DE102012009854A1

DE102012009854A1 - Verfahren und Anlage zum Wärmebehandeln von Bändern

Info

Publication number: DE102012009854A1
Application number: DE201210009854
Authority: DE
Inventors: Frank Maschler; Gerhard Bußmann; Malte Fließ; Rolf Jansen; Gerald Zwickel; Helmut Mühlnickel
Original assignee: LOI Thermprocess GmbH
Current assignee: LOI Thermprocess GmbH
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Wärmebehandeln von Bändern, Blechen, oder Drähten aus Stahl in einer Charge in Form von mindestens einem Coil unter Schutzgas in mindestens einem Ofenraum (G1, G2), wobei die Charge nach mindestens einer Heizphase in einer ersten Kühlphase und einer anschließenden zweiten Kühlphase mit unterschiedlichen Kühlgeschwindigkeiten abgekühlt wird, wobei in der zweiten Kühlphase Schutzgas aus dem Ofenraum (G1, G2) abgeführt und in einen Wärmetauscher (1) unter Abgabe von Wärme an einen Wärmeträger abgekühlt und anschließend in den Ofenraum (G2, G2) rückgeführt wird. Erfindungsgemäß wird als Wärmeträger ein temperaturfester flüssiger Wärmeträger, verwendet, der in Abhängigkeit von der Temperatur der Charge entweder in einem ersten Wärmeträger-Kreislauf A durch einen ersten Wärmeübertrager (9) zum Auskoppeln von Wärme auf hohem Temperaturniveau oder in einen zweiten Wärmeträger-Kreislauf B durch einen zweiten Wärmeübertrager (10) zum Auskoppeln von Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau strömt. Als Wärmeträger wird vorzugsweise ein Thermoöl verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Wärmebehandeln von Bändern, Blechen, oder Drähten aus Stahl in einer Charge in Form von mindestens einem Coil unter Schutzgas in mindestens einem Ofenraum (G1, G2), wobei die Charge nach mindestens einer Heizphase in einer ersten Kühlphase und einer anschließenden zweiten Kühlphase mit unterschiedlichen Kühlgeschwindigkeiten abgekühlt wird, wobei in der zweiten Kühlphase Schutzgas aus dem Ofenraum abgeführt und in einen Wärmetauscher unter Abgabe von Wärme an einen Wärmeträger abgekühlt und anschließend in den Ofenraum rückgeführt wird.
Viele Wärmebehandlungsprozesse in Industrieöfen erfolgen in einer Schutzgasatmosphäre bzw. unter Schutzgas, welches entsprechend den jeweiligen Anforderungen aus einem oder mehreren unterschiedlichen Gasen bestehen kann. Das Schutzgas kann beispielsweise neutrales Inertgas wie Stickstoff und/oder ein reduzierendes Gas wie Wasserstoff oder ein kohlenstoffhaltiges Gas oder eine Mischung von Gasen sein.
Ein wesentliches Wärmebehandlungsverfahren ist das Glühen von Coils unter Schutzgas, welches in der Regel in Haubenglühanlagen durchgeführt wird.
Eine Haubenglühanlage weist mindestens zwei Glühsockel auf, wobei jeder Glücksockel mit einer Schutzhaube einen Ofenraum bildet. Je nach Anforderung werden während der Wärmebehandlung über die Schutzhaube eine Heizhaube oder eine Kühlhaube gesetzt.
Die zu glühende Charge wird auf den Glühsockel platziert und mit der Schutzhaube gasdicht verschlossen. Die Heizhaube oder die Kühlhaube umgibt die Schutzhaube konzentrisch unter Bildung eines Zwischenraums. Die Heizhaube kann eine elektrische Beheizung oder brennstoffbetriebene Brenner aufweisen. Der Glühprozess erfolgt unter Schutzgas in Form von Wasserstoff. Die Kühlhaube weist in der Regel eine Luftkühlung auf, wobei in dem Zwischenraum eine Kühlluft-Strömung erzeugt wird.
Der Glühprozess bzw. ein Glühzyklus ist in mindestens zwei Phasen geteilt und zwar in mindestens eine Heizphase und mindestens eine Kühlphase. In der Heizphase befindet sich eine Heizhaube auf dem Glühsockel über der Schutzhaube und erwärmt die Charge bzw. das Glühgut auf die entsprechende Glühtemperatur. Nach Beendigung der Heizphase wird die Heizhaube gezogen und eine Kühlhaube auf den Glühsockel aufgesetzt.
