DE4208208C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Zunderbildung beim Warmumformen von Metall, insbesondere von Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Zunderbildung beim Warmwalzen von Metall, insbesondere Stahl, bei welchem das erhitzte Metall kurzzeitig unter hohem Druck mit einem elastischen Anteil plastisch verformt wird und anschlie­ ßend entspannen kann, wobei das Walzgut mit Inertgas abgedeckt wird und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der US-PS 4,727,747 ist es bekannt, beim Warmwalzen von Metall dieses gegen Oxidation dadurch zu schützen, daß das Walzgut vor Erreichen des Walzgerüsts ein Ge­ häuse durchläuft, in das fortlaufend Inertgas eingebla­ sen wird. Dadurch soll insbesondere bei Planetenwalzwer­ ken, denen wegen der hohen Auslaufgeschwindigkeit das Walzgut relativ langsam zugeführt werden muß, ein star­ kes Verzundern vor dem Einlauf in das Walzgerüst vermie­ den werden.

Alle unedlen Metalle reagieren oberflächig mit Bestand­ teilen der sie umgebenden Atmosphäre und bilden durch Verzundern eine Korrosionsschicht aus, welche das dar­ unterliegende Metall vor weiterer Korrosion schützt. In Luft reagiert deren Sauerstoff mit dem Metall und bildet eine Zunderschicht aus dem Metalloxid aus. Diese Oxid­ schicht ist spröde. Bei starker mechanischer Verformung des Metalls 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 Zun­ derpartikel sich von der Metalloberfläche ablösen und als Schwebstoffe in Form von Aerosolwolken entweichen. Beispielsweise an Warmwalzstraßen erfolgen hinter jedem Walzspalt erhebliche Emissionen von Eisenoxid- und (ent­ sprechend den Legierungskomponenten) Schwermetall-Teil­ chen. Solche Emissionen stellen eine erhebliche Belas­ tung der Umwelt und vor allem der im Walzwerk Tätigen dar. Bislang versucht man, dieser Emissionen durch Ab­ saugen Herr zu werden. Der dafür erforderliche apparati­ ve Aufwand, den namentlich das Ausfiltern der Schweb­ stoffteilchen aus der Luft oder dem Kühlwasser für die Walzen erfordert, ist beträchtlich; außerdem gehen er­ hebliche Stahlmengen verloren.

Aus diesem Problem ergibt sich für ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art die Aufgabe, auf andere als die bekannte Weise den Oxidstaubwolken auf der Auslaufseite von Warmwalzgerüsten zu begegnen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 und bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 4.

Auszugehen ist davon, daß bei den hohen Temperaturen, auf die das Metall zur Erzielung eines duktilen Zustan­ des erhitzt werden muß, die chemischen Reaktionen der Zunderbildung beschleunigt, ja spontan ablaufen. Auszu­ gehen ist ferner davon, daß die beim Beginn eines Warm­ umformprozesses auf dem Metall befindliche Zunderschicht während der Verformung zerreißt und sich jedenfalls weitgehend ablöst. Eine genauere Betrachtung und Bewer­ tung hat ergeben, daß die starken Zunder-Emissionen, wie sie etwa beim Durchlauf eines erhitzten Stahlbandes durch ein Walzgerüst auftreten, offenbar nicht allein von der Zunderschicht herrühren können, welche beim Be­ ginn des Umformvorganges auf der Metalloberfläche vor­ handen ist.

Der Umstand, daß sich auf dem verformten Metall rasch eine neue Zunderschicht bildet, führt zu der Deutung, daß sich in der Entspannungsphase des umgeformten Me­ talls gewissermaßen kaskadenartig eine Mehrzahl von Zun­ derbildungen und -absprengungen vollzieht, weil mit der plastischen Verformung auch ein Anteil elastischer Ver­ formung einhergeht und diese zu einer gewissen Wieder­ ausdehnung 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 al­ lerdings nicht; fest steht nur, daß entgegen fachmänni­ scher 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 Walzspalts - zu einer drastischen Verrin­ gerung der Zunderbildung (genauer: der Bildung von Wol­ ken aus in Form von Schwebstoffen abgesprengten Zunder­ teilchen) führt. Vorzugsweise wird wie beim oben ange­ sprochenen Stand der Technik als Inertgas Stickstoff verwendet.

