用于处理金属条带的保护性气体室中保护性气体气氛的控制方法

摘要

所述发明的主题是由一种用于对金属条带（3）连续处理的保护性气体室（2）中的气氛进行控制的方法形成的。在此，该金属条带（3）经由多个锁（4）而被引导进入和离开该保护性气体室（2）。至少一个锁（4）具有至少两个密封元件（5，6）以用于该金属条带（3）从中通过，其结果是在这两个密封元件（5，6）之间形成了一个密封室（7）。根据本发明，测量了在该保护性气体室（2）中的以及在该锁（4）的密封室（7）中的气体压力（P2，P

说明书

本发明的主题是由一种对用于连续处理金属条的保护性气体室中的气 氛进行控制的方法形成的，该金属条带通过多个锁被引导进入并且离开该 保护性气体室，并且这些锁中的至少一个具有两个或更多密封元件以供该 金属条带从中通过，其结果是在这些密封元件之间形成了至少一个密封室 。

在用于扁平材料的连续运行热处理炉中，通过使用氮气-氢气混合物的 还原气氛来保护该条带免于氧化。通常，炉中的氢气含量整体保持为低于 5%。

然而，现在炼钢行业中正越来越需要可以用两种不同的保护性气体气 氛工作的炉设施。例如，在高强度钢产品的生产中，在快速冷却区域（射 流冷却区段）中需要高的氢气含量（15%至80%H2）并且在炉的其他区域 需要低的氢气含量（<5%H2）。

在电炼钢的生产中，在加热区域、浸没区域以及慢速冷却区域中需要 高的氢气含量（50%至100%），而在炉的其他区域需要中等的氢气含量（0 至70%H2）。

炉的这些单独区域必须通过对应的锁彼此分开，准确的说其方式为使 得有待处理的金属条带可以通过该炉的具有对应气体气氛的这些单独区 域而没有太多气体能够在这个过程中通过这些锁而逃逸。

此外，必须通过对应的多个锁将该炉与周围环境并且与设备的其他物 件密封隔离。不同炉室之间或一个炉室与周围环境之间的气体流动是由以 下因素造成的：

a.)这些气氛气体流速（进口/出口）的不相等：注入某个室的气体量 并不对应于从同一个室中去除的气体量，为此原因，这个差值流入了第二 室中或流入了开放环境中。

b.)由两个室之间的温度差造成的对流作用（在立式炉中）：最轻（最 热）的气体向上流动并且最重（最冷）的气体向下流动，由此在这些室中 形成了气氛气体的循环。

c.)由于该气氛气体中的温度波动而造成的该气体的膨胀或收缩：这些 温度波动是由工艺本身（炉温度的改变、生产线运行速率的改变、循环风 扇的接通/关掉等等）所导致的并且是不可避免的。

d.)条带移动：由于该气体的粘度，气体流入条带附近区域、甚至是在 条带通行方向上。因此，某一量值的气体随着该条带从一个室夹带到另一 个室。

目前，主要使用两种不同类型的锁。一方面，使用多个单一的密封件， 这些密封件是由一对金属密封滚轮、或一对密封瓣、或一个密封瓣与一个 密封滚轮的组合而形成的。然后金属条穿过该滚轮/瓣间隙被引导到炉中。

另一方面，使用了带有氮气注入的双重密封。这些包括双对的金属密 封滚轮或双对的瓣、或一个双密封瓣/密封滚轮装置、或两个上述密封装置 的组合，其中氮气被注入这两个密封装置之间的空间内。由此氮气以固定 的流速或可以由操作员调整的流速被引入。没有提供相对于这些工艺参数 而对流速的自动调节。

这样的密封锁被用于例如连续退火生产线和连续镀锌生产线中，以便 实现炉气氛与外部区域之间（入口密封或排放喷嘴密封）以及两个不同燃 烧室之间的隔离。在此情况下，例如，一个燃烧室可以通过直接燃烧而被 加热并且第二个燃烧室可以通过辐射管来被加热。

