DE4134504C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung stranggegossener und geglühter Stahlknüppel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung stranggegossener und geglühter Stahlknüppel bestimmter, durch das Glühen erzeugter Ausgangstemperatur mit anschließendem Walzen der Stahlknüppel.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Insbesondere beim Stranggießen von Stahlknüppeln bestimmter Stahlgüten, beispielsweise 100 Cr6, können Porositäten auftreten, die beim anschließenden Walzen nicht völlig verschwinden. Bei bestimmten Verwendungen der Stahlknüppel muß sichergestellt sein, daß auch diese Restporosität beseitigt ist. Es handelt sich hierbei um poröse Stellen im Bereich der Stranggußmitte, die aufgrund des Vergießverfahrens entstehen. Wird das Material weniger als einer Mindestumformung λ_min unterworfen, dann werden dabei die Porositäten nicht geschlossen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Makrogefüge der Stahlknüppel homogenisiert wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgaben werden durch die Erfindung mit Hilfe der Merkmale des Patentan­ spruchs 1 bzw. Patentanspruchs 4 gelöst.

Vorfeilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Un­ teransprüche gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, daß Metall, in diesem Fall Stahl, beim Abkühlen schrumpft. Damit der Schrumpfeffekt gezielt zur Verdichtung des Kerns eingesetzt werden kann, sieht die Erfindung vor, eine kühlere Oberflächenschicht zu erzeugen, die eine definierte Schichtdicke aufweist. Das heißt, daß der Temperaturgradient in die­ ser Randschicht, auch als Schwarte bezeichnet, wesentlich größer ist als im Kern des Knüppels.

Hierzu wird erfindungsgemäß beim Abkühlen eine hohe Wärmeübergangszahl α angestrebt. Mit anderen Worten: die Wärme wird aus der Oberflächenschicht möglichst rasch entzogen. Ferner sieht die Erfindung vor, daß sich an den Ab­ kühlvorgang der Walzvorgang direkt anschließt, damit das Temperaturgefälle erhalten bleibt.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ist gewährleistet, daß die kühlere Oberflächenschicht beim Schrumpfen radial nach innen eine Kompression des Kerns bewirkt, wodurch dieser verdichtet wird. Beim sich sofort an­ schließenden Walzen, wenn also die geschrumpfte, kühlere Oberflächenschicht und der heiße Kern noch existieren, wird im nicht abgekühlten Bereich durch die Walzkräfte eine weitere Verdichtung erreicht, die stärker ist als die durch das Walzen in der Oberflächenschicht erzielte.

Darüber hinaus wird durch die kältere Schwarte erreicht, daß beim anschließenden Walzen die Walzkräfte sich nicht auf dem Weg von der Stahloberfläche bis zum Kern totlaufen, sondern der abgekühlte Oberflächenschichtbereich aktiv an der Verdichtung des Kerns mitwirkt.

Zur Erreichung einer möglichst raschen Abkühlung in der Oberflächenschicht und um die Länge der Kühlstrecke zu begrenzen, bedient sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Abkühlung der Oberflächenschicht einer Druckwasserkühlung, die im Prinzip bereits aus der DE-PS 16 08 327 und der DE 1 925 416 C3 bekannt ist.

Das Erreichen hoher Übergangswerte gelingt mit einer Spritzkühlung, wie sie aus "Stahl und Eisen" 96 (1976), Nr. 4, Seiten 165 bis 168 bekannt ist, nicht. In diesem Artikel wird zwar ausgeführt, daß bei der Einstellung bestimmter Wärmeabfuhrbedingungen die Oberflächentemperatur von heißen Stahloberflächen schlagartig auf sehr kleine Werte abfällt, die Wärmespannungen zur Folge haben. Das bezieht sich aber auf die Bildung randnaher Martensitschichten (metallurgische Beeinflussung) oder ringförmiger Spannungszustände (Rißbildung). Beides muß jedoch beim erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden. Ein möglichst exaktes Dosieren des Wärmeübergangswertes ist daher äußerst wichtig, was mit der Spritzkühlung gerade bei Stahlknüppel großen Querschnitts nicht möglich ist.

