DE3809645A1 - Verfahren zum abkuehlen von hohlkoerpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von Hohlkörpern (Rohre oder Behälter) aus Stahl im Rahmen einer Wärmebehandlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, das Abschrecken von erhitzten Rohren oder Behältern aus Stahl zum Härten durch Eintauchen in Flüssigkeitsbäder (z.B. Öl oder Aquatensite) oder durch Aufspritzen von Wasser oder Wasser/Luft-Gemischen zu bewirken. Sehr gute Ergebnisse werden auch dadurch erzielt, daß derartige Hohlkörper unter einem laminaren Wasservorhang abgekühlt werden. Dabei wird der Umstand, daß die Kühlwirkung während des gesamten Abkühlvorgangs in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur der Hohlkörper starken Änderungen unterworfen ist, lediglich insoweit berücksichtigt, als bestimmte Werkstoffe, bei denen eine Wasserabschreckung zu schroff wäre und in der Oberfläche zu Härterissen führen würde, mit Kühlmedien behandelt werden, denen von vornherein eine verminderte Kühlwirkung zukommt. Neben den sogenannten Aquatensiten ist insbesondere Öl ein in dieser Hinsicht übliches Kühlmedium. Für viele Werkstoffe ist zur Härtebehandlung daher das Abschrecken in Öl vorgeschrieben.

Im Vergleich zum Kühlmedium Wasser erfordert z.B. Öl einen erheblich höheren Aufwand im Hinblick auf die Anlagentechnik, den Betrieb, die Pflege und Entsorgung der Kühlmittelvorrichtungen, zumal sowohL das Öl selbst als auch die im Betrieb entstehenden Dämpfe und Verbrennungsprodukte umweltschädigend sein können. Derartige Probleme bringt das Kühlmedium Wasser nicht mit sich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem Rohre und Behälter unter Verzicht auf Ölbäder härtbar sind, auch wenn diese Hohlkörper aus Stahlwerkstoffen gefertigt sind, die bisher in Öl gehärtet werden müssen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-4 angegeben.

Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß auch mit Kühlmedien, denen an sich eine gegenüber Öl von vornherein höhere Kühlintensität zukommt, eine gedrosselte Kühlwirkung möglich ist, wenn die Kühlmittelzufuhr in geeigneter Weise beschränkt wird. Es kommt nicht nur darauf an, die spezifische Kühlmittelmenge, d.h. die pro Zeiteinheit auf die Flächeneinheit der Oberfläche des abzukühlenden Hohlkörpers aufzubringende Kühlmittelmenge auf einen ausreichend niedrigen Wert zu bringen, sondern diese Drosselung der spezifischen Kühlmittelmenge rechtzeitig einzustellen, da zu Beginn der Abkühlung vielfach ein schroffes Abschrecken erwünscht ist. Dabei ist zu beachten, daß sich der Wärmeübergangskoeffizient im Bereich der Leidenfrosttemperatur, bei der das Kühlmittel auf der Oberfläche des zu kühlenden Hohlkörpers einen Film bildet, drastisch erhöht.

Die Beeinflussung der spezifischen Kühlmittelmenge wird erfindungsgemäß von einer elektronischen Steuerung übernommen, die auf Regel- und Absperrventile in der Kühlmittelzufuhr entsprechend einwirkt und ggf. eine Umschaltung auf ein Kühlmittelzufuhrsystem mit geringerer Durchsatzleistung und entsprechend feinerer Regelbarkeit veranlaßt. Die Einstellwerte für die Ventile bzw. die Schaltimpulse werden von der Steuerung während des Abkühlvorgangs zeitgerecht ausgegeben, wobei zwei Wege zu deren Ermittlung alternativ oder in Kombination vorgesehen sind: In Vorversuchen können anhand von Versuchsstücken manuell vorgegebene Zeitreihen für die Einstellwerte der Kühlmittelzufuhr auf ihre Eignung getestet werden, wobei die Ausgangsbedingungen (Temperatur des Hohlkörpers und des Kühlmittels, Wanddicke, Durchmesser, Materialart) festgehalten werden. Wenn geeignete Werte ermittelt worden sind, mit denen der gewünschte Härteeffekt ohne Bildung von Härterissen realisierbar ist, können Hohlkörper, die den Versuchsstücken vom Material und der Geometrie her gleichen, erfolgreich abgeschreckt werden, indem die Durchflußmengensteuerung der Kühlsysteme programmgesteuert mit diesen Vorgabewerten erfolgt. Bei Abweichungen der Ausgangsbedingungen (z.B. Temperatur, Durchmesser, Wanddicke) können aus der ursprünglichen Zeitreihe geeignete Werte von der elektronischen Steuerung mit Hilfe eines Korrekturprogramms errechnet werden, so daß mit den extrapolierten oder interpolierten Werten aus der Vorversuchsreihe ohne weiteres auch andere Hohlkörper abgekühlt werden können.

