DE2435832A1 - Verfahren zur regelung der temperatur und durchmischung von schmelzen - Google Patents
Verfahren zur regelung der temperatur und durchmischung von schmelzenInfo
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Description
D-4000 DÜSSELDORF 1 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE
Vialkastenstraße 2 DIPL.-ING. HEINZ J. RING
Unser ZeicÜeet 15 37& Datum: 24.7.1974
ARBED-P&G Drahtwerke Köln GmbH, pooo ^ülri 80, Schanzenstr .28
Verfahren zur Regelung d&r Temperatur
und Durchmischung von Schmelzen
und Durchmischung von Schmelzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Temperatur
und Durchmischung von zur './ärnebehandlung von Metallworen
dienenden Schmelzen,die insbesondere für die g-steuerte AbKÜhlung
zum Zwecke der Gefugeupvandlung vor. warmgewalzte·!·: Jtahldraht
eingesetzt werden.
^s ist bereits vorgeschlagen worden, den 7/alzoraht .nach Verlassen
des letzten Gerüstes einer Walzstrasse urd gegebenenfalls
nach Durchlaufen einer Vorkühlstrecke in Salzschmelzen mit einer
Temperatur von 45o° bis 6oo° C einzuführen, um ihn kurzfristig
in den der gewünschten Gefügeumwandlung entsprechenden Temperaturbereich herunterzukühlen und bis mi-n Umwand lungs ende auf konstanter
Temperatur zu halten. Der auf diese Weise behandelte Draht besitzt ein zur Kaltverformung durch Ziehen gut geeignetes sorbitisches
Gefüge.
Dieses vorgeschlagene V/ar me beb. and lungs verfahren hat infolge
einer Reihe von ungelösten technologischen Problemen bisher keine Anwendung in großindustriellen. Produktionsanlagen finden
können. Eines dieser Probleme besteht darin,die durch den zu behandelnden Draht eingebrachte große Wärmemenge derart abzuführen,
daß die Temperatur der Schmelze im Takt der Walzstrasse in engen Grenzen derart konstant gehalten wird, daß ein optimaler
und reproduzierbarer Gefügezustand erreicht wird. Die Heizung und insbesondere Kühlung der Schmelze muß zu diesem Zweck ständig
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^ . , ν. X-J* έ^Ο ORIGINAL ,
iiurziTrLStig, insbesondere öom Takt der 'Jalzstrasse entsprechend,
ver l'xiöer t "erd en.
.-•iin ve:\tercs Probler; ergibt sich dadurch, daß es notwendig ist,
die oGhmel^"2 so zu bevrogen und zu durchmischen, daß Wärrnestauungen
weder in unmittelbarer '"Iahe des eintretenden Drahtes noch im
Bereich des sich ergebenden Drahtringes auftreten,weil durch lokale
Temperaturerhöhungen einerseits die reaktionsaktiveren Schmelzen
einer unerwünschten thermischen Zerfall erleiden können und Nebenreaktionen nit dem ^ehältermaterial und dem zu behandelnden Gut
zu befürchten sind und andererseits schwankende Kühlbedingungen
Qualitätsbtei'-.trl'chtigungeH durch ungleichmäßige Gefügeausbildung
mit sich bringen.
Die zur V/armeabfuhr üblicherweise vorgesehener äußeren Kreislaufsysteme
mit dar ir integrierten B1OTd er pumpen und Wärmeaustauschern
können in der Praxis die notwendige Wärmeabfuhr, die erforderliche
Umwälzung der Schmelze und insbesondere die kurzfristige Anpassung
der Kühl- bzw.Heizwirkung nicht erfüllen. Weiterhin ergeben
sich bei der Verwendung äußerer Kreislaufsysteme betriebstechnische
Schwierigkeiten infolge von Verkrustungen und Verstopfungen. Neben einem teuren Unterhalt sind derartige Anlagen steuerungstecnnisch
und baulich äußerst aufwendig.
Ein weiteres bisher ungelöstes Problem ergibt sich dadurch, daß mit den behandelten Draht sehr beträchtliche Mengen der Schmelze
ausgeschleppt werden. Die gewöhnlich aus Salz oder Salzmischungen bestehende und am Draht haftende Kruste muß vor der Weiterverarbeitung
des Drahtes durch Spülen mit V/asser entfernt werden. Diese
in hohem Maße salzhaltigen Spülwässer können aber weder in die Abwässer geleitet werden, noch ist ihre Aufarbeitung zwecks Wiedergewinnung
des Salzes wirtschaftlich tragbar. Auch aus diesem Grunde ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Draht aus der
Walzhitze mittels eines Salzbades bisher nicht verwirklicht worden.
