EP0006841B1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Wärmebehandeln von Metallgut - Google Patents

Vorrichtung zum kontinuierlichen Wärmebehandeln von Metallgut Download PDF

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EP0006841B1
EP0006841B1 EP79930011A EP79930011A EP0006841B1 EP 0006841 B1 EP0006841 B1 EP 0006841B1 EP 79930011 A EP79930011 A EP 79930011A EP 79930011 A EP79930011 A EP 79930011A EP 0006841 B1 EP0006841 B1 EP 0006841B1
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quenching
bath
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wire
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Karl Weyand
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/54—Furnaces for treating strips or wire
    • C21D9/64—Patenting furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/54—Furnaces for treating strips or wire
    • C21D9/56—Continuous furnaces for strip or wire
    • C21D9/62—Continuous furnaces for strip or wire with direct resistance heating

Definitions

  • the present invention relates to a device for the continuous heat treatment of elongated metal material, in particular wire.
  • the systems used for this generally consist of a preheating bath, usually a lead bath, which heats the wire passed through to 450-550 ° C.
  • This preheating bath which is brought to the temperature required for this by any means, is followed by a similar bath as a quench bath.
  • Both baths are connected to a transformer, so that the wire, which is guided through the liquid metal quantities, is heated on the path that it runs freely between the two baths, using its ohmic resistance.
  • glow path the temperature of about 1,000 ° C required for austenitization, which is well above Ac 3, is reached within a very short time.
  • DE-V-1.167.866 describes a device for the heat treatment of wires or strips by electrical resistance heating by means of heatable contact baths, in particular lead baths, one serving as a quench bath.
  • heatable contact baths in particular lead baths, one serving as a quench bath.
  • On the wall side of the quench bath facing the upstream contact bath are well heat-conducting and electrically insulated hollow ribs or tubes projecting into the contact bath, which enable heat transfer from the quench bath to the contact bath.
  • the aim of the present invention was therefore to provide a device which, on the one hand, maintains ohmic resistance heating of the wire to be patented which can be carried out easily and, on the other hand, significantly reduces the high energy expenditure which occurs in this known process.
  • this aim is achieved by a device which generally understands two pans filled with liquid metal, preferably lead, one of which is designed as a preheating pan and the other as a quenching pan and which are both connected to the secondary winding of a transformer and which are characterized by this that the preheating pan is arranged to be partially immersed in the quenching pan, the jacket of the preheating pan being completely electrically insulated from the liquid metal of the quenching pan with the highest possible heat permeability.
  • the quenching pan is equipped with a pump unit. If the capacity of the quenching pan exceeds that of the preheating pan by more than twice, the installation of a pump unit is recommended.
  • a conventional device that is suitable for circulating metal baths can serve as the pump unit.
  • the continuous circulation of the liquid metal in the quenching pan serves on the one hand to transport thermal energy into the immediate vicinity of the jacket of the preheating pan and on the other hand to avoid overheating in the wire entry zone.
  • the for glowing and austenitizing the The wire required energy, which almost completely passes to the quenching bath in the course of the subsequent sorbitization, is therefore used according to the invention for heating the preheating bath, since the preheating pan is almost completely washed around by the liquid metal which is located in the quenching pan, as a result of which one the shown prior art enlargement of the contact area and thus an improvement in the possibility of smooth heat transfer are given.
  • the quenching pan is equipped with a combined heating and cooling unit.
  • the role of this unit is to establish the necessary temperature conditions when starting up the system or to derive any excess thermal energy at any time.
  • the device according to the invention makes it possible to always keep the preheating bath at a sufficiently high temperature without additional external energy supply.
  • the conditions necessary for the formation of the desired sorbitol structure namely a homogeneous temperature of 500-550 ° C., prevail and that the thermal energy given off by the glowing wire to the quenching bath is used sensibly.
  • energy savings of up to 50% can be achieved in this way.
  • the quenching pan is made as elongated as possible.
  • the quenching pan can also provide for the quenching pan to be divided into two compartments on the one hand by a dam, or to use two separate quenching pans, one of which contains the preheating pan and is connected to the other via flow channels.
  • the shells of the pans are expediently made of steel. It is possible to use an insulation layer in the form of a composite material when designing the jacket of the preheating pan. However, it is also possible to provide a sandwich construction in which an insulating layer, preferably made of ceramic material, is embedded between two steel jackets.
