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WO2012103563A1 - Verfahren zum kontrollieren einer schutzgasatmosphäre in einer schutzgaskammer zur behandlung eines metallbandes - Google Patents

Verfahren zum kontrollieren einer schutzgasatmosphäre in einer schutzgaskammer zur behandlung eines metallbandes Download PDF

Info

Publication number
WO2012103563A1
WO2012103563A1 PCT/AT2012/000013 AT2012000013W WO2012103563A1 WO 2012103563 A1 WO2012103563 A1 WO 2012103563A1 AT 2012000013 W AT2012000013 W AT 2012000013W WO 2012103563 A1 WO2012103563 A1 WO 2012103563A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
chamber
protective gas
pressure
gas
sealing
Prior art date
Application number
PCT/AT2012/000013
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin HAMMAN
Jerome VALLEE
Original Assignee
Andritz Technology And Asset Management Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to CA2825855A priority Critical patent/CA2825855C/en
Priority to ES12715806.1T priority patent/ES2531482T3/es
Priority to CN201280007304.XA priority patent/CN103380346B/zh
Priority to EP12715806.1A priority patent/EP2671035B1/de
Priority to JP2013552060A priority patent/JP6061400B2/ja
Priority to RU2013138601/02A priority patent/RU2592653C2/ru
Application filed by Andritz Technology And Asset Management Gmbh filed Critical Andritz Technology And Asset Management Gmbh
Priority to PL12715806T priority patent/PL2671035T3/pl
Priority to KR1020137022825A priority patent/KR101807344B1/ko
Priority to BR112013019485-5A priority patent/BR112013019485B1/pt
Priority to US13/982,348 priority patent/US8893402B2/en
Publication of WO2012103563A1 publication Critical patent/WO2012103563A1/de
Priority to ZA2013/06439A priority patent/ZA201306439B/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B21/00—Arrangements or duct systems, e.g. in combination with pallet boxes, for supplying and controlling air or gases for drying solid materials or objects
    • F26B21/003—Supply-air or gas filters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/54—Furnaces for treating strips or wire
    • C21D9/56—Continuous furnaces for strip or wire
    • C21D9/561—Continuous furnaces for strip or wire with a controlled atmosphere or vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/28—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity for treating continuous lengths of work
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/30—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
    • F27B9/40—Arrangements of controlling or monitoring devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material

Definitions

  • the subject of this invention is a method for controlling the atmosphere in a protective gas chamber for the continuous treatment of metal strips, wherein the metal strip via locks in and out of the
  • Protective gas chamber is guided and wherein at least one of the locks has two or more sealing elements for the passing metal strip, so that forms at least one sealing chamber between the sealing elements.
  • the tape is protected against oxidation by using a reducing atmosphere of a nitrogen-hydrogen mixture.
  • Rapid cooling range (jet cooling section) a high hydrogen content (15 to 80% H2) im) and in the remaining furnace area a low hydrogen content ( ⁇ 5% H2) required.
  • the furnace must be sealed against the environment and against other aggregates by appropriate locks.
  • the gas flow between different furnace chambers or between a furnace chamber and the environment is caused by the following factors: a. ) Imbalance of the atmosphere gas flows (inlet / outlet): The quantity of gas injected into a certain chamber does not correspond to the quantity of gas taken from the same chamber
  • single seals are used, which are formed by a pair of metallic sealing rolls, or a pair of sealing flaps, or a combination of a sealing flap and a sealing roll.
  • the metal strip is then fed through the nip / flap gap into the furnace.
  • Such sealing locks are used, for example, in continuous annealing plants and in continuous galvanizing plants in order to achieve a separation between the furnace atmosphere and the outside area (inlet seals or spout nozzle seal) and between two different combustion chambers.
  • a combustion chamber with direct firing and the second combustion chamber can be heated by means of jet blasting.
  • the combustion of products of combustion from a direct firing furnace into a blast furnace heated furnace is prohibited, but larger amounts of gas may flow in the opposite direction.
  • a discharge of exhaust gases from the directly fired furnace is prohibited to the outside, but a certain air flow from the environment is allowed in the oven.
  • furnace chambers fired with lance tubes avoid the entry of air, allowing a certain amount of inert gas to escape from the furnace into the environment. The same applies to the trunk area when the zinc pot is removed.
  • the gas flow rate between two furnace chambers through conventional gates is zero and in one direction
  • the composition of the atmosphere gas can not be controlled precisely because unavoidable pressure fluctuations in both chambers would cause an alternating atmosphere gas flow in one direction or the other.
  • a conventional double seal with injection of a constant amount of nitrogen is also sensitive to the pressure fluctuations in the combustion chambers.
  • the chemical composition of the atmosphere gas in the combustion chambers can not be precisely controlled because the injected
  • the inlet seal usually consists of a pair of sealing rolls of metal and a series of curtains.
  • Atmospheric separation within the furnace is normally accomplished by a simple opening in a chamotte wall and the exit seal consists of either soft-coated rolls (hypalon or elastomer) or refractory fibers.
  • Such a sealing system has the disadvantage that in the inlet seal a permanent leakage of hydrogen-containing atmosphere gas through the nip (1 to 2 mm) takes place. This gas is constantly burning.
  • the inner seal leads to a poor separation performance due to the opening size (100 to 150 mm) and the outlet seal can not be used at high temperature> 200 ° C.
  • the object of the invention is to provide a control method for the control of the gas flow through the lock, which ensures a high degree of atmospheric gas separation and reduces the atmospheric gas consumption.
  • This object is achieved by a control method in which the gas pressure in at least one protective gas chamber and in the sealing chamber of the lock is measured and in which the pressure in the sealing chamber is controlled in such a way that during operation of the differential pressure (APoichtung) between the
  • Protection gas chamber and the sealing chamber (ichtung AP D, k) largely above or below a predetermined value for the critical differential pressure is maintained.
  • the critical differential pressure is the value at which the gas flow between protective gas chamber and lock reverses. At the critical differential pressure (AP DiC htung, k) there should be no gas flow between the
  • differential pressure (AP D i C htung, k) does not necessarily have to have the value zero, although at this value the pressures in the protective gas chamber and in the sealing chamber would be the same, but nevertheless a gas flow can occur between these chambers, since the Metal band transported on its surface a certain amount of gas.
  • the pressure in this chamber can be controlled quickly and precisely by injecting or removing a small amount of gas.
  • the differential pressure (APoichtung) near the value for the critical differential pressure (APoichtung.k) are held.
  • the flow rate of the atmosphere gas into or out of the protective gas chamber is reduced to a minimum.
  • the critical pressure differential (AP D ichung, k) between 0 and 100 Pa, and the distance between the set and critical differential pressure between 5 and 20 Pa.
  • This method allows a high separation efficiency of the atmospheres between protective gas chambers with relatively low protective gas consumption (from 10 to 200 Nm 3 / h). It also allows a good separation of the protective gas chamber from the environment.
  • the pressure in the seal chamber can be controlled either by a control valve and a gas supply or by a control valve and a vacuum source.
  • the vacuum source may be, for example, a suction fan, a fireplace or the environment.
