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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Wärmebehandlung eines Rohrkörpers eines Förderrohrs.
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Weit verbreitet ist der Einsatz von Förderrohren im Rohrstrang der Betonverteilermasten von Autobetonpumpen und ähnlichen Einsatzfällen beim hydraulischen oder pneumatischen Transport von Feststoffen mittels Rohrleitungen.
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Die Anforderungen an solche Förderrohre sind komplex. Innenseitig sollen die Förderrohre eine möglichst hohe Härte besitzen, um den in der Regel sehr abrasiven Feststoffen einen möglichst hohen Verschleißwiderstand entgegen zu setzen, wohingegen die Außenseite der Förderrohre schlag- und druckfest sein sollte mit geringer Bruch- und Rissgefahr. Zudem wird eine hohe Lebensdauer der Förderrohre bei möglichst leichter Bauweise angestrebt.
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Durch die
DE 973 272 B zählt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Rohrkörpers zum Stand der Technik. Hierbei wird ein Rohr durch einen ersten Induktor geführt und auf Härtetemperatur erhitzt, durch eine Abschreckbrause abgeschreckt und mittels eines zweiten Induktors angelassen.
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Die
DE 1 000 843 B offenbart ein Härteverfahren für Rohre, die eine gehärtete Innenseite und eine zähe Außenseite aufweisen sollen. Hierbei wird mittels Abkühlbrausen die Außenschicht des Rohres während des Härtens gekühlt.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abschreckhärten von Rohren unter Verwendung eines Induktors zur Rohrerwärmung ist auch aus der
DE 23 49 913 A1 bekannt. Hierbei erfährt das Rohr innerhalb einer Abschreckvorrichtung durch einen außen angebrachten Induktor eine fortlaufende Erwärmung auf Härtetemperatur und eine Abschreckung von außen und innen mittels Abschreckbrausen.
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Der aus der
US-A-2,556,243 bekannte Vorschlag beschreibt das Härten der äußeren und der inneren Oberfläche eines Rohrkörpers. Hierzu sind ein innerer und ein äußerer Induktor vorgesehen, jeweils mit zugeordneter Abschreckbrause.
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Die mit dem bekannten Verfahren hergestellten Rohrkörper sind für den Einsatz als Förderrohr zum Feststofftransport nicht oder nur bedingt geeignet, zumindest jedoch verbesserungswürdig, weil sie aufgrund ihres Härtegefüges im Bereich der Außenwand zu Bruch- oder Rissgefahr im praktischen Betrieb neigen.
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde eine anlagentechnisch verbesserte Vorrichtung zur Wärmebehandlung der Rohrkörper von Förderrohren zu schaffen, welche die Herstellung von qualitativ hochwertigen, kostengünstigen Förderrohren ermöglicht sowie ein entsprechendes Verfahren aufzuzeigen.
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Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 auf.
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Eine erste Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe zeigt Anspruch 7 auf. Eine zweite Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe ist Anspruch 10 zu entnehmen. Besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen 8 und 9 sowie 11 bis 14 charakterisiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine erste Induktionsspule und eine zweite Induktionsspule, welche zur Wärmebehandlung den Rohrkörper außen umschließen und in Axialrichtung des Rohrkörpers mit Abstand zueinander angeordnet sind. Der Rohrkörper und die Induktionsspulen sind relativ zu einander verlagerbar. Vorzugsweise wird der Rohrkörper durch die Induktionsspulen bewegt. Grundsätzlich ist es aber möglich die erfindungsgemäße Vorrichtung entlang eines Rohrkörpers zu bewegen. Der ersten Induktionsspule ist eine Abschreckbrause und der zweiten Induktionsspule eine Abkühlbrause zugeordnet.