  • Fig. 1 shows an embodiment with a schematic arrangement of preheating and quenching pan to each other
  • Fig. 2 shows an embodiment with the quenching pan in an elongated form.
  • Fig. 1 a distinction is made between the pans with the preheating bath (10) and the quenching bath (20).
  • the jacket of the preheating pan (11) rests on the supports (13). It is equipped with an internal insulation (12), which electrically insulates the preheating bath (10) and the quenching bath (20) and only allows a transfer of thermal energy.
  • the jacket of the preheating pan (11) and the jacket of the quenching pan (21) are connected to the secondary winding (31) of the transformer (30).
  • the metal baths (10) and (20) thus act as electrical contact baths for the wire (1) passed in the direction of the arrow.
  • the wire path (G) provided with dots corresponds to the glow path within which the wire is rapidly heated to approximately 1,000 ° C.
  • the combined heating and cooling unit (22) Inside the quenching bath (20) is the combined heating and cooling unit (22), which is actuated when the device is started up and when excess energy is removed.
  • the wire (1) After passing through the preheating bath (10) and the annealing section (G), the wire (1) passes through the quenching bath (20) in the opposite direction and then passes through the circulating air-cooled section (40).
  • FIG. 2 shows the design of the device according to the invention with the quenching pan in a stretched form.
  • a pump unit (23) for transporting thermal energy into the immediate vicinity of the preheating pan is additionally provided.
  • the wire is always routed in the same direction.
  • the pump unit (23) acts in the opposite direction to the wire feed.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Wärmebehandeln von langgestrecktem Metallgut, insbesondere von Draht.
  • Eine der gebräuchlichen Arten der Wärmebehandlung von Draht ist das Patentieren, durch welches das Drahtgefüge über eine Austenitisierung möglichst vollständig in ein Sorbitgefüge überführt werden soll.
  • Bereits im Jahre 1930 ist mit Erfolg versucht worden das klassische Patentieren, bei welchem die Erwärmung des Drahtes auf die erforderliche Patentierungstemperatur in einen beheizten Ofenteil durch Strahlung erfolgt und demzufolge insbesondere bei dicken Drahtabmessungen eine verhältnismässig lange Aufenthaltszeit des Drahtes in den Anlagen erfordert, durch ein elektrisches Patentierverfahren zu ersetzen, bei welchem der Draht einer unmittelbaren Widerstandserhitzung unterworfen wird.
  • Die hierfür gebräuchlichen Anlagen bestehen generell aus einem Vorwärmbad, zumeist einem Bleibad, das den durchgeleiteten Draht auf 450-550 °C aufheizt. Diesem Vorwärmbad, das durch beliebige Mittel auf die hierzu notwendige Temperatur gebracht wird, ist ein ähnliches Bad als Abschreckbad nachgeschaltet. Beide Bäder sind mit einem Transformator verbunden, so dass der durch die flüssigen Metallmengen geleitete Draht auf der Strecke, die er zwischen beiden Bädern frei durchläuft, unter Ausnutzung seines Ohm'schen Widerstands aufgeheizt wird. Durch gezielte Wahl der Transformatorenleistung, sowie der Länge der vom Draht durchlaufenen freien Strecke - der sog. Glühstrecke - wird innerhalb kürzester Zeit die zur Austenitisierung erforderliche Temperatur von etwa 1 000 °C, die deutlich oberhalb Ac3 liegt, erreicht. Beim nachfolgenden Durchlaufen des Drahtes durch das Abschreckbad, in welchem der Draht auf rund 500 °C abgekühlt und während etwa 20 Sek. auf dieser Temperatur gehalten wird, erfolgt die Ausbildung des gewünschten feinkörnigen Sorbitgefüges.
  • Während erhebliche Energiemengen zur Beheizung des Vorwärmebades benötigt werden, muss die durch den glühenden Draht in das Abschreckbad eingeführte thermische Energie wieder abgeführt werden, was einen weiteren energetischen und technischen Aufwand erforderlich macht. So beschreibt die DE-V-1.167.866 eine Vorrichtung zum Wärmebehandeln von Drähten oder Bändern durch elektrische Widerstandserhitzung vermittels aufheizbarer Kontaktbäder, insbesondere Bleibäder, wobei eines als Abschreckbad dient. An der dem vorgeschalteten Kontaktbad zugekehrten Wandseite des Abschreckbades sind gut wärmeleitende und elektrisch isolierte, in das Kontaktbad hineinragende Hohlrippen oder Rohre angeordnet, die einen Wärmeübergang vom Abschreckbad in das Kontaktbad ermöglichen.
