专利名称：金属丝制品和带制品在分层流化床中连续加热和清洁的方法
技术领域：
本发明一般涉及一种制造金属丝、线材、板和带的方法。具体而言，本发明涉及在分层流化床中用分股加热金属丝、线材、板或带的生产工艺的一个中间步骤以生产具有清洁、无氧化物和无脱碳表面的制品。
金属丝、线材、板或带(以后统称“金属丝和带”)的分股加热是一种在诸如氧化物涂复、镀锌、淬火或进一步拉伸或辊压等其它处理之前通常进行的中间操作步骤。这些后续操作通常与分股加热配合进行。诸如氧化物涂复、镀锌、后续的拉伸或辊压等过程要求线材的表面清洁，可使诸如氧化物、锌和润滑剂附着在钢丝或钢带上。
金属丝或线材的处理对于高碳金属丝，同样重要的是分股加热不使金属丝脱碳。在大多数现行的分股加热方法中，出来的金属丝不洁，并有氧化表面，这就要求在进一步处理之前进行在线酸洗。由于对环境的考虑大大增加了酸洗方法的费用，因此希望有一种经济的分股退火方法，能得到清洁的、无氧化物和无脱碳的表面。
目前有多种退火的金属丝的方法，但现行的所有退火金属丝的方法都有一些的缺点。
总的说来，金属丝或线材的分股退火的现在技术都有带或不带后续的在线酸洗要求的问题。
有在线铅浴的分股退火是一种传统的分股退火方法，这种方法目前仍在广泛应用。在生产率高的同时，加热速度快，温度均匀性好。结果使该方法成为一种经济的方法。但是，这种方法的缺点是需要防止过量的铅被带出铅浴。金属丝的表面不应被熔融铅浸润，因而金属丝的表面必须保持不洁状态(含氧化物的润滑剂残余物)。应用这种方法的缺点是，在进行后续处理之前一般需用在线酸洗方法清洁金属丝。由于与铅污染有关的问题，这种方法提出了一个必须的但又不利于环境的措施以防止铅污染，而这种措施将增加分股退火的费用。
要求在线酸洗的分股退火的另一种方法是在流化床中分股退火。在这种方法中，开发了连续流化床生产线用于退火分股金属丝。通常利用天然气和空气的燃烧产物进行床流化和加热。其加热速率远比铅浴低，因而床长较大，生产率较低。通过感应加热将金属丝预热到约1300°F，有可能达到较高生产率的目的。由于流化床中的气氛含有燃烧产物(即氮、二氧化碳和水)丝将被氧化，表面会脱碳。这种方法在进行后续处理之前需先进行在线酸洗。
同时，在现有技术中已知多种生产清洁金属丝而不要求在线酸洗的方法。其中的一种方法是在多管炉中进行分股退火。在这种方法中，金属丝通常在氢气氛的各个管中加热。管数可达16根，每根管包容一根金属丝，这些管组装在一个大炉内。甚至在纯氢气氛中，生产速度仍低，因为气体与金属之间的传热不好。管子的长度不能作成大于40英尺，因为金属丝会有过度的拖拉。这种方法可生产亮的金属丝(不合氧化物)，并且该金属丝在后续处理之前勿需在线酸洗。但是，用这种方法进行大规模生产是不经济的。
生产清洁金属丝又勿需在线酸洗的另一种方法是在床内插入一组燃烧管间接加热流化床的方法。床用氮一类惰性气体进行流化。这种方法能制备不脱碳的亮金属丝。这种方法是有缺点的，因为它要求大量氮，从而使这种方法不经济，甚至在氮循环的条件下，也是如此。
因此，本发明的目的在于提出一种在后续处理之前不要求酸洗的使金属丝分股退火的方法。此外，本发明的目的还在于提出一种金属丝的分股退火方法，该法不需要大量的氮或氢，以其成为经济的方法。
板或带的处理钢板和钢带通常是在连续的带钢热轧机上由扁钢坯热辊压而成。带材和板材通常采用低碳钢，最后辊压台的终压温度通常为1550°F。由于辊压机在空气中操作，钢板或钢带会受到氧化。如果该板或带要进行后续处理，则带或板上存在的氧化物轧屑存在是不容许的。例如，如果板材用于拉伸，去除氧化物是很重要的，因为氧化物的存在会使模寿命变短，成品的表面光洁度变坏。如果后续处理包括任何类型的涂复，诸如金属涂复(例如锌)或非金属涂复(例如油漆)，去除氧化物亦是重要的。
清洁热辊压后的板或带的一般方法是使其通过连续的酸洗流水线。在这种酸洗流水线中，钢板或带通过一系列的硫酸或盐酸浴。酸洗流水线的环境缺陷是众所周知的，处理废酸洗液和防止设备和建筑物的腐蚀会带来巨大的投资。现有技术已知的从板或带上去屑的另一种方法是用磨砂或钢丸对板或带连续喷砂，即用机械方法去屑。虽然喷砂方法避免了废酸洗液的处置问题，但这种方法本身是很缓慢的，因而是不经济的。
本发明的一个目的在于提出一种从钢板或钢带制品上去屑的方法，该法与环境相宜并在1200°F左右的温度下操作。