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Beim Durchlauf des Rohrkörpers durch die erste Induktionsspule wird die Wand des Rohrkörpers geglüht und auf Härtetemperatur gebracht. Im Anschluss daran erfolgt die schnelle Abkühlung mittels der Abschreckbrause. Durch diesen ersten Schritt der Wärmebehandlung mit einer Erwärmung der Wand des Rohrkörpers auf eine Temperatur oberhalb der vollständigen Ferritauflösung wird der Stahlwerkstoff austenitisiert und dann so abgekühlt das eine Härtesteigerung durch die völlige oder teilweise Umwandlung des Austenits zu Martensit erfolgt. Die Zeit zwischen Erwärmung und Abkühlung ist durch den Vorschub des Rohrkörpers steuerbar. Das Förderrohr erhält die angestrebte hohe Härte. Nach dem Härtevorgang läuft der Rohrkörper durch die zweite Induktionsspule. Hier erfolgt eine Wärmebehandlung mit einem gegenüber der ersten Wärmebehandlung niedrigeren Temperaturniveau, wobei eine Außenschicht der Wand des Rohrkörpers erwärmt und anschließend mittels der Abkühlbrause abgekühlt wird.
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Die Wärmebehandlung vollzieht sich folglich auf zwei Temperaturniveaus. Zunächst wird die Wand des Rohrkörpers auf Härtetemperatur erhitzt und vollständig durchgeglüht. Dies erfolgt bei einer Temperatur von größer oder gleich 720 °C. Durch den sich anschließenden Abschreckvorgang mit einem Kühlmedium erhält der Rohrkörper die angestrebte hohe Härte. Das Abschrecken erfolgt bevorzugt durch Beaufschlagung der Innenwand des Rohrkörpers mit Kühlmittel. Hierzu ist die Abschreckbrause zwischen der ersten Induktionsspule und der zweiten Induktionsspule innerhalb des Rohrkörpers angeordnet. Hierbei ist die Abschreckbrause endseitig an einer Zuführleitung gehalten. Grundsätzlich kann zum Härten des Rohrkörpers aber auch eine Außenbrause oder eine Innen- und eine Außenbrause eingesetzt werden.
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Nach dem Härten wird die Wand des Rohrkörpers ein zweites Mal erwärmt. Hierbei wird nur eine Außenschicht der Wand des Rohrkörpers erwärmt und zwar auf ein Temperaturniveau zwischen 200 °C und 600 °C. Hierdurch wird die Oberflächenhärte in der Außenschicht des Rohrkörpers verringert und die Duktilität bzw. der Kerbschlagzähigkeit sowie die Verschleißfestigkeit und die Dauerfestigkeit der Außenwand erhöht.
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Gemäß der Erfindung wird parallel zur Erwärmung des Rohrkörpers mittels der zweiten Induktionsspule die Innenwand des Rohrkörpers durch eine innerhalb des Rohrkörpers im Einwirkungsbereich der zweiten Induktionsspule angeordneten Abkühlbrause gekühlt. Diese Maßnahme ermöglicht eine präzise Einstellung des Härteverlaufs der Wand des Rohrkörpers. Die Außenschicht erhält die gewünschte Duktilität wohingegen die Innenschicht des Rohrkörpers ihre hohen Festigkeitswerte beibehält.
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Möglich ist es auch, dass eine der zweiten Induktionsspule nachgeschaltete zweite Abkühlbrause den Rohrkörper von außen umschließt, so dass der Kühlmittelauftrag auf die Außenwand des Rohrkörpers erfolgt. Hierdurch kann eine gezielte Abkühlung der Außenschicht des Rohrkörpers im Anschluss an die zweite Wärmebehandlung erfolgen. Durch eine gezielte Temperatursteuerung mit der sich anschließenden Abkühlung wird lediglich eine Außenschicht von etwa 1 mm bis 1,5 mm des Rohrkörpers erweicht und dadurch Bruch- und Rissgefahr im praktischen Betrieb reduziert. Dem gegenüber bleibt die Innenwand des Rohrkörpers hart und hoch verschleißfest.