如果必须避免气体在一个特定方向上流动穿过该锁、但允许相反方向 上的相对高的气体流动，则这些密封件产生了令人满意的结果。

例如，来自直接燃烧的炉的燃烧产物向一个通过辐射管加热的炉的流 动是被禁止的，但是相对大量的气体可以在相反方向上流动穿过。类似地， 来自直接燃烧的炉的废气流出到开放环境中是被禁止的，但是允许来自周 围环境的某个空气流流入该炉中。在用辐射管燃烧的炉室中，应该避免空 气的进入，而允许某个量值的保护性气体从炉中逃逸到周围环境中。这在 锌锅被移除时同样适用于吹管区域。

典型地，在两个炉室之间在一个方向上穿过常规锁的气体流动为零并 且在相反方向上是在从200至1000Nm³/h的范围内。这样的流速仅在这两 个炉室内的压力可以被调节在某个容许值之内时才实现。然而，如果在这 两个炉室之一中的压力是波动在这个容许值之外的话，则该锁不再是有效 的。

这些单一密封件并不令人满意地应对在变化的操作条件下出现的压力 波动。因此，该气氛气体的化学组成不能得到精确地调节，因为在这两个 室中不可避免的压力波动将引起在一个方向或另一个方向上的交替的气 氛气体流动。

带有恒定量的氮气注入的常规双重密封同样对于这些燃烧室内的压力 波动是敏感的。这些燃烧室内的该气氛气体的化学组成不能得到准确的调 节，因为取决于压力条件，注入的氮气交替地流入一个室或另一个室中、 或流入这两个室中。

因此，这些常规的密封系统没有充分地分离该气氛气体并且在某种程 度上引起了气氛气体消耗的显著增加。

在WO2008/000945A1中描述了一种确保良好的气氛隔离的常规双重 密封。然而，这种技术的弱点在于气氛气体的高消耗，这造成了更高的运 行成本并且甚至妨碍了在用于硅钢的炉中的应用。

在用于硅钢的炉的情况下，入口密封通常由一对金属密封滚轮和一系 列的帘幕组成。该炉内的气氛隔离通常是通过一个耐火粘土壁中的单一开 口而发生，并且出口密封要么由多个软覆盖的滚轮（海帕龙（Hypalon）或 弹性体）组成要么由耐火纤维组成。

这样的密封系统具有的缺点是，在入口密封的情况下，存在着含氢气 的气氛穿过该滚轮间隙（1至2mm）的恒定泄漏。这种气体不断地燃烧。 这种内部密封由于这个开口的大小（100至150mm）而导致差的分离性能， 并且这种出口密封不能在>200℃的高温下使用。

本发明的目的是提供一种用于对穿过锁的气体流动进行调节的调节方 法，该方法确保了高度的气氛气体隔离并且降低了气氛气体的消耗。

这个目的是通过一种调节方法实现的，其中测量了在至少一个保护性 气体室中的和该锁的密封室中的气体压力，并且其中对该密封室内的压力 进行调节，准确的说是使得在运行过程中，该保护性气体室与该密封室之 间的压力差（ΔP_密封件）在最大程度上保持为高于或低于临界压力差（ΔP_密封件,k）的一个预定值。

在此情况下这个临界压力差（ΔP_密封件,k）是该保护性气体室与该锁之 间的气体流动被逆转时的值。因此，在这个临界压力差（ΔP_密封件,k）下， 在该保护性气体室与该密封室之间不会发生气体流动。然而，这个临界压 力差（ΔP_密封件,k）不一定必须具有为零的值；但是在这个值下该保护性气 体室中的和该密封室中的压力将相同，尽管如此在这些室之间可能存在气 体流动，因为金属条带在其表面上随之输送了某一量值的气体。

由于该密封室的体积小，这个室中的压力可以通过注入或排出少量的 气体而快速且准确地调节。

由于该密封室内的这种准确压力调节，这个压力差（ΔP_密封件）可以优 选地保持为接近于该临界压力差（ΔP_密封件,k）的值。因此，该气氛气体流 入或流出该保护性气体室的流速被减小到一个最小值。

如果设定的压力差（ΔP_密封件）被保持在距该临界压力差（ΔP_密封件,k） 一个恒定余量内，尽管这个余量应保持尽可能的小，这都是有利的。该临 界压力差（ΔP_密封件,k）典型地置于0与100Pa之间，并且该设定的压力差 与该临界压力差之间的余量典型地置于5与20Pa之间。

