DE2424425B2

DE2424425B2 - Verfahren und vorrichtung zum haerten von stahlrohren

Info

Publication number: DE2424425B2
Application number: DE19742424425
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa; Fujiwara Akio; Wakayama Fukjii (Japan)
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1973-05-21
Filing date: 1974-05-20
Publication date: 1976-10-14
Also published as: JPS53724B2; FR2230738A1; IT1012683B; JPS506511A; GB1468909A; FR2230738B1; DE2424425A1; US3937448A; CA1020437A

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Stahlrohren zu schaffen, die eine erhöhte Kühl- bzw. Härtungsgeschwindigkeit und damit eine verbesserte Härtung bei gleichzeitig möglichst geringem Kühlmit-,elbedarf und möglichst geringer Dampfentwicklung erlauben.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abschreckung der Rohrinnenfläche mit einem Kühlmittelstrom hoher Dichte beginnt und mit einem Kühlwasserstrom geringerer Dichtefortgesetzt wird.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadureh gekennzeichnet, daß die Abschreckung der Rohrinnenfläche dann beginnt, wenn die Temperatur dieser Fläche gerade unterhalb des /l_rUmwandlungspunktes liegt, sowie dadureh, daß das in das Rohrinnere eingesprühte Kühlwasser bzw. der beim Abschrecken daraus entwickelte Dampf durch den bereits abgejchreckten Teil des Rohrinneren abgeführt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Jußerst wirksame Härtung von Stahlrohren bereits mit iußerst geringen Kühlwassermengen erreicht, wobei die Oberflächenhartc der erfindungsgemaÜ behandelten Rohre innerhalb eines weit kleineren Bereiches schwankt, als dies bei Anwendung der bekannten Verfahren der Fall war.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung gemäß der Erfindung weiter dadureh gelöst, daß die Bewegungsvorrichmng des inneren Kühlkopfes aus einem parallel /ur Rohrlängsachse verfahrbaren Schlitten und einem beweglichen Gestell besteht, an dessen einem Ende das Versorgungsrohr befestigt ist und das auf dem Schlitten stehend im rechten Winkel /urStahlrohraehse beweglich ist.

Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dadureh gekennzeichnet, daß der Schlitten auf Schienen steht und an der Vorderachse sowie der Hinterachse ein Teil befestigt ist, das über zwei am Boden befestigte Scheibenblöcke läuft, von denen einer durch einen vorwärts- und rückwärtslaufenden Motor angetrieben wird, dadureh, daß die Zentrier- und Haltevorrichtung aus einem Zylinder zum Öffnen und Schließen eines Greifers für das Versorgungsrohr des Kühlkopfes, einem Zylinder zum Heben und Senken des ersten Zylinders und aus einem Zylinder besteht, der die Höhe des Versorgungsrohrs einstellt und mit Hilfe eines Stabs dessen Aufwärtsbewegung verhindert, dadureh, daß das Verhältnis der Wasserstrahldüsen im vorderen Teil des Kühlkopfes zu denen im hinteren Teil 1:2 beträgt, und dadureh, daß der Kühlkopl am vorderen Ende einen konischen Körper aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erreicht, daß eine wirksame Härtung bei minimalem Kühlwasserbedarf durchgeführt werden kann, wobei der aus dem Kühlwasser entwickelte Dampf mit den nicht abgeschreckten Bereichen der Rohroberfläche nicht in Berührung kommt und somit keine Schwankungen der Oberflächenhärte verursachen kann. Ein wesentlicher, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindiingsgcmäßcn Vorrichtung erzielter Vorteil besieht darin, daß die behandelten Stahlrohre eine über ihren gesamten Querschnitt und ihre gesamte Länge homogene Härte besitzen.

Die Erfindung wird anhand beispielhafter Ausführungsformen in der Zeichnung erläutert:

F i s. 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F 1 g. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 11-11 in Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch den äußeren und inneren Kühlkopi'in Fig. 1, in

F i g. 4 ist der Neigungswinkel der Strahldüsen für das K ühlwasser dargestellt, in

Fig. 5 sind verschiedene Abschreckgcschwindigkeiten für Stahlrohre im erfindungsgemäßen Verfahren und in bekannten Verfahren graphisch dargestellt, und in

F-i g. 6 ist die Härte über den Rohrquersehniti wiedergegeben.