Auch das aus Zeitschrift "Draht" 28 (1977) Nr. 6, Seiten 245 bis 254 bekannte Verfahren löst das erfindungsgemäße Problem nicht. In diesem Artikel wird die Behandlung relativ dünnen Walzgutes beschrieben. Mit den dort genannten Verfahren können keine Stranggußknüppel großen Querschnitts hinsichtlich der Beseitigung von Porositäten durch Schrumpfung zusammen mit der notwendigen anschließenden Verformung behandelt werden. Der Artikel beschreibt vielmehr die Abkühlung von Stabstahl nach dem Walzprozeß.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren benutzte Kühlstrecke mit Druckwasserkühlung kann aus mindestens einem Druckkühlaggregat in Form eines Gehäuses mit relativ zum Gehäuse querschnittverengter Eintritts- und Austrittsöffnung für den zu kühlenden Stahlknüppel bestehen, die so bemessen ist, daß bei eintretendem bzw. austretendem Knüppel ein möglichst enger Spalt zwischen Stahlknüppeloberfläche und Öffnungsrand erreicht wird, so daß das in das Gehäuse einströmende Kühlwasser hauptsächlich für den Kühlvorgang unter Druck zur Verfügung steht.

Beim Druckkühlen macht man sich im Gegensatz zur Laminar- oder Spritzkühlung die Wärmekapazität des Wassers bis 100°C und die Verdampfungswärme zu nutze.

Der Überdruck bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und der Benetzungseigenschaften des Wassers. Dadurch wird erreicht, daß die Wärmeübergangszahl α um eine bis zwei Zehnerpotenzen gegenüber der La­ minar- oder Spritzwasserkühlung erhöht wird, was u. a. den Wasserverbrauch minimiert.

Wie oben ausgeführt, findet die Druckkühlung in fast geschlossenen Räumen statt, wobei das Kühlgut den Raum durchläuft. Der Druck bewirkt, daß die ge­ samte Oberfläche des Kühlgutes gleichmäßig vom Wasser umschlossen wird, wodurch ein gleichmäßiger, über die gesamte Oberfläche verteilter Wärme­ übergang erreicht wird. Durch den Überdruck im Kühlaggregat wird eine we­ sentliche Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Wassers erreicht, die auch zu großen Turbulenzen führt. Dadurch wird bewirkt, daß die sich auf der heißen Knüppeloberfläche bildenden Dampfkeime im Moment ihrer Entstehung durch nachschießendes Wasser von der Stahloberfläche abgetrennt werden und sich im Wasser lösen oder wieder kondensieren, wodurch die Viskosität des Wassers erhöht wird; die innere Reibung wird kleiner, die Zähigkeit nimmt ab. Dies führt zu der oben beschriebenen erheblichen Steigerung des α-Wertes, indem nun auch Kühlwasser in die Mikroporen der Oberfläche eindringt, wodurch quasi die Oberfläche vergrößert wird.

Dieser hohe α-Wert bewirkt einen sehr raschen Wärmeentzug aus der Oberflä­ chenschicht des Stahlknüppels und die Einstellung des steilen Temperaturgra­ dienten in diesem Bereich, während der Kern des Knüppels seine Ausgangs­ temperatur etwa beibehält.

So ist vorteilhaft eine bestimmte Anzahl von Kühlaggregaten gemäß Anspruch 2 hintereinander anzuordnen, und zwar um einerseits die Wasserverluste zu minimieren und andererseits die Kühlwirkung zu optimieren. Man kann auch mehrere Kühlaggregate zu Gruppen zusammenfassen.

Der Bau einer Kühlstrecke mit nur einem Druckkühlgehäuse von zum Beispiel 6 m effektiver Kühllänge bei Stahlknüppeln von ebenfalls 6 m Länge oder we­ niger hätte zur Folge, daß der Knüppel in keiner Stellung beide Öffnungen des Kühlaggregats einengt, sondern jeweils nur die Eintrittsöffnung oder Aus­ trittsöffnung. Das heißt, in der Kühlstrecke würde kein Druck aufgebaut und der Wasserverlust wäre enorm. Um das zu verhindern, werden mehrere kleinere Kühlaggregate hintereinandergeschaltet, so daß sich ebenfalls eine effektive Kühllänge von 6 m ergibt.

Das geschieht gemäß Anspruch 3 dadurch, daß jeweils das Aggregat einge­ schaltet wird, in dem sich das vordere Ende, der Kopf, des Stahlknüppels ge­ rade etwa in der Mitte befindet und abgeschaltet wird, wenn das hintere Ende, der Fuß, des Knüppels die Eintrittsöffnung des Aggregats verläßt. Der Stahl­ knüppel wird somit sukzessive abgekühlt, bis die gewünschte kühlere Schicht­ dicke, beispielsweise 10 mm, erreicht ist.

