DE3914218C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen langgestreckten, zylindrischen Körpers - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen langgestreckten, zylindrischen KörpersInfo
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- B21B2015/0071—Levelling the rolled product
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschrecken, d. h.
beschleunigten Abkühlen, eines metallischen, auf eine hohe Temperatur
erwärmten, langgestreckten zylindrischen Körpers gemäß dem
Gattungsbegriff des Hauptanspruches.
Bei der Wärmebehandlung von Stangen oder Rohren ist neben der genauen
Einstellung der Endtemperatur in den Härte- und Anlaßöfen bzw. des
Warmumformprozesses die gezielte Steuerung der Abkühlung über der Zeit
von entscheidender Bedeutung für die angestrebten Werkstoffkennwerte.
Bekannt sind Verfahren, in denen die Stangen oder Rohre
- - in ein mit einem Kühlmedium gefülltes Becken getaucht werden (DE-AS 15 83 994),
- - durch eine Brauseeinrichtung transportiert werden (DE-AS 12 35 350),
- - unter einem laminaren Wasservorhang gedreht werden (WO 89/03729),
- - in einem Kühlbecken eingetaucht werden (DE 37 21 665 C1).
Ein entscheidender Nachteil aller dieser genannten Verfahren sind die
zum Teil zu niedrigen und auch schwankenden Wärmeübergangszahlen, sowie
die Schwierigkeit einen stabilen Betriebszustand einzustellen, so daß
die erzielten Werkstoffkennwerte des Körpers lokal stark schwanken.
Die gattungsbildende DE-AS 12 35 350 zeigt eine Kühlstrecke, bei der
das Rohr geradlinig in Längsrichtung durch eine Kühlkammer
transportiert wird, in der konzentrisch zum Rohrdurchlaß in Ring- und
Schräganordnung Strahldrüsen angeordnet sind. Die äußere Mantelfläche
des Rohres wird mit schräg zur Bewegungsrichtung austretenden
Kühlmittelstrahlen beaufschlagt. Der Rohrtransport erfolgt mittels in
einem bestimmten Winkel zur Rohrachse liegender angetriebener Rollen,
die eine muldenförmige Ausnehmung aufweisen. Nachteilig bei diesem
Verfahren ist, daß, wie bereits schon erwähnt, die erreichbaren
Wärmeübergangszahlen gering sind und die Ober- und Unterseite des Rohres
durch den Schwerkrafteinfluß unterschiedlich gekühlt werden.
Aus der AT-PS 367 320 ist ein Drahtwalzwerk bekannt, bei dem in einem
Werkzeughalter Spritzdüsen angeordnet sind, deren austretende Strahlen
zum einen in Walzrichtung und zum anderen gegen die Walzrichtung auf
die Gruppen der Verformungsrollen gerichtet sind. Die aus den Spritzdüsen
austretende Schmiermittelemulsion dient zum Kühlen und Schmieren der
Umformwerkzeuge. Die unvermeidlich auch auf den Metalldraht
auftreffenden Strahlen sollen nicht das Walzgut, sondern den anhaftenden
Walzzunder entfernen. Mit diesem Verfahren ist es nicht möglich das
Walzgut gezielt abzuschrecken, da wegen der hohen
Durchlaufgeschwindigkeit die Kontaktzeit zwischen Verformungsrolle und
Walzgut viel zu gering ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Abschrecken bzw. beschleunigten Abkühlen eines metallischen,
langgestreckten zylindrischen Körpers, insbesondere eines Stahlrohres
anzugeben, bei dem durch eine gesteuerte hohe Abschreckung bzw. stark
beschleunigte Abkühlung die Werkstoffkennwerte verbessert und
vergleichmäßigt werden. Außerdem soll die Vorrichtung in einfacher Weise
in eine Fließfertigung integrierbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Hauptanspruch
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen
festgelegt.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden mehrere voneinander
getrennt liegende Oberflächenbereiche des sich schraubenlinienförmig
bewegenden Körpers über einen bestimmten Zeitraum mit einem ständig mit
dem Kühlmedium, z. B. Wasser, beaufschlagten Element, in abrollender
Weise mehrfach unter Druckeinwirkung in Kontakt gebracht. Durch den
direkten Kontakt des abzukühlenden Körpers, z. B. Stange oder Rohr, mit
dem gekühlten Element, z. B. eine Walzrolle, und das in die Kontaktzone
eingebrachte Kühlmedium sind Wärmeübergangszahlen von mindestens 104
Watt/(m2 K) bis 105 Watt/(m2 K) erreichbar, die damit deutlich über den
mit einer Laminarkühlung erreichbaren Werten liegen. Die mit den höheren
Wärmeübergangszahlen erreichbare raschere Abkühlung kann in
vorteilhafter Weise für eine Verbesserung der Werkstoffkennwerte genutzt
werden. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu
sehen, daß die erzielten Werkstoffkennwerte vergleichmäßigt werden, da
jedes Oberflächenelement des abzukühlenden Körpers die gleiche
Behandlung erfährt und Bereiche mit verstärkter Abkühlung vermieden
werden. Der Grad der Abkühlung kann gezielt verändert werden, indem zum
einen die Dauer der Kontaktzeit variiert wird und die Anzahl der in
Kontakt stehenden Oberflächenbereiche des abzukühlenden Körpers
vergrößert oder verkleinert wird. Das vorgeschlagene Verfahren ist auch
dazu geeignet, den zu kühlenden Körper zu richten. Hierfür wird
weiterbildend vorgeschlagen, den Anpreßdruck des Elementes variabel zu
gestalten, und zwar in der Weise, daß der Anpreßdruck des Elementes in
Transportrichtung stetig oder abschnittsweise in Sprüngen zunimmt. Diese
Verfahrensweise hat die Wirkung, daß zu Beginn des Verfahrens
überwiegend gekühlt und am Ende gleichzeitig auch gerichtet wird.
Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung weist im
Abstand mehrere voneinander angeordnete Rollensätze auf, in denen
vorzugsweise zwei einander gegenüberstehende Rollen oder symmetrisch
über den Umfang verteilt drei oder vier Rollen mit hyperbolischer Kontur
angeordnet sind. Die Rollen der Rollensätze werden an einer bestimmten
Stelle des Umfanges mit dem Kühlmedium beaufschlagt, und zwar in der
Weise, daß das Kühlmedium in die Kontaktzone eingepreßt wird und dort
einen Kühlkeil bildet. Die Größe dieses Kühlkeiles wird durch den
Kühlmitteldruck und die Kühlmittelmenge eingestellt. Die Anstellung der
Rollen ist im Hinblick auf die Größe des Anpreßdruckes und den Grad der
Schrägstellung zur Transportachse veränderbar. Damit können die
Kontaktdauer und die Art des Kontaktes variiert werden. Der
letztgenannte Parameter kann so eingestellt werden, daß im
Einlaufbereich der Abkühlvorrichtung die Kontaktzonen des abzukühlenden
Körpers mit den Rollen durch einen dünnen unter hohem Druck stehenden
Wasserfilm voneinander getrennt sind und im Auslaufbereich die
Kontaktzonen metallisch aufeinander liegen. Durch den im Spalt
herrschenden hohen Druck wird das Auftreten des
Leidenfrostschen-Phänomens vermieden. Bei noch größerem Anpreßdruck
kommt es zum direkten metallischen Kontakt, so daß von der Kühlung
einmal abgesehen, die Vorrichtung auch als Richtmaschine wirkt. Damit
kann auf ein abschließendes Richten, wie es normalerweise nach einer
Wärmebehandlung üblich ist, verzichtet werden.
Die Anzahl der anzuordnenden Rollensätze in der erfindungsgemäßen
Abkühlvorrichtung hängt im wesentlichen von der
Durchlaufgeschwindigkeit, der Abmessung des zu kühlenden Körpers, der
gewünschten Endtemperatur und der Abkühlgeschwindigkeit ab.
Vorgeschlagen wird eine Mindestanzahl von drei Rollensätzen, die
wahlweise in einer Ebene oder jeweils um einen bestimmten Winkel
gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Kühlwirkung kann auch durch
die Wahl der Größe der Rollen beeinflußt werden, wobei mit zunehmender
Größe die Kühlwirkung verstärkt wird. Der zunehmende konstruktive
Aufwand setzt aber Grenzen für übertrieben große Rollenabmessungen.
Je nach Anordnung der Rollensätze kann die Vorrichtung als reine
Durchlaufanlage oder als Anlage mit einem Wechsel der Transportrichtung
verwendet werden. Im letzteren Falle werden Rollenböcke verwendet, die
seitlich aufklappbar sind, so daß der abzukühlende Körper ähnlich wie im
Auslauf eines Schrägwalzwerkes seitlich entnommen werden kann.
In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles das Verfahren
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die vorgeschlagene
Abkühlvorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1,
Fig. 3 wie Fig. 2, jedoch um 90° versetzt.
In Fig. 1 ist im Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrichtung
dargestellt. Das abzukühlende Rohr 1 befindet sich bei dieser
Darstellung im vollen Eingriff, so daß die maximale Anzahl von
Oberflächenbereichen 2 des Rohres 1 in Kontakt sind mit den hyperbolisch
geformten Rollen 3. Alle Rollen 3 drehen sich gleichsinnig, hier
dargestellt durch die Pfeile 6 und durch die schräge Anstellung der
Rollen 3, 3′ bewegt sich das Rohr 1 schraubenlinienförmig, hier durch
den Pfeil 4 gekennzeichnet, durch die Vorrichtung.
