DE102006045871B4

DE102006045871B4 - Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von nahtlos auf Radial-Axial-Ringwalzmaschinen hergestellten Ringen

Info

Publication number: DE102006045871B4
Application number: DE102006045871A
Authority: DE
Inventors: Axel von Hehl; Daniel Hansmann; Nikolaus Balmus; Johannes Dr. Wozniak
Original assignee: Rothe Erde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Rothe Erde Germany GmbH
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: WO2008037327A1; MX2009002391A; EP2078099A1; US8377238B2; JP5394926B2; US20100024929A1; CN101506391A; RU2009115859A; KR20090073090A; CN101506391B; DE102006045871A1; RU2441076C2; JP2010505038A

Abstract

Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von nahtlos auf Radial-Axial-Ringwalzmaschinen hergestellten Ringen, vorzugsweise von Turmflanschen aus Stahl für Windkraftanlagen, wobei der Ringrohling bei einer Temperatur von 900–1150°C in die Ringwalzmaschine eingelegt und im Warmumformverfahren auf einen Außendurchmesser von vorzugsweise 0,2–10 m gewalzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der heiße Ring (1) unmittelbar nach dem Walzen ohne Zwischenerwärmung in einem Tauchbecken (2) in kurzer Zeit von einer Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur im Austenitgebiet gesteuert auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von nahtlos auf Radial-Axial-Ringwalzmaschinen hergestellten Ringen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zur Abkühlung von warm umgeformten heißen Ringen zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Herstellung von nahtlosen Ringen auf Radial-Axial-Ringwalzmaschinen werden üblicherweise die Ringrohlinge bei einer Temperatur von 900–1200°C in die Ringwalzmaschine eingelegt und auf einen Außendurchmesser von vorzugsweise 0,2–10 m gewalzt. Nach dem Walzen werden die Ringe üblicherweise zwischengelagert und dabei meist bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Rahmen der sich anschließenden Wärmebehandlung ist es dann erforderlich, den Ring erneut bis zur. Austenitisierungstemperatur aufzuheizen und von dort aus zur Herstellung eines feinkörnigen und gleichmäßigen Gefüges abzukühlen. Die zusätzliche Wärmebehandlung ist mit einem hohen Aufwand und einem erheblichen Energiebedarf verbunden.
Aus der EP 413 163 B1 ist ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von thermomechanisch behandeltem Walzgut aus Stahl bekannt, wobei die Umformung des Walzgutes zwischen Raumtemperatur und 930°C erfolgt und zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften in einer nachgeschalteten Kühleinrichtung eine beschleunigte Kühlung des Walzgutes mit Hilfe von Kühlmedien wie Wasser, Luft oder Wasser-/Luftgemisch vorgenommen wird. Dieses Verfahren ist nur für die Herstellung von Flach- und Langprodukten sowie Walzdraht vorgesehen. Die genaue Art der Kühlung ist dabei nicht beschrieben.
Aus der koreanischen Schrift KR 1005661118 B1 ist außerdem ein Ringwalzverfahren mit anschließendem Erhitzen des gewalzten Ringes in einem Ofen und Abkühlen des Ringes in einem Tauchbad ersichtlich, wobei der Durchmesser des Ringes zwischen 4.500 und 9.300 mm und die Höhe zwischen 300 und 280 mm liegen soll. Auch hier ist die energieaufwändige erneute Erwärmung des Ringes vor der abschließenden Tauchkühlung beschrieben.
Aus der DE 33 14 847 A1 ist ein Verfahren zur Fertigung nahtloser Ringe mit verbesserten Federeigenschaften beschrieben, wobei ein spezieller Federstahl nach dem Austenitisieren im Temperaturbereich von 1050° bis 1200°C durch Vorschmieden bei Temperaturen oberhalb von 1000°C gefertigt wurde, nachfolgend bei einer Endumformtemperatur von max. 850°C zu Ringen umgeformt, anschließend innerhalb von 5 bis 20 Sekunden von einer Temperatur von max. 850°C abgeschreckt sowie bei Temperaturen von 400° bis 480°C mit einer Haltedauer von 8 bis 30 Minuten angelassen und danach bei einer Mindesttemperatur von 400°C mit einem Umformgrad von max. 5% kalibriert wird. Bei diesem speziellen Warmumformverfahren handelt es sich um ein sehr kompliziertes und aufwändiges Verfahren, um ganz spezielle Federeigenschaften der Ringe zu erhalten.