这种方法允许在多个保护性气体室之间的气氛隔离中实现良好的性能 而同时具有相对低的保护性气体消耗（从10至200Nm³/h）。它还允许实 现该保护性气体室与周围环境的良好隔离。

该密封室中的压力可以通过一个调节阀和气体供应、或者通过一个调 节阀和一个负压源来进行调节。该负压源可以例如是一个排风扇、一个烟 道或周围环境。

根据本发明的方法也非常适合于NGO硅钢生产线。在这样的生产线 的情况下，一个室内的具有95%H₂的气氛必须与第二个室中具有10%H₂的气氛进行隔离，而该锁的氢气消耗应当小于50Nm³/h。

该方法还非常适合于用于C钢的连续退火生产线或镀锌生产线中的快 速冷却。在此，具有30%-80%H₂的气氛必须与具有5%H₂的气氛进行隔 离，而该锁的氢气消耗应当小于100Nm³/h。

通过根据本发明的方法，在镀锌生产线中，锌粉从吹管到炉中的传递 也可以被最小化，准确的说特别是在用于金属条带的锌-铝涂覆的生产线的 情况下。

在本发明的一个实施例中，根据本发明的锁被安排在该保护性气体室 与一个另外的具有保护性气体气氛的处理室之间。

在此情况下该金属条带可以首先被引导穿过该另外的处理室并且然后 穿过该保护性气体室，或者它可以被首先引导穿过该保护性气体室并且然 后穿过该另外的处理室。

有利的是如果该临界压力差（ΔP_密封件,k）的预定值是通过一个数学模 型计算出的，该数学模型优选地考虑了金属条带的速度、这两个密封元件 的间隙开口、该保护性气体的特性以及该金属条带的厚度。

可取的是如果这两个密封元件的最佳间隙开口是基于该保护性气体的 特性以及该金属条带的厚度来计算的。

下面在附图基础上描述根据本发明的这种方法，在附图中：

图1示出了本发明的第一变体，带有用于密封室的一个气体供应系统；

图2示出了对于一种用于根据图1的第一变体的调节方法而言这些室 中的压力变化；

图3示出了对于另一种用于根据图1的第一变体的调节方法而言这些 室中的压力变化；

图4示出了本发明的第二变体，其中该密封室连接至一个负压系统上；

图5示出了对于一种用于根据图4的第二变体的调节方法而言这些室 中的压力变化；

图6示出了对于另一种用于根据图4的第二变体的调节方法而言这些 室中的压力变化。

现在在一个锁4的基础上来描述该调节方法，该锁位于一个第二室1 （另外的处理室1）与一个保护性气体室2之间。同样的原则也适用于以 下情况：如果锁4位于一个

保护性气体室2与外部区域之间，该外部区域被认为是填充有恒定空气压 力的一个第二室1。

这些图中表示的压力P和流速F定义如下：

P1=第二室1或外部区域1中的压力

P2=保护室2中的压力

P_D=密封室7中的压力

ΔP_室=P2–P1（=保护性气体室2与第二室1之间的压力差或保护 性气体室2与外部区域之间的压力差）

ΔP_密封件=P_D-P2（=密封室7与保护性气体室2之间的压力差）

ΔP_密封件,k=密封室7与保护性气体室2之间的临界压力差=保护性 气体室2与密封室7之间的气体流动方向F2发生改变（逆转）时的压力 差(P_D-P2)

F2=保护性气体室2与密封室7之间的气氛气体的流速

F1=密封室7与第二室1之间的气氛气体的流速

F_D=被注入密封室7中或被排出的气氛气体的流速

在图1中，该第二室1和保护性气体室2被显示为具有置于其间的锁 4。这个锁4由一个第一密封元件5和一个第二密封元件6组成，该密封 室7位于它们之间。

这两个室1和2中的保护性气体的组成（N₂含量、H₂含量、露点）以 及室1和室2中的对应压力P1和P2通过两个分开的混合站来调节。这种 通过混合站进行的调节是在常规控制件的基础上进行的。该换言之，该保 护性气体气氛的化学组成是通过对注入的气氛气体的N₂、H₂、和H₂O含 量进行适配来调节的，并且压力调节是通过对注入室1、2中的气氛气体 的流速进行适配而发生的。这种气氛气体通过多个开口而从室1、2中排 出，这些开口具有固定的设置或者是可调整的。

