DE19757485A1 - Vorrichtung zum kontrollierten Abkühlen von warmgewalzten Profilen, insbesondere Trägern, direkt aus der Walzhitze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontrollierten Abkühlen von warmgewalzten Profilen, insbesondere Trägern aus Stahl, direkt aus der Walzhitze.

Es ist bekannt, die mechanischen Eigenschaften von Werkstof­ fen, insbesondere Stahl, durch Wärmebehandlungen und/oder durch den Zusatz von Legierungselementen zu beeinflussen. Der unbegrenzten Anwendung des bekannten thermomechanischen Wal­ zens, insbesondere bei dem Walzen von Profilen, sind jedoch Grenzen gesetzt durch die Belastbarkeit der Walzgerüste, da diese Verfahren hohe Verformungsgrade bei vergleichweise niedrigen Temperaturen voraussetzen.

Durch das sogenannte QST-Verfahren (QST: Quenching und Self Tempering, Härten und Selbstanlassen) können die mechanischen Eigenschaften beeinflußt werden. Hierbei werden die Bauteile nach dem Fertigstich aus der Walzhitze heraus mit Wasser ab­ geschreckt. Bevor der Kern des Werkstücks abgekühlt ist, wird die Kühlung unterbrochen und das Gefüge im Randbereich durch die im Kern noch vorhandene Wärme angelassen.

Bei der Behandlung von Stählen werden während des Abschreck­ vorgangs die Materialoberfläche und die darunter befindlichen Schichten je nach Kühldauer unter die Martensit-Starttempera­ tur abgekühlt, was die Bildung von Martensit in den Randzonen zur Folge hat. Über die Kühlzeit und das Kühlmedium kann die­ ser Vorgang beeinflußt werden, insbesondere wird über die Kühlzeit die Tiefe der Schicht (Eindringtiefe) eingestellt, in der sich Martensit bildet.

Nach dem Ende dieser Zwangskühlung erfolgt dann der Anlaßvor­ gang, bei dem durch die Restwärme im Profil die zuvor gebil­ dete Martensitschicht angelassen wird. Die Temperatur steigt wieder über die Martensit-Starttemperatur an. Hierbei wird der martensitische Bereich entspannt und somit ein Material hoher Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit einge­ stellt.

Bei dem sich anschließenden Abkühlvorgang an Luft bildet sich im Inneren des Querschnitts bainitisches und/oder (fein)-per­ litisches Gefüge.

Soll das Material abgekühlt werden, ohne Martensit zu bilden, wird über die Kühlzeit und Kühlintensität die Oberflächentem­ peratur der Profile so abgekühlt, daß die Martensit-Starttem­ peratur nicht unterschritten wird. Auch hier erfolgt zur Ho­ mogenisierung der Temperaturverteilung ein Anlassen nach dem Ende der Zwangskühlung. Nach Ablauf des Anlaßvorgangs ergibt sich eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch die Einstellung eines beispielsweise fein-perlitischen und ferritischen Gefüges.

Zur gleichmäßigen Einstellung der gewünschten Eigenschaften ist es wichtig, daß das Profil bzw. die zu kühlenden Flächen gezielt mit dem Kühlmedium beaufschlagt werden.

Eine Vorrichtung zum Abkühlen von Trägern ist aus dem euro­ päischen Patent 0 140 026 bekannt. Die Beaufschlagung mit Kühlflüssigkeit erfolgt im Durchlauf über sog. Kühlkästen. Diese sind mit Öffnungen in gleichen Abständen zum Versprühen von Kühlflüssigkeit versehen. Zur Kühlung der äußeren bzw. inneren Bereiche des Trägers sind die Kästen für die Außen­ fläche mindestens so groß ausgebildet wie die Höhe der Flan­ sche. Zur Kühlung der inneren Flansche überdecken die Kästen die gesamte innere Fläche der Flansche sowie mindestens 70% der Stegfläche.