In der DE 1 964 795 B ist ebenfalls ein mehrstufiges Abkühlverfahren zur Wärmebehandlung von Stählen in mehreren ganz speziellen Temperaturstufen mit genau definierten Abkühlgeschwindigkeiten beschrieben, wobei in einer ersten Stufe aus einem Temperaturbereich von 880° bis 950°C bis auf eine Temperatur von 40° bis 10°C über dem A1-Punkt abgekühlt wird, anschließend auf dieser Temperatur für 1 bis 20 Minuten verweilt und anschließend beschleunigt unter den Martensit-Punkt abgekühlt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, insbesondere den Aufwand und den Energieverbrauch bei der Herstellung von nahtlos gewalzten Ringen mit einem feinkörnigen und gleichmäßigen Gefüge zu verringern.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der heiße Ring unmittelbar nach dem Walzen ohne Zwischenerwärmung in einem Tauchbecken in kurzer Zeit von einer Temperatur knapp oberhalb der Umwandlungstemperatur im Austenitgebiet gesteuert auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt wird. Hierbei wird unter Verzicht auf eine zusätzliche Wärmebehandlung und unter Ausnutzung der Walzhitze für die Gefügeumwandlung eine Verringerung der Prozessschritte und eine erhebliche Einsparung der für die übliche Wärmebehandlung benötigten Energie erreicht. Es hat sich gezeigt, dass auch ohne diese zusätzliche Wärmebehandlung unter Einhaltung bestimmter Abkühlungsparameter und unter Einhaltung einer genau vorgegebenen Tauchzeit ein ausreichend gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge nach dem Abschrecken erhalten werden kann. Um diese genauen Parameter einhalten zu können, wird erfindungsgemäß die Temperatur des Ringes vor und/oder nach dem Tauchbad mit einem Strahlungspyrometer gemessen und die Tauchzeit vorzugsweise in Abhängigkeit von der vor dem Tauchen gemessenen Temperatur des Ringes und der Kühlflüssigkeit eingestellt. Durch die Überwachung der Temperatur des Ringes vor dem Tauchvorgang kann insbesondere auch verhindert werden, dass der Ring mit einer zu niedrigen Temperatur, die unterhalb der Umwandlungstemperatur liegt, eingetaucht wird. Für diesen Fall wird der Ring zunächst wieder auf die erforderliche Temperatur erhitzt.
Um ein ausreichend schnelles Abkühlen bzw. Abschrecken des Ringes im Tauchbecken zu erreichen, wird erfindungsgemäß außerdem vorgeschlagen, den Ring im Tauchbecken über entlang des Ringumfanges gleichmäßig verteilte Düsen unter erhöhtem Druck mit Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser zu beaufschlagen. Die unter Druck beaufschlagte Kühlflüssigkeit kann dabei örtlich und/oder mengenmäßig genau eingestellt werden; das hängt dann von den individuellen Abmessungen (Durchmesser, Dicke und Querschnittsform) des gewalzten Ringes ab. Im Bedarfsfall können auch mehrere Tauchvorgänge nacheinander durchgeführt werden, wobei auch der zu kühlende Ring während des Tauchvorganges durch Drehen, Heben und Senken bewegt werden kann.
Die Vorrichtung zur Abkühlung der warm umgeformten heißen Ringe besteht aus einem mit Kühlflüssigkeit gefüllten Tauchbecken, einem in die Kühlflüssigkeit mit einer Hubvorrichtung absenkbaren Träger und erfindungsgemäß aus im Tauchbecken an ein oder mehreren Ringleitungen gleichmäßig verteilten Druckdüsen zur gezielten Beaufschlagung der Kühlflüssigkeit auf mindestens eine der ringförmigen Oberflächen des Ringes. Mit den als Dralldüsen ausgebildeten Druckdüsen kann eine ganz gezielte Abkühlung an der Oberfläche des Ringes erreicht werden, so dass das feinkörnige Austenitgefüge in das in der späteren Bauteilfunktionszone gewünschte Umwandlungsgefüge transformiert wird. Durch die hohen Auftreffgeschwindigkeiten der Kühlflüssigkeit wird insbesondere bei Wasser als Kühlflüssigkeit der isolierende Dampffilm weitgehend zerstört, der sich durch das Leidenfrostphänomen zu Beginn der Abkühlung bilden und den Wärmeübergang drastisch reduzieren kann. Dadurch wird die Abkühlgeschwindigkeit schon zu Beginn des Kühlprozesses, also noch bei hohen Ringtemperaturen maximiert. Es hat sich als günstig erwiesen, am Boden des Tauchbeckens mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Ringleitungen mit gleichmäßig verteilten Druckdüsen anzuordnen, wobei der Durchmesser der Ringleitungen im Wesentlichen dem Durchmesser der jeweils zu kühlenden Ringe entspricht. Hierbei kann jede Ringleitung separat angesteuert werden, so dass Ringe mit unterschiedlichsten Durchmessern, Dicken und Höhen gezielt gekühlt werden. Die Volumenströme lassen sich ebenfalls regeln, um auch die Auftreffgeschwindigkeiten entsprechend anzupassen. Sobald die Ringtemperatur soweit abgesunken ist, dass die Phase der Filmverdampfung verlassen ist und die des abschreckungsintensiven Blasensiedens beginnt, kann die Anströmgeschwindigkeit reduziert werden. Im Temperaturbereich der Konvektionsphase lässt sich mit Hilfe der Bedüsung einerseits der konvektive Wärmeübergang unterstützen und zum anderen wird neben der Wasserbadtemperatur auch die Temperatur der Ringoberfläche vergleichmäßigt.