In der Heizphase als auch in der Abkühlphase ist die Einhaltung spezifischer Anwärm- und Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich, daher erfolgt die Abkühlung der Charge bzw. des Glühgutes zunächst während einer ersten Kühlphase langsam mittels Luftkühlung der Kühlhaube (Langsamkühl-Phase). Diese Phase kann mehrere Stunden, beispielsweise 4 bis 6 Stunden, dauern. Nach einer vorgegebenen Prozesszeit kann in einer zweiten Kühlphase (Schnellkühl-Phase) eine Schnellkühleinrichtung mit einem externen Wärmetauscher in Form beispielsweise eines Wasser-Wärmetauschers, zugeschaltet werden. Der Wärmetauscher kann extern angeordnet sein oder auch intern im Sockel untergebracht sein.
Aus der Praxis bekannte Schnellkühleinrichtungen weisen eine Schutzgasleitung mit einem Ventilator, einem Wärmetauscher und die üblichen zugehörigen Regel- und Messorgane auf. Die Schutzgasleitung ist eingangsseitig und ausgangsseitig an den Glühsockel bzw. den Ofenraum angeschlossen.
Bei den bekannten Anlagen fördert der Ventilator das heiße Schutzgas bzw. die Schutzgasatmosphäre, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Ofenraum heraus durch den wassergekühlten Wärmetauscher, wo die Prozesswärme bzw. die Abwärme der Charge auf niedrigem Temperaturniveau mittels Kühlwasser abgeführt wird. Das abgekühlte Schutzgas wird im geschlossenen Kreislauf zurück in den Ofenraum geleitet, wo das Schutzgas mit Hilfe einer sockelinternen Gasumwälzungseinrichtung um die Charge gewälzt wird, um diese abzukühlen.
Die Charge wird während der zweiten Kühlphase (Schnellkühl-Phase) mit Hilfe des Schnellkühlers rasch abgekühlt. Die Schnellkühl-Phase dauert so lange an, bis eine gewünschte Endtemperatur der Charge erreicht wird. Danach wird diese Kühlphase beendet, die Kühlhaube gezogen und die Charge abgepackt.
Bei Haubenglühanlagen zur Wärmebehandlung von Stahlband unter Schutzgas wird die Charge nach dem Glühprozess von ca. 600 bis 700°C auf ca. 120°C heruntergekühlt. Die dabei übertragene Wärmeenergie wird derzeit an die Hallenluft oder an das Kühlwasser abgegeben und liegt dort auf niedrigem Temperaturniveau vor, was eine effektive Nutzung erschwert.
Die Nutzung der Kühlabwärme zur Heißwasserbereitung ist bekannt und auf einfache technische Art und Weise zu realisieren, allerdings fehlen meistens geeignete Abnehmer.
Ferner sind Verfahren und Einrichtungen bekannt, die Wärme der abzukühlenden Charge zur Vorwärmung einer kalten Charge zu verwenden. Nachteilig ist dabei, dass der Vorwärmbetrieb stets zusätzliche Zeit benötigt und damit die Durchsatzleistung verringern kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, diese Mängel zu beheben. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Nutzung von Hochtemperaturwärme für energetisch hochwertige Anwendungen zu ermöglichen, ohne die Durchsatzleistung der Anlage einzuschränken.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Erfindungsgemäß wird als Wärmeträger ein temperaturfester flüssiger Wärmeträger verwendet, der in Abhängigkeit von der Temperatur der Charge entweder in einem ersten Wärmeträger-Kreislauf A durch einen ersten Wärmeübertrager strömt, in dem Wärme auf hohem Temperaturniveau ausgekoppelt wird oder in einen zweiten Wärmeträger-Kreislauf B durch einen zweiten Wärmeübertrager strömt, in dem Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau ausgekoppelt wird.
Vorzugsweise wird als Wärmeträger Thermoöl verwendet.
Erfindungsgemäß wird in der ersten Kühlphase die Charge langsam über mehrere Stunden abgekühlt, wobei in der ersten Kühlphase das Schutzgas in dem Wärmetauscher Wärme an den Wärmeträger abgibt, der in dem ersten Wärmeträger-Kreislauf A durch den ersten Wärmeübertrager strömt, in dem Wärme auf hohem Temperaturniveau ausgekoppelt wird.
