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Innengekühlte Rolle
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Die Erfindung betrifft eine innengekühlte Rolle gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruches.
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Innengekühlte Rollen bestehen üblicherweise aus einem Kern, in dessen
Oberfläche ein oder mehrere Kanäle eingearbeitet sind. Die Kanäle gehen in radiale
Bohrungen über, die in axial gerichteten, in den Lagerzapfen angeordneten Bohrungen
einmünden. Letztere dienen der Kühlmittelzu- bzw. abfuhr. Der Kern der Walze ist
von einer Hülse umgeben, die auf den Kern aufgeschrumpft ist und den Kühlkanal bzw.
die Kühlkanäle des Kerns nach außen abschließt (DE-OS 32 31 433).
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Solche Rollen, die zum Zwecke der Abstützung in Wärmebehandlungseinrichtungen
Temperaturen bis zu 1 200 OC ausgesetzt sind, sind erheblichen mechanischen und
thermischen Belastungen unterworfen, die zur Durch biegung und zum Verzug fünren.
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Hinsichtlich der Hülse ist zu verzeichnen, daß diese sich unter den
genannten Belastungen während des Betriebs vom Kern teilweise löst und dann eine
Zwangsführung des Kühlmediums nicht mehr gegeben ist.
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Das Ergebnis ist eine verminderte Kühlung an der hochbelasteten Kontaktlinie
zum transportierenden Material.
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Durch diesen Vorgang wird die mechanische Stabilität beeinträchtigt.
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Weiterhin sind innengekühlte Antriebs-, Stütz-, Führungs-oder Umlenkrollen
in Wärmebehandlungseinrichtungen bekannt, die im allgemeinen aus dickwandigen Rohren
oder Hohlstangen aus hitzebeständigen Stählen oder Legierungen auf Nickel-, Kobalt-
oder Chrombasis hergestellt sind. Es werden auch Stähle mit verschleißfesten und
hitzebeständigen, metallischen, metallkeramischen oder keramischen Überzügen, die
häufig rißanfällig sind, verwendet.
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Als besonders nachteilig ist es beim Einsatz solcher Werkstoffe anzusehen,
daß ihre Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig gering ist. Selbst bei intensiver Kühlung
ist daher die Oberflächentemperatur an der Rollenaußenseite meist so hoch wie die
Ofen- oder Glühtemperatur selbst. Dies hat zur Folge, daß sich Ablagerungen auf
der Rollenoberfläche festsetzen und mit ihr verschweissen. Die Folge davon sind
Beschädigungen am Glühgut oder an Transportvorrichtungen.
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Zum Schutz des Glühgutes und der Rollen werden daher insbesondere
in Bandglühanlagen häufig die Rollen mit Asbest ummantelt. Ablagerungen durch Bandabrieb
treten an asbestbestückten Rollen nicht auf, da auch bei hoher Verdichtung oder
dem Zusatz von Bindemitteln der Verschleiß und Abrieb der Asbestummantelung so groß
ist, daß sich festhaftende Schichten nicht aufbauen können.
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Die toxische Wirkung von Asbeststaub ist bekannt; selbst Bindemittel
können die Aufspaltung von Asbestfasern in gefährliche Stäube nicht verhindern.
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Der Einsatz von asbestbestückten Rollen ist deshalb mit sehr großen
Nachteilen verbunden und erfordert aufwendige Schutzmaßnahmen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile
zu beseitigen und eine Rolle zu schaffen, die infolge ihres hohen Wärmedurchgangs
eine deutlich geringere Oberflächentemperatur als das Glühgut aufweisen kann und
die infolge ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit auch im Bereich der Stege keine verminderte
Kühlwirkung zeigt, so daß kein Wärmestau entsteht und die Hülse sich in diesen Bereichen
nicht nach außen dehnt, abhebt oder verzieht und dadurch die Zwangsführung des Kühlmittels
nachteilig beeinflußt. Außerdem soll die Rolle in einfacher Weise montiert werden
können und bei Verschleiß einfach austauschbar sein.
