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Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Drahtes
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von geringem Querschnitt und grosser Länge Die Erfindung geht aus
von einem Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Drahtes nach der Gattung
des Anspruchs 1.
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Bei der herkömmlichen Herstellung von Draht aus metallischen Werkstoffen
wird üblicherweise von einem Drahtbarren (Walzbarren) ausgegangen, der in einer
kontinuierlichen Walzenstrasse zu einem Walzdraht (Halbzeug) von geeignetem'Querschnitt
heruntergewalzt wird. In der Regel ist dieser Querschnitt nach unten durch die beim
Walzen einzuhaltenden Bedingungen begrenzt. Einerseits kühlt sich das Walzgut zu
Beginn der Operationen d.h. bei den ersten Walzstichen zufolge Oberflächenvergrösserung
relativ rasch ab, was wegen der Gefahr der Ueberschreitung der höchstzulässigen
Verformungstemperatur nicht durch eine erhöhte Anfangstemperatur des Walzbarrens
ausgeglichen werden kann. Andererseits steigt gegen das Ende der Operationen, bei
den letzten Walzstichen zufolge der eingebrachten hohen Pormanderungs arbe it pro
Volumeneinheit die Temperatur des Walzgutes wieder an. Ausserdem können die Drahtgeschwindigkeiten,
die bereits bei über 50 m/s angelangt sind, nicht beliebig gesteigert werden. Einer
Weiterverarbeitung des Halbzeugs zu kleineren Durchmessern in einer zweiten konventionellen
Walzenstrasse steht wiederum
die hohe Abkühlung an Anfang der Operationen
entgegen. Bei Stahl beträgt der Uebliche unterste erreichbare Durchmesser ca. 5>5
mm. Sollen kleinere Querschnitte erreicht werden, erfolgt die weitere Reduktion
durch mehrfaches Ziehen, das in der Regel von Zwischenglühoperationen durchbrochen
werden muss, um die durch die Kaltverfestigung verlorengegangene Duktilitt des Werkstorfes
wieder herzustellen. Die Technologie der Drahtherstellung durch Warmwalzen und Kalt
ziehen ist aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt (A. Pomp, Herstellung von
Stahldraht, Verlag Stahleisen M.B.H. Düsseldorf 1969; J.A. Shey, Metal deformation
processes, S. 457 - 547, Marcel Dekker Inc. New York 1970).
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Die Kombination der üblichen Walzenstrassen mit den Drahtzieheinrichtungen
und Zwischenglühstationen stellt einen betrSchtlichen Investitionsaufwand dar. Auch
stösst die einwandfreie Ueberwachung der Prozesse oft auf Schwierigkeiten.
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Dies betrifft vor allem die Temperaturkontrolle des zu verformenden
Stoffes. Bedingt durch die aufeinander abzustimmenden Werkzeuge, Vorrichtungen und
Apparate ist das Blockgewicht der Walzbarren begrenzt. Um der Abkühlung während
den ersten Walzstichen entgegenzuwirken, muss der Block am Anfang auf eine vom metallurgischen
Standpunkt aus oft unerwünscht hohe Temperatur (oberste Grenztemperatur) gebracht
werden. Andererseits muss bei Erreichen der dünneren Querschnitte aus wirtsehpftlichen
Grflnden und zufolge des ungünstigen Querschnitt/ Umfans-Verhältnisses des Drahtes
mit hoher Geschwinuigkeit (bis über 50 m/s) gewalzt werden. Durch die in Wärme uFgesetzte
Deformationsarbeit kann dann die Temperatur des Walzgutes im Walzspalt wieder derart
ansteigen, dass sie die obere zulässige Grenze erreicht. Die Ueberwachung all dieser
räumlich und zeitlich starken Schwankungen unterworfenen Betriebsparameter ist schwierig
und aufwendig Das gleiche gilt fUr die Drahtzieherei mit ihren Schmierproblemen,
mit der pro Zug beschränkten Querschnittsabnahme und der Notwendigkeit
öfteren
Zwischenglühens.