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Des Weiteren kann eine erste Abkühlbrause innerhalb des Rohrkörpers angeordnet sein und eine zweite Abkühlbrause den Rohrkörper außen umschließen. Hierbei ist die erste Abkühlbrause innerhalb des Rohrkörpers im Einwirkungsbereich der zweiten Induktionsspule unter dieser angeordnet, so dass die Innenwand des Rohrkörpers während der Wärmebehandlung mittels der zweiten Induktionsspule von innen gekühlt wird. Hierdurch werden die hohen Festigkeitswerte in der Innenschicht der Rohrwand beibehalten. Die zweite, äußere Abkühlbrause ist der ersten Abkühlbrause nachgeschaltet.
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Das Verhältnis der Dicke der gehärteten Innenschicht des Rohrkörpers zu der Dicke der weicheren Außenschicht des Rohrkörpers liegt vorzugsweise bei 1:1 bis 4:1.
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Vorzugsweise wird der Rohrkörper bei der Wärmebehandlung in der Vorrichtung rotierend bewegt und in Längsrichtung durch die beiden Induktionsspulen hindurch geführt. Die Anordnung der Vorrichtung kann so gewählt sein, dass die Rohrlängsachse geneigt verläuft. Auf diese Weise kann ein auf die Innenwand aufgebrachtes Kühlmittel gut aus dem Rohrkörper ablaufen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den Verfahren können kostengünstige jedoch qualitativ hochwertige, insbesondere einlagige Rohrkörper für Förderrohre hergestellt werden. Die Rohrkörper weisen ein zähes Werkstoffgefüge in der Außenschicht auf und sind entsprechend schlagfest. Die Innenschicht der Rohrkörper ist glashart mit hoher Festigkeit.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in der Seitenansicht, technisch vereinfacht, teilweise in geschnittener Darstellungsweise, eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines Rohrkörpers;
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2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die 1 bis 3 zeigen jeweils eine Vorrichtung 1A, 1B und 1C zur Wärmebehandlung eines Rohrkörpers 2 eines Feststoffförderrohrs. Einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilkomponenten tragen in den 1 bis 3 die gleichen Bezugszeichen.
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Jede Vorrichtung 1A, 1B und 1C umfasst eine erste Induktionsspule 3 und eine zweite Induktionsspule 4, welche in Axialrichtung des Rohrkörpers 2 mit Abstand a zueinander angeordnet sind. Um der Wand 5 des Rohrkörpers 2 eine gezielte Härteabstufung zu verleihen wird der Rohrkörper 2 in der Vorrichtung 1A, 1B, 1C einer zweistufigen Wärmebehandlung unterzogen. Hierzu wird der Rohrkörper 2 längs durch die erste Induktionsspule 3 und die zweite Induktionsspule 4 geführt. Die Bewegungsrichtung des Rohrkörpers 2 ist durch den Pfeil B gekennzeichnet. Die erste Induktionsspule 3 und die zweite Induktionsspule 4 umschließen den Rohrkörper 2. Hierdurch wird der metallische Rohrkörper 2 nacheinander dem Einfluss der elektromagnetischen Wechselfelder der ersten Induktionsspule 3 und der zweiten Induktionsspule 4 ausgesetzt. Die elektromagnetischen Wechselfelder der Induktonsspulen 3 bzw. 4 induzieren im Rohrkörper 2 einen elektrischen Strom der zur Erwärmung des Metalls des Rohrkörpers 2 führt.
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Der ersten Induktionsspule 3 ist eine Abschreckbrause 6 nachgeschaltet, welche zwischen der ersten Induktionsspule 3 und der zweiten Induktionsspule 4 innerhalb des Rohrkörpers 2 angeordnet ist. Über die Abschreckbrause 6 kann Kühlmittel KM auf die Innenwand 7 des Rohrkörpers 2 aufgetragen werden. Die Abschreckbrause 6 ist endseitig an einer Zuführleitung 8A für Kühlmittel KM gehalten. Die Kühlmittelzuleitung selbst ist durch den Pfeil KM gekennzeichnet.
