DE4125218C2 - Schmiermittel zum Warmwalzen von Stahlprofilen in einem Walzgerüst - Google Patents

Schmiermittel zum Warmwalzen von Stahlprofilen in einem Walzgerüst

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schmiermittel zum Warmwalzen von Stahlprofilen in einem Walz­ gerüst bestehend aus einer Borat und Phosphat enthaltenden wäßrigen Lösung.
Derartige Schmiermittel, auch Kalibertrennmittel oder Kaliberschmiermittel genannt, sind bereits aus der DE-AS 10 50 486 bekannt. Sie dienen dazu, Walzgut und Walzenwerkstoff beim Durchlauf des Walzgutes durch das Walzgerüst möglichst frei von Verschweißungen zwischen dem Walzgut und dem Walzenwerkstoff des Walzenwerkzeugs zu halten sowie den Reibungswiderstand zwischen dem Walzgut und dem Walzenwerkzeug zu verringern, um dadurch einer­ seits eine glatte Oberfläche des Walzgutes und anderer­ seits eine möglichst geringe Werkzeugabnutzung sowie einen innerhalb wirtschaftlich vertretbarer Grenzen liegenden Arbeitsaufwand zu erreichen. Der zuvor ver­ wendete Begriff Kaliber bezeichnet in der Walztechnik den zwischen umlaufenden Rillen der einen Walze und den Rillen der Gegenwalze sich ergebenden Querschnitt, den das Walzgut beim Durchlauf des Walzgerüstes annehmen soll.
Der Begriff Kalibrieren bezeichnet in diesem Zusammenhang die Ermittlung der zur Umformung erforderlichen Quer­ schnittsform und ihre Aufeinanderfolge.
Üblicherweise werden die Walzenkörper beim Warmwalzen der Stahlprofile mittels Kühlwasser gekühlt. Dadurch kann ein Verdünnungseffekt des Schmiermittels verursacht werden, so daß dieses keine ausreichende Schmierwirkung mehr ge­ währleisten kann. Aus diesem Grund hat das bekannte Borat und Phosphat enthaltende Schmiermittel bislang keine Ver­ breitung in der Praxis gefunden. Um die geforderte Schmier- und Trennwirkung zu gewährleisten, ist es beim Warmwalzen von Stahlprofilen außerdem erforderlich, daß das aus einer Salzlösung der beiden vorgenannten Komponenten bestehende Schmiermittel eine ausreichend hohe Salzkonzentration auf­ weist. Eine wäßrige Lösung allein auf Borat- und Phos­ phatbasis kann diese Forderung nicht erfüllen, da in einer solchen Lösung lediglich Sättigungskonzentrationen von ca. 7 Gew.-% bei Raumtemperatur erreichbar sind.
Als Kaliberschmiermittel werden in der Praxis überwiegend Gemische auf Mineralölbasis, zum Beispiel Öl-Bitumen-Gemi­ sche, eingesetzt. Solche Gemische ermöglichen zwar eine gute Trennung zwischen dem Walzenkörper und dem Walzgut, weil die beim Verbrennen entstehenden Crack-Produkte Ver­ schweißungen zwischen dem Walzgut und dem Walzenwerkstoff des Walzenkörpers vermeiden und dadurch eine bessere Halt­ barkeit der Walzen gewährleisten. Andererseits verursachen Schmiermittel auf Mineralölbasis beim Warmwalzen von Stahl­ profilen in einem Walzgerüst eine starke Rauch- und Qualm­ entwicklung, die zum einen zu einer gesundheitsschädlichen Belastung für das Personal und zum anderen zu einer großen Umweltbelastung infolge verschmutzten Abwassers und bela­ steter Abluft führen kann. Eine solche Rauch- und Qualment­ wicklung kann auch zur Sichtbehinderung für das Personal führen. Um derartige negative Folgen zu vermeiden und damit den heutigen Anforderun­ gen der Arbeitsmedizin und der Umwelttechnik zu genügen, ist bereits vorgeschlagen worden, siehe H. Matthes, Tribologische Probleme und darauf abgestimmte neuere Schmierstoffe beim Warm- und Halbwarm-Umformen, in Technische Akademie Esslingen, 3. Internationales Kolloquium "Schmierstoffe in der Metallbearbeitung", 1982, Band I, Seite 28.1 bis 28.5, die entstehenden Dämpfe abzusaugen und in Filtern zu reini­ gen. Die Verwendung eines solchen Schmiermittels führt deshalb letztlich zu hohen Inve­ stitions- und Betriebskosten der gesamten Walzanlage. Im übrigen können sich die Mine­ ralölprodukte dieses Schmiermittels bei den beim Warmwalzen auftretenden hohen Tem­ peraturen thermisch zersetzen, so daß das Walzgut anschließend auch von den bei der thermischen Zersetzung entstehenden Produkten, zum Beispiel Ölkohle, zu säubern ist.
