DE3518925C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontrollierten Stab- oder Drahtwalzen legierter, insbesondere austenitischer Stähle in einer aus mehreren Walzblöcken bestehenden Walzstraße.

Bei legierten Stählen handelt es sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Stahlanalyse im allgemeinen um ein walzschwieriges Gut mit zum Teil hohem Verformungswiderstand und hoher Rißanfälligkeit. So ist es beispielsweise bekannt, daß die Gefahr einer Rißbildung mit steigenden Gehalten an Titan, Chrom und Silizium zunimmt, während Nickel, Mangan und Kohlenstoff die Warmverformbarkeit verbessern und damit die Gefahr einer Rißbildung verringern. Da höhere Gehalte an Chrom, Titan und Silizium bei Temperaturen über etwa 1200°C zum Entstehen einer versprödenden Alpha-Phase führen, deren Anteil im Gefüge bei Temperaturen über 1250°C sprunghaft ansteigt, sind spezielle Anwärmtechnologien erforderlich, um derartige Stähle auf die erforderliche Walztemperatur zu erwärmen. So hat sich in der Praxis ein stufenförmiges Erwärmen mit einer längeren Haltezeit von beispielsweise zwei Stunden bei 1200°C bewährt. Ein derartiges Erwärmen auf die Walztemperatur ist jedoch allein schon wegen der langen Haltezeit mit hohen Kosten verbunden, weil mit zunehmender Verweilzeit die Ofenkapazität abnimmt.

Des weiteren spielt aber auch der Temperaturverlauf während des Walzens und insbesondere die Endtemperatur im Hinblick auf die Oberflächenbeschaffenheit und die mechanischen Eigenschaften des Walzguts eine wesentliche Rolle. So führt beispielsweise eine abnehmende Endtemperatur bei austenitischen Chrom-Nickel-Stählen zu einer zunehmenden Verfestigung bzw. einer Erhöhung der Dehngrenze. Diese Verfestigung ist darauf zurückzuführen, daß die statische Rekristallisation im Anschluß an die Warmverformung mehr oder minder unterdrückt wird. Insoweit kommt es beim Warmwalzen zu einem stetigen Wechsel von Verfestigung und Rekristallisation und damit zu einem je nach dem Temperaturprofil des Warmwalzens unterschiedlichen Gefügekorn, das sich in unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften äußert.

Niedrigere Endtemperaturen erfordern zudem längere Walzpausen oder verringerte Durchlaufgeschwindigkeiten und/oder niedrigere Vorglühtemperaturen, die sich jedoch ihrerseits wiederum in einer verringerten Plastizität des Walzguts äußern.

Eine weitere Einflußgröße für die Rekristallisation zwischen den einzelnen Verformungsstufen ist die Formänderung. So kommt es mit zunehmender Formänderung zu einer verstärkten Rekristallisation und demgemäß zu einer Erhöhung der Dehngrenze. Längere Pausen zwischen den einzelnen Verformungsstufen oder niedrigere Durchlaufgeschwindigkeiten im Hinblick auf eine niedrige Endwalztemperatur bringen jedoch höhere Kosten mit sich, führen darüber hinaus aber auch nicht zu befriedigenden Ergebnissen, weil sich die Walzguttemperatur auf diese Weise nur sehr ungenau einstellen läßt. Hinzu kommt, daß die mechanischen Eigenschaften angesichts des Temperaturunterschiedes zwischen Walzgutoberfläche und -kern über den Walzgutquerschnitt ungleichmäßig sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Schwierigkeiten zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zum kontrollierten Walzen zu schaffen, das es erlaubt, die Walzguttemperatur während des Warmwalzens punktuell und optimal einzustellen, um auf diese Weise nicht nur eine gute Oberflächenbeschaffenheit des Walzguts, sondern auch ein Walzgefüge einzustellen, das vorzugsweise weder eine Wärmebehandlung aus der Walzhitze noch ein Normal- oder Lösungsglühen erfordert, um die angestrebten mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine hohe Festigkeit bei ausreichender Zähigkeit zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art darin, daß erfindungsgemäß die Walzguttemperatur hinter jedem Block durch Zwangsabkühlen und/oder -erwärmen auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Die Verwendung von Walzblöcken besitzt dabei den Vorteil eines im Verhältnis zum Verformungsgrad geringeren Temperaturverlusts und einer verhältnismäßig hohen Verfestigung aufgrund der raschen Folge der einzelnen Verformungsschritte. Da diese durch die Kenndaten des betreffenden Blocks jedoch ein für allemal festgelegt sind, bietet das erfindungsgemäße Abkühlen und/oder Erwärmen im Anschluß an jeden Block gegebenenfalls in Verbindung mit einer Ausgleichsstrecke die Möglichkeit, die Walzguttemperatur im Hinblick auf optimale Verformungs- und Rekristallisationsbedingungen einzustellen. Dabei bietet eine Ausgleichsstrecke die Möglichkeit, den Temperaturunterschied zwischen Walzgutoberfläche und -kern im Hinblick auf ein homogenes Gefüge gering zu halten.