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BAD ORIGINAL
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Regelung der Temperatur und Durchmischung von zur Wärmebehandlung von Metallwaren dienenden Schmelzen zu schaffen, durch
welches mit einfachen Mitteln sowie mit großer Schnelligkeit und Sicherheit die Temperatur der Schmelze durch Wärmeabfuhr in
engen Grenzen gehalten und gleichzeitig eine wirkungsvolle Durchmischung der Schmelze bewerkstelligt werden kann. Das Verfahren
soll darüber ainaus wirtschaftlich und umweltfreundlich sein,
um insbesondere bei der Verwendung für Salzschmelzen zur Wärmebehandlung
von Draht jegliche Umweltbeeinträchtigung durch das Spülwasser auszuschließen.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß eine regelbare Menge eines gasförmigen und/oder bei der Schmelzentemperatur verdampfenden flüssigen Mediums unmittelbar
in die unteren Bereiche der Schmelze eingeleitet wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die Wärmeaufnahme
des Mediums eine Kühlung der Schmelze erzielt; durch das in der Schmelze emporsteigende Medium ergibt sich darüber hinaus eine
gute Durchmischung der Schmelze, wodurch örtliche Temperaturunterschiede innerhalb der Schmelze vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird Wasser direkt in die Schmelze eingedüst. Das in die Schmelze eingedüste V/asser
verdampft und entzieht hierbei der Schmelze Wärme. Durch den Entzug der Verdampfungswärme ergibt sich eine wirkungsvolle und gut regelbare
Kühlungjentsprechend der zugeführten Wassermenge, wobei der
in der Schmelze aufsteigende Wasserdampf gleichzeitig eine Durchmischung der Schmelze bewirkt. Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung ist eine Veränderung der Kühlwirkung ohne Minderung der Durchmischung dadurch erreichbar, daß der Wasserdampf bis zu loo$
durch ein Gas, beispielsweise Luft oder Stickstoff,ersetzt wird.
Der an der Oberfläche der Schmelze austretende Wasserdampf wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung aufgefangen und konden-
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siert. Das kondensierte Wasser wird über die Spülstufe in die Schmelze zurückgeführt. Auf diese V/eise wird das mit den Drahtringen
aus der Schmelze in das Spülwasser eingeschleppte Salz restlos in die Schmelze zurückgeführt. Da der gebildete Wasserdampf
aufgefangen und kondensiert und das Kondensat wieder in die Spülstufe zurückgeführt wird, ist einerseits der Wasserverbrauch
infolge des geschlossenen Kreislaufes gering; andererseits wird eine Veränderung der Zusammensetzung der Schmelze durch mit Frischwasser
eingeschleppte Mineralien ausgeschlossen.
Für die Schmelze eignen sich insbesondere wasserlösliche Alkali- und Erdalkalisalze sowie Mischungen derselben. Da deren Dichte
und Viskosität im schmelzflüssigen Zustand gering sind,können der Gasdurchgang und die Durchmischung ohne Schwierigkeiten erfolgen.
Die sich nach der Behandlung an den Metallwaren befindlichen Salzreste lassen sich mit Wasser leicht abspülen.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
bei der Wärmebehandlung von Stahldraht im Salzbad. Hierbei wird der Draht nach dem Verlassen des Walzwerkes und gegebenenfalls
nach Vorkühlung zwecks Gefügeumwandlung in die Salzschmelze eingebracht. Nach erfolgter Gefügeumwandlung werden die Drahtringe
aus der Salzschmelze herausgehoben, gespült und ihrer weiteren Verarbeitung zugeführt.
Die Salzschmelze hat hierbei bekanntlich zur Aufgabe, den Stahldraht,
insbesondere solchen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als o,~3%, möglichst schnell auf eine vorgegebene Temperatur,die
je nach Kohlenstoffgehalt und sonstigen Legierungszusätzen des Drahtes zwischen 45o° und 6oo° C liegt, herunterzukühlen und so
lange auf dieser Temperatur zu halten, bis die Gefügeumwandlung zu dem sich gut zur Kaltverformung durch Ziehen eignenden Sorbit
beendet ist. Die Zielsetzung dieser Behandlung besteht darin,daß
sonst vor dem Ziehen notwendige zusätzliche Bleibadpatentieren
zu vermeiden. Die Durchführbarkeit und der Erfolg der Behandlung
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hängen maßgeblich mit der Wirksamkeit der Kühlung und der Gleichmässigkeit der Badtemperatur zusammen.