本发明一方面是致力于在流化床反应器中分股加热金属丝和带的方法，该反应器具有氢气含量高的环境的气氛，该气体穿过流化颗粒流动，包括a)借助原气体通过流化床中的流化颗粒而使气氛层化；b)使金属丝或带在流化床底部附近的流化颗粒间通过；和c)在该流化床反应器的顶部注入一定量的含氧化体。
本发明另一方面是致力于在流化床反应器中使金属丝、板或带退火的方法，该反应器的流化气气氛含氢量高，流化气穿过流化颗粒流动，包括a)通入有效量的还原气体流过流化床中的流化颗粒，使流化颗粒的被淘析细粒与流化床分离；b)使部分金属丝、板或带垂直通过流化床；c)从流化床反应器顶部注入一定量的含氧气体；和d)使流化颗粒的被淘析细粒与还原气体分离并将流化颗粒的被淘析细粒返回到床底。
从下面的优选实施方案的叙述和附图将使本专业技术人员了解本发明的其它目的、特点和优点，其中
图1表示流化床反应器的总布置图，其中制品水平通过反应器，这是处理金属丝的优选实施方案；图2表示图1带空气分布器的流化床的顶视图；和图3表示流化床反应器的总布置图，其中制品垂直通过反应器，这是处理板或带的优选实施方案。
本发明的目的是将金属丝和带分股加热，使所得的制品清洁和不含氧化物。本发明实质上是将几个关键概念进行组合。对于示于图1的水平布置的反应器而言，分股的金属丝应从约高于流化空间一英尺的地方通过反应器。床流化所用之流化气体优选由四种反应生成的气体1)天然气部分氧化(以下称“DI”气体)；可采用另外一些碳氢化合物，氧化剂的范围亦可从空气(约19％的氧)到100％的氧。采用天然气时，DI流化气的氢含量因此可达40％(空气)到66％(100％的氧)；2)天然气或其它碳氢化物的蒸汽重组；采用天然气时，流化气约含75％的氢，其余为一氧化碳；3)与变换反应相组合的蒸汽重组；采用天然气时，流化气约含80％的氢，其余为二氧化碳(重组气体)；或4)a)氢或b)氮加氢的合成混合物，混合物的氢含量至少约为50％。
所有这些气体对钢都具还原性，并且制成的金属丝表面清洁并不脱碳。流化气的Btu含量至少约为100Btu/MCF，流化气的流量为最小流化流量的2-5倍。包括空气的含氧气体经置于床顶部的空气分布器注入使流化气燃烧。金属丝和空气分布器之间的距离至少约为1英尺，优选2英尺。一般说来，希望的金属丝和分布器之间的这一距离能防止燃烧产物(二氧化碳和蒸汽)扩散到金属丝的周围，否则可能引起氧化。空气分布器浸入床的深度约为1-2英尺，以便使上升的流化气的燃烧加热床颗粒。流化空间上面的总床高约3-5英尺。
图1表示了金属丝退火的优选实施方案的总布置图。含氧气体112(例如空气)和燃烧110(如天然气)的比例应使氧化剂中的氧和碳氢化合物中的碳的摩尔比保持1∶2。在以空气作氧化剂，天然气作碳氢化合物的情况下，这个比例约为2.4∶1。采用空气/天然气混合物的实地应用中，这个比值在1.8∶1-3∶1的范围内变化。混合物在换热器中预热到750°F以上，但不应高于1100°F，该换热器是生成DI气体130的部分氧化(POX)反应器120的一个组成部分。在POX反应器中经预热的含氧化体-燃烧混合物通过贵金属催化剂，优选为氧化铝上的铂，在催化剂上反应生成DI气130或流化气，正如本发明所述，本方法不需外热源。
提供适合本发明的流化气的其它方法，诸如蒸汽重组或合成氢/氮混合物在现有技术中是已知的。
流化气可通过扩散器进气管156引入反应器160的流化床底。进气管由多孔金属板、多孔的管道系统或多孔陶瓷瓦组成。
流化颗粒162是现有技术已知的，可从一系列现有技术已知的惰性氧化物颗粒中选择。流化颗粒优选为氧化铝。
流化颗粒162的大小可界于74-463微米(泰勒标准筛号约为200-37)。对于较高温度的操作，例如典型的用于钢丝退火的温度约在1500°F-1800°F时，则优选的流化颗粒的大小约介于175-295微米(泰勒标准筛号为80-48)。
一般说来，平行通过分股退火流水线的金属丝170的数量约在12-20之间。本发明的一个特别突出的特点在于，含金属丝的分股退火流水线是在靠近流水床的底部运行。含金属丝的退火线优选的置在流化床底或扩散区172上面一英尺处。
含氧气体180从流化床的上部注入并穿过反应器160中的流化颗粒。超高区185位于反应器160的顶部。
