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Stütz- und Transportrolle für Metall-,
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insbesondere Stahlstranggie Banlagen Die Erfindung betrifft eine
Stütz- und Transportrolle für Metall-, insbesondere Stahlstranggießanlagen, die
als Voll- oder als Nantelrolle ausgeführt ist, einen biegebeanspruchungsfähigen
Kern aufweist und iit einer an den Rollenzapfen angeschlossenen Kühiiittelzu- und
-abführung versehen ist.
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Neben der konstruktiven Gestaltung einer Stütz- und Transportrolle
als Manteirolle oder Vollrolle kont den Rollenwerkstoff eine besondere Bedeutung
zu. Die Eigenschaften des Rollenwerkstoffes mit dem größten Einfluß auf die Haltbarkeit
der Rollen sind hohe Wärmewiderstandsfähigkeit, insbesondere bei Tenperaturwechsel,
und eine erhebliche Biegefestigkeit, d.h. eine hohe Streckgrenze bei hohleren Temperaturen.
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Es ist bekannt, Stütz- und Transportrollen als Mantel- oder Volirollen
aus einen Stahl herzustellen, der mit Chrom und Molybdän legiert ist (13 Cr No 44/ASTMA
355 P 12). Dieser Werkstoff ist hinsichtlich seiner Streckgrenze, Biegefestigkeit
und Warifestigkeit nicht zufriedenstellend. An der Oberfläche entstehen ferner Brandrisse,
wodurch die Lebensdauer der Rolle eingeschränkt wird. Die relativ kurze Lebensdauer
der Rolle ist auf eine Versprödung dieses Werkstoffes zurückzuführen. lils Ursache
wird ein besonders ungünstiges Zusammentreffen thermischer Wechselspannungen mit
hohen Biegewechselepannungen auf der Rollenoberfläche angenonen.
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Es ist außerdem bekannt, Stütz- und Transportrollen mit einen Rollenmantel
aus kohlenstofflegierten Baustahl (St 35.8/AßTk 192)
herzustellen.
Trotz einer äußeren Kühlung, z.B. innerhalb der Sekundärkühlkammer der Stranggießanlage
äußert sich der Einfluß der Biegespannung durch Brandrisse ebenfalls in einer Verminderung
der angestrebten Lebensdauer.
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Eine Erhöhung der Lebensdauer von Stütz- und Transportrollen ist bis
jetzt nur durch aufwendigere Werkstoffe erzielt worden. Stütz- und Transportrollen
können danach aus Stahl hergestellt sein, der mit Mangan, Molybdän und Vanadium
legiert ist (17 Mn Mo V 64). Die Bildung von Brandrissen durch extrem hohe thermische
Wechselbeanspruchung wird durch die höhere Biegefestigkeit verlangsamt. Allerdings
sind mit einem solchen Werkstoff höhere Kosten verbunden.
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Bessere Eigenschaften im Bereich der Warmbeständigkeit weist ein mit
Chrom, Molybdän und Vandadium legierter Stahl auf (21 Cr Mo V 51).
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Dennoch besitzen die mit Chrom, Molybdän und Vanadium legierten Stähle
relativ zu den Kohlenstoffstählen den Nachteil einer schlechten Wärmeleitfähigkeit,
woraus sich höhere thermische Spannungen bei der Aufheizung und Abkühlung der Rolle
pro Umdrehung am heißen Strang ergeben. Die Kohlenstoffstähle mit höherem Kohlenstoffgehalt
sind hingegen stark brandrißanfällig.
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Stütz- und Transportrollen aus Gußeisen mit kugeligem Graphit sind
den thermischen und mechanischen Wechselbelastungen nicht gewachsen und bieten daher
wenig Sicherheit gegen Bruchdehnung.
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Mehrere Gußstahlsorten bieten zwar die ausreichende Festigkeit, jedoch
treten auch bei diesem Werkstoff Brandrisse auf.
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Außer der Wahl des Werkstoffes, der den Festigkeitsbeanspruchungen
gerecht wird und andererseits im wirtschaftlichen Bereich liegt, bildet die Wahl
einer Vollrolle oder einer Nantelrolle ein weiteres Problem. Auf der Rollenoberfläche
herrscht eine Temperatur von ca. 4400 C, die am übrigen Umfang der Rolle-his zu
ca. 1500 C abfällt. Eine Uberbeanspruchung des Mantelwerkstoffes
tritt
nunmehr durch die zyklischen Aufheizungen eines schmalen Streifens der Rollenoberfläche
bis auf die erwähnten 440°C ein, so daß die thermischen Spannungen in den Bereich
der lokalen plastischen Verformung der Oberfläche hineinreichen. Die entstehenden
Zugspannungen erreichen die Größenordnung der Fließgrenze des Werkstoffes auf der
Rollenoberfläche und führen daher nach sehr kurzer Zeit zu Ermüdungsbrüchen an der
Oberfläche, d.h. zu Brandrissen. Die Belastung der Rolle in der Form einer Biegewechselspannung
begünstig den Fortschritt der Brandrisse, bis der Bruch der Rolle eintritt.
