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Verfahren zum Warmwalzen von Metallen, insbesondere von Edelstählen
Um beim Walzen großer Walzquerschnitte, z. B. bei Blöcken, eine möglichst kurze
Walzzeit und damit auch eine möglichst hohe Endtemperatur zu erzielen, ging die
bisherige Entwicklung im Walzwerksbau dahin, bei möglichst großen Ouerschnittsverminderungen
je Stich mit möglichst wenig Stichen das WaIzgut z. B. auf einen kleinstmöglichen
Querschnitt in einer Hitze zu verwalten. Infolge der hierzu nötigen, sehr hohen
Walzdrücke und vor allem wegen der dabei auftretenden großen Stöße als Folge großer
Eingriffswinkel mußten räumlich sehr ausgedehnte und mächtig dimensionierte Blockgerüstanlagen
ausgeführt werden. Der Nachteil dieser Anlagen ist großer Raumbedarf, großer Kraftbedarf,
beträchtliche Anschaffungs- und Amortisationskosten, und weiter gestatten sie ein
Walzen mit geringen oder besonders kleinen Ouerschnittsverminderungen bei gleichzeitig
großer Durcharbeitung je Stich nicht. Die bisher bekannten Walzwerke müssen mit
verhältnismäßig großen Zwischenzeiten von Stich zu Stich arbeiten, und es würde
sich daher bei kleinen O_uerschnittsverminderungen das Walzgut rasch abkühlen und
eine zu kleine, wirtschaftlich nicht mehr tragbare Gesamtverformung,, d: i. einen
zu großen Endquerschnitt, in nur einer Hitze ergeben. Es ist, allgemein bekannt,
daß z. B. beim Walzstahl große. Unterschiede in den Festigkeitswerten längs und
quer zur Stabachse bestehen und daß andererseits diese Unterschiede bei geschmiedetem
Stahl gleicher Art kleiner ausfallen können. Durch Strangpressen können z. B. bei
ein und demselben Stahl Steigerungen der Gütezahl bis zu 12°/o gegenüber dem Walzzustand
erzielt werden. Die Art der Warmformgebung hat demnach einen außerordentlich großen
Einfluß auf die Güte der,Erzeugung. Bekanntermaßen sind z. B. unlegierte Werkzeugstähle
höherwertig als die meisten im Handel befindlichen genormten Vergütungs- und Einsatzstähle.
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Bisher war man ferner allgemein der Ansicht, daß die Verbesserung
der Güteeigenschaften, z. B. der erreichbaren Gütezahlen und deren Gleichmäßigkeit
der Gefügeeinheit und der Härtegrenzen, aber auch der Zeilen-, Flocken- und Rißunempfindlichkeit
usw., der Metalle bei der Warmformgebung durch Walzen lediglich oder hauptsächlich
auf die hierbei vor sich gehende Formänderung zurückzuführen sei. Diese Anschauung
kam ganz allgemein dadurch zum Ausdruck, daß man den Begriff Durcharbeitung aufstellte,
worunter man im allgemeinen einen Verhältniswert vom Anfangsquerschnitt F, zum Endquerschnitt
Fz des neu zu verformenden oder
schon einmal verformten Metallstückes
verstand, z. B.
