EP0345205A1 - Method for tempering a hollow cylindrical steel product - Google Patents
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- EP0345205A1 EP0345205A1 EP89730122A EP89730122A EP0345205A1 EP 0345205 A1 EP0345205 A1 EP 0345205A1 EP 89730122 A EP89730122 A EP 89730122A EP 89730122 A EP89730122 A EP 89730122A EP 0345205 A1 EP0345205 A1 EP 0345205A1
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Definitions
- the invention relates to a method for hardening a cylindrical hollow body made of steel according to the preamble of patent claim 1.
- the immersion depth of a container closed on both sides depends on the extent to which its ends have to be cooled
- the practical immersion depth for pipes ie for hollow bodies that are open at the ends, depends on how uniform the material properties should be in the longitudinal direction of the pipe.
- the uniformity of the cooling on the outside of the tube does not depend on the immersion depth. This is different, however, when cooling the inside of the tube, since the coolant flowing in at the ends is exposed its way to the center is heated so that the cooling effect weakens towards the center. However, with increasing immersion depth, this effect becomes less pronounced.
- the cooling effect on the inside is sufficiently uniform over the entire length of the tube, even for tubes with a length of 60 times the diameter, in order to achieve continuous martensitic hardening, provided that the wall thickness is not too great (e.g. for one Tempering steel 34 CrMo 4 smaller than approx. 28 mm). For this reason, correspondingly large immersion depths can be regarded as advantageous for achieving uniform properties.
- a complete immersion of a pipe to be cooled should be avoided, however, since vapor bubbles form inside the pipe, which can escape only with difficulty when immersed and can lead to different cooling windings.
- the object of the invention is to provide a method and a device for its implementation, with which the cooling of hollow bodies during rotary diving can be significantly intensified and more evened out.
- the solution according to the invention provides for a swirling of the coolant below the rotating hollow body to be cooled (eg pipe).
- the swirling which could also be achieved, for example, by circulating pumps, is expediently brought about by introducing compressed air, for example with the aid of a nozzle tube arranged below the hollow body.
- This nozzle tube is located, for example, at the bottom of the coolant tank and runs parallel to the longitudinal axis of the hollow body to be cooled.
- the vapor layer (film evaporation) on the surface of the hollow body occurring in the first cooling phase at a high temperature level is destroyed and in the second cooling phase the resulting vapor bubbles (bubble evaporation) are detached from the surface more quickly.
- the cooling effect of the coolant is significantly increased.
- the vapor layer collapses and the vapor bubbles detach at low relative speeds between the cooling medium and the surface of the hollow body (e.g. pipe or container) Depends in particular on the nature of this surface (eg roughness), an increase in this relative speed as a result of the swirling in the case of unevenly constructed surfaces has the effect of making the cooling effect on the surface more uniform.
- the intensified cooling effect leads to a considerable reduction in cooling times, that is to say, a greater deterrent. This is achieved with extremely simple means (e.g. compressed air introduction). This means that the application area of existing rotary immersion systems can be expanded significantly without great effort. Not only can hollow bodies with thicker walls than previously be quenched, but it is also possible to successfully quench pipes or containers made of steel materials with low contents of alloy elements with the same wall thickness.
- the cooling effect can be reduced when the martensite start temperature is reached by simply switching off the compressed air supply.
- more gentle cooling can be set if necessary by increasing the speed of the hollow body to be cooled.
- the reduction in the immersion depth of the hollow body also results in a reduction in the cooling intensity; however, the risk increases that hollow bodies that are open on one or both sides cool faster on the inside at the open ends.
- One way of eliminating these different cooling effects on the inside of the hollow body is fundamentally possible by preventing the coolant from entering the interior of the hollow body from the outset. This can be done by temporarily fitting suitable caps on the open end faces of the hollow body. However, such a measure requires considerable handling or apparatus expenditure and therefore appears to be less desirable.
- the internal cooling which is reinforced at the open ends by the inflowing coolant is at least approximately compensated for by a corresponding weakening of the external cooling in this area.
- This is ensured by the swirling of the coolant bath in these end areas e.g. due to local reduction in the pressure of the compressed air supplied for swirling or the coolant supplied with increased pressure (e.g. pressurized water).
- This enables even microstructure formation (bainite) to be achieved with intercepting cooling even with sensitive materials.
- Pieces of steel tube of 178 mm in diameter, 14.5 mm in wall thickness and 1500 mm in length were uniformly heated to 980 ° C. in an oven and inserted at a starting temperature of 960 ° C. in a rotary immersion system with a water bath.
- the rotary immersion device could be lowered so that the pipe sections could be lifted out of the water bath after predetermined quenching times in order to be able to determine the pipe compensation temperature.
- the immersion depth was 90% of the pipe diameter and the speed of the pipe was 80 rpm.
- FIGS. 5 and 6 The effectiveness of the invention in a procedure according to claim 6 is shown in the measurement results in FIGS. 5 and 6, which were determined on another steel tube which was cooled on a system which is shown schematically in FIG.
