DE2435830A1 - Verfahren und vorrichtung zum waermebehandeln von stahldraht - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum waermebehandeln von stahldraht

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Description

f ATENTAN WALTE
DIPL.-ING. ALEX STENGER
D-4000 DÜSSELDORF 1 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE
Malkastenstraße 2 DIPL.-ING. HEINZ J. RING
Unser Zeichen: 15 376 Datum. 24.7.1974
ARBED-F&G Drahtwerke Köln GmbH, 5000 Köln,8o,Schanzenstr,
Verfahren und Vorrichtung
zum Wärmebehandeln von Stahldraht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Stahldraht aus der Walzhitze in einem Schmelzbad, in welches der aus dem letzten Walzgerüst kommende, gegebenenfalls vorgekühlte Draht als Ring eingebracht wird und dessen Temperatur entsprechend den Bedingungen der Wärmebehandlung und dem Takt der Walzstrasse durch Aufheizen oder Kühlen auf einen bestimmten Wert gebracht und innerhalb enger Grenzen auf diesem Wert gehalten wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, den aus dem letzten Walzgerüst einer Walzstrasse mit einer Temperatur von ca looo° C kommenden Draht unmittelbar derart abzukühlen, daß ein zur Kaltverformung geeignetes Gefüge entsteht. Bei diesen bekannten Verfahren wird die Abkühlung des Drahtes bis unter den Ac^-Punkt mit Wasser und/oder Luft, Wasserdampf, fluidisierten Wärmeträgern oder schmelzflüssigen Verbindungen als Abkühlungsmedien durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Abkühlung des Drahtes.in schmelzflüssigen Stoffen, insbesondere in einer Natriumnitratschmelze. Dieses Verfahren ist zwar bekannt, konnte jedoch wegen " verschiedener Mangel in einer großtechnischen Produktionsanlage noch nicht zum Einsatz kommen. Neben dem bisher ungelösten Problem, die Schmelze entsprechend den Bedingungen der Wärmebehandlung
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Telefon (03 U) 36 OS M · Telegramnudrisee: Dabspaiont · Postsdied&onto Köln 2276IO
und dem Takt der Walzstrasse durch Aufheizen oder Kühlen kurzfristig auf einen bestimmten Wert zu bringen und während der Wärmebehandlung des Drahtes trotz der ständig zugeführten Wärme innerhalb enger Grenzen auf dem vorgegebenen Wert zu halten,war es bei den bekannten Verfahren nicht möglich,den Draht derart in die Schmelze einzubringen, daß er über seine gesamte Länge einer gleichmässigen Wärmebehandlung unterzogen wird. Der aus dem letzten Walzgerüst der Walzstrasse kommende Draht wurde bei den bekannten Verfahren entweder auf Transportvorrichtungen ausgefächert und anschließend mittels dieser Transportvorrichtungen in die Schmelze gebracht oder zu einem Ring mit horizontal liegenden Windungen gewickelt,wobei der Ring als Ganzes in die Schmelze eingebracht wurde oder innerhalb des Schmelzbehälters entstand. Durch das Aufeinanderliegen der einzelnen Ringwindungen ergeben sich sowohl bei ausgefächerten als auch bei zu einem Ring zusammengelegten Windungen gegenseitige Beeinflussungen,die zu örtlich unterschiedlichen Temperaturen führen,so daß bei der Wärmebehand-lung kein über die gesamte Länge des Drahtes gleichmässiges Gefüge entsteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen der mit der Walzhitze aus dem letzten Walzgerüst kommende Draht in einem Schmelzbad derart wärmebehandelt wird, daß seine Gefügeumwandlung unter Einhaltung enger Temperaturgrenzen optimal und über seine gesamte Länge gleichmäßig erfolgt.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung hinsichtlich des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Draht als Wendel, deren einzelne Windungen ohne gegenseitige Berührung frei schwebend in der Schmelze herabsinken, in die Schmelze eingelegt und nach Ablauf der zur Gefügeumwandlung erforderlichen Mindestzeit zu einem Ring zusammengefügt wird.
