DE2432923B1

DE2432923B1 - Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Härten, insbesondere dickwandiger Stahlrohre

Info

Publication number: DE2432923B1
Application number: DE2432923A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 4000 Duesseldorf Foerster; Helmut Dipl.-Phys. 4136 Rumeln-Kaldenhausen Landgraf; Karl 4150 Krefeld Meurer
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1974-07-05
Filing date: 1974-07-05
Publication date: 1976-01-08
Also published as: JPS5111009A; DE2432923C2; JPS5333287B2; FR2277153B1; CA1069417A; FR2277153A1; GB1504953A; US4046603A; IT1038194B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Härten, vorzugsweise dickwandiger Rohre aus niedrig legierten Stählen in rs horizontaler Arbeitsweise. Hierfür ist es erforderlich, die Rohre bis zur Austenitisierung zu wärmen, bis zum etwaigen Ausgleich von Temperaturdifferenzen über die Wanddicke zu halten und danach mit einer vom Legierungsgehalt abhängigen Mindestgeschwindigkeit abzukühlen.

Es ist bereits bekannt, auf Härtetemperatur erwärmte Rohre im horizontalen, jedoch diskontinuierlichen Arbeitsfluß, bei drehender Fortbewegung durch Aufspritzen von Wasser außen und innen zu kühlen (DT-OS 2s 21 05 886).

Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Erwärmung, das Abschrecken und das folgende Anlassen in der Form zu einem sinnvollen Arbeitsfluß zu vereinen, daß Erwärmen und Anlassen in dem selben Induktor erfolgen, und zwar beim Vor- bzw. Rücklauf des Rohres, wobei das Abschrecken durch eine hinter dem Induktor angeordnete ortsfeste Innen- und Außenspritzeinrichtung erfolgt.

Um einen sinnvollen, wenngleich noch immer nicht kontinuierlichen Produktionsfluß zu erzielen, wurde in der DT-OS 14 33 781 vorgeschlagen, zwei quer zur Rohrtransportrichtung verschiebliche Innenspritzköpfe mit einem axial verschieblichen Außenspritzring zu kombinieren. Die in dieser Offenlegungsschrift bevorzugte Arbeitsweise sieht vor, daß, nachdem das Rohr vollständig aus dem Ofen ausgetreten und abgeschreckt worden ist, der äußere Spritzring axial zum Ofen hin verschoben wird, damit der innere Spritzkopf seitlich bewegt und gleichzeitig der zweite Innenabschreckkopf, danach der Außenspritzring in Arbeitsstellung gebracht werden können.

Nachteilig bei beiden Anordnungen ist, daß durch die zeitweilige Unterbrechung des Kühlvorganges auch die Erwärmung der Rohre nicht kontinuierlich erfolgen kann und dadurch insbesondere bei leistungsfähigen Wärmeeinrichtungen — z. B. Hochleistungsbrennern und induktiver Erwärmung mit hoher Energiedichte — am Rohranfang und -ende von der mittleren Temperatur abweichende »Einlauftemperaturen« entstehen, die zusätzlich ausgeregelt werden müssen.

Bei allen genannten Verfahren entstehen entweder durch die diskontinuierliche Arbeitsweise oder durch zu geringe Aufheizgeschwindigkeiten oder durch zu hohe Temperaturgradienten in der Rohrwand mit den nachfolgend notwendigen Ausgleichszeiten Verzögerungen, die die Leistungsfähigkeit einer Anlage begrenzen, oder aber ein ungleichmäßiges Gefüge, z. B. durch einseitige Überhitzung oder Formabweichungen, des Rohres zur Folge haben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine erhöhte Leistungsfähigkeit bei kontinuierlichem Betrieb gewährleisten, eine praktisch homogene Querschnittserwärmung des Rohres innerhalb einer kurzen Strecke ermöglichen und damit die Gefahr der Ovalisierung des Rohres unterbinden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen geschilderten Maßnahmen gelöst.