und dann von einer n-fachen Durcharbeitung sprach. Von derabsoluten Größe dieses
Wertes, glaubte mal seien die erreichbaren Gütezahlen und GL1t "" eigenschaften,
z. B. auch des Stahles, oder deren Steigerung gegenüber den entsprechenden Eigenschaften
des rohen Gußstückes (-blockes), wie auch unter anderem die bekannten Vorschriften
über die erforderliche Mindestdur char beitung erkennen lassen, abhängig. Da jede
reine Formänderungsarbeit einem Produkt Kraft oder Druck mal Weg entspricht, nahm
man daher, -eindeutiger ausgesprochen, an, daß hauptsächlich oder beinahe ausschließlich
der Weg für diese Verbesserung der Güteeigenschaften maßgebend sei. Dies kommt auch
insbesondere dadurch zum Ausdruck, daß man bei der Warmformgebung bisher von Druck
im Sinne eines spezifischen Druckes überhaupt nicht sprach, sondern als Maßstab
für den Druck Angaben wie Druckhöhe in mm oder Druck in mm2 Ouerschnittsverminderung
oder Druck in °'a der Querschnittsverminderung machte. Gegen diese Anschauung sprach,
daß män bei gleicher n-facher Durcharbeitung und unter sonst völlig gleichen Umständen
sowohl bei scheinbar völlig gleicher Art der Formgebung als auch bei verschiedener
Art der Formgebung, z. B. Walzen und Pressen von Stahl oder sonstigen Metallen selbst
der gleichen Schmelze und bei gleicher ya-facher Durcharbeitung und bei gleicher
Wärmebehandlung, ganz verschiedener Ergebnisse hinsichtlich aller für den Gütezustand
des so erzeugten Metalls kennzeichnenden Eigenschaften (Gütezahlen, Gefügeeinheit
usw.) erhielt. Auch konnte trotz der verschiedensten und großzügigsten Bemühungen
und Versuche, wie sie aus dem Schrifttum allgemein bekannt sind, durch Änderung
oder Vergrößerung der Durcharbeitung in vorerwähntem Sinne keine wesentliche Änderung
oder Besserung der Güteeigenschaften der Metalle erzielt werden.
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Alle diese Widersprüche und Unklarheiten mußten jedoch neuen Erkenntnissen
weichen. Es zeigte sich nämlich, daß die erzielbaren Güteeigenschaften (Gütezahlen
und deren Gleichmäßigkeit, Gefügeeinheit und Härtegrenzen, aber auch Zeilen- und
Rißunempfindlichkeit usw.) der Metalle bei der Warmformgebung keineswegs von der
äußeren und durch den bisherigen Begriff der n-fachen Durcharbeitung gekennzeichneten
Formänderung abhängig sind. Es ergab sich vielmehr, daß diese erzielbaren Güteeigenschaften
und deren Steigerung im wesentlichen davon abhängen, daß diese Durcharbeitung unter
möglichst hohen spezifischen Drücken erfolgt, wobei die Verformungswege so klein
sein können, daß sie lediglich als Verdichtungswege und als Formänderungswege der
sich auf Grund ihrer Rekristallisation ständig in ihrer Größe (insbesondere während
ihrer Warmformgebung) ändernden Metallkörner anzusehen sind.
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Da praktisch insbesondere bei der Warmformgebung die benötigten hohen
spezifischen Drücke bei großen Fließwegen oder Geschwindigkeiten nur schwer erzielt
werden können, so ist dies nichts anderes, als die Forderung nach einer Durcharbeitung,
welche durch hohe spezifische Drücke bei kleinen Fließgeschwindigkeiten gekennzeichnet
ist.
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. Es zeigte sich ferner, daß alle so erworbenen und gesteigerten Güteeigenschaften,
z. B. auch bei Bau- und Werkzeugstählen, durch spätere Wärmebehandlungen nicht verlorengehen,
Werden also Metalle oder Metallblöcke unter hohen spezifischen Drücken bei kleinen
Formänderungen durchgearbeitet, so ergeben die so erhaltenen Metallkörper mit ihren
gesteigerten Güteeigenschaften u. a. auch ein ausgezeichnetes, Vorwerkstück für
alle mittels nachfolgender Formgebungen, Wärmebehandlungen usw. hergestellten Werkstücke
beliebiger Art, z. B. Stabstahl, Kurbelwellen, Gesenkschmiedestücke usw.
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Die vorerwähnten Erkenntnisse sind grundsätzlichster Natur. Sie gelten
demnach, und damit auch die aus ihnen gefolgerten Verfahren, für alle Metalle, welche
für eine technische Formveränderung durch Walzen in Frage kommen, und für deren
Warmformgebung.
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Bei der Warmverformung höherlegierter und daher empfindlicher Stahlblöcke
zeigte es sich z. B., daß sie sich überhaupt und einwandfrei nur dann walzen lassen,
wenn außerordentlich geringe Querschnittsverminderungen je Stich gewählt werden.
Da sich beim Verblocken entstehende Fehler oft nie mehr völlig beseitigen lassen
und oft trotz schärfster Kontrolle bis zum Fertigfabrikat kleinsten Ouerschnitts
nicht mehr ausgemerzt werden können, so ergibt sich, z. B. auch insbesondere bei
der Edelstahlerzeugung, die Forderung nach einer raschen Verformung mittels möglichst
kleiner Querschnittsverminderungen je Stich bei gleichzeitig größter Durcharbeitung.