  • the method according to the invention is particularly suitable for NGOs
  • the transfer of zinc dust from the trunk into the furnace can also be minimized in galvanizing lines, particularly in systems for zinc-aluminum coating of metal strips.
  • the lock according to the invention is arranged between the protective gas chamber and a further treatment chamber with a protective gas atmosphere.
  • the metal band can either first by the other
  • the predetermined value for the critical differential pressure is calculated via a mathematical model, preferably the speed of the metal strip, the gap opening of the two
  • FIG. 1 shows a first variant of the invention with a gas supply system for the sealing chamber.
  • FIG. 2 shows the pressure curve in the chambers for a control method for the first variant according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the pressure curve in the chambers for a further control method for the first variant according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a second variant of the invention in which the sealing chamber is connected to a vacuum system
  • FIG. 5 shows the pressure curve in the chambers for a control method for the second variant according to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows the pressure curve in the chambers for a further control method for the second variant according to FIG. 4;
  • the control method is now using a lock 4 between a
  • Secondary chamber 1 (further treatment chamber 1) and a protective gas chamber 2 explained.
  • the same principle applies even if the lock 4 between a Protective gas chamber 2 and the outside is located, the outside area is considered as a filled with constant air pressure secondary chamber 1.
  • F D flow rate of the injected into the seal chamber 7 or derived atmosphere gas
  • the auxiliary chamber 1 and the protective gas chamber 2 are darg Robinson with the intervening lock 4.
  • the lock 4 consists of a first sealing element 5 and of a second sealing element 6, between them is the sealing chamber 7.
  • compositions of the protective gas (N 2 content, H 2 content, dew point) in the two chambers 1 and 2 and the respective pressure P1 and P2 in the chambers 1 and 2 are controlled by two separate mixing stations. This control of the mixing stations is done by conventional controls. Ie the chemical The composition of the protective gas atmosphere is controlled by adjusting the N2, H2, and the H 2 O content in the injected atmosphere gas and the
  • Pressure control is carried out by adjusting the flow rate of the injected into the chambers 1, 2 atmosphere gas.
  • the atmosphere gas is discharged through fixed or adjustable openings from the chambers 1, 2.
  • the sealing elements 5 and 6 can each be formed by two rollers or two flaps or a roller and a flap, between which the metal strip 3 is passed.
  • the gap between the rollers or flaps is defined taking into account the properties (chemical composition, temperature) of the atmosphere gas in chamber 1 (or 2) and the strip thickness. It can be fixed or adjustable, depending on the variation in the properties of the atmosphere gas and the band dimensions. If the gap is adjustable, it is preset according to strip thickness, chemical composition of the atmosphere gas and according to the strip temperature.
  • the size of the opening in the sealing elements 5 and 6 is the gap, the band dimensions (width, thickness), as well as the remaining
  • the opening in the sealing elements 5, 6 must be correspondingly small.
  • Seal elements 5, 6 can be adjusted by the control valve 10.
  • the control valve 10 regulates the flow rate of the injected or discharged into the seal chamber 7 gas.
  • the control valve 10 is connected to a gas supply 8, the pressure control in the seal chamber 7 thus takes place via a control of the gas supply into the seal chamber. 7
  • the chamber pressures P1 and P2 are controlled by two independent pressure control circuits.
  • the pressure P D is kept close to the pressure P2 in the protective gas chamber 2.
  • APoichtung is set with P D - P2.
  • the pressure PD is controlled so that APoichtung remains largely constant, even if the pressure P2 varies.
  • the aim is to prevent the entry of atmospheric gas through the lock 4 into the protective gas chamber 2, so that the chemical composition in this chamber can be regulated.
  • the goal is also to minimize the escape of atmospheric gas from the protective gas chamber 2, so that the
  • Gas consumption of the protective gas chamber 2 can be minimized.
  • Figure 2 shows the pressure curve in the chambers 1, 2, and7.
  • the pressure P1 in the sub chamber 1 is set lower than the pressure P2 in the protective gas chamber 2, while the pressure in the sealing chamber PD is set between P1 and P2 but only slightly lower than the pressure P2 in the protective gas chamber 2.
  • the flow rate FD is determined by the pressure control loop for the control of APoichtung, while the
  • Flow rate F1 from F2 + F D results.
  • This rule strategy is suitable for applications in which the chemical composition in the protective gas chamber 2 must be optimally controlled. For example, this strategy can be used well in continuous annealing plants (CAL) and in continuous Zinc (CGL) plants with high H2 content.
  • the chamber with the high H 2 content forms the aforementioned protective gas chamber 2.
  • This control strategy is also suitable for the warm-up, dip and radiant tube cooling chambers with a high h 2 content in the electrical steel heat treatment. Again, the chamber with the high H 2 content forms the chamber 2.
  • the aim is to prevent leakage of atmosphere gas from the protective gas chamber 2, so that the secondary chamber 1 is not contaminated by a component of the protective gas chamber 2. But it should also be the entry of
  • Atmospheric gas in the protective gas chamber 2 are minimized.
  • FIG. 3 shows the pressure curve in the chambers 1, 2 and 7, wherein the pressure P1 in the secondary chamber 1 is set to be lower than the pressure P2 in the protective gas chamber 2.
  • the pressure P D in the sealing chamber 7 becomes higher than P1 and P2, but only slightly higher than the pressure P2 in the
  • Atmospheric gas in or out of chamber 2 is controlled via the AP D i C value.
  • Differential pressure AP D ichtung k held, so no escaping the atmosphere gas from the protective gas chamber 2.
  • the regulation of AP ichtung D as close to the value of k can APDichtung the flow rate F2 of air flowing into chamber 2 Atmospheric gases are minimized.
  • the flow rate FD is determined by the pressure control loop for the control of APoichtung, while the flow rate F1 from F D - F2 results.
  • Atmospheric gas may escape from the protective gas chamber 2 and in which the protective gas chamber 2 may not be contaminated by atmospheric gas from the secondary chamber 1.
  • the protective gas chamber 2 may not be contaminated by atmospheric gas from the secondary chamber 1.
  • it can be used to control the input or output lock in FAL, CAL and CGL.
  • the furnace forms the protective gas chamber 2. It is also suitable for the lock control in zinc-aluminum coating process (the trunk forms the
  • FIG. 4 shows a variant in which the sealing chamber 7 is connected to a vacuum source 9.
  • the regulation of the gas pressure in the sealing chamber 7 takes place via a
  • the pressure PD in the seal chamber 7 is continuously adjusted.
  • the flow rate F D of the outflowing gas is controlled by a control valve 10, wherein the Unterduck is generated by means of a suction fan or by the natural chimney draft.
  • the control strategy is not dependent on the direction of tape travel.
  • the pressure in the sealing chamber PD is controlled so that AP D i C hht remains as constant as possible, even if the pressure P2 varies in the protective gas chamber 2.
  • the aim is to prevent leakage of atmosphere gas from the protective gas chamber 2, so that the secondary chamber 1 is not contaminated by a component of the protective gas chamber 2, but also to minimize the entry of atmosphere gas into the protective gas chamber 2, so that the chemical
  • Composition in the protective gas chamber 2 can be regulated.
