阅读说明：本技术 用于冷却在连续生产线冷却部段中行进的钢带的方法和装置 (Method and device for cooling a steel strip travelling in a cooling section of a continuous production line ) 是由 E·马加多 于 2018-03-22 设计创作，主要内容包括：用于冷却在连续生产线的冷却部段(2)中行进的钢带(1)的方法和装置,根据该方法,所述冷却通过用甲酸水溶液喷洒所述带来执行,所述甲酸水溶液的甲酸浓度在0.1％和6％之间,并且优选地在0.5％和2％之间。(Method and device for cooling a steel strip (1) travelling in a cooling section (2) of a continuous production line, according to which the cooling is performed by spraying the strip with an aqueous formic acid solution having a formic acid concentration between 0.1% and 6%, and preferably between 0.5% and 2%.)

用于冷却在连续生产线冷却部段中行进的钢带的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于钢带的连续退火或镀锌生产线的湿式冷却部段。借由镀锌，该描述意指所有浸涂，无论涂层是锌、铝、锌和铝的合金还是任何其他类型的涂层。钢带通常在500℃和1000℃之间的温度下、例如在800℃下进入这些冷却部段，并且可以在接近环境的温度下或者在中间温度下离开。

背景技术

在现有技术中，在连续生产线应用中存在两种类型的钢带冷却技术：气体冷却和湿式冷却。

气体冷却(其通常涉及在钢带上吹高速、高氢含量的N₂H₂混合物)对于1mm厚的钢带可以实现高达200℃/s的冷却速率。由于该方法使用还原性气体，因此钢带在穿过这种类型的冷却后不会被氧化。然后可以在不存在任何中间化学步骤(例如酸洗)的情况下给带镀锌。然而，由于冷却速率被限制在200℃/s，因此气体冷却无法生产出具有先进的机械和冶金性能的钢(其需要更高的冷却速率)。

湿式冷却(通过在钢带上喷射水或水和气体的混合物，或者通过将带浸入水箱中)对于1mm厚的带可以实现大约1000℃/s的冷却速率。这种冷却速率可以生产出具有先进的机械和冶金性能的钢。然而，当使用水作为冷却剂时，所述带会被氧化，使得无法在没有中间酸洗阶段的镀锌生产线上使用这种类型的冷却。

申请人的国际申请WO2015/083047提出使用关于铁和钢合金元素具有酸洗或非氧化性质的溶液、例如pH低于5的甲酸溶液用于冷却过程，这可以对于约1mm厚的带实现大约1000℃/s的冷却速率，而不会使带氧化。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种改善现有技术中的方法的性能的钢带冷却方法。

本发明的另一个目的是提出一种与现有技术中的方法相比更有效的冷却方法。

本发明的另一个目的是提出一种与现有技术中的方法相比不那么繁琐的冷却方法。

本发明的至少一个目的通过一种用于运行穿过连续生产线的冷却部段的钢带的冷却方法来实现，所述冷却方法将喷射溶液喷射在所述钢带上，所述溶液是液体或者液体与气体的混合物，液体在所述混合物中的体积比例如在1％和5％之间。

当喷射溶液是液体时，所述溶液中的甲酸质量浓度在0.1％和6％之间。当喷射液体和气体的混合物时，所述混合物中的液体的甲酸质量浓度也在0.1％和6％之间。喷射混合物中的气体有利地是惰性气体，例如氮气或氢化氮气。

申请人已经对不同类型的钢(标准钢和与诸如锰和硅的经典合金元素合金化的钢)进行了测试，其目的是确定理想的甲酸浓度。例如，这些测试包括在两个连接器之间放置一个100mm x 40mm x 1mm的样品，并通过在样品中通入电流使其在H₂浓度为5％且露点为-60℃的N₂H₂气氛中快速地达到800℃的温度。然后在设定的时间内将甲酸溶液喷射到样品上，使其达到50℃的温度。在酸溶液喷洒完成后，将样品再加热至80℃的温度，同时用H₂浓度为5％且露点为-60℃的N₂H₂吹气。这些测试得出结论：溶液质量浓度在0.1％和6％之间的甲酸溶液足以用于获得可以在不需要中间化学处理的情况下进行镀锌的钢带。液体溶液中的甲酸浓度根据钢的具有高氧化还原电位的合金元素(例如铝、锰或硅)的含量来调节。该含量越高，溶液中的甲酸浓度越浓。

