DE3743444A1

DE3743444A1 - Verfahren und einrichtung zur herstellung von stabstahl

Info

Publication number: DE3743444A1
Application number: DE19873743444
Authority: DE
Inventors: Volker Dr Ing Flaxa; Karl-Heinz Dr Ing Kobelke; Karl-Otto Prof Dr Sc Prietzel; Bernd Dipl Ing Trabert; Gerhard Dr Ing Pechau
Original assignee: Schwermaschinenbau Kombinat Ernst Thalmann VEB
Current assignee: SKET Schwermaschinenbau Magdeburg GmbH
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1989-01-05
Also published as: IT8819116A0; DD260014A1; SE8800736L; IT1215731B; SE8800736D0

Description

Titel der Erfindung

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von Stabstahl.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Stabstahl mit verbesserten Festigkeits- und Plastizitätseigenschaften, vorzugsweise der Kaltzähigkeit, und gestattet die Produktion von an sich zur Krümmung neigenden Profilen mit verbesserter Geradheit.

Die Erfindung ist für Fein- und Mittelstahlwalzwerke anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für die bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung von Stabstahl mit verbesserten Festigkeits- und Plastizitätseigenschaften (im Vergleich mit allgemeinen Baustählen) sind für deren Gewährleistung präzise metallurgische Bedingungen einzuhalten, d. h. diese Eigenschaften werden durch bestimmte Legierungsvarianten, meist gekoppelt mit nachfolgender Wärmebehandlung, entscheidend beeinflußt. Dieser verhältnismäßig große Aufwand ist vertretbar bei dem relativ kleinen Anteil dieser Stähle an der entsprechenden Gesamtproduktion. Die sich gegenwärtig abzeichnende Tendenz der Erhöhung dieses Anteils als Voraussetzung für den Bau von beispielsweise Betonkonstruktionen in kalten Bereichen und für Behälter zum Aufbewahren und Transport verflüssigter Gase ruft die Notwendigkeit hervor, die genannten Eigenschaften kosten- und energiegünstiger bei gleichzeitiger Einsparung von Legierungsanteilen zu gewährleisten bzw. zu übertreffen. Dem trägt die OS-DE 34 41 087 teilweise Rechnung, indem ein Rohblock oder Knüppel aus einem mikrolegierten Stahl bestimmter Zusammensetzung auf eine 1000°C festgelegte Vorwärmtemperatur erwärmt wird, vor- und bei einer Mindestquerschnittsabnahme in einem präzisierten Temperaturbereich fertiggewalzt sowie nach der Abkühlung an Luft vorzugsweise einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen wird.

Nachteilig in der OS-DE 34 41 087 ist die relativ niedrige Vorwärmtemperatur. Damit kann nur ein geringer Teil der Mikrolegierungselemente in Lösung gebracht werden, was sich festigkeitsvermindernd auf das Fertigmaterial auswirkt. Die Erzeugung von Baustählen nach diesem Verfahren ist hinsichtlich des Energiebedarfs sehr aufwendig, da eine Wärmebehandlung der Stäbe in Form von Tempern vorgesehen ist und die hohe Querschnittsabnahme bei niedrigen Walztemperaturen größere Antriebsleistungen erfordert. Diese wirken sich zudem in einem erhöhten Verschleiß von Anlagenteilen nachteilig aus.

