DE4208208A1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung der zunderbildung beim warmumformen von metall, insbesondere von stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der Zunderbildung beim Warmumformen von Metall, insbesondere Stahl, bei welchem das erhitzte Metall kurzzeitig unter hohem Druck elastisch verformt wird und anschließend entspannen kann.

Alle unedlen Metalle reagieren oberflächig mit Bestandtei­ len der sie umgebenden Atmosphäre und bilden durch Verzun­ dern eine Korrosionsschicht aus, welche das darunterlie­ gende Metall vor weiterer Korrosion schützt. In Luft reagiert deren Sauerstoff mit dem Metall und bildet eine Zunderschicht aus dem Metalloxid aus. Diese Oxidschicht ist spröde. Bei starker mechanischer Verformung des Me­ talls reißt sie und springt leicht ab, bildet sich aber unter dem Einfluß der Umgebungsatmosphäre wieder neu.

Bei den eingangs angesprochenen Warmumformprozessen wurde beobachtet, daß in erheblichem Umfange feine Zunderparti­ kel sich von der Metalloberfläche ablösen und als Schweb­ stoffe in Form von Aerosolwolken entweichen. Beispiels­ weise an Warmwalzstraßen erfolgen hinter jedem Walzspalt erhebliche Emissionen von Eisenoxyd- und (entsprechend den Legierungskomponenten) Schwermetall-Teilchen. Solche Emis­ sionen stellen eine erhebliche Belastung der Umwelt und vor allem der im Walzwerk Tätigen dar. Bislang versucht man, dieser Emissionen durch Absaugen Herr zu werden. Der dafür erforderliche apparative Aufwand, den namentlich das Ausfiltern der Schwebstoffteilchen aus der Luft oder dem Kühlwasser für die Walzen erfordert, ist beträchtlich; außerdem gehen erhebliche Stahlmengen verloren.

Es wurde nun gefunden, daß sich überraschenderweise die Zunderbildung entscheidend vermindern läßt, wenn erfin­ dungsgemäß in der Entspannungsphase die Oberfläche des Metalls mit Inertgas abgedeckt wird. Der Grund dafür ist bislang noch nicht eindeutig geklärt, er liegt nicht ohne weiteres auf der Hand.

Auszugehen ist davon, daß bei den hohen Temperaturen, auf die das Metall zur Erzielung eines duktilen Zustandes erhitzt werden muß, die chemischen Reaktionen der Zunder­ bildung beschleunigt, ja spontan ablaufen. Auszugehen ist ferner davon, daß die beim Beginn eines Warmumformprozes­ ses auf dem Metall befindliche Zunderschicht während der Verformung zerreißt und sich jedenfalls weitgehend ablöst. Eine genauere Betrachtung und Bewertung hat ergeben, daß die starken Zunder-Emissionen, wie sie etwa beim Durchlauf eines erhitzten Stahlbandes durch ein Walzgerüst auftre­ ten, offenbar nicht allein von der Zunderschicht herrühren können, welche beim Beginn des Umformvorganges auf der Metalloberfläche vorhanden sind.

Der Umstand, daß sich auf dem verformten Metall rasch eine neue Zunderschicht bildet, führt zu der Deutung, daß sich in der Entspannungsphase des umgeformten Metalls gewisser­ maßen kaskadenartig eine Mehrzahl von Zunderbildungen und -absprengungen vollzieht, weil mit der plastischen Verfor­ mung auch ein Anteil elastischer Verformung einhergeht und diese zu einer gewissen Wiederausdehnung des Metalls führt, bei der es möglicherweise in rascher Folge zum Bilden, Reißen und Absprengen von Zunderschichten kommen kann.

Eine Gewißheit für diesen Geschehensablauf gibt es aller­ dings bisher nicht; fest steht nur, daß entgegen fachmän­ nischer Erwartung das Abdecken der Oberfläche des warmver­ formten Metalls für einen gewissen Zeitraum unmittelbar nach der Warmverformung - beim Warmwalzen durchlaufenden Materials entspricht dies einer bestimmten Strecke nach Verlassen des Walzenspalts - zu einer drastischen Verrin­ gerung der Zunderbildung (genauer: der Bildung von Wolken aus in Form von Schwebstoffen abgesprengten Zunderteil­ chen) führt.