Alternativ hierzu kann die Beeinflussung der Kühlmittelzufuhr während des Abkühlvorgangs auch im Sinne eines Regelkreises durchgeführt werden, wobei der elektronischen Steuerung ein zeitabhängiger Sollverlauf der Oberflächentemperatur des abzukühlenden Hohlkörpers vorgegeben wird. Die Vorgabewerte sind materialabhängig. In diesem Fall sind in der Abschreckanlage Sensoren zur Temperaturmessung vorzusehen und mit der elektronischen Steuerung zu verbinden. Die Steuerung ist dadurch in der Lage, die Einstellwerte für die Regel- und Absperrventile der Kühlsysteme selbsttätig aufzufinden und entsprechend dem angestrebten Abkühlverlauf zeitlich zu verändern.

Es ist auch möglich, eine Kombination von Steuerung und Regelung der Kühlmittelzufuhr anzuwenden, indem z.B. in der Anfangsphase des Abschreckvorgangs, in der eine schroffe Abkühlung erwünscht ist, im Sinne einer Steuerung, also mit fest vorgegebenen Einstellwerten der Ventile gearbeitet und erst später auf eine Regelung in Abhängigkeit von der tatsächlichen Temperatur und der Abkühlzeit übergegangen wird. Gerade in der Anfangsphase bietet es sich an, zur Erzielung einer möglichst wirksamen Abkühlung mit einem laminaren Wasservorhang zu arbeiten. Da ein solcher laminarer Wasservorhang nicht in der erforderlichen Weise auf geringe Abkühlleistungen regelbar ist, muß im Verlauf des Abkühlvorgangs auf andere Kühlsysteme (z.B. Ringspritzdüsensysteme) umgeschaltet werden, was dadurch geschehen kann, daß der abzukühlende Hohlkörper mit Erreichen einer kritischen Temperatur programmgesteuert von der Laminarkühlstation zu einer anderen Abkühlstation transportiert wird.

Anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer Abkühlanlage wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

Innerhalb eines Gehäuses 3 sind über ein Rollenfördersystem 2 erwärmte Hohlkörper (z.B. Stahlrohr 1) in axialer Richtung (ggf. auch rotierend und/oder reversierend) transportierbar. Ringförmig um die Hohlkörperachse sind mehrere Kühlmittelzufuhrsysteme 4, 5, 6 im Abstand voneinander angeordnet. Die Kühlmittelzufuhrsysteme 4, 5, 6 sind mit Einzelspritzdüsen bestückt, deren Apertur unterschiedlich gewählt ist, um gestufte Kühlmittelmengen, d.h. sehr große und auch kleine Mengen auf den abzukühlenden Hohlkörper aufbringen zu können. Durch die in den Kühlmittelzuführleitungen angeordneten Regel- und Absperrventile (Motorventil 10, Magnetventil 11) kann die Kühlmittelmenge jedes Ringspritzdüsensystems 4, 5, 6 innerhalb des Regelbereichs variiert oder ganz unterbrochen werden.

Die Ansteuerung der Ventile 10, 11 erfolgt über die von der elektronischen Steuereinrichtung 8 (z.B. Prozeßrechner) ausgehenden Steuerleitungen 9. Die Steuereinrichtung 8 kann über die Ein-/Ausgabeeinheit 12 mit Steuerprogrammen und technologischen Daten 13 für die Beschreibung des gewünschten Abkühlvorgangs und der zu behandelnden Hohlkörper 1 versorgt werden. Für den Fall, daß die Prozeßführung in Form eines Regelkreises gestaltet werden soll, ist ein Temperatursensor 7 zur Ermittlung der Oberflächentemperatur des Hohlkörpers 1 innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet und steuerungsmäßig mit dem Prozeßrechner 8 verbunden. In der Abbildung ist nicht dargestellt, daß auch die Antriebe für das Fördersystem 2 vom Prozeßrechner 8 angesteuert sein können, um die Transportgeschwindigkeit einzustellen und/oder die Transportrichtung für einen reversierenden Betrieb zu verändern.