Dabei sind die einzelnen Kühlaggregate relativ zueinander beweglich gelagert, um einer möglichen Ungeradheit eines Knüppels Rechnung tragen zu können. Falls es sich um gerade Knüppel handelt, können die Druckkühlaggregate natürlich auch starr zueinander angeordnet sein.

Dabei bestehen die Einzelaggregate gemäß Anspruch 5 jeweils aus einem Un­ terkasten, der auf dem Rollgangsrahmen beweglich oder auch unbeweglich angebracht ist, und einem Oberkasten, der dicht auf den Unterkasten aufge­ setzt wird. Diese Zweiteilung hat den Vorteil, daß beim Steckenbleiben eines Knüppels schnell gehandelt werden kann.

Um dabei die Handhabung der Gehäuseteile zu erleichtern, ist nach Anspruch 6 vorgesehen, daß die Oberkästen hydraulisch aufsetz- und abnehmbar sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen dargestellt und nä­ her erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Kühlstrecke mit Fahrschema,

Fig. 2 ein einzelnes Kühlaggregat (schematisch),

Fig. 3 schematische Darstellung eines Stahlknüppelquerschnitts mit abge­ kühlter Oberflächenschicht.

In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Kühlstrecke dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Sie besteht aus zehn einzelnen Kühlaggregaten 2 bis 11, die im Abstand zueinander hintereinander angeordnet sind. Der Abstand kann sich nach der Rollenteilung des Rollgangs richten. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, weist jedes Kühlaggregat 2 bis 11 ein kastenförmi­ ges Gehäuse 12 auf, das aus einem Unterkasten 13 und einem dicht darauf ge­ setzten Oberkasten 14 zusammengesetzt ist. In der vorderen Eintrittsöffnung 15 und der hinteren Austrittsöffnung 16 sind jeweils als Stauränder 17 und 18 bezeichnete Verengungen vorgesehen, wobei die zum Innenraum 19 des Ge­ häuses 12 weisenden Anstiegsflanken 20 und 21 in diesem Ausführungsbeispiel flacher ausgebildet sind als die aus dem Gehäuse 12 weisenden Flanken 22 und 23.

Im Querschnitt weisen die Stauränder 17 und 18 somit die Form eines unre­ gelmäßigen Trapezes auf. Sie können aber auch rund sein oder andere geo­ metrische Formen besitzen. Die gedachten Schnittpunkte 24′ der schrägen Tra­ pezseiten bilden den Ort der Umfangslinie des gestrichelt dargestellten Stahl­ knüppels 24, der durch die Eintrittsöffnung 15 in das Kühlaggregat 2 bis 11 eingelaufen ist und auch bereits die Austrittsöffnung 16 durchsetzt.

Nicht dargestellt sind die Einlaßöffnungen für das Druckkühlwasser.

Wie sich aus der Fig. 1 ergibt, werden die einzelnen Druckkühlaggregate 2 bis 11 in einer definierten Weise ein- und abgeschaltet. Die hierzu notwendige Steuerung und Regelung ist nicht dargestellt, funktioniert aber in der folgenden Weise:

Ein geglühter, zum Beispiel auf 1220°C erwärmter Stahlknüppel 24 von bei­ spielsweise 6 m Länge gelangt über den ebenfalls nicht dargestellten Rollgang mit seinem Kopf 25 durch die verengte Eintrittsöffnung 15 des ersten Kühlag­ gregates 2 in den Innenraum des Gehäuses 12. Sobald er etwa die Mitte zwi­ schen den beiden Staurändern 17 und 18 erreicht hat, wird Druckwasser in das Gehäuse 12 des Kühlaggregats 2 eingeleitet. Bei seinem Weg durch die folgen­ den Kühlaggregate 3 bis 11 wird jeweils entsprechend die Druckwasserzufuhr in die Gehäuse 12 dieser Aggregate eingeschaltet. Verläßt schließlich der Fuß 26 des Stahlknüppels 24 die Eintrittsöffnung 15 des ersten Kühlaggregates 2, wird in diesem die Druckwasserzufuhr abgeschaltet. Entsprechendes ge­ schieht der Reihe nach bei den anderen Kühlaggregaten 3 bis 11. Die wirksame Kühlstrecke soll im vorliegenden Beispiel ebenfalls 6 m betragen. Die Durch­ laufzeit des Knüppels sei 9,1 sek, das ist die sich aus Rollgangsge­ schwindigkeit und Knüppellänge ergebene Kühlzeit, wobei die Rollgangsge­ schwindigkeit von der zu entziehenden Wärmemenge abhängt. In dieser Zeit wird dem Knüppel eine Wärmemenge von 23 360 kcal bei einer Wassererwär­ mung von 20 auf 45°C entzogen, was ca. 5% der im Knüppel 24 enthaltenen Wärmemenge entspricht.