Technologisch bedingt sind auch die Temperaturunterschiede in bestimmten Walzstahlfertigprofilen. Auf Grund dieser Temperaturunterschiede über den Profilquerschnitt neigen diese Stäbe insbesondere in der 1. Phase des Abkühlprozesses zu einem bleibenden, mehr oder weniger stark ausgeprägten Verlust ihrer Geradheit. Dem zu begegnen wird sich in der Patentschrift DD 2 26 595 zur Aufgabe gemacht. Durch eine dosierte Druckwasserkühlung soll erreicht werden, daß die γ-α-Umwandlung gegenüber dem normalen Ablauf auf dem Kühlbett in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Stahls gesteuert und dadurch bei dem behandelten Walzgut eine umwandlungsbedingte Längenänderung auf dem Kühlbett unterbunden wird.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß als Folge der Druckwasserkühlung unerwünschte Nebeneffekte, wie Härterisse oder Zähigkeitsverluste in Abhängigkeit von der Stahlmarke auftreten können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die wirtschaftliche Herstellung von Stabstahl mit hinreichenden Festigkeits- und Zähigkeitswerten auch bei Einsatztemperaturen kleiner -100°C sowie die Geradheitsverbesserung der Walzprodukte zu ermöglichen.

Dabei sollen höhere Qualitätsanforderungen am Produkt erfüllt, der Arbeitsprozeß nach neuen metallurgischen und technologischen Bedingungen gesteuert sowie verbesserte Arbeitsbedingungen geschaffen werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Einrichtungen zu Herstellung von Stabstahl mit verbesserten Festigkeits- und Plastizitätseigenschaften, vorzugsweise der Kaltzähigkeit, zu schaffen sowie unter Ausnutzung der dafür notwendigen Einrichtung für die verbesserte Geradheit der an sich zum Verziehen neigenden Profile zu wirken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für die Walzproduktion von höherfesten schweißbaren Baustählen mikrolegierte perlitarme Blöcke oder Knüppel eingesetzt werden und diese nach einem Verfahren, bestehend aus exakt definierten Schritten der Anwärm-, Walz-, Zwischenkühl-, Fertigwalz- und Abkühltechnologie zu behandeln sind. Unter der Voraussetzung der bestimmten Anwärmtemperatur, der Einhaltung des Umformgrades in der 1. Umformstufe, der möglichst schnellen gleichmäßigen, jedoch Härtegefüge vermeidenden Zwischenkühlung auf die abgesenkte Endwalztemperatur, des Fertigwalzprozesses mit festgelegten Umformgraden und die Endabkühlung an Luft, wird ein feinkörniges, ferritisch-bainitisches Gefüge erzielt, das die angegebenen Eigenschaften und Kennwerte aufweist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einer dem Verfahren in vorteilhafter Weise entsprechenden Einrichtung und Ausrüstung für die Stabstahlproduktion unter besonderer Berücksichtigung und Anordnung eines Zwischenkühlbettes zwischen der 1. und 2. Umformstufe. Dem Prozeß der Zwischenkühlung kommt deshalb eine besondere Bedeutung zu, weil in dieser Phase die Temperaturabsenkung von Vorwalz- auf Fertigwalztemperatur in einer bestimmten Zeit bei gleichzeitiger Wahrung einer maximalen Gleichmäßigkeit der Temperaturabsenkung über den gesamten Walzprofilquerschnitt realisiert werden muß.

Erfindungsgemäß wird zur Zwischenkühlung ein spezielles Zwischenkühlbett verwendet.

Es gehört weiterhin zum Wesen der Erfindung, daß die geregelte Zwischenkühlung in Abhängigkeit von der Werkstückabmessung und der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes mittels eines speziellen Hubbalken-Kühlbettes erfolgt. Hinter dem Vorwalzgerüst ist ein der Länge des Walzgutes entsprechender Auflaufrollgang für den Längstransport und senkrecht dazu sind die festen und beweglichen Hubbalken sowie ein Kettenförderer für den Quertransport angeordnet. Daneben folgt ein Abfuhrrollgang für den Längstransport zu den Fertigwalzgerüsten. Unter den Hubbalken sind eine Zusatzbelüftungsanlage für die beschleunigte Abkühlung und Schwingflügel für eine verzögerte Abkühlung angeordnet. Mit dieser Vorrichtung ist die Variation der Abkühlzeit durch Veränderung der Transportgeschwindigkeit und die Variation der Abkühlintensität in weiten Grenzen möglich. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Lösung das Merkmal auf, daß die Zwischenquerschnitte der zum Verzug auf dem Kühlbett neigenden Profile vor dem Fertigwalzabschnitt gleichmäßig auf Temperaturen abgekühlt werden, so daß durch die Umformung die γ-α-Umwandlung vorzeitig einsetzen kann und nach Abschluß des Fertigwalzens die umgewandelte Gefügemenge gegenüber herkömmlichen Walzvorgängen erhöht und somit die Gefahr einer auf dem Kühlbett auftretenden Verwerfung des gewalzten Stahlstabes stark herabgesetzt wird.