Der gewalzte Ring kann für den Tauchvorgang auf einem Träger aus radial verlaufenden Leisten oder einem Gitter abgelegt werden. Zur Messung der Temperatur des auf dem Träger liegenden heißen Ringes ist unmittelbar oberhalb der Kühlflüssigkeit auf der Höhe des Trägers ein Strahlungspyrometer angeordnet. Das Tauchbecken kann insbesondere entsprechend der Geometrie der gewalzten Ringe rund und/oder ringförmig ausgebildet sein.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten 1–2 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen
1 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Tauchbecken 2
2 einen senkrechten Schnitt durch das Tauchbecken 2 nach 1 mit der schematischen Anordnung der erfindungsgemäßen Anlage.
Der heiße in der nicht dargestellten Radial-Axial-Ringwalzmaschine hergestellte Ring 1 wird mit Hilfe eines Kranes 3 auf dem Träger 5 der Hubvorrichtung 4 abgelegt. In dieser Aufnahmeposition befindet sich der Träger 5 direkt über der Oberfläche der Kühlflüssigkeit 8 des Tauchbeckens 2. Nach Messung der Temperatur des heißen Ringes 1 mit Hilfe des Strahlungspyrometers 6 und nach Bestimmung der Temperatur der Kühlflüssigkeit 8 mit Hilfe des Temperaturmeßgerätes 7 wird in der Steuereinheit 10 zusammen mit der Ringgeometrie und der zu erzielenden Umwandlungstemperatur über einen Algorithmus die Soll-Abtauchzeit ermittelt. Der auf dem Träger 5 aufliegende heiße Ring 1 wird im direkten Anschluss daran mit Hilfe der Hubvorrichtung 4 in das Tauchbecken 2 getaucht und solange im Tauchbecken 2 gehalten bis die berechnete Soll-Abtauchzeit erreicht ist. Anschließend wird der Ring 1 wieder aus dem Tauchbecken 2 gehoben und die Ringtemperatur mit dem Strahlungspyrometer 6 erneut gemessen. Falls erforderlich kann der Abtauchvorgang wiederholt werden. Das kann insbesondere bei Ringen 1 aus Stahlsorten erforderlich sein, die einen höheren Legierungsgehalt und damit eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzen, die damit aber auch umwandlungsträger sind. Dabei hat es sich als sinnvoll erwiesen, nach jedem Auftauchen den Ring 1 außerhalb des Tauchbeckens 2 zu halten, damit der Temperaturgradient zwischen Rand und Kern des Ringes 1 durch die aus dem Ringkern nachfließende Wärme sich verringert. Dabei kann insbesondere die Oberflächentemperatur kontinuierlich gemessen werden und bei Erreichen einer definierten Maximaltemperatur der Tauchvorgang wiederholt werden. Mit dieser zyklischen Fahrweise wird der zeitliche Unterschied bei der Gefügeumwandlung zwischen dem Randbereich und dem Kern des Ringes 1 und damit der Gefügeunterschied zwischen Rand und Kern verringert. Außerdem wird dadurch die Gefahr des Reißens infolge innerer Spannungen weitgehend vermieden.
Zur Verbesserung des Abschreckvorganges sind am Boden des Tauchbeckens 2 eine Reihe von Ringleitungen 11 mit am Umfang gleichmäßig verteilten Druckdüsen 13 konzentrisch zueinander angeordnet. Mit Hilfe dieser Druckdüsen 13 wird zu Beginn des Tauchvorganges gezielt Kühlflüssigkeit 8 auf die ringförmigen Oberflächen des Ringes 1 mit möglichst hohem Druck aufgebracht. Insbesondere bei Wasser als Kühlflüssigkeit kann hierdurch der Abkühlvorgang beschleunigt werden, da es nicht zu dem so genannten „Leidenfrost-Effekt” kommt, der eine gewisse isolierende Wirkung an der Ringoberfläche erzeugen kann und zu einer starken Reduktion der abgeführten Wärmemenge führt. Die einzelnen Ringleitungen 1l sind über jeweils eigene Zuführungsleitungen 12 und Absperrventile mit dem äußeren nicht dargestellten Pumpensystem verbunden. Dadurch ist es möglich, jeweils nur die Ringleitung 11 mit den entsprechenden Druckdüsen 13 zu beaufschlagen, die etwa denselben Durchmesser hat wie der aufgelegte Ring 1. Auf jeder Ringleitung 11 sind die Druckdüsen jeweils so angeordnet, dass sie einerseits die untere Ringfläche und andererseits zumindest die beiden senkrechten inneren und äußeren Ringflächen mit Kühlflüssigkeit beaufschlagen.
In 2 ist zusätzlich noch eine schematisch Anzeigeeinheit 9 dargestellt, die einerseits die vom Strahlungspyrometer 6 gemessene Temperatur des Ringes 1 und andererseits die in der Steuereinheit 10 vorgegebene Tauchzeit in Sekunden anzeigt. Zusätzlich besitzt die Anzeigeeinheit 9 eine an sich bekannte Ampelanlage, die dem Anlagenbediener bei grün Freigabe gibt, den Tauchvorgang einzuleiten oder bei rot den Tauchvorgang verbietet, weil z. B. die Temperatur des Ringes bereits zu niedrig ist oder die Anlage eine Störung hat. Ein gelbes Signal zeigt dem Bediener die Betriebsbereitschaft der Anlage an.