Vorzugsweise wird als Inertgas Stickstoff verwendet, mit dem beim Warmwalzen von Stahl das den Walzspalt verlassen­ de Material über eine bestimmte Wegstrecke angeblasen wird.

Um in solchem Fall den gesamten kritischen Bereich zu erfassen, innerhalb dessen beim Warmwalzen von Stahl nach dem Verlassen des Walzenspalts die Bildung von Aerosol- Wolken aus Zunder und Schwermetall-Teilchen auftritt, wird beim Warmwalzen von Stahl der den Walzspalt verlassende Stahl über eine bestimmte Wegstrecke mit dem Inertgas an­ geblasen. Diese Strecke entspricht im Kontext der vorste­ hend gegebenen Deutung der "Entspannungsphase" des Stahl­ bandes nach seiner plastischen Verformung im Walzenspalt; jedenfalls hat sich gezeigt, daß es nach dieser bestimmten Wegstrecke zwar naturgemäß zu einer (normal dünnen) Zun­ derbildung, aber nicht mehr zur Emission jener Schweb­ stoffe kommt.

Vorzugsweise wird bei dieser Anwendung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens die Blasrichtung des Inertgases schräg gegen die Vorschubrichtung des Stahls angestellt. In einer Weiterbildung kann vorgesehen werden, das Inertgas auch in die seitlich neben dem Walzgut liegenden Freiräume des Walzspalts einzublasen.

Das erfindungsgemäße Abdecken des einem Warmumformprozeß unterworfenen erhitzten Metalls während dessen Entspan­ nungsphase nach Abschluß der plastischen Verformung er­ folgt zweckmäßig in jedem Falle durch Anblasen mit Inert­ gas, auch dann, wenn der Umformprozeß wie etwa beim Frei­ formschmieden, Gesenkschmieden oder Heißpressen im wesent­ lichen stationär verläuft und daher der das Werkstück und die Werkzeuge umgebende Raum in relativ einfacher Weise gegenüber der Luftatmosphäre abgeschirmt werden kann. Demgemäß besteht eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß an eine Anlage zum Warmumformen von Metall eine Einrichtung zum Zuführen von Inertgas angeschlossen ist, welche eine Mehrzahl von gegen das Umformgut gerichteten Düsen sowie Mittel aufweist, die die Zufuhr von Inertgas nach dem Umformen auf die Entspan­ nungsphase beschränken. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Einrichtung Elemente aufweist, welche das Umform­ gut jedenfalls während der Entspannungsphase umschließen, und an deren Innenseiten sich das unter höherem als dem Atmosphärendruck stehende Inertgas abstützen kann. Es hat sich nämlich gezeigt, daß es eines gewissen Inertgas­ druckes bedarf, um dieses trotz seiner spontanen Erhit­ zung bei Annäherung an das Umformgut ausreichend dicht und intensiv an dessen Oberfläche heranzubringen. Ohne ein zumindest weitgehendes Umschließen des Umformguts während der Entspannungsphase läßt sich ein solcher Druck des Inertgases jedoch nicht aufbauen.

Soweit es sich beim Umformgut um Walzstahl handelt, der die Walzgerüste mit hoher (und zunehmender) Geschwindig­ keit passiert, können die Umschließungselemente ausgangs­ seitige Teile des Walzenständers eines Walzgerüstes sein.

Am Beispiel eines Warmband-Walzgerüsts wird die Erfindung nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 in schematisierter Darstellung den ausgangs­ seitigen Teil des Walzgerüsts;

Fig. 2 den oberseitigen Kühlwasserkasten in Drauf­ sicht;

Fig. 3 den unteren Walzentisch in Draufsicht;

Fig. 4 eine Darstellung des Umform-Vorganges im Walzspalt; und

Fig. 5 einen senkrechten Mittelschnitt durch die Walzen und das Walzgut in Fig. 4.