Aus der DD 1 30 420 ist ein Hilfsstoff bekannt, der als Kühlschmiermittel bei der spanen­ den Metallbearbeitung eingesetzt wird. Dieser Hilfsstoff enthält unterschiedliche Anteile an Natriumtetraborat, Natriumhydrogenphosphat, Triäthanolaminphosphat, Triäthanol­ aminborat, Glyzerin, Äthylenglykol und Wasser, zumindest aber Wasser und Äthylengly­ kol sowie Natriumtetraborat, Natriumhydrogenphosphat und Äthanolaminphosphat. Dieser als Konzentrat bezeichnete Hilfsstoff wird im Verhältnis 1 : 5 bis 1 : 12 mit Wasser verdünnt und in dieser Form als Fertigungshilfsstoff verwendet. Der maximale Anteil des Äthylenglykols in dem für den praktischen Einsatz bereiten Gemisch liegt maximal bei etwa 6 Gew.-%.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schmiermittel der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine Schmierwirkung auch unter extremen Walzbedingungen aufrecht erhält und umweltfreundlicher als die bekannten Schmiermittel auf Mineralölbasis ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schmiermittel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein derartiges Schmiermittel ermöglicht auf der einen Seite die umweltfreundliche Ver­ wendung von Salzen bei der Warmumformung von Metallen und gewährleistet auf der anderen Seite eine ausreichende Schmierwirkung in allen Temperaturbereichen des zu bearbeitenden Stahlprofils von ca. 500 bis 1200°C. Zur Aufrechterhaltung der Schmier- bzw. Trennwirkung sind bei eutektischen Salzgemischen nur geringe Auftragsmengen er­ forderlich, da diese Gemische keine hydrodynamische Schmierung hervorrufen, sondern sogenannte monomolekulare Gleit­ schichten bilden. Die Zugabe von Ethylenglykol verbessert die Löslichkeit des Alkalitetraborats in der wäßrigen Lösung, so daß diese eine erhöhte Kältestabilität aufweist. Somit kann das erfindungsgemäße Schmiermittel auch bei winter­ lichen Temperaturen um etwa 0°C unproblematisch gelagert werden. Eine bei den bekannten Schmiermitteln erforder­ liche Aufheizung auf ca. 30 bis 40°C zur Aufrechter­ haltung einer geeigneten Viskosität ist damit entbehrlich. Insbesondere bei aufgesprühten Schmiermitteln kann es bei Abkühlung nicht zu Ausfällungen und dadurch be­ dingten Verstopfungen der Düsen kommen. Durch den Anteil des Ethylenglykols in der wäßrigen Lösung von 16 bis 50 Gew.-% ist eine ausreichende Schmierwirkung selbst dann gewähr­ leistet, wenn die zur Kühlung der Walzen erforderlichen Kühlwassermengen einen nicht unbeträchtlichen Verdünnungs­ effekt des Schmiermittels bewirken.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungs­ gegenstandes ist das Alkalitetraborat Natriumtetraborat (Na2B4O7) mit einem Anteil von vorzugsweise 6 bis 20 Gew.-% in der wäßrigen Lösung, und das Alkaliphosphat Natriumphosphat (Na2HPO4) mit einem Anteil von vorzugsweise 3 bis 10 Gew.-% in der wäßrigen Lösung. Diese Salze sind wärmebeständig, öl- und fettfrei sowie wasserlöslich. Sie bilden beim Aufgeben auf die umzuformenden Stahlprofile auch bei hohen Temperaturen keinen Qualm oder Rauch, sind deshalb insbesondere für das Personal aus arbeitsmedizinischer Sicht unproblematischer als Schmiermittel auf Mineralöl­ basis. Darüber hinaus können diese Gemischkomponenten leicht aufgefangen, regeneriert und wiederverwertet oder entsorgt werden.