有利地，溶液的甲酸质量浓度在0.1％和5.5％之间，有利地在0.1％和5％之间，有利地在0.1％和4.5％之间，有利地在0.1％和4％之间，有利地在0.1％和3.5％之间，有利地在0.1％和3％之间，有利地在0.1％和2.5％之间，有利地在0.15％和2.5％之间，有利地在0.2％和2.5％之间，有利地在0.3％和2％之间，有利地在0.35％和2.5％之间，有利地在0.4％和2.5％之间，有利地在0.45％和2.5％之间。更有利地，溶液的甲酸质量浓度在0.46％和2.4％之间，有利地在0.47％和2.3％之间，有利地在0.48％和2.2％之间，有利地在0.49％和2.1％之间。甚至更有利地，溶液的甲酸质量浓度在0.5％和2％之间。

有利地，注意到使用溶液的质量浓度在0.5％和2％之间的甲酸溶液可用于处理具有低氧化敏感性(例如具有低的锰、铝或硅含量)的等级的钢。

有利地，待喷射溶液的pH在1.5和3之间。

用于快速冷却带(例如在1至3秒内)的甲酸溶液意味着在带被冷却后不需要对其进行其它化学处理。在迅速冷却后也不需要用水冲洗带。只用进行一次干燥过程。因此，这对于镀锌生产线特别有利，因为在湿式冷却之后，可以在简单的干燥过程之后立即将带浸入锌浴中。

甲酸是最简单的羧酸。鉴于其非常简单的化学组成，在钢带或设备壁的表面上产生复杂的碳沉积物(这将在没有进一步中间处理的情况下妨碍镀锌阶段的实施)的风险非常有限。更复杂的酸、例如柠檬酸会在带上留下大量的碳沉积物，这会妨碍适当的镀锌。

当热钢带被溶液冷却时，会发生两种独立的化学反应：

.溶液的热分解，

.带和溶液之间以及带和热分解产物之间的化学反应。

甲酸(也称为甲烷酸-化学式为HCOOH或CH₂O₂)及其分解产物具有对本发明应用非常理想的高还原性。

实际上，在低温下，甲酸在如下反应中通过脱羧分解成水和一氧化碳：

HCOOH→H₂O+CO

在较高温度下，从约150℃开始，甲酸在如下反应中通过脱水分解成二氢和二氧化碳：

HCOOH→H₂+CO₂

一旦被喷射，喷射溶液可以是雾、或水刀、或呈其他形式。

当是液态时，甲酸的分解主要通过脱羧发生，而当甲酸呈气体形式时，其分解主要通过脱水发生。

在特定的应用中，可以通过喷洒(喷雾)将溶液喷射到钢带上。

在这两种情况下，甲酸的分解都产生还原性气体，一方面是CO，或者另一方面是CO₂和H₂。

待喷射溶液优选是水溶液。与其他溶液相比，水溶液的一个优点是对环境的影响较小，因为它在使用时不会产生有毒或有害废物。水溶液与其他溶液相比也不那么繁琐。

优选地，待喷射的水溶液可以主要包含软化水。这样，钢带上的沉积物进一步受到限制。该溶液不会产生与钢铁生产国的环境标准相悖的废物，也不涉及生产每吨钢的过高附加费用。

有利地，通过喷射溶液和钢带的热化学反应产生的溶液的一部分被回收在再循环单元、优选地为再循环箱中，并且待喷射溶液取自与再循环单元相连的喷射单元，优选地取自喷射箱。通过这种方式，可以重复使用喷射溶液，从而最大限度地降低操作成本。

例如，对于标准钢的生产，用于冷却带的溶液的流速在200和1000m³/h之间，并且更通常地大约为500m³/h。只有一小部分喷射溶液因其与钢带的化学反应和热分解而变化。为了不产生过高的消耗和生产成本，重复使用、甚至回收大部分该溶液是重要的。有利地，该溶液的至少50％被回收。更有利地，该溶液的至少60％、有利地至少70％、有利地至少80％、有利地至少90％被回收。通过更有利的布置，该溶液的至少91％、有利地至少92％、有利地至少93％、有利地至少94％、有利地至少95％、有利地至少96％、有利地至少97％、有利地至少98％、有利地至少99％被回收。通过甚至更有利的布置，该溶液的100％被回收。

处于液相或气相的甲酸溶液以及其处于液相或气相的分解产物与钢带的相互作用引发不易弄清楚的反应，特别是因为它们的快速性和不寻常的温度水平。由于与带接触时溶液的蒸发和所产生的Leindenfrost效应，当前元素之间相互作用的动力学也变得复杂。使用实验方法难以量化由酸溶液和带产生的气相和液相之间的化学反应对在带的表面上观察到的效应的贡献。