- the material and pipe dimensions corresponded to those of the comparative test according to FIGS. 2 and 3.
- FIG. 4 a large number of arrows indicate that the compressed air supply for swirling the coolant bath below the immersed pipe 1 in the area of the pipe start 1a and the pipe end 1b into individual nozzle strips 2a and 2b 2b is divided, which can be subjected to different pressures.
- 8 individual nozzle strips 2a and 2b each with an individual length of 350 mm have been provided on the two pipe ends 1a, 1b.
- a continuous nozzle strip 2 is arranged in the central region of the tube 1. In principle, this makes it possible to cool a partial length of approximately 3 m each at the two pipe ends to different degrees compared to the central region.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten eines zylindrischen Hohlkörpers aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for hardening a cylindrical hollow body made of steel according to the preamble of patent claim 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der auf die gleiche Anmelderin zurückgehenden DE-PS 37 21 665 bekannt. Dieses Verfahren sieht vor, zur Vermeidung von Härterissen beim Drehtauchen die Drehzahl des abzukühlenden Hohlkörpers bei Erreichen der Martensitstarttemperatur deutlich zu erhöhen. Insbesondere bei Behältern, also bei Hohlkörpern mit geschlossenen Stirnflächen hat dieses Verfahren gute Ergebnisse erbracht.Such a method is known from DE-PS 37 21 665, which goes back to the same applicant. This method provides for the speed of the hollow body to be cooled to be significantly increased when the martensite start temperature is reached in order to avoid hard cracks during rotary diving. This method has given good results, in particular for containers, that is to say for hollow bodies with closed end faces.
Beim Härten derartiger Gegenstände ist es aber auch wichtig, daß die Abkühlung möglichst ohne zu starke örtliche Unterschiede der Kühlwirkung erfolgt, damit insgesamt eine einheitliche Gefügeausbildung sichergestellt ist. örtlich unterschiedliche Kühlwirkungen können wegen der verschiedenen spezifischen Volumina der Gefügearten zu erheblichen Deformierungen des Hohlkörpers führen. Dies macht nicht nur eine vielfach aufwendige Nachbearbeitung der Hohlkörper erforderlich, sondern erschwert z.B. im Falle von Stahlrohren häufig die Weiterverarbeitung (z.B. Transportstörungen durch krumme Rohre).When hardening such objects, however, it is also important that the cooling takes place as far as possible without excessive local differences in the cooling effect, so that overall a uniform structure is ensured. locally different cooling effects can lead to considerable deformations of the hollow body due to the different specific volumes of the structure types. This not only requires the hollow body to be reworked in many ways, but also makes it more difficult, e.g. in the case of steel pipes, often further processing (e.g. transport disruptions due to curved pipes).
Während sich die Eintauchtiefe eines beidseitig geschlossenen Behälters danach bestimmt, in welchem Maße seine Enden gekühlt werden müssen, richtet sich die zweckmäßige Eintauchtiefe bei Rohren, d.h. bei an den Enden offenen Hohlkörpern danach, wie gleichmäßig die Werkstoffeigenschaften in Längsrichtung des Rohres sein sollen. Die Gleichmäßigkeit der Kühlung auf der Außenseite des Rohres hängt nicht von der Eintauchtiefe ab. Anders ist dies jedoch bei der Kühlung der Innenseite des Rohres, da das an den Enden einströmende Kühlmittel auf seinem Weg zur Mitte hin erhitzt wird, so daß sich die Kühlwirkung zur Mitte hin abschwächt. Mit zunehmender Eintauchtiefe wird dieser Effekt jedoch immer weniger ausgeprägt. Bei Eintauchtiefen über 80 % des Durchmessers ist die Kühlwirkung auf der Innenseite selbst bei Rohren mit einer Länge des 60-fachen Durchmessers über die gesamte Rohrlänge ausreichend gleichmäßig, um eine durchgehende martensitische Härtung zu erzielen, sofern die Wanddicke nicht zu groß ist (z.B. bei einem Vergütungsstahl 34 CrMo 4 kleiner als ca. 28 mm). Aus diesem Grund sind entsprechend große Eintauchtiefen als vorteilhaft anzusehen für die Erzielung gleichmäßiger Eigenschaften. Ein vollständiges Eintauchen eines abzukühlenden Rohres sollte jedoch vermieden werden, da sich Dampfblasen im Rohrinneren ausbilden, die im getauchten Zustand nur schwer entweichen und zu unterschiedlicher Kühlwickung führen können.While the immersion depth of a container closed on both sides depends on the extent to which its ends have to be cooled, the practical immersion depth for pipes, ie for hollow bodies that are open at the ends, depends on how uniform the material properties should be in the longitudinal direction of the pipe. The uniformity of the cooling on the outside of the tube does not depend on the immersion depth. This is different, however, when cooling the inside of the tube, since the coolant flowing in at the ends is exposed its way to the center is heated so that the cooling effect weakens towards the center. However, with increasing immersion depth, this effect becomes less pronounced. At immersion depths over 80% of the diameter, the cooling effect on the inside is sufficiently uniform over the entire length of the tube, even for tubes with a length of 60 times the diameter, in order to achieve continuous martensitic hardening, provided that the wall thickness is not too great (e.g. for one Tempering steel 34
