專利名稱：金屬絲制品和帶制品在分層流化床中連續加熱和清潔的方法
技術領域：
本發明一般涉及一種制造金屬絲、線材、板和帶的方法。具體而言，本發明涉及在分層流化床中用分股加熱金屬絲、線材、板或帶的生產工藝的一個中間步驟以生產具有清潔、無氧化物和無脫碳表面的制品。
金屬絲、線材、板或帶(以后統稱“金屬絲和帶”)的分股加熱是一種在諸如氧化物涂復、鍍鋅、淬火或進一步拉伸或輥壓等其它處理之前通常進行的中間操作步驟。這些后續操作通常與分股加熱配合進行。諸如氧化物涂復、鍍鋅、后續的拉伸或輥壓等過程要求線材的表面清潔，可使諸如氧化物、鋅和潤滑劑附著在鋼絲或鋼帶上。
金屬絲或線材的處理對于高碳金屬絲，同樣重要的是分股加熱不使金屬絲脫碳。在大多數現行的分股加熱方法中，出來的金屬絲不潔，并有氧化表面，這就要求在進一步處理之前進行在線酸洗。由于對環境的考慮大大增加了酸洗方法的費用，因此希望有一種經濟的分股退火方法，能得到清潔的、無氧化物和無脫碳的表面。
目前有多種退火的金屬絲的方法，但現行的所有退火金屬絲的方法都有一些的缺點。
總的說來，金屬絲或線材的分股退火的現在技術都有帶或不帶后續的在線酸洗要求的問題。
有在線鉛浴的分股退火是一種傳統的分股退火方法，這種方法目前仍在廣泛應用。在生產率高的同時，加熱速度快，溫度均勻性好。結果使該方法成為一種經濟的方法。但是，這種方法的缺點是需要防止過量的鉛被帶出鉛浴。金屬絲的表面不應被熔融鉛浸潤，因而金屬絲的表面必須保持不潔狀態(含氧化物的潤滑劑殘余物)。應用這種方法的缺點是，在進行后續處理之前一般需用在線酸洗方法清潔金屬絲。由于與鉛污染有關的問題，這種方法提出了一個必須的但又不利于環境的措施以防止鉛污染，而這種措施將增加分股退火的費用。
要求在線酸洗的分股退火的另一種方法是在流化床中分股退火。在這種方法中，開發了連續流化床生產線用于退火分股金屬絲。通常利用天然氣和空氣的燃燒產物進行床流化和加熱。其加熱速率遠比鉛浴低，因而床長較大，生產率較低。通過感應加熱將金屬絲預熱到約1300°F，有可能達到較高生產率的目的。由于流化床中的氣氛含有燃燒產物(即氮、二氧化碳和水)絲將被氧化，表面會脫碳。這種方法在進行后續處理之前需先進行在線酸洗。
同時，在現有技術中已知多種生產清潔金屬絲而不要求在線酸洗的方法。其中的一種方法是在多管爐中進行分股退火。在這種方法中，金屬絲通常在氫氣氛的各個管中加熱。管數可達16根，每根管包容一根金屬絲，這些管組裝在一個大爐內。甚至在純氫氣氛中，生產速度仍低，因為氣體與金屬之間的傳熱不好。管子的長度不能作成大于40英尺，因為金屬絲會有過度的拖拉。這種方法可生產亮的金屬絲(不合氧化物)，并且該金屬絲在后續處理之前勿需在線酸洗。但是，用這種方法進行大規模生產是不經濟的。
生產清潔金屬絲又勿需在線酸洗的另一種方法是在床內插入一組燃燒管間接加熱流化床的方法。床用氮一類惰性氣體進行流化。這種方法能制備不脫碳的亮金屬絲。這種方法是有缺點的，因為它要求大量氮，從而使這種方法不經濟，甚至在氮循環的條件下，也是如此。
因此，本發明的目的在于提出一種在后續處理之前不要求酸洗的使金屬絲分股退火的方法。此外，本發明的目的還在于提出一種金屬絲的分股退火方法，該法不需要大量的氮或氫，以其成為經濟的方法。