1: Ring
2: Tauchbecken
3: Kran für 1
4: Hubvorrichtung für 5 und 1
5: Träger für 1 an 4
6: Strahlungspyrometer
7: Temperaturmessgerät für 8
8: Kühlflüssigkeit
9: Anzeigeeinheit
10: Steuereinheit
11: Ringleitung zur Zuführung von 8
12: Zuführungsleitung zu 11
13: Druckdüsen an 11

Claims

Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von nahtlos auf Radial-Axial-Ringwalzmaschinen hergestellten Ringen, vorzugsweise von Turmflanschen aus Stahl für Windkraftanlagen, wobei der Ringrohling bei einer Temperatur von 900–1150°C in die Ringwalzmaschine eingelegt und im Warmumformverfahren auf einen Außendurchmesser von vorzugsweise 0,2–10 m gewalzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der heiße Ring (1) unmittelbar nach dem Walzen ohne Zwischenerwärmung in einem Tauchbecken (2) in kurzer Zeit von einer Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur im Austenitgebiet gesteuert auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Ringes (1) vor und/oder nach dem Tauchvorgang mit einem Strahlungspyrometer (6) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchzeit in Abhängigkeit von der vor dem Tauchen gemessenen Temperatur des Ringes (1) und der Kühlflüssigkeit (8) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (1) im Tauchbecken (2) über entlang des Ringumfanges gleichmäßig verteilte Düsen (13) unter erhöhtem Druck mit Kühlflüssigkeit (8) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Druck beaufschlagte Kühlflüssigkeit (8) örtlich und/oder mengenmäßig eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Tauchvorgänge nacheinander durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlflüssigkeit Wasser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu kühlende Ring (1) während des Tauchvorganges um eine senkrechte zentrale Achse gedreht und/oder oszillierend auf und ab bewegt wird.
Vorrichtung zur Abkühlung von warm umgeformten heißen Ringen (1), vorzugsweise zur Durchführung des vorgenannten Verfahren, bestehend aus einem mit Kühlflüssigkeit (8) gefüllten Tauchbecken (2) und einem in die Kühlflüssigkeit (8) mit einer Hubvorrichtung (4) absenkbaren Träger (5), auf dem der gewalzte Ring (1) aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass im Tauchbecken (2) an ein oder mehreren Ringleitungen (11) gleichmäßig verteilt Druckdüsen (11) zur gezielten Beaufschlagung der Kühlflüssigkeit (8) auf mindestens eine der ringförmigen Oberflächen des Ringes (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchbecken (2) rund und/oder ringförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Temperatur des auf dem Träger (5) liegenden Ringes (1) unmittelbar oberhalb der Kühlflüssigkeit (8) ein Strahlungspyrometer angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) aus radial verlaufenden Leisten oder einem Gitter besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden des Tauchbeckens (2) mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Ringleitungen (11) angeordnet sind, deren Durchmesser dem Durchmesser der jeweils zu kühlenden Ringe (1) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdüsen (13) an der Ringleitung (11) derart angeordnet sind, dass mindestens zwei der Ringflächen des zu kühlenden Ringes (1) gleichzeitig beaufschlagbar sind.