Von den im Ständer 1 eines Walzgerüsts gehaltenen Arbeits­ walzen 2, 3 und Stützwalzen 4, 5 sind in Fig. 1 nur Ab­ schnitte in schematischer Seitenansicht dargestellt. Den Walzspalt 6 durchläuft das erhitzte Walzgut von links nach rechts in Fig. 1; die in Fig. 1 dargestellten, zum Walzge­ rüst gehörenden Elemente befinden sich also auf der Aus­ gangsseite des Walzgutes.

Zu diesen Elementen gehört unterhalb des Warmbandes 7 ein aus den beiden Teilen 8a und 8b bestehender Walzentisch mit einem an der Arbeitswalze 3 anliegenden Abstreifer 9 sowie unterhalb des Walzentisches 8a ein Kühlwasservertei­ ler 10. Das von diesen an die Arbeitswalze 3 abgegebene Kühlwasser ist bei 11 angedeutet.

Oberhalb des Warmbandes 7 erkennt man in Fig. 1 einen Wasserkasten 12, dessen Unterseite 16 im Bereich der Arbeitswalze 2 mit einem Abstreifer 13 versehen ist. Im Wasserkasten 12 sind Verteiler 14 für das Kühlwasser 15 angeordnet, welches auf die Arbeitswalze 2 gesprüht wird. Der Abstreifer 13 verhindert ein ins Gewicht fallendes Ablaufen des Kühlwassers auf das Warmband 7; das Kühlwas­ ser läuft seitlich im Bereich der Wangen des Ständers 1 ab und wird unterhalb des Walzgerüsts abgeführt.

Erfindungsgemäß sind sowohl im Bereich des Walzentisches 8 als auch des oberseitigen Wasserkastens 12 Einrichtungen zum Einblasen von Stickstoff in den vom Tisch und dem Was­ serkasten mit deren Abstreifern 9, 13 sowie den seit­ lichen Komponenten des Ständers 1 weitgehend umschlos­ senen, vom heißen Warmband 7 unmittelbar nach Verlassen des Walzspalts 6 durchlaufenen Raumes vorgesehen. Ein quer zur Walzrichtung verlaufendes Rohr 20 führt durch eine Schlauchleitung 21 einem Doppelrohr-Querverteiler 22 Inertgas zu, welches dieser auf eine Vielzahl relativ dünner Düsenrohre 23 verteilt, die mit ihren Mündungen 24 die Unterseite 16 des Wasserkastens 12 abgedichtet durch­ setzen und einen schräg gegen die Vorschubrichtung des Warmbandes 7 angestellte Inertgasstrahlen 25 oberseitig gegen das Warmband 7 richten.

Eine weitere Schlauchverbindung 26 führt vom Rohr 20 Inertgas zu einem in Vorschubrichtung des Warmbandes hinter dem Wasserkasten 12 angeordneten Querverteiler 27, der mit verschiedenen über die Breite des Warmbandes 7 verteilten Düsenöffnungen 28 versehen ist und wiederum schräg gegen die Vorschubrichtung des Warmbandes 7 ange­ stellte Inertgasstrahlen 29 abgibt. Entsprechendes gilt in noch größerer Entfernung vom Walzspalt 6 für den Querver­ teiler 30, der vom Rohr 20 durch ein Verteilerrohr 31 beschickt wird.

In entsprechender Weise wird die Unterseite des Warmbandes 7 mit Inertgas abgedeckt. Von einem Rohr 40 erhält über einen Schlauch 41 ein Doppelrohr-Querverteiler 42 das Inertgas und verteilt es auf eine Vielzahl über die Breite des Walzgerüsts verteilte Düsenrohre 43 auf Düsen 44, die den unteren Walzentisch 8a durchsetzen und schräg gegen die Vorschubrichtung des Warmbandes 7 angestellte Inert­ gasstrahlen 45 gegen dieses richten.