Es wird dabei ferner im Rahmen der Erfindung als zweckmäßig und vorteilhaft erachtet, eine äußere Strahlungs- oder Konvektionserwärmung mit einer inneren Strahlungs- oder elektroinduktiven Erwärmung, eine äußere induktive Erwärmung mit einer Strahlungserwärmung zu kombinieren. Im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Rohrwand wird die Energiedichte der inneren Erwärmung geringer gehalten als die der von außen aufgeprägten. Bei äußeren Energiedichten bis 100 Watt/cm² und einer inneren Energiedichte von 25 Watt/cm² hat sich bei Wanddicken um 20 bis 30 mm ein Anteil von 5 bis 10% als ausreichend erwiesen. Ist die Wärmestromdichte während der Aufheizung nicht konstant, so ist für die Bemessung der inneren Energiedichte die mittlere Energiedichte gegen Ende der der Innenerwärmung vorausgehenden Heizperiode heranzuziehen. Für die Bemessung der Dauer der Innenheizung im Rahmen der obengenannten Werte kann folgende Näherungsformel dienen:

tH = S ■ ]jqA : φ;

worin S = Wanddicke in mm und qA : φ = Verhältnis der äußeren und inneren Energiedichte sind. Dabei wird eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung in der Rohrwand erzielt, und eine zusätzliche Temperaturausgleichsstrecke ist praktisch nicht erforderlich, wodurch eine erhöhte Leistung erzielbar wird. Bei wesentlichen Abweichungen, sowohl nach oben als auch nach unten, von der vorgegebenen errechneten Zeit sind die Verhältnisse zwar ungünstiger, in jedem Fall aber immer einer vergleichbaren Erwärmung nur von außen überlegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sei an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht der Anlage im Schnitt,

Fig. la bis Ig die kontinuierliche Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1.

Die Vorrichtung besteht aus einem Rollgang 1 zum schraubenlinienförmigen Transport der Stoß an Stoß folgenden Rohre 2, einem Vorwärmofen 10, einer ring- oder zylinderförmigen äußeren Wärmequelle 3, sowie einem äußeren Spritzring 4. Ferner ist ein rohrförmiger Träger 4a vorgesehen, dessen Länge das Doppelte der zu härtenden Rohrlängen überschreitet und dessen vorderes Ende in dem zu härtenden Rohr 2 durch zwei, mindestens eine Rohrlänge voneinander und vom vorderen Ende des Trägerrohres angeordnete, quer zur Transportrichtung des Rohres verfahrbare, zweiteilige Klemmeinrichtungen 7, 7', von denen mindestens eine geschlossen ist, gehalten wird. Der im zu härtenden Rohr 2 stehende, gegen dieses bei 8 abgestützte Spritzkopf 6, der gemäß der DT-OS 2105 886 ausgebildet ist, trägt in Baueinheit, jedoch thermisch isoliert, die innere elektrische, ohmsche oder elektroinduktive Wärmequelle 5, deren optimale Länge sich aus Vorschubgeschwindigkeit des Rohres und der vorher genannten Heizzeit errechnen läßt.

Heizenergie und Kühlmedium werden durch die genannten Klemmeinrichtungen 7, 7' über das Trägerrohr 4a, dem aus Heiz- und Kühlteil bestehenden

Innenkopf 5,6 zugeführt.

Die Vorrichtung gestattet also einen kontinuierlichen Arbeitsfluß mit der beschriebenen schnellen und werkstoffschonenden Aufheizung, sowie gleichzeitiger Innen- und Außenkühlung.

