohlenstoff-Konzentration (C'&sub1;) und der Ziel-Kohlenstoff-Konzentration (C&sub1;) nicht geringer ist als ein vorgegebener Wert, und die Zusammensetzung des Gases, die Bandgeschwindigkeit, die Aufkohlungstemperatur und die Verteilung der Aufkohlungskonzentration von der Oberfläche benutzt werden, wenn die Differenz geringer als der vorgegebene Wert ist; und
(h) auf der Basis des Ergebnisses gemäß (g) die Ofentemperatur auf einen Wert von 700 bis 950ºC, die Kohlenmonoxid-Konzentration auf einen Wert von über 0 bis höchstens 22% und die Wasserstoff-Konzentration auf einen Wert von bis 30% als Bedingungen für die Zusammensetzung des Gases und die Ofentemperatur eingestellt werden, bei der es nicht zu einer Rußbildung innerhalb des Ofens kommt, und die Aufkohlungskonzentration mindestens an einem Punkt in einer Tiefe von 10 bis 250 µm in der Randzone auf eine bestimmte Aufkohlungskonzentration entsprechend der Verteilung der Aufkohlungskonzentration in Richtung der Banddicke eingestellt wird.
Auf diese Weise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Durchlaufaufkohlen durch Einstellen der Parameter der Aufkohlungsatmosphäre, zu denen Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff oder Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff gehören, auf Werte, die zu keiner Rußbildung führen, die Zusammensetzung der Gasatmosphäre und/oder die Ofentemperatur auf Basis der Formel eines thermodynamischen Modells berechnet, das auf einen Gleichgewichtszustand der Ofenatmosphäre über einen Zustand gerichtet ist, in dem die Gibbssche freie Energie der ganzen Ofenatmosphäre ein Minimum einnimmt, wobei der aktuelle Stoffeintrag und -austrag für jedes Element beim kontinuierlichen Aufkohlen im Aufkohlungsofen in Betracht gezogen wird. Auf diese Weise ist es im Vergleich zu der Verfahrensweise, bei der die Zusammensetzung der Gasatmosphäre und/oder die Ofentemperatur aufgrund eines Gleichgewichtszustandes berechnet wird, der sich lediglich aus der Zusammensetzung des in den Ofen eingespeisten Gases und der Ofentemperatur ohne Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags jeden Elements im Ofen ergibt, möglich, das Potential bzw. Aufkohlungsvermögen der Ofenatmosphäre zu verbessern und gleichzeitig das Entstehen von Ruß zu verhindem Mit anderen Worten: Es ist möglich, die Verfahrensbedingungen in Gestalt einer höheren Durchlaufgeschwindigkeit im Wege einer Erhöhung der CO- Konzentration in der Gasatmosphäre zu verbessern.
Des weiteren empfehlen sich, was die oben erwähnten Parameter der Gasatmosphäre anbetrifft, die folgenden Bedingungen für ein industrielles Durchlauf-Aufkohlen, bei dem die Ofentemperatur 700 bis 950ºC, die Kohlenmonoxidkonzentration 0 bis 22% und die Wasserstoffkonzentration 0 bis 30% beträgt. Dabei kann Stickstoff, der in der Atmosphäre als inaktives, die Konzentration der Atmosphäre verdünnenden Gases anzusehen ist, ähnlich wie Argon oder dergleichen als inaktives Gas eingesetzt werden.
Des weiteren hat sich, um die Aufkohlungsmenge im Metallband in dem von der Oberflächenreaktion bestimmten Bereich einzustellen, in dem die Kohlenstoffkonzentration in der Randzone gleich oder geringer ist als die Gleichgewichtskonzentration zwischen dem Metallband und der Gasatmosphäre, herausgestellt, daß lediglich die Aufkohlungsmenge in diesem Bereich, d.h. die Oberflächenreaktionsgeschwindigkeit festgestellt und dann über die Zeit integriert zu werden braucht. Diese Zeit, d.h. die Aufkohlungszeit bestimmt die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes. Des weiteren wurde während des Studiums der Oberflächenreaktionsgeschwindigkeit festgestellt, daß es möglich ist, die Reaktionsgeschwindigkeit durch Einstellen der Zusammensetzung des Gases zu steuern, die in einer Formel der Aufkohlungsreaktion zwischen dem Metallband und der Gasatmosphäre und ebenso in einer Formel der Desoxidationsreaktion enthalten ist. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, daß Kohlenmonoxid und Wasserstoff den größten Einfluß auf die Gaszusammensetzung ausüben und im Falle geringerer Zu- und Abströmgeschwindigkeiten bzw. -mengen des Gases insbesondere bei hohen Temperaturen trotz geringer Menge auch Kohlendioxid und H&sub2;O im Sinne einer Störung der Aufkohlungsreaktion wirksam sind. Des weiteren wurde durch Versuche belegt, daß bei diesen Zusammensetzungen die Partialdrücke die Geschwindigkeit der oben erwähnten Oberflächenreaktion beeinflussen. Weiterhin geht in Anbetracht der Abhängigkeit einer Stoffreaktion von der Temperatur ein als Metallbandtemperatur bezeichneter Faktor in den Geschwindigkeitskoeffizient der Oberflächenreaktion ein.
Dementsprechend wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen von Metallband unter Aufkohlungsbedingungen, bei denen die Aufkohlungsgeschwindigkeit der Oberflächenreaktion folgt, die größer als die Diffusionsgeschwindigkeit in Richtung der Banddicke ist, ein temperaturabhängiger Koeffizient der Reaktionsgeschwindigkeit bei der Oberflächenreaktion während des Aufkohlens rechnerisch beispielsweise aufgrund einer auf die Metalltemperatur im Aufkohlungsofen bezogenen Formel sowie die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion beim Aufkohlen aus diesem Koeffizienten der Temperaturabhängigkeit und aus einer sich auf den Partialdruck des Kohlenmonoxids beziehenden Formel errechnet, oder der Partialdruck des Kohlenmonoxids und der Wasserstoffpartialdruck sowie die Aufkohlungsmenge im Metallband läßt sich aus der Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion auf der Basis einer auf die oben erwähnte Aufkohlungszeit bezogenen Formel ableiten. Im Ergebnis ist es möglich, die der Spezifikation des Stahlblechs entsprechende Aufkohlungsmenge unter äußerst wirksamen Aufkohlungsbedingungen durch Einstellen der Aufkohlungsmenge im Metallband, wie sie die Blechspezifikation nach dem Aufkohlen erfordert, sowie durch Parameter in Übereinstimmung mit den aktuellen Aufkohlungsbedingungen zu erreichen, die als Variable in den einzelnen Formeln enthalten sind. Des weiteren ist es für den Fall, daß die Zu- und die Abströmgeschwindigkeit des Gases der Aufkohlungsatmosphäre bei einer hohen Temperatur gering ist, möglich, die Aufkohlungsmenge im Metallband in Anwesenheit von CO&sub2; und H&sub2;O durch eine Zugabe von Kohlendioxyd und die damit verbundene Partialdruckerhöhung sowie den H&sub2;O-Partialdruck als Steuergrößen, d.h. als Parameter in der Formel für die Oberflächenreaktionsgeschwindigkeit einzustellen, um den Einfluß einer Störung der Aufkohlungsreaktion zu berücksichtigen.
Weiterhin lassen sich die Konzentrationen des CO&sub2; und des H&sub2;O in der Gasatmosphäre durch eine Erhöhung der Zuströmgeschwindigkeit der Gasatmosphäre verringern, und es ist möglich, sie durch eine Verringerung der Zuflußgeschwindigkeit des Gases der Ofenatmosphäre zu erhöhen.
Wird die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion über die Zeit integriert, geschieht dies mit der tatsächlichen Aufkohlungszeit. Diese Aufkohlungszeit ergibt sich aus einer einfachen Rechnung mit Hilfe der Aufkohlungszeit = Verweilzeit im Ofen = Ofenabmessungen/Durchlaufgeschwindigkeit. So ergibt sich bei einer Verringerung der Durchlaufgeschwindigkeit aufgrund von außerhalb der Aufkohlung angesiedelten Verfahrensbedingungen, daß umgekehrt die Aufkohlungszeit durch diese Durchlaufgeschwindigkeit bestimmt wird. So bestätigt sich, daß sich eine bestimmte Aufkohlungsmenge durch Einstellen der anderen Steuergrößen erreichen läßt. Bei einem betrieblichen Aufkohlen braucht im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen der Aufkohlungszeit und der Durchlaufgeschwindigkeit lediglich die Zusammensetzung der Gasatmosphäre und die Temperatur des Metallbandes in Betracht gezogen zu werden. In diesem Falle ist es, wenn sich die verringerte Bandgeschwindigkeit in einem bestimmten Rahmen bewegt, im Hinblick auf eine Sicherung der Einstellgenauigkeit auch möglich, den Parametern der oben erwähnten Formeln die Aufkohlungszeit hinzuzufügen.
Hier läßt sich bei dem erfindungsgemäßen kontinuierlichen Aufkohlen beispielsweise im Hinblick auf die notwendige Steuerung der Aufkohlungsmenge, auch wenn die Bereiche der Steuerung der Bandtemperatur und der Aufkohlung dieselben oder unterschiedlich wie in solchen Fällen sind, in denen die Wärmebehandlung und die Aufkohlung gleichzeitig stattfinden, und die Aufkohlung nach der Wärmebehandlung durch eine bestimmte Verringerung der Temperatur stattfindet, unter Berücksichtigung beispielsweise des Zeitaspekts der Durchlaufgeschwindigkeit dieselbe Steuerung durchführen. Andererseits wurde festgestellt, ob sich die Kohlenstoffkonzentration in einer bestimmten Tiefe der Randzone aus einer Modellformel der Kohlenstoffdiffusion auf Basis des sogenannten Fickschen Gesetzes ableiten läßt, das die Aufkohlungszeit und die Aufkohlungstemperatur als Parameter benutzt. Versuche haben dies bestätigt. Demgemäß ist es beim Durchlaufaufkohlen von Metallband möglich, die für eine bestimmte Kohlenstoffkonzentration in einem bestimmten Abstand von der Bandoberfläche erforderliche Aufkohlungszeit und Bandtemperatur durch die Verwendung der gewünschten Verteilung der Kohlenstoffkonzentration mit dieser Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion zu bestimmen. Darüber hinaus erfordert bei dem oben beschriebenen Stahlband mit niedrigem AI und hohem BH-Wert die gewünschte Verteilung der Kohlenstoffkonzentration eine höhere Kohlenstoffkonzentration in der Nähe der Bandoberfläche, d.h. eine schmalere Oberflächenzone und eine niedrigere Kohlenstoffkonzentration in einer Zone größeren Abstandes von der Bandoberfläche, d.h. in größerem Abstand von der Bandoberfläche. Es wurde jedoch festgestellt, daß, wenn die Kohlenstoffkonzentrations-Verteilung im Metallband von der Werkstoffspezifikation des aufgekohlten Feinblechs festgelegt ist, lediglich die Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in einem Abstand von 10 bis 250 µm von der Metallbandoberfläche eingestellt zu werden braucht. Andererseits wird die Aufkohlungsmenge auch durch Integration der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke festgelegt. Darüber hinaus befindet sich im Falle einer Entkohlung beim Abkühlen auf der Verteilungskurve der Kohlenstoffkonzentration ein maximaler Wert der Kohlenstoffkonzentration in einer Tiefe von etwa 10 bis 50 µm und nimmt die Kohlenstoffkonzentration mit zunehmendem Abstand von der Bandoberfläche ab. Hiervon ausgehend wird beim kontinuierlichen Aufkohlen von Metallband nach der Erfindung die Aufkohlungskonzentration, wenn die gesamte Aufkohlungsmenge konstant ist, auf der Basis der Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion an einem Punkt in einem Abstandsbereich von 10 bis 50 jim festgelegt, um auf diese Weise einen Kulminationspunkt der Kohlenstoffkonzentrations-Verteilung zu erreichen, um die Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion endgültig festzulegen. Selbst dann, wenn die gesamte Aufkohlungsmenge unterschiedlich ist, wird die Kohlenstoffkonzentration an einem anderen Punkt oder mehreren Punkten im Abstandsbereich von 10 bis 250 µm festgelegt, um so die Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion definitiv zu bestimmen. Auf diese Weise ist es möglich, die Bandtemperatur, die Zusammensetzung der Gasatmosphäre und eine Aufkohlungszeit festzulegen, bei denen es sich um die Parameter der Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion handelt, und zwar durch Berechnung einer Kohlenstoffkonzentrations-Verteilung, bei der eine Kohlenstoffkonzentration an jedem Punkt in Richtung der Banddicke existiert, der der oben erwähnten Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion genügt und sich in einem vorgegebenen Toleranzbereich eines Zielwerts befindet. Weiterhin ist es, angenommen, daß die gesamte Aufkohlungsmenge nicht festgelegt ist, auch möglich, die Aufkohlungsmenge durch Integration einer Aufkohlungskonzentrations-Verteilung in Richtung der Banddicke festzulegen, die sich aus der Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion ergibt. Des weiteren ist es beim kontinuierlichen Aufkohlen von Metallband nach der Erfindung natürlich möglich, die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion des oben erwähnten Bereichs der von der Oberflächenreaktion bestimmten Aufkohlung anzuwenden.