Als Nachteil erweist sich hier, daß bei unterschiedlichen Geometrien der Profile bei Änderung des Walzprogramms ein Nachführen der inneren Kühlkästen notwendig ist. Weiterhin ist dieses Verfahren hauptsächlich bei großen Trägern ein­ setzbar, da ein Werkzeug von oben und unten zwischen die Flansche gefahren wird. Bei kleinen Trägern ist dies aufgrund des kleinen Bauraums nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich.

Da die Beaufschlagung des Trägers mit Kühlwasser für alle Stellen einer Fläche näherungsweise gleich erfolgt und auf­ grund der Konstruktion der Kühlkästen einzelne Öffnungen oder Reihen nicht abgeschaltet werden können, ist eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Querschnitt erforderlich. Diese Temperaturverteilung muß daher in einem gewissen Maß bereits während des Walzvorgangs mit Hilfe einer selektiven Kühlung der Übergangszone Flansch-Steg eingestellt werden. Ferner ist eine Kühlung hinsichtlich der Reduzierung der Ei­ genspannungen im Träger mit dieser Vorrichtung nicht möglich.

Die europäische Patentschrift 0 462 783 offenbart ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung dünnwandiger Doppel-T-Profile. Es erfolgt eine Zwangskühlung der Walzpro­ dukte zwischen den Walzvorgängen. Die Kühlvorrichtung selbst besteht aus einer Vielzahl von Düsen, die übereinander ange­ ordnet sind. Sie werden mit Wasser betrieben und sind unter­ schiedlich zu- und abschaltbar. Die beschriebene Kühlvor­ richtung kühlt allerdings allein die Flanschaußenseiten der Profile. Dies geschieht mit dem Zweck, die Außenfläche der Träger vor dem abschließenden Warmwalzen auf eine Temperatur von 700°C oder weniger abzukühlen. Durch eine Wiederholung der Zwangskühlung mit Wasser wird die Mikrostruktur der Flanschoberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe umgewandelt.

Weiterhin ist ein Kühlverfahren und -vorrichtung aus dem eu­ ropäischen Patent 0 098 492 bekannt. Hierbei wird eine Vor­ richtung vorgeschlagen zur Abkühlung von Stahlprofilen, hier Schienen, die durch eine Kühlvorrichtung geführt werden. Eine Variation der Kühlung bzw. eine lokale Kühlung wird durch un­ terschiedliche Orientierung der transportierten Schienen so­ wie über Ablenkbleche für das Kühlmedium erreicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kühlvorrichtung für fertiggewalzte Profile, insbesondere Stahlträger, bereitzustellen, die bei Änderung des Walzpro­ gramms auf unterschiedliche Geometrien und Größen der Profile einstellbar ist sowie eine gleichförmige Kühlung des Profils bzw. die Kühlung definierter Teilbereiche gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Vorrichtung nach An­ spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Kern der Erfindung ist die Einstellung eines optimal angepaß­ ten Spritzbildes der Kühlvorrichtung an unterschiedliche Profilgeometrien durch eine hohe Variabilität von einzelnen Düsen und Düsenverbunden, die oberhalb, unterhalb und seit­ lich der zu kühlenden Bauteile angeordnet sind, wobei die Dü­ sen oder die Düsenverbände jeweils einzeln steuerbar sind.

Die Anpassung der Kühlwirkung wird im einzelnen erreicht durch Variation des Düsenabstandes zum Profil hin, durch kon­ trollierte Einstellung des Spritzdrucks, durch stufenlose Verdrehbarkeit der einzelnen Düsen sowie durch Zu- und Ab­ schalten der einzelnen Düsen.

Dabei wird neben der Anpassung an die Profilgeometrie über die Variation des Düsenabstands und des Düsendrucks der für eine erfolgreiche Kühlung eines Profils erforderliche Wärme­ übergangskoeffizient eingestellt. Die Einstellung des ge­ wünschten Spritzbildes erfolgt zusätzlich über die Verdreh­ barkeit der Düsen sowie Zu- und Abschalten einzelner Düsen und Düsenverbunde.