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Die Aufgabe wird durch eine Rolle mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Die Erfindung weiterbildende Maßnahmen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die Neigung zum gegenseitigen Verschweißen unter Druck ist bei metallischen
Werkstoffen um so geringer, Je größer die Unterschiede in Bezug auf Legierungszusammensetzung
zwischen den Werkstoffpartnern sind und Je niedriger die Oberflächentemperatur von
mindestens einem der Werkstoffpartner ist. Die Oberflächentemperatur fällt mit verbessertem
Wärmedurchgang.
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An Rollen in Wärmebehandlungseinrichtungen kann der Wärmedurchgang
erhöht werden, indem die Wanddicke des Rollenmantels reduziert und Werkstoffe mit
hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
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Werkstoffe mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sind z. B. Aluminium,
Aluminiumlegierungen und insbesondere Kupfer und Kupferlegierungen. Ihre Festigkeit
ist Jedoch deutlich geringer als die Festigkeit hitzebeständiger Stähle und Legierungen.
Die Festigkeit nicht aushärtbarer Kupferlegierungen mit Zusätzen, die ihre Erweichungstemperatur
erhöhen, und insbesondere die Festigkeit ausscheidungshärtender Kupferlegierungen
kann aber durch Formgebungsverfahren stark beeinflußt werden. Es sind daher sowohl
konstruktive Maßnahmen, die die Verwendung dünnwandiger Außenmäntel ermöglichen,
als auch besondere fertigungstechnische Maßnahmen zur Herstellung der Außenmäntel
nötig.
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Es kann der technischen Lehre entnommen werden, daß sich die Festigkeit,
Härte und Verschleißfestigkett z. B. von aushärtbaren Kupferlegierungen ohne nachteilige
Beeinflußung der Wärmeleitfähigkeit sowohl durch hohe Kaltverformung im lösungsgeglühten,
abgeschreckten Zustand vor dem Aushärten, als auch durch Kaltverformung des ausgehärteten
Zustands beträchtlich erhöhen läßt.
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An Stangen, Drähten, Blechen oder Bändern wird die gewünschte Festigkeit
durch Ziehen oder Walzen erreicht.
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Für dünnwandige Rohre mit größerem Durchmesser und engen Toleranzen
sowie hoher Biegesteifigkeit und hoher Oberflächengüte stand noch kein geeignetes
Herstellungsverfahren bereit, mit dem Ballenlängen bis zu 3 000 mm hergestellt werden
konnten. Dies gilt auch für nicht ausscheidungshärtende Kupferlegierungen, bei denen
die relativ niedrige Erweichungstemperatur durch kleine Beimengungen von z. B. Cadmium,
Silber oder Tellur erhöht wird, eine ausreichende Festigkeit Jedoch nur durch eine
Kaltverformung mit Querschnittsabnahmen von mindestens 35 % zu erreichen ist.
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Versuche haben gezeigt, daß die durch Fließdrückverfahren hergestellten
Außenmäntel die Aufgabe der Erfindung in vorteilhafter Weise lösen.
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Bei dem Verfahren wird ein Rohrrohling mit drei symmetrisch angeordneten
Verformungsrollen über einen rotierenden Dorn verformt. Bei eng an den Dorn anliegenden
Rohlingen erhält man sowohl im. Gleichlauf- als auch im Gegenlaufverfahren Außenmäntel
mit den notwendigen Oberflächengüten, hoher Festigkeit, hoher Biegesteifigkeit und
enge Maßtoleranzen.
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Mit einem einmal vorhandenen Dorn können ErsatzauRenmäntel mit reproduzierbarer
Genauigkeit hergestellt werden.
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Die beim Fließdrücken ohne weiteres möglichen Umformgrade über 50
% ermöglichen es auch, Werkstoffe mit hohen Ausgangsfestigkeiten umzuformen. Aus
diesem Grunde können auch Werkstoffe bearbeitet werden, deren Wärmedurchgang an
sich nur mittels Reduktion der Wanddicke erhöht werden kann, wie z. B. bei Außenmänteln
aus Titan und hochfesten Titanlegierungen.
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Vor allem können zur Erhöhung der Festigkeit aushärtbare Legierungen
im lösungsgeglühten und im ausgehärteten Zustand und nicht aushärtbare Kupferlegierungen
Je nach Anforderung kaltverformt werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung, Fig. 2 - 4 abgeänderte
Ausführungsbeispiele nach Fig. 1.