Ausführungsbeispiel

Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren wird in einem 1. Beispiel, die Einrichtung anhand eines 2. Beispieles, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: Meßstellen und Meßergebnisse der Kleinlasthärteprüfung HV 0,5.

Das Ausgangsmaterial ist ein mikrolegierter perlitarmer Baustahl mit max. 0,14% C und 0,025 . . . 0,50% Nb.

Die aus diesem Material bestehenden Vorknüppel werden auf 1050°C erwärmt und unmittelbar anschließend in entsprechend kalibrierten Walzen vorgewalzt, wobei ein Gesamtflächenumformgrad ϕ _{A 1} von mindestens 0,6 realisiert werden muß.

Die eingebrachte Umformenergie wird durch den natürlichen Wärmeverlust infolge Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung zwischen den Stichen kompensiert, so daß die mittlere Walzguttemperatur nicht größer wird.

Nach Abschluß der ersten Umformstufe findet eine Abkühlung des Walzgutes auf 750°C . . . 800°C statt.

Zur Anpassung an die konkreten, vom Walzprogramm abhängigen technischen Verhältnisse (Werkstoff, Abmessungen des Zwischenquerschnittes) erfolgt dieser wichtige Verfahrensschritt verzögert infolge Einschränkung der natürlichen Konvektion und Strahlung oder beschleunigt durch eine Zusatzbelüftung bis 30 m/s Anströmgeschwindigkeit. Dieser thermische Zwischenprozeß läuft auf einer speziell dafür konzipierten Einrichtung ab, wie sie im 2. Ausführungsbeispiel näher erläutert wird. Es schließt sich die Fertigwalzphase mit einem Gesamtflächenumformgrad ϕ _{A 2} von mindestens 0,5 an, wo hinsichtlich der Wärmeab- und -zufuhr die gleichen Relationen gelten wie oben. Zur Herstellung des feindispersen ferritisch-bainitischen (rd. 5 : 1 Anteile) Gefüges, wobei die Kornnummer für den Ferrit nicht kleiner als 11 sein soll, ist die strenge Einhaltung des technologischen Regimes erforderlich.

Die Endabkühlung erfolgt an Luft, wobei zur Kühlzeitverkürzung bis 20 m/s Anströmgeschwindigkeit angewendet werden.

Unter den angegebenen erfindungsgemäßen Bedingungen stellen sich folgende Materialeigenschaften ein:

R _e 510 MPaR _m 600 MPaA₅ 25% KCV_längs 275 J/cm² (-60°C)

Die Gleichmäßigkeit der Materialeigenschaften über den Fertigquerschnitt wird durch eine 5%ige Streuung der Kleinlastwerte HV 0,5 nachgewiesen.

Fig. 1 zeigt am Beispiel eines Vierkantfertigprofils 20 × 20 mm die Kleinlasthärteverteilung.