Die Schmelze wird hierbei gemäß einem v/eiteren Merkmal der Erf in- ■ dung während des Einlegens der Drahtwindungen stetig umgewälzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführung wird der Draht zwischen dem letzten Walzgerüst und dem Einlegen in die Schmelze von Inertgas umgeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, daß der aas eiern letzten Walzgerüst kommende und gegebenenfalls vorgekülilte Draht zu Ringen zusammengelegt wird, ohne daß sich die einzelnen Windungen der Ringe vor oder während de"· zur Erzielung der gewünschten Gefügeumwandlung durchgeführten Wärmebehandlung berühren, so daß gegenseitige Beeinflussungen ausgeschaltet vier den. Hierdurch und in Zusammenwirken mit der ständigen Umwälzung der Schmelze während des Einlegens der Drahtwindungen wird eine über die gesamte Länge des Drahtes gleichmässige Gefügeumwandlung erzielt, wobei es durch die Verwendung eines vorzugsweise mit einer Salzschmelze gefüllten Schmelzbades möglich ist, optimale Bedingungen für die Wärmebehandlung einzuhalten. Neben der innerhalb enger Grenzen bleibenden Temperatur der Schmelze ist die Einwirkzeit der Schmelze auf den Draht für die Gefügeumwandlung wichtig, da sie die Temperaturänderungsgeschwindigkeit bestimmt. Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Einwirkzeit durch die Sinkgeschwindigkeit der einzelnen Windungen in der Schmelze und durch die Strecke bestimmt, welche insbesondere die letzte Windung nach dem vollständigen Eintauchen in die Schmelze bis zum Auftreffen auf die vorangehende, die oberste Lage des sich bildenden Ringes darstellende Windung frei schwebend zurücklegt. Die Sinkgeschwindigkeit des Drahtes in der Schmelze wird durch das spezifische Gewicht des Drahtes und der Schmelze sowie durch die Viskosität der Schmelze bei der jeweils, eingestellten Temperatur bestimmt. Die einzelnen Windungen haben beim erfindungsgemäßen Verfahren die Umwandlungstemperatur erreicht, bevor sie sich zur Bildung des Ringes aufeinanderlegen.
Um eine gleichmässige Temperatur innerhalb der gesamten Schmelze sicherzustellen und örtliche Überhitzungen, insbesondere in unmittelbarer Nähe des eintauchenden Drahtes,, zu vermeiden,die einerseits zu einem unerwünschten thermischen Zerfall der Schmelze und gegebe-
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nenfalls zu schädlichen Einwirkungen der sich hieraus ergebenden Zerfallsprodukte auf den Schmelzbehälter führen können,wird die Schmelze mindestens während des Einlegens der Drahtwindungen stetig umgewälzt. Damit ein Verzundern des Drahtes weitgehend verhindert wird, kann der Draht zwischen dem letzten Walzgerüst und dem Einlegen in die Schmelze von Inertgas umgeben werden. Als Inertgas kommt vorzugsweise Stickstoff in Präge.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es von großer Bedeutung, daß die durch den Draht in die Schmelze eingebrachte Wärmemenge derart abgeführt wird, daß die Temperatur -der Schmelze unabhängig vom Takt der Walzstrasse innerhalb enger,won den Bedingungen der Wärmebehandlung vorgegebenen Grenzen gehalten werden kann.
Die erfindungsgemäße, mit einem Schmelzbehälter und einem oberhalb des Sohmelzbehälters angeordneten Schlingenleger ausgestattete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Füllhöhe des mit Schmelze gefüllten Schmelzbehälters mindestens der axialen Erstreckung der sich bildenden Ringe zuzüglich einer Strecke entspricht,die zum Erreichen der Behändlungstemperatur während des Absinkens auch der letzten Windung der Wendel ausreicht.
Zur Erzielung einer einheitlichen Temperatur innerhalb des gesamten Schmelzbades ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Schmelzbehälter mit einer vorzugsweise als Induktionsheizung ausgebildeten Heizung und einer Umwälzpumpe versehen,die über eine vorzugsweise in der Nähe des Bodens beginnende Abführleitung und über eine vorzugsweise in der Nähe des in die Schmelze eintretenden Drahtes mündende Rückführleitung mit einem außerhalb des Schmelzbehälters angeordneten Wärmetauscher verbunden ist.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung wird erreicht., daß die Temperatur der Schmelze innerhalb enger Grenzen konstant gehalten wird und daß sowohl die Kühlung als auch die Heizung ent-
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sprechend dem Takt der Walzstrasse kurzfristig zur Einhaltung der engen Temperaturgrenzen verändert werden können,um einerseits große, durch den eintretenden Draht eingebrachte Wärmemengen durch Kühlen abzuführen und andererseits beim Ausbleiben von Draht die vorgegebene Temperatur durch Aufwärmen zu erhalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Umwälzpumpe als Mammutpumpe ausgebildet. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als treibmittel für die Mammutpumpe mindestens teilweise verdampftes Wasser verwendet. Zwischen der Abführ- und der Rückführleitung ist bei dieser Ausführungsform ein Trenngefäß angeordnet, in dem der Wasserdampf von der Schmelze getrennt wird. Erfindungsgemäß wird der Wasserdampf zu einem Kondensator geführt und als Kondensat erneut in die Mammutpumpe eingeleitet.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung wird nicht nur eine Umwälzpumpe geschaffen,die frei von mechanisch bewegten und damit einem hohen Verschleiß unterliegenden Teilen ist,sondern auch ein sehr wirtschaftlicher Betrieb ermöglicht,da ein sehr preiswertes, im Kreislauf gex'ührtes Treibmittel Anwendung findet.