板或帶的處理鋼板和鋼帶通常是在連續的帶鋼熱軋機上由扁鋼坯熱輥壓而成。帶材和板材通常采用低碳鋼，最后輥壓臺的終壓溫度通常為1550°F。由于輥壓機在空氣中操作，鋼板或鋼帶會受到氧化。如果該板或帶要進行后續處理，則帶或板上存在的氧化物軋屑存在是不容許的。例如，如果板材用于拉伸，去除氧化物是很重要的，因為氧化物的存在會使模壽命變短，成品的表面光潔度變壞。如果后續處理包括任何類型的涂復，諸如金屬涂復(例如鋅)或非金屬涂復(例如油漆)，去除氧化物亦是重要的。
清潔熱輥壓后的板或帶的一般方法是使其通過連續的酸洗流水線。在這種酸洗流水線中，鋼板或帶通過一系列的硫酸或鹽酸浴。酸洗流水線的環境缺陷是眾所周知的，處理廢酸洗液和防止設備和建筑物的腐蝕會帶來巨大的投資。現有技術已知的從板或帶上去屑的另一種方法是用磨砂或鋼丸對板或帶連續噴砂，即用機械方法去屑。雖然噴砂方法避免了廢酸洗液的處置問題，但這種方法本身是很緩慢的，因而是不經濟的。
本發明的一個目的在于提出一種從鋼板或鋼帶制品上去屑的方法，該法與環境相宜并在1200°F左右的溫度下操作。
本發明一方面是致力于在流化床反應器中分股加熱金屬絲和帶的方法，該反應器具有氫氣含量高的環境的氣氛，該氣體穿過流化顆粒流動，包括a)借助原氣體通過流化床中的流化顆粒而使氣氛層化；b)使金屬絲或帶在流化床底部附近的流化顆粒間通過；和c)在該流化床反應器的頂部注入一定量的含氧化體。
本發明另一方面是致力于在流化床反應器中使金屬絲、板或帶退火的方法，該反應器的流化氣氣氛含氫量高，流化氣穿過流化顆粒流動，包括a)通入有效量的還原氣體流過流化床中的流化顆粒，使流化顆粒的被淘析細粒與流化床分離；b)使部分金屬絲、板或帶垂直通過流化床；c)從流化床反應器頂部注入一定量的含氧氣體；和d)使流化顆粒的被淘析細粒與還原氣體分離并將流化顆粒的被淘析細粒返回到床底。
從下面的優選實施方案的敘述和附圖將使本專業技術人員了解本發明的其它目的、特點和優點，其中
圖1表示流化床反應器的總布置圖，其中制品水平通過反應器，這是處理金屬絲的優選實施方案；圖2表示圖1帶空氣分布器的流化床的頂視圖；和圖3表示流化床反應器的總布置圖，其中制品垂直通過反應器，這是處理板或帶的優選實施方案。
本發明的目的是將金屬絲和帶分股加熱，使所得的制品清潔和不含氧化物。本發明實質上是將幾個關鍵概念進行組合。對于示于圖1的水平布置的反應器而言，分股的金屬絲應從約高于流化空間一英尺的地方通過反應器。床流化所用之流化氣體優選由四種反應生成的氣體1)天然氣部分氧化(以下稱“DI”氣體)；可采用另外一些碳氫化合物，氧化劑的范圍亦可從空氣(約19％的氧)到100％的氧。采用天然氣時，DI流化氣的氫含量因此可達40％(空氣)到66％(100％的氧)；2)天然氣或其它碳氫化物的蒸汽重組；采用天然氣時，流化氣約含75％的氫，其余為一氧化碳；3)與變換反應相組合的蒸汽重組；采用天然氣時，流化氣約含80％的氫，其余為二氧化碳(重組氣體)；或4)a)氫或b)氮加氫的合成混合物，混合物的氫含量至少約為50％。
所有這些氣體對鋼都具還原性，并且制成的金屬絲表面清潔并不脫碳。流化氣的Btu含量至少約為100Btu/MCF，流化氣的流量為最小流化流量的2-5倍。包括空氣的含氧氣體經置于床頂部的空氣分布器注入使流化氣燃燒。金屬絲和空氣分布器之間的距離至少約為1英尺，優選2英尺。一般說來，希望的金屬絲和分布器之間的這一距離能防止燃燒產物(二氧化碳和蒸汽)擴散到金屬絲的周圍，否則可能引起氧化。空氣分布器浸入床的深度約為1-2英尺，以便使上升的流化氣的燃燒加熱床顆粒。流化空間上面的總床高約3-5英尺。