Beim Walzen von zur Krümmung neigenden Profilen bedient man sich, einschließlich der Vorstiche, konventioneller Technologien und Kalibrierungen. Die Intensität der Zwischenkühlung wird bestimmt durch den Walzgutwerkstoff und die Zwischenprofilabmessung. Erst unmittelbar vor dem aus dem ZTU-Schaubild ermittelbaren Umwandlungsbeginn erfolgt der Anstich zur 2. Umformstufe. Die γ-α-Umwandlung und die mit ihr in Zusammenhang stehende Werkstoffausdehnung findet erfindungsgemäß in der Fertigwalzphase statt und führt somit nicht zum Verziehen der Stahlstäbe auf dem Kühlbett. Die Folge ist ein verbesserter Adjustagedurchlauf und eine Reduzierung der Anzahl der Störungen in diesem Anlagenabschnitt.

Im Ausführungsbeispiel 2 wird die das Verfahren realisierende Einrichtung in den:

Fig. 2: Mini-Walzwerk mit Trio-Walzgerüst und offener Staffel

Fig. 3: Mini-Walzwerk in halbkontinuierlicher Anordnung von Trio-Walzgerüst und Kontistaffel

Fig. 4: Draufsicht des Zwischenkühlbetts

Fig. 5 Schnittdarstellung des Zwischenkühlbetts

Fig. 6: Drehvorrichtung zur Vermeidung von Walzgutkrümmungen gezeigt.

Mini-Walzwerke entsprechend Fig. 2 und 3 mit einem Stoßofen 20 zum Erwärmen der Vorknüppel und einem Trio-Walzgerüst 22 sowie vor- bzw. nachgeordneten Rollgängen 21, 24 und Wipptisch 23, sind entsprechend ihren Produktionsleistungsbereichen gut geeignet, um im Vorstraßenbereich die 1. Umformstufe bis zur Zwischenkühlung mit einem Gesamtflächenumformgrad ϕ _{A 1} von mindestens 0,6 in 4, 6, 8 bzw. 10 Walzstichen zu realisieren. Das sich anschließende Zwischenkühlbett 5 sichert ein variables Temperatur-Zeit-Regime für die gesteuerte Abkühlung des Walzgutes auf 750-800°C, ein Drehen des Walzgutes zur Vermeidung von Walzgut-Krümmungen und den Quertransport auf den Zufuhrrollgang 6 vor die Fertigwalzgerüste. Die Schere 25 zum Schopfen vor dem Anstich sowie Hosenrollgänge 27 ermöglichen die Fertigwalzphase mit einem Gesamtflächenumformgrad von mindestens 0,5 in der offenen Staffel.

Die Fertigwalzgerüste in offener Anordnung 26 sind für kleinere Walzgeschwindigkeiten (< 10 m/s) und -leistungen bzw. die Konti-Staffel-Anordnung 30 für größere Walzgeschwindigkeiten ( 20 m/s) und -leistungen konzipiert. Nach der Fertigwalzphase in den Fertigwalzstaffeln schließen sich Kühlbettschere 28 und Kühlbett 29 sowie die übliche Stabstahladjustage an.

In den Fig. 4 bis 6 wird das Zwischenkühlbett ausführlich dargestellt. Auf dem Auflaufrollgang wird das aus dem Vorwalzgerüst kommende Walzgut 1 mittels der Rollen 2 in Pfeilrichtung längs transportiert. Diese angetriebenen Rollen sind geneigt angeordnet, so daß das Walzgut an der Wand 3 durch Bremsung der Rollen zur Ruhe kommt. Die beweglichen Hubbalken 4 führen nun aus ihrer unteren Stellung eine senkrechte Bewegung nach oben, dann eine horizontale Bewegung entsprechend der gewünschten Schrittweite in Quertransportrichtung, danach die senkrechte Abwärtsbewegung zur Ablage des Walzgutes auf dem festen Balken 5 und in der unteren Stellung den horizontalen Rückhub aus. Durch schrittweisen Transport gelangt so das Walzgut bei gleichzeitiger natürlicher Abkühlung auf die Rollen 6 des Abfuhrrollganges, der das Walzgut in Pfeilrichtung zu den Fertigwalzgerüsten fördert.