In Fig. 1 ist der äußere Kühlkopf 1 in einen Sockel 3 eingepaßt, der nahe einer nicht gezeigten Vorrichtung angeordnet ist, aus der das Stahlrohr 26 unter Drehung austritt. Der äußere Kühlkopf v\eist in bestimmten Abständen Strahldüsen 4 fur das Kühlwasser auf. die in einem Winkel \ = 30±10 111 Bewegungsrichtung des Rohrs gegen die Rohrachse geneigt sind (siehe Fig. 4). Das Kühlwasser wird desha.ü in einem Winke! \ aufgesprüht, um ein Zusammenwirken mit dem inneren Kühlkopl zu erreichen und um ein Zurückfließen ties Kuhlwassers in den nicht-abgeschreckten Bereich /u verhindern, !n F i g. 3 ist der innere Kühlkopl 2 mit einem konischen Körper 5 am vorderen Ende versehen, der ein Zurückströmen des Kühlwassers und ein Hinströmen des beim Abschrecken entwickelten Damp les in den nicht-abgeschreckten Teil verhindert. Die Strahldüsen 6 für das Kühlwasser sind so angeordnet, daß sie im ersten Drittel des Kopfes in hoher Dichte und in den hinteren zwei Dritteln des Kopfes in geringer Dichte vorhanden sind. Der Einstellvvinkcl der Strahldüsen ist so gewählt, daß diese um 30±10 nach hinten gegen die Rohrachse geneigt sind. Das Kühlwasser des inneren Kühlkopls wird somit zuerst mit hoher Dichte und dann mit geringerer Dichte versprüht. Diese Unterteilung der versprühten Kühlwassermenge erfolgt aus folgendem Grund: Sowohl der innere als auch der äußere Kühlkopf sind nicht beweglich. vv ährend sich this Rohr nach hinten bewegt, um abgeschreckt zu werden. Während sich bei einem besonders kurzen Kopf keine Probleme ergeben, wird bei einiger Länge des Kopfes und bei Anordnung der Strahldüsen in bestimmten Abständen über den gesamten Kopf der zunächst abgeschreckte Teil wieder mit viel mehr Kühlwasser besprüht, als erforderlich wäre. Versprüht man dagegen das Kühlwasser zunächst in hoher Dichte und dann mit geringerer Dichte, so wird bei guter Abschreckwirkimg die Kühlwassermenge verringert. Der innere Kühlkopf 2 ist an einem langen Versorgungsrohr 7 befestigt. Das Versorgungsrohr ist in vertikaler Richtung drehbar über eine Welle 11 mit dem hinteren Ende eines beweglichen Gestells 10 verbunden, das im rechten Winkel zur Leitungsachse auf Schienen 9' verschiebbar ist und auf einem Schlitten 8 befest gt ist, der in Richtung der Leitungsachse bewegbar ist. An dem auf den Schienen 9 laufenden Schlitten 8 ist ar der Hinterachse 16 und der Vorderachse 17 ein Seil 15 befestigt, das über zwei am Boden angeordnete Blöcke 13 und 14 läuft. Über einen vorwärts und rückwärts laufenden Motor 18. der einen Xollenblock antreibt, läßt sich der Schlitten in Richtung der Lcitiingsachse vorwärts und rückwärts bewegen. Hierdurch läßt sich die relative Lage des inneren Kühlkopfes 2 und des äußeren Kohlkopfes 1 mit hoher Präzision einstellen. Die Justierung kann natürlich auch auf andere Weise als über Rollenblöcke erfolgen. Am vorderen Ende des beweglichen Gestells 10 ist eine

senkrechte Platte 19 befestigt. Auf der Vorderfläche der Platte 19 ist eine auf den Schienen 22 senkrecht bewegliche Bodenplatte 23 befestigt, auf der ein Zylinder 21 zum Öffnen und Schließen eines Cjreifeis 20 für das Versorgungsrohr 7 angeordnet ist. Die Bodenplatte 23 wird durch einen am oberen Teil der senkrechten Platte 19 befestigten Zylinder 24 gehalten, mit dem sich das Versorgungsrohr 7 heben und senken läßt. Zum Einstellen der Versorgungsrohrhöhc befindet sich auf der Rückseite der senkrechten Platte 19 ein Zylinder 25. Ein Stab 28 des Zylinders 25 berührt an einem Ende die Außenfläche des Versorgungsrohrs 7, so daß sich dieses nicht nach oben bewegen kann. Während die Auf- und Abwärtsbewegungen des Versorgungsrohrs durch den Stab 28 und den Greifer 20 reguliert werden, dienen die Zylinder 24 und 25 /um Zentrieren des inneren Kühlkopfes 2 und zum Halten des Versorgungsrohrs 7 für eine gewisse Zeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft lolgendcrma.-ßen ab: Zunächst wird das Versorgungsrohr 7 durch die Zylinder 21. 24 und 25 in einer bestimmten Höhe gehalten. Dann führt man den inneren Kühlkopf 2 mit Hilfe des Motors 18 in den äußeren Kühlkopf 1 bis zu einer Stellung, bei der der erste Berührungspunkt des Kühlwasserstrahls mit der Innenfläche 20 bis 150 mm hinter dem ersten Berührungspunkt des Kühlwassers mit der Außenfläche liegt.