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Es besteht daher das Bedürfnis, die anfang1ichen Blockgewichte und
damit die zusammenhängende Lunge des Drahtes zu erhöhen, die Verformungstemperaturen
zu stabilisieren und die Walzoperationen zu kleineren Drahtabmessungen hin zu erweitern,
um auf Ziehoperationen gegebenenfalls ganz zu verzichten oder wenigstens deren Anzahl
beträchtlich zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren
für dünne Metalldrähte anzugeben, welches erlaubt, auf kontinuierliche Weise die
Draht länge beliebig zu erhöhen und den Drahtendquerschnitt unter beträchtlicher
Verringerung der Anzahl der Ziehoperationen wesentlich zu verkleinern.
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Die Prozesskontrolle soll dabei in einfacher Weise durch fuhrbar
sein und das Erzeugnis soll innerhalb vorgegebener Grenzen optimale metallurgische
Eigenschaften aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten
Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Dabei zeigt: Die Figur eine graphische Darstellung der Temperatur
des zu verformenden materials in Funktion der aufeinanderfolgenden Formgebungsoperationen.
Die Abszisse kann also qualitativ (bei entsprechender Massstabverzerrung) auch als
Zeitachse aufgefasst werden. Die Kurven a und b repräsentieren den Temperaturverlauf
des Walzgutes über der Anzahl von Walzstichen für das Walzen mittels beheizter Walzen
je für den Knüppelanfang (a) bzw. das Knüppelende (b). Zum Vergleich ist der Temperaturverlauf
des Walzgutes für konventionelles Walzen (Knüppelanfng: Kurve c; Knüppelende: Kurve
d) dargestellt.
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e bedeutet eine Anzahl von Ziehstichen (im vorliegenden Fall 5) zur
Erzielung eines aequivalenten Drahtdurchmessers für den Vergleich bei vorangegangenem
konventionellen Walzen (Fortsetzung der Kurven c und d) und f die Weichglühbehandlung
nach dem vorantTegangenen Ziehen. A stellt den Punkt dar, wo bei Anwendung beheizter
Walzen ein Drahtquerschnitt von 86 mm (entsprechend 10,5 mm ) erreicht und die 1.
Folge kontinuierlicher Verfahrensschritte mit ein und demselben zusammenhängenden
Werkstück abgeschlossen ist. B ist der Punkt nach der Weiterverarbeitung in einem
2. kontinuierlichen Walzgerüst und entspricht einem Drahtquerschnitt von 7 mm2 (3
mm ). Vergleichsweise stellt C den beim konventionellen Walzen mit unbeheizten Walzen
erreichbare Punkt dar, wo der Walzvorgang definitiv abgebrochen werden muss. Diese
Grenze liegt im allgemeinen bei ca. 28 mm2 Drahtquerschnitt (entsprechend 6 mm ).
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T ist die Temperatur in OC und n die Anzahl (fortlaufende Nummer)
der Formgebungsoperationen. T0 bzw. Tu geben die obere bzw. untere Temperaturgrenze
der Warmverformung für ein gegebenes Material an.
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AusführunSsbeispiel Aus Halbzeug (Barren, Knüppel) mit quadratischem
Querschnitt von 100 mm Seitenlänge und einer axialen Länge von 6000 mm wurde ein
Draht von 1,5 mm Enddurchmesser hergestellt. Dabei wurde der Werkstoff bis zu einem
Durchmesser von 3 min herunter nach neuem Verfahren einer Warmverformung und von
da ab konventionell einer Kaltverformung (Ziehen) bzw. einem Patentieren unterworfen.
Die letzteren Operationen dienten hauptsächlich zur Erzielung eines bestimmten Gefügezustandes
mit gewünschten bevorzugten Eigenschaften (Festigkeit) und sind nicht Gegenstand
dieser Erfindung. Als Werkstoff wurde ein ungefähr perlitischer Kohlenstoffstahl
gemss deutscher Werkstoffnummer 1.1262 mit folgender Zusammensetzung gewählt;
C:
0,80 - 0,84 % Si: 0,10 - 0,25 % Mn: 0,35 - 0,55 % P: / 0,030 % S: ); 0,030 % N:
/ 0,007 % Fe: Rest Die obere Warmverformungsgrenze für diesen Stahl ist die Temperatur
To und beträgt 1050 0C, während die untere Grenze Tu bei 850 OC liegt. Die Knüppeltemperatur
beim ersten Walzstich bewegte sich zwischen ca. 900 und 925 °C (siehe Kurven a und
b).