Mittels weiterer Schläuche 46, 47 sind Querverteiler 48, 49 an das Rohr 40 angeschlossen und richten - wiederum schräg gegen die Vorschubrichtung angestellte - Inertgasstrahlen 50, 51 (durch die beabstandeten Einzelelemente des Walzen­ tisches 8b hindurch; vgl. Fig. 3) gegen die Unterseite des Warmbandes 7.

In Fig. 4 ist schematisch der Durchlauf des Warmbandes 7 durch die Arbeitswalzen 2, 3 veranschaulicht. Das Warm­ band 7 kommt von links mit der Ausgangsdicke s und wird im Walzspalt 6 auf eine geringere Dicke plastisch verformt, die in einigem Abstand vom Walzspalt 6 die Größe s₁ hat. Die Zunderschicht 7a, die das Warmband 7 vor dem Einlaufen in den Walzspalt 6 allseitig umgibt, ist in Fig. 4 links des Walzspalts zu erkennen. Diese Zunderschicht wird im Verlauf der keilförmig stattfindenden Verformung aufgeris­ sen und abgesprengt; in Fig. 4 ist dies stark vergrößert angedeutet.

Sobald das Warmband 7 den Walzspalt (also die Linie ge­ ringsten Abstandes zwischen den Arbeitswalzen 2 und 3) passiert hat, vergrößert sich der Abstand zwischen den Walzen 2 und 3 rasch, so daß das Material des Warmbandes 7 entspannen kann. In Abhängigkeit von Materialeigenschaften und der Vorschubgeschwindigkeit des Warmbandes 7 erstreckt sich die Zone E der Entspannungsphase über eine gewisse, sich in Vorschubrichtung an den Walzspalt 6 anschließende Wegstrecke, die in Fig. 4 oberseitig und unterseitig des Warmbandes 7 mit "E" kenntlich gemacht ist. Im Bereich E dieser Entspannungsphase wird das Warmband 7 erfindungsge­ mäß mit Inertgas - vorzugsweise Stickstoff - abgedeckt, so daß sich dort kein neuer Zunder auf dem Band bilden kann. Sobald das Warmband 7 die mit Inertgas abgedeckte Entspan­ nungszone E verläßt, reagiert die Metalloberfläche mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft und bildet eine (neue) Zun­ derschicht 7b von jedoch vergleichsweise geringer Dicke.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch die Arbeitswalzen 2 und 3 und das im Walzspalt 6 befindliche Warmband 7. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Inertgas auch in die neben dem Warmband 7 liegenden Freiräume 52 des Walzspalts 6 eingeblasen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Verminderung der Zunderbildung beim Warmumformen von Metall, insbesondere von Stahl, bei welchem das erhitzte Metall kurzzeitig unter hohem Druck plastisch verformt wird und anschließend entspannen kann, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entspannungsphase die Oberfläche des Metalls mit Inertgas abgedeckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff ver­ wendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 beim Warmwalzen von Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß der den Walzspalt verlassende Stahl über eine bestimmte Wegstrecke mit dem Inertgas an­ geblasen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blasrichtung des Inertga­ ses schräg gegen die Vorschubrichtung des Stahls ange­ stellt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas auch in die seitlich neben dem Walzgut liegenden Freiräume des Walz­ spalts eingeblasen wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 an einer Anlage zum Warmumformen von Metall, dadurch gekennzeichnet, daß an die Anlage zum Warmumformen eine Einrichtung zum Zuführen von Inertgas angeschlossen ist, welche eine Mehrzahl von gegen das Umformgut gerich­ teten Düsen sowie Mittel aufweist, die die Zufuhr von Inertgas nach dem Umformen auf die Entspannungsphase be­ schränken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Elemente aufweist, welche das Umformgut jedenfalls während der Entspannungsphase umschließen, und an deren Innenseiten sich das unter höherem als dem Atmosphärendruck stehende Inertgas abstützen kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Ausführung des Verfah­ rens nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente ausgangsseitige Teile des Walzenständers eines Walzgerüsts sind.