  • FIG. 5 shows the pressure progression in the chambers 1, 2 and 7 for a lock 4 according to FIG. 4.
  • the pressure P1 in the auxiliary chamber 1 is adjusted so that it is higher than the pressure P2 in the protective gas chamber 2.
  • the pressure P D in the seal chamber 7 is set between P1 and P2, but only slightly higher than the pressure P2 in the protective gas chamber 2.
  • the flow rate F2 of the atmosphere gas into or out of chamber 2 is regulated via the APoichtung value.
  • the flow rate Fo is determined by the pressure control loop for the control of APoichtung, while the flow rate F1 results from F2 + F D.
  • Protective gas chamber 2 is lower than in the auxiliary chamber. 1 2.) Contamination of the protective gas chamber 2 should be avoided:
  • the aim is to prevent the entry of atmospheric gas into the protective gas chamber 2 (so that the chemical composition in the
  • Protective gas chamber 2 can be controlled), but also to minimize the escape of atmospheric gas from the protective gas chamber 2 (thus the
  • Gas consumption of the protective gas chamber 2 can be minimized.
  • Figure 6 shows the pressure variation in the chambers 1, 2 and 7.
  • the pressure P1 in the sub chamber 1 is set higher than the pressure P2 in the protective gas chamber 2, while the pressure P D in the sealing chamber 7 is less than P1 and P2, but only slightly lower than the pressure P2 in the protective gas chamber 2 is set.
  • APoichtung is negative here.
  • the flow rate F2 of the atmosphere gas into or out of chamber 2 is regulated by the pH value.
  • AP seal determines while flow rate F1 results from FD + F1.
  • This control strategy is well suited if the chemical composition in the protective gas chamber 2 must be optimally controlled, but the outflow of atmospheric gas from the protective gas chamber 2 must be minimized or if the chemical composition in both chambers 1, 2 must be optimally controlled. Since the leakage amount of the gas can not be measured through a sealing member (5, 6), a mathematical model has been developed for their calculation.
  • Atmospheric gases are calculated.
  • Line Speed is the speed of the treated tape.
  • Flow of the atmosphere gas FD, F1, F2 The flow F1 or F2 of the atmosphere gas through the sealing elements 5, 6 is considered as the parameter to be controlled.
  • the mathematical model is based on a formula that represents the relationship between the parameters. The calculation requires little
  • Vg flow rate of in or out of the seal chamber
  • f1 and f2 are mathematical formulas that depend on the construction of the lock 4
  • the parameters of the mathematical model are tuned by means of computer-controlled simulation software in offline mode.
  • This critical value AP D i C Mung, k serves as a reference for the pressure regulation in the sealing chamber 7.
  • the target value for the differential pressure AP D i C h depends on the calculated critical differential pressure AP DiC htung, k, as in the above Examples have been described.
  • differential pressure AP D i C hht can also be negative (eg, in Fig. 2 and Fig. 6).
  • Differential pressure APoichtung is below the value for the critical differential pressure APDichtung.k, it should then be understood that the value for the differential pressure AP seal continues to be in the negative range than the value for the critical one
  • the mathematical model is calculated on the one hand for the calculation of the gap to be set of the two sealing elements 5, 6 taking into account the
  • the adjustment parameters calculated with the mathematical model form the setpoint values for the control of the lock.

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Abstract

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zum Kontrollieren der Atmosphäre in einer Schutzgaskammer (2) zur kontinuierlichen Behandlung von Metallbändern (3). Das Metallband (3) wird dabei über Schleusen (4) in und aus der Schutzgaskammer (2) geführt. Zumindest eine Schleuse (4) weist zumindest zwei Dichtungselemente (5, 6) für das hindurchlaufende Metallband (3) auf, sodass sich zwischen den beiden Dichtungselementen (5, 6) eine Dichtungskammer (7) bildet. Erfindungsgemäß wird der Gasdruck (P2, PD) in der Schutzgaskammer (2) und in der Dichtungskammer (7) der Schleuse (4) gemessen und der Druck (PD) in der Dichtungskammer (7) geregelt und zwar so, dass im Betrieb der Differenzdruck zwischen der Schutzgaskammer (2) und der Dichtkammer (7) weitestgehend auf einen optimalen Wert gehalten wird.

Description

Verfahren zum Kontrollieren einer Schutzgasatmosphäre in einer Schutzgaskammer zur Behandlung eines Metallbandes
Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zum Kontrollieren der Atmosphäre in einer Schutzgaskammer zur kontinuierlichen Behandlung von Metallbändern, wobei das Metallband über Schleusen in und aus der
Schutzgaskammer geführt wird und wobei zumindest eine der Schleusen zwei oder mehrere Dichtungselemente für das hindurchlaufende Metallband aufweist, sodass sich zwischen den Dichtungselementen zumindest eine Dichtungskammer bildet.
In kontinuierlich arbeitenden Wärmebehandlungsöfen für Flachmaterial wird das Band gegen Oxidation geschützt, indem eine reduzierende Atmosphäre aus einem Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch verwendet wird. Üblicherweise wird der
Wasserstoffgehalt im ganzen Ofen unter 5 % gehalten.
Die Stahlindustrie verlangt nun aber auch immer mehr nach Ofenanlagen, die mit zwei verschiedenen Schutzgasatmosphären betrieben werden können.
Beispielsweise wird bei der Herstellung von hochfesten Stahlgüten im
Schnellabkühlungsbereich (jet cooling section) ein hoher Wasserstoffgehalt (15 bis 80 % H2) im) und im restlichen Ofenbereich ein niedriger Wasserstoffgehalt (<5 % H2) gefordert.
Bei der die Herstellung von Elektrostahl werden in den Aufwärm-, Tauch- und Langsamkühlbereichen ein hoher Wasserstoffgehalt (50 bis 100%) und im restlichen Ofenbereich ein mittlerer Wasserstoffgehalt (0 bis 70% H2) gefordert.
Diese einzelnen Ofenbereiche müssen durch entsprechende Schleusen
voneinander getrennt werden und zwar so, dass das zu behandelnde Metallband die einzelnen Ofenbereiche mit den jeweiligen Gasatmosphären durchlaufen kann, ohne dass dabei zuviel Gas durch die Schleusen entweichen kann.