Der Betrieb der dargestellten Anlage, in der als Kühlmittel z.B. Wasser eingesetzt wird, erfolgt in der Weise, daß der zur Wärmebehandlung vorgesehene Hohlkörper in erhitztem Zustand z.B. aus einem Ofen mit dem Rollenförderer 2 von rechts kommend in die Abkühlanlage transportiert wird und in die freie Ringfläche der Kühlmittelzuführsysteme 4, 5, 6 einläuft. Entsprechend den in den Prozeßrechner eingegebenen und ggf. umgerechneten Vorgabedaten für die Ventilansteuerung werden die Kühlmittelzuführsysteme 4, 5, 6 in der ersten Abkühlphase z.B. alle zusammen mit voller Leistung betrieben, während sich der Hohlkörper 1 durch die Spritzebenen der Systeme 4, 5, 6 hindurchbewegt. Gegebenenfalls werden reversierend mehrere Durchläufe ausgeführt, bis eine Verminderung der spezifischen Kühlmittelzufuhr notwendig ist. Der Zeitpunkt hierfür ist entweder fest vorgegeben (Steuerung) oder wird wahrend des Abkühlvorgangs über eine Temperaturmessung (Regelung) ermittelt.

Entsprechend den technologischen Erfordernissen wird die Kühlmittelzufuhr, während der Hohlkörper ständig weiterbewegt wird, gedrosselt, wobei die leistungsstärksten Kühlsysteme bei Bedarf völlig abgeschaltet werden können. Um besonders milde Kühleffekte zu realisieren, die insbesondere nach Erreichen der Leidenfrosttemperatur wünschenswert sind, können Kühlmittelsysteme vorgesehen sein, die z.B. Luft/Wasser-Gemische oder auch nur Druckluft (oder ein inertes Druckgas) auf die Kühlzone aufspritzen oder aufblasen. Die elektronisch gesteuerte Umschaltung auf unterschiedliche Kühlmittelzufuhrsysteme gewährleistet mit der Regelbarkeit des Kühlmittelstromes die Erzielung beliebiger Abkühlintensitäten, die denen von Öl entsprechen oder sogar noch milder ausfallen.

Zu Beginn der Abkühlung kann auch mit einem einzigen leistungsstarken Kühlsystem, das z.B. auf der Basis eines laminaren Wasservorhangs arbeiten kann, gearbeitet werden, und es wird nach und nach auf leistungsschwächere Kühlsysteme umgeschaltet.

Anstelle eines Reversierbetriebes ist es grundsätzlich auch möglich, die gewünschte Abkühlung in einem Durchgang (Durchlaufbetrieb) zu erzielen. Hierzu müssen entsprechend viele Kühlmittelzuführsysteme in geeignetem Abstand voneinander angeordnet werden, und die Transportgeschwindigkeit des abzukühlenden Hohlkörpers 1 muß ausreichend niedrig sein. Vorzugsweise sollten die einzelnen Spritzdüsen entgegen der Förderrichtung des Hohlkörpers geneigt sein, um möglichst gleichbleibende Abkühlbedingungen zu gewährleisten.

Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch die Berücksichtigung des temperaturabhängig sich verändernden Wärmeübergangskoeffizienten bei der Beeinflussung der aufgebrachten spezifischen Kühlmittelmenge in beliebiger Weise Abkühlbedingungen einstellbar sind, die denen von Ölbädern entsprechen oder sogar noch milder sind, ohne daß teure oder problematische Kühlmedien verwendet werden müssen. Vielmehr kann mit Wasser und Wasser/Luft-Gemischen billig und umweltfreundlich gearbeitet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Abkühlen von Hohlkörpern (Rohre oder Behälter) aus Stahl im Rahmen einer Wärmebehandlung, wobei in dem jeweils abzukühlenden Bereich (Kühlzone) auf die äußere Oberfläche der Hohlkörper ein nichtbrennbares Fluid als Kühlmittel durch übergießen, Aufspritzen oder Aufblasen aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Kühlzone aufgebrachte spezifische Kühlmittelmenge durch eine auf die Kühlmittelzufuhr einwirkende elektronische Steuereinrichtung während der Abkühlung fortlaufend oder in Intervallen tendenziell vermindert wird, wobei mit Erreichen des Bereichs der Leiydenfrosttemperatur in der Kühlzone eine scharfe Drosselung der Kühlmittelzufuhr unter 30% der ursprünglichen spezifischen Kühlmittelmenge erfolgt und wobei der zeitliche Verlauf der spezifischen Kühlmittelmenge in Abhängigkeit von der Anfangstemperatur, der Wanddicke, des Durchmessers und der Materialart der Hohlkörper sowie der Kühlmitteltemperatur anhand von in Vorversuchen ermittelten Vorgabewerten errechnet und gesteuert und/oder durch Vergleich der sich ständig ändernden Oberflächentemperatur der Kühlzone mit einem Solltemperaturverlauf geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel zumindest in der Anfangsphase der Abkühlung Wasser verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel nach Erreichen der Leidenfrosttemperatur ein Luft/Wasser-Gemisch verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abkühlung von Kühlmittelzufuhrsystemen größerer Mengenleistung auf solche kleinerer Leistung umgeschaltet wird.