Bei der beschriebenen Abkühlung in der Druckwasserkühlstrecke werden pro Knüppel 0,93 m³ reines Kühlwasser benötigt. Nicht berücksichtigt sind hier Ver­ lustwassermengen.

Hat der Stahlknüppel 24 sämtliche Kühlaggregate 2 bis 11 durchlaufen, ist die Oberfläche auf ca. 870°C abgekühlt, während der Kern immer noch etwa 1220°C aufweist. Durch die fortlaufende Abkühlung in den einzelnen Ag­ gregaten 2 bis 11 schrumpft die gedachte Oberflächenschicht e und übt somit einen radial nach innen gerichteten Kompressionsdruck auf den porösen Kern aus und verdichtet diesen.

Direkt im Anschluß an die Kühlstrecke 1 befindet sich eine Walzvorrichtung (nicht dargestellt). Der Stahlknüppel 24, der immer noch den aus der Fig. 3 hervorgehenden Temperaturgradienten aufweist, wird hier gewalzt, zuerst Ober- und Unterseite, dann die Seitenflächen. Hierbei wird der Kern des Stahl­ knüppels 24 weiter verdichtet, wobei die weitere Verdichtung größer ist als die durch das Walzen in der Oberflächenschicht auftretende Verdichtung.

Claims (6)

1. Verfahren zur Behandlung stranggegossener und geglühter Stahlknüppel bestimmter, durch das Glühen erzeugter Ausgangstemperatur mit an­ schließendem Walzen der Stahlknüppel, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlknüppel unter Einstellung einer hohen Wärmeübergangszahl α in einer Druckwasserkühlstrecke allseitig abgekühlt wird, derart, daß sich eine relativ zur Ausgangstemperatur abgekühlte Oberflächenschicht (Schwarte) bestimmter Dicke ergibt, während der Kern des Stahlknüppels in etwa noch die Ausgangstemperatur aufweist, wobei die beim Abkühlen schrumpfende, in sich geschlossene Oberflächenschicht einen Kompres­ sionsdruck auf den heißen Kern ausübt und das Gefüge dieses Kerns ver­ dichtet, und daß beim direkt anschließenden Walzen im noch nahezu Aus­ gangstemperatur aufweisenden Kern eine weitere Verdichtung stattfindet, die höher ist als die durch das Walzen bedingte Verdichtung des kälteren Oberflächenschichtbereiches.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlknüppel eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Ein­ zelkühlaggregaten durchläuft, die zusammen die Druckwasserkühlstrecke bilden, bevor er gewalzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwasserbeaufschlagung in den einzelnen Kühlaggregaten (2 bis 11) jeweils dann einsetzt, wenn der Kopf (25) des Stahlknüppels (24) die halbe Kühlstrecke eines Kühlaggregats (2 bis 11) durchlaufen hat und abgeschaltet wird, wenn der Fuß (26) des Stahlknüppels (24) die Eintritts­ öffnung (15) des Kühlaggregats (2 bis 11) verläßt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß direkt vor einer Walzvorrichtung eine Druckwasser­ kühlstrecke (1) angeordnet ist, die aus einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten Gehäusen mit verengten Ein- und Austrittsöffnungen (15, 16) besteht, die jeweils mindestens einen Kühlwassereinlaß aufweisen und Einzelkühlaggregate (2 bis 11) bilden, die abhängig von der Stahl­ knüppelposition nacheinander ein- und abschaltbar sind, wobei die einzel­ nen Kühlaggregate (2 bis 11) in horizontaler Ebene relativ zueinander senk­ recht und waagerecht zur Stahlknüppel-Laufrichtung bewegbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kühlaggregate (2 bis 11) aus einem Unterkasten (13) und einem dicht darauf aufsetzbaren Oberkasten (14) bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberkästen (14) hydraulisch aufsetzbar und abnehmbar sind.