Vorzugsweise besteht die wäßrige Lösung aus 13,3 Gew.-% Alkalitetraborat, 6,7 Gew.-% Alkaliphosphat, 33,3 Gew.-% Ethylenglykol und 46,7 Gew.-% Wasser. Ein eine derartige wäßrige Lö­ sung enthaltendes Schmiermittel hat sich im praktischen Einsatz zur Schmierung eines Walzgerüstes bewährt, da es auch bei walztechnisch schwierigen, tief eingeschnit­ tenen Profilen eine gute Schmierung und damit eine pro­ blemlose Walzung zum Beispiel eines Spundbohlenprofils ohne Rauch- und Qualmentwicklung bei möglichst umwelt­ schonenden Anteilen der Salzkomponenten und des Ethylen­ glykols ermöglicht.
Vorzugsweise enthält die wäßrige Lösung ein thixotropes Verdickungsmittel auf Xanthan-Basis. Dadurch ist eine Verminderung des Schmiermittelverbrauchs und eine Verbesserung der Haft­ fähigkeit des Schmiermittels auf dem jeweiligen Stahl­ profil möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Schmiermit­ tels beträgt der Anteil des Verdickungsmittels in der wäßrigen Lösung etwa 0,5 Gew.-%, wobei die wäßrige Lö­ sung vorzugsweise 9,0 Gew.-% Alkalitetraborat, 6,0 Gew.-% Alkaliphosphat, 28,0 Gew.-% Ethylenglykol, 0,5 Gew.-% Verdickungsmittel und 56,5 Gew.-% Wasser enthält. Bei einem solchen Schmier­ mittel ist eine Verminderung des Schmiermittelverbrauchs um ca. 2,5 kg pro Tonne Stahlprofil möglich, wobei der Schmiermittelverbrauch bei einer wäßrigen Lösung ohne Verdickungsmittel etwa 6 bis 8 kg pro Tonne Stahlprofil beträgt.
Das Kälteverhalten des das Verdickungsmittel enthaltenden Schmiermittels ist im Vergleich zu einem Schmiermittel ohne Verdickungsmittel verbessert.
Auch aufgrund der unterschiedlichen Umfangsgeschwindig­ keiten des Walzenkörpers im Flankenbereich hervorgerufene tribologisch kritische Bereiche werden von dem erfindungs­ gemäßen Schmiermittel gut benetzt und geschmiert. Die er­ haltenen Profile zeigen im Vergleich zu den konventionell geschmierten Werkstücken eine entzunderte und leicht phos­ phatierte Oberfläche gleichmäßiger Struktur. Es ist aber auch möglich, eine höher konzentrierte oder eine niedriger konzentrierte wäßrige Lösung für das Schmiermittel zu ver­ wenden.