Des weiteren befindet sich bei dem erfindungsgemäßen kontinuierlichen Verfahren zum Aufkohlen von Metallband der in fester Lösung befindliche Kohlenstoff in der Randzone des Metallbands noch in einem Zustand, der eine Diffusion oder Entkohlung erlaubt, und ist es möglich, den in fester Lösung befindlichen Kohlenstoff durch Steuerung der Diffusion oder Entkohlung des in fester Lösung befindlichen Kohlenstoffs durch Einstellen der Bandtemperatur nach dem Aufkohlen beispielsweise mit Hilfe der Abkühlungsgeschwindigkeit des Stahlblechs auf einer gewünschten Konzentration zu halten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen des näheren erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wärmebehandlung beim kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen. Bei Fig. 2 handelt es sich um eine schematische Darstellung einer Anlage zum kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen, wie sie sich zum Steuern der Aufkohlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen von Metallband eignet. Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des diffusionsbestimmten Bereichs, nachdem die Kohlenstoffkonzentration in der Randzone des Metallbands die Gleichgewichtskonzentration erreicht hat, und den vor dem Erreichen der Gleichgewichtskonzentration von der Oberflächenreaktion bestimmten Bereich. Fig. 4 gibt ein Fließbild des Algorithmus, der die Logik der Gesamtsteuerung in der Anlage zum kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen der Fig. 2 beinhaltet. Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der Temperatur und einem Koeffizienten aufgrund von Daten, die im Wege einer Änderung der Aufkohlungstemperatur im Hinblick auf die Berechnung der Temperaturabhängigkeit des Geschwindigkeitskoeffizienten der Oberflächenreaktion beim kontinuierlichen Glühen von Metallband nach der Erfindung gewonnen wurden. Fig. 6 gibt ein Fließbild des Algorithmus zur Steuerung der Aufkohlung durch Anwendung des kontinuierlichen Aufkohlens von Metallband nach der Erfindung wieder. Fig. 7 betrifft ein CO-H&sub2;-Diagramm mit der Rußbildungsgrenze beim kontinuierlichen Aufkohlen von Metallband nach der Erfindung. Fig. 8 zeigt den Zusammenhang zwischen dem rechnerischen und dem betrieblich gemessenen Wert der Aufkohlungsmenge aus dem Algorithmus des Beispiels der Fig. 6. Fig. 9 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der verschiedenen rechnerisch ermittelten Aufkohlungsbedingungen im Hinblick auf eine Zielmenge durch den Algorithmus des Beispiels der Fig. 6. Fig. 10 betrifft ein Diagramm zur Veranschaulichung verschiedener Aufkohlungsbedingungen, die berechnet wurden, um eine Zielmenge unter Bedingungen zu erreichen, bei denen die Bandgeschwindigkeit durch den Algorithmus des Ausführungsbeispiels der Fig. 6 festgelegt wurde. Fig. 11 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Verteilung der Kohlenstoffkonzentration für den Fall, daß die Zusammensetzung der Gasphase und die Aufkohlungszeit mit Hilfe des Algorithmus des Ausführungsbeispiels der Fig. 6 eingestellt wurden. Fig. 12 betrifft ein Diagramm eines Beispiels für eine Verteilung der Kohlenstoffkonzentration im Falle einer Steuerung der Zusammensetzung der Gasphase und der Aufkohlungszeit mit Hilfe des Algorithmus der Fig. 6. Fig. 13 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in dem Fall, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit nach dem Aufkohlen mit Hilfe des Algorithmus des Ausführungsbeispiels der Fig. 6 eingestellt wird. Fig. 14 zeigt eine grafische Darstellung der betrieblich gemessenen Gaszusammensetzung und der rechnerisch mit Hilfe der Modellformel für die Zusammensetzung der Gasatmosphäre ermittelten Zusammensetzung.
Im folgenden wird eine Bestlösung zur Verwirklichung der Erfindung dargestellt.
Fig. 2 zeigt das Beispiel einer Anlage zum kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen von Band aus einem ELC-Stahl zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum kontinuierlichen Aufkohlen von Metallband.
Nach Fig. 2 gelangt ein Band A aus einem ELC-Stahl in eine nicht dargestellte Einlaufstation mit einem Ablaufhaspel, einer Schweißmaschine und einer Reinigungsmaschine etc. und sodann in eine Vorwärmzone 1, eine Aufwärmzone 2, eine Zone 3 zum Ausgleichsglühen, eine Aufkohlungszone 4, eine erste Kühlzone 51 eine zweite Kühlzone 6 und eine nicht dargestellte Auslaufstation mit einer Schere und einem Haspel etc., um die Steuerung der Bandtemperatur zu vollziehen, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.
In der Aufwärmzone 2 wird das von der Eingangsseite kontinuierlich zugeführte und in der Vorwärmzone 1 vorgewärmte Band auf die Rekristallisationstemperatur oder eine höhere Temperatur, vorzugsweise auf eine Ofentemperatur von 850 bis 1.000ºC gebracht und das Band so erwärmt, daß es eine Temperatur von 700 bis 950ºC erreicht. Das erwärmte Band A wird in der Ausgleichszone 3 eine vorgegebene Zeit lang auf der Rekristallisationstemperatur oder einer höheren Temperatur gehalten. Dabei ist es möglich, ein (1,1,1)- Gefüge zu entwickeln, das für die Tiefziehbarkeit von Vorteil ist.
In der Nachbarschaft des Bandweges auf und ab über die Herdrollen in der Aufwärmzone 2 und der Vergleichmäßigungszone 3 sind zahlreiche Strahlungsröhren angeordnet, und ein in die Strahlungsröhren eingespeistes Heizgas wird dort verbrannt, um die Innentemperatur des Ofens (Ofentemperatur) einzustellen. Durch Festlegen der Zuflußgeschwindigkeit bzw. -mengen des Heizgases läßt sich ein oberer Grenzwert für die Ofentemperatur mit Hilfe eines nicht dargestellten und später beschriebenen Host- Computers aus der Wärmebilanz unter Berücksichtigung des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Strahlungsröhren, Band und Herdrollen etc. festlegen. Dies geschieht zusammen mit einer Durchlaufgeschwindigkeit, die eine Verweilzeit im Ofen (Aufheizzeit, Ausgleichsglühzeit) bzw. in jeder Wärmebehandlungszone auf der Basis einer Verfahrensmodellrechnung gewährleistet, die obere und untere Grenzwerte der gewünschten Rekristallisationstemperatur und eine optimale Wegberechnung, bei der eine optimale Zeitserie der Durchlaufgeschwindigkeit an der Verbindungsstelle zwischen den Coils berechnet wird, eine Berechnung der thermischen Rollendurchbiegung, bei der eine maximale Durchlaufgeschwindigkeit durch Vorhersagen und Berechnen der Herdrollendurchbiegung oder dergleichen berechnet wird. Im vorliegenden Falle entspricht das Einstellen der Zuflußgeschwindigkeit bzw. -menge des Heizgases in die Strahlungsröhren der für den Ofen erforderlichen Wärmemenge, die das Wärmeeinbringen und Wärmeverluste im Ofen berücksichtigt, die sich durch Hinzufügen der Wärmeverluste im Abgas und die Strahlung des Ofenkörpers zu der Wärmemenge ergibt, die dem Band zugeführt wird, das beim Verlassen des Ofens Wärme austrägt. Dies ist möglich mit Hilfe des im Zusammenhang mit dem weiter unten beschriebenen Steueralgorithmus der ganzen Behandlungsstrecke nicht dargestellten Host- Computers.
In der Aufkohlungszone 4 wird im Hinblick auf das Entstehen einer aufgekohlten Phase in einer Oberflächenschicht des Bandes A, in der in fester Lösung befindlicher Kohlenstoff in einer sehr dünnen Schicht (Oberflächenschicht) der Bandoberfläche vorhanden ist, dadurch, daß mit Hilfe des nicht dargestellten Host-Computers eine Bandtemperatur von 700 bis 950ºC und eine Bandgeschwindigkeit eingestellt werden, so daß das Band 10 bis 120 Sek. bei einer Temperatur von 700ºC oder mehr, vorzugsweise mit der Rekristallisationstemperatur oder darunter den Ofen durchläuft. Dies geschieht so, daß die Aufkohlungsmenge (Aufkohlungsreaktionsgeschwindigkeit x Aufkohlungszeit) über die Bandlänge konstant ist und Abweichungen von der Werkstoffcharakteristik unterdrückt werden. In dieser Hinsicht wird die Ofentemperatur-Steuerung so durchgeführt, daß das Problem vermieden wird, daß sich bei einer Bandtemperatur unter 700ºC die Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion und die Produktivität der Wärmebehandlung verringern, während bei Ofentemperaturen über 950ºC die Werkstoffeigenschaften beeinträchtigt werden. Die Temperatursteuerung dient dazu, die Aufkohlungsbedingungen einzuhalten. Darüber hinaus ist es bekannt, daß beim Auftreten von Ruß, d.h. wenn freier Kohlenstoff auf der Bandoberfläche in Erscheinung tritt, dies das Zementationsverhalten sowie die Qualität beeinträchtigt und schädliche Einflüsse auf nachgeschaltete Verfahren ausübt. Andererseits wird die Aufkohlungsreaktion beeinträchtigt, wenn die Reaktion im Ofen in eine vorgegebene Richtung, beispielsweise in Richtung der Aufkohlungsreaktion gefördert und als Ergebnis der Taupunkt angehoben, die Aufkohlungsreaktion beeinträchtigt und die Bandoberfläche oxidiert wird und Temperfarben auftreten. Aus diesem Grunde werden die physikalischen Eigenschaften im Ofen und die Ofentemperatur in Übereinstimmung mit dem die Aufkohlungsbedingungen festlegenden Algorithmus strikt überwacht, wie weiter unten noch beschrieben werden wird.
Die Zusammensetzung sowie die Zu- und Abströmgeschwindigkeit des in den Aufkohlungsofen eingespeisten Aufkohlungsgases werden in Übereinstimmung mit verschiedenen Bedingungen gesteuert, die rechnerisch durch den Host-Computer auf der Basis einer thermodynamischen Modellformel (Zusammensetzung der Gasatmosphäre) ermittelt werden, welche die freie Energie im Ofen unter Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags minimiert, wie weiter unten noch beschrieben werden wird. Die Zusammensetzung sowie die Einström- und die Abströmgeschwindigkeit des Aufkohlungsgases werden im Wege einer Unterdrückung eines Taupunktanstiegs so gesteuert, daß es nicht zu einer Rußbildung und auch nicht zu einer Verringerung der Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion und zu Anlauffarben kommt. Es bedarf keiner Erwähnung, daß die vorrangige Priorität bei den Spezifikationsfaktoren des Bandes einschließlich der Kohlenstoffkonzentrations-Verteilung und der Aufkohlungstiefe etc. der Aufkohlungsschicht liegt, die sich an der Bandoberfläche bildet und weiter unten noch beschrieben werden wird. Die Zusammensetzung sowie die Zu- und die Abströmgeschwindigkeit des Aufkohlungsgases werden im Hinblick auf die oben erwähnte Durchlaufgeschwindigkeit und die Ofentemperatur berechnet.
Die physikalischen Bedingungen im Ofen, die Ofentemperatur, die Bandtemperatur, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes, d.h. die Aufkohlungszeit und die Zusammensetzung der Gasatmosphäre werden als physikalische Größen (Steuergrößen) betrachtet, die der Steuerung beim betrieblichen Durchlaufaufkohlen bedürfen. Durch den Host-Computer wird beispielsweise die erforderliche Aufkohlungsmenge aus den Werkstoffkennwerten einschließlich der Kohlenstoffkonzentrations-Verteilung und der Aufkohlungstiefe etc. einer gewünschten Aufkohlungsschicht an der Bandoberfläche festgelegt, und jede im Hinblick auf die Aufkohlungsmenge infrage kommende Steuergröße wird durch eine geeignete Wahl verschiedener, sich auf diese voreingestellten Steuergrößen beziehenden Grundformeln errechnet, wie weiter unten noch beschrieben werden wird. Die Steuergrößen werden unter Einbeziehung der Möglichkeiten und Verfahren anderer Anlagen festgelegt.