Da sich jedoch auf einer Ausgleichsstrecke ein völliger Ausgleich zwischen der Oberflächen- und der Kerntemperatur nicht erreichen läßt, weil der Wärmeverlust an der Oberfläche stets größer ist als die aus dem Walzgutkern nachströmende Wärmemenge, bietet ein Zwangserwärmen im Bereich der Ausgleichsstrecke die Möglichkeit, die Temperatur der Oberflächenzone und der Kernzone tatsächlich auszugleichen; dies geschieht vorzugsweise mit Hilfe von Hochfrequenzheizern, die bei geringer Ausdehnung in Richtung des Walzgutes ein gezieltes Erwärmen der Walzgutoberfläche erlauben.

Andererseits läßt sich aber auch mit Hilfe des Abkühlens und/oder Erwärmens im Anschluß an jede Verformungsstufe ein Walzgut herstellen, dessen Gefüge sich im oberflächennahen Bereich von dem Gefüge des Kerns deutlich unterscheidet.

Der Streckwirkungsgrad, der sich aus der Formel

in Prozenten ausgedrückt errechnet, wobei A _v die im Kaliber weggedrückte Querschnittsfläche und A _w die im selben Kaliber an anderen Stellen neu erscheinende Querschnittsfläche des Walzgutes ist, beträgt vorzugsweise mindestens 75%, da sich die Walzguttemperatur mit abnehmendem Streckwirkungsgrad erhöht. Im Hinblick auf möglichst geringe Temperaturschwankungen des Walzguts empfehlen sich daher höhere Streckwirkungsgrade, die sich insbesondere mit Drei-Walzenkalibern erreichen lassen.

Unabhängig von der Kaliberbeschaffenheit erlaubt jedoch das erfindungsgemäße Zwangsabkühlen und/oder -erwärmen, die Walzguttemperatur im Anschluß an jede Verformungsstufe in Abhängigkeit von z. B. der Querschnittsabnahme, der Walzgeschwindigkeit, der Art des jeweiligen Kalibers und der Walzgutanalyse auf einen für die nächste Verformungsstufe und die Walzguteigenschaften optimalen Wert einzustellen. Dabei lassen sich insbesondere auch Temperaturunterschiede über die Walzgutlänge ausgleichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Walzgut auch unmittelbar vor dem Einlaufen in einen Vorblock, d. h. in die erste Verformungsstufe, auf einer vorgegebenen Temperatur eingestellt werden. Dies bringt eine erhebliche Vereinfachung und Verkürzung des Erwärmens im Ofen mit sich und ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Walzgut vor Beginn der Verformung zunächst mit Preßwasser entzundert wird. Ein derartiges Entzundern bringt nämlich Temperaturdifferenzen zwischen Walzgutoberfläche und -kern von einigen Hundert Grad und damit die Gefahr einer Rißbildung mit sich. Ein Einstellen der Walzguttemperatur am Vorblock beseitigt nicht nur derartige Temperaturunterschiede, sondern vereinfacht auch das Erwärmen des Walzguts, weil die Feineinstellung der Walzguttemperatur auf diese Weise unmittelbar zu Beginn des Verformens geschieht.