Zwecks Veränderung der Abkühlzeit und damit der Abgangstemperatur vom Zwischenkühlbett, kann die Quertransportgeschwindigkeit in weiten Grenzen verändert werden. Dabei kann das Walzgut ohne oder mit minimalem Abstand bei langsamer Bewegung der Hubbalken bzw. mit extremen Abständen bei schneller Bewegung der Hubbalken liegen.

Um eine möglichst geringe Abkühlung gewährleisten zu können, ist zwecks Schnelltransport ein Kettenförderer 7 in Quertransportrichtung angeordnet. Die hebbare Kette kommt nur für das gewünschte Abkühlprogramm mit dem Walzgut zum Eingriff. Weitere Möglichkeiten zur Variation der Abkühlgeschwindigkeit sind vorgesehen. Eine Zusatzbelüftungsanlage, die hauptsächlich aus den Ventilatoren 8, Rohrleitungen 9, Diffusoren 10 und den Leitschaufelaufsätzen 11 besteht, erzeugt Strömungsgeschwindigkeiten bis 30 m/s und erhöht die konvektive Abkühlung erheblich. Soll die Abkühlgeschwindigkeit vermindert werden, erfolgt eine Drehung der Schwingflügel 12 mittels der Wellen 13 in die waagerechte Stellung, so daß unterhalb der Hubbalken eine geschlossene Fläche entsteht, die die Konvektion behindert.

Zur Regelung der Abgangstemperatur des Walzgutes vom Zwischenkühlbett wird die Ablauf- und Abgangstemperatur mittels Temperaturmeßgerät 19 ermittelt sowie in Abhängigkeit davon die Transportgeschwindigkeit der Hubbalken geregelt. Nach dem vorgegebenen Programm wird die Strömungsgeschwindigkeit in der Zusatzlüftungsanlage eingestellt und die Stellung der Schwingflügel reguliert. Damit während der Abkühlung keine Krümmung des Walzgutes auftritt, sind gemäß Fig. 6 Drehvorrichtungen für das Walzgut an den Balken 5 vorgesehen. Der bewegliche Hubbalken 4 transportiert das Walzgut 1 beispielsweise im 1. Schritt von Position a in Position b. Beim 2. Schritt gelangt das Walzgut zuerst in Position c, kippt dann aber infolge Schwerkraftwirkung um die Kante 14 in die Aussparung 15 des Balkens 5 um ca. 60°. Während der folgenden Aufwärtsbewegung des Hubbalkens 4 dreht sich das Walzgut um ca. 30°. Da diese Drehbewegung um 90° mindestens dreimal bei Quertransport vorgesehen ist, wird eine gute Geradheit der Walzader auf dem Abfuhrrollgang gewährleistet. Soll ein Drehen des Walzgutes verhindert werden, so werden die an den festen Balken 5 in Gleitschienen 16 gelagerten und über Gestänge 17 beweglichen Schieber 18 in die Position der Aussparungen 15 geschoben. Die Oberkanten der Balken 5 und Schieber 18 bilden dann eine ebene Fläche.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 - Walzgut
2 - Rollen
3 - Wand
4 - Hubbalken
5 - Balken
6 - Rollen des Abfuhrrollganges
7 - Kettenförderer
8 - Ventilator
9 - Rohrleitung
10 - Diffusor
11 - Leitschaufelsätze
12 - Schwingflügel
13 - Wellen
14 - Kante
15 - Aussparung
16 - Gleitschiene
17 - Gestänge
18 - Schieber
19 - Temperaturmeßgerät
20 - Stoßofen
21 - Rollgang
22 - Walzgerüst
23 - Wipptisch
24 - Rollgang
25 - Schere
26 - Fertigstaffel
27 - Hosenrollgänge
28 - Kühlbettschere
29 - Kühlbett
30 - Konti-Staffel
HV_0,5- Kleinlasthärteprüfung R _e- StreckgrenzeR _m- ZugfestigkeitA ₅- Einschnürung KCV_längs- Kerbschlagfestigkeit

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Stabstahl aus einem mikrolegierten Rohblock oder Knüppel mit verbesserten Festigkeits- und Plastizitätseigenschaften, insbesondere der Kaltzähigkeit sowie zur Erzeugung von Profilen mit verbesserter Geradheit, gekennzeichnet durch nachfolgende Verfahrensschritte.