Das Band wird aufwärts und abwärts über die Herdrollen 10 geführt und zur Beibehaltung der Walzeigenschaften sowie der Rollendurchbiegung in einem vorgegebenen Zustand gehalten; beispielsweise sind benachbarte Lager oder dergleichen gekühlt. Um die Festigkeit und die Verschleißeigenschaften der Rollen selbst zu erhalten, bestehen sie aus einer Chrom-Legierung. Wenn das Aufkohlungsgas in die Nachbarschaft der Herdrollen gelangt, wird es abgekühlt, und es kommt zu einer Rußbildung, so daß Kohlenstoff, nachdem er an den Herdrollen haftet, in das Innere der Herdrollen diffundiert. Wenn dies geschieht, kommt es zu einer Verbindung von Chrom und Kohlenstoff sowie zu einer Karbidausscheidung. Die Folge davon ist, daß das Gefügekorn der hitzebeständigen Herdrollen-Legierung aufgebrochen oder gedehnt wird. Auch werden die Herdrollen in Folge einer Verarmung an in fester Lösung befindlichem Chrom andererseits brüchig und oxidiert, so daß die Porenkorrosion voranschreitet. In dieser Hinsicht müssen, wenn die Herdrollen mit der aufkohlenden Gasatmosphäre in Berührung kommen, wie die Erfinder durch Versuche nachgewiesen haben, die Herdrollen innerhalb von zwei Jahren ersetzt werden. Erfindungsgemäß ist daher eine Herdrollenkammer durch eine kontaktlose Dichtung 11 von der aufkohlenden Atmosphäre getrennt, so daß es nicht zu einer Zerstörung der Herdrollen kommt. Darüber hinaus befindet sich das Innere der Herdrollenkammer derart in einem leicht aufkohlenden Zustand, daß eine Zerstörung der Herdrollen nicht stattfindet. Auf diese Weise ließ sich die sogenannte Entkohlung erfolgreich unterbinden, bei der Kohlenstoff von der aufgekohlten Oberflächenschicht übernommen wird, während das Band durch die abgetrennte Herdrollenkammer hindurchläuft. Ist die Durchlaufzeit in der Herdrollenkammer sehr kurz und die Entkohlung der Oberflächenzone des Bandes demgemäß in Anbetracht der Durchlaufzeit kein Problem, dann kann das Innere der Herdrollenkammer eine nicht aufkohlende Atmosphäre besitzen.
Der Aufbau der Dichtung 11 wird im einzelnen nicht beschrieben; es kann sich jedoch beispielsweise um eine dichtende Schicht zwischen der Herdrollenkammer und der Aufkohlungskammer aus drei Teilschichten handeln, und das oben erwähnte leicht aufkohlende Gas kann in die Dichtungsschicht an der Seite der Herdrollenkammer eingeblasen werden, während das Absaugen aus einer Zwischenschicht geschieht. Darüber hinaus werden die Blasrichtung und die Strömungsgeschwindigkeit jeden Gases so gesteuert, daß der Strom jeden Gases in die Seite der Zwischenschicht gesteuert und gleichzeitig der von dem durchlaufenden Band verursachte Zirkulationsstrom durch einen Auslaß an einer Endfläche der Dichtungsschicht abgeleitet wird, die sich im Bereich der Breite des Bandes befindet.
Das die Aufkohlungszone 4 verlassende Band gelangt zunächst in die erste Abkühlungszone 5. Um den in der sehr dünnen Oberflächenschicht des Bandes in fester L6sung befindlichen Kohlenstoff aus der Aufkohlungszone zu fixieren, wird das Band nach dem Aufkohlen in der ersten Kühlzone 5 rasch auf eine Temperatur von 600ºC oder darunter, vorzugsweise mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 5ºC/s abgekühlt, bis etwa 500 bis 400ºC erreicht sind. Um in der Kühlzone 5 die notwendigen Abkühlungsbedingungen zu gewährleisten, stellt der Host-Computer die Menge, die Strömungsgeschwindigkeit, den Kühlrollenwinkel sowie den Umschlingungswinkel und dergleichen des von einer Kühlgasdüse gegen das in die Kühlzone einlaufende Band gerichteten Gases ein.
Das die Kühlzone 5 verlassende Band gelangt in eine zweite Kühlzone 6. In dieser Kühlzone wird das Gasabkühlen fortgesetzt, bis das Band eine Temperatur von 250 bis 200ºC erreicht. Auf diese Weise ist es letztendlich möglich, ein kaltgewalztes Blech aus einem ELC-Stahl herzustellen, das sich zum Preßformen eignet und bei dem der in fester Lösung in der Oberflächenzone befindliche Kohlenstoff nach Menge und Form eingestellt ist.
Im folgenden wird nun der Gedanke einer generellen Steuerung des Durchlaufglühens und -aufkohlens mit Hilfe des Host-Computers erläutert. Dabei wird zum leichteren Verständnis die Bandtemperatur infolge der Aufkohlungsreaktion als Aufkohlungstemperatur bezeichnet, wenngleich aufgrund der vorstehenden Ausführungen Klarheit darüber besteht, daß die wesentliche Steuergröße die Ofentemperatur ist.
Wie bereits erwähnt, ist beim Aufkohlen in der Aufkohlungszone einschließlich des Einstellens einer bestimmten Kohlenstoffkonzentrations-Verteilung im Band die Aufkohlungsmenge im Band als Zielgröße des Werkstoffs vorgegeben. Geht es beispielsweise um eine bestimmte Kohlenstoffkonzentrations-Verteilung, dann ergibt sich die Kohlenstoffnenge durch Integration der Kohlenstoffverteilung über die Banddicke. Der obere Grenzwert der Aufkohlungstemperatur wird bestimmt durch die Rekristallisationstemperatur oder eine niedrigere Temperatur des jeweiligen Werkstoffs. Um andererseits das maximale Aufkohlungsvermögen des Aufkohlungsofens auszunutzen, ist es erforderlich, die Geschwindigkeit der auf dem Prinzip Aufkohlungsmenge = Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion x Aufkohlungszeit zu steigern; von daher ist es wünschenswert, die mit der Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion verknüpfte Aufkohlungstemperatur zu erhöhen, was wiederum mit einer Erhöhung des oberen Grenzwerts der Kohlenmonoxidkonzentration verbunden ist.
Nach der Erfindung läßt sich die Rußgrenze mit Hilfe der thermodynamische Modellformel (Zusammensetzung der Ofenatmosphäre) unter Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags bestimmen; es ist jedoch schwierig, die Kohlenmonoxidkonzentration und eine Wasserstoff-Konzentration im Ofengas ausschließlich aus der Bedingung festzulegen, daß es nicht zu einer Rußbildung kommt. Deswegen geht die Erfindung von einer die Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion nicht beeinträchtigenden Bezugsformel aus und benutzt beispielsweise die Kohlenmonoxidkonzentration aus der Modellformel für die Zusammensetzung einer nicht zu einer Rußbildung führenden Gasatmosphäre als Bezugsgröße und berechnet die Wasserstoff-Konzentration unter Verwendung der Bezugsformel, wie sich das aus folgendem ergibt:
H&sub2;-Konzentration = a x CO-Konzentration,
wobei a eine Konstante in der Größe 0 bis unter 5 ist.
Die Konstante a errechnet sich nach der weiter unten beschriebenen Grundformel für die Oberflächenreaktion zu einem Wert, der die Konzentration des CO und des H&sub2;O auf ein Minimum bringt und normalerweise im Bereich von 0,5 bis 1,0 liegt. Demgemäß nimmt die Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion aus der Formel für die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion, wenn der Bezugsformel Genüge getan ist, ein Maximum an.
Des weiteren wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Aufkohlungszeit im Hinblick auf eine bestimmte Verteilung der Kohlenstoffkonzentration auf der Basis der, wie oben erwähnt, ermittelten Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion festgelegt. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß, wenn der Konzentrationsgradient für den Kohlenstoff im inneren Teil der Randzone über eine Erhöhung nur der Kohlenstoffkonzentration in der Oberflächenzone steil gemacht werden soll, lediglich die Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion (Erhöhung des Aufkohlungsvermögens) erhöht und die Dauer der Aufkohlung verringert zu werden braucht. Umgekehrt braucht, wenn der Konzentrationsgradient des inneren Teils der Randzone aufgrund einer Erhöhung der Kohlenstoffkonzentration des Bandes allmählich verlaufen soll, lediglich die Aufkohlungszeit erhöht und die Aufkohlungsgeschwindigkeit (Verringerung des Aufkohlungsvermögens) verringert zu werden. Die Steuerung der Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion und -zeit genügt der oben erwähnten einschränkenden Bedingung, daß die Aufkohlungsmenge konstant ist.
Andererseits wird, wie im Zusammenhang mit der Erwärmungszone und der Ausgleichszone bereits beschrieben, in den betreffenden Bandtemperaturkontrollzonen außer in der Aufkohlungszone, eine optimale Bandgeschwindigkeit im Wege einer Leistungs- und Verfahrensberechnung der betreffenden Öfen festgelegt. Betrachtet man die maximale Bandgeschwindigkeit in jeder der Temperaturkontrollzonen und die maximale Bandgeschwindigkeit in der Aufkohlungszone der kontinuierlich arbeitenden Glüh- und Aufkohlungsanlage, die das Band nach und nach passiert, dann kommt es darauf an, welche der Bandgeschwindigkeiten die Durchlaufgeschwindigkeit der Gesamtanlage bestimmt. In diesem Falle sind sämtliche Erfordernisse der Blechspezifikation in Betracht zu ziehen, und diese gelten weiterhin als absolute Bedingungen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß, wenn die maximale Bandgeschwindigkeit in der Aufkohlungszone größer als das Minimum jeder Maximalgeschwindigkeit in jeder der Temperaturkontrollzonen ist, es dann erforderlich ist, das Minimum der maximalen Bandgeschwindigkeit jeder Bandtemperaturkontrollzone als Bandgeschwindigkeit der Glüh- und Aufkohlungsstrecke festzulegen und erneut die Bedingungen der Atmosphäre im Aufkohlungsofen zu bestimmen, die bei dieser Durchlaufgeschwindigkeit der oben erwähnten Aufkohlungsmenge genügt. In diesem Falle geschieht dies, weil sich die Aufkohlungszeit verlängert unter der einschränkenden Bedingung, daß die Aufkohlungsmenge konstant ist, wiederum in Richtung einer verringerten Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion, d.h. die CO und die H&sub2;-Konzentration in der Gasatmosphäre werden verringert, und dementsprechend wird die Bedingung, daß es nicht zu einer Rußbildung kommen soll, erfüllt.
Ist hingegen der Minimalwert der maximalen Durchlaufgeschwindigkeiten in jeder temperaturgesteuerten Zone gleich oder größer als die maximale Bandgeschwindigkeit in der Aufkohlungszone, dann dient die maximale Bandgeschwindigkeit der Aufkohlungszone als Durchlaufgeschwindigkeit der ganzen Linie und müssen wiederum die Ofentemperatur und die zugeführte Heizgasmenge als Steuergrößen für die Bandtemperatur bestimmt werden, um die Bandtemperatur in jeder der temperaturgesteuerten Zonen bei der betreffenden Durchlaufgeschwindigkeit zu gewährleisten. Die Steuerung findet ihren Niederschlag in dem Algorithmus der Fig. 4, den der Host-Computer ausführt.
Bei der Rechnerarbeit wird zunächst in der Stufe S 20 in der Aufkohlungszone und jeder temperaturgesteuerten Zone eine obere Leistungsgrenze als einschränkende Bedingung und ein Maximalwert der Bandgeschwindigkeit, welcher den Anforderungen an das Erwärmen und Abkühlen des Stahlbands festgelegt. So wird beispielsweise für die Aufwärmzone 2 und die Ausgleichszone 3 auf der Basis einer mathematischen Modellformel auf Basis der Wärmeübergangstheorie eine Modellformel für das Verfahren aufgrund der Wärmebilanz unter Berücksichtigung des Wärmeübergangs zwischen den Strahlungsröhren, der Ofenwandung, des Bandes und der Herdrollen etc. festgelegt. Auf der Basis dieser Modellformel für das Verfahren wird dann ein Maximalwert der Bandgeschwindigkeit (im folgenden als maximale Bandgeschwindigkeit bezeichnet) innerhalb des Bereichs der Ofentemperatur, der Heizgasmenge oder der Wärmeleistung einer ebenfalls möglichen elektrischen Heizung festgelegt, und zwar 50, daß der errechnete Maximalwert die vorgegebene Bandtemperatur gewährleistet.
Andererseits wird für die Aufkohlungszone 4 auf der Basis einer mathematischen Modellformel unter Zugrundelegung der weiter unten beschriebenen Thermodynamik ein Modell der Zusammensetzung der Gasatmosphäre im Aufkohlungsofen unter Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags im Aufkohlungsofen erstellt. Mit Hilfe dieses Modells der Zusammensetzung der Gasatmosphäre und der Formel für die Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion wird eine maximale Bandgeschwindigkeit errechnet, die gleich oder größer ist als der obere Grenzwert der Zusammensetzung der Gasatmosphäre (insbesondere CO) und der angestrebten Kohlenstoffmenge Rechnung trägt.
Weiterhin wird für die Kühlzonen 5 und 6 auf der Basis einer Modellformel, die das Kühlgas aus dem Kühlgasstrahl und den Wärmeübergang berücksichtigt, eine maximale Bandgeschwindigkeit errechnet, die sich innerhalb des Bereichs der möglichen Kühlgaszufuhr bewegt und der angestrebten Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. der angestrebten Abkühlungsendtemperatur Rechnung trägt.
In dieser Hinsicht lassen sich für die Kühlzonen 5 und 6 im Falle einer Verwendung von Kühlrollen oder von Kühlnebel anstelle einer Gaskühlung als Kühlmittel ähnliche Berechnungen unter Verwendung einer Modellformel durchführen, die das jeweilige Medium und den Wärmeübergang des Bandes berücksichtigt.