Die Verwendung von Wasser bzw.Wasserdampf als Treibmittel führt weiterhin zur Lösung eines bisher der großtechnischen Verwendung von Salzschmelzen für die Wärmebehandlung von Draht entgegenstehenden Problems, nämlich der Rückgewinnung der an dem behandelten Draht verbleibenden Salzreste. Gemäß der Erfindung wird das Kondensat über mindestens einen Spülbehälter geleitet,in dem die wärmebehandelten Ringe von Schmelzresten befreit werden.Vorzugsweise sind mehrere Spülbehälter angeordnet,die nacheinander vom Kondensat durchflossen und in entgegengesetzter Richtung mit den wärmebehandelten Ringen beschickt werden.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung gelangen die an den wärmebehandelten Drahtringen haftenden Salzreste über das als Treibmittel für die Mammutpumpe dienende Wasser unmittelbar
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in die Salzschmelze zurück, so daß jegliche Umweltverschmutzung ausgeschlossen wird. Durch die Anordnung mehrerer Spülbehälter lcanri die Spülwirkung verbessert werden. Der den höchsten Salzgehalt aufweisende Spülbehälter, der als erstes mit dem aus der Schmelze kommenden Gut beschickt wird, ist hierbei in Strömungsrichtung des Kondensats gesehen der letzte Spülbehälter vor der den Wasserkreislauf bewirkenden Speisepumpe.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann schließlich mit einem zwischen dem letzten V/alzgerüst und dem Schlingenleger den Draht umgebendes Mantelrohr versehen sein, das mit einer Inertgaszuführung ausgestattet ist. Das Inertgas wird vorzugsweise in Durchlaufrichtung des Drahtes dem Mantelrohr zugeführt, um auch den Draht innerhalb des Schlingeniegers vor einem Zusammentreffen mit der Atmosphäre zu schützen.
Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform.
Bei beiden Ausführungsformen wird zur Aufnahme des Schmelzbades, welches vorzugsweise eine Salzschmelze ist,ein Schmelzbehälter 1 verwendet,der mit einer Induktionsheizung. 2 versehen ist. An der tiefsten Stelle des Schmelzbehälters 1 ist eine Schleuse 3 angeordnet,durch welche in der Schmelze herabsinkende Fremdstoffe, vorzugsweise Zunder, in einen Sammelbehälter 4 abgeführt werden können.
Der aus dem letzten Walzgerüst 5 austretende Draht D wird einem Schlingenleger 6 zugeführt, der oberhalb des Schmelzbehälters 1 angeordnet ist und den Draht D in Form einer Wendel W in die SaIz-
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schmelze einlegt. Die etwa horizontal liegenden einzelnen Windungen der Wendel W behalten während ihres Ilerabsinkens in der Salzschmelze einen etwa konstanten Abstand voneinander,bevor sie in der Nähe des Bodens des Schmelzbehälters 1 auf einer Auflage 8 zu einem Ring R zusammengelegt werden. Zur Führung sowohl der Wendel V,T als auch des Ringes R sind in Schmelzbehälter 1 Führungsstangen 9 angeordnet. Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig.l wird der Draht D nach dem Verlassen des Walzgerüstes 5 durch einen Vorkühler 7 geführt.
Die Salzschmelze wird bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig.l von einer außerhalb des Schmelzbehälters 1 angeordneten Umwälzpumpe Io durch eine Abführleitung 11 in der Nähe des Bodens des Schmelzbehälters 1 angesaugt und in der Nähe des eintauchenden Drahtes D durch eine Rückführleitung 12 in den Schmelzbehälter 1 zurückgeführt, nachdem die Salzschmelze mindestens einen Wärmetau-, scher IJ durchströmt hat. In diesem Wärmetauscher 13 ,von dem beim Ausführungsbeispiel nach Fig.l zwei Stück eingezeichnet sind,wird der Salzschmelze diejenige Wärmemenge entzogen,die zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Schmelztemperatur im Hinblick auf die durch den Draht D in die Salzschmelze eingebrachte Wärme erforderlich ist.