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Bei der Vorrichtung 1A, wie in der 1 dargestellt, ist der zweiten Induktionsspule 4 eine Abkühlbrause 9 zugeordnet. Die Abkühlbrause 9 ist innerhalb des Rohrkörpers 2 im Einwirkungsbereich der zweiten Induktionsspule 4 angeordnet. Die Abkühlbrause 9 wird über die Zuführleitung 8A bzw. die Verlängerung 8B der Zuführleitung 8A mit Kühlmittel KM versorgt. Über die Zuführleitungen 8A und 8B werden folglich die Abschreckbrause 6 und die Abkühlbrause 9 gemeinsam versorgt. Grundsätzlich können auch zwei separate Zuführleitungen 8A bzw. 8B für die Zuleitung von Kühlmittel KM zur Abschreckbrause 6 bzw. zur Abkühlbrause 9 vorgesehen sein. Die beiden Zuführleitungen 8A und 8B können auch ineinander angeordnet sein.
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Die Vorrichtung 1B, wie in der 2 dargestellt, weist zusätzlich noch eine Abkühlbrause 10 auf, welche der zweiten Induktionsspule 4 nachgeschaltet ist und den Rohrkörper 2 außen umschließt. Dem entsprechend erfolgt ein zusätzlicher Auftrag von Kühlmittel KM durch die Abkühlbrause 10 auf die Außenwand 11 des Rohrkörpers 2.
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Die Vorrichtung 1C unterscheidet sich von den zuvor erläuterten Vorrichtungen 1A und 1B dadurch, dass dort nur eine äußere Abkühlbrause 10 vorgesehen ist, welche der zweiten Induktionsspule 4 nachgeschaltet ist und für den Auftrag von Kühlmittel KM auf die Außenwand 11 des Rohrkörpers 2 vorgesehen ist.
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Der Rohrkörper 2 ist einlagig und besteht aus einem härtbaren hochverschleißfesten Stahlwerkstoff, insbesondere der Stahlsorte C60 mit entsprechend hohem Kohlenstoffgehalt. Die Dicke der Wand 5 des Rohrkörpers 2 liegt in der Praxis bei 4 mm bis 6 mm.
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Bei der Bewegung des Rohrkörpers 2 durch die erste Induktionsspule 3 wird die Wand 5 des Rohrkörpers 2 geglüht und auf eine Härtetemperatur TH oberhalb von 720°C gebracht. Im Anschluss daran erfolgt die schnelle Abkühlung des Rohrkörpers 2 mittels der inneren Abschreckbrause 6. Hierzu wird Kühlmittel KM über die Abschreckbrause 6 auf die Innenwand 7 aufgetragen. Durch die hiermit einhergehende schnelle Abkühlung wird der Stahlwerkstoff gehärtet.
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Nach dem Härtevorgang wird der Rohrkörper 2 durch die zweite Induktionsspule 4 bewegt. Mittels der zweiten Induktionsspule 4 wird eine Außenschicht 12 des Rohrkörpers 2 von etwa 1 mm bis 1,5 mm Dicke auf eine Temperatur TA zwischen 200 °C und 600 °C erwärmt. Auf diese Weise wird die Härte in der Außenschicht 12 des vorher gehärteten Rohrkörpers 2 wieder reduziert. Die Außenschicht 12 erhält ein zähes Werkstoffgefüge. Hierdurch wird die Bruch- und Rissgefahr im praktischen Betrieb verringert. Parallel hierzu wird bei den Vorrichtungen 1A und 1B die Innenwand 7 in der Wärmezone bzw. im Einwirkungsbericht der zweiten Induktionsspule 4 durch Auftrag von Kühlmittel KM über die innere Abkühlbrause 9 gekühlt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Innenschicht 13 des Rohrkörpers 2 ihre hohen Festigkeitswerte behält.