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Diese Temperatur kann jedoch bis zu 950 OC betragen. Bis zum zehnten
Walzstich nahm die Temperatur des Walzgutes etwas ab, um danach zurolge der Umsetzung
der Formänderungsarbeit in Wärme bis dicht unter T0 anzusteigen. Nach total 16 Stichen
war der ursprünglich 10000 mm2 messende Querschnitt auf 86 mm2 reduziert worden,
was einem Drahtdurchmesser von 10,5 mm entspricht (Punkt A in der Figur). Bei einer
Walzgutgeschwindigkeit von 30 m/s beim 16. Stich entsprach dies einem Durchsatz
von 2,6 dm3/s. Die durchschnittliche Querschnittsabnahme pro Walzstich betrug somit
ca. 26 %. Da bei Punkt A das für diesen Stahl gegebene Temperaturintervall erschöpft
war, wurde der Verformungsprozess der ersten Walzenstrasse hier abgebrochen, das
Walzgut in geeignete Längen geschnitten und unter Zwischenschaltung eines Warmhalteofens
in einer Wärme in einer zweiten Walzenstrasse weitergewalzt. Hier betrug die durchschnittliche
Querschnittsabnahme pro Stich ca. 30 %. Der Draht wurde in total 7 weiteren Stichen
plus einem Kalibrierstich (in der Figur weggelassen) auf einen Querschnitt von 7
mm (entsprechend 3 mm ) heruntergewalzt (Punkt B in der -Figur). Der Walzdraht wurde
daraufhin in herkömmlicher Weise patentiert, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften
(Duktilität, Kaltverformbarkeit) zu erzielen. Der in weiteren 5 Ziehstichen erreichte
Enddurchmesser betrug 1,5 mm (Querschnitt: 1,8 mm2), die Querschnittsabnahme pro
Ziehstich
durchschnittlich 24 7. Diese Onerationen sind in der Figur
-d nicht zur eigentlichen r:rfndung gehörend - der Uebersichtlichkeit halber weggelassen
worden.
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F2eim herkdmmlichen WaAzverfahren muss unmittelbar bei der höchsten
Walzternneratur T begonnen werden, wobei im Verlauf 0 der ersten 10 t:tiche das
Material verhältnismässig stark abkühlt. Deshalb klaffen die Kurven c und d (siehe
Figur) für Knüppelanfang und Knüppelende auseinander. IWach total 19 Stichen plus
einem Kalibrierstich (nicht dargestellt) muss die Operation abgebrochen werden,
da man an der oberen Temperaturgrenze anstösst und da die Geschwindigkeit des Walzgutes
durch die Bemessung des kontinuierlichen Walzgerüstes begrenzt ist. Diese Grenze
wird in Punkt C (siehe Figur) erreicht, welcher einem Drahtquerschnitt von 28 mm2
(entsprechend 6 mm ) zugeordnet ist. Bei einer Walzgutgeschwindigkeit von 50 m/s
beim 19. Stich entspricht dies einem Durchsatz von 1,4 dm3/s. Die Produktion ist
also vergleichsweise niedriger als nach dem neuen Verfahren mit beheizten Walzen.
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Sie wird ausserdem mittelbar begrenzt durch den Temperaturabfall zu
Beginn des Walzens, was sich auf die Knüppeldimensionen (Querschnitt, Länge) unvorteilhaft
auswirkt. Nach dem auf den 19. Stich folgenden Kalibrierstich muss der Walzdraht
nach einer geeigneten Technik, z.B. dem bekannten Steelmoore-Verfahren mit überwachter
Abkühlungsgeschwindigkeit von Walztemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt werden,
um ein für das nachgeschaltete Ziehen vorteilhaftes Gefüge zu ergeben.