  • Obwohl diese Anordnung deutliche Vorteile hinsichtlich den aufzuwendenden Energiemengen mit sich bringt, bleibt die Möglichkeit des Wärmeüberganges hier auf eine relativ geringe Kontaktfläche und zwar die Hohlrippen aufweisende Wandfläche begrenzt. Das elektrische Widerstandspatentieren verbraucht in der Tat mehr Energie zum Betreiben der Metallbäder, als zum eigentlichen Widerstandserhitzen des Drahtes.
  • Es ist versucht worden, den Energieverbrauch dadurch zu senken, dass man den Draht durch Erhitzen in mindestens einem elektrischen Induktionsofen austenitisierte und eine einziges Metallbad gleichzeitig als Vorwärm-, sowie als Abschreckbad benutzte. Der Vorteil dieses Verfahrens, das in der Tat eine Senkung des gesamten Energieverbrauchs mit sich bringt, wird allerdings durch einen schwerwiegenden Nachteil wieder aufgehoben und zwar ist es erwiesenermassen nicht möglich, Drähte von einem Durchmesser oberhalb 3 mm problemlos durch einen Induktionsofen zu leiten, wenn man gleichzeitig die Aufheizgeschwindigkeit im Ofen und die Geschwindigkeit des Drahtvorschubs mit den metallurgischen Erfordernissen des Patentiervorgangs im Einklang halten muss.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung bestand demnach darin, eine Vorrichtung zu schaffen, die einerseits bequem durchführbare Ohm'sche Widerstandsaufheizung des zu patentierenden Drahtes beibehält und die andererseits den bei diesem an sich bekannten Verfahren auftretenden hohen Energieaufwand deutlich reduziert.
  • Erfindungsgemäss wird dieses Ziel erreicht durch eine Vorrichtung, die generell zwei mit flüssigem Metall, vorzugsweise Blei, gefüllte Pfannen begreift, von denen eine als Vorwärmepfanne und die andere als Abschreckpfanne ausgebildet ist und die beide mit der Sekundärwicklung eines Transformators verbunden sind und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorwärmepfanne in der Abschreckpfanne teilweise eintauchend angeordnet ist, wobei der Mantel der Vorwärmepfanne gegenüber dem flüssigen Metall der Abschreckpfanne bei einer möglichst hohen Wärmedurchlässigkeit eine vollkommene elektrische Isolierung aufweist.
  • Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abschreckpfanne mit einem Pumpaggregat ausgerüstet. Uebersteigt die Kapazität der Abschreckpfanne die der Vorwärmepfanne um mehr als das Doppelte, so ist der Einbau eines Pumpaggregates jedenfalls zu empfehlen.
  • Als Pumpaggregat kann ein konventionelles Gerät dienen, das für das Umwälzen von Metallbädern geeignet ist. Das laufende Umwälzen des flüssigen Metalls in der Abschreckpfanne dient einerseits zum Transport thermischer Energie in die unmittelbare Umgebung des Mantels der Vorwärmepfanne und andererseits zum Vermeiden von Ueberhitzungserscheinungen in der Drahteintrittszone.
  • Die zum Glühen und Austenitisieren des Drahtes benötigte Energie, die im Verlauf des nachfolgenden Sorbitisierens nahezu vollständig an das Abschreckbad übergeht, wird erfindungsgemäss also zum Aufheizen des Vorwärmebades verwendet, da die Vorwärmepfanne von dem flüssigen Metall, das sich in der Abschreckpfanne befindet, nahezu, ganz umspült wird, wodurch eine gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik erzielte Vergrösserung der Kontaktfläche und hiermit eine Verbesserung der Möglichkeit eines glatten Wärmeüberganges gegeben sind.
  • Gegebenenfalls wird die Abschreckpfanne mit einem kombinierten Heiz-Kühlaggregat ausgerüstet. Die Rolle dieses Aggregates besteht darin, die notwendigen Temperaturverhältnisse beim Anfahren der Anlage herzustellen, bzw. etwaige überschüssige thermische Energiemengen jederzeit abzuleiten.
  • Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung wird es ermöglicht das Vorwärmebad ohne zusätzliche äussere Energiezufuhr stets auf einer genügend hohen Temperatur zu halten. Dazu erreicht man, dass im Abschreckbad die zur Ausbildung des gewünschten Sorbitgefüges notwendigen Bedingungen, nämlich eine homogene Temperatur von 500-550 °C herrscht und dass die durch den glühenden Draht an das Abschreckbad abgegebene thermische Energie sinnvoll genutzt wird. Gegenüber konventionellen Widerstandspatentieranlagen lässt sich auf diese Weise eine Energieersparnis von bis zu 50% erreichen.