- Erwärmen des Rohblockes oder Knüppels in einem Wärmofen auf die mittlere Temperatur von 1050°C bei einer zulässigen Abweichung von ±20°C und Halten dieser Temperatur bis zum Anstich.
- Unmittelbar anschließendes Herunterwalzen des Ausgangsmaterials auf einen Zwischenquerschnitt bei Einhaltung eines minimalen Gesamtflächenumformgrades ϕ _{A 2} von 0,6 (45%) in der 1. Umformstufe.
- Zwischenlagerung und Quertransport auf einem gesteuerten Kühlbett zum Zwecke der Abkühlung auf 750-800°C nach einem Zeitregime je nach Walzprogramm und Dimension des Walzgutzwischenquerschnitts unter Anwendung einer Zusatzbelüftung bis 30 m/s Ausströmgeschwindigkeit.
- Drehen des Walzgutes auf dem Kühlbett zur Sicherung der gleichmäßigen Wärmeverteilung, Gefügeausbildung und geraden Materialzonen über Querschnitt und Länge des Stabes zum Sollwert höchstens 30°C beträgt.
- Fertigwalzen bei diesem erreichten Temperaturniveau und einem Gesamtflächenumformgrad mindestens ϕ _{A 2} von 0,5 (40%) in der 2. Umformstufe.

2. Stabstahl nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt, gekennzeichnet durch folgende Eigenschaften bzw. Kennwerte: B _e 510 MPaR _m 600 MPaA₅ 25% KCV_längs 275 J/cm² (-60°C) Übergangstemperatur -100°C

- Verhältnis des ferritisch-bainitischen Gefüges am Fertigprodukt von 5 : 1
- Korngrößennummer des Ferrits <11.

3. Verfahren zur Herstellung von möglichst geraden Profilen von Baustählen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschrittfolge bzw. Walztechnologie auch bei Einsatz von in seiner chemischen Zusammensetzung abweichendem bis zum unlegierten Ausgangsmaterial angewendet wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwalzstraße als 1. Umformstufe aus einem Trio-Walzgerüst (22) mit vor- und nachgeordneten Rollgängen (21, 24) und Wipptisch (23), besteht, der sich ein Zwischenkühlbett (5) anschließt, welches über einen Zufuhrrollgang (6) mit der offenen Fertigstaffel (26) oder Konti-Staffel (30) als 2. Umformstufe verbunden ist.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenkühlbett zwischen Vorwalz- und Fertigwalzgerüsten ein aus festen Balken (5) und beweglichen Hubbalken (4) bestehendes, in der Transportgeschwindigkeit und Schrittlänge regelbares Hubbalken-Kühlbett angeordnet ist, in das von der Abfuhrseite her ein heb- und senkbarer sowie in der Geschwindigkeit regelbarer - dem Schnelltransport dienender - Kettenförderer hineinragt.

6. Einrichtung gemäß den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Regelung der Abkühlgeschwindigkeit am Auflauf- und Abfuhrrollgang Temperaturmeßgeräte (19) sowie unterhalb des Hubbalkensystems Schwingflügel und auf der Abfuhrseite eine Zusatzbelüftungsanlage angeordnet sind.

7. Einrichtung gemäß den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den starren Balken (5) mehrere Drehvorrichtungen für das Walzgut vorgesehen sind, die aus der Aussparung (15) mit der Kippkante (14) sowie den Schiebern (18) mit dem Gestänge (17) und den Gleitleisten (16) bestehen.