So läßt sich im Einzelfall eine Walzguttemperatur beim Verlassen des Erwärmungsofens von beispielsweise 1000 bis 1200°C auf 800 bis 1000°C verringern, weil das erfindungsgemäße Zwangsabkühlen und/oder -erwärmen während des Walzens es erlaubt, hat am Rande des im Hinblick auf die Werkstoffeigenschaften und die Verformbarkeit zulässigen Temperaturbandes entlangzufahren. Dies bringt eine wesentliche Energieeinsparung im Hinblick auf das gesamte Walzverfahren mit sich. Ein Walzen mit niedrigstmöglichen Temperaturen ist auch deshalb von Vorteil, weil dadurch die Wärmeverluste beim Walzen deutlich gesenkt werden, was eine weitere Verringerung der Wärmeverluste um 30 bis 40% mit sich bringen kann. Die Einsparung an Energie durch eine niedrigere Aufheiztemperatur vor dem ersten Walzblock und durch einen hierdurch bedingten geringeren Wärmeverlust beim Walzen ist deutlich größer, als die zusätzlich aufzubringende Energie für das erfindungsgemäße Zwangserwärmen zwischen den Walzblöcken und die etwas höhere Antriebsenergie wegen des größeren Verformungswiderstandes des kühleren Walzgutes.

Um die Temperaturerhöhung im Walzblock zu begrenzen, sollte die Zahl der Gerüste je Walzblock unter Berücksichtigung des Formänderungswiderstandes des Walzguts, der Walzgeschwindigkeit und des Temperaturgradienten zwischen der Walzgutoberfläche und dem Kern nach oben hin begrenzt sein; sie beträgt beispielsweise acht oder auch nur sechs. Dadurch erhöht sich zwar die Zahl der Walzblöcke bei gleichbleibender Gesamtgerüstzahl; das ist jedoch mit dem Vorteil einer geringeren Temperaturerhöhung je Block und einer geringeren Zwangskühlung zwischen den Blöcken verbunden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen des näheren erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 das Diagramm eines herkömmlichen Walzwerks mit mehreren Blöcken ohne Zwangsabkühlen und Zwangserwärmen,

Fig. 2 das Diagramm eines Walzwerks zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Kühlstrecken zwischen den Blöcken,

Fig. 3 das Diagramm eines Walzwerks mit Kühl- und sich anschließenden Heizstrecken zwischen den Blöcken und

Fig. 4 das Diagramm eines Walzwerks mit im Vergleich zu den Walzwerken der Fig. 2 bis 3 größerer Blockzahl bei gleicher Gerüstzahl.

Das Diagramm der Fig. 1 bezieht sich auf ein Walzwerk mit einem Vorblock 1 aus sechs Gerüsten, einem Zwischenblock 2 mit elf Gerüsten und einem Fertigblock 3 mit zehn Gerüsten; es zeigt, wie sich entsprechend dem Verlauf der drei eingezeichneten Kurven die Kern-, die mittlere und die Oberflächentemperatur des Walzguts ohne ein Zwangskühlen und Zwangserwärmen zwischen den Walzblöcken 1, 2, 3 ändert. Dabei liegt die Oberflächentemperatur unmittelbar nach dem Ziehen des Walzguts zunächst über der Kerntemperatur. Schon vor dem Einlaufen in den Vorblock unterschreitet die Oberflächentemperatur jedoch die Kerntemperatur. Im Vorblock 1 verringert sich wegen der niedrigen Walzgeschwindigkeit und der Wasserkühlung die Kerntemperatur, die mittlere Temperatur und vor allem die Oberflächentemperatur. Im Anschluß an den Vorblock 1 kommt es infolge der aus dem Walzgutkern nachfließenden Wärme zu einem Anstieg der Oberflächentemperatur bei gleichzeitiger Verringerung der Kerntemperatur. Im Zwischenblock 2 erhöhen sich dagegen infolge der hohen Walzgeschwindigkeit die drei kennzeichnenden Temperaturen trotz der Wasserkühlung, woran sich ein gewisser Ausgleich der Oberflächen- und der Kerntemperatur anschließt, bis im Fertiggerüst 3 schließlich alle drei Temperaturen wieder stark ansteigen. Die Oberflächentemperatur verbleibt jedoch während des Walzens stets unter der Kerntemperatur.