用于使反应器中流化颗粒流化的DI气体的温度(例如600°F-800°F)可低于床的操作温度(例如1700°F-1900°F)。通常，流化气体将在扩散区172(或反应器底)上面1英尺处达到床温。这样，分股的金属丝应置于至少扩散区172上1英尺处。
分股的金属丝在反应器下部通过。金属丝通过床的优选方法是通过床的侧面开孔。在出口端，移动的金属丝将拖带流化颗粒(氧化铝)，后者组成一道失流态化堰。被丝拖带的流化颗粒可返回流化床。流化颗粒在反应器160中将连续地按流动方式166循环。
进入的金属丝在进入流化床之前不要求处于室温。为了提高产率，可通过感应加热使金属丝预热。感应加热通常可达1350°F，并只发生在表面。然后流化床将金属丝加热到退火温度(即1800°F)，而且使金属丝的整个截面上的温度相等。在这种情况下生产率可达到铅浴退火的生产率。
图2表示带空气分布器的流化床的顶视图。含氧气体210进入具有一些水平缝220的分布器。一种优选尺寸为0.125″宽×2″长，中心距为3″。
对于生产清洁的不含氧化物的板和带，图1所示的水平布置的流化床反应器是不方便的，因为如果板或带作水平移动经过床，则流化颗粒会在带上失流态化而使流化变坏。图3所示的垂直流化床反应器是用于板和带的优选实施方案，因为在这个方案中，制品垂直通过流化床，气氛不会像水平流化床反应器那样层化。
对于垂直流化床反应器，流化气流增加，以致淘析的颗粒连续载出床外(喷涌床)；被载出的颗子粒子用一般喷入的含氧气体加热，进入输送导管，并使流化气燃烧。被加热的颗粒然后返回到流化床的底部。参看图3，用前面所述的任一种方法制备的含氢量高的气氛，例如DI或氢含量高的气体310经导管320，通过扩散器进气管324送入床底。跟前面一样，该进气管可由多孔的金属板、多孔的管道系统或多孔的陶瓷瓦组成。流化颗粒330优选是大小介于70-465微米(泰勒标准筛号为200-37)的氧化铝。流化颗粒向上运动并在其顶部附近被带出床外。板或带340从床的顶部送入，并与流化气体和颗粒呈注流连续向下运动。流化气中含量高的氢气有效地还原板或带表面上的氧化物，清洁带344从床的底部移出。为了有效地还原氧化物，流化床反应器的最低温度约为1200°F，但优选为1500°F-1700°F。在床顶部的出口导管处，空气或其它含气氧气体从入口管350送入，以便使流化气体燃烧并将流化颗粒加热到预期的温度。燃烧气体和颗粒从出口孔354排出。被加热的颗粒370从分离器360，例如旋风分离器返回到床分布器328上面的床底位置。
曾经发现，高氢气氛和流化床颗粒的组合作用能很快加热带、还原氧化物和清洁表面。
为了减少投资和/或增加生产能力，重要的是使金属丝或带与流化床之间的传热速度最大化。流化床中能使传热速率最大化的参数如下。
至于流化气体的热导，一般说来，较高的气体热导给出较高的传热速率。氢的热导最高，因此通常优选氢含量高的气氛。
流化颗粒的尺寸决定传热速率。因此，流化颗粒的尺寸应大于气泡相流化的临界尺寸。在高温下，小的颗粒尺寸会使流化床产生过份的粉尘。对本发明之目的，高温操作下流化颗的尺寸宜界于70-465微米(泰勒标准筛号为200-37)，优选175-295微米(泰勒标准筛号为80-48)。
气体流量是分股金属丝和带退火速率的重要参数。这里存在一个使流化颗粒床流化的最低流量。较大流量时传热速率会明显增加。一般说来，流量为最低流化流量(″MFF″)的3-5倍之间时，传热系数增加并达最大值。对于本发明的高氢气氛，曾发现最大传热在10-15倍于MFF的范围内。在峰值之后传热速率逐渐降低，因为床中空隙体积的份额增加。本发明中，所用流化气体的流量亦取决于流化床的加热要求，因为流化气体一方面用作金属丝的还原气氛，另一方面用作加热床的燃烧。详细计算表明，流化气流的优选范围对水平流化床反应器为2-5倍MFF，而对垂直流化床反应器则为10-15倍MFF。表I列出了操作温度为1800°F的流化床的几种不同的有代表性的流化气混合物的MFF(SCFH/单位床面积)以及传热速率。
