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Kühler zur beschleunigten Kühlung geschweißter Metallrohre Die Erfindung
betrifft einen Kühler zur beschleunigten Kühlung geschweißterhtetallrohre, bei denen
vermöge der verwendeten Baustoffe, z. B. Stahl als Grundmetall und Kupfer als Schweißmetall
oder Lot, hohe Schweißtemperaturen in Betracht kommen. Solches Rohr, das in der
Regel einen kleinen Durchmesser, etwa 3 bis 2o mm hat, wird mechanisch in Walzmaschinen
hergestellt, die unmittelbar mit Schweißmaschinen zusammenarbeiten, so daß die Arbeitsvorgänge
in ununterbrochener Folge und mit gleichbleibender Geschwindigkeit des Fertigungsgutes
ablaufen. Aus diesen Umständen ergibt sich die Bedingung, daß auch die Kühlung des
die Schweißmaschine verlassenden Rohres mit derselben Durchgangsgeschwindigkeit
wie beim Walzen und Schweißen vorzunehmen ist. Die Verwendung leistungsfähiger Elektroschweißmaschinen,
in denen das Rohr zur Bildung einer Widerstandsstrecke benutzt und dabei verschweißt
wird, hat zur Erreichung hoher Durchgangsgeschwindigkeiten geführt, die im Bereich
von 30 bis 5o m/min liegen. Um ein Rohr unter diesen Umständen weich zu kühlen,
wie es meistens erfordert wird, ist eine langsame Abkühlung im Bereich der kritischen
Temperaturen
für den betreffenden Baustoff, z. B. Stahl, notwendig.
Daraus ergibt sich schon unter gewöhnlichen Verhältnissen eine bedeutende Länge
des Kühlers, die zu betriebstechnischen Schwierigkeiten führt.
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Es ist bekannt, daß im System Eisen-Kohlenstoff die Abkühlung des
hocherwärmten Baustoffes über die sogenannten Haltepunkte hinweg langsam zu erfolgen
hat, um die Bildung von Austenit bzw. l-Iartemsit zu vermeiden, wenn der Baustoff
nach dem Abkühlen weich sein soll.
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Es ist ferner bekannt, Stahldraht oder -rohre nach dem Erwärmen in
Kühlvorrichtungen langsam abzukühlen, die aus zwei oder mehreren Abschnitten bestehen,
zu dem Zweck, im ersten Abschnitt die langsame Kühlung zu bewirken und im zweiten
Abschnitt zur Abkürzung des gesamten Kühlvorganges unterhalb des niedrigsten Haltepunktes
abzuschrecken. Bei diesen Einrichtungen ist die Kühlung im ersten Abschnitt von
einheitlicher und geringer Geschwindigkeit, wie sie eigentlich nur beim Übergang
üb-er die Haltepunkte notwendig ist. Für den Fortschritt besteht somit die Möglichkeit;
die langsame Kühlung lediglich auf einen engen Temperaturbereich um jeden Haltepunkt
zu beschränken und das übrige Temperaturgefälle möglichst rasch zu durchlaufen.
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Durch die Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem der Kühler in
mehrere Kammern eingeteilt ist, die untereinander von dem durchgehenden Kühlgut
getrennt werden, so daß die verschiedenen Kühlmittel nicht von dem einen in die
anderen Abschnitte übertreten können. Die Verschiedenheit der Kühlgeschwindigkeit
bei gleicher Durchgangsgeschwindigkeit wird durch Verwendung verschiedener Kühlmittel
in den Kühlerkammern und die Regelung ihrer Durchflußgeschwindigkeiten erreicht.
Dadurch ist eine erhebliche Längenverminderung der meisten Kühlungsabschnitte möglich,
so daß die Gesamtlänge des Kühlers den praktischen Betriebserfordernissen gerecht
wird. Der hauptsächlichste Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt darin, daß die
Fertigung von Rohren, die nach dem Schweißen eine besonders sorgfältige Kühlung
erfordern, mit hoher Geschwindigkeit vorgenommen werden kann, so daß sich die Wirtschaftlichkeit
wesentlich erhöht. Natürlich ist damit die Möglichkeit nicht ausgeschlossen, Rohr
auch hart zu kühlen, wenn diese Eigenschaft in Sonderfällen erwünscht ist. Es werden
hierzu entweder andere Kühlmittel oder andere Durchflußgeschwindigkeiten gewählt.