Außerdem muss der Ofen gegenüber der Umgebung und gegenüber weiteren Aggregaten durch entsprechende Schleusen abgedichtet werden. Der Gasfluss zwischen unterschiedlichen Ofenkammern bzw. zwischen einer Ofenkammer und der Umgebung wird durch folgende Faktoren verursacht: a. ) Unausgeglichenheit der Atmosphärengasströme (Einlauf/Auslauf): Die in eine bestimmte Kammer eingedüste Gasmenge entspricht nicht der von derselben Kammer entnommenen Gasmenge, weshalb die Differenzmenge in die
Nebenkammer oder ins Freie strömt.
b. ) Konvektionswirkung auf Grund der Temperaturunterschiede zwischen zwei Kammern (in Vertikalöfen): Das leichteste (heißeste) Gas strömt nach oben und das schwerste (kälteste) Gas strömt nach unten, wodurch ein Atmosphärengas- Kreislauf in den Kammern geschaffen wird.
c. ) Ausdehnung oder Zusammenziehen des Atmosphärengases infolge von Temperaturschwankungen im Gas: Die Temperaturschwankungen entstehen durch den Prozess selbst (Änderung der Ofentemperatur, Änderung der
Betriebsgeschwindigkeit der Linie, Ein-/Ausschalten eines Umwälzventilators, usw. ...) und sind unvermeidbar.
d. ) Bandbewegung: Wegen der Viskosität des Gases strömt das Gas in Bandnähe auch in Bandlaufrichtung. Daher wird eine gewisse Gasmenge mit dem Band von einer Kammer in die Nächste mitgezogen.
Gegenwärtig werden primär zwei unterschiedliche Schleusentypen verwendet. Einerseits verwendet man Einfachdichtungen, die durch ein Paar von metallischen Dichtwalzen, oder ein Paar von Dichtklappen, oder eine Kombination von einer Dichtklappe und einer Dichtwalze gebildet werden. Das Metallband wird dann durch den Walzenspalt/Klappenspalt in den Ofen geführt.
Andererseits verwendet man Doppeldichtungen mit Stickstoffeindüsung. Hierbei handelt es sich um ein doppeltes metallisches Dichtwalzenpaar oder um ein doppeltes Klappenpaar, oder um eine doppelte Dichtklappe -Dichtwalze
Einrichtung oder eine Kombination von zwei obengenannten Dichteinrichtungen, wobei Stickstoff in den Raum zwischen den beiden Dichteinrichtungen eingedüst wird. Der Stickstoff wird dabei mit einer fixen oder durch den Bedienungsmann verstellbaren Durchflussmenge eingeleitet. Es ist keine automatische Regelung der Durchflussmenge im Verhältnis zu den Prozessparametern vorgesehen. Derartige Dichtschleusen werden beispielsweise in kontinuierlichen Glühanlagen und in kontinuierlichen Verzinkungsanlagen eingesetzt, um eine Trennung zwischen der Ofenatmosphäre und dem Außenbereich (Einlaufdichtungen oder Ausgussdüsendichtung) sowie zwischen zwei unterschiedlichen Brennkammern zu erzielen. Dabei kann beispielsweise eine Brennkammer mit direkter Feuerung und die zweite Brennkammer mittels Strahlrohen beheizt werden.
Diese Dichtungen liefern zufriedenstellende Ergebnisse, wenn ein Gasfluss durch die Schleuse in einer bestimmten Richtung vermieden werden muss, wobei aber ein relativ hoher Gasfluss in der Gegenrichtung erlaubt wird.
Beispielsweise ist das Strömen von Verbrennungsprodukten aus einem Ofen mit direkter Feuerung in einen mit Strahlrohren beheizten Ofen verboten, aber in der Gegenrichtung dürfen größere Mengen Gas durchströmen. Ebenso ist ein Ausströmen von Abgasen aus dem direkt befeuerten Ofen ins Freie verboten, wobei jedoch ein gewisser Luftzustrom aus der Umgebung in den Ofen erlaubt ist. In mit Strahlrohren befeuerten Ofenkammern ist der Lufteintritt zu vermeiden, wobei es erlaubt ist, dass eine gewisse Menge von Schutzgas aus dem Ofen in die Umgebung austritt. Gleiches gilt im Rüsselbereich, wenn der Zinktopf entfernt wird.
Typischerweise liegt die Gasdurchfluss zwischen zwei Ofenkammern durch herkömmliche Schleusen hindurch in einer Richtung bei Null und in der
Gegenrichtung im Bereich von 200 bis 1000 Nm3/h. Derartige Durchflussmengen werden nur dann erreicht, wenn der Druck in beiden Ofenkammern innerhalb einer gewissen Toleranz geregelt werden kann.
Wenn aber in einer der beiden Ofenkammern der Druck außerhalb dieser
Toleranz schwankt, ist die Schleuse nicht mehr effektiv.
Die einfachen Dichtungen bewältigen die bei wechselnden Betriebsbedingungen auftretenden Druckschwankungen nicht zufriedenstellend. Die chemische
Zusammensetzung des Atmosphärengases kann dadurch nicht präzise geregelt werden, da unvermeidbare Druckschwankungen in beiden Kammern eine abwechselnde Atmosphärengasströmung in die eine oder andere Richtung hervorrufen würden. Eine herkömmliche Doppeldichtung mit Eindüsung einer konstanten Stickstoffmenge ist ebenfalls empfindlich gegenüber den Druckschwankungen in den Brennkammern. Die chemische Zusammensetzung des Atmosphärengases in den Brennkammern kann nicht präzise geregelt werden, da der eingedüste
Stickstoff je nach Druckverhältnissen abwechselnd in die eine Kammer, oder in die andere Kammer, oder in beide Kammern fließt.
Folglich trennen diese herkömmlichen Dichtungssysteme das Atmosphärengas nicht ausreichend und führen teilweise zu einem erheblichen Anstieg im
Atmosphärengasverbrauch .
Eine herkömmliche Doppeldichtung, die eine gute atmosphärische Trennung gewährleistet, ist in der WO 2008/000945 A1 beschrieben. Der Schwachpunkt dieser Technologie liegt jedoch im hohen Atmosphärengasverbrauch, der höhere Betriebskosten verursacht und eine Anwendung in Öfen für Siliziumstahl sogar untersagt.
Bei Öfen für Siliziumstahl besteht die Einlaufdichtung üblicherweise aus einem Dichtungswalzenpaar aus Metall sowie einer Reihe von Vorhängen. Die
atmosphärische Trennung innerhalb des Ofens erfolgt normalerweise durch eine einfache Öffnung in einer Schamottewand und die Ausgangsdichtung besteht entweder aus weich beschichteten Walzen (Hypalon oder Elastomer) oder aus feuerfesten Fasern.
Ein derartiges Dichtungssystem hat den Nachteil, dass bei der Einlaufdichtung eine ständige Leckage von wasserstoffhaltigen Atmosphärengas durch den Walzenspalt (1 bis 2 mm) erfolgt. Dieses Gas brennt ständig. Die Innendichtung führt zu einer schlechten Trennleistung auf Grund der Öffnungsgröße (100 bis 150 mm) und die Ausgangsdichtung ist bei hoher Temperatur >200°C nicht einsetzbar.
Das Ziel der Erfindung ist es, ein Regelverfahren für die Regelung des Gasflusses durch die Schleuse anzubieten, das ein hohes Maß an Atmosphärengastrennung gewährleistet und den Atmosphärengasverbrauch senkt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Regelverfahren, bei dem der Gasdruck in zumindest einer Schutzgaskammer und in der Dichtungskammer der Schleuse gemessen wird und bei dem der Druck in der Dichtungskammer geregelt wird und zwar so, dass im Betrieb der Differenzdruck (APoichtung) zwischen der
Schutzgaskammer und der Dichtungskammer weitestgehend über oder unter einem vorgegebenen Wert für den kritischen Differenzdruck (APDichtung,k) gehalten wird.