实例表1泰勒标准筛号 37 486080Dp(微米) 参数 463295 246 175N2 MFF(NCFH/ft2) 355146 102 522*MFF(NCFH/ft2)711291 203 105h(Btu/hr.ft2.°F) 75 8894106100％H2气 MFF(NCFH/ft2) 1836442192*MFF(NCFH/ft2)365127 8338h(Btu/hr.ft2.°F) 228269 287 324重组气 MFF(NCFH/ft2) 493202 141 73(80％H2，20％CO2) 2*MFF(NCFH/ft2)987404 283 147h(Btu/hr.ft2.°F) 187220 235 266DI MFF(NCFH/ft2) 365149 105 54(40％H2，40％N22*MFF(NCFH/ft2)730299 209 10820％CO) h(Btu/hr.ft2.°F) 131154 164 186对比实例在间接燃烧的用氮气流化的流化床中实施制备清洁光亮金属丝的方法。颗粒为48泰勒标准筛号，在两倍于MFF(2×MFF)的条件F，传热系数为88 Btu/hr.ft2.°F。利用DI气体，传热系数为154(Btu/hr.ft2.°F)。
经济对比实例用本发明制备油回火的弹簧金属丝。利用12股0.375″的金属丝，通过速度为18ft/min，金属丝用感应加热预热到1350°F，然后金属丝在流化床中加热到退火温度为1600°F。流化颗粒为48泰勒标准筛号的氧化铝，气体流量为最低流化流量的2倍。
立足于三种气体混合物的可消耗价格，取DI气体的价格为$0.12/CCF、氮气的价格为$0.25/CCF、氢气价格为$0.60/CCF、天然气的价格为$0.30/CCF进行了计算。
表II列出本发明所用之各种流化气体的操作费用的比较。
表2重组气体100％N2100％H2(80％H2)DI(40％H2)h(Btu/hr.ft2.°F) 88 269 220 154要求的流量(NCFH) 17,299 11,781 8,251 10,171操作费用 ($/hr)49.34 70.69 -- 12.21
可以看出，DI气体的现有技术所用的100％N2相比，操作费用的减少是明显的。DI流化床的基建投资同样明显低，因为床的尺寸较小，结构较简单，这是由于不需要燃烧管或电加热器的原因。
为了方便起见，本发明的具体特点只示于一张或几张图中，因为根据本发明每一特点可与其它特点组合。本专业技术人员会认可其它实施方案，本发明力图将这些实施方案包括在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种在流化床反应器中退火的分股金属丝的方法，该反应器以高氢含量的流化气体为气氛，该流化气流经流化颗粒，该方法包括a.借助一种还原气体通过流化床中的流化颗粒，使流化气的气氛层化；b.在靠近流化床底部处使金属丝通过流化的颗粒之间；和c.在该流化床反应器的顶部注入一定量的含氧气体。
2.权利要求1的方法，其中还原气体是部分氧化的产物，该产物至少含有氢和一氧化碳中的一种。
3.权利要求1的方法，其中还原气体是由空气和天然气混合物燃烧产生的部分氧化的产物。
4.权利要求3的方法，其中空气和天然气的混合比例约为1.8∶1--3∶1。
5.权利要求1的方法，其中流化颗粒的大小约为70-465微米(泰勒标准筛号为200-37)。
6.一种在流化床反应器中使金属丝、板或带退火的方法，该反应器以高氢含量的流化气体为气氛，该流化气流经流化颗粒，该方法包括a)通入有效量的还原气体流过流化床中的流化颗粒，使流化颗粒子的淘洗细粒与流化床分离；b)使金属丝、板或带垂直通过流化床；c)从流化床反应器顶部注入一定量含氧气体；d)使流化气体的淘洗细粒与还原气体分离，并将流化颗粒的淘洗细粒返回床底。
7.权利要求6的方法，其中还原气体是部分氧化的产物，该产物至少包括氢和一氧化碳中的一种。
8.权利要求6的方法，其中还原气体是空气和天然气混合物燃烧产生的部分氧化的产物。
9.权利要求8的方法，其中空气和天然气的混合比约为1.8∶1--3∶1。
10.权利要求6的方法，该流化颗粒包括氧化铝。
全文摘要
本发明涉及一种在流化床反应器中使分股金属丝或带退火的方法,该反应器有一流化气气氛流过流化颗粒。本方法借助还原气体通过流化床的流化颗粒使流化气体气氛层化。金属丝在靠近流化床底部处通过流化颗粒。最后一定量的含氧气体在该流化床反应器顶部注入。
文档编号C21D9/567GK1257130SQ99126729
公开日2000年6月21日 申请日期1999年12月14日 优先权日1998年12月16日
发明者J·S·范登塞佩 申请人:普拉塞尔技术有限公司