Die kontinuierliche Arbeitsweise sei an Hand der Fig. la bis Ig beschrieben. Das zu härtende Rohr 2 durchläuft den Heiz- und Kühlbereich mit konstanter Arbeitsgeschwindigkeit, wird danach beschleunigt ( Fig. la), durch die geöffnete erste Klemmeinrichtung 7 hindurch bis vor die zweite Klemmeinrichtung T geführte (Fig. Ib), worauf sich zunächst die vordere Klemmeinrichtung 7 (Fig. Ic) schließt, sodann die hintere 7' öffnet (Fig. Id). Nach dem Durchlauf des Rohres 2 durch die hintere Klemmeinrichtung 7' ( F i g. Ie) schließt sich diese ( F i g. If), danach wird die vordere 7 geöffnet ( F i g. Ig) und ist zur Aufnahme des nächsten gehärteten Rohres bereit. Zufuhr von Energie und Kühlmedium erfolgt dabei zeitweilig parallel durch beide Klemmeinrichtungen 7, T (Fig. Ic und If), wird also in keinem Augenblick unterbrochen. Aus Sicherheitsgründen ist es dabei empfehlenswert, die Übergabe der elektrischen Energie über je einen nicht dargestellten, dem Trägerrohr 4a zugeordneten Schütz zu führen, der die Energieübergabestelle bei geöffneter Lage der Klemmeinrichtungen 7, 7' spannungsfrei hält. Zutritt und Austritt des Kühlmediums sind bei geöffneter Klemmeinrichtung durch selbsttätig arbeitende Magnetventile 9 unterbunden.

Die erfindungsgemäße Arbeitsweise sei an einem Beispiel erläutert:
Ein Rohr von 1,20 m äußerem Durchmesser und einer Wanddicke von 45 mm wird mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min und einer Temperatur von 500° C durch einen Rollgang mit schräggestellten, angetriebenen Rollen einer induktiven Erwärmung mit einer wirksamen Länge von 1,5 m und einer wirksamen Energiedichte von 50 W/cm² bei einer Frequenz von 1000 Hz zugeführt. Zeitlich an die äußere Erwärmung schließt sich eine Innenerwärmung durch einen zylinderförmigen Strahler von 0,4 m Länge und 1 m Durchmesser und einer Leistung von 200 kW entsprechend 13 W/cm² an.

Die folgende Abschreckung durch Wasseraufspritzen von innen und außen beginnt 30 Sekunden nach dem Ende des Wärmens und weist bis zur nächsten tragenden Rolle der Vorschubeinrichtung eine Entfernung von 0,9 m auf.

Daraus ergibt sich ein Baumaß der Heiz- und Kühleinrichtung von 3,0 m, so daß sie mühelos in einem üblichen Scheibenrollgang anzuordnen ist. Die sich bei dieser Arbeitsweise ergebende kurzzeitige Überhitzung von etwa 130° C über eine beispielsweise notwendige Härtetemperatur von 92O⁰C hinaus, wird z. B. von einem Nickel-Kupfer-Stahl etwa folgender Zusammensetzung 0,05% C, 0,8% Ni, 1,1% Kupfer, 0,5% Mn₁ 0,3% Si ohne Schädigung ertragen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Härten dickwandiger Stahlrohre in horizontalem Arbeitsfluß, wobei ein Erwärmen der Stoß auf Stoß folgenden, schraubenlinienförmig bewegten Rohre von außen erfolgt und einer anschließenden, insbesondere von innen und außen gleichzeitig erfolgenden Schnellabkühlung und anschließenden Auflösen des quasi endlosen Rohrstrangs durch mindestens zeitweilig beschleunigte Vorschubgeschwindigkeit der Rohre in Einzelrohre, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von dem Außenerwärmen der Rohre von Raumtemperatur oder einer Temperatur, bei der die Rohre noch eine ausreichende Formstabilität besitzen, eine weitere Erwärmung durch Heizgas, Flammen, Strahler oder Induktionsströme von außen vorgenommen wird und zusätzlich von innen durch Strahlung oder elektroinduktiv vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenerwärmung unmittelbar zeitlich folgend an die Außenerwärmung angeschlossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenerwärmung mit konstanter Energiedichte erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenerwärmung mit variabler, jedoch mindestens zeitweilig einer Energiedichte von mehr als 50 Watt/cm² erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenerwärmung derart gesteuert wird, daß deren Eindringtiefe geringer als die zu härtende Rohrwanddicke ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr von außen auf eine mittlere Rohrwandtemperatur unter der geforderten Härtetemperatur erwärmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre von innen durch Strahlung oder elektroinduktive Beheizung bis auf eine der geforderten Härtetemperatur entsprechenden mittleren Temperatur der Rohrwand erwärmt werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen der äußeren und inneren Erwärmung sich geringfügig überlappen.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichte der inneren Wärmeübertragung geringer ist als die der von außen aufgebrachten Energiedichte.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Außenerwärmung durch Strahlung oder Konvektion die Energiedichte der inneren Erwärmung '/2 bis ¹A der Energiedichte der Außenerwärmung beträgt.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei induktiver Erwärmung von außen mit 500 bis 1000 Hz gearbeitet wird und die Energiedichte der von innen übertragenen Wärme ¹A bis Vs der Außenerwärmung beträgt.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Innenerwärmung so bemessen ist, daß der Anteil der von innen übertragenen Wärmemenge an der gesamt übertragenen Wärmemenge weniger als