Da der Draht D als Wendel W,deren einzelne Windungen ohne gegenseitige Berührung frei schwebend in der Salzschmelze herabsinken, in die Salzschmelze eingelegt und erst nach Ablauf der zur Gefügeumwandlung erforderlichen Hinwirkzeit der Salzschmelze auf den Draht D zu einem Ring R zusammengefügt wird, entfallen gegenseitige Beeinflussungen der einzelnen Windungen des Drahtes vor oder während der Wärmebehandlung. Durch die ständige Umwälzung der Salzschmelze und die Einhaltung der vorgegebenen Schmelztemperatur innerhalb enger Grenzen ergibt sich ein gleichmässiges Gefüge über die gesamte Länge des zu dem Ring R zusammengelegten Drahtes D.
Bei der Zweiten .'.us führungs form gemäß Fig.2 wird anstelle der Umwälzpumpe Io eine Mammutpumpe l4 verwendet,die mit Wasser bzw. Wasserdampf betrieben wird. Die Mammutpumpe wird durch die mit
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einem Spalt l4a in der ML'he der Ansaugöffnung versehene Abführleitung 11 sowie durch ein Mantelrohr 15 gebildet,welches die Abführleitung 11 konzentrisch umgibt. In dem Ringraum zwischen Abführleitung 11 und Mantelrohr 15 ist eine Führungswendel 16 angeordnet. In diesen Ringraum der Mammutpumpe 14 wird über eine Speiseleitung 17 durch eine Speisepumpe 18 V/asser eingespeist, das auf dem Wege entlang der Führungswendel 16 durch Einwirkung der heißen Salzschmelze mindestens teilweise verdampft und als Treibmittel in den Spalt l4a der Abführleitung 11 der Mammutpumpe 14 eintritt. Durch die unmittelbare Berührung des restlichen Wassers innerhalb der Abführleitung 11 mit der Salzschmelze wird auch dieses restliche V/asser verdampft. Aus dem oberen Ende der Mammutpumpe "14 tritt somit Salzschmelze und Masserdampf aus.
Durch die Verdampfung des Wassers sowohl im Ringraum der Mammutpumpe 14 als auch in der Abführleitung 11 wird der Salzschmelze Wärme entzogen. Dieser Wärmeentzug ist besonders groß,da er die Verdampfungswärme des Wassers umfaßt. Die aus der Mammutpumpe austretende Salzschmelze und der Wasserdampf werden in ein Trenngei'äß 19 geleite;:,aus welchem die gekühlte Salzschmelze über die Rückführleitung 12 in den Schmelzbehälter 1 zurückgeführt und der Wasserdampf durch eine Dampfleitung 2o abgezogen wird. Die Dampfleitung 2o führt zu einem Kondensator 21, in dem der Wasserdampf kondensiert wird. Dies geschieht mittels eines im offenen oder geschlossenen Kreislauf geführten Kühlmittels. In Fig.2 sind Kühlmittelleitungen 22 und ein Kühler 25 zu erkennen,die für einen Abzug der Wärme aus dem Kondensator 21 dienen.
Das im Kondensator 21 anfallende Kondensat wird über eine Kondensatleitung 24 nacheinander drei Spülbehältern 25 zugeführt,die kaskadenförmig aneinander angeschlossen sind und aus deren letztem die Speisepumpe 18 das für die Einspeisung in die Mammutpumpe 14 benötigte Wasser abzieht.
Die Spülbehälter 25 werden nacheinander,und zwar entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kondensats,zum Spülen der aus der SaIz-
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schmelze kommenden Ringe R benutzt. Das an den Ringen R haftende
Salz der Salzschmelze wird auf diese Weise von den Ringen R entfernt und über das als Treibmittel für die Mammutpumpe 14 dienende Wasser in den Schmelzbehälter 1 zurückgeführt, so daß nicht nur
ein Salzverlust vermieden,sondern auch jegliche Umweltverschmutzung ausgeschlossen wird.