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Um auf den Vergleichsquerschnitt von 7 mm2 (3 mm ) zu kommen, sind
5 Ziehstiche von je ca. 24 % Querschnittsabnahme erforderlich, welche von einem
Weichglühprozess bei 640 bis 680 °C gefolgt werden müssen (e und f in der Figur).
Die Weiterverarbeitung zu Draht von 1,5 mm m erfolgt dann in der oben beschriebenen
herkömmlichen Weise durch zusitzliche 5 Ziehstiche.
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Der Vergleich zwischen dem neuen Walzverfahren und der herkömmlichen
Walz/Zieh-Technik zeigt, dass beträchtlich an
Wärmeenergie gespart
werden kann, indem die Temperatur des zur Erwärmung des ?.Talzgutes (Barren, Knüppel)
benötigten Ofens tiefer gehalten werden kann. Ausserdem wird die Energie auch insofern
besser ausgenützt, als die Temperaturunterschiede zwischen Knüppelanfang und Knüppelende
wesentlich ,erinder a.usrallen und die Formänderungsarbeit besser ausgenutzt wird
als beim. konventionellen '.Jalzen. Ferner wirkt sich die gegenüber konventionellem
Walzen wesentlich geringere Temperaturdifferenz zwischen Knüppelanfang und Knüppelende
in engeren Querschnittstolelanzen längs des Walzgutes aus, da die Verforrnungskräfte
sowie die elastischen Deformationen der Walzen gleichmässiger sind. Es wird an Ziehoperationen
gespart und der Zwischenglühprozess (Weichglilhen) entfällt.
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Im allgemeinen dürfte auch Warmwalzen billiger sein als Kaltziehen,
wenn man lediglich die Formgebung und nicht zusEtzlich eine bestimmte Gfügeausbildung
anstrebt. Ausserdem stellt Warmwalzen den schnelleren Vorgang dar als Kaltziehen,
woraus sich eine direkte Produktionssteigerung ergibt. Dadurch, dass der kontinuierliche
Walzprozess mit beheiztem Walzen in der ersten Walzenstrasse beim 16. Stich (86
mm2 Querschnitt) und nicht erst beim 19. Stich (28 mm Querschnitt) wie beim konventionellen
Walzen abgebrochen wird, ergibt sich im vorliegenden Fall eine weitere Produktionssteigerung
im Verhältnis 2,6 dm³/s : 1,4 dm3/s, also um ca. 85 %. Die Anlage wird also bedeutend
besser ausgenutzt.
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Die Wärrneabstrahlung des Walzgutes und der beheizten Walzen kann
mittels als Reflektoren wirkender Strahlungsschilder weitgehend unterbunden werden,
wodurch sich eine weitere Einsparung an Energie ergibt. Die für den isothermen oder
quasiisothermen Walzprozess erforderliche Wärmeenergie kann in vorteilhafter Weise
durch induktive Beheizung der Walzen bereitgestellt werden.
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Nach dem neuen Verfahren mit beheizten Walzen kann die Querschnittsabnahme
pro Walzstich gegenüber dem konventionellen
Walzen oder Ziehen
u« mindestens 5 % grösser eingestellt werden. Dies gilt auch gegenüber jedem anderen
Reduktionsverfahren mit unbeheizten Werkzeugen. Dieser erhöhte Wert kann unvermindert
mit fortschreitender Stichzahl beibehalten werden.
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Das Verfahren lässt sich gleicherweise auf unlegierte oder legierte
Stähle anwenden, derart, dass der Endquerschnitt des Walzdrahtes höchstens 24 mm
betr.gt, wobei eine Reproduzierbarkeit bezüglich Toleranz der Walzguttemperatur
unterhalb dieses Querschnittes von weniger als + 10 °C eingehalten wird. Dies sichert
gleichmässige und hochwertige Erzeugnisse.
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Weiterhin ist das Verfahren gegebenenfalls auch auf Aluminium und
seine Legierungen übertragbar, wobei der Endquerschnitt des Walzdrahtes vorteilhafterweise
höchstens 15 mm2 (ca. 4,5 mm ) beträgt.