Alsdann werden die in der beschriebenen Weise berechnete maximale Bandgeschwindigkeit in jeder der Wärmebehandlungszonen einschließlich der Aufkohlungszone miteinander verglichen und der niedrigste Wert als Maximum der Bandgeschwindigkeit in der Gesamtanlage festgelegt.
Als nächstes wird in der Stufe 21 unter Verwendung der maximalen Bandgeschwindigkeit in der gesamten Strecke aus der Stufe S 20 für jede Wärmebehandlungszone einschließlich der Aufkohlungszone ein Wert der Steuergrößen ermittelt, der den Erfordernissen des Bandaufwärmens, Aufkohlens und Abkühlens Rechnung trägt.
Im einzelnen wird nun beispielsweise für die Aufwärmzone 2 und die Ausgleichszone 3 unter Verwendung des Wärmeübergangsmodells der Stufe 5 20 eine Ofentemperatur bestimmt, die der angestrebten Bandtemperatur Rechnung trägt. Diese Bandtemperatur läßt sich mit Hilfe einer Steuerung der Heizgaszufuhr oder der Leistung einer elektrischen Heizung im Feedback-Verfahren einstellen. Alternativ läßt sich die Bandtemperatur auch in der Weise einstellen, daß auf der Basis der zuvor beschriebenen Prozeßmodell-Rechnung eine optimale Strömungsgeschwindigkeit oder Leistung einer elektrischen Heizung im Wege einer Wegoptimierung berechnet wird, welche die Schwankungen der Bandtemperatur an der Verbindungsstelle zweier Coils im Band minimiert. Aufgrund des Ergebnisses ist alsdann eine Rückkopplungssteuerung möglich.
Andererseits sind für die Aufkohlungszone vier Fälle denkbar, bei denen der Zielwert ausschließlich die Aufkohlungsmenge einschließt oder zusammen mit der Aufkohlungsmenge die angestrebte Form der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke. Ist lediglich die Aufkohlungsmenge vorgegeben, dann wird unter Benutzung des im Zusammenhang mit der Stufe S 20 beschriebenen Modells der Gasatmosphäre und der Formel für die Aufkohlungsreaktion an der Stahloberfläche eine Gaszusammensetzung berechnet, die der angestrebten Aufkohlungsmenge Rechnung trägt. Im anderen Fall, wenn neben der Aufkohlungsmenge die Form der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke vorgegeben ist, wird unter Berücksichtigung des Modells für die Zusammensetzung der Gasatmosphäre und der Formel für die Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion das Modell der Diffusion im Stahlband unter Berücksichtigung nicht nur der Aufkohlungszeit, sondem auch der Abkühlungsphase angewandt und wiederum die Bandgeschwindigkeit so festgelegt, daß sie sich innerhalb der in der Stufe S 20 ermittelten maximalen Bandgeschwindigkeit für die Gesamtanlage oder darunter hält und so die Möglichkeit schafft, die angestrebte Form der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke festzulegen. Gleichzeitig wird unter Berücksichtigung der angestrebten Aufkohlungsmenge die Zusammensetzung der Gasatmosphäre berechnet. In diesem Falle entspricht die erneut festgelegte Bandgeschwindigkeit derjenigen des sich anschließenden Teils der Anlage. Hierbei wird jedoch die Logik der Bestimmung der Bandgeschwindigkeit im Hinblick darauf, daß die Form der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke dem vorgegebenen Wert der Banddicke der Stufe S 21 genügt, im Hinblick auf die Vermeidung einer Änderung der Bandgeschwindigkeit und erneuten Festlegung aus anderen Gründen, die der Form der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke gewährleistende Bandgeschwindigkeit vorzugsweise in der Stufe S 23 festgelegt. Dies geschieht demgemäß im Falle des Ausführungsbeispiels in der Stufe S 23.
Für die Kühlzonen 5 und 6 wird unter Verwendung des im Zusammenhang mit der Stufe S 20 beschriebenen Modells für den Wärmeübergang die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgasstrahls mit Hilfe mehrerer Umdrehungen eines Ventilators oder dergleichen so festgelegt, daß sie die vorgegebene Abkühlungsgeschwindigkeit und -zeit Rechnung trägt.
Als nächstes wird in der Stufe S 22 die Wärmedurchbiegung der Herdrollen jeder Wärmebehandlungszone einschließlich der Aufkohlungszone prognostiziert und mit Hilfe je eines Modells der Bandtemperatur und der Wärmebilanz der Rollenkammer, sowie eine maximale Durchlaufgeschwindigkeit berechnet, die innerhalb der Grenzen für die Strahlerzeugung und das Auftreten von Ausbeulungen am Band liegt, d.h. die sogenannte Berechnung der thermischen Durchbiegung wird durchgeführt. Übersteigt die berechnete maximale Bandgeschwindigkeit diejenige der in den Stufen S 20 und S 21 berechneten Bandgeschwindigkeiten, dann findet der Übergang in die Stufe S 23 statt. Liegt hingegen die berechnete Maximalgeschwindigkeit unter der in den Stufen S 20 und S 21 ermittelten Maximalgeschwindigkeit der gesamten Behandlungsstrecke, dann dient die aus der Berechnung der thermischen Rollendurchbiegung gewonnene maximale Bandgeschwindigkeit als neue Bandgeschwindigkeit der gesamten Behandlungsstrecke und findet Eingang in die voraufgehende Stufe S 21.
In der Stufe S 23 wird eine Bandgeschwindigkeit als Zielvorgabe unter Berücksichtigung besonderer Maßnahmen am Band wie beispielsweise Schweißarbeiten zum Verbinden des Bandes zweier Coils, der Prüfung des Coils und dergleichen oder anderer Maßnahmen (hauptsächlich Probleme) festgelegt und zunächst sichergestellt, daß die vorgegebene Bandgeschwindigkeit gleich oder geringer ist als die in den Stufen S 20 und S 22 festgelegte maximale Bandgeschwindigkeit. Diese Bandgeschwindigkeit wird dann für die gesamte Behandlungs strecke festgelegt.
Alsdann werden in der Stufe S 24 unter Berücksichtigung der zuletzt festgelegten Bandgeschwindigkeit für die gesamte Behandlungsstrecke die Steuergrößen berechnet, die den Anforderungen an das Erwärmen, Aufkohlen und Abkühlen des Bandes in jeder Behandlungszone einschließlich der Aufkohlungszone genügen. In dieser Stufe läuft die Berechnung inhaltlich ähnlich ab wie in der Stufe S 21, wenngleich die Bandgeschwindigkeit aufgrund der Form der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke nicht festgelegt und berechnet wird.
Bei der Erläuterung der Logik bezüglich der Aufkohlungszone 4 entfällt die Beschreibung der Steuerung der Bandtemperatur im Hinblick auf die vorgegebene Bandtemperatur, wenngleich man die Steuerung der Bandtemperatur in der Aufkohlungszone als inhaltsidentisch mit der Steuerung der Bandtemperatur in der Erwärmungszone 2 und der Ausgleichszone 3 ansehen kann.
Im folgenden wird die Steuerung der Aufkohlungsatmosphäre in der Aufkohlungszone des näheren erläutert.
Zunächst wird erläutert, wie sich unter Zugrundelegung der Werkstoffeigenschaften für das Stahlband ein preßverformbares Stahlband mit niedrigem AI, hohem BH-Wert und ausreichender Festigkeit unter den Bedingungen der Erfindung im Vergleich zu den Bedingungen eines herkömmlichen Aufkohlens und mit Hilfe der Parameter für die Aufkohlungsbedingungen herstellen läßt.
Beim herkömmlichen findet das Aufkohlen zum Oberflächenhärten im Hinblick auf bessere Verschleißeigenschaften und eine geringere Schlagempfindlichkeit einzelner Gegenstände in Gestalt eines sogenannten thermischen Vergütens statt, wie bei Zahnrädern, Wellen und Lagern etc. Dabei beträgt der Kohlenstoffgehalt des Ausgangsmaterials mindestens 0,05% und die Aufkohlungsmenge mindestens 0,1% bei einer Aufkohlungstiefe von mindestens 0,5 bis 1,5 mm. Dementsprechend lang ist die Aufkohlungszeit von 1 bis 5 Stunden. Unter diesen Bedingungen erreicht die Kohlenstoffkonzentration angesichts der Aufkohlungszeit die Gleichgewichtskonzentration und ist die Aufkohlungsgeschwindigkeit in dem diffusionsbestimmten Bereich des Diagramms der Fig. 3 angesiedelt, in dem die Aufkohlungsgeschwindigkeit der Diffusionsgeschwindigkeit im Stahl folgt. Demgemäß ist die Aufkohlungsgeschwindigkeit proportional der Quadratwurzel der Zeit. In diesem Bereich der Aufkohlungsgeschwindigkeit ist es erforderlich, das Kohlenstoffpotential (C-Potential) der Gasatmosphäre einzustellen, so daß die Diffusionsgeschwindigkeit im Stahl gleich der Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion ist und die Gleichgewichtskonzentration des Kohlenstoffs im Stahl einen vorgegebenen Wert annimmt. Als aktueller Index für die Verfahrenssteuerung ist die Einstellung des Verhältnisses CO/CO&sub2; wichtig.
Im Gegensatz dazu handelt es sich beim kontinuierlichen Bandaufkohlen nach der Erfindung im Falle des Bandes um ein Kontinuum aus einem ELC-Stahl und dient das Aufkohlen zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften des Bandes sowie der Materialeigenschaften insgesamt. Folglich beträgt der Kohlenstoffgehalt im Ausgangsmaterial allenfalls 200 ppm oder weniger und macht die Aufkohlungstiefe nur 50 bis 200 µm aus, wenn man den Aufkohlungsbedingungen für das Band die Daten der Werkstoffspezifikation zugrundegelegt (japanische Offenlegungsschrift Hei 3-199 344 etc.), die auf eine Verringerung der Versprödungsempfindlichkeit bei der Weiterverarbeitung gerichtet sind. Des weiteren beträgt die Aufkohlungszeit in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit 120 Sekunden oder weniger. Unter diesen Bedingungen befindet sich, da die Kohlenstoffkonzentration in der Oberflächenschicht des Stahlbandes angesichts der Aufkohlungszeit die Gleichgewichtskonzentration nicht erreicht, wie sich aus den oben erwähnten Ausführungen von Yo u.a. ergibt, befindet sich die Aufkohlungsgeschwindigkeit in dem von der Oberflächenreaktion bestimmten Bereich der Fig. 3, in dem die Aufkohlungsgeschwindigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit an der Stahloberfläche folgt und die Aufkohlungsgeschwindigkeit zeitproportional ist. In dem von der Oberflächenreaktion regierten Bereich ist es erforderlich, da sowohl 4ie Aufkohlungsmenge als auch die Aufkohlungstiefe nicht gleichgewichtsabhängig sind, wie der betriebliche Verfahrensablauf zeigt, nicht nur das Verhältnis CO/CO&sub2; im Wege einer Steuerung des C-Potentials im Hinblick auf die Gleichgewichtskonzentration des Kohlenstoffs in der Oberflächenzone des Stahlbandes einzustellen, sondern auch, die Aufkohlungsbedingungen so zu wählen, daß die aufgrund der Werkstoffspezifikation des Stahlblechs festgelegte Aufkohlungsmenge zahlreiche Steuergrößen im Ofen berücksichtigt.
Darüber hinaus gibt es beim betrieblichen kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen zahlreiche Fälle, wie beispielsweise im Algorithmus der Fig. 4 dargestellt, bei denen die Bandgeschwindigkeit von der Steuerung der Bandtemperatur her festgelegt wird, wie sie in den Wärmebehandlungszonen mit Ausnahme der Aufkohlungszone stattfindet. In weiteren Fällen muß die Bandgeschwindigkeit angesichts ihrer größten Ansprechgeschwindigkeit hinsichtlich verschiedener Verfahrensbedingungen gesteuert werden. Demgemäß müssen bei dem erfindungsgemäßen kontinuierlichen Aufkohlen, wenn die Bandgeschwindigkeit angesichts der Verfahrensbedingungen beim kontinuierlichen Glühen und Aufkohlen mit Ausnahme der Aufkohlungsphase beschränkt ist, die von der Werkstoffspezifikation des Stahlblechs vorgegebenen Aufkohlungsbedingungen bei der oben erwähnten Bandgeschwindigkeit so gewählt werden, daß diese der Aufkohlungsmenge Rechnung tragen.
Im folgenden werden die Grundsätze für den Aufbau der Logik in Übereinstimmung mit dem vom Host-Computer im Hinblick auf die Steuerung der Aufkohlungsmenge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gelieferten Algorithmus erläutert.
Zunächst ist es zum Einstellen der Zusammensetzung der Gasatmosphäre in dem von der Oberflächenreaktion bestimmten Bereich erforderlich, das zuvor bereits beschriebene Entstehen von Ruß zu verhindern und gleichzeitig eine Erhöhung des Taupunkts zu vermeiden. Die Grundlagen für diese Zustände ergeben sich aus folgendem.
Im allgemeinen läßt sich die Zusammensetzung der Gasatmosphäre unter Aufkohlungsbedingungen aus dem chemischen Gleichgewicht entnehmen. Bei herkömmlichen Lösungen werden alle denkbaren Reaktionen aufgelistet und ergibt sich die Gaszusammensetzung im Wege einer Lösung nicht linearer simultaner Gleichungen aus der Gleichgewichtsbeziehung der Reaktionen. Es ist jedoch sehr schwierig, eine genaue Grenze für die Rußbildung alleine aus der Reaktionsformel des Gasphasen-Systems zu gewinnen.