Der kritischen Differenzdruck (APoichtung.k) ist dabei jener Wert, bei dem sich der Gasfluss zwischen Schutzgaskammer und Schleuse umkehrt. Beim kritischen Differenzdruck (APDiChtung,k) sollte also kein Gasfluss zwischen der
Schutzgaskammer und der Dichtungskammer stattfinden. Der kritische
Differenzdruck (APDiChtung,k) muss aber nicht notwendigerweise den Wert Null haben, zwar wären bei diesem Wert die Drücke in der Schutzgaskammer und in der Dichtungskammer gleich groß, es kann aber trotzdem zu einem Gasfluss zwischen diesen Kammern kommen, da das Metallband an seiner Oberfläche eine gewisse Gasmenge mittransportiert.
Auf Grund des kleinen Volumens der Dichtungskammer kann der Druck in dieser Kammer durch Eindüsung oder Abfuhr einer kleinen Menge Gas schnell und präzise geregelt werden.
Auf Grund der präzisen Druckreglung in der Dichtungskammer, kann
vorzugsweise der Differenzdruck (APoichtung) nahe dem Wert für den kritischen Differenzdruck (APoichtung.k) gehalten werden. Dadurch wird die Durchflussmenge des Atmosphärengases in oder aus der Schutzgaskammer auf ein Minimum reduziert.
Es ist vorteilhaft, wenn der eingestellte Differenzdruck (APDic tung) auf einen konstanten Abstand vom kritischen Differenzdruck (APoichtung.k) gehalten wird, wobei jedoch der Abstand möglichst klein gehalten werden sollte.
Typischerweise liegt der kritische Differenzdruck (APDichung, k) zwischen 0 und 100 Pa, und der Abstand zwischen eingestelltem und kritischem Differenzdruck zwischen 5 und 20 Pa.
Dieses Verfahren ermöglicht eine hohe Trennleistung der Atmosphären zwischen Schutzgaskammern bei relativ niedrigem Schutzgasverbrauch (von 10 bis 200 Nm3/h). Es ermöglicht auch eine gute Abtrennung der Schutzgaskammer gegenüber der Umgebung.
Der Druck in der Dichtungskammer kann entweder über ein Regelventil und eine Gaszufuhr oder über ein Regelventil und eine Unterdruckquelle geregelt werden. Die Unterdruckquelle kann beispielsweise ein Sauglüfter, ein Kamin oder die Umgebung sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für NGO
Siliziumstahllinien. Bei derartigen Anlagen muss eine Atmosphäre mit 95% H2 in einer Kammer von einer Atmosphäre mit 10% H2 in einer zweiten Kammer getrennt werden, wobei der Wasserstoffverbrauch durch die Schleuse weniger als 50 Nm3/h betragen soll.
Außerdem eignet sich das Verfahren gut für die schnelle Abkühlung in
kontinuierlichen Glühlinien oder Verzinkungslinien für C-Stahl. Hierbei muss eine Atmosphäre mit 30 - 80% H2 von einer Atmosphäre mit 5% H2 getrennt werden, wobei der Wasserstoffverbrauch durch die Schleuse weniger als 100 Nm3/h betragen soll.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch in Verzinkungslinien die Übertragung von Zinkstaub vom Rüssel in den Ofen minimiert werden und zwar insbesondere bei Anlagen zur Zink-Aluminium Beschichtung von Metallbändern.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Schleuse zwischen der Schutzgaskammer und einer weiteren Behandlungskammer mit einer Schutzgasatmosphäre angeordnet.
Das Metallband kann dabei entweder zuerst durch die weitere
Behandlungskammer und danach durch die Schutzgaskammer geführt werden, bzw. kann es zuerst durch die Schutzgaskammer und danach durch die weitere Behandlungskammer geführt werden. Es ist vorteilhaft, wenn der vorgegebene Wert für den kritischen Differenzdruck (APoichtung.k) über ein mathematisches Modell berechnet wird, das vorzugsweise die Geschwindigkeit des Metallbandes, die Spaltöffnung der beiden
Dichtungselemente, die Eigenschaften des Schutzgases und die Dicke des Metallbandes berücksichtigt.
Es ist sinnvoll, wenn die optimale Spaltöffnung der beiden Dichtungselemente anhand der Eigenschaften des Schutzgases und der Dicke des Metallbandes errechnet wird.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Variante der Erfindung mit einem Gaszuführungssystem für die Dichtungskammer;
Fig. 2 den Druckverlauf in den Kammern für ein Regelverfahren für die erste Variante gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 den Druckverlauf in den Kammern für ein weiteres Regelverfahren für die erste Variante gemäß Fig. 1 ;
Fig. 4 eine zweite Variante der Erfindung bei der die Dichtungskammer mit einem Unterdrucksystem verbunden ist;
Fig. 5 den Druckverlauf in den Kammern für ein Regelverfahren für die zweite Variante gemäß Fig. 4;
Fig. 6 den Druckverlauf in den Kammern für ein weiteres Regelverfahren für die zweite Variante gemäß Fig. 4;
Das Regelverfahren wird nun an Hand einer Schleuse 4 zwischen einer
Nebenkammer 1 (weiteren Behandlungskammer 1 ) und einer Schutzgaskammer 2 erläutert. Dasselbe Prinzip gilt auch, wenn sich die Schleuse 4 zwischen einer Schutzgaskammer 2 und dem Außenbereich befindet, wobei der Außenbereich als eine mit konstantem Luftdruck befüllte Nebenkammer 1 betrachtet wird.
Die in den Figuren dargestellten Drücke P und Durchflussmengen F sind folgendermaßen definiert:
P1 = Druck in der Nebenkammer 1 bzw. des Außenbereichs 1
P2 = Druck in der Schutzgaskammer 2
PD = Druck in der Dichtungskammer 7
APKammer = Ρ2 - Ρ1 (= Differenzdruck zwischen der Schutzgaskammer 2 und der Nebenkammer 1 bzw. Differenzdruck zwischen der
Schutzgaskammer 2 und des Außenbereiches)
APDichtung = PD - P2 (= Differenzdruck zwischen der Dichtungskammer 7 und der Schutzgaskammer 2)
APpichtung, k = kritischer Differenzdruck zwischen der Dichtungskammer 7 und der Schutzgaskammer 2 = jener Differenzdruck (PQ - P2), bei dem sich die Gasflussrichtung F2 zwischen der Schutzgaskammer 2 und der
Dichtungskammer 7 ändert (umkehrt)
F2 = Durchflussmenge des Atmosphärengases zwischen der
Schutzgaskammer 2 und der Dichtungskammer 7
F1 = Durchflussmenge des Atmosphärengases zwischen der
Dichtungskammer 7 und der Nebenkammer 1
FD = Durchflussmenge des in die Dichtungskammer 7 eingedüsten oder abgeleiteten Atmosphärengases
In Figur 1 sind die Nebenkammer 1 und die Schutzgaskammer 2 mit der dazwischen liegenden Schleuse 4 dargstellt. Die Schleuse 4 besteht aus einem ersten Dichtungselement 5 und aus einem zweiten Dichtungselement 6, dazwischen befindet sich die Dichtungskammer 7.