圖1表示了金屬絲退火的優選實施方案的總布置圖。含氧氣體112(例如空氣)和燃燒110(如天然氣)的比例應使氧化劑中的氧和碳氫化合物中的碳的摩爾比保持1∶2。在以空氣作氧化劑，天然氣作碳氫化合物的情況下，這個比例約為2.4∶1。采用空氣/天然氣混合物的實地應用中，這個比值在1.8∶1-3∶1的范圍內變化。混合物在換熱器中預熱到750°F以上，但不應高于1100°F，該換熱器是生成DI氣體130的部分氧化(POX)反應器120的一個組成部分。在POX反應器中經預熱的含氧化體-燃燒混合物通過貴金屬催化劑，優選為氧化鋁上的鉑，在催化劑上反應生成DI氣130或流化氣，正如本發明所述，本方法不需外熱源。
提供適合本發明的流化氣的其它方法，諸如蒸汽重組或合成氫/氮混合物在現有技術中是已知的。
流化氣可通過擴散器進氣管156引入反應器160的流化床底。進氣管由多孔金屬板、多孔的管道系統或多孔陶瓷瓦組成。
流化顆粒162是現有技術已知的，可從一系列現有技術已知的惰性氧化物顆粒中選擇。流化顆粒優選為氧化鋁。
流化顆粒162的大小可界于74-463微米(泰勒標準篩號約為200-37)。對于較高溫度的操作，例如典型的用于鋼絲退火的溫度約在1500°F-1800°F時，則優選的流化顆粒的大小約介于175-295微米(泰勒標準篩號為80-48)。
一般說來，平行通過分股退火流水線的金屬絲170的數量約在12-20之間。本發明的一個特別突出的特點在于，含金屬絲的分股退火流水線是在靠近流水床的底部運行。含金屬絲的退火線優選的置在流化床底或擴散區172上面一英尺處。
含氧氣體180從流化床的上部注入并穿過反應器160中的流化顆粒。超高區185位于反應器160的頂部。
用于使反應器中流化顆粒流化的DI氣體的溫度(例如600°F-800°F)可低于床的操作溫度(例如1700°F-1900°F)。通常，流化氣體將在擴散區172(或反應器底)上面1英尺處達到床溫。這樣，分股的金屬絲應置于至少擴散區172上1英尺處。
分股的金屬絲在反應器下部通過。金屬絲通過床的優選方法是通過床的側面開孔。在出口端，移動的金屬絲將拖帶流化顆粒(氧化鋁)，后者組成一道失流態化堰。被絲拖帶的流化顆粒可返回流化床。流化顆粒在反應器160中將連續地按流動方式166循環。
進入的金屬絲在進入流化床之前不要求處于室溫。為了提高產率，可通過感應加熱使金屬絲預熱。感應加熱通常可達1350°F，并只發生在表面。然后流化床將金屬絲加熱到退火溫度(即1800°F)，而且使金屬絲的整個截面上的溫度相等。在這種情況下生產率可達到鉛浴退火的生產率。
圖2表示帶空氣分布器的流化床的頂視圖。含氧氣體210進入具有一些水平縫220的分布器。一種優選尺寸為0.125″寬×2″長，中心距為3″。
對于生產清潔的不含氧化物的板和帶，圖1所示的水平布置的流化床反應器是不方便的，因為如果板或帶作水平移動經過床，則流化顆粒會在帶上失流態化而使流化變壞。圖3所示的垂直流化床反應器是用于板和帶的優選實施方案，因為在這個方案中，制品垂直通過流化床，氣氛不會像水平流化床反應器那樣層化。