Die letzte Forderung, kleine Ouerschnittsverminderung (kleine Fließgeschwindigkeiten
des Stahles beim Walzen) und gleichzeitig größte Durcharbeitung (Verformung unter
hohem spezifischem Druck), kann durch Walzen ganz allgemein erfüllt werden, wenn
das sog. Stärkenverhältnis
möglichst klein gewählt und bewußt auf einen guten Kaliberwirkungsgrad verzichtet
wird. Hierin
ist h die Höhe des Walzgutes und r der
arbeitende Walzenhalbmesser. Das gilt unter anderem insbesondere auch bei jenen
besonders hochlegierten Edelstählen, z. $. Schnell-und Anticorrostählen, bei welchen
das Vorschmieden der Blöcke in mehreren Hitzen trotz der hiermit verbundenen mehrfachen
Abbrandverluste czft in Kauf genommen werden muß. Bei diesen hochlegierten Edelstählen
spielen aber infolge des hohen Preises ihrer Legierungsbestandteile die Abbrandverluste
eine besonders große Rolle.
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Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Verbesserung der Güteeigenschaften
beim Warmwalzen von Metallen, insbesondere von Edelstahl, geschaffen, welches -die
Nachteile der bisherigen Arbeitsweisen dadurch beseitigt, daß hohe spezifische Walzdrücke
bei kleinen Querschnittsverminderungen (Formänderungen) durch Verwendung großer,
gedrückter Längen angewandt werden. Dies erfolgt, insbesondere bei der ersten Warmformgebung
oder bei den ersten Walzstichen, durch die Anwendung großer arbeitender Walzendurchmesser.
Dadurch, daß die gedrückte Länge eine Vergrößerung erfährt, werden die spezifischen
Drücke im Spalt, größer, und zwar auf ein Vielfaches der heute beim Walzen erzielbaren
spezifischen Drücke vergrößert. Weiter ist die Fließgeschwindigkeit 'der- einzelnen
Teile des Werkstoffes einerseits infolge der großen, gedrückten Länge und andererseits
wegen der , an sich . sehr kleinen Ouerschnittsverfninderungen verhältnismäßig sehr
klein. Es können daher u. a. auch keine schädlichen Zerrungen auftreten, welche
zur Zeilenbildung, zu Rißbildung und zu sonstigen Ungleichmäßigkeiten in den Güteeigenschaften
des Stahls oder des Metalls führen können.
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Bisher hat man zum Warmwalzen von Blöcken Walzen mit Ballendurchmessern
von etwa 6oo bis iooo mm verwendet. Je nach den auf solchen Blockwalzwerken zu walzenden
Ouerschnitten des Walzgutes ergeben sich hierbei arbeitende Walzendurchmesser von
etwa 5oo bis goo mm, mit denen sich die gedrückten Längen jedoch nicht auf das gemäß
vorliegender Erfindung benötigte Maß verlängern lassen.
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Gemäß der weiteren Erfindung ist es besonders vorteilhaft, das Walzen
durch ein Pendel- oder durch ein Segmentwalzwerk vorzunehmen, bei welchem die beiden
Kaliber gleichbleiben und die untere Walze mit einem unter dem Drehpunkt liegenden
Schwerpunkt ausgebildet ist. Der arbeitende Halbdurchmesser der Pendelsegmente wird
hierbei größer als rooo mm gewählt.