有利地，本发明的方法可以包括连续或定期检查(例如每小时)再循环单元中的溶液，所述检查包括测量所述溶液的来自包括pH、密度和甲酸浓度的组的至少一个物理化学数据或这些物理化学数据的组合，并且当该测量值未落在预定的容差范围内时，再循环单元中的预定体积的溶液被抽出并且相同预定体积的甲酸溶液被注入喷射单元(13)中，注入的所述预定体积的甲酸溶液的甲酸浓度使得注入后的待喷射的液体溶液的甲酸质量浓度在0.1％和6％之间。有利地，在注入之后待喷射的液体溶液的甲酸质量浓度在0.1％和5.5％之间，有利地在0.1％和5％之间，有利地在0.1％和4.5％之间，有利地在0.1％和4％之间，有利地在0.1％和3.5％之间，有利地在0.1％和3％之间，有利地在0.1％和2.5％之间，有利地在0.15％和2.5％之间，有利地在0.2％和2.5％之间，有利地在0.3％和2％之间，有利地在0.35％和2.5％之间，有利地在0.4％和2.5％之间，有利地在0.45％和2.5％之间。更有利地，在注入之后待喷射的液体溶液的甲酸质量浓度在0.46％和2.4％之间，有利地在0.47％和2.3％之间，有利地在0.48％和2.2％之间，有利地在0.49％和2.1％之间。甚至更有利地，在注入之后待喷射的液体溶液的甲酸质量浓度在0.5％和2％之间。从再循环单元抽出的溶液的预定体积根据测量值、预定容差范围内的最小值之间的甲酸浓度差和注入溶液中的甲酸浓度来确定，使得喷射溶液再次处于所需的浓度水平。

因此，连续测量甲酸溶液的性能可确保其保持在预定的容差范围内。该容差范围例如是设定点值的+/-10％，无论这是例如甲酸浓度值、密度值还是pH值。

可以根据构成带的钢的合金元素、特别是它们对氧化的敏感性来调节甲酸浓度和容差范围。

可以根据生产线的配置、其操作模式以及加工的钢的性质、根据后者(容差范围)是否或多或少倾向于在带的表面上形成氧化物来调节甲酸浓度和容差范围。

甲酸浓度和容差范围可以例如通过对经受热循环(其代表在生产线上发生的那些热循环)的样品进行测试来确定。

再循环系统能够减少甲酸的消耗。但是，抽出的液体被损失。这就是本发明提出使用特定组件来回收所抽出的溶液的原因。

在与由钢和水分子形成的氧化物接触时，甲酸的反应如下：

2CH₂O₂+FeO→(CHO₂)₂Fe+H₂O

然后可以通过使用过氧化氢(在本说明书中也称为含氧水)氧化(CHO₂)₂Fe来处理抽出的溶液，以产生如下反应：

2(CHO₂)₂Fe+H₂O₂+2CH₂O₂→2(CHO₂)₃Fe+2H₂O

形成甲酸铁后，可以发生第二反应，再生成甲酸并产生氢氧化铁(III)：

(CHO₂)₃Fe+3H₂O→3CH₂O₂+Fe(OH)₃

这里给出的反应是针对氧化铁的，但是类似的反应可以发生在合金元素的氧化物中。

本发明的一个特定方面是指：通过使用含氧水氧化来处理抽出的溶液，然后过滤以提取铁(III)和其它合金元素的氢氧化物，注入的溶液来自过滤溶液或新溶液的再循环。借由新溶液，该描述意指溶液的甲酸质量浓度在0.1％和6％之间的溶液。有利地，新溶液的溶液甲酸质量浓度在0.1％和5.5％之间，有利地在0.1％和5％之间，有利地在0.1％和4.5％之间，有利地在0.1％和4％之间，有利地在0.1％和3.5％之间，有利地在0.1％和3％之间，有利地在0.1％和2.5％之间，有利地在于0.15％和2.5％之间，有利地在0.2％和2.5％之间，有利地在0.3％和2％之间，有利地在0.35％和2.5％之间，有利地在0.4％和2.5％之间，有利地在0.45％和2.5％之间。更有利地，新溶液的溶液甲酸质量浓度在0.46％和2.4％之间，有利地在0.47％和2.3％之间，有利地在0.48％和2.2％之间，有利地在0.49％和2.1％之间。甚至更有利地，新溶液的溶液甲酸质量浓度在0.5％和2％之间。