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Bei einer Vollrolle werden thermische Druckspannungswerte erreicht,
die nur durch Werkstoffe mit einer sehr hohen Streckgrenze aufgefangen werden können.
Nach der Erkenntnis der vorliegenden Erfindung genügen daher weder Mantel- noch
Vollrollen trotz sorgfältig ausgewählter Werkstoffe nicht den gestellten Anforderungen
ihrer Lebensdauer.
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Es ist schon versucht worden, die innere Kühlung durch geeignetere
Führung des Kühlmittels zu verbessern, um dadurch eine größere Haltbarkeit der Rolle
zu erzielen. Ferner sind Maßnahmen bekannt, die Biegespannung durch eine Mehrfach-Lagerung
der in Längsrichtung in Längsabschnitte aufgeteilten Rollen herabzusetzen. Soweit
diese Maßnahmen mit einer geringfügigen Verbesserung der Rollen-Haltbarkeit verbunden
waren, konnten jedoch die Auswirkungen beim Zusammentreffen der thermischen Wechselbeanspruchung
mit der hohen Biegebeanspruchung nicht beseitigt werden.
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Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, durch konstruktive
und metallurgische Maßnahmen auf der Rollenoberfläche die Haltbarkeit von Mantel-
und von Vollrollen zu verbessern.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß ein durch Auftragschweißen,
Aufsintern oder Aufschrumpfen von Rohrstücken gebildeter Ueberzug auf dem Rollenkörper
oder auf dem Rollenmantel vorgesehen ist und daß in dem Ueberzug ringförmig am Umfang
verlaufende, in ihrem Querschnitt kreisbogen-, dreieck- oder rechteckförmige Rillen
mit einer Tiefe eingearbeitet sind, die mindestens der Dicke des Überzugs entspricht.
Zunächst ergibt sich der Vorteil, etwa noch auftretende Brandrisse in den geschweißten,
gesinterten oder aufgeschrumpften Schichten des Rollenquerschnittes durch Abdrehen
bis zum rißfreien Kern beseitigen zu können und eine neue Schicht durch Auftragschweißen,
Aufsintern oder Aufschrumpfen von Rohrstücken aufzubringen. Die Lebensdauer der
Stütz- und Transportrollen kann durch dieses Verfahren auf das Zwei- bis Dreifache
erhöht werden. Das Auftragschweißen, Aufsintern oder Aufschrumpfen von Rohrstücken
kommt außerdem der Praxis entgegen, weil längere Zeit im Betrieb befindliche Stütz-
und Transportrollen unrund werden, einen "Schlag" aufweisen und daher beim Abdrehen
der Überzugschicht wieder rundgedreht werden können. Ferner ist man bestrebt, für
den Kern der Stütz- und Transportrolle einen weicheren, d.h. biegebeanspruchungsfähigen
Werkstoff zu wählen und für den Auftragstoff einen harten Werkstoff. Der Unterschied
zwischen der Härte beider Werkstoffe könnte nunmehr zu einer neuen Schwierigkeit
führen. Diese Schwierigkeit wird durch die in dem tiberzug-Werkstoff ringförmig
am Umfang der Rollen verlaufenden Rillen von bestimmter Querschnittsform und bestimmter
Tiefe vermieden. Der Vorteil dieser Rillen besteht darin, den negativen Einfluß
der Bollendurchbiegung bei langen Rollen auf die Oberzugsschicht auszuschalten.
Die Verbindung zwischen dem Überzug und dem Kern der Stütz- und Transportrolle bildet
allenfalls beim Auftragschweißen und Sintern eine Diffusionsverbindung, d.h. es
kommt nicht zu einer völligen Verschmelzung der Kontaktzonen beider Werkstoffe.
Dadurch ist es möglich, der Vberzugsschicht die Funktion zu übertragen, die Brandrisse
aufzunehmen. Es findet
jedoch keine Fortpflanzung der auftretenden
Brandrisse aus der Uberzugsschicht über die Kontaktzone in den Kern der Stützrolle
statt. Damit wird vorteilhafterweise eine höhere Biegespannung in den Stützrollen
zugelassen, ohne gleichzeitig die Brandrißkerbwirkung zu erhöhen.
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Es ist schon vorgeschlagen worden (DT-AS 1.508.974), die Rollenoberfläche
durch Rillen zu unterteilen, wobei die Rillen im Grunde abgerundete Dehnfugen bilden
und in einem derartigen Abstand voneinander angeordnet sind, daß die infolge der
mechanischen Beanspruchung auftretenden Spannungslinien zwischen ihnen unterhalb
der Eindringtiefe der von der nicht vertieften Rollenoberfläche ausgehenden Brandrisse
liegen, wobei die zwischen den Dehnfugen verbleibenden Oberflächenbereiche breiter
als die Dehnfugen sind. Dieser Lösung liegt jedoch nicht der erfindungsgemäße oberzug
durch Auftragschweißen, Aufsintern oder Aufschrumpfen von Rohrstücken zugrunde,
so daß sich keine vergleichbaren Verhältnisse zwischen thermischer Beanspruchung
und Biegewechselbeanspruchung ergeben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rillen in dem Ueberzug
ca. 3 bis 5 mm breit und in Abständen von ca.