这些密封元件5和6可以对应地由两个滚轮或两个瓣或一个滚轮与一 个瓣形成，金属条带3被引导在它们之间。这些滚轮或瓣之间的间隙是限 定的并且同时考虑了室1（2）中的气氛气体的特性（化学组成、温度）以 及条带的厚度。它可以具有固定的设置或者是可调整的，这取决于该气氛 气体的特性以及条带尺寸的波动范围。如果该间隙是可调整的，则根据条 带的厚度、气氛气体的化学组成以及根据条带的温度来对其进行预先设定 。

这些密封元件5和6中的开口的大小取决于该间隙、条带尺寸（宽度 、厚度）、以及其余的结构上所必须的开口。为了实现良好的密封性能， 这些密封元件5、6中的开口必须对应地是小的。

密封室7内在这两个密封元件5、6之间的压力P_D可以通过调节阀10 来调整。调节阀10对被注入密封室7中或被排出的气体的流速进行调整 。在图1中，该调节阀10连接到一个气体供应8上；因此密封室7中的 压力是通过调节向密封室7的气体供应来进行调节。

室压力P1和P2是通过两个独立的压力调节回路来进行调节的。为了 调节锁4，测量了密封室7中以及保护性气体室2中的压力P_D。这个压力 P_D保持为接近该保护性气体室2中的压力P2。

在图1呈现的实例中，ΔP_密封件被固定为P_D-P2。因此将这个压力P_D调节成即使压力P2改变也使得ΔP_密封件在最大程度上保持恒定。

通过根据图1的装置，例如就有可能寻求对于锁4的两种压力调节策 略：

1.)要避免保护性气体室2的污染：

其目的是为了避免气氛气体通过锁4进入该保护性气体室2中，以便 使得可以对这个室内的化学组成进行调节。然而，其目的还是为了将气氛 气体从保护性气体室2中的逃逸最小化，以便使得该保护性气体室2的气 体消耗可以最小化。

图2示出了室1、2和7中的压力变化。第二室1中的压力P1被设定 为低于保护性气体室2中的压力P2，而密封室中的压力P_D被设定在P1与 P2之间、但是仅略低于保护性气体室2中的压力P2。

如果保护性气体室2中的压力P2变化，则压力P_D被相应地调整，以 便保持压力差ΔP_密封件=P_D-P2尽可能地恒定。ΔP_密封件在此为负。气氛气 体流入和流出该保护性气体室2的流速F2是通过这个压力差ΔP_密封件来调 节的。

如果保持ΔP_密封件低于该临界压力差ΔP_密封件,k的值，则没有气氛气体 进入该保护性气体室2内。将ΔP_密封件调节成尽可能接近值ΔP_密封件,k则允 许该气氛气体从保护性气体室2中逃逸的流速F2被最小化。这个流速F_D是由用于调节ΔP_密封件的该压力调节回路确定的，而流速F1是从F2+F_D获得的。

这种调节策略适合于以下应用：其中该保护性气体室2中的化学组成 必须进行最优地调节。这种策略可以例如很好地用于具有高H₂含量的连续 退火生产线（CAL）和连续镀锌生产线（CGL）中。由此具有高H₂含量的 室形成了前文提到的保护性气体室2。这种调节策略还适用于在电炼钢热 处理的情况下具有高H₂含量的加热室、浸没室和辐射管冷却室。在此同样 地，这种具有高H₂含量的室形成了室2。

2.)要避免保护性气体从保护性气体室2中泄漏：

其目的是为了避免气氛气体从保护性气体室2中泄漏，以便使得第二 室1不被来自该保护性气体室2的一种组分所污染。然而，气氛气体进入 该保护性气体室2也将被最小化。

图3示出了室1、2和7中的压力变化，第二室1中的压力P1被设定 成低于保护性气体室2中的压力P2。密封室7中的压力P_D被设定为高于 P1和P2、但仅略高于保护性气体室2中的压力P2。

如果保护性气体室2中的压力P2变化，则压力P_D被相应地调整，以 便保持压力差ΔP_密封件=P_D-P2尽可能地恒定。ΔP_密封件在此为正。气氛气 体流入和流出该保护性气体室2的流速F2是通过这个ΔP_密封件值来调节的 。