Nach der Erfindung wird mit der Auskoppelung von Wärme mittels des im ersten Wärmeträger-Kreislauf A eingebundenen ersten Wärmeübertragers begonnen, wenn die Chargentemperatur mindestens 550°C beträgt.
Vorzugsweise wird mittels des im ersten Wärmeträger-Kreislauf A eingebundenen ersten Wärmeübertragers Wärme zu einer Energiewandlungsanlage übertragen, um Wärme in elektrische Energie umzuwandeln.
Vorzugsweise ist der Volumenstrom des Wärmeträgers im ersten Wärmeträger-Kreislauf A deutlich geringer als der Volumenstrom der Wärmeträger im zweiten Wärmeträger-Kreislauf B, um die Kühlleistung auf das technologisch notwendige Maß zu begrenzen und um den Wärmeträger maximal zu erwärmen.
Die Erfindung beinhaltet ferner eine Anlage zum Wärmebehandeln von Bändern, Blechen, oder Drähten aus Stahl in einer Charge in Form von mindestens einem Coil unter Schutzgas in mindestens einem beheizbaren Ofenraum. An den Ofenraum ist eine Schutzgasleitung S eingangs- und ausgangsseitig angeschlossen, derart dass Schutzgas aus dem Ofenraum abgeführt und in einen Wärmetauscher unter Abgabe von Wärme an einen Wärmeträger abgekühlt und anschließend in den Ofenraum rückgeführt wird.
Die Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher einen Wärmeträger-Zufluss und einen Wärmeträger-Abfluss aufweist, welche in Abhängigkeit von der Temperatur der Charge entweder mit mindestens einem ersten Wärmeträger-Kreislauf A oder einem zweiten Wärmeträger-Kreislauf B verbindbar sind, dass in dem ersten Wärmeträger-Kreislauf A ein erster Wärmeübertrager zum Auskoppeln von Wärme auf einem hohen Temperaturniveau eingebunden ist und dass sich in dem zweiten Wärmeträger-Kreislauf B ein zweiter Wärmeübertrager zum Auskoppeln von Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau eingebunden ist.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung sind in dem Wärmetauscher der Wärmeträger-Zufluss und der Wärmeträger-Abfluss mittels Dreiwegeventilen mit dem ersten Wärmeträger-Kreislauf A oder dem zweiten Wärmeträger-Kreislauf B verbunden.
Vorzugsweise weisen der erste Wärmeträger-Kreislauf A und der zweite Wärmeträger-Kreislauf B geregelte Überströmventile auf.
Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Wärmetauscher sämtlicher Ofenräume in einer Anlage an den ersten Wärmeträger-Kreislauf A und den zweiten Wärmeträger-Kreislauf B angeschlossen sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.
Die Zeichnung zeigt in
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Anlage zum Wärmebehandeln von Bändern, Blechen oder Drähten aus Stahl.
Es handelt sich um eine Haubenglühanlage mit acht Glühsockeln, von denen zwei Glühsockel G1, G2 schematisch dargestellt sind. Auf den Glühsockeln befindet sich je eine Charge unter Schutzgas in einem Ofenraum, der mittels einer nicht dargestellten Schutzhaube gebildet wird. Während einer Heizphase befindet sich eine nicht dargestellte Heizhaube auf dem Glühsockel über der Schutzhaube und erwärmt die Charge bzw. das Glühgut auf die entsprechende Glühtemperatur.
In dem Ofenraum wird die Charge nach der Heizphase in einer ersten Kühlphasen und einer anschließenden zweiten Kühlphase mit unterschiedlichen Kühlgeschwindigkeiten abgekühlt, wobei sowohl in der ersten als auch in der zweiten Kühlphase Schutzgas aus dem Ofenraum G1, G2 abgeführt und in einen Wärmetauscher 1 unter Abgabe von Wärme an einen Wärmeträger abgekühlt und anschließend in den Ofenraum G1, G2 rückgeführt wird.