20% beträgt.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Innenerwärmung so bemessen ist, daß der Anteil der von innen übertragenen Wärmemenge an der gesamten übertragenen Wärmemenge 3 bis 8% beträgt.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen und Kühlen der Rohre zwecks Temperaturausgleich in der Rohrwand kurzzeitig voneinander getrennt erfolgt.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 14, bestehend aus einem Rollgang zum schraubenlinienförmigen Transport der Rohre, einer Wärmequelle zur äußeren Erwärmung der Rohre, mindestens einem äußeren Spritzring und einer im Rohrinneren angeordneten Vorrichtung zur Innenkühlung, die auf einem rohrförmigen Träger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Wärmequelle (5) zur Erwärmung der Rohre (2) von innen her auf dem rohrförmigen, den inneren Spritzkopf (6) tragenden Träger (4a) angeordnet ist und in einem Bereich liegt, der in Durchlaufrichtung der Rohre (2) gesehen, sich am hinteren Ende der äußeren Wärmequelle (3) befindet und zwei mindestens im Abstand von mehr als einer bzw. zwei Rohrlängen von dem Spritzkopf (4) entfernten, quer zur Rohrachse verfahrbaren, zweiteiligen Klemmeinrichtung (7, T) für den rohrförmigen Träger (4a), von denen jeweils mindestens eine geschlossen ist, und daß die Energiezuführung für die innere Wärmequelle (5) im rohrförmigen Träger (4a) liegt und die Energieübergabe an den Klemmeinrichtungen (7, T) erfolgt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wärmequelle (3) ring- oder zylinderförmig gestaltet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wärmequelle (5) einen zu dem härtenden Rohr (2) konzentrischen Kegel oder Zylinder bildet.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wärmequelle (3) durch eine ebene, senkrecht im Rohrinneren angeordnete Strahlerwand gebildet wird.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis

17, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wärmequelle (5) ein Induktor ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis

18, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge / des Strahls (in mm) in Transportrichtung nach folgender Formel bemessen ist:

L=S- v- |/φι : φ,

worin S = Wanddicke des Rohres in mm; qa, φ = Wärmestromdichte außen bzw. innen; ν = Vorschubgeschwindigkeit in mm/s ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis

19, dadurch gekennzeichnet, daß jede Energieübergabestelle über je einen, mit dem rohrförmigen Träger verbundenen Stromschütz verbunden ist, der die Übergabestelle bei geöffneter Klemmeinrichtung spannungsfrei macht.

22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 21, gekennzeichnet durch in den Klemmeinrichtungen

angeordnete Spannschlösser für die Zuführung des Kühlmediums, die Zutritt und Austritt des Kühlmediums bei geöffneter Klemmeinrichtung selbsttätig unterbinden.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur [nnenheizung und zur Innenkühlung thermisch gegeneinander isoliert sind.