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25 bis 100 mm angeordnet.
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Ferner sind die am Umfang verlaufenden Rillen in dem Uberzug beim
Auftrag Schweißen durch leere Windungen beim Sintern und in Rohrstücken durch Einwalzen
gebildet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht der biegebeanspruchungsfähige
Kern aus Kohlenstoffstahl der Qualität St 35 oder St 37.
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In weiterer Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rolle
als Vollkörper aus Stahl oder Schleuderstahlguß
besteht und daß
die im Überzug vorhandenen, in ihrem Querschnitt rechteckigen Rillen auf der Rollenoberfläche
ca.
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3 bis 5 mm breit und mindestens 5 mm tief und im Abstand von ca. 3
bis 4 mal Rillentiefe angeordnet sind.
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Zusätzlich ist vorgesehen, daß die Rolle aus Verbund-Schleuderstahlguß
gebildet ist, wobei die äußere Schicht aus Graugußeisen oder aus einem gegen Kerbwirkung
unempfindlichen Stahlguß besteht und der Rollenkörper aus Stahlguß gebildet ist.
Der Oberzug besteht hier aus Grauguß, der durch Graphit-Lamellen innerlich verkerbt
ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß die Gefahr des Auftretens
von Brandrissen relativ gering ist. Der Rollenkörper aus Stahlguß übernimmt die
hohen Biegespannungen. Diese Kombination ermöglicht durch den Unterschied im Elastizitäts-Msdul
zwischen Grauguß und Stahlguß von 1,65 zu 2,1, in der äußeren Schicht die Biegespannungen
zu vermindern.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Stütz- und Transportrolle als Vollrolle mit
aufgeschrumpften Stahlringen als ueberzug, in den im Querschnitt halbkreistörmige
Rillen angeordnet sind, Fig. 2 eine Stütz- und Transportrolle als Vollrolle mit
aufgesintertem Uberzug, der im Querschnitt rechteckige Rillen zeigt, Fig. 3 eine
Stütz- und Transportrolle als Mantelrolle mit aufgeschweißtem oberzug, der im Querschnitt
dreieckförmige Rillen aufweist, Fig. 4 eine Stütz- und Transportrolle als Vollrolle
mit einem durch Schleudergießen erzeugten Überzug und
Fig. 5 einen
Querschnitt durch den Ballen der Stütz- und Transportrolle gemäß Fig. 4.
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Die Stütz- und Transportrolle ist gemäß Fig. 1 als biegebeanspruchungsfähiger
Rollenkörper 1 ausgeführt. An den Rollenzapfen 2 und 3 sind jeweils eine Kühlmittelzuführung
2a bzw.
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eine gühlmittelabführung 3a vorgesehen. Die auf den Rollenkörper 1
als Ueberzug 4 aufgeschrumpften Rohrstücke 4a aus hartem Stahl werden durch Schweißnähte
5 gesichert oder mittels weiter nicht dargestellter Paßfedern und Verschraubungen
am Verdrehen und Verschieben gehindert. Zwischen jeweils zwei Rohrstücken 4a sind
Rillen 6 eingearbeitet, die in ihrer Tiefe entweder der Dicke des Uberzugs 4 entsprechen
oder noch tiefer angelegt sind, d.h. bis in den Rollenkörper 1 eindringen. Im Ausführungsbeispiel
weisen die Rillen 6 einen halbkreisförmigen Querschnitt auf.
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Gemaß Fig. 2 trägt der Rollenkörper 1 einen aufgesinterten Überzug
4, und die Rillen 6 weisen einen rechteckförmigen Querschnitt auf, der wiederum
tiefer als die Dicke des Überzugs 4 eingearbeitet ist. Der Ueberzug 4 besteht aus
einer metallischen Schicht aus pulverisiertem Nickel, Chrom, Eisen und Bor, die
in einer Dicke von etwa 1,5 mm flüssig aufgebracht und bei ca.
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9000 C gesintert wird.
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In Fig. 3 ist eine Mantelrolle dargestellt. Die Rolle besteht aus
einem Rollenkörper 1 und dem Mantel 7, der den auftraggeschweißten oder gesinterten
Ueberzug 4 trägt. Die Rillen 6 weisen einen dreieckförmigen Querschnitt auf und
reichen wiederum bis in den Mantel 7 hinein.
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Der Rollenkörper 1 kann nach dem Ausführungsbeispiel der Figuren 4
und 5 aus Stahl oder Stahlguß 8 und die äußere Schicht 4b aus Graugußeisen hergestellt
sein. In diesem Fall entsteht der Überzug 4 während des Schleudergießverfahrens,
indem der Überzug 4 auf dem Rollenkörper 1 durch Verbund gießen erzeugt wird, wobei
auch der Kühlkanal 9 um einen Formkern entsteht.