如果保持ΔP_密封件高于（所计算出的）临界压力差ΔP_密封件,k的值，则 没有气氛气体从该保护性气体室2中逃逸。将ΔP_密封件调节成尽可能接近 值ΔP_密封件,k则允许该气氛气体流入该保护性气体室2的流速F2被最小化 。这个流速F_D是由用于调节ΔP_密封件的该压力调节回路确定的，而流速F1 是从F_D-F2获得的。

这种调节策略适用于以下应用：其中没有气氛气体可以从保护性气体 室2中逃逸并且其中该保护性气体室2不得被来自第二室1的气氛气体所 污染。例如，它可以用于调节FAL、CAL、和CGL中的输入或输出锁。 由此这个炉形成了保护性气体室2。它类似地适用于在锌-铝涂覆工艺（由 此该吹管形成了保护性气体室2）或用于具有不同露点的多个室的工艺中 的锁控制。于是这个具有高露点的室形成了保护性气体室2。

在图4中接着示出了一个变体，其中该密封室7连接至一个负压源9 上。因此，与图1相比，在图4中对密封室7中的气体压力的调节是通过 气体排出速率F_D进行。

对流出密封室7的气体的流速F_D的调节具有的作用是使得密封室7中 的压力P_D得到连续地适配。这个流出气体的流速F_D是通过一个控制阀10 来调节的，负压是通过一个排风扇或通过烟道的天然抽吸而产生。

在图4呈现的实例中，金属条带从保护性气体室2中出来而进入锁4 。然而，这种调节策略不依赖于该条带的前进方向。密封室中的压力P_D被调节成即使保护性气体室2中的压力P2改变也使得ΔP_密封件保持尽可能 恒定。

通过根据图4的装置，例如就有可能寻求两种不同的压力调节策略： 1.)要避免从保护性气体室2中泄漏：

其目的是为了避免气氛气体从保护性气体室2中泄漏，以便使得第二 室1不被来自该保护性气体室2的一种组分所污染；而且还是为了将气氛 气体到保护性气体室2中的进入最小化，以便使得该保护性气体室2中的 化学组成可以得到调节。

图5示出了对于用于根据图4的锁4而言在这些室1、2和7中的压力 变化。第二室1中的压力P1被设定为高于保护性气体室2中的压力P2。 密封室7中的压力P_D被设定在P1与P2之间、但仅略高于保护性气体室2 中的压力P2。

如果保护性气体室2中的压力P2变化，则压力P_D被相应地调整，以 便保持压力差ΔP_密封件=P_D-P2尽可能地恒定。因此ΔP_密封件为正。气氛 气体流入和流出该保护性气体室2的流速F2是通过这个ΔP_密封件值来调节 的。

如果保持ΔP_密封件高于压力差的临界值ΔP_密封件,k，则没有气氛气体从 该保护性气体室2中逃逸。如果将变量ΔP_密封件调节成尽可能接近值ΔP_密封件,k，则流入该保护性气体室2中的气氛气体的流速F2可以被最小化。这 个流速F_D是由用于调节ΔP_密封件的该压力调节回路确定的，而流速F1是 从F2+F_D获得的。

这种调节策略适用于以下生产线：其中没有气氛气体可以从保护性气 体室2中逃逸并且其中该保护性气体室2的流入量必须被最小化。这些应 用与图3的应用相同、但是是用于该保护性气体室2中的压力P2低于第 二室1中的情况。

2.)要避免保护性气体室2的污染：

其目的是为了避免气氛气体进入保护性气体室2中（以便使得保护性 气体室2中的化学组成可以得到调节）、而且还是为了将气氛气体从保护 性气体室2中的逃逸最小化（以便使得该保护性气体室2的气体消耗可以 被最小化）。

图6示出了室1、2和7中的压力变化。第二室1中的压力P1被设定 为高于保护性气体室2中的压力P2，而密封室7中的压力P_D被设定为低 于P1和P2、但是仅略低于保护性气体室2中的压力P2。

如果压力P2变化，则压力PD被相应地调整，以便保持压力差ΔP_密封件=P_D-P2尽可能地恒定。ΔP_密封件在此为负。气氛气体流入和流出该保护 性气体室2的流速F2是通过这个ΔP_密封件值来调节的。