對于垂直流化床反應器，流化氣流增加，以致淘析的顆粒連續載出床外(噴涌床)；被載出的顆子粒子用一般噴入的含氧氣體加熱，進入輸送導管，并使流化氣燃燒。被加熱的顆粒然后返回到流化床的底部。參看圖3，用前面所述的任一種方法制備的含氫量高的氣氛，例如DI或氫含量高的氣體310經導管320，通過擴散器進氣管324送入床底。跟前面一樣，該進氣管可由多孔的金屬板、多孔的管道系統或多孔的陶瓷瓦組成。流化顆粒330優選是大小介于70-465微米(泰勒標準篩號為200-37)的氧化鋁。流化顆粒向上運動并在其頂部附近被帶出床外。板或帶340從床的頂部送入，并與流化氣體和顆粒呈注流連續向下運動。流化氣中含量高的氫氣有效地還原板或帶表面上的氧化物，清潔帶344從床的底部移出。為了有效地還原氧化物，流化床反應器的最低溫度約為1200°F，但優選為1500°F-1700°F。在床頂部的出口導管處，空氣或其它含氣氧氣體從入口管350送入，以便使流化氣體燃燒并將流化顆粒加熱到預期的溫度。燃燒氣體和顆粒從出口孔354排出。被加熱的顆粒370從分離器360，例如旋風分離器返回到床分布器328上面的床底位置。
曾經發現，高氫氣氛和流化床顆粒的組合作用能很快加熱帶、還原氧化物和清潔表面。
為了減少投資和/或增加生產能力，重要的是使金屬絲或帶與流化床之間的傳熱速度最大化。流化床中能使傳熱速率最大化的參數如下。
至于流化氣體的熱導，一般說來，較高的氣體熱導給出較高的傳熱速率。氫的熱導最高，因此通常優選氫含量高的氣氛。
流化顆粒的尺寸決定傳熱速率。因此，流化顆粒的尺寸應大于氣泡相流化的臨界尺寸。在高溫下，小的顆粒尺寸會使流化床產生過份的粉塵。對本發明之目的，高溫操作下流化顆的尺寸宜界于70-465微米(泰勒標準篩號為200-37)，優選175-295微米(泰勒標準篩號為80-48)。
氣體流量是分股金屬絲和帶退火速率的重要參數。這里存在一個使流化顆粒床流化的最低流量。較大流量時傳熱速率會明顯增加。一般說來，流量為最低流化流量(″MFF″)的3-5倍之間時，傳熱系數增加并達最大值。對于本發明的高氫氣氛，曾發現最大傳熱在10-15倍于MFF的范圍內。在峰值之后傳熱速率逐漸降低，因為床中空隙體積的份額增加。本發明中，所用流化氣體的流量亦取決于流化床的加熱要求，因為流化氣體一方面用作金屬絲的還原氣氛，另一方面用作加熱床的燃燒。詳細計算表明，流化氣流的優選范圍對水平流化床反應器為2-5倍MFF，而對垂直流化床反應器則為10-15倍MFF。表I列出了操作溫度為1800°F的流化床的幾種不同的有代表性的流化氣混合物的MFF(SCFH/單位床面積)以及傳熱速率。
實例表1泰勒標準篩號 37 486080Dp(微米) 參數 463295 246 175N2 MFF(NCFH/ft2) 355146 102 522*MFF(NCFH/ft2)711291 203 105h(Btu/hr.ft2.°F) 75 8894106100％H2氣 MFF(NCFH/ft2) 1836442192*MFF(NCFH/ft2)365127 8338h(Btu/hr.ft2.°F) 228269 287 324重組氣 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對比實例在間接燃燒的用氮氣流化的流化床中實施制備清潔光亮金屬絲的方法。顆粒為48泰勒標準篩號，在兩倍于MFF(2×MFF)的條件F，傳熱系數為88 Btu/hr.ft2.°F。利用DI氣體，傳熱系數為154(Btu/hr.ft2.°F)。