Diese Stellung des inneren Kühlkopfs läßt sich leicht über den Außendurchmesser, die Dicke und die Zuführgeschwindigkeit des Stahlrohrs ermitteln. Das erhitzte Stahlrohr kommt aus dem Ofen und läuft durch den äußeren Kühlkopf 1 und über den inneren Kühlkopf 2. Beim Eintritt in die Abschreckzone muß das Stahlrohr die /ur Umwandlung in die gewünschte kristallographische Struktur erforderliche Temperatur aufweisen, d. h. die Temperatur darf nicht unterhalb des ,43-Umwandlungspunktes liegen. Beim Eintritt des Stahlrohrs in die Abschreckzone wird zuerst das Kühlwasser aus dem äußeren Kühlkopf auf die Außenfläche gesprüht. Sobald die lnnenflächentemperatur auf einen Wert gerade unterhalb des /ApUmwandlungspunkts abgesenkt ist, wird auch Kühlwasser aus dem inneren Kühlkopf 2 versprüht. Die Zeitdifferenz zwischen dem Versprühen des Kühlwassers wird vorher experimentell in Einklang mit der Dicke, dem Außendurchmesser und der Zuführgeschwindigkeit des Stahlrohrs ermittelt. Sobald der Abschreckvorgang beginnt, öffnet man den Greifer 20 mit Hilfe des Zylinders 21, hebt die Bodenplatte 23 und den Stab 28 mit Hilfe der Zylinder 24 bzw. 25 und löst die Halterung des Versorgungsrohrs 7. Das Versorgungsrohr ist dann zwar frei, wird jedoch durch den Druck des aus dem Kopf gesprühten Kühlwassers und die nahe der Düse angebrachten Rollen 27 im Zentrum des Stahlrohrs gehalten. Während des Abschreckens wird das Kühlwasser des inneren als auch des äußeren Kühlkopfes in einem Winkel von 30 ± 10° zur Rohrachse nach hinten gesprüht. Im Rohrinnem verhindert der konische Körper 5 an der Spitze des Kühlkopfes 2 das Einströmen des Kühlwassers in den nicht-abgcschrccktcn Bereich unter dem Druck des entwickelten Dampfes. ILs kommt daher zu keiner Tcmperaturänderung durch das rüekströmendc Kühlwasser und den Dampf, so daß eine stabilisierte Abschreckung gewährleistet ist.

Nachdem das Stahlrohr vollständig aus dem Heizofen getreten ist und abgeschreckt wurde, wird der Schlitten mit Hilfe des Motors 18 wieder zurückgestellt, so daß

ίο der innere Kühlkopf 2 aus dem Stahlrohr geführt werden kann. Hierauf wird der Greiferbedienungszylindcr 21, der, um die Bewegung des Stahlrohrs nicht zu hindern, nach oben gezogen worden war, mit Hilfe des Zylinders 24 wieder abgesenkt. Hierauf greift min das Versorgungsrohr 7 am vorderen Ende mit dem Greifer 20 und bewegt in diesem Zustand das Gestell 10 seitlich auf den Schienen 9^r. so daß der Innenkühlkopf 2 außerhalb der Rohrtransportstrecke gebracht wird. Das abgeschreckte Stahlrohr wird dann dem nächsten Bearbeitungsschritt zugeführt.

Im Verfahren der Erfindung wird das Kühlwasser auf die Innenfläche zunächst in hoher Dichte und dann mit geringer Dichte versprüht. Hierdurch gelingt eine wirksame Abschreckung unter Einsatz geringer Kühlwassermengen. Dies geht aus den F i g. 5 und b hervor.