因此，抽出的溶液可以用含氧水处理，以获得甲酸和氢氧化铁(III)的混合物。然后可以过滤该混合物以将甲酸与氢氧化铁(III)分离。

经处理和过滤的甲酸可以重复使用并重新注入线路中。该方法的优点是能够使用与溶液中的氢氧化铁(III)的量反应所需的精确剂量的含氧水。它不仅可以控制化学反应使得所有含氧水都被消耗，而且最重要的是几乎立即发生反应。

因此，该系统主要消耗含氧水，并且除气体排放之外的唯一的废物是铁(III)和钢带中的其他合金元素的氢氧化物。

甲酸溶液可以完全或部分地再循环。

使用含氧水的氧化可被用于重新建立所需的甲酸浓度。过滤可以使得能够例如使用压滤机来提取金属氧化物。因此废物仅由铁(III)和其他金属合金元素的氢氧化物组成。

通过从溶液中除去溶解氧，可以提高该溶液的效率，从而提高带的镀锌性能。实际上，溶液中存在的溶解氧是带的氧化源。只有通过除去该氧化源，才能改善带的表面状况。

使用本发明的方法的有利特征意味着从再循环单元抽出的溶液在喷射之前可以经历脱氧过程。

有利地，喷射溶液中剩余的溶解氧的水平可低于1ppm。

可以使用在一侧用氮气吹扫并在另一侧用真空提取的膜系统从溶液中除去溶解氧。或者，可以通过使氮气或另一种惰性气体鼓泡通过溶液来放大自然脱氧以从溶液中除去溶解氧。

在有利的型式中，该方法还可以包括收集当喷射溶液喷射到钢带上时产生的蒸汽、冷凝收集的所述蒸汽、以及将冷凝的所述蒸汽注入到从中抽出喷射溶液的流体线路中。

可以使用放置在待喷射溶液的喷射单元上方的蒸汽收集器来实现蒸汽收集。

由蒸汽冷凝产生的气体可以被引导到烟囱。

收集的蒸汽可以使用洗涤塔冷凝。

本发明的第二方面提出了一种布置成冷却穿过连续生产线的冷却部段的钢带的冷却装置，该冷却装置包括布置成用于执行如上所述的冷却方法的元件。

根据本发明的装置的元件可以包括腔室，该腔室包含用于待喷射溶液的、布置成将液体或气体和液体的混合物喷射到钢带上的喷射单元、优选地为喷嘴。

该装置的元件可以包括在这些喷嘴的上游、布置成从待喷射溶液中提取溶解氧的膜系统。

该装置的元件可以包括在所述腔室的出口处、在所述带运行的方向上、布置成从所述带除去大部分的流出液体的一组液体刀。

该装置的元件可以包括在所述液体刀的下游、布置成从所述带除去任何剩余液体的一组气刀。

该装置的元件可以包括在所述腔室的下游、并且根据需要在所述的一组液体刀的下游、且根据需要在所述的一组气刀中的所有或一些的下游、布置成收集由所述喷嘴喷射的冷却液的返回箱。所述返回箱可以定位在所述带的在其离开所述腔室时的通道的下方。