Die Erfindung geht daher, wie im folgenden beschrieben, von einer thermodynamischen Modellformel (Zusammensetzung der Gasatmosphäre) aus und kommt zu einer Zusammensetzung der Gasatmosphäre, die eine Rußbildung verhindert.
Im Falle eines isothermen und isostatischen Systems verringert sich bei einem natürlich auftretenden Wechsel die Gibbssche freie Energie und nimmt im Gleichgewichtszustand im System einen Minimalwert an. Um den Gleichgewichtszustand der Gasatmosphäre unter Verwendung der sich daraus ergebenden Gibbsschen freien Energie als objektive Funktion für das gesamte System bei variabler Konzentration jeder Gaskomponente des Systems zu erhalten, ist es lediglich erforderlich, die Konzentration jeder Gaskomponente zu erhalten, die ein Minimum annimmt unter der einschränkenden Bedingung des Stoffeintrags und -austrags, bei dem elementare Komponenten konstant sind, die durch das Originalsystem eingebracht werden, insbesondere, unter der einschränkenden Bedingung, daß die Zusammensetzung der Gasatmosphäre und die in den Ofen eingespeiste Menge sowie die vom Metallband aus dem Ofen infolge der Aufkohlung ausgetragene Kohlenstoffmenge konstant sind. Die Konzentration der Gaskomponenten erreicht die Gleichgewichtszusammensetzung der Gasatmosphäre im Ofen bei einer gegebenen Ofentemperatur und einem gegebenen Druck im Ofen, und die rußbildende Kohlenstoffmenge wird in der nachfolgend beschriebenen Logik ausgedrückt als eine Art Kondensation.
Bei der rechnerischen Ermittlung der Zusammensetzung der Gasatmosphäre gibt es zwei Annahmen. Eine der beiden besteht darin, daß es sich bei dem Gas um ein ideales Gas handelt. Die andere Annahme ist, daß sich die durch den freien Kohlenstoff repräsentierte Kondensationsphase nicht mit dem Gas mischt. Unter diesen Annahmen läßt sich die gesamte freie Energie F(X) eines Gases und einer Kondensation durch die nachfolgende Gleichung (1) mit Bezug auf die freie Energie fgi der i. Art eines Gases und der freien Energie fgh der h. Art einer Kondensation ausdrücken:
wobei n die Zahl der Gase und p die Zahl der Kondensationen ist.
In dieser Hinsicht wird die freie Energie fgi des 1. Gases in bezug auf das gasförmige Produkt durch die nachfolgenden Gleichungen (2) bis (4) unter der Annahme ausgedrückt, daß die Zahl der Mole des einzelnen Gases xgi mit bezug auf die freie Energie cgi des i. Gases ist.
Andererseits wird, was das Kondensationsprodukt anbetrifft, da der Einfluß des Drucks und eines Vermischens ausgeklammert ist, unter den oben erwähnten Annahmen die freie Energie fch der h. Kondensation ausgedrückt durch die folgenden Gleichungen (5) und (6), und zwar unter der Annahme, daß die Zahl der Mole der betreffenden Kondensation xch mit Bezug auf die Molenergie Cch der h. Kondensation ist.
fch = Xch Cch (5)
Cch = (F/(R T))ch (6)
In den Gleichungen (3) und (6) ist (F/(R T) durch die folgende Gleichung (7) festgelegt:
(F/(R T))i = ((F - H&sub2;&sub9;&sub8;)/T)i/R + ΔH&sup0;f.298,i/RT (7)
Als nächstes werden der Stoffeintrag und -austrag in diesem System betrachtet. Auch wenn jede Menge einer Komponente im betrieblichen System geändert wird, ist die Gesamtmenge konstant, wenn jedes Element als atomare Einheit des Kohlenstoffs, Wasserstoffs, Stickstoffs und Sauerstoffs in den Komponenten der Gasatmosphäre betrachtet wird. Der Stoffeintrag und -austrag wird in der folgenden Gleichung (8) ausgedrückt:
Dabei ist
j = 1,2, ..., m
agij: die Zahl der Atome des j. Elements in einem Molekül des i. Gases,
acjj: die Zahl der Atome des j. Elements in einem Molekül der i. Kondensation,
bj: die Menge des j. Elements im System und
m: die Zahl der verschiedenen Elemente im System.
Wie sich aus Fig. 14 bezüglich der Zusammensetzung des Gases im Ofen ergibt, befinden sich die rechnerischen Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit den betrieblichen Meßwerten.
Als nächstes wird hinsichtlich der notwendigen Bedingungen der Zusammensetzung der Gasatmosphäre beim betrieblichen Aufkohlen die Kohlenstoffbilanz im Ofen wiedergegeben durch die folgenden Gleichungen (9) und (10). In dieser Hinsicht handelt es sich bei der Gleichung (10) um eine Funktion, die aus dem Eigenschaftsprofil des Werkstoffs und der Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion errechnet wird.
Wgi = Wsc + Wgo (9)
Wsc = ξ (V,t,w,LS)) (10)
Dabei bezeichnet
Wgi: die Masse des Kohlenstoffs in dem in den Ofen eingespeisten Gas,
Wsc: die Masse des vom Band aus dem Ofen ausgetragenen Kohlenstoffs,
Wgo: die Masse des vom Gas aus dem Ofen ausgetragenen Kohlenstoffs,
V: die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion,
t: die Aufkohlungszeit und
w: die Bandbreite.
Auf diese Weise ist es im Wege einer Berechnung der Parameter der Gasatmosphäre auf der Basis einer thermodynamischen Modellformel (Zusammensetzung der Gasatmosphäre) unter Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags beim betrieblichen Durchlaufaufkohlen im Aufkohlungsofen möglich, das Aufkohlungsvermögen der Gasatmosphäre im Vergleich mit den Parametern der Gasatmosphäre, wie sie sich ohne Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags im Ofen ergeben, zu verbessern und gleichzeitig eine Rußbildung sicher zu verhindern. Dementsprechend läßt sich das betriebliche Leistungsvermögen verbessern, indem beispielsweise die Durchlaufgeschwindigkeit mit Hilfe einer höheren CO-Konzentration in der Gasatmosphäre erhöht wird.
Als nächstes werden die Grundlagen beim Einstellen der Aufkohlungsmenge erläutert, bei der es sich um den Kern der Erfindung handelt.
Die Oberflächenreaktion bei der Verwendung von Kohlenmonoxid als Gasatmosphäre ergibt sich aus den folgenden Gleichungen (11) bis (13).
CO [C] + O (11)
CO + O T CO&sub2; (12)
Fe + [C] T Fe - C (Diffusion im Stahl) (13)
Entsprechend dem bereits erwähnten Bericht von Yo u.a. erreichen die Aufkohlungsbedingungen den Gleichgewichtszustand nicht, wenn die Kohlenstoffkonzentration in der Randzone des Blechs sehr gering und die Dauer der Aufkohlung sehr kurz ist. Aus diesem Grunde ist anzunehmen, daß, da die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Gleichung (13) größer ist als die Freisetzungsreaktion des adsorbierten Sauerstoffs gemäß Gleichung (2), diese Reaktion eine geschwindigkeitsbestimmende Reaktion ist und sich die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion V in diesem die Oberflächenreaktion bestimmenden Bereich durch die folgende Gleichung (14) ausdrücken läßt:
V = k PCO (PCO/(PCO + (ac/K))), (14),
wobei
k : eine Reaktionskonstante, Pco: der CO-Partialdruck, ac: die Kohlenstoffaktivität und K: die Gleichgewichtskonstante ist.
Die Gleichung (14) berücksichtigt jedoch nicht den Einfluß des Wasserstoffs. Was die Reaktionsgleichung bezüglich des Wasserstoffs anbetrifft, so tritt die folgende Gleichung (15) an die Stelle der Reaktionsgleichung (12):
CO + H&sub2; + 2O T CO&sub2; + H&sub2;O (15)
Des weiteren läuft bezüglich des entstehenden CO&sub2; die folgende Gleichung (16) ab.
H&sub2; + CO&sub2; H&sub2;O + CO (16)
Auf der Basis dieser Reaktionsgleichungen und im Hinblick auf die Tatsache, daß Wasserstoff die Aufkohlungsreaktion fördert, ergibt sich die Geschwindigkeit V der grundlegenden Oberflächenreaktion aus der folgenden Gleichung (17):
V = k, f&sub1; (PCO, PH&sub2; θo), (17),
in der wie θo die Geschwindigkeit des Entstehens eines Überzugs aus adsorbiertem Sauerstoff ist.
Des weiteren wird die Aufkohlungsreaktion, wenn die Konzentration des Kohlenmonoxids und des Wasserstoffs in der durch die Aufkohlung erzeugten Gasatmosphäre hoch ist (beispielsweise CO/CO&sub2; ≤ 50) durch die Reaktion entsprechend den folgenden Gleichungen (18) und (19) gestört:
V = k&sub1; f&sub1; (PCO, PH&sub2; θo) x α f&sub3; (PCO, PCO&sub2;) (20)
V k1 f1 (PCO, PH&sub2;, θo) - k&sub2; f&sub2; (PCO&sub2;, PH&sub2;O), (21)
worin α: konstant und k&sub1; sowie k&sub2;: Geschwindigkeitskonstanten der Reaktion sind.
Die Geschwindigkeitskonstanten k&sub1; und k&sub2; lassen sich nach der folgenden Gleichung (22) bestimmen:
k&sub1; = Ai exp ( - Ei/RT) (22)
worin Ai : der Frequenzfaktor, Ei : die Aktivierungsenergie, R: die Gaskonstante und T: die absolute Temperatur bedeuten.
Da es sich bei dem Frequenzfaktor Ai, der Aktivierungsenergie Ei und der Gaskonstante R um Konstanten handelt, werden die Geschwindigkeitskonstanten k&sub1; und k&sub2; aus experimentell gewonnenen Werten unter der Bedingung verschiedener absoluter Temperaturen T errechnet. Fig. 5 gibt die experimentell ermittelte Konstante k&sub1; der Reaktionsgeschwindigkeit wieder.
Ist es lediglich erforderlich, die Kohlenmonoxidkonzentration zu betrachten, beispielsweise wenn die Zuströmgeschwindigkeit des Gases groß ist, dann läßt sich die Gleichung (14) als Formel für die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion benutzen.
Als nächstes wird die Diffusion des in fester Lösung befindlichen Kohlenstoffs erläutert, bei der die Diffusion im Stahl als Modell angenommen wird, um die gewünschte Verteilung der Kohlenstoffkonzentration zu erhalten. Den Diffusionszustand des Kohlenstoff im Stahl repräsentiert die Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion der folgenden Gleichung (23) auf der Basis des Fickschen Gesetzes:
dC/dt = D d²C/dx² (23),
worin C : die Kohlenstoffkonzentration im Stahl, t: die Zeit, D: der Diffusionskoeffizient und X: die Diffusionsdistanz ist.
Der Diffusionskoeffizient D ergibt sich aus der Arrheniusschen Formel der folgenden Gleichung (24), die bei dem Ausführungsbeispiel näherungsweise durch betriebliche Meßdaten repräsentiert wird.
D = exp (a T&supmin;¹ + b), (24)
worin T : die Aufkohlungstemperatur, A: ein Proportinalitätskoeffizient und b: eine Konstante ist.
Dementsprechend läßt sich die Aufkohlungsmenge im Stahlblech nach den Gleichungen (17) oder (21) oder (22) und (23) berechnen. Das bedeutet, daß unter der Voraussetzung einer konstanten Aufkohlungsmenge, wenn die Aufkohlungskonzentration an einem Punkt der gewünschten Verteilung der Kohlenstoffkonzentration herausgegriffen wird, die vorerwähnte Modellformel der Kohlenstoffdiffusion benutzt wird, und daß selbst dann, wenn die Aufkohlungsmenge verschieden ist, wenn die Aufkohlungskonzentration an zwei oder mehr Punkten der gewünschten Verteilung der Kohlenstoffkonzentration herausgegriffen wird. Des weiteren wird, wie oben beschrieben, wenn die Durchlaufgeschwindigkeit durch die Verfahrensbedingungen außer bei der Aufkohlung beschränkt ist, weil die Aufkohlungszeit t auf einen Wert festgelegt ist, der sich durch Teilung der wirksamen Länge L des Aufkohlungsofens durch die Durchlaufgeschwindigkeit LS ergibt, der berechnete Wert bei der Integration der Gleichung (23) über die Aufkohlungszeit angewandt.
Die Fig. 6 zeigt ein Fließbild des Algorithmus zur Bestimmung der Aufkohlungsbedingungen, mit dem die oben erwähnten Rechnungen schrittweise mit Hilfe eines Programms durchgeführt werden, das zuvor im Host-Computer abgespeichert wird. Unter dieser Aufkohlungsbedingung fällt die Spezifikation des Stahlblechs nach dem Aufkohlen, d.h. die Aufkohlungsmenge im Band, die sich aus der gewünschten Verteilung der Kohlenstoffkonzentration ergibt, bei dem Ausführungsbeispiel mit der aus der verringerten Kohlenstoffmenge in der Gasatmosphäre rechnerisch ermittelten Aufkohlungsmenge im Band zusammen.
Zunächst werden in der Stufe S 1 von den festgelegten Bedingungen, die als Spezifikation des Stahlblechs nach dem Aufkohlen vorgegeben sind, die Bedingungen wie die Zusammensetzung der Gasatmosphäre, die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge des einströmenden Gases, die Aufkohlungstemperatur und die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes sowie von dem Stahlblechfaktor und von der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration die Bedingungen wie die Kohlenstoffkonzentration C, in einem ausgewählten Abstand X, von der Bandoberfläche eingelesen. Darüber hinaus wird hier die Bandgeschwindigkeit repräsentiert durch LS, und dies ist ein Parameter, der anschließend modifiziert wird.
Als nächstes werden in der Stufe S 2 aufgrund der Blechspezifikation eine Aufkohlungsmenge ΔC im Stahlblech festgelegt, und eine Kohlenstoffmenge je Zeiteinheit, die das Blech aus dem Aufkohlungsofen austrägt, berechnet.