Die Zusammensetzungen des Schutzgases (N2-Gehalt, H2-Gehalt, Taupunkt) in den beiden Kammern 1 und 2 und der jeweilige Druck P1 und P2 in den Kammern 1 und 2 werden durch zwei separate Mischstationen geregelt. Diese Regelung der Mischstationen erfolgt an Hand herkömmlicher Steuerungen. D.h. die chemische Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre wird durch Anpassung des N2-, H2-, und des H2O-Gehalts im eingedüsten Atmosphärengas geregelt und die
Druckregelung erfolgt durch Anpassung der Durchflussmenge des in die Kammern 1 , 2 eingedüsten Atmosphärengases. Das Atmosphärengas wird durch fest eingestellte oder verstellbare Öffnungen aus den Kammern 1 , 2 ausgetragen.
Die Dichtungselemente 5 und 6 können jeweils durch zwei Walzen oder zwei Klappen oder eine Walze und eine Klappe gebildet werden, zwischen denen das Metallband 3 hindurchgeführt wird. Der Spalt zwischen den Walzen oder Klappen wird unter Berücksichtigung der Eigenschaften (chemische Zusammensetzung, Temperatur) des Atmosphärengases in Kammer 1 (bzw. 2) und der Banddicke definiert. Er kann fest eingestellt oder verstellbar sein, je nach Schwankungsbreite der Eigenschaften des Atmosphärengases und der Bandabmessungen. Ist der Spalt verstellbar, wird er gemäß Banddicke, chemischer Zusammensetzung des Atmosphärengases sowie gemäß der Bandtemperatur voreingestellt.
Die Größe der Öffnung in den Dichtungselementen 5 und 6 ist vom Spalt, von den Bandabmessungen (Breite, Dicke), sowie von den restlichen
konstruktionsbedingten Öffnungen abhängig. Um eine gute Dichtleistung zu erzielen, muss die Öffnung in den Dichtungselementen 5, 6 entsprechend klein sein.
Der Druck PD in der Dichtungskammer 7 zwischen den beiden
Dichtungselementen 5, 6 kann durch das Regelventil 10 verstellt werden. Das Regelventil 10 regelt die Durchflussmenge des in die Dichtungskammer 7 eingedüsten oder abgeführten Gases. In Fig. 1 ist das Regelventil 10 mit einer Gaszufuhr 8 verbunden, die Druckregelung in der Dichtungskammer 7 erfolgt also über eine Regelung der Gaszufuhr in die Dichtungskammer 7.
Die Kammerdrücke P1 und P2 werden von zwei unabhängigen Druckregelkreisen geregelt. Für die Regelung der Schleuse 4 wird der Druck PD in der
Dichtungskammer 7 und in der Schutzgaskammer 2 gemessen. Der Druck PD wird nahe dem Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 gehalten. In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel wird APoichtung mit PD - P2 festgelegt. Der Druck PD wird so geregelt, dass APoichtung weitestgehend konstant bleibt, auch wenn der Druck P2 variiert.
Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 lassen sich beispielsweise zwei
Druckregelstrategien für die Schleuse 4 verfolgen:
1.) Eine Verunreinigung der Schutzgaskammer 2 soll vermeiden werden:
Das Ziel besteht darin, den Eintritt von Atmosphärengas durch die Schleuse 4 in die Schutzgaskammer 2 zu vermeiden, damit die chemische Zusammensetzung in dieser Kammer geregelt werden kann. Ziel ist es aber auch das Entweichen von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 zu minimieren, damit der
Gasverbrauch der Schutzgaskammer 2 minimiert werden kann.
Figur 2 zeigt den Druckverlauf in den Kammern 1 , 2, und7. Der Druck P1 in der Nebenkammer 1 wird niedriger als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 eingestellt, während der Druck in der Dichtungskammer PD zwischen P1 und P2, jedoch nur leicht geringer als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, eingestellt wird.
Ändert sich der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, wird der Druck PD
entsprechend verstellt, um die Druckdifferenz APoichtung = PD - P2 möglichst konstant zu halten. APoichtung ist hier negativ. Die Durchflussmenge F2 des
Atmosphärengases in oder aus der Schutzgaskammer 2 wird über den
Differenzdruck APoichtung geregelt.
Wird APoic tung unterhalb des Wertes für den kritischen Differenzdruck APoichtung k gehalten, tritt kein Atmosphärengas in die Schutzgaskammer 2 ein. Durch die Regelung von APoichtung möglichst nahe am Wert APoichtung k, kann die
Durchflussmenge F2 des entweichenden Atmosphärengases aus der
Schutzgaskammer 2 minimiert werden. Die Durchflussmenge FD wird durch den Druckregelkreis für die Regelung von APoichtung bestimmt, während sich die
Durchflussmenge F1 aus F2 + FD ergibt. Diese Regel Strategie eignet sich für Anwendungen, bei denen die chemische Zusammensetzung in der Schutzgaskammer 2 optimal geregelt werden muss. Diese Strategie kann beispielsweise gut in kontinuierlichen Glühanlagen (CAL) und in kontinuierlichen Verzinkungsanlagen (CGL) mit hohem H2-Gehalt eingesetzt werden. Die Kammer mit dem hohen H2-Gehalt bildet dabei die zuvor erwähnte Schutzgaskammer 2. Diese Regelstrategie eignet sich auch für die Aufwärm-, Tauch- und Strahlrohrkühlkammern mit hohem h^-Gehalt bei der Elektrostahlwärmebehandlung. Auch hier bildet die Kammer mit dem hohen H2- Gehalt die Kammer 2.
2.) Eine Leckage von Schutzgas aus der Schutzgaskammer 2 soll vermeiden werden:
Das Ziel ist, eine Leckage von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 zu vermeiden, damit die Nebenkammer 1 nicht durch eine Komponente aus der Schutzgaskammer 2 verunreinigt wird. Es soll aber auch der Eintritt von
Atmosphärengas in die Schutzgaskammer 2 minimiert werden.
Figur 3 zeigt den Druckverlauf in den Kammern 1 , 2 und 7, wobei der Druck P1 in der Nebenkammer 1 so eingestellt wird, dass er niedriger als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 ist. Der Druck PD in der Dichtungskammer 7 wird höher als P1 und P2, jedoch nur geringfügig höher als der Druck P2 in der
Schutzgaskammer 2, eingestellt.
Ändert sich der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, so wird der Druck PD entsprechend angepasst, um die Druckdifferenz APDiChtung = PD - P2 möglichst konstant zu halten. APDicntung ist hier positiv. Die Durchflussmenge F2 des
Atmosphärengases in oder aus Kammer 2 wird über den APDiChtung-Wert geregelt.
Wird APoichtung oberhalb des Wertes für den (berechneten) kritischen
Differenzdruck APDichtung k gehalten, so entweicht kein Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2. Durch die Regelung von APDichtung möglichst nahe am Wert APDichtung k kann die Durchflussmenge F2 des in Kammer 2 strömenden Atmosphärengases minimiert werden. Die Durchflussmenge FD wird durch den Druckregelkreis für die Regelung von APoichtung bestimmt, während sich die Durchflussmenge F1 aus FD - F2 ergibt.