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Gemäß Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Rolle aus einer Hohlwelle
1 mit Lagerzapfen la, einem Mittelstück 1b und Verschlußstüvoken 1c sowie einem
dünnwandigen Außenmantel 2 in Form eines glatten Rohres oder eines Rohres mit angewalzten
Bunden 2a. Die Hohlwelle 1 ist aus Stahl, der bei der erfindungsgemäßen Rolle in
der Regel nicht mehr warmfest oder hitzebeständig sein muß. Der Außenmantel 2 liegt
konzentrisch an beiden Enden auf den an der Hohlwelle 1 befestigten Bunden 3 und
ist mit hochtemperaturbeständigen Dichtungen 4 und Flanschen 5 nach außen abgedichtet.
Die Flansche 5 werden mit Schrauben oder Stehbolzen an den Bunden 3 befestigt oder
bei kleinerem Rollendurchmesser über ein Gewinde auf der Hohlwelle 1 und einem entsprechenden
Innengewinde an Flanschen 5 gespannt. Die Flansche 5 sind so ausgespart, daß Längenänderungen
infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zwischen Hohlwelle 1 und Außenmantel
2 aufgenommen werden können.
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Außer an den Enden ist der Außenmantel 2 gleichmäßig durch gelochte
oder mit Aussparungen für den Kühlmitteldurchfluß versehenen, an der Hohlwelle 1
angebrachten Ringen 6 abgestützt. Anstelle der Ringe 6 können gleichmäßig am Umfang
der Hohlwelle 1 verteilte Stollen oder in radialer Richtung angebrachte Stege zur
Abstützung des Außenmantels 2 dienen. Besonders vorteilhaft ist es, die Abstützung
des Außenmantels 2 mittels schraubenförmig an der Hohlwelle 1 angebrachter, oder
ähnlich einem Trapezgewinde in die Hohlwelle 1 eingeschnittener Stege 7 vorzunehmen.
Neben einer sehr gleichmäßigen Lastverteilung haben schraubenförmig angeordnete
Stützelemente den Vorteil, daR auch bei Rollenstillstand das Kühlmittel zwangsläufig
über den ganzen Umfang geführt und Blasenbildung, verbunden mit einem Wärmestau
an dem Außenmantel 2, vermieden wird. Das Kühlmittel wird über die Lagerzapfen la
und Bohrungen 8 zu- und abgeführt.
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über doppelwandige Lagerzapfen gemäß Fig. 2 kann das Kühlmittel auch
einseitig zu- und abgeführt werden. Anstelle der Hohlwelle 1 kann auch eine Steckachse
eingesetzt werden, an welcher nur die Lagerzapfen zur Kühlmittelzufuhr aufgebohrt
sind, wie in Fig. 3 dargestellt.
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Bei kleinen Ballenlängen oder geringer Belastung kann auf eine durchgehende
Hohlwelle mit einem Mittelstück 1b und Verschlußstücken lc sowie Stützelemente 6
und 7 verzichtet werden. Der Außenmantel 2, als tragendes Element, wird dann an
verlångerten Bunden 3 an den Lagerzapfen la befestigt und sollte durch Bunde 2a
an den Enden wie in Fig. 4 dargestellt verstärkt sein.
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Der Abstand zwischen Hohlwelle 1 und Außenmantel 2, ebenso wie die
Auflagefläche der Stützelemente richtet sich nach den Abmessungen der Rolle, der
aufzunehmenden Last, der Temperatur und den Eigenschaften des für den Außenmantel
2 eingesetzten Werkstoffes. Bei einer Umgebungstemperatur von 750 OC, einer Berührungstemperatur
von 1 100 OC, einer Ballenlänge von 1 800 mm, einer Last von 1 500 kg verteilt auf
eine Länge von 1 250 mm und einem 8 mm dicken Außenmantel aus einer ausgehärteten,
aber nicht zusätzlich kaltverformten Kupfer-Chrom-Legierung mit einem Außendurchmesser
von 320 mm haben sich z. B. ein Abstand von 20 mm zwischen Hohlwelle 1 und Außenmantel
2 und eine spiralförmige Abstützung mit einem Stegabstand von 70 mm und einer Stegbreite
von 15 mm bewährt.