Alsdann wird in der Stufe S 3 die oben erwähnte Modellformel der Zusammensetzung der Gasatmosphäre aufgrund der in der Stufe S 1 eingelesenen Gasatmosphäre festgelegt.
Sodann wird in der Stufe S 4 in Übereinstimmung mit der Modellformel für die Zusammensetzung der Gasatmosphäre der Stufe S 3 unter Berücksichtung der Konzentration jeder Komponente der Gasatmosphäre die vom Band aus dem Aufkohlungsofen ausgetragene Kohlenstoffmenge berechnet.
In der Stufe S 5 wird dann auf Basis der Gleichung (17) die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion des Stahlbandes berechnet.
In der Stufe S 6 wird schließlich auf Basis der Gleichung (23) die Aufkohlungsgeschwindigkeit im Stahl sowie die Menge des in den Stahl diffundierten Kohlenstoffs berechnet.
Alsdann wird, für den Fall, daß die Zeit für die Aufkohlungsbehandlung abgelaufen ist, die Stufe S 7 verwirklicht, und die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion oder die Menge des je Zeit- und Flächeneinheit diffundierten Kohlenstoffs, rechnerisch ermittelt in der Stufe S 5 oder S 6, über die Behandlungszeit und die gesamte Oberfläche des Stahlbands integriert und die Aufkohlungsmenge ΔC' im Stahlband berechnet.
In der Stufe S 8 wird dann der Absolutwert der Differenz zwischen der festgelegten Aufkohlungsmenge ΔC und der rechnerisch ermittelten Aufkohlungsmenge ΔC' dahingehend geprüft, ob er kleiner ist als ein vorgegebener Wert a oder nicht, und wenn der absolute Differenzwert kleiner ist, geht der vorgegebene Wert a ein in die Stufe S 10 oder, falls nicht, in die Stufe S 9.
In der Stufe S 9 wird auf der Basis der oben erwähnten Aufkohlungsmenge die festgelegte Aufkohlungsmenge aufgrund der folgenden Gleichung (25) korrigiert und gelangt in die Stufe 5 3:
ΔC = ΔC + (ΔC' - ΔC) x b, (25),
worin b : eine Konstante ist.
Dementsprechend findet der Übergang in die Stufes 10 statt, wenn die gesamte aus dem Aufkohlungsofen ausgetragene Kohlenstoffmenge und die gesamte Aufkohlungsmenge einander gleich sind, d.h. wenn der Stoffeintrag und -austrag des Aufkohlungsofens erfüllt sind in die Stufe S 10 über.
In der Stufe S 10 wird der Absolutwert der Differenz zwischen der vorgegebenen Aufkohlungsmenge ΔC&sub0; und der festgelegten Aufkohlungsmenge ΔC dahingehend geprüft, ob er kleiner als ein vorgegebener Wert ist oder nicht, und wenn der Absolutwert der Differenz kleiner ist als der vorgegebene Wert d, findet der Übergang in die Stufe S 12 statt, wenn nicht in die Stufe S 11.
In der Stufe S 11 wird, um die aufgrund der angenommenen Bedingung für die Verteilung der Kohlenstoffkonzentration festgelegte Aufkohlungsmenge zu erhalten, jede einzelne oder auch mehrere Parameter der Strömungsgeschwindigkeit des Gases der Gasatmosphäre, der Zusammensetzung der Gasatmosphäre, der Bandgeschwindigkeit und der Aufkohlungstemperatur geändert und schließt sich die Stufe S 2 an. Hier braucht, wenn die Bandgeschwindigkeit LS korrekt ist, zur Korrektur des Unterschieds zwischen der vorgegebenen Aufkohlungsmenge ΔC&sub0; und der festgelegten Aufkohlungsmenge ΔC lediglich beispielsweise aufgrund der folgenden Gleichung (26) die Bandgeschwindigkeit LS, wenn sie korrigiert werden muß, berechnet zu werden:
LS = LS + (ΔC - ΔC&sub0;) x d', (26),
worin d' : eine Konstante ist.
In der Stufe S 12 wird in Übereinstimmung mit dem in der Stufe S 6 festgelegten Modell der Diffusion im Stahl eine Kohlenstoffkonzentration C'&sub1; in einem gewählten Abstand X, von der Bandoberfläche berechnet.
Alsdann wird in der Stufe S 13 geprüft, ob der Absolutwert der Differenz zwischen der in der Stufe S 1 eingelesenen Kohlenstoffkonzentration C&sub1; im gewählten Abstand X, von der Bandoberfläche und der in der Stufe S 12 berechneten Kohlenstoffkonzentration C'&sub1; im gewählten Abstand X, von der Bandoberfläche geringer als ein vorgegebener Wert e ist oder nicht und, wenn der Absolutwert der Differenz kleiner ist als der vorgegebene Wert, findet der Übergang in die Stufe S 15, und wenn nicht in die Stufe S 14 statt.
In der Stufe S 14 wird, um die aufgrund der Bedigung für die Verteilung der Kohlenstoffkonzentration festgesetzte Aufkohlungsmenge zu erhalten, einer oder mehrere der Parameter der Zusammensetzung der Gasatmosphäre, der Bandtemperatur und der Aufkohlungstemperatur geändert und geht über in die Stufe S 2.
In der Stufe S 15 werden jeder festgelegte Wert der Konzentration der Komponenten der Gasatmosphäre oder der Bandgeschwindigkeit oder der Aufkohlungstemperatur als Ergebnis der vorerwähnten Berechnung in Übereinstimmung mit dem Ziel der Steuerung ausgegeben und gleichzeitig die rechnerisch ermittelten Ergebnisse wie die gesamte Aufkohlungsmenge, die mittlere Aufkohlungsmenge und die Kohlenstoffverteilung etc. ausgegeben. Das Programm ist dann vollständig.
In dem Fließbild der Fig. 6 stellt die Gasgeschwindigkeit bzw. -menge wie oben bereits beschrieben, auf der Seite des Einbringens eine variable Steuergröße für eine Änderung der CO&sub2;- und der H&sub2;O- Konzentration in der Ofenatmosphäre dar. Was die Steuergrößen anbetrifft, sollte die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre ähnlich wie die in den Ofen eingespeiste CO + H&sub2;-Menge dazugehören.
Das Diagramm der Fig. 7 zeigt in Gestalt der ausgezogenen Linie für jede Temperatur die Rußgrenze, die unter Berücksichtigung des Stoffeinbringens und -ausbringens unter betrieblichen Bedingungen, d.h. einer Bandgeschwindigkeit LS von 200 mpm, einer Banddicke D von 0,75 mm, einer Bandbreite von 140 mm und einer Gasmenge von 100 Nm³/h nach dem Programm berechnet wurde. Das Diagramm der Fig. 7 zeigt des weiteren in Gestalt einer unterbrochenen Linie die obere Taupunktgrenze. Des weiteren gibt die strichpunktierte Linie die Rußgrenze wieder, wenn der Stoffeintrag und -austrag nicht berücksichtigt wird, und schließlich kennzeichnet die Schraffierung im Diagramm der Fig. 7 einen betrieblichen Arbeitsbereich für die Aufkohlung.
Im einzelnen zeigt das Diagramm der Fig. 7 mit der Rußgrenze unter Berücksichtigung des Stoffeintrags- und -austrags einerseits im Vergleich mit der Rußbildungsgrenze ohne Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags andererseits, daß sich sowohl die CO- als auch die H&sub2;-Konzentration erhöhen. Somit erhöht sich die Aufkohlungsrate mit zunehmender Konzentration. Auf der anderen Seite ist, folgt man dem Verlauf der Kurven für die Rußgrenze, die CO- und H&sub2;-Konzentration um so größer, je höher die Aufkohlungstemperatur ist. Demgemäß hängt die Wirksamkeit der Aufkohlung insgesamt auch von der Temperatur ab. Umgekehrt ergibt sich, wenn die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes groß ist, daß der Grad der Handlungsfreiheit ebenfalls groß ist und erlaubt, die Ofentemperatur zu erhöhen, soweit die Werkstoffeigenschaften dies erlauben. Auf diese Weise vergrößert sich beim betrieblichen Durchlaufaufkohlen der Bereich zulässiger Bedigungen. Natürlich kommt es auch dann, wenn sich der Betriebszustand an der Rußgrenze ohne Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags befindet, nicht zu einer Rußbildung. Jedoch wird der Grad der Freiheit bei der Wahl der Betriebsbedingungen verringert und der Bereich möglicher Verfahrensbedingungen eingeengt.
Des weiteren zeigt das Diagramm der Fig 8 den Zusammenhang zwischen der nach dem Programm rechnerisch ermittelten Aufkohlungsmenge, d.h. im Falle einer Änderung jeder Steuergröße einerseits und der betrieblich gemessenen Aufkohlungsmenge andererseits. Aus dem Diagramm ergibt sich, daß die rechnerische Aufkohlungsmenge und der tatsächlich gemessene Wert im wesentlichen zusammenfallen. Dies bedeutet, daß die Wahl der Aufkohlungsrate, d.h. die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion, und die Wahl des Temperaturabhängigkeitskoeffizienten korrekt sind. Des weiteren zeigt sich, daß sich, soweit die Wahl der Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion korrekt ist, das erfindungsgemäße Durchlaufaufkohlen in einem weiten Bereich einsetzen läßt, in dem die Aufkohlungsgeschwindigkeit der Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion folgt, die größer als die Diffusionsgeschwindigkeit ist.
Des weiteren werden unter Zugrundelegung des Diagramms der Fig. 9 konkrete, nach dem Programm berechnete Rechenbeispiele der Steuergrößen für die Aufkohlungsmenge des näheren erläutert.
Hierbei wurden, ausgehend von den in der Stufe S 1 eingelesenen Blecheigenschaften, beispielsweise der Blechdicke, in der Stufe S 2 als Zielvorstellung die vorgegebene Aufkohlungsmenge, wie sich aus Fig. 9 ergibt, und gleichzeitig der Toleranzbereich der Blechdicke ermittelt. Des weiteren wurde in der Stufe S 1 die vorgesehene Aufkohlungstemperatur aufgrund der Werkstoffeigenschaften des Stahlblechs ermittelt.
Dementsprechend wurden in den Stufen S 3 und S 4 die CO- und die H&sub2;-Konzentration als Bedingungen für die Gasatmosphäre zur Unterdrückung einer Rußbildung festgelegt.
Unter der Annahme, daß in der Praxis die Steuergenauigkeit der Konzentration der Gaskomponenten + 0,3% ist, wurden entsprechend den Gleichungen (17) bis (23) in den Stufen S 3 bis S 11, wie das Diagramm der Fig. 9 veranschaulicht, die angestrebte Aufkohlungszeit sowie gleichzeitig der Toleranzbereich für Abweichungen der Aufkohlungszeit ermittelt.
Sodann wurde mit Bezug auf die Länge der Aufkohlungszone, da die Durchlaufgeschwindigkeit sich wie folgt ergibt:
Bandgeschwindigkeit = Länge der Aufkohlungszone im Ofen/Aufkohlungszeit
in der Stufe S 12 die vorgesehene Bandgeschwindigkeit und ihr Toleranzbereich ermittelt sowie ausgegeben.
Auf diese Weise wurde zum Zeitpunkt der Ermittlung der Aufkohlungsmenge und der Zusammensetzung der Gasatmosphäre in der Schleife der Stufen S 10 und S 11 die Aufkohlungszeit (Bandgeschwindigkeit) ermittelt.
Wie oben beschrieben, ist es nach der Erfindung in dem Bereich mit der von der Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion bestimmten Aufkohlungsgeschwindigkeit möglich, die von den Blecheigenschaften her verlangten verschiedenen Aufkohlungsbedingungen für die notwendige Aufkohlungsmenge hinsichtlich der gesamten Verfahrensbedingungen zu optimieren und die Steuermaßnahmen vollständig zu automatisieren, die bei herkömmlichen Verfahren auf Versuchen basieren.
Des weiteren werden anhand des Diagramms der Fig. 10 für den Fall einer durch die Verfahrensbedingungen mit Ausnahme der Aufkohlung begrenzten Bandgeschwindigkeit die nach dem Programm berechneten Rechenbeispiele der Steuergrößen für die Aufkohlungsmenge des näheren erläutert.
Hierbei wurden beispielsweise aufgrund der in der Stufe S 1 eingelesenen Blecheigenschaften wie die Blechdicke oder dergleichen in der Stufe S 2 als Zielvorgabe die vorgegebene Aufkohlungsmenge bestimmt. Außerdem wurde in der Stufe S 1 auf der Basis der Werkstoffeigenschaften des Stahlblechs die Aufkohlungstemperatur als Zielgröße ermittelt. Des weiteren wurde die Aufkohlungszeit in der Weise errechnet, daß die für die Aufkohlung wirksame Ofenlänge durch die Bandgeschwindigkeit dividiert wurde.
Als nächstes wurden in den Stufen S 3 und 5 4 die oberen Grenzen für die CO- und die H&sub2;-Konzentration als Bedingungen der Gasatmosphäre zur Unterdrückung einer Rußbildung ermittelt.
Im Gegensatz dazu wurden in den Stufen S 3 bis S 9 des Fließbildes die Formel für die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion und die Modellformel für die Diffusion im Stahl ermittelt und aufgrund dieser Formeln die CO-, die H&sub2;-, die CO&sub2;- und H&sub2;O-Konzentration ermittelt, die erforderlich sind, um die erforderliche Aufkohlungsmenge zu erreichen.
Dementsprechend wird, wie das Diagramm der Fig. 10 zeigt, die Zusammensetzung der Gasatmosphäre beispielsweise so gesteuert, daß sich die CO-Konzentration in der Gasatmosphäre erhöht, wenn sich die vorgegebene Aufkohlungsmenge vergrößert, während im Falle einer geringeren vorgegebenen Aufkohlungsmenge oder einer Erhöhung der Aufkohlungszeit die Gasatmosphäre so gesteuert wird, daß sich beispielsweise die CO-Konzentration in der Gasatmosphäre verringert.