Diese Regelstrategie eignet sich für Anwendungen, bei denen kein
Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 entweichen darf und bei denen die Schutzgaskammer 2 nicht durch Atmosphärengas aus der Nebenkammer 1 verunreinigt werden darf. Sie kann beispielsweise zur Regelung der Eingangsoder Ausgangsschleuse in FAL, CAL und CGL eingesetzt werden. Der Ofen bildet dabei die Schutzgaskammer 2. Ebenso eignet sie sich für die Schleusensteuerung in Zink-Aluminium-Beschichtungsverfahren (der Rüssel bildet dabei die
Schutzgaskammer 2) oder für Verfahren mit Kammern mit unterschiedlichen Taupunkten. Die Kammer mit dem hohen Taupunkt bildet dann die
Schutzgaskammer 2.
In Figur 4 ist nun eine Variante dargestellt, bei der die Dichtungskammer 7 mit einer Unterdruckquelle 9 verbunden ist. In Figur 4 erfolgt also im Gegensatz zu Fig.1 die Regelung des Gasdrucks in der Dichtungskammer 7 über eine
Gasabfuhr FD.
Durch die Verstellung der Durchflussmenge FD des aus der Dichtungskammer 7 strömenden Gases wird der Druck PD in der Dichtungskammer 7 kontinuierlich angepasst. Die Durchflussmenge FD des ausströmenden Gases wird über ein Steuerventil 10 geregelt, wobei der Unterduck mittels eines Sauglüfters oder durch den natürlichen Kaminzug erzeugt wird.
In dem in Figur 4 dargestellten Beispiel läuft das Metallband aus der
Schutzgaskammer 2 hinaus in die Schleuse 4. Die Regelstrategie ist jedoch nicht von der Bandlaufrichtung abhängig. Der Druck in der Dichtungskammer PD wird so geregelt, dass APDiChtung möglichst konstant bleibt, auch wenn der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 variiert.
Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 lassen sich beispielsweise zwei unterschiedliche Druckregelstrategien verfolgen: 1.) Eine Leckage aus der Schutzgaskammer 2 soll vermeiden werden:
Das Ziel ist, eine Leckage von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 zu vermeiden, damit die Nebenkammer 1 nicht durch eine Komponente aus der Schutzgaskammer 2 verunreinigt wird, aber auch den Eintritt von Atmosphärengas in die Schutzgaskammer 2 zu minimieren, damit die chemische
Zusammensetzung in der Schutzgaskammer 2 geregelt werden kann.
Figur 5 zeigt den Druckverlauf in den Kammern 1 , 2 und 7 für eine Schleuse 4 gemäß Fig. 4. Der Druck P1 in der Nebenkammer 1 wird so eingestellt, dass er höher als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 ist. Der Druck PD in der Dichtungskammer 7 wird zwischen P1 und P2, jedoch nur geringfügig höher als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, eingestellt.
Ändert sich der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, so wird der Druck PD entsprechend angepasst, um die Druckdifferenz APoichtung = PD - P2 möglichst konstant zu halten. APoichtung ist hier also positiv. Die Durchflussmenge F2 des Atmosphärengases in oder aus Kammer 2 wird über den APoichtung-Wert geregelt.
Wird APoichtung oberhalb des kritischen Wertes für den Differenzdruck APoichtung.k gehalten, entweicht kein Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2. Regelt man die Größe APoichtung möglichst nahe am Wert APoichtung k, dann kann die Durchflussmenge F2 des in die Schutzgaskammer 2 strömenden
Atmosphärengases minimiert werden. Die Durchflussmenge Fo wird durch den Druckregelkreis für die Regelung von APoichtung bestimmt, während sich die Durchflussmenge F1 sich aus F2 + FD ergibt.
Diese Regelstrategie eignet sich für Anlagen bei denen kein Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 entweichen darf und bei denen die Zuströmung in die Schutzgaskammer 2 minimiert werden muss. Die Anwendungen sind gleich wie die Anwendungen für Fig. 3, jedoch für den Fall, dass der Druck P2 in der
Schutzgaskammer 2 niedriger ist als in der Nebenkammer 1. 2.) Eine Verunreinigung der Schutzgaskammer 2 soll vermeiden werden:
Das Ziel besteht darin, den Eintritt von Atmosphärengas in die Schutzgaskammer 2 zu vermeiden (damit die chemische Zusammensetzung in der
Schutzgaskammer 2 geregelt werden kann), aber auch das Entweichen von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 zu minimieren (damit der
Gasverbrauch der Schutzgaskammer 2 minimiert werden kann).
Figur 6 zeigt den Druckverlauf in den Kammern 1 , 2 und 7. Der Druck P1 in der Nebenkammer 1 wird höher als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2 eingestellt, während der Druck PD in der Dichtungskammer 7 geringer als P1 und P2, jedoch nur leicht geringer als der Druck P2 in der Schutzgaskammer 2, eingestellt wird.
Ändert sich der Druck P2, wird der Druck Po entsprechend verstellt, um die Druckdifferenz APoichtung = PD - P2 möglichst konstant zu halten. APoichtung ist hier negativ. Die Durchflussmenge F2 des Atmosphärengases in oder aus Kammer 2 wird über den APoicntung-Wert geregelt.
Wird APoichtung unterhalb des Wertes für den kritischen Differenzdruck APDiChtung k gehalten, tritt kein Atmosphärengas in Kammer 2. Regelt man die Größe APoichtung möglichst nahe am Wert APoichtung k, dann kann die Durchflussmenge des entweichenden Atmosphärengases F2 aus Kammer 2 minimiert werden. Die Durchflussmenge FD wird durch den Druckregelkreis für die Regelung von
APDichtung bestimmt, während Durchflussmenge F1 sich aus FD + F1 ergibt.
Diese Regelstrategie eignet sich gut, wenn die chemische Zusammensetzung in der Schutzgaskammer 2 optimal geregelt werden muss, aber die Ausströmung von Atmosphärengas aus der Schutzgaskammer 2 minimiert werden muss bzw. wenn die chemische Zusammensetzung in beiden Kammern 1 , 2 optimal geregelt werden muss. Da die Leckage-Menge des Gases durch ein Dichtungselement (5, 6) hindurch nicht gemessen werden kann, wurde für deren Berechnung ein mathematisches Modell entwickelt.
Das Modell ermöglicht die Berechnung des Differenzdrucks APDichtung zwischen der Schutzgaskammer 2 und der Dichtungskammer 7 (APDichtung = PD - P2) in Abhängigkeit von folgenden Parametern:
• physikalische Eigenschaften des Atmosphärengases (wie beispielsweise spezifisches Gewicht und Viskosität): Diese Eigenschaften werden aus der chemischen Zusammensetzung (Prozentsatz an H2 und N2, usw.) und der Temperatur des durch die Dichtungselemente strömenden
Atmosphärengases berechnet.