Fig. 5 ist ein Diagramm, bei dem die Temperatur T [⁰C] gegen die Zeit t [see] aufgetragen ist. Die durchgezogen gezeichnete Kurve gibt die Abschrcckgeschwindigkeit von erfindungsgemäß behandelten Stuhlrohren wieder und zeigt, daß die Abkühlung von 800 auf 50O⁰C mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 15°C/sec verläuft. Die gestrichelt gezeichnete Kurve zeigt die Abschreckgeschwindigkeit von nach dem Stand der Technik behandelten Rohren, bei denen die Abkühlung von 800 auf 500"C mit einer Geschwindigkeit von 7°C/sec erfolgt. Hieraus ergibt sich, daß die Abschreckung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mehr als doppelt so schnell erfolgt wie bei bekannten Verfahren.

In F i g. 6 ist die Querschnittshärte Hrc von dickwandigen Stahlrohren gegen die Rohrdicke D (in Axialrichtung des Stahlrohrs) aufgetragen. Während die Querschniitshärtc bei nach dem Stand der Technik behandelten Rohren innerhalb eines Bereiches von AHftc=\4 sehwankte, schwankt sie bei gemäß der Erfindung behandelten Stahlrohren nur noch innerhalb eines Bereiches von Zl Hrc= 2. was bedeutet, daß erfindungsgemäß eine über den gesamten Querschnitt des Stahlrohres im wesentlichen homogene Härte erzielt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ein wirksames Abschrecken mit geringen Kühlwassermengen Wie aus den Fig.5 und 6 hervorgeht, werden ausgezeichnete Abschreckcharakteristiken erzielt. Mar erhält Ober die gesamte Dicke des Rohrs eine homogene Martensit-Kristallstruktur, die hohe Antisulfid-Korro sionsbruchfestigkeit besitzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Härten von Stahlrohren, bei dem die Rohrinnen- und Rohraußenfläche fortschreitend mit Kühlwasserstrahlen beaufschlagt werden, die mit der Längsachse des Rohres in Bewegungsrichtung einen Winkel von 30±10^c bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckung der Rohrinnenfläche mit einem Kühlmittelstrom hoher Dichte beginnt und mit einem Kühlwasserstrom geringerer Dichte fortgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckung der Rohrinnenfläche dann beginnt, wenn die Temperatur dieser Fläche gerade unterhalb des Ai-Umwandlungspunktes liegt.

J. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Rohrinnere eingesprühte Kühlwasser bzw. der beim Abschrecken daraus entwickelte Dampf durch den bereits abgeschleckten Teil des Rohrinneren abgeführt wird.

4. Vorrichtung /ur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch I. 2 oder 3, mit einem äußeren und einem inneren Kühlkopf. welche in Längsrichtung ties Rohres bewegbar sind und Düsen aufweisen, die gegenüber tier Langsachse des Stahlrohres in Bewegungsrichtung um einen Winkel von 30 ±10 geneigt sind, mil einer Vorrichtung zum Bewegen eines am inneren Kühlkopf befestigten Wasserzuleitungsrohrcs und mit einer Vorrichtung zum Zentrieren und Halten des Kühlkopfes, dadurch gekennzeichnet, daß die Hew egungsvorrichtung des inneren Kühlkopl's (2) aus einem parallel zur Rohrlängsachse verfahrbaren Schlitten (8) und einem beweglichen Gestell (10) besteht, an dessen einem Kndc das Versorgungsrohr (7) befestigt ist und das auf dem Schlitten (8) stehend im rechten Winkel /ur .Stahlrohrachse beweglich ist.

'). Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (8) auf Schienen (9) steht und an der Vorderachse (17) sowie der Hinterachse (16) ein Seil (15) befestigt ist. das über zwei am Hoden befestigte Scheibenblöcke (13, 14) läuft, von denen einer durch einen vorwärts- und rückwärtslaulenden Motor (18) angetrieben wird.

<i Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentner- und Haltevorrichtung aus einem Z\ linder (21) zum Öffnen und Schließen eines Cireifers (20) fur das Versorgungsrohr (7) ties Kühlkopfes (2). einem /\ linder (24) zum lieben und Senken des />linders (21) und eineir, /\ linder (25) besieht, der die I lohe ties Versorgungsrohrs (7) einstellt und ,nil Hilfe eines Stabs (28) dessen Abwärtsbewegung verhindert.