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Bei der Vorrichtung 1C erfolgt eine Abkühlung des Rohrkörpers 2 ausschließlich über die nachgeschaltete Abkühlbrause 10.
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Durch Einstellen der Frequenz der wechselstromdurchflossenen Induktionsspulen 3 bzw. 4 lässt sich die Temperatur des zweistufigen Wärmebehandlungsprozesses präzise steuern. Über die Frequenz der Induktionsspulen 3 bzw. 4 kann das
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Eindringmaß und damit die Dicke der direkt erwärmten Schicht der Wand 5 des Rohrkörpers 2 gesteuert werden. Bei einer hohen Frequenz ist das Eindringmaß gering. Bei einer niedrigen Frequenz ist das Eindringmaß groß. Da mit der Induktionsspule 3 die Wand 5 des Rohrkörpers 2 durchgreifend erwärmt werden soll, ist eine entsprechend niedrige Frequenz zweckmäßig. Die zweite Induktionsspule 4 wird mit einer deutlich höheren Frequenz betrieben, um das Eindringmaß der Erwärmung auf die angestrebte Schichtdicke der Außenschicht 12 einzustellen.
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Die Wand 5 eines Rohrkörpers 2 weist einen gezielt abgestuften Härteverlauf auf. Die Innenschicht 13 des Rohrkörpers 2 ist extrem hart und hochverschleißfest, wohingegen die Außenschicht 12 zäh und schlagfest ist. Das Verhältnis der Dicke der Innenschicht 13 zur Dicke der Außenschicht 12 ist zwischen 1:1 und 4:1 bemessen. Bei einer Gesamtwandstärke des Rohrkörpers 2 von 5 mm ist die Außenschicht 12 beispielsweise zwischen 1 mm und 1,5 mm dick, wohingegen die Innenschicht 13 eine Dicke von mindestens 2,5 mm, vorzugsweise von 3,5 mm bis 4 mm aufweist.
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Die Effektivität der Wärmebehandlung einschließlich der gezielten Abkühlprozesse kann gesteigert werden, wenn der Rohrkörper 2 bei der Wärmebehandlung um seine Längsachse L rotierend bewegt wird. Weiterhin ist es zweckmäßig, dass der Rohrkörper 2 innerhalb der Vorrichtung 1 geneigt angeordnet ist. Hierdurch kann das innen aufgetragene Kühlmittel KM gut aus dem Rohrkörper 2 abfließen.
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Durch die erfindungsgemäße zweistufige Wärmebehandlung wird ein Rohrkörper 2 geschaffen, dessen Wand 5 einen abgestuften Härteverlauf besitzt. Die Innenschicht 13 ist extrem hart und hochverschleißfest, wohingegen die Außenschicht 12 ein zähes Werkstoffgefüge mit einer geringen Bruch- und Rissgefahr aufweist.
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Durch jeweils endseitig an einem Rohrkörper 2 festgelegte, hier nicht dargestellte, Kupplungsbunde wird ein Rohrkörper 2 zum Förderrohr komplettiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1A
- Vorrichtung
- 1B
- Vorrichtung
- 1C
- Vorrichtung
- 2
- Rohrkörper
- 3
- erste Induktionsspule
- 4
- zweite Induktionsspule
- 5
- Wand v. 2
- 6
- Abschreckbrause
- 7
- Innenwand v. 2
- 8A
- Zuführleitung
- 8B
- Zuführleitung
- 9
- innere Abkühlbrause
- 10
- äußere Abkühlbrause
- 11
- Außenwand v. 2
- 12
- Außenschicht
- 13
- Innenschicht
- a
- Abstand
- KM
- Kühlmittel
- L
- Längsachse
- TH
- Härtetemperatur
- TA
- Anlasstemperatur
- B
- Bewegungsrichtung