• offene Fläche in den Dichtungselementen 5, 6: Die offene Fläche hängt vom in den Dichtungselementen eingestellten Spalt sowie den
Bandabmessungen (Dicke, Breite) ab.
• Liniengeschwindigkeit: Die Liniengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit des behandelten Bandes.
• Durchfluss des Atmosphärengases FD, F1 , F2: Der Durchfluss F1 oder F2 des Atmosphärengases durch die Dichtungselemente 5, 6 gilt als zu regelnder Parameter.
• Aufbau der Schleuse 4: Es stehen mehrere Technologien für den Aufbau zur Verfügung (Klappen, Walzen, sonstige ...). Das mathematische Modell berücksichtigt die jeweilige Technologie.
Das mathematische Modell basiert auf einer Formel, die den Zusammenhang zwischen den Parametern darstellt. Die Berechnung erfordert nur wenig
Rechenaufwand und kann daher in Ofensteuerungen integriert werden.
Das mathematische Modell lautet wie folgt:
APoichtung = f1 ( , μ, h, Vs) + f2 ( , μ, h, Vg)
APoichtung = Druckdifferenz zwischen der Dichtungskammer 7 und der Schutzgaskammer 2 ρ = spezifisches Gewicht des Atmosphärengases
μ = dynamische Viskosität des Atmosphärengases
h = geometrischer Faktor
Vg = Durchflussgeschwindigkeit des in die oder aus der Dichtungskammer
7 strömenden Atmosphärengases
Vs = Liniengeschwindigkeit = Bandgeschwindigkeit
f1 und f2 sind mathematische Formeln, die von dem Aufbau der Schleuse 4
(Walzen, Klappen) sowie von der Art der Gasströmung (laminar, turbulent) abhängig sind.
Die Parameter des mathematischen Modells werden mittels computergesteuerter Simulationssoftware im Offline-Betrieb abgestimmt.
Das Modell liefert den Wert für den kritischen Differenzdruck APDiChtung,k zwischen der Dichtungskammer 7 und der Schutzgaskammer 2, der zu keinem Gasfluss zwischen der Schutzgaskammer 2 und der Dichtungskammer 7 führt (Vg=0). Dieser kritische Wert APDiCMung,k dient als Referenz für die Druckregelung in der Dichtungskammer 7. Der Sollwert für den Differenzdruck APDiChtung richtet sich nach dem berechneten kritischen Differenzdruck APDiChtung,k, wie dies in den oben genannten Beispielen beschrieben wurde.
Wenn der Differenzdruck APoichtung höher ist als dieser kritische Wert APDichtung,k, dann strömt das Atmosphärengas aus der Dichtungskammer 7 in die
Schutzgaskammer 2. Es ist wichtig, dass man hier auch die jeweiligen Vorzeichen der Differenzdrücke APDichtung und APDiChtung,k berücksichtigt.„Höher" oder „oberhalb" ist gleichbedeutend mit dem Ausdruck "weiter im positive
Zahlenbereich" liegend.
Liegt der Differenzdruck APoichtung unterhalb des Wertes für den kritischen
Differenzdruck APDiC tung,k, so strömt das Atmosphärengas aus der
Schutzgaskammer 2 in die Dichtungskammer 7.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass der Differenzdruck APDiChtung auch negativ sein kann (z. B. in Fig. 2 und Fig. 6). Die Bemerkung, dass der
Differenzdruck APoichtung unterhalb des Wertes für den kritischen Differenzdruck APDichtung.k liegt, ist dann so zu verstehen, dass der Wert für den Differenzdruck APDichtung weiter im negativen Bereich liegt, als der Wert für den kritischen
Differenzdruck APDiChtung,k-
Das mathematische Modell wird einerseits für die Berechnung des einzustellenden Spalts der beiden Dichtungselemente 5, 6 unter Berücksichtigung der
Eigenschaften des Atmosphärengases und der Banddicke verwendet.
Andererseits wird es für die Berechnung des Wertes für den kritischen
Differenzdruck APoichtung.k zwischen Dichtungskammer 7 und Schutzgaskammer 2 herangezogen. Mit Hilfe des berechneten kritischen Differenzdruckes APDiChtung,k wird dann der einzustellenden Differenzdruck APoichtung (Sollwert) festgelegt.
Die mit dem mathematischen Modell berechneten Einstellparameter bilden die Sollwerte für die Steuerung der Schleuse.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kontrollieren der Schutzgasatmosphäre in einer
Schutzgaskammer (2) zur kontinuierlichen Behandlung von Metallbändern (3), wobei das Metallband (3) über Schleusen (4) in und aus der Schutzgaskammer (2) geführt wird und wobei zumindest eine der Schleusen (4) zwei Dichtungselemente (5, 6) für das hindurchlaufende Metallband (3) aufweist, sodass sich zwischen den beiden Dichtungselementen (5, 6) eine Dichtungskammer (7) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck (P2, PD) in der Schutzgaskammer (2) und in der Dichtungskammer (7) der Schleuse (4) gemessen wird und dass der Druck (PD) in der Dichtungskammer (7) geregelt wird und zwar so, dass im Betrieb der Differenzdruck (APDiChtung) zwischen der Schutzgaskammer (2) und der
Dichtungskammer (7) weitestgehend über oder unter einem vorgegebenen Wert für den kritischen Differenzdruck (APoichtung.k) gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (PD) in der Dichtungskammer (7) über ein Regelventil (10) und eine Gaszufuhr (8) geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (PD) in der Dichtungskammer (7) über ein Regelventil (10) und eine
Unterdruckquelle (9) geregelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (PD) in der Dichtungskammer (7) über zwei Regelventile (10), eine Gaszufuhr (8) und eine Unterdruckquelle (9) geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuse (4) zwischen der Schutzgaskammer (2) und einer weiteren Behandlungskammer (1 ) mit einer Schutzgasatmosphäre angeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Metallband (3) zuerst durch die weitere Behandlungskammer (1 ) und danach durch die Schutzgaskammer (2) geführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Metallband (3) zuerst durch die Schutzgaskammer (2) und danach durch die weitere Behandlungskammer (1 ) geführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, der kritische Wert für den Differenzdruck (APoichtung.k) über ein
mathematisches Modell berechnet wird, das die Geschwindigkeit des
Metallbandes, die Spaltöffnung der beiden Dichtungselemente (5, 6), die
Eigenschaften des Schutzgases und die Dicke des Metallbandes (3)
berücksichtigt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Spaltöffnung der beiden Dichtungselemente (5, 6) anhand der Eigenschaften des Schutzgases und der Dicke des Metallbandes (3) errechnet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Betrieb eingestellte Wert für den Differenzdruck (APDiChtUng,) möglichst nahe am kritischen Wert für den Differenzdruck (APoichtung, k) gehalten wird, sodass des Gasfluss (F2) aus oder in die Schutzgaskammer (2) minimiert wird.
PCT/AT2012/000013 2011-02-04 2012-01-30 Verfahren zum kontrollieren einer schutzgasatmosphäre in einer schutzgaskammer zur behandlung eines metallbandes WO2012103563A1 (de)

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