Insgesamt ergibt sich bei dem herkömmlichen Walzen gemäß Fig. 1 ein durch die Begrenzungslinien 4, 5 gekennzeichnetes breites Temperatur-Streuband, dessen Breite durch die Extremwerte der Oberflächen- und der Kerntemperatur bestimmt ist und dessen tiefste Oberflächentemperatur in den einzelnen Blöcken noch weitaus tiefer als dargestellt liegen kann. So kann die Oberflächentemperatur im Einzelfall wegen des unmittelbaren Kontakts der Walzgutoberfläche mit den wassergekühlten Walzen bis auf etwa 700°C abfallen.

Das Diagramm der Fig. 2 bezieht sich auf ein der Darstellung in Fig. 1 entsprechendes Walzwerk, bei dem sich jedoch zwischen je zwei Blöcken eine Kühlstrecke 6, 7 befindet und die Ziehtemperatur des Walzguts um etwa 150°C geringer ist als die Ziehtemperatur bei der Verfahrensweise gemäß Fig. 1. Aus der niedrigeren Ziehtemperatur und dem dadurch bedingten höheren Verformungswiderstand des Walzguts resultiert eine Erhöhung der mittleren Walzguttemperatur im Vorblock 1 und demgemäß eine geringere Abnahme der Oberflächentemperatur, die beim Verlassen des Vorblocks nur wenig unterhalb der Ziehtemperatur liegt und sich infolge der aus dem Walzgutkern nachfließenden Wärme bis zum Einlauf in die Kühlstrecke 6 etwa auf die Ziehtemperatur erhöht. In der Kühlstrecke 6 wird die Oberflächentemperatur rasch auf einen sehr niedrigen Wert abgesenkt, um sich in der sich anschließenden Ausgleichsstrecke 8 wiederum der Kerntemperatur anzunähern. Diese Temperaturerhöhung setzt sich im Zwischenblock 2 fort, so daß die Oberflächen- und die Kerntemperatur beim Verlassen des Zwischenblocks 2 bzw. beim Einlaufen des Walzguts in die Kühlstrecke 7 auf im Vergleich zur Ziehtemperatur wesentlich höherem Niveau wieder nahe beieinander liegen.

In der Kühlstrecke 7 wird wiederum die Oberflächentemperatur wesentlich stärker abgesenkt als die Kerntemperatur, woran sich in der Ausgleichstrecke 9 wiederum eine Angleichung der Kern- und der Oberflächentemperatur anschließt, die schließlich beim Verlassen des Fertigblocks wiederum auf hohem Temperaturniveau verhältnismäßig dicht beieinander liegen. Dabei unterscheidet sich das durch die Extremwerte in den Walzblöcken bestimmte Streuband der Temperatur trotz des starken Abschreckens der Walzgutoberfläche in den beiden Kühlstrecken 6, 7 nicht wesentlich von dem der Fig. 1.

Ein wesentlich schmaleres Streuband der Walzguttemperaturen ergibt sich hingegen im Falle der Fig. 3, wenn dem Zwischenblock 2 und dem Fertigblock 3 jeweils eine Heizstrecke 10, 11 vorgeschaltet ist. Auf diese Weise gelingt es, die Oberflächentemperatur des Walzguts beim Einlaufen in den Zwischenblock 2 und den Fertigblock 3 der Kerntemperatur stark anzunähern. In den beiden Blöcken 2, 3 steigt die Walzguttemperatur alsdann erneut an, wobei jedoch der Temperaturanstieg der Walzgutoberfläche als Folge der Walzenkühlung geringer ist als der Anstieg der Kerntemperatur.

Eine weitere Einengung des Temperatur-Streubands ergibt sich, wenn die Gesamtzahl der Gerüste aller Blöcke 1, 2, 3 wie im Falle des Diagramms der Fig. 4 auf eine größere Anzahl von Blöcken aufgeteilt wird. So besitzt das Walzwerk gemäß Fig. 4 zwei Zwischenblöcke 12, 13 und zwei Fertigblöcke 14, 15 mit jeweils einer Kühl- und einer Heizstrecke 16, 17 zwischen den beiden Zwischenblöcken 12, 13 sowie einer Kühl- und einer Heizstrecke 18, 19 zwischen den beiden Fertigblöcken 14, 15.