In dieser Hinsicht können als Möglichkeit die Zusammensetzung des den Aufkohlungsofen verlassenden Gases bei der Aufkohlungstemperatur beispielsweise hinsichtlich der CO + H&sub2;-Konzentration, das Verhältnis der CO-Menge und der H&sub2;-Menge in dem in den Aufkohlungsofen eingespeisten Gas sowie bezüglich der CO&sub2;- und der H&sub2;O-Konzentrationen die Gesamtmenge des Gases geändert werden.
Wie oben bereits beschrieben, erlaubt es die Erfindung, auch im Falle einer gegebenen Beschränkung der Bandgeschwindigkeit die verschiedenen, aus den Blecheigenschaften sich ergebenden Bedingungen für die Aufkohlungsmenge unter Berücksichtigung aller Verfahrensbedingungen zu optimieren. Demgemäß besteht die Möglichkeit, die bei herkömmlichen Verfahren auf Versuchen basierenden Steuermaßnahmen zu optimieren.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Diagramme der Fig. 11 bis 13 Rechenbeispiele erläutert, bei denen die gewünschte Verteilung der Kohlenstoffkonzentration im Feinblech mit Hilfe der Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion auf Basis des Fickschen Gesetzes berechnet wurde. Entsprechend dem Algorithmus der Fig. 6 wurde die Aufkohlungsmenge je Flächeneinheit im Wege einer Integration der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Blechdicke ermittelt und die Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion aus der gewünschten Verteilung der Kohlenstoffkonzentration unter der einschränkenden Bedingung abgeleitet, der Aufkohlungsmenge zu genügen. Sodann wurden ein Toleranzbereich für einen Zielwert bei jedem Punkt in Richtung der Blechdicke sowie die Aufkohlungstemperatur und die Aufkohlungszeit ermittelt, bei denen es sich um Parameter der Modellformel handelt, die so gewählt wurden, daß sich das aufgrund der Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion berechnete Konzentrationsprofil der Aufkohlung innerhalb des Toleranzbereichs befindet.
Innerhalb der Konzentrationsverteilung des Diagramms der Fig. 11 gibt es jedoch eine Kulmination bei einem Abstand von 10 bis 50 µm von der Bandoberfläche, von der aus die Kohlenstoffkonzentration bis zu einem Abstand von 250 µm kontinuierlich abnimmt. Der Grund hierfür liegt darin, daß ursprünglich an einem Punkt in unmittelbarer Nähe der Bandoberfläche mit der höchsten Aufkohlungskonzentration die Entkohlung beim Abkühlen im Anschluß an die Ofendichtung voranschreitet. Demgemäß braucht, um den Verlauf der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Übereinstimmung mit der Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion zu bringen, lediglich die Kohlenstoffkonzentration an zwei oder mehr Punkten in Gestalt der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration im Abstandsbereich von 10 bis 250 µm festgelegt zu werden. Vorzugsweise wird, um den Kulminationspunkt der Kohlenstoffkonzentration zu erreichen, die Kohlenstoffkonzentration an einem Punkt im Abstandsbereich von 10 bis 50 µm und an einem anderen Punkt im Abstandsbereich von 10 bis 250 µm festgelegt. Im Falle einer konstanten Aufkohlungsmenge kann die Modellformel für die Kohlenstoffdiffusion direkt oder einmalig festgelegt werden, wenn die Kohlenstoffkonzentration an nur einem Punkt unter Bedingungen festgelegt wird, daß verschiedene Bedingungen wie die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion sowie die Aufkohlungstemperatur und -zeit und dergleichen festgelegt werden.
Das Diagramm der Fig. 11 gibt unter den Aufkohlungs bedingungen, daß die Aufkohlungszeit (Behandlungszeit in Sekunden) t&sub1;, t&sub2;, t&sub3; und die CO- Konzentration (%) a&sub1;, a&sub2;, a&sub3; sowie die H&sub2;-Konzentration b&sub1;, b&sub2;, b&sub3; ist und die Aufkohlungstemperatur T (ºC) konstant ist, den Zusammenhang zwischen dem Abstand von der Bandoberfläche, d.h. der Aufkohlungstiefe (µm), und der Kohlenstoffkonzentration im Stahl (Aufkohlung in ppm) in Gestalt der Kurve sowie die betrieblichen Meßwerte wieder. In diesem Falle ist jedoch die Aufkohlungszeit t&sub1; = t&sub2; ≠ t&sub3; und die CO-Konzentration a, = a&sub3; ≠ a&sub2; sowie die H&sub2;- Konzentration b, = b&sub2; = b&sub3;. Im Zusammenhang mit dem Diagramm der Fig. 11 wurde bei der Ermittlung der Meßwerte für die Kohlenstoffkonzentration eine Probe in Flußsäure gelegt, um die Oberfläche aufzulösen und die Menge des in fester Lösung befindlichen Kohlenstoffs aus dem Gewichtsverhältnis zwischen der Menge des Kohlenstoffs und der Menge des Eisens zu errechnen, die innerhalb einer vorgegebenen Zeit aufgelöst wurden. Sie könnte auch durch Messen der Tiefe eines speziellen Gefüges des Stahls abgeschätzt werden, das durch die Kohlenstoffkonzentration (in Abhängigkeit davon) bestimmt wird.
Als nächstes zeigt das Diagramm der Fig. 12 die Ergebnisse von Versuchen bezüglich des Einflusses der Aufkohlungszeit auf die Modellformel für die Diffusion im Stahl. Die Versuche wurden unter der Bedingung durchgeführt, daß die Aufkohlungszeit T (ºC) und die gesamte Aufkohlungsmenge ΔC (ppm) konstant sind. Die ausgezogene Kurve in dem Diagramm betrifft den Fall, daß die Aufkohlung unter der Bedingung stattfand, daß die CO-Konzentration (%) a&sub4;, die H&sub2;- Konzentration (%) b&sub4; und die Aufkohlungszeit (Behandlungszeit in Sekunden) t&sub4; betrug, während die gestrichelte Kurve den Fall betrifft, daß die CO- Konzentration (%) a&sub5;, die H&sub2;-Konzentration (%) b&sub5; und die Aufkohlungszeit (Behandlungszeit in Sekunden) t&sub5; betrug. In diesem Falle waren jedoch die Aufkohlungszeit t&sub5; ≠ 3 t&sub4;,, die CO-Konzentration a&sub4; > a&sub5; und die H&sub2;-Konzentration b&sub4; > b&sub5;. Wie bereits erwähnt, ist die Aufkohlungsgeschwindigkeit umso größer, je höher die CO-Konzentration und die H&sub2;- Konzentration sind. Des weiteren ist die Aufkohlungsmenge im Inneren der Randzone umso größer, je länger die Aufkohlung dauert. Dementsprechend ergibt sich aus dem Diagramm der Fig. 12, daß, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Gradient der Kohlenstoffkonzentration im inneren Teil der Randzone aufgrund einer Erhöhung der Kohlenstoffkonzentration nur im oberflächennahen Teil der Randzone steiler verlaufen soll, lediglich die Aufkohlungszeit im Wege einer Erhöhung der Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion (Erhöhung des Aufkohlungsvermögens) verringert zu werden braucht und umgekehrt, wenn es darum geht, den Gradient der Kohlenstoffkonzentration zwischen dem inneren Teil der Randzone und deren oberflächennahem Teil mit Hilfe einer Erhöhung der Kohlenstoffkonzentration im Blech insgesamt abzuflachen, lediglich die Aufkohlungszeit im Wege einer Verringerung der Geschwindigkeit der Aufkohlungsreaktion (Verringerung des Aufkohlungsvermögens) erhöht zu werden braucht.
Als nächstes wird anhand des Diagramms der Fig. 13 die Möglichkeit aufgezeigt, die Verteilung der Kohlenstoffkonzentration bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Hilfe einer Steuerung der Bandtemperatur nach dem Aufkohlen, insbesondere mit Hilfe der Abkühlungsgeschwindigkeit zu steuern. In dem Diagramm der Fig. 13 betrifft der Verlauf der ausgezogenen Kurve unter der Voraussetzung, daß die Aufkohlungstemperatur T (ºC), die Aufkohlungszeit t (sec), die CO-Konzentration a&sub6; (%) und die H&sub2;-Konzentration b&sub6; (%) konstant sind, den Fall, daß die Abkühlung mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von T, (ºC/s) geschieht, und die gestrichelte Kurve den Fall, daß die Abkühlung mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von ΔT&sub2; (ºC/s) und die Abkühlungsgeschwindigkeiten in der Beziehung: ΔT&sub1; < ΔT&sub2; stehen. Wie sich aus dem Diagramm der Fig. 13 ergibt, erhöht sich, weil die Diffusion des gelösten Kohlenstoffs in das Blechinnere angesichts der höheren Abkühlungsgeschwindigkeit abrupt unterbrochen wird, lediglich die Kohlenstoffkonzentration in dem oberflächennahen Teil der Randzone und wird der Gradient der Kohlenstoffkonzentration im inneren Teil der Randzone steiler. Umgekehrt ist bei geringerer Abkühlungsgeschwindigkeit wegen der Diffusion des gelösten Kohlenstoffs nach innen die Kohlenstoffkonzentration im oberflächennahen Teil der Randzone gering und der Gradient der Kohlenstoffkonzentration im inneren Teil der Randzone flacher.
Dieses Beispiel steht dem Fall gegenüber, daß das aufgekohlte Band in der ersten Abkühlungszone rasch abgekühlt und die Kohlenstoffdiffusion beendet wird. Die Erfindung erlaubt jedoch, den Zustand der Kohlenstoffdiffusion durch ein Glühen, Ausgleichsglühen und Abkühlen des Bandes nach der Aufkohlung zu manipulieren. Anstelle oder zusätzlich zu der ersten Abkühlungszone kann daher auch eine temperaturgesteuerte Zone zur Anwendung kommen.
Des weiteren wird bei diesem Ausführungsbeispiel, wie im einzelnen beschrieben, anders als in dem Fall, daß unter Anwendung des Algorithmus der Fig. 6 unter der Bedingung, daß die Aufkohlungstemperatur aufgrund der Werkstoffeigenschaften und die CO-Konzentration sowie die H&sub2;-Konzentration unter Berücksichtigung der Rußgrenze vorgegeben sind, die Aufkohlungszeit (Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes) zuletzt geändert, um eine vorgegebene Kohlenstoffmenge zu erreichen. Und in dem Fall, daß bei Anwendung des Algorithmus der Fig. 6 unter der Bedingung, daß die oberen Grenzen für die Aufkohlungstemperatur und die Aufkohlungszeit aufgrund der Bedingungen für die Verteilung der Kohlenstoffkonzentration und die oberen Grenzen für die CO-Konzentration und die H&sub2;- Konzentration aufgrund des Verlaufs der Rußgrenze gewählt wurden, werden die Aufkohlungszeit (Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes) und die Zusammensetzung der Gasatmosphäre zuletzt geändert, um eine vorgegebene Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke und eine vorgegebene Aufkohlungsmenge zu erreichen; und für den Fall, daß bei Anwendung des Algorithmus der Fig. 6 unter der Bedingung, daß die Aufkohlungszeit bestimmt wird auf Basis der von den Verfahrensbedingungen mit Ausnahme der Aufkohlung bestimmten Bandgeschwindigkeit und die Aufkohlungszeit aufgrund der Werkstoffeigenschaften festgelegt werden, wird zuletzt die Zusammensetzung der Gasatmosphäre geändert, um eine vorgegebene Kohlenstoffmenge zu erreichen. Einschließlich der vorerwähnten Fälle sind als Beispiele für die oben erwähnten Steuergrößen zusätzlich noch die folgenden Steuergrößen in Betracht zu ziehen:
1) Bei konstanter Zusammensetzung der Gasatmosphäre werden die Aufkohlungstemperatur und/oder die Aufkohlungszeit geändert.
2) Bei konstanter Aufkohlungstemperatur werden der CO-Partialdruck oder der H&sub2;-Partialdruck oder die Partialdrücke des Kohlenmonoxids und des Wasserstoffs in der Gasatmosphäre sowie die Aufkohlungszeit einzeln oder gemeinsam geändert.
3) Bei konstanter Aufkohlungszeit werden der CO-Partialdruck oder der H&sub2;-Partialdruck oder die Partialdrücke von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in der Gasatmosphäre sowie die Aufkohlungstemperatur einzeln oder gemeinsam geändert.
4) Sämtliche Steuergrößen werden einzeln oder gleichzeitig geändert.
Die Wahl der Steuergrößen ist nicht auf irgendeine beschränkt. Vielmehr können sämtliche Steuergrößen in jedem Falle benutzt werden.
Anders als in dem beschriebenen Fall, daß die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion unter Berücksichtigung des Einflusses von CO, H&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O berechnet wurde, läßt sich die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion auch unter Berücksichtigung des vom Äthan (bi-carbon hydride) ausgehenden Einflusses berechnen.
Im vorliegenden Falle wurde der Gleichgewichtszustand durch Linearisierung der thermodynamischen Modellformel unter Berücksichtigung des Stoffeintrags und -austrags und Konvergieren ihrer Lösungen berechnet. Die Rechenmethoden sind hierauf jedoch nicht beschränkt.
Des weiteren wurde die Erfindung im einzelnen lediglich für den Fall beschrieben, daß in dem von der Oberflächenreaktion bestimmten Bereich ein Band aus einem ELC-Stahl kontinuierlich aufgekohlt und geglüht wurde. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für andere reaktionsbestimmte Bereiche oder den Fall, daß lediglich eine Aufkohlung erforderlich ist oder andere Bandqualitäten aufgekohlt werden sollen.