如果保持ΔP_密封件低于这个临界压力差ΔP_密封件,k的值，则没有气氛气 体进入该室2内。如果将变量ΔP_密封件调节成尽可能接近值ΔP_密封件,k，则 从该保护性气体室2中逃逸的气氛气体的流速F2可以被最小化。这个流 速F_D是由用于调节ΔP_密封件的该压力调节回路确定的，而流速F1是从F_D+ F1获得的。

这个调节策略在以下情况下是非常适合的：即，该保护性气体室2中 的化学组成必须进行最优地调节、但是气氛气体从该保护性气体室2中的 流出必须被最小化；或者这两个室1、2中的化学组成必须进行最优地调 节。

由于气体穿过一个密封元件（5，6）的泄漏量是不能测量的，所以已 经开发了一种数学模型来对其进行计算。

该模型使之有可能依赖于以下参数来计算该保护性气体室2与密封室 7之间的压力差ΔP_密封件（ΔP_密封件=P_D–P2）：

该气氛气体的物理特性（例如像每单位体积的重量以及粘度）：这 些特性是从该化学组成（H₂和N₂等的百分比）以及流动穿过这些密封元 件的气氛气体的温度计算的。

密封元件5、6中的开放表面积：该开放表面积取决于在这些密封 元件中设定的间隙以及该条带的尺寸（厚度、宽度）。

生产线速度：该生产线速度是正在处理的条带的速度。

气氛气体的流速F_D、F1、F2：气氛气体穿过这些密封元件5、6 的流速F1或F2被认为是有待调节的一个参数。

锁4的构造：多种技术可用于其构造（瓣、滚轮、其他……）。该 数学模型考虑了对应的技术。

该数学模型是基于一个代表了参数之间关系的公式。计算仅要求极少 的计算量并且因此可以整合在炉控制系统中。

该数学模型写成：

ΔP_密封件=f1(ρ,μ,h,Vs)+f2(ρ,μ,h,Vg)

ΔP_密封件=密封室7与保护性气体室2之间的压力差

ρ=该气氛气体的每单位体积的重量

μ=该气氛气体的动力粘度

h=几何因数

Vg=流入或流出密封室的气氛气体的流速

Vs=生产线速度=条带速度

f1和f2是依赖于锁4的构造（滚轮、瓣）以及气体流动类型（层流、 紊流）的数学公式。

该数学模型的这些参数是通过计算机控制的仿真软件以离线形式进行 适配的。

该模型提供了密封室7与保护性气体室2之间的临界压力差ΔP_密封件,k的值，该值使得在保护性气体室2与密封室7之间没有气体流动（Vg=0） 。这个临界值ΔP_密封件,k用作调节密封室7内的压力的一种参考。压力差ΔP _密封件的设定点是基于如在上述这些实例中所描述的这个计算出的临界压力 差ΔP_密封件,k。

如果压力差ΔP_密封件高于这个临界值ΔP_密封件,k，那么气氛气体会流出 该密封室7而进入保护性气体室2中。在此同样重要的是观察到压力差ΔP _密封件和ΔP_密封件,k的对应的符号。“高于”或“以上”与表述“更多地进入 正数范围”是同义的。

如果压力差ΔP_密封件低于这个临界压力差ΔP_密封件,k的值，那么气氛气 体流出该保护性气体室2而进入该密封室7中。

再次应指出的是，压力差ΔP_密封件也可以是负的（例如在图2和图6 中）。注意到压力差ΔP_密封件低于这个临界压力差ΔP_密封件,k的值应被理解为 意味着，压力差ΔP_密封件的值与临界压力差ΔP_密封件,k的值相比更多地进入 负数范围内。

该数学模型一方面是用于计算这两个密封元件5、6的有待设定的间 隙，同时考虑了该气氛气体的特性和条带的厚度。另一方面，它是用于计 算密封室7与保护性气体室2之间的临界压力差ΔP_密封件,k的值。借助于所 计算出的临界压力差ΔP_密封件,k，于是就固定了有待设定的压力差ΔP_密封件（设定点值）。

用该数学模型计算出的这些设定参数形成了用于控制该锁的这些设定 点值。