Der Düsenverbund besteht aus mehreren Düsen, deren Austritts­ öffnungen eine Ebene aufspannen oder eine gerade bilden. Durch die verschieden gestalteten Düsenverbunde als Flächen oder Düsenreihen und die hohe Variabilität der Düsen wird ei­ ne flexible Einstellung der Kühlvorrichtung erreicht, wobei die verschiedenen Teilflächen der Profile unterschiedlich ge­ kühlt und die Kühlleistung den Anforderungen angepaßt werden können.

Damit ist es möglich, bei umgeformten Werkstücken trotz einer unterschiedlichen Temperaturverteilung über den Querschnitt nach dem Verlassen der Walzstraße eine gleichzeitige Gefügeumwandlung im Werkstoff einzustellen. Insbesondere ist es möglich, die Zwangskühlung des QST-Verfahrens Im gesamten Werkstück gleichmäßig durchzuführen. Es wird gewährleistet, daß die Randzone der Stahlprofile nach dem Kühlvorgang mit einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche aus gesehen aus an­ gelassenem Martensit und die Kernzone aus Perlit und/oder Ferrit besteht.

Mittels der vorgeschlagenen Kühlvorrichtung können unter­ schiedlich geformte Profile, die nacheinander die Vorrichtung durchlaufen, ohne Umbau der Anlage gekühlt werden.

Weiterhin ist es möglich, unterschiedliche Kühlstrategien oh­ ne Umbau der Anlage im Durchlauf zu realisieren. Hierunter sind Kühlprozesse zur Minimierung von Eigenspannungen im Werkstückkörper durch gleichzeitige Gefügeumwandlung im Werk­ stoff zu ziehen sowie Kühlprozesse zur Einstellung eines per­ litischen Gefüges.

Es erweist sich hierbei von Vorteil, daß sich keine Werkzeuge zwischen den Flanschen der Profile befinden. Durch die ver­ drehbaren Düsenhalterungen und die flexiblen Ansteuerungen kann die Kühlvorrichtung optimal an die Träger- bzw. Profil­ abmessung angepaßt werden.

Durch die optimale Anpassung aufgrund der hohen Variierungs­ möglichkeit der einzelnen Düsen wird verhindert, daß Kühlme­ dium an dem zu kühlenden Bereich vorbeispritzt. Damit wird eine hohe Kühlleistung gewährleistet, Verluste an Kühlmedium werden vermieden, es entstehen keine Störeffekte an anderen Düsenanlagen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele der Er­ findung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Gesamtanordnung der vorgeschlagenen Kühlvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Sprühwinkel am Beispiel eines Doppel-T-Trägers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Sprühwinkel am Beispiel eines Grubenausbauprofils.

Fig. 4 die Düsenanordnung zur Kühlung der Flanschaußenseite eines Doppel-T-Trägers durch Winkelverstellung der Düsen;

Fig. 5 die Düsenanordnung zur Kühlung der Flanschaußenseite eines Doppel-T-Trägers durch Linearführung;

Fig. 6a, b den definierten Einsatz von Düsen bei unter­ schiedlichen Profiltypen;

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Gesamtanordnung der Kühl­ vorrichtung mit einem oberen 1, unteren 2 und seitlichen 3 Kühlbereich. Über einen Rollgang 4 wird das zu kühlende Walz­ gut aus dem Walzwerk nach dem Fertigstich durch die Kühlvor­ richtung geführt. Über die Längsrichtung bzw. Laufrichtung der schematisch gezeigten Doppel-T-Träger unterschiedlicher Staffelung und Typen 5a und 5b sowie Profile, hier ein Grubenausbauprofil 6, sind die einzelnen Düsen 7 in Düsenver­ bunden angeordnet.

Die Sprühwinkel sind schematisch in Fig. 2 für einen Doppel- T-Trägers dargestellt.

Während bei der Kühlung eines Doppel-T-Trägers die seitlich angeordneten Düsen zur Kühlung der Außenflansche 8 dienen, kühlen die oberen Düsen die Innenseiten 9 der Flansche. Die unteren Innenseiten der Flansche sowie die unteren Stegflä­ chen 10 werden von den Sprühstrahlen der Düsen des unteren Kühlbereichs erfaßt.