Claims

1. Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen eines Stahlbands in einem Durchlaufofen mit einer im wesentlichen Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff einzeln oder nebeneinander enthaltenden Atmosphäre, bei dem eine Rußbildung mittels eines von der CO/CO&sub2;-Konzentration und der Stahltemperatur abhängigen Ruß-Grenzwerts unterdrückt und die Strömungsgeschwindigkeit des in den Aufkohlungsofen eingespeisten Gases eingestellt wird sowie

(a) die gesamte Aufkohlungsmenge aufgrund der Formel für die Geschwindigkeit (V) der Aufkohlungsreaktion an der Oberfläche

V = k&sub1; f&sub1;(pCO, pH&sub2;&sub7; θo) x α f&sub3;(pCO, pCO&sub2;), oder

V = k&sub1; f&sub1;(pCO, pH&sub2;, θo) -k&sub2; f&sub2;(pCO&sub2;, pH&sub2;O),

wobei α eine Konstante, k&sub1;, k&sub2; Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten, pCO der Partialdruck des Kohlenmonoxyds, pCO&sub2; der Partialdruck des Kohlendioxyds, pH&sub2; der Partialdruck des Wasserstoffs und θo die Überzugsgeschwindigkeit des absorbierten Sauerstoffs ist, sowie auf der Basis der folgenden Modellformel für die Kohlenstoff-Diffusion im Stahl:

dC/dt = D d²C/dx²,

berechnet wird, wobei C die Kohlenstoffkonzentration im Stahl, t die Zeit, D der Diffusionskoeffizient und X die Diffusionsstrecke sind und

(b) geeignete Bereiche für die Aufkohlungstemperatur, die jeweilige Konzentration des CO, H&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O in der Aufkohlungsatmosphäre sowie die Aufkohlungszeit gewählt werden, so daß die Aufkohlungsmenge der Zielmenge entspricht, und

(c) während des Aufkohlens des Bandes die Aufkohlungstemperatur, die jeweilige Konzentration des CO, H&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O in der Aufkohlungsatmosphäre sowie die Aufkohlungszeit innerhalb der Grenzen gemäß (b) eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich dem Verfahrensschritt (b) zunächst ein weiterer Verfahrensschritt anschließt, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, die CO-Konzentration und die H&sub2;-Konzentration im Gas innerhalb des nach (b) geeigneten Bereichs für CO, H&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O so eingestellt werden, daß die rechnerische Konzentration für CO, H&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O in der Aufkohlungsatmosphäre

1. einer durch die Formeln:

Wgi = Wsc + Wgo

Wsc = &epsi;(V, t, w, LS)

ausgedrückten Kohlenstoff-Bilanz genügt, wobei Wgi die Kohlenstoff-Menge in dem in den Ofen eingespeisten Gas, Wsc mit dem Band ausgetragene Kohlenstoffmenge, Wgo die im Ofenabgas enthaltene Kohlenstoffmenge, V die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion, t die Aufkohlungszeit, w die Bandbreite und LS die Bandgeschwindigkeit ist, und

2. die Gibbssche freie Energie entsprechend der Formel:

unter der Bedingung, daß die Menge an freiem Kohlenstoff (kondensiertem Kohlenstoff) bei einer gegebenen Temperatur Null ist, minimiert wird, wobei n die Zahl der einzelnen Gase und p die Zahl der einzelnen Kondensationen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Bandtemperatur und/oder die Zusammensetzung des Gases als Steuerungsvariable dienen und die Steuerungsvariablen Gaszusammensetzung und/oder Bandtemperatur auf der Basis einer Prognose-Formel eingestellt werden, die vorab festgesetzt wird, um eine Ziel-Aufkohlungsmenge in einer bestimmten Aufkohlungszeit zu erreichen, die von der durch eine andere Verfahrensbedingung als die Aufkohlung begrenzten Durchlaufgeschwindigkeit abhängig ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Verteilung der Kohlenstoffkonzentration, die Kohlenstoffkonzentrationen mindestens eines Punktes in einem Tiefenbereich von 10 bis 250 µm der Randzone des Bandes oder das durch die Kohlenstoffkonzentration bestimmte Metallgefüge als Ziele dienen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem eine Temperatursteuerung des Bandes nach dem Gasaufkohlen zum Einstellen der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke stattfindet.

6. Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen von Stahlband in einem Durchlaufofen, bei dem Variable mit Hilfe eines Computers auf der Basis von Ausgangs-Bedingungen einer Spezifikation des Bandes im aufgekohlten Zustand berechnet und die Variablen eingestellt werden, um eine Ziel-Kohlenstoffmenge zu erreichen, bei der eine Rußbildung mit Hilfe eines von der CO/CO&sub2;-Konzentration und der Stahltemperatur abhängigen Ruß-Grenzwerts sowie durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit jeder Gaskomponente unterdrückt wird, wobei

(a) eine Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo), die Gaszusammensetzung, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, die Aufkohlungstemperatur, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes (LS) und die Abmessungen des Stahlbandes als Input Bedingungen dienen;

(b) die Konzentration jeder Gaskomponente berechnet wird, bei der eine Rußunterdrückung gewährleistet ist, und die gesamte Gibbssche freie Energie (F(x)), die sich bei der Anwendung der Konzentration jeder Komponente des Gases als Variable ergibt, unter der Bedingung ein Minimum annimmt, daß die Kohlenstoffmenge in dem in den Ofen eingeleiteten Gas und die Menge des beim Aufkohlen des Bandes entstehenden Kohlenstoffs konstant sind;

(c) die Oberflächen-Reaktionsgeschwindigkeit mit Hilfe der Formel:

V = k&sub1; f&sub1;(pCO, pH&sub2;, θo) X α f&sub3;(pCO, pCO&sub2;), oder

V = k&sub1; f&sub1;(pCO, pH&sub2;, θo) -k&sub2; f&sub2;(pCO&sub2;, pH&sub2;O),

berechnet wird, wobei α eine Konstante, k&sub1;, k&sub2; Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten sind, die sich mit Hilfe der Gleichung:

ki = Ai exp(-Ei/RT)

bestimmten lassen, in der Ai der Frequenzfaktor, Ei die Aktivierungsenergie, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur ist, und die Formeln als Parameter den Kohlenmonoxid- Partialdruck und den Wasserstoff-Partialdruck sowie zusätzlich den CO&sub2;-Partialdruck und den H&sub2;O-Partialdruck unter der Voraussetzung einschließen, daß die Aufkohlungsmenge innerhalb des von der Oberflächenreaktion regierten Bereichs eingestellt wird, in dem die Kohlenstoff-Konzentration des Bandes in seiner Randzone unterhalb der Konzentration liegt, bei der sie ihr Gleichgewicht mit dem Gas erreicht, sowie darüber hinaus eine Störung der Aufkohlungsreaktion durch beim Aufkohlen entstehendes CO&sub2; und H&sub2; berücksichtigt wird,

(d) die Aufkohlungsmenge (ΔC') des Bandes durch Integration über die Aufkohlungszeit und die Gesamtfläche des Bandes sowie - jeweils gemäß (c) berechneten - die Oberflächen-Reaktionsgeschwindigkeit (V) je Zeiteinheit und die Flächeneinheit;

(e) die Aufkohlungsmenge (ΔC') gemäß (d) mit der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) verglichen und die Zusammensetzung des Gases, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes und die Aufkohlungstemperatur einzeln oder nebeneinander geändert werden, jeweils berechnet oder vorgegeben, um die Verfahrensschritte gemäß (b) bis (d) zu wiederholen, wenn die Differenz zwischen der rechnerischen Aufkohlungsmenge (ΔC') und der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) nicht geringer ist als ein vorgegebener Wert;

(f) die Konzentration jeder Gaskomponente, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes und die Aufkohlungstemperatur, jeweils berechnet oder gewählt, benutzt werden, wenn die Differenz zwischen der berechneten Aufkohlungsmenge (ΔC') und der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) geringer ist als der vorgegebene Wert; sowie

(g) aufgrund der Ergebnisse gemäß (f) die Ofentemperatur auf einen Wert von 700 bis 950ºC, die Kohlenmonoxid-Konzentration auf einen Wert von über 0% bis höchstens 22%, die Wasserstoffkonzentration auf einen Wert von 0 bis 30% als Bedingungen für die Gaszusammensetzung und die Ofentemperatur eingestellt werden, bei denen es zu keiner Rußbildung im Ofen kommt.

7. Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen von Stahlband in einem Durchlaufofen, bei dem Variable mit Hilfe eines Computers auf der Basis von durch eine Spezifikation des Bandes im aufgekohlten Zustand gegebenen Eingaben berechnet und die Variablen im Hinblick auf eine Ziel-Aufkohlungsmenge und eine bestimmte Verteilung der Kohlenstoffkonzentration über die Banddicke eingestellt und eine Rußbildung mit Hilfe eines Ruß-Grenzwerts entsprechend der CO/CO&sub2;- Konzentration und der Stahltemperatur sowie durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit jeder in den Ofen eingeleiteten Gaskomponente unterdrückt wird,

(a) eine Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo), die Kohlenstoff-Konzentration (C&sub1;) bei einer bestimmten Tiefe (x,) ausgehend von der Oberfläche des Bandes, die Zusammensetzung und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, die Aufkohlungstemperatur, die Bandgeschwindigkeit (LS) und die Größe des Bandes eingegeben werden;

(b) die Konzentration jeder Gaskomponente, bei der eine Rußbildung unterdrückt wird, und die gesamte Gibbs'sche freie Energie (F(x)), wie sie sich bei der Benutzung der Konzentration jeder Komponente des Gases als Variable ergibt, unter der Bedingung ein Minimum annimmt, daß die Menge des Kohlenstoffs in dem Gas und die Menge des beim Aufkohlen des Bandes aufgenommenen Kohlenstoffs konstant sind;

(c) die Diffusionsgeschwindigkeit eines Kohlenstoffs in fester Lösung im Stahlband (d.h. die Aufkohlungsgeschwindigkeit) entsprechend der Modellformel für die Kohlenstoff-Diffusion im Stahl:

dC/dt = D d²C/dx²

berechnet wird, wobei C die Kohlenstoff-Konzentration im Stahl, t die Zeit, D der Diffusionskoeffizient und X die Diffusionsstrecke ist und sich eine Kohlenstoff-Diffusionsmenge für die Diffusion in das Band ergibt;

(d) eine Aufkohlungsmenge (ΔC') im Stahlband durch Integration über die Aufkohlungszeit, die Gesamtfläche des Stahlbandes und - jeweils gemäß (c) berechnet - die diffundierte Kohlenstoffmenge im Stahlband je Zeit- sowie die Flächeneinheit berechnet wird;

(e) die Aufkohlungsmenge (ΔC') gemäß (d) mit der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) verglichen und die Zusammensetzung des Gases, die Bandgeschwindigkeit und die Aufkohlungstemperatur, jeweils berechnet oder gewählt, einzeln oder nebeneinander geändert werden, um die Verfahrensschritte gemäß (b) bis (d) zu wiederholen, wenn die Differenz zwischen der rechnerischen Aufkohlungsmenge (ΔC') und der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔCo) nicht geringer ist als eine vorgegebene Menge;

(f) die Kohlenstoff-Konzentration (C'&sub1;) bei einer bestimmten Aufkohlungstiefe (X&sub1;), bezogen auf die Bandoberfläche, nach der Modeliformel der Kohlenstoff-Diffusion im Stahl:

dC/dt = D d²c/dx²

berechnet wird, wenn die Differenz zwischen der rechnerischen Aufkohlungsmenge (ΔC') und der Ziel-Aufkohlungsmenge (ΔC&sub0;) geringer als ein vorgegebener Wert ist;

(g) die Kohlenstoff-Konzentration (C'&sub1;) bei einer gemäß (f) berechneten bestimmten Aufkohlungstiefe (X&sub1;) mit der Ziel-Kohlenstoff-Konzentration (C&sub1;) bei der gemäß (a) eingegebenen Tiefe (X&sub1;) verglichen wird und die Zusammensetzung des Gases, die Band-Durchlaufgeschwindigkeit, die Aufkohlungstemperatur, jeweils berechnet oder gewählt, einzeln oder nebeneinander geändert und die Verfahrensschritte (b) bis (f) wiederholt werden, wenn die Differenz zwischen der rechnerischen Kohlenstoff-Konzentration (C'&sub1;) und der Ziel-Kohlenstoff-Konzentration (C&sub1;) nicht geringer ist als ein vorgegebener Wert, und die Zusammensetzung des Gases, die Bandgeschwindigkeit, die Aufkohlungstemperatur und die Verteilung der Aufkohlungskonzentration von der Oberfläche benutzt werden, wenn die Differenz geringer als der vorgegebene Wert ist; und

(h) auf der Basis des Ergebnisses gemäß (g) die Ofentemperatur auf einen Wert von 700 bis 950ºC, die Kohlenmonoxid-Konzentration auf einen Wert von über 0 bis höchstens 22% und die Wasserstoff-Konzentration auf einen Wert von bis 30% als Bedingungen für die Zusammensetzung des Gases und die Ofentemperatur eingestellt werden, bei der es nicht zu einer Rußbildung innerhalb des Ofens kommt, und die Kohlenstoffkonzentration mindestens an einem Punkt in einer Tiefe von 10 bis 250 µm in der Randzone auf eine bestimmte Kohlenstoffkonzentration entsprechend der Verteilung der Kohlenstoffkonzentration in Richtung der Banddicke eingestellt wird.

8. Verfahren zum kontinuierlichen Aufkohlen eines Stahlbandes nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei dem ein Aufkohlungsofen Teil eines Durchlaufglühofens ist.