Der Kurvenverlauf zeigt, wie sich durch ein einlaufseitiges Aufheizen an jeden Block mit Ausnahme des Vorblocks 1 eine weitestgehende Egalisierung der Verformungstemperatur erreichen läßt. Damit ergeben sich auch für jede Verformungsstufe im wesentlichen eine gleiche Plastizität und gleiche Rekristallisationsbedingungen. Andererseits lassen sich jedoch auch für jeden Block mit Hilfe der Walzguttemperatur spezielle Verformungsbedingungen einstellen, ohne daß dadurch die Endtemperatur beeinflußt wird. Insofern sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die einzelnen Blöcke im Hinblick auf die Walzguttemperatur voneinander abgekoppelt. Im Einzelfall ist, gleiche Zieh- und Endtemperatur vorausgesetzt, jeder Temperaturverlauf innerhalb des Streubandes des herkömmlichen unkontrollierten Walzens in Abhängigkeit von der Walzgutanalyse und den angestrebten Werkstoffeigenschaften möglich. Dabei können die Oberflächen- und die Kerntemperatur nahe beieinander liegen oder in großem Abstand voneinander verlaufen.

Im Fertigblock 3 kommt es, wie sich aus dem Kurvenverlauf im Diagramm der Fig. 2 ergibt, auch ohne einlaufseitige Heizstrecke zu einer Angleichung der Oberflächen- und der Kerntemperatur, weil niedrigere Einlauftemperaturen an der Oberfläche den Verformungswiderstand erhöhen und demzufolge eine stärkere Temperaturerhöhung der Walzgutoberfläche beim Fertigwalzen insbesondere mit hohen Walzgeschwindigkeiten mit sich bringen. Bei einem Walzgut höherer Oberflächentemperatur ist hingegen der Verformungswiderstand an der Walzgutoberfläche und demgemäß auch die Temperaturerhöhung im Fertigblock geringer, wie sich das aus dem Kurvenverlauf der Fig. 3 und 4 ergibt.

Eine weitere Egalisierung der Temperaturkurve ergibt sich, wenn das Walzen mit Drei-Walzenkaliber-Blöcken stattfindet, die sich im Gegensatz zu Zwei-Walzenkaliber-Blöcken durch einen besonders niedrigen Temperaturunterschied zwischen Ein- und Auslauf auszeichnen. Der Grund hierfür liegt darin, daß Zwei-Walzenkaliber einen größeren Kaliberabstand besitzen und die Kaliberöffnung eine größere gedrückte Fläche zwischen Walzen und Walzgut bedingt. Infolge der größeren Berührungsfläche Walzgut/Walzen kommt es zwangsläufig zu höheren Temperaturverlusten.

Insgesamt erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, die Walzguttemperatur unter Berücksichtigung der Walzgutanalyse für jeden Block optimal einzustellen. Das eröffnet die Möglichkeit, Temperaturunterschiede zwischen Walzgutoberfläche und -kern zu beseitigen oder auch bewußt einzustellen und die Oberflächenqualität des Walzguts zu verbessern. So läßt sich beispielsweise die Walzgutoberfläche bis unter die Rekristallisationstemperatur abschrecken, so daß die Oberflächenzone des Walzguts thermomechanisch, d. h. unterhalb der Rekristallisationstemperatur, der Walzgutkern hingegen oberhalb der Rekristallisationstemperatur verformt wird. Diese Verhältnisse lassen sich umkehren, wenn das Walzgut nach einem Abkühlen bis unter die Rekristallisationstemperatur an der Oberfläche entsprechend erwärmt wird. Generell erlaubt die Erfindung nicht nur ein Walzen mit im wesentlichen gleichmäßiger Temperatur über den Walzgutquerschnitt, sondern auch bei einem bestimmten Temperaturverhältnis zwischen Oberflächen- und Kernzone.

Des weiteren läßt sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Zunderbildung während des Walzens weitgehend unterdrücken und gleichwohl der Verformungswiderstand möglichst gering halten.

Claims (4)

1. Verfahren zum kontrollierten Stab- oder Drahtwalzen legierter, insbesondere austenitischer Stähle in einer aus mehreren Walzblöcken bestehenden Walzstraße, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzguttemperatur hinter jedem Block durch Zwangsabkühlen und/oder -erwärmen auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an das Zwangsabkühlen und/oder -erwärmen ein Ausgleichen anschließt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgut mit einem Streckwirkungsgrad von mindestens 75% verformt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgut unmittelbar vor dem Einlauf in einen Vorblock auf eine vorgegebene Temperatur eingestellt wird.