An jeden Ofenraum ist je eine Schutzgasleitung S eingangs- und ausgangsseitig derart angeschlossen, dass ein Schutzgasstrom abgeführt, einem Wärmetauscher 1 zugeführt, mittels eines temperaturfesten flüssigen Wärmeträgers abgekühlt und von einem Ventilator 11 im Kreislauf in den jeweiligen Ofenraum rückgeführt wird. Als Wärmeträger wird ein Thermoöl verwendet.
Jeder Wärmetauscher 1 weist einen Wärmeträger-Zulauf 1a und einen Wärmeträger-Rücklauf 1b auf. Bei dem in 1 links dargestellten Glühsockel G1 ist der Wärmeträger-Rücklauf 1b an den heißen Strang 2 eines Wärmeträger-Kreislaufes A angeschlossen. Der Wärmeträger-Zulauf 1a ist an den kalten Strang 3 des Wärmeträger-Kreislaufes A angeschlossen. Der Wärmeträger-Kreislauf A dient dazu, Wärme auf einem hohen Temperaturniveau auszukoppeln. Von dem Schutzgas wird Wärme in einer ersten Kühlphase, einer Langsamkühl-Phase, an den heißen Thermoöl-Kreislauf A abgeben und ausgekoppelt. In hohem Temperaturbereich (Chargentemperatur größer als 550°C) wird über mehrere Stunden Wärme mit einer hohen Temperatur ausgekoppelt. Über der SchutzKühlphase befindet sich die Kühlhaube
Während einer zweiten Kühlphase, einer Schnellkühl-Phase, gibt das Schutzgas Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau an den Wärmeträger ab, der in einem Wärmeträger-Kreislaufes B bzw. Thermoöl-Kreislauf B strömt. Bei dem in 1 rechts dargestellten Glühsockel G2 ist der Wärmeträger-Rücklauf 1b an den heißen Strang 5 des Wärmeträger-Kreislaufes B angeschlossen. Der Wärmeträger-Zulauf 1a ist an den kalten Strang 4 des Wärmeträger-Kreislaufes B angeschlossen.
Das Thermoöl wird in dem Wärmeträger-Kreislauf A und Wärmeträger-Kreislauf B mittels je einer Förderpumpe 6 umgewälzt.
Beide Thermoöl-Kreisläufen A und B weisen geregelte Überströmventile 7 bzw. 8 auf, welche dazu dienen, die Umwälzung sicherzustellen, selbst wenn kein Glühsockel zu den Thermoöl-Kreisläufen A, B zugeschaltet ist.
Der Thermoöl-Kreislauf A weist auf der heißen Seite einen Wärmeübertrager 9 in Form einer Wärmeauskopplung zu einer Energiewandlungsanlage auf, in der die Wärme in mechanische bzw. elektrische Leistung, z. B. zu einem Dampfkraft-Prozess, umgewandelt wird.
Der kalte Thermoöl-Kreislauf B weist auf seiner heißen Seite eine Rückkühlanlage 10 gegen Luft, Wasser oder ähnliches auf.
Erfindungsgemäß ist der Wärmeträger-Zufluss 1a und der Wärmträger-Abfluss 1b eines jeden Wärmetauschers 1 mittels Dreiwegeventilen 12 mit dem Thermoöl-Kreislauf A und dem Thermoöl-Kreislauf B verbunden.
Im hohen Temperaturbereich, d. bei Chargentemperatur höher als ca. 550°C, sind die Dreiwegeventile 12 so geschaltet, dass der heiße Thermoöl-Kreislauf A bedient wird (1 links). Das Thermoöl hat eine hohe Temperatur von max. 350°C. Die Wärme wird an die Energiewandlungsanlage 9 ausgekoppelt und das Thermoöl wird entsprechend abgekühlt.
Um die Kühlleistung auf das technologisch notwendige Maß zu begrenzen und um das Thermoöl maximal zu erwärmen, ist erfindungsgemäß der Volumenstrom im Thermoöl-Kreislauf A deutlich geringer als im Thermokreis-Kreislauf B.
Ist die Charge auf dem Glühsockel so weit abgekühlt, dass die Kühlung mit maximaler Intensität erfolgen kann (Schnellkühl-Phase), wird der Wärmetauscher 1 durch Umschaltung der Dreiwegeventile 12 aus dem Thermoöl-Kreislauf B bedient, (1 rechts). Für die maximale Kühlleistung ist der hier umgewälzte Volumenstrom des Thermoöls deutlich größer als im Thermoöl-Kreislauf A. Das Thermoöl wird im Thermoöl-Kreislauf B über eine Rückkühlanlage 10 abgekühlt und erneut dem Glühsockel zugeführt.
Sämtliche Glühsockel einer Anlage sind an die beiden Thermoöl-Kreisläufe A und B angeschlossen.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung können beachtliche Vorteile erzielt werden:

– Bereitstellung von Hochtemperatur-Abwärme;
– Keine Nachteile in der Durchsatzleistung;
– Die grundsätzliche Anordnung von einem Wärmetauscher pro Glühsockel bleibt erhalten.

Hinzu kommt, dass die Prozesse auf den Glühsockeln unabhängig voneinander ablaufen können.

Im Rahmen der Erfindung sind Abwandlungen möglich. So kann nach Beendigung der Heizphase die Heizhaube gezogen und während der ersten und/oder der zweiten Kühlphase eine Kühlhaube auf den Glühsockel aufgesetzt werden, mittels der die Charge zusätzlich mittels Luft gekühlt wird. Bezugszeichenliste

1	Wärmetauscher
1a	Wärmeträger-Zufluss
1b	Wärmeträger-Abfluss
2	heißer Strang des Wärmeträger-Kreislaufes A
3	kalter Strang des Wärmeträger-Kreislaufes A
4	kalter Strang des Wärmeträger-Kreislaufes B
5	heißer Strang 5 des Wärmeträger-Kreislaüfes B
6	Förderpumpe
7	Überströmventil im Wärmeträger-Kreislaufes A
8	Überströmventil im Wärmeträger-Kreislaufes B
9	Wärmeübertrager
10	Rückkühlanlage
11	Ventilator
12	Dreiwegeventil

Claims

Verfahren zum Wärmebehandeln von Bändern, Blechen, oder Drähten aus Stahl in einer Charge in Form von mindestens einem Coil unter Schutzgas in mindestens einem Ofenraum (G1, G2), wobei die Charge nach mindestens einer Heizphase in einer ersten Kühlphase und einer anschließenden zweiten Kühlphase mit unterschiedlichen Kühlgeschwindigkeiten abgekühlt wird, wobei in der zweiten Kühlphase Schutzgas aus dem Ofenraum (G1, G2) abgeführt und in einen Wärmetauscher (1) unter Abgabe von Wärme an einen Wärmeträger abgekühlt und anschließend in den Ofenraum (G2, G2) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträger ein temperaturfester flüssiger Wärmeträger verwendet wird, der in Abhängigkeit von der Temperatur der Charge entweder in einem ersten Wärmeträger-Kreislauf A durch einen ersten Wärmeübertrager (9) zum Auskoppeln von Wärme auf hohem Temperaturniveau oder in einen zweiten Wärmeträger-Kreislauf B durch einen zweiten Wärmeübertrager (10) zum Auskoppeln von Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau strömt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträger Thermoöl verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Kühlphase die Charge langsam über mehrere Stunden abgekühlt wird und dass in der ersten Kühlphase das Schutzgas in dem Wärmetauscher (1) Wärme an den Wärmeträger abgibt, der in dem ersten Wärmeträger-Kreislauf A durch den ersten Wärmeübertrager (9) zum Auskoppeln von Wärme auf hohem Temperaturniveau strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auskoppelung von Wärme mittels des im ersten Wärmeträger-Kreislauf A eingebundenen ersten Wärmeübertrager (9) begonnen wird, wenn die Chargentemperatur mindestens 550°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des im ersten Wärmeträger-Kreislauf A eingebundenen ersten Wärmeübertragers (9) Wärme zu einer Energiewandlungsanlage übertragen wird, um die Wärme in elektrische Energie umzuwandeln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Wärmeträgers im ersten Wärmeträger-Kreislauf A deutlich geringer ist als der Volumenstrom der Wärmeträger im zweiten Wärmeträger-Kreislauf B.
Anlage zum Wärmebehandeln von Bändern, Blechen, oder Drähten aus Stahl in einer Charge in Form von mindestens einem Coil unter Schutzgas in mindestens einem beheizbaren Ofenraum (G1, G2), wobei an den Ofenraum (G1, G2) eine Schutzgasleitung (S) eingangs- und ausgangsseitig angeschlossen ist, derart, dass Schutzgas aus dem Ofenraum (G1, G2) abgeführt und in einen Wärmetauscher (1) unter Abgabe von Wärme an einen Wärmeträger abgekühlt und anschließend in den Ofenraum (G1, G2) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) einen Wärmeträger-Zufluss (1a) und einen Wärmeträger-Abfluss (1b) aufweist, welche in Abhängigkeit von der Temperatur der Charge entweder mit mindestens einem ersten Wärmeträger-Kreislauf A oder einem zweiten Wärmeträger-Kreislauf B verbindbar sind, dass in dem ersten Wärmeträger-Kreislauf A ein erster Wärmeübertrager (9) zum Auskoppeln von Wärme auf einem hohen Temperaturniveau und dass in dem zweiten Wärmeträger-Kreislauf B ein zweiter Wärmeübertrager (10) zum Auskoppeln von Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau eingebunden sind.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmetauscher (1) der Wärmeträger-Zufluss (1a) und der Wärmeträger-Abfluss (1b) des mittels Dreiwegeventilen (12) mit dem ersten Wärmeträger-Kreislauf A oder dem zweiten Wärmeträger-Kreislauf B verbunden sind.
Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeträger-Kreislauf A, und der zweite Wärmeträger-Kreislauf B geregelte Überströmventile (7, 8) aufweisen.
Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (1) sämtlicher Ofenräume (G1, G2) in einer Anlage an den ersten Wärmeträger-Kreislauf A und den zweiten Wärmeträger-Kreislauf B angeschlossen sind.