Je nach zu kühlendem Profil wird die beaufschlagte Kühl­ mediummenge der Profilgröße und -form durch Zu- oder Ab­ schalten der Düsen über den Querschnitt sowie in Längsrich­ tung angepaßt, ohne einen Werkzeugwechsel vornehmen zu müs­ sen. Somit ist es möglich, ein optimal angepaßtes Spritzbild zu schaffen und einzelne Profile einer Profilreihe ohne Ver­ luste durch Vorbeisprühen am Profil zu kühlen.

Die einzelnen Düsen 7 sind an einem außerhalb der Profilpa­ lette befindlichen Drehpunkt gelagert und stufenlos verdreh­ bar. Insbesondere bei Doppel-T-Trägern können so alle sich vertikal erstreckenden Flanschinnenseiten einer Profilbau­ reihe durch Veränderung des Düsenwinkels und somit des Spritzwinkels sowie der geeigneten Wahl der im Eingriff be­ findlichen Düsen aus nahezu dem gleichen Abstand zwischen Dü­ se und Innenfläche mit Kühlmedium beaufschlagt werden. Es er­ gibt sich so durch den gleichbleibenden Abstand für alle Trä­ ger eine gleiche Kühlwirkung.

Die vorgeschlagene Kühlvorrichtung findet nicht nur Anwendung bei Stahlträgern verschiedener Staffelungen und unterschied­ licher Typen. Gerade für Profile komplizierterer Formen eig­ net sich diese Kühlanordnung. Fig. 3 zeigt die Einstellung der Düsen am Beispiel eines Grubenausbauprofils 6. Durch kon­ trollierten Einsatz nur bestimmter Düsen bei bestimmten Win­ keln ist jede Teilfläche des Profils definiert kühlbar.

Bei Profilen von der Form eines Doppel-T-Trägers wird eine kontrollierte Kühlung der Flanschaußenseiten 8 erreicht durch eine Winkelverstellung der Düsen (Fig. 4) oder durch eine horizontale Linearführung (Fig. 5) der Düsen.

In Fig. 4 ist die Anpassung der Stellung der jeweiligen Dü­ sen 7 des seitlichen Kühlbereichs 3 sowie deren Winkel im Hinblick auf zwei Doppel-T-Träger unterschiedlichen Typs 5a und 5b und verschiedener Größe bzw. eines Gruben­ ausbauprofils 6 schematisch dargestellt. Die Winkelverstel­ lung wird dadurch erreicht, daß die Kühlung der Außenseiten der Flansche 8 durch mehrere übereinander angeordnete Düsen 7 erfolgt, die an einem außerhalb der Profilpalette befindli­ chen Drehpunkt gelagert und stufenlos verdrehbar sind.

Die Anordnung kann so eingestellt werden, daß sie an die Un­ terkante aller möglicher Profile aufgrund des großen Radius angepaßt wird, um nicht an dem Flansch vorbeizusprühen.

Bei der sukzessiven Bearbeitung einer Profilpalette ist die Unterkante 11 der Doppel-T-Träger oder Profile jeweils durch deren Lage auf dem Fördermittel vertikal fest definiert, wäh­ rend die Oberkante 12 in der Höhe variiert. Durch die Dreh­ barkeit der Düsenanordnung kann mittels des vorliegenden Kühlsystems das Spritzbild an die wechselnden Oberkanten an­ gepaßt werden, ohne die Kühlwirkung an den Unterkanten zu verändern.

Neben der Winkelverstellung ist es auch denkbar, die Kühlwir­ kung und das Spritzbild über eine Linearführung der Düsenan­ ordnung zu variieren. Fig. 5 zeigt im Querschnitt schema­ tisch eine seitliche Düsenanordnung 3, die sich in Längsrich­ tung fortsetzt. Die Düsenanordnung ist als Ganzes horizontal verschiebbar. Die Spritzwirkung wird über den einzustellenden Abstand, die Anzahl der Düsen 7 und ein gezieltes Zu- und Ab­ schalten einzelner Düsen erreicht. Über den Düsenwinkel, der vom Abstand Trägerflansch-Düse abhängig ist, erfolgt eine An­ passung an den jeweiligen Träger 5a, b oder Profil 6. Die Kühlleistung bzw. der Wärmeübergangskoeffizient wird über die Variation des Düsendrucks eingestellt. Es ist denkbar, daß die Funktionen der Winkelverstellung und der Linearführung kombiniert werden.