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Die Zeichnungen veranschaulichen in schematischer Darstellung mehrere
Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes im Zusammenhang mit einer Walz- und
Schweißmaschine.
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Abb. i zeigt in einer Seitenansicht die Hauptteile einer Walzmaschine
und einer .unmittelbar an sie anschließenden Elektroschweißmaschine samt dem einen
Bestandteil der letzteren bildenden Kühler (dieser ist aus Raumgründen getrennt
von der Schweißmaschine dargestellt); Abb. 2 zeigt die mit dem Kühler in Beziehung
stehende Temperaturkurve; Abb. 3 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform des
Erfindungsgegenstandes; Abb. 4 ist die dazugehörige Temperaturkurve; Abb. 5 stellt
eine dritte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dar; Abb.6 veranschaulicht
den Querschnitt eines Rohres als Bearbeitungsbeispiel.
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Die Rohre, auf deren Herstellung sich die Erfindung bezieht, sind
in der Regel von kleinem Durchmesser, etwa 3 bis 2o mm. Im allgemeinen bestehen
solche Rohre aus einem Grundmetall, z. B. Stahl, das die Hauptmasse des Rohres ausmacht,
und aus einem Schweißmetall, etwa Kupfer, das zum Überziehen der Oberflächen des
Rohres und zum Verschweißen dient, wenn das Rohr aus mehreren Schichten besteht
und Nähte hat. Ein solches Rohr kann z. B. aus Metallstreifen hergestellt werden
und das Schweißmetall als galvanisch aufgetragene dünne Schicht bereits auf den
Streifen vorhanden sein, aber auch als Draht, Späne oder Pulver vor dem Schweißen
zugefügt werden. Die beispielsweise Fertigung eines doppelschichtigen Rohres nach
Abb.6 geht so vor sich, daß der Metallstreifen i, der die innere Schicht bilden
soll, von einem Vorratsring 3 hinweg zwischen drei in geeigneter Weise angetriebenen
Walzenpaaren 4 durchgeführt wird und dabei über verschiedene Zwischenstufen die
endgültige Querschnittsform erhält. An diesem Punkte der Fertigung läuft von einem
zweiten Vorratsring 5 der Streifen :2 der zunächst zwischen einem Walzenpaar 6 an
den Längskanten zugeschärft wird, über eine Führungsrolle 7 und durch einen Führungsrahmen
8 in die Walzmaschine ein. Durch drei weitere Walzenpaare g wird der Streifen 2
über der fertigen inneren Rohrschicht i, und sich dicht an diese anlegend, zur äußeren
Rohrschicht geformt, wobei sich eine schräg zur Rohroberfläche verlaufende Naht
bildet. Das mechanisch fertig gestaltete Rohr 1, 2 gelangt, aus der Walzmaschine
kommend, sofort in die Schweißmaschine, die in der Hauptsache drei Elektrodenpaare
io, 11, 12 in Rollenform enthält, denen der aus einem Transformator entnommene Strom
so zugeleitet wird, daß er durch das mittlere Elektrodenpaar i i eintritt, sich
in dem durchlaufenden Rohr 1, 2 zu beiden Seiten verteilt, dabei die Widerstandsstrecke
bildet und durch die Außenelektroden io und 12 austritt. An diese schließt sich
eine Fördervorrichtung 13 an, die dem Rohr in genauer übereinstimmung mit der Walzmaschine
eine einstellbare Vorschubgeschwindigkeit erteilt. Die Elektroden i i und 12 und
die Fördervorrichtung 13 sind von einem gemeinsamen Gehäuse 14 umgeben, wodurch
die Möglichkeit besteht, den Schweißvorgang innerhalb von Schutzgas zu bewerkstelligen.