Der über einfache oder als Vorkühlstrecke ausgebildete Drahtzuführungen
zum Salzbad gelangende Draht wird mittels eines über dem Bad angeordneten Schiingenlegers in Form von einzelnen,sich
in kurzem Abstand folgenden und nahezu horizontalen Windungen direkt in die Salzschmelze eingebracht. Der Behälter zur Aufnahme der
Schmelze wird so tief ausgelegt, daß eine freie Fallhöhe der einzelnen Drahti/indungen von mindestens 1,5 m aucri^zu Ende gewickeltem
Ring zur Verfügung steht. Die einzelnen Drahtwindungen sinken frei schwebend ohne gegenseitige Berührung durch die auf konstanter
Temperatur gehaltene und durchmischte Schmelze und erreichen während des Absinkens in der angegebenen strecke die Umwandlungstemperatur. Die auftretenden Sinkgeschwindigkeiten werden hierbei
durch das spezifische Gewicht des Drahtes und der Schmelze sowie durch die Viskosität der Schmelze bei der jeweils vorhandenen
Temperatur bestimmt.
Zu Beginn des Betriebes wird die Temperatur der beispielsweise aus Natriumnitrat bestehenden Schmelze durch eine am Behälter
vorgesehene Heizeinrichtung, beispielsweise eine Induktionsheizung, auf die zwischen 45o° und 6oo C liegende Anfangstemperatur
gebracht, Die während d-o;-s Betriebes durch die Schmelze von dem darin
a bgekühlten Stahldraht aufgenommene V/arme wird kontinuierlich durch das ins Innere der Jchmelze eingedüste Medium abgeführt.
Auf de.·:1 Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der zur
Durchführung des erfindungsgenäßcn /erfahrene verwendeten Vorrichtung
dargestellt.
Die Zeichnung zeigt einen Schmelzbehälter l,der im unteren Bereich
mit einem Düsenkranz 2 versehen ist. An diesen Düsenkranz 2 ist eine Zufuhrleitung 3 angeschlossen,die über ein einstellbares
Ventil 4 mit einem Gasbehälter 5 in Verbindung steht.
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?'"her ein weiteres Ventil C ist die Zuführleitung ~j an einen
Spülbehälter 7 angeschlossen, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch Trennwände S und Überströmleitungen 9 in mehrere
Stufen unterteilt ist.
Oberhalb des Schmelzbehälters 1 befindet sich eine Auffanghaube lo,die selbstverständlich zum a-linbringen des wärmezubehandelnden
Gutes entweder verschiebbar ist oder Durchführöffnungen aufweist, falls es sich bei dein wärmezubehandelnden Gut beispielsweise um
Stahldraht handelt. Die Auffanghaube Io steht über eine Dampfleitung
11 mit einem Kondensator 12 in Verbindung, der wiederum über
eine Kondensatleitung 13 mit dem Spülbehälter 1J verbunden ist.
Das zur Kühlung und Durchmischung der Schmelze bestimmte Medium wird über den Düsenkranz 2 in den unteren Bereich der Schmelze
eingeleitet.Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Medium
das aus dem Spülbehältc.-r 7 kommende V/asser verwendet, dessen. Menge
euren das Ventil t regelbar ist. Zu diesem Zweck ist ein an sich
bekannter Meß- und liege !kreis vorgesehen, der den Zufluß des Wassers
über einen mit dem 7entil 6 gekoppelten Stellmotor in Funktion der von einem in die Schmelze eintauchenden,auf der Zeichnung
nicht dargestellten Meßfühler gemessenen Sollwertabweichungen der Temperatur regelt.
Der an der Oberfläche der Schmelze entweichende Wasserdampf wird durch die Auffanghaube Io aufgefangen und über die Dampfleitung
11 dem Kondensator 12 zugeführt. Das im Kondensator 12 anfallende Kondensat wird über den Spülbehälter 7 im geschlossenen Kreislauf
in den Schmelzbehälter 1 zurückgeführt. Das in der Schmelze
v.'ärmebehandelte Gut wird entgegengesetzt zur Durchlauf richtung
des Kondensats im Spülbehälter 7 von Schmelzresten befreit,die durch die Zufuhrleitung J5 wieder in die Schmelze zurückgeführt
v/erden.