Die Fig. 6a und b stellen die Kühlung der Unterseiten ei­ nes Doppel-T-Trägers durch Düsen aus dem Rollengang, d. h. der unteren Düsenanordnung 2, dar. Es ist ersichtlich daß die Düsenanordnung sowohl an unterschiedlichen Profilstaffelungen als auch an Träger unterschiedlicher Typen mit unterschied­ lich großen Stegbereichen und entsprechenden Flanschbereichen anpaßbar ist.

In Fig. 6a ist dargestellt, daß bei Trägern 5a mit breite­ ren Stegbereichen die äußeren sowie die zentralen Düsenreihen zur Anwendung kommen, während bei Trägern mit kürzeren Steg­ bereichen 5b (Fig. 6 b) eine optimale Sprühwirkung durch mittlere Sprühreihen erreicht wird. Durch Zu- und Abschalten der Düsen ist somit eine optimale Kühlwirkung gezielt ein­ stellbar.

Es erweist sich als vorteilhaft, daß jeweils die Sprühfächer­ kante desjenigen Sprühstrahls, der die Flanschinnenseite 9 und den der Flanschinnenseite nächstliegenden Stegbereich beaufschlagt, parallel zu einer gedachten, näherungsweise geraden Verbindungslinie 13 des Übergangsbereichs Flanschin­ nenseite/Stegbereich aller Profile einer Staffelung verläuft.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum kontrollierten Abkühlen von warmgewalzten Profilen, insbesondere Trägern, direkt aus der Walzhitze, bestehend aus einer Anordnung von Düsen mit Austrittsöff­ nungen zum Sprühen von Kühlmittel auf die Profile, oben die Profile entlang der Düsenanordnung transportiert wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung Kühlbereiche aufweist, wobei je­ weils ein Kühlbereich von dem zu kühlenden Profil (5, 6) aus betrachtet zu diesem oberhalb (1) und zu beiden Sei­ ten (3) und unterhalb (2) angeordnet ist und die Kühlbe­ reiche jeweils einzeln oder kombiniert einsetzbar sind, wobei ein Kühlbereich jeweils aus mindestens einer Düse (7) oder einem Düsenverbund besteht, wobei die Düsen ein­ zeln oder im Verbund steuerbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (7) durch Variation des Düsenabstandes zum Profil hin, durch kontrollierte Einstellung des Spritz­ drucks, durch stufenlose Verdrehbarkeit der einzelnen Düsen sowie durch Zu- und Abschalten der einzelnen Düsen steuerbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenverbund aus mehreren Düsen (7) besteht, de­ ren Austrittsöffnungen eine Ebene aufspannen oder auf ei­ ner Geraden liegen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (7) der Kühlbereiche (1, 2, 3) außerhalb des Bereichs angeordnet sind, den das größte zu bearbeitende Profil (5, 6) einer Profilstaffelung einnimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Kühlungsbereich (2) unterhalb des Förder­ mittels der Profile, insbesondere eines Rollgangs (4), angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Kühlungsbereich (3) in horizontaler Richtung zum Profil verschiebbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen des seitlichen Kühlungsbereichs (3) einzeln oder zusammen an einem bewegbaren Bauteil gelagert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kühlung von als Doppel-T-Trägern ausgebilde­ ten Stahlträgern (5), bestehend aus einem Steg und zwei Flanschen, die obere Sprühfächerkante des Sprühstrahls, der die Flanschinnenseiten (9) und den den Flanschinnen­ seiten nächstliegenden Stegbereich (10) beaufschlagen, parallel zu einer gedachten Verbindungslinie (13) des Übergangsbereichs Flanschinnenseite/Steg aller Profile einer Staffelung verläuft.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kühlmedium um Wasser, Aerosole oder andere Kühlfluide handelt.