  • Werden die Ausmasse des Abschreckbades so gross, dass sie diejenigen des Vorwärmebades um das Doppelte überschreiten, so kann man vorsehen, die Abschreckpfanne in möglichst langgestreckter Form auszuführen. In einer konsequenten Weiterführung dieses Baukonzepts kann man auch vorsehen, die Abschreckpfanne einerseits durch eine Staumauer in zwei Abteile zu unterteilen oder andererseits zwei getrennte Abschreckpfannen einzusetzen, deren eine die Vorwärmepfanne enthält und mit der anderen über Durchflusskanäle verbunden ist.
  • Die Mäntel der Pfannen bestehen zweckmässigerweise aus Stahl. Es ist möglich bei der Ausführung des Mantels der Vorwärmepfanne eine Isolationsschicht in Form eines Verbundmaterials einzuzetzen. Man kann jedoch auch eine Sandwich-Konstruktion vorsehen, in der zwischen zwei Stahlmänteln eine Isolierschicht vorzugsweise aus keramischem Material eingebettet ist.
  • Die Abbildungen zeigen schematische Darstellungen von zwei bevorzugten Ausführungen der erfindungsgemässen Vorrichtung.
  • Fig. 1 zeigt eine Ausführung mit schematischer Anordnung von Vorwärme- und Abschreckpfanne zueinander, und Fig. 2 zeigt eine Ausführung mit der Abschreckpfanne in gestreckter Form.
  • In Fig. 1 unterscheidet man die ineinander angeordneten Pfannen mit dem Vorwärmebad (10) und dem Abschreckbad (20). Der Mantel der Vorwärmepfanne (11) ruht auf den Stützen (13). Er ist mit einer inneren Isolierung (12) ausgestattet, die das Vorwärmebad (10) und das Abschreckbad (20) elektrisch voneinander isoliert und lediglich einen Uebergang thermischer Energie gestattet.
  • Der Mantel der Vorwärmepfanne (11), sowie der Mantel der Abschreckpfanne (21) sind mit der Sekundärwicklung (31) des Transformators (30) verbunden. Die Metallbäder (10) und (20) wirken somit als elektrische Kontaktbäder für den in der Pfeilrichtung hindurchgeleiteten Draht (1). Die mit Punkten versehene Drahtstrecke (G) entspricht der Glühstrecke innerhalb derer der Draht rasch auf etwa 1 000 °C aufgeheizt wird.
  • Im Inneren des Abschreckbades (20) befindet sich das kombinierte Heiz-Kühlaggregat (22), das beim Anfahren der Vorrichtung, sowie beim Abführen überschüssiger Energiemengen betätigt wird.
  • Nach dem Durchgang durch das Vorwärmebad (10) und die Glühstrecke (G) durchläuft der Draht (1) das Abschreckbad (20) in der entgegengesetzten Richtung und durchläuft abschliessend die umluftgekühlte Strecke (40).
  • Fig. 2 zeigt die Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung mit der Abschreckpfanne in gestreckter Form. Hierbei wird zusätzlich ein Pumpaggregat (23) zum Transport von thermischer Energie in die unmittelbare Umgebung der Vorwärmepfanne vorgesehen.
  • Die Drahtführung erfolgt stets in der gleichen Richtung. Demzufolge wirkt das Pumpaggregat (23) hier in entgegengesetzter Richtung zum Drahtvorschub.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Wärmebehandeln von langgestrecktem Metallgut, insbesondere von Draht, die generell zwei mit flüssigem Metall, vorzugsweise Blei, gefüllte Pfannen begreift, von denen eine als Vorwärmepfanne und die andere als Abschreckpfanne ausgebildet ist und die beide mit der Sekundärwicklung eines Transformators verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmepfanne in der Abschreckpfanne teilweise eintauchend angeordnet ist, wobei der Mantel der Vorwärmepfanne gegenüber dem flüssigen Metall der Abschreckpfanne bei einer möglichst hohen Wärmedurchlässigkeit eine vollkommene elektrische Isolierung aufweist.
2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umwälzen und zum thermischen Homogenisieren des Abschreckbades, innerhalb der Abschreckpfanne ein Pumpaggregat angeordnet ist.
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