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Mit der Schweißmaschine ist der Erfindungsgegenstand, der Kühler,
unmittelbar zusammengebaut. Derselbe besteht aus mehreren Abteilungen oder Kammern,
z. B. 15, 16, 17, 18 (Abb. i), in denen die Kühlung des durchlaufenden Rohres 1,
2 in ebenso vielen Stufenerfolgt, deren jede in bezug auf Wirkung und Dauer für
sich beeinflußbar ist.
Die erste und zweite Kammer 15 bzw. 16 wird
von einem inneren, durch Einschnürung aufgeteilten, an das Gehäuse der Fördervorrichtung
13 unmittelbar anschließenden Rohr i9 und einem dasselbe umgebenden Mantel gebildet.
Zwischen beiden kann in jeder Abteilung Kühlwasser im Gegenstrom zum durchlaufenden
Rohr 1, 2 fließen; zugleich kann im inneren Rohr ein für Kühlzwecke brauchbares
Gas, ebenfalls im Gegenstrom, hindurchstreichen. DieKammer 17 ist fürLuftkühlung
bestimmt und hat demzufolge Kühlrippen auf dem nicht ummantelten Rohr i9, das durch
Einschnürungen von den Nachbarkammern geschieden ist. Die Kammer 18, aus einfachem
Rohr bestehend, ist mit Zu- und Abfluß für die Beschickung mit einer Metall- oder
Salzschmelze versehen. Im Zusammenhang mit der Kammer 18 steht der Abstreifer 20,
der zur Wegnahme von Metall- oder Salzresten dient, die etwa am durchlaufenden Rohr
1, 2 haften. Den Beschluß der Kühleinrichtung bildet die Brause 21, die zur Abkühlung
des Rohres 1, 2 auf Zimmertemperatur dient.
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Abb.2 enthält die beispielsweise Temperaturkurve des Kühlungsvorganges
und steht im genauen Zusammenhang mit den in der Abb. i veranschaulichten Kühlerabteilung,
so daß die Temperaturänderungen in jeder derselben ersichtlich sind. Die Abszisse
der Kurve ist nach den einzelnen Abteilungen des Kühlers gegliedert, die Ordinate
nach wichtigen Temperaturabschnitten, und zwar beziehen sich diese im Beispielsfalle
auf die Wärmebehandlung von Stahl und Kupfer als Grund bzw. Überzugsmetall. Der
durch die Kurve wiedergegebene Temperaturverlauf ist mit Hilfe verschiedener in
den Kühlerabteilungen benutzter Kühlmittel leicht einzuhalten; er beginnt mit einer
Schweißtemperatur von i2oo° C, die sich erfahrungsgemäß bei der hohenDurchgangsgeschwindigkeit
des Rohres 1, 2 von 3o bis 50 m/min als zweckmäßig erwiesen hat. In der ersten
Zone der Kühlung, entsprechend der ersten Kammer 15 des Kühlers, wird ein bedeutender
Temperaturrückgang bis auf etwa gio° C erzielt, einen der Haltepunkte im System
Eisen-Kohlenstoff. Innerhalb dieser Temperaturspanne, in der der Stahl in der y-Modifikation
vorliegt, ist keine Rücksicht auf Abkühlungsumstände zu nehmen, und die Kühlgeschwindigkeit
ist hoch zu bemessen, um die Länge des Kühlers zu vermindern. Umgekehrt ist es in
der zweiten Kühlzone entsprechend der zweiten Kammer 16 des Kühlers, die dem Temperaturbereich
von gio bis ungefähr 725° umfaßt, worin die Umwandlung des Eisens aus der y- in
die ß-Modifikation stattfindet. Bei zu schneller Abkühlung würde hier Martensit
bzw. Austenit im Gefüge gebildet, d. h. Härtung stattfinden. Um dies zu vermeiden
und den langsamen Übergang in die Zustandsform Ferrit-Perlit zu begünstigen, ist
die Abkühlung allmählich zu bewirken, und das geschieht durch geeignete Auswahl
und Temperierung der Kühlflüssigkeit und des kühlenden Gases in der Kammer 16. In