Durch die Verdampfung des in die Schmelze eingedüsten Wassers«
und durch das Hochsteigen des Wasserdampfes
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Ip. der Schmelze v;erden einerseits insbesondere durch den Entzug
der Verdarr-pfungsv.'ärme eine wirkungsvolle Kühlung der Schmelze
und andererseits eine intensive Durchmischung der Schmelze und danit eine Vergleichmässigung der Temperatur innerhalb der
Schmelze erreicht. Um auch bei einer Verminderung oder vollständigen
Abstellung der Wasserzufuhr eine genügende Durchmischung der Schmelze aufrechtzuerhalten,kann jederzeit ein Teil oder
die vollständige Menge des Wassers durch Zufuhr von Gas aus dem Gasbehälter 5 ersetzt werden. Die Regelung der Gaszufuhr geschieht
hierbei durch Einstellen des Ventils 4. Da die Wärmeabfuhr durch das Gas erheblich geringer ist,kann auch bei gedrosselter Kühlung
eine ausreichende Durchmischung der Schmelze erzielt werden.
Aufgrund der regelbaren Kühlungsmöglichkeit der Schmelze kann dem zu behandelnden Draht die Wärme äußerst gleichmässig entzogen
und der in wesentlich höheren Wärmeübergangszahlen gegenüber
der Luftbehandlung liegende Vorteil der Schmelzbadbehandlung genutzt werden. Die steuerungstechnisch einfache und baulich
mit geringem Aufwand auskommende Vorrichtung kann in unmittelbarer Kombination mit neuzeitlichen, mit großer Geschwindigkeit
arbeitenden Drahtwalzwerken eingesetzt werden und ermöglicht die Herstellung von Walzdraht,der in seiner Qualität dem im Bleibad
behandelten Draht gleichwertig ist. Durch die Verwendung von Wasser als Medium zum Kühlen und Durchmischen der Schmelze
ergibt sich die Möglichkeit, dieses im geschlossenen Kreislauf zu führen und zum Spülen des behandelten Gutes zu verwenden,wobei
die abgespülten Schmelzreste zwangsläufig in die Schmelze zurückgeführt werden,wodurch Probleme der Spülwasserbeseitigung und
Wiedergewinnung von beim Spülen anfallenden Schmelzresten vollständig
beseitigt werden.
Obwohl die .Erfindung in der Hauptsache bei der Wärmebehandlung
von Stahldraht aus der Walzhitze Anwendung finden soll, kann sie jedoch sinngemäß auch bei sonstigen Schmelzen,insbesondere Salzbadschmelzen,
verwendet werden, beispielsweise für die kontinuierliche oder diskontinuierliche Wärmebehandlung von Metallwaren oder
für die Thermostatisierung von Reaktionsgefäßen.
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Claims (8)
- Patentansprüche :/l.) VerfcJ .'-.■·■■ ;ur Regelung der Temperatur und Durchnischung von zur Wärmebehandlung von Metallwaren dienenden Schmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine regelbare Menge eines gasförmigen und/oder bei der Schmelztemperatur verdampfenden flüssigen Mediums unmittelbar in die unteren Bereiche der Schmelze eingeleitet wird .
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser unmittelbar in die Schmelze eingedüst wird.
- j5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Wärmebehandlung nachge^ordneten Spülstufe mit Salz beladenes V/asser entnommen und in die Salzschmelze eingeführt wird.
- 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Kühlwirkung ohne gleichzeitige Verminderung der Durchmischung der Wasserdampf bis zu loo$ durch ein Gas ersetzt wird.
- 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Badoberfläche austretende Wasserdampf aufgefangen und kondensiert wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß das kondensierte Wasser in die Spülstufe zurückgeführt wird.
- 7· Anwendung einer Salzschmelze, deren Temperatur und Durchmischung mit gasförmigen und/oder bei der Badtemperatur verdampfenden flüssigen Medien,welche unmittelbar in das Innere der Schmelze eingeführt werden, geregelt wird, für das Salzbadpatentieren von Stahldraht, der im warmen Zustand in Form von Windungen in das Schmelzbad eingehaspelt wird.
- 8. Anwendung einer Salzschmelze gemäß Anspruch 7,wobei während der Spülung der behandelten Metallwaren anfallendes,salzhaltiges Spülwasser in die Schmelze eingeleitet und von der Kondensation des an der Schmelzenoberfläche abgefangenen Wasserdampfes herrührendes Kondensat in die Spülstufe zurückgeführt wird ο509887/0079
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