Um in solchem Fall den gesamten kritischen Bereich zu erfassen, innerhalb dessen beim Warmwalzen von Stahl nach dem Verlassen des Walzenspalts die Bildung von Ae­ rosol-Wolken aus Zunder und Schwermetall-Teilchen auf­ tritt, wird beim Warmwalzen von Stahl der den Walzspalt verlassende Stahl über eine bestimmte Wegstrecke mit dem Inertgas angeblasen. Diese Strecke entspricht einer "Entspannungsphase" des Stahlbandes nach seiner plasti­ schen Verformung im Walzenspalt; jedenfalls hat sich gezeigt, daß es nach dieser bestimmten Wegstrecke zwar naturgemäß zu einer (normal dünnen) Zunderbildung, aber nicht mehr zur Emission jener Schwebstoffe kommt.

Vorzugsweise wird bei dieser Anwendung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens die Blasrichtung des Inertgases schräg gegen die Vorschubrichtung des Walzguts ange­ stellt. In einer Weiterbildung kann vorgesehen werden, das Intertgas auch in die seitlich neben dem Walzgut liegenden Freiräume des Walzspalts einzublasen.

Demgemäß besteht eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß an das Walzge­ rüst eine Einrichtung zum Zuführen von Inertgas ange­ schlossen ist, welche eine Mehrzahl von gegen das Um­ formgut gerichteten Düsen sowie Mittel aufweist, die die Zufuhr von Inertgas nach dem Warmwalzen auf eine be­ stimmte Wegstrecke des Walzguts nach dem Walzspalt be­ schränken. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Einrichtung Gehäuseelemente aufweist, in denen sich das Inertgas auf einen höheren als den Atmosphärendruck auf­ stauen kann. Es hat sich nämlich gezeigt, daß es eines gewissen Inertgasdruckes bedarf, um dieses trotz seiner spontanen Erhitzung bei Annäherung an das Walzgut aus­ reichend dicht und intensiv an dessen Oberfläche heran­ zubringen. Ohne ein zumindest weitgehendes Umschließen des Walzguts während der Entspannungsphase läßt sich ein solcher Druck des Inertgases jedoch nicht aufbauen.

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 (5)

1. Verfahren zur Verminderung der Zunderbildung beim Warmwalzen von Metall, insbesondere von Stahl, bei wel­ chem das erhitzte Metall kurzzeitig unter hohem Druck mit einem elastischen Anteil plastisch verformt wird und anschließend entspannen kann, wobei das Walzgut mit Inertgas abgedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgut unmittelbar nach verlassen des Walzspaltes über eine bestimmte Wegstrecke mit dem Inert­ gas angeblasen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blasrichtung des Inert­ gases schräg gegen die Vorschubrichtung des Walzgutes angestellt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas auch in die seitlich neben dem Walzgut liegenden Freiräume des Walz­ spalts eingeblasen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 an einem Walzge­ rüst zum Warmwalzen von Metall, dadurch gekennzeichnet, daß an das Walzgerüst eine Ein­ richtung zum Zuführen von Inertgas angeschlossen ist, welche eine Mehrzahl von gegen das Umformgut gerichtete Düsen sowie Mittel aufweist, die die Zufuhr von Inertgas nach dem Warmwalzen auf eine bestimmte Wegstrecke des Walzgutes nach dem Walzspalt beschränken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Gehäuseele­ mente aufweist, in denen sich das Inertgas auf einen höheren als den Atmosphärendruck aufstauen kann.