der dritten Kühlzone, die in zwei Abschnitte entsprechend den Kammern 17 und 18
zerfällt, könnte eine rasche Abkühlung stattfinden, da hier vorzugsweise die Umwandlung
in a-Eisen vor sich geht, die an sich keine entsprechende Rücksicht fordert. Es
ist jedoch zu bedenken, daß im ersten Abschnitt dieser Zone, wo die Temperatur noch
über 700° C liegt, eine Erscheinung auftreten kann, die auf den Umstand gegründet
ist, daß infolge der größeren Löslichkeit des Kohlenstoffes im Eisen bei höherer
Temperatur durch schnelles Abkühlen ein Zustand der Übersättigung bei Zimmertemperatur
eintreten kann. Die Übersättigung führt zu höherer Festigkeit, geringerer Dehnbarkeit
und infolgedessen zu größerer Härte und geringerer Biegefähigkeit des Baustoffes.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es nötig, durch langsamere Abkühlung in dem
betreffendenTemperaturbereich die allmähliche Ausscheidung überschüssigen Kohlenstoffes
bei abnehmender Temperatur zu begünstigen. Aus diesem Grunde ist das Temperaturgefälle
im ersten Abschnitt der dritten Kühlungszone das geringste der ganzen Kühlung. Es
wird hervorgebracht durch ein Rippenrohr 17, in dem kein strömendes Gas enthalten
ist. Aus den bereits angeführten Umständen kann die Kühlung im zweiten Abschnitt
der dritten Zone wieder beschleunigt werden, und es wird hierzu, falls dem fertigen
Rohr 1, 2 ein Überzug mit einem Metall von niedrigerem Schmelzpunkt gegeben werden
soll, dieses als Kühlmittel durch die Kammer 18 hindurchgeleitet. Ist ein Metallüberzug
nicht erwünscht, so kann als Kühlmittel geschmolzenes Salz von geeigneter Art und
physikalischer Beschaffenheit verwendet werden. Die nach der bisherigen Kühlung
noch im Rohr 1, 2 vorhandene Wärme kann, nachdem Metall- oder Salzreste durch einen
Abstreifer 2o von der Oberfläche des Rohres entfert sind, durch Berieselung mit
Wasser aus einer Brause 21 bis auf Zimmertemperatur vermindert werden.
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Die zweite Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes unterscheidet
sich von der ersten nur durch eine andere Ausbildung der dritten und vierten Kammer
des Kühlers, die hier zu einer Kammer 18 vereinigt sind. Diese hat, abgesehen von
größerer Länge, dieselbe Konstruktion und Arbeitsweise wie die Kammer 18 der ersten
Ausführungsform. Der Temperaturverlauf in der dritten Zone zeigt (Abb. q.) zu Anfang
auf kurzer Strecke, einen Temperatursturz auf etwa 37o'°' C, wonach auf langer Strecke
diese Temperatur unverändert bleibt. Auf solche Weise kann dasselbe Ergebnis für
diese Kühlungszone erreicht werden wie bei der ersten Ausführungsform.
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Eine dritte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes (Ab. 5) zeigt,
was die erste, zweite und dritte Kühlungszone anbelangt, dieselben Verhältnisse
wie bei der zweiten Ausführungsform (Abb. 3) ; jedoch ist noch eine Kammer 22 angefügt,
die in ähnlicher Weise wie die Kammer 18 konstruiert ist und betrieben wird, wobei
jedoch niedrigere Temperaturen bei der Kühlflüssigkeit, Metall- oder Salzschmelze,
angewendet werden. Der Temperaturverlauf bei dieser Art von
Kühlung
ist in der Abb. q. durch gestrichelte Linien angedeutet. Benutzt wird diese Kühlungsweise,
wenn die Gefahr des Anlaufens und Oxydierens beim Austritt des Rohres i, 2 aus dem
Kühler besteht.