7 VoiTichiung nach einem der Ansprüche 4 bis b, iladuivh i.'ckenn/eichnet. daß das Verhältnis der W .i'-scrMral'-idtisen im Milderen Teil des Kühlkopfes (2) zu denen im hiniercn 'IViI 1 :?. beirägt.

<V \ιιπί, ; ι! 1111 ij; nach einem der Ansprüche t bis 7, i'.idiii\ii ^ekeuM/eiehnet. daß der kühlkopf (2) am \ ι μ del en I ι ι» Ie einen ki mi'.i hen körper (■>) aiii w eist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Stahlrohren, bei dem die Rohrinnen- und Rohraußenfleche fortschreitend mit Kühlwasserstrahlen beaufschlagt werden, die mit der Längsachse des Rohres in Bewegungsrichtung einen Winkel von 30 ±10° bilden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mil einem äußeren und einem inneren Kühlkopf, welche in Längsrichtung des Rohres bewegbar sind und Düsen aufweisen, die gegenüber der

ίο Längsachse des Stahlrohres in Bewegungsrichtung um einen Winkel von 30±10° geneigt sind, mit einer Vorrichtung zum Bewegen eines am inneren Kühlkopf befestigten Wasserzuleitungsrohres und mit einer Vorrichtung zum Zentrieren und Halten des Kühlkopfes.

Ein Verfahren der genannten Gattung ist z. B. aus der DT-OS 21 05 886 bekannt, bei dem ein auf Austenitisierungstemperatur erhitztes Stahlrohr unter schraubenförmiger Bewegung um seine Längsachse durch Aufbringen von Kühlwasser auf die Rohrinnen- und Rohraußenflächen gehärtet wird, wobei die Kühlwasscrstrahlen unter einem Winkel zur Längsachse des zu härtenden Stahlrohres auf die Rohrflächen auftreffen, und zw.tr so, daß das Abschrecken der Rohrinnenfläche gegenüber der Härtung der Rohraußenflache zeitlich verschoben beginnt.

Aus der DT-OS 21 05 88b ist auch eine Vorrichtung der cügangs genannten Gattung bekannt, bei der nachgiebige oder entfernbare Unterstützungen fur das den inneren Abschreckkopf tragende Versorgungsrohr vorgesehen und außerdem am inneren Absehreckkopf im Bereich der Kühlwasserdüsen Mittel vorgesehen sind, die den freien Rohrquerschnitt bis auf einen engen Ringraum begrenzen.

Hei dem bekannten Verfahren wird die Rohrinnenfläche mit einem über die gesamte Rohrlänge hinweg gleichbleibenden Kühlwasserstrom beaufschlagt. Dies erfordert große Kühlwassermengen und führt zu einer erheblichen Dampfbildung, wenn auch Kühlmittelbcdarf und Dampfbildung geringer sind als bei älteren bekannten Verfahren, bei denen Kühlwasser unter hohem Druck auf die Rohrinnen- und -außenflächen in jeweils gleich großer Menge aufgebracht wurde. Die beschriebene bekannte Vorrichtung hat den Nachteil.

daß der bereits abgeschreckte Bereich der Rohrinnenfläche von dem noch nicht gekühlten Bereich wegen des /wischen dem inneren Kühlkopf und der Rohrinnenfläche freibleibenden Ringraums nicht abgetrennt ist. so daß große Mengen Dampf und von diesem mitgerissenes Wasser mit dem noch nicht abgeschreckten Rohrbereich vor dem eigentlichen Abschrecken in Berührung kommen, was die Härtungsqualität vermindert.

Aus der US-PS 27 76 230 ist ein weiteres Verfahren zum Harten von Stahlrohren bekannt, bei dem die abzuschreckenden Stahlrohre konzentrisch durch eine Vielzahl ringförmiger Sprühdüsen durchgeführt werden, wobei die aus den einzelnen Sprühdüsen austretenden KuhlmitteHröpfchen die Rohraußenfläche unter einem Winkel von höchstens bO-8O^u beaufschlagen. Bei diesem /weiten bekannten Verfahren wird jedoch nur die Rohraußenfläche, nicht aber die Rohrinnenfläche mit Kühlmittel beaufschlagt. Das Verfahren ist daher nicht für Rohre mit großem Durchmesser und

6s entsprechender Wanddicke geeignet, da die für eine befriedigende Härtung solcher dicker Rohre notwendige hohe Abkühlgcschwindigkcit bei einseitiger Ab sehrcckiing nicht erzielbar ist.