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Es sind nun zwar Verfahren bekannt, bei welchen Werkstücke durch segment-
oder sektorartige, sich hin und her bewegende oder schwingende Walzenkörper bearbeitet
werden. Hierbei erfolgt aber - es handelt sich um Verfahren, welche allgemein als
Pilgern bekannt sind - durchweg nur eine absatzweise Bearbeitung des Werkstückes
mit unterbrochenem Durchgang derselben durch das Walzenkaliber. Das Werkstück erfährt
hierbei bei diesem einmaligen Durchgang durch das Kaliber hin und her gehende, pilgerschrittartige
Bewegungen, wobei es an sich gleichgültig ist, ob diese hierbei absolut oder nur
relativ in Erscheinung treten. Die arbeitenden Kaliberstellen solcher sektorartigen
Walzenkörper weisen stets einen exzentrischen Verlauf auf, und der hier der gedrückten
Länge zugeordnete, arbeitende halbe Walzendurchmesser, welcher größer als der Drehpunktradius
sein kann, bleibt verhältnismäßig klein, d. h. stets kleiner als rooo mm. Abgesehen
von diesen Unterschieden nimmt kein einziges dieser Verfahren bezug auf die wesentlichste
Voraussetzung zur Erzielung von Steigerungen der Werkstückgüte beim Warmwalzen,
nämlich auf die Wahl großer, bisher unter sonst gleichen Umständen nicht verwendeter
gedrückter Längen bzw. zugeordneter arbeitender Walzenhalbmesser oder Walzendurchmesser
zur Erzielung hoher, bisher beim Warmwalzen daher unter gleichen Uniständen auch
noch nicht erreichter spezifischer Walz- oder Verformungsdrücke. Darüber hinaus
handelt es sich keineswegs um Pendelwalzwerke im Sinne des vorliegenden Verfahrens.
Denn nach diesem sind Pendelwalzwerke durch die ihnen eigene Schwingungszahl ebenso
gekennzeichnet, wie z. B. normale, durchlaufende Walzwerke durch ihre Umdrehungszahl.
Und genau so wie bei in einer Drehrichtung durchlaufenden Walzwerken normaler Bauart
die kinetische Energie der Schwungräder und sonstigen Schwungmassen die antreibende
Maschine, z. B. den Motor, wesentlich unterstützt, arbeiten bei einem Pendelwalzwerk
die beiden gleichen Schwingungsgesetzen unterliegenden Pendelkörper in gleichem
Sinne. Die in den bekannten Verfahren ganz richtig als mit sektor-oder segmentartigen,Walzenkörpern
arbeitend bezeichneten Walzwerke können daher schon deshalb nicht als Pendelwalzwerke
angesprochen werden, weil diese segmentartigen Walzkörper ja; einerseits wegen der
Lage des oberhalb des Drehpunktes ,liegenden Schwerpunktes des unteren Walzsegmentes
und andererseits infolge der für ein wirtschaftliches Pilgern raschen Hinundherbewegungen
ihrer segmentartigen Walzenkörper gar nicht imstande sind, pendelgesetzmäßige Schwingungen
zu vollführen, wobei . die kinetische Energie der segmentarti.gen Walzkörpermassen
im
Gegenteil dem wirklichen Arbeitsvorhaben nur hinderlich sein kann.
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Des weiteren sind Verfahren bekannt, welche das Walzen von Rohren,
dünnen Bändern oder von Blechen unter vielfachem Hinundherwalzen (viele Stiche)
bei möglichst geringer Abnahme der Walzgutstärke je Stich gestatten. Abgesehen davon,
daß es sich hierbei weder um Warmwalzen noch um das Walzen von Blöcken (Gußstruktur!)
handelt, sondern um das Kaltwalzen von Blechen, Bändern, Röhren, wird bei dieser
Art von Walzverfahren, im Gegensatz zum Walzen mittels eines Pendelwalzwerkes, keineswegs
mit größeren -spezifischen Drücken bzw. gedrückten Längen bz*. arbeitenden Walzendurchmessern
gewalzt, als unter sonst als gleich zu bezeichnenden Umständen üblich. Während also
beim Pendelwalzwerk trotz gegebenenfalls verhältnismäßig kleiner Querschnittsverminderungen
die gedrückten Längen und damit auch die spezifischen Walzdrücke durch Wahl größtmöglicher
arbeitender Walzendurchmesser auf Höchstwerte gebracht werden, sind diese zuletzt
erwähnten Verfahren gerade dadurch gekennzeichnet, daß bei zwar kleinen Ouerschnittsverminderungen
und großen Stichzahlen, aber mit für diese Verhältnisse besonders niedrigen spezifise'hen
Drücken oder kleinen, gedrückten Längen oder kleinen arbeitenden Walzendurchmessern
(mit großem Stärkeverhältnis gearbeitet` wird.
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Das Wesen der Erfindung wird klarer aus der Beschreibung der beiliegenden
Zeichnung hervorgehen, in welcher schematisch das Wesen des Erfindungsgegenstandes
gezeigt ist.