Auch bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig.l wird der Draht D als Wendel W,deren einzelne Windungen ohne gegenseitige Berührung frei schwebend in der Salzschmelze herabsinken, in die Salzschmelze eingelegt. Die Füllhöhe des mit Salzschmelze gefüllten Schmelzbehälters 1 entspricht hierbei mindestens der axialen Erstreckung
der sich auf der Auflage 8 bildenden Ringe R zuzüglich einer Strecke, die zum Erreichen der Behandlungstemperatur während des Absinkens auch der letzten Windung der Wendel W ausreicht. Die sich ergebende Sinkgeschwindigkeit für die einzelnen Windungen der Wendel W wird durch das spezifische Gewicht des Drahtes D und der Salzschmelze
sowie durch die Viskosität der Salzschmelze bei der jweils eingestellten Behändlungstemperatur bestimmt.
Um ein Verzundern des aus dem letzten Walzgerüst kommenden Drahtes D nach Möglichkeit zu vermeiden, ist bei der zweiten Ausführungsform zwischen dem Walzgerüst 5 und dem Schlingenleger 6 ein Schutzrohr 26 angeordnet, in welches Inertgas eingeleitet wird. Die zur Konstanthaltung der Temperatur der Salzschmelze erforderliche Heizung bzw.Kühlung erfolgt durch die schnell ansprechende Induktionsheizung 2 bzw. durch ein Verändern der in die Mammutpumpe 14 eingespeisten Wassermenge, so daß die Temperatur der im Schmelzbehälter 1 befindlichen Salzschmelze unabhängig vom Takt der Walzstrasse innerhalb enger Grenzen konstant gehalten werden kann. Lurch ein Umwälzen der Salzschmelze werden örtliche Temperaturunterschiede vermieden und eine gleichmässige Temperatur innerhalb der Salzschmelze
erreicht.
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Claims (11)

- Io - Patentansprüche:
1. Verfahren zürn Wärrnebehandeln von Stahldraht aus der WaIzhitze in einem Schmelzbad, in welches der aus dem letzten Walzgerüst kommende, gegebenenfalls vorgekühlte Draht als Ring eingebracht wird und dessen Temperatur entsprechend den Bedingungen der Wärmebehandlung und dem Takt der Walzstrasse durch Aufheizen oder Kühlen auf einen bestimmten Wert gebracht und innerhalb enger Grenzen auf diesem Vrert gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Draht(D) als Wendel (V/),deren einzelne Windungen ohne gegenseitige Berührung frei schwebend in der Schmelze herabsinken, in die Schmelze eingelegt und nach Ablauf der zur Gefügeumwandlung erforderlichen Mindestzeit zu einem Ring (R) zusammengefügt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze während des Einlegens der Drahtwindungen stetig umgewälzt wird.
J5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (D) zwischen dem letzten Walzgerüst (5) und dem Einlegen in die Schmelze von Inertgas umgeben wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 niit einem Schmelzbehälter und einem oberhalb des Schmelzbehälters angeordneten Schlingenleger, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllhöhe des mit Schmelze gefüllten Schmelzbehälters (1) mindestens der axialen Erstreckung der sich bildenden Ringe (B) zuzüglich einer Strecke entspricht, die zum Erreichen der Behandlungstemperatur während des Absinkens auch der letzten Windung der Wendel (W) ausreicht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzbehälter (1) mit einer vorzugsweise als Induktionsheizung (2) ausgebildeten Heizung und einer Umwälzpumpe (lo) vorsehen ist,die über eine vorzugsweise in der Nähe des Bodens beginnende Abführleitung (11) und über eine vorzugsweise in der Nähe des in die Schmelze eintretenden Drahtes (D) mündende Rückführleitung (12) mit einem außerhalb des Schmelzbehälters (1) angeordneten Wärmetauscher (Ip) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe als Mammutpumpe (14) ausgebildet ist..
7· Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis "6, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel für die Mammutpumpe (14) mindestens teilweise verdampftes Wasser verwendet wird und daß zwischen der Abführ- und Rückführleitung (11,12) ein Trenngefäß (I9) angeordnet ist, in dem der V/asserdampf von der Schmelze getrennt wird.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf zu einem Kondensator (21) geführt und als Kondensat erneut in die Mammutpumpe (14) eingeleitet wird.
9· Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat über mindestens einen Spülbehälter (25) geleitet wird, in dem die wärmebehandelten Ringe (R) von Schmelzresten befreit werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spülbehälter (15) angeordnet sind,die nacheinander vom Kondensat durchflossen und in entgegengesetzter Richtung mit den wärmebehandelten Ringen (R) beschickt werden.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis lo, dadurch gekennzeichnet,daß zwischen dem letzten Walzgerüst (5) und dem Schlingenleger (6) ein den Draht (D) umgebendes Schutzrohr (26) mit einer Inertgaszuführung angeordnet ist.
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