經濟對比實例用本發明制備油回火的彈簧金屬絲。利用12股0.375″的金屬絲，通過速度為18ft/min，金屬絲用感應加熱預熱到1350°F，然后金屬絲在流化床中加熱到退火溫度為1600°F。流化顆粒為48泰勒標準篩號的氧化鋁，氣體流量為最低流化流量的2倍。
立足于三種氣體混合物的可消耗價格，取DI氣體的價格為$0.12/CCF、氮氣的價格為$0.25/CCF、氫氣價格為$0.60/CCF、天然氣的價格為$0.30/CCF進行了計算。
表II列出本發明所用之各種流化氣體的操作費用的比較。
表2重組氣體100％N2100％H2(80％H2)DI(40％H2)h(Btu/hr.ft2.°F) 88 269 220 154要求的流量(NCFH) 17,299 11,781 8,251 10,171操作費用 ($/hr)49.34 70.69 -- 12.21
可以看出，DI氣體的現有技術所用的100％N2相比，操作費用的減少是明顯的。DI流化床的基建投資同樣明顯低，因為床的尺寸較小，結構較簡單，這是由于不需要燃燒管或電加熱器的原因。
為了方便起見，本發明的具體特點只示于一張或幾張圖中，因為根據本發明每一特點可與其它特點組合。本專業技術人員會認可其它實施方案，本發明力圖將這些實施方案包括在權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種在流化床反應器中退火的分股金屬絲的方法，該反應器以高氫含量的流化氣體為氣氛，該流化氣流經流化顆粒，該方法包括a.借助一種還原氣體通過流化床中的流化顆粒，使流化氣的氣氛層化；b.在靠近流化床底部處使金屬絲通過流化的顆粒之間；和c.在該流化床反應器的頂部注入一定量的含氧氣體。
2.權利要求1的方法，其中還原氣體是部分氧化的產物，該產物至少含有氫和一氧化碳中的一種。
3.權利要求1的方法，其中還原氣體是由空氣和天然氣混合物燃燒產生的部分氧化的產物。
4.權利要求3的方法，其中空氣和天然氣的混合比例約為1.8∶1--3∶1。
5.權利要求1的方法，其中流化顆粒的大小約為70-465微米(泰勒標準篩號為200-37)。
6.一種在流化床反應器中使金屬絲、板或帶退火的方法，該反應器以高氫含量的流化氣體為氣氛，該流化氣流經流化顆粒，該方法包括a)通入有效量的還原氣體流過流化床中的流化顆粒，使流化顆粒子的淘洗細粒與流化床分離；b)使金屬絲、板或帶垂直通過流化床；c)從流化床反應器頂部注入一定量含氧氣體；d)使流化氣體的淘洗細粒與還原氣體分離，并將流化顆粒的淘洗細粒返回床底。
7.權利要求6的方法，其中還原氣體是部分氧化的產物，該產物至少包括氫和一氧化碳中的一種。
8.權利要求6的方法，其中還原氣體是空氣和天然氣混合物燃燒產生的部分氧化的產物。
9.權利要求8的方法，其中空氣和天然氣的混合比約為1.8∶1--3∶1。
10.權利要求6的方法，該流化顆粒包括氧化鋁。
全文摘要
本發明涉及一種在流化床反應器中使分股金屬絲或帶退火的方法,該反應器有一流化氣氣氛流過流化顆粒。本方法借助還原氣體通過流化床的流化顆粒使流化氣體氣氛層化。金屬絲在靠近流化床底部處通過流化顆粒。最后一定量的含氧氣體在該流化床反應器頂部注入。
文檔編號C21D9/567GK1257130SQ99126729
公開日2000年6月21日 申請日期1999年12月14日 優先權日1998年12月16日
發明者J·S·范登塞佩 申請人:普拉塞爾技術有限公司