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In Abb. i ist d der Durchmesser eines gebräuchlichen Walzzylinders,
z. B. eines Duowalzwerkes, wobei selbstverständlich das d nur der Durchmesser des
arbeitenden Teiles der Walze ist. Alle bisher verwendeten Walzzvlinder für das Blockwalzen
«-eisen arbeitende Durchmesser weit unter iooo mm auf. Entspricht z. B. der Durchmesser
d einem wirklichen arbeitenden Durchmesser von 6oo mm, so ist die gedrückte Länge
bei der Ouerschnittsverminderung entsprechend einer Höhenverminderung (oben) um
8 mm gleich der Strecke a, bei einer Höhenverminderung vön oben q. mm gleich der
Strecke b und bei einer Höhenverminderung von oben 2 mm gleich der- Strecke c. Die
untere Höhenverminderung an den Gegenwalzen beträgt ebenfalls 8,4 bzw. 2 mm, d.
i. insgesamt entsteht eine Höhenverminderung von 16,8 und :4 mm. Verwendet man gemäß
der Erfindung an Stelle von Waizzylindern Pendel, so kann der Durchmesser des äußeren
Kreisbogens z. B. 8ooo mm betragen und entspricht das D in Abb. i verhältnismäßig
diesem arbeitenden Durchmesser. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, entsprechen die
gedrückten Längen bei den einzelnen Höhenverminderungen den StreckenA, B, C, und
diese sind ein Vielfaches von d, b, c.
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Abb.2 stellt ein Pendelwalzwerk gemäß der Erfindung schematisch dar,
und zwar in Arbeitsstellung. i ist das Oberpendel, a ist das Unterpendel, welches
durch das Gegengewicht 3 derart ausgebildet ist, daß der Schwerpunkt unterhalb des
Drehpunktes 5 zu liegen kommt. Bei dem Oberpendel i ist der Schwerpunkt, wie ohne
weiteres ersichtlich, ebenfalls unter dem Drehpunkt 6. Die Schwerpunktslage bei
beiden Pendeln ist derart zu bestimmen, daß immer die gleiche Schwingungszahl in
Zeiteinheit für Ober-und Unterpendel besteht. Ober- und Unterpendel schwingen beide
um die Achse 5 und 6. Der äußere Umfang der Pendel wird durch die Kreisbögen 7 und
8 gebildet, welche, je nachdem was gewalzt werden soll, auch verschiedene Kaliber
eingeschnitten bekommen können. Die Kreisbögen fi und 8 sind mit dem eigentlichen
Pendel i und 2 fest verbunden, und zwar lösbar, so daß sie ausgewechselt werden
können. Die Kaliberenden 9 und io der Pendel sind abgeschrägt. Das Werkstück i i
wird vor und hinter den Pendeln auf bekannten Rollgängen geführt. Damit nun die
Endlage und Anfangslage des Werkstückes gegenüber dem arbeitenden Pendelumfange
1 genau festgelegt wird, werden vor und hinter den Pendeln elektrische Augen, lichtempfindliche
Zellen 13 angeordnet, welche die Bewegung der Rollgänge 12 selbsttätig ausschalten,
wenn das Werkstück zwischen den Pendeln hindurchgegangen ist. Abb.3 zeigt einen
Schnitt des Pendelwalzwerks nach der Linie I-1 der Abb. i und Abb. .4 die Pendel
im ausgeschwungenen Zustande. Da die Pendelvorrichtung nur schematisch dargestellt
wurde, ist der maschinelle Antrieb der Pendel nicht dargestellt, da der Antrieb
nicht den Gegenstand der Erfindung betrifft und vom Fachmann in verschiedener Weise
gelöst werden kann. Wird das Kaliber zu heiß, so kann es so gekühlt werden, daß
das Kühlwasser mit dem Walzgut direkt nicht in Berührung kommt, indem z. B. das
Wasser oder Kühlmittel zwischen den Segmentkörper und den eigentlich arbeitenden
Umfangsteil geleitet wird.
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Es ist klar, daß die oben dargestellten Arbeitsvorgänge nur beispielsweise
angegeben sind und daß die maschinenbautechnische Ausführung des Pendelwalzwerkes
in der verschiedensten Weise vorgenommen werden kann.