所述返回箱可以包括布置成从所述带除去任何剩余液体的第二组气刀。

该装置的元件可以包括再循环箱以及将液体从所述返回箱转移到所述再循环箱的装置。

液体转移装置可以包括布置成消除溶液中存在的金属颗粒的过滤器。

该装置的元件可以包括供应线路，该供应线路包括用于供给所述喷射单元的泵和交换器。

该供应线路可以包括转向线路，该转向线路使得由所述泵泵送到所述再循环箱中的液体中的一些能够被送到另一个箱。

该装置的元件可以包括启动转向线路的装置，所述转向线路在所述冷却部段中的液体的一些需要被更新以将其性能维持在预定的操作范围内时被启动。

该装置的元件可以包括布置成使溶液脱氧的膜系统，所述膜在一侧用氮气吹扫并在另一侧用真空提取。

所述膜系统可以紧邻喷射单元的上游定位，并且所述泵可以放置在所述膜系统的上游，在这种情况下，甲酸溶液管理线路不需要与氧源隔离。

所述泵也可以放置在所述膜系统和所述喷射系统之间，这使得能够降低膜中的压力。

所述膜系统可以在再循环回路上定位在所述喷射箱上或定位在所述喷射箱和所述再循环箱之间。

当所述膜系统定位成具有软化水的输入时，溶液管理线路的其余部分优选地对氧气密封。

所有箱都可以是气密的并且用惰性气氛、优选氮气吹扫。

该装置的元件可以包括处理系统，被抽出的溶液可以在所述处理系统中用含氧水处理。

所述处理系统可以包括过滤器、例如压滤机，可以通过传送器从所述过滤器中除去废物。

所述处理系统可以包括将离开所述过滤器的溶液注入所述喷射箱的装置。

附图说明

除了上述规定之外，本发明还包括一定数量的其他规定，这些规定将在下文中参考结合附图描述的示例性组件进行更明确地阐述，但其绝不是限制性的。

在该附图中，图1是根据本发明的冷却部段的组装方法的示意图。该组装方法决不是限制性的，特别地，本发明可以存在仅包括如下所述特征(所描述的或概括的)的选择、与所述其他特征隔离开的变型，只要这种特征的选择足以赋予技术优势或将本发明与现有技术区分开来即可。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的连续镀锌生产线的冷却部段，该冷却部段包括第一部分2，钢带1在该第一部分2内从顶部竖直地运行到底部，并且用液体喷射来冷却。布置在带1两侧的喷嘴3将冷却液喷射到带上。在液体线路中，在这些喷嘴的上游，膜系统4提取溶液中的溶解氧。或者，使用氮气或另一种惰性气体的鼓泡系统31放置在喷射箱13中以放大自然脱氧。使用传感器35测量喷射箱13中的溶液中的溶解氧水平。在区域2的出口处，在带运行的方向上，存在用于从带除去大部分的流出液体的一组液体刀5。在带运行的方向上，该组液体刀5跟随有用于从带除去剩余液体的一组气刀6。然后带穿过返回箱7，在返回箱7中，由所述喷嘴3和所述的一组液体刀5喷射的冷却液被收集。在该箱中，第二组气刀8设计成从带除去任何剩余液体。然后带穿过区域9，在区域9中，加热管10消除带上的所有液体痕迹。在离开该区域9时，所述带穿过湿区域2,7,9和所述带运行的方向下游的区域12之间的气氛密封装置11。在该气氛密封装置中，气体注入和/或抽吸允许改善密封装置上游和下游部段之间的气氛隔离。

通过所述喷嘴3和所述的一组液体刀5喷射到带上的液体被收集在返回箱7中，然后被送到喷射箱13。为此，液体从返回箱7被转移到再循环箱27。该箱配备有级联隔室32，以将颗粒尽可能多地保持在第一隔室中。放置在箱27下方的电磁铁33与抽屉系统34一起可以收集和除去金属颗粒，而不需要排空所述箱。然后液体穿过一组外部过滤器28以消除残留的金属颗粒，然后通过泵30将液体送回到喷射箱13。所述的一组外部过滤器28和泵30设有两份，使得可以在不停止安装的情况下维护这些元件。

包括泵15和热交换器16的供应线路14允许使用保持在喷射箱13中的液体向区域2中的喷嘴列3供应所需压力和温度的冷却液。供应线路14包括转向线路17，该转向线路17使得被泵送到箱13中的液体的一些能够被送到另一个箱18。或者，转向线路17由再循环箱27供给。所述转向线路17在冷却部段中的液体的一些需要被更新以将其性能维持在所需的操作范围内时被启动。

蒸汽收集器19在区域2中放置在喷嘴列3上方。收集的蒸汽被送到湿式洗涤器20，在湿式洗涤器20中，它们被冷凝并被送到箱18。离开洗涤器后，除去蒸汽的气体被送到烟囱21。

收集在箱18中的液体被送到处理组件22，在处理组件22中，使用过的甲酸溶液被加入含氧水，以获得甲酸与铁(III)和钢的合金元素的氢氧化物的混合物。然后用压滤机(未示出)过滤该混合物以将甲酸与氢氧化铁(III)分离，后者(氢氧化铁(III))用传送器23移除。重新生成的甲酸被重新使用并作为新溶液使用线路24重新注入到该箱25中。还使用线路26将新鲜的甲酸引入该箱25中。

然后可以使用具有位于箱25中的泵(未编号)的线路29将收集在箱25中的液体送到喷射箱13。

当然，本发明不限于上述示例，并且可以在不脱离本发明的框架的情况下对这些示例进行许多调整。此外，本发明的各种特征、形式、变型和组装方法可以以不同的组合彼此关联，只要它们保持相容并且不相互排斥即可。