Die höher konzentrierte Lösung enthält vorzugsweise
20 Gew.-% Alkalitetraborat
10 Gew.-% Alkaliphosphat
50 Gew.-% Ethylenglykol
20 Gew.-% Wasser.
Eine niedriger konzentrierte wäßrige Lösung enthält vorzugsweise
10 Gew.-% Alkalitetraborat
 5 Gew.-% Alkaliphosphat
28 Gew.-% Ethylenglykol
57 Gew.-% Wasser.
Selbst eine nochmalige Verdünnung der wäßrigen Lösung auf
 6,7 Gew.-% Alkalitetraborat
 3,3 Gew.-% Alkaliphosphat
16,7 Gew.-% Ethylenglykol
73,3 Gew.-% Wasser
entfaltet zumindest bei den ersten Durchläufen (Stichen) des Walzgutes durch das Walzgerüst eine ausreichende Schmierwirkung.
Das Verdickungsmittel ist vorzugsweise ein Polysaccharid hoher Molmasse und wird in der Praxis unter dem Namen Kelzan® vertrieben. Dieses auf Xanthan basierende Ver­ dickungsmittel eignet sich besonders für wäßrige Lösun­ gen, zum Beispiel in Hydroschmiermitteln, Reinigern und Entfettern.
Die jeweilige Zusammensetzung der wäßrigen Lösung ohne Zugabe eines Verdickungsmittels beeinflußt die Verbrauchs­ werte an Schmiermittel pro Tonne Stahlprofil nur unwesent­ lich, wie anhand experimenteller Untersuchungen festge­ stellt worden ist.
Versuche im praktischen Einsatz haben gezeigt, daß das erfindungsgemäße Schmiermittel besonders vorteilhaft mittels Düsen auf das Walzgut bzw. den/die Walzenkörper aufgesprüht werden kann. Es hat sich gezeigt, daß die Wahl von Sprühdüsen mit im Vergleich zu Sprühdüsen für herkömmliche Schmiermittel reduzierten Strömungsquer­ schnitten bei gleichem Sprühdruck zu besseren Schmier- und Trennergebnissen führt. Damit läßt sich die Auftrags­ menge an wäßriger Lösung im Hinblick auf möglichst niedrige Verbrauchswerte optimieren. Es ist also unter Beibehaltung der geforderten Schmier- und Trennwirkung möglich, die erforderliche Verbrauchsmenge an Schmiermittel zu reduzieren, so daß insgesamt eine geringere Umwelt­ belastung und geringere Herstellungskosten erzielt werden können.

Claims (9)

1. Schmiermittel zum Warmwalzen von Stahlprofilen in einem Walzgerüst, bestehend aus einer wäßrigen Lösung von Alkalitetraborat und Alkaliphosphat, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung ferner 16 bis 50 Gew.-% Ethylenglykol (C2H4(OH)2) sowie gegebenenfalls ein Verdickungsmittel enthält.
2. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalitetraborat Natriumtetraborat (Na2B4O7) ist.
3. Schmiermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Alkali­ tetraborats in der wäßrigen Lösung 6 bis 20 Gew.-% beträgt.
4. Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkali­ phosphat Natriumphosphat (Na2HPO4) ist.
5. Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Alkaliphosphats in der wäßrigen Lösung 3 bis 10 Gew.-% beträgt.
6. Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung 13,3 Gew.-% Alkalitetraborat
 6,7 Gew.-% Alkaliphosphat
33,3 Gew.-% Ethylenglykol
46,7 Gew.-% Wasserenthält.
7. Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung ein thixotropes Verdickungsmittel auf Xanthan-Basis enthält.
8. Schmiermittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Ver­ dickungsmittels in der wäßrigen Lösung etwa 0,5 Gew.-% beträgt.
9. Schmiermittel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung  9,0 Gew.-% Alkalitetraborat
 6,0 Gew.-% Alkaliphosphat
28,0 Gew.-% Ethylenglykol
 0,5 Gew.-% Verdickungsmittel
56,5 Gew.-% Wasserenthält.
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