In diesem Ausführungsbeispiel weist jeder Rollensatz zwei einander
gegenüberstehende Rollen 3, 3′ auf und die Abstände 5 zwischen den
Rollensätzen sind gleich. Außerdem liegen hier alle Rollensätze in der
gleichen Ebene, vergleichbar wie bei einer Richtmaschine.
Fig. 2 und 3 sind ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1, wobei
Fig. 3 um 90° gegenüber Fig. 2 gedreht ist. Das abzukühlende Rohr 1
liegt mit zwei Oberflächenbereichen linienförmig an den gekühlten Rollen
3, 3′ an. Das Kühlmedium, z.B. Wasser, wird über eine Leitung 7, 7′ an
die Rolle 3, 3′ herangeführt und ein Teilbereich 8, 8′ der Umfangsfläche
der Rollen 3, 3′ damit beaufschlagt. Über die Regelung des Druckes und
der Menge des zugeführten Kühlmediums kann die Art der Beaufschlagung an
der Rolle 3, 3′ variiert werden. Die schräge Anstellung der Leitung 7,
7′ ist notwendig, damit sich der gewünschte Kühlkeil 9, 9′ ausbilden
kann.
Der Winkel zwischen der Rollenachse und der Längsachse des abzukühlenden
Rohres 1 kann ebenso wie der Anpreßdruck der Rollen 3, 3′ verändert
werden. Außerdem kann über die Wahl der Anzahl der angeordneten
Rollensätze sowie über die Größe der Rollen 3, 3′ die gewünschte
Kühlleistung in einer bestimmten Bandbreite variiert werden.
Claims (9)
1. Verfahren zum Abschrecken eines
metallischen, auf eine hohe Temperatur erwärmten, langgestreckten
zylindrischen Körpers, insbesondere eines Stahlrohres, der mittels
angetriebener Rollen in Längsrichtung durch eine Kühlstrecke
transportiert und während des Durchlaufes mit einem fluiden
Kühlmedium in Kontakt gebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere voneinander getrennt liegende Oberflächenbereiche des
sich schraubenlinienförmig bewegenden Körpers gleichzeitig über
einen bestimmten Zeitraum mit an den Körper anpreßbaren
metallischen Elementen, das ständig mit dem fluiden Kühlmedium
einstellbar beaufschlagt wird, in abrollender Weise linienförmig
unter Druck in Kontakt gebracht werden, wobei zu Beginn des
Abkühlvorganges mindestens ein Oberflächenbereich und nach dem
Weitertransport über eine bestimmte Strecke die maximale Anzahl von
Oberflächenbereichen im Eingriff sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Element durch Veränderung des Druckes und der Menge des
zugeführten Kühlmediums unterschiedlich beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anpreßdruck des Elementes in Transportrichtung des zu
kühlenden Körpers zunimmt in der Weise, daß im Einlaufbereich der
Kühlstrecke die Kontaktzonen des Körpers mit dem Element durch
einen dünnen unter hohen Druck stehenden Film des fluiden
Kühlmediums voneinander getrennt sind und im Auslaufbereich der
Kühlstrecke die Kontaktzonen metallisch aufeinanderliegen.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zunahme des Anpreßdrucks des Elementes in Transportrichtung des zu kühlenden Körpers nahezu stetig erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zunahme des Anpreßdrucks des Elementes in Transportrichtung des zu kühlenden Körpers abschnittsweise in Sprüngen erfolgt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 5 mit einer mehrere Rollen aufweisenden und mit einem fluiden
Kühlmedium beaufschlagbaren Kühlstrecke, deren im Abstand
voneinander liegende Rollen, die in einem bestimmten Winkel zur
Achse des abzukühlenden Körpers angeordnet sind, muldenförmig
ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlstrecke mehrere im Abstand voneinander angeordnete
Rollensätze mit veränderbarem Anpreßdruck und Winkelstellung
anstellbaren und symmetrisch über den Umfang verteilt angeordneten
und mit einer hyperbolischen Kontur versehene Rollen (3, 3′)
aufweist und die Beaufschlagung der Rollen (3, 3′) mit dem
Kühlmedium an einem bestimmten Teilbereich (8, 8′) der Umfangsfläche in der Weise
erfolgt, daß das Kühlmedium in die Kontaktzone eingepreßt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der Rollensätze aus zwei einander gegenüberstehenden Rollen (3,
3′) besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlstrecke mindestens 3 Rollensätze aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der jeweils benachbarte Rollensatz um einen bestimmten Winkel
gegenüber dem vorhergehenden versetzt ist.
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