Bei Rohren mit relativ großem Durchmesser (oberhalb etwa 240 mm Durchmesser) findet meistens trotz geringer Eintauchtiefe noch eine relativ gleichmäßige Innenkühlung und damit auch eine gleichmäßige Gesamtkühlung statt. Problematisch sind die Verhältnisse jedoch bei Rohren mit kleineren Durchmessern oder bei einseitig offenen Behältern, da die wärme- und strömungstechnischen Bedingungen dabei erheblich ungünstiger sind. Dies gilt insbesondere für den Fall einer abfangenden Kühlung zur Erzielung eines bainitischen Gefüges, das nach dem Abschrecken ohne weiteres Anlassen günstige mechanische Eigenschaften aufweist (vgl. Kurve 2a in Figur 1). Bei einer martensitischen Durchhärtung (Kurven 1-3 in Figur 1), d.h. bei einer Abschreckung bis auf Kühlmitteltemperatur kann eine einheitliche Gefügeausbildung dagegen in der Regel durch eine geeignete Werkstoffauswahl für den Hohlkörper sichergestellt werden, so daß auch größere Kühlwirkungsunterschiede noch verkraftbar sind.In the case of pipes with a relatively large diameter (above approximately 240 mm diameter), a relatively uniform internal cooling and therefore also a uniform overall cooling usually takes place despite the low immersion depth. However, the situation is problematic for pipes with smaller diameters or for containers that are open on one side, since the thermal and fluidic conditions are considerably less favorable. This applies in particular to the case of intermittent cooling to achieve a bainitic structure which, after quenching, has favorable mechanical properties without further tempering (cf.
Es ist bekannt, daß die kühlwirkung flüssiger Kühlmittel sehr stark von der Oberflächentemperatur des abzukühlenden Gegenstandes abhängt. Je höher diese Temperatur ist, umso geringer ist die Abschreckwirkung. Beim Vergüten von Gegenständen aus Stahl kommt es häufig aber gerade darauf an, den hohen Temperaturbereich, d.h. den Bereich zwischen Austenitisierungstemperatur und Martensitstarttemperatur bzw. einsetzender Bainitbildung schnell zu durchfahren, um das Entstehen unerwünschter Gefügebestandteile (z.B. Ferrit und Perlit) zu verhindern. Auf der anderen Seite sollte der Temperaturbereich der Martensitbildung möglichst langsam durchfahren werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Wanddicke zu gewährleisten und damit die Entstehung von Eigenspannungen in der Rohrwand möglichst zu vermeiden.It is known that the cooling effect of liquid coolants depends very much on the surface temperature of the object to be cooled. The higher this temperature, the lower the quenching effect. When tempering steel objects, it is often important to ensure that the high temperature range, i.e. to quickly pass through the area between the austenitizing temperature and the martensite starting temperature or the onset of bainite formation in order to prevent the formation of undesirable structural components (e.g. ferrite and pearlite). On the other hand, the temperature range of the martensite formation should be passed through as slowly as possible in order to ensure an even temperature distribution over the wall thickness and thus to avoid the creation of residual stresses in the pipe wall as far as possible.
Insbesondere hinsichtlich der Steuerung einer Verminderung der Abkühlintensität führt die Verfahrensweise gemäß DE-PS 37 21 665 zu guten Ergebnissen. Dagegen besteht (insbesondere bei der Behandlung dickwandiger Rohre) vielfach der Wunsch, die Kühlwirkung beim Drehtauchen der abzuschreckenden Hohlkörper über das bisher als realisierbar angesehene Maß zu erhöhen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Kühlwirkung aufgrund unregelmäßiger Oberflächenbeschaffenheit der abzuschreckenden Hohlkörper (z.B. durch Zunder) die Kühlwirkung ungleichmäßig ausfällt.The procedure according to DE-PS 37 21 665 leads to good results, in particular with regard to controlling a reduction in the cooling intensity. On the other hand, there is often a desire (in particular for the treatment of thick-walled tubes) to increase the cooling effect when the hollow bodies to be quenched are rotated to be increased beyond what was previously considered feasible. Another problem is that the cooling effect is uneven due to the irregular surface properties of the hollow bodies to be quenched (e.g. by scale).
Aus der EP 0 086 988 A1 ist es für eine Abkühlvorrichtung, in der stillstehende Rohre in einem bewegten Kühlmittelbad innen und außen mit Kühlwasser beaufschlagt werden, bekannt, eine Verminderung der Kühlwirkung infolge Dampfblasenansammlung auf der Innenseite der vollständig eingetauchten Rohre dadurch zu vermeiden, daß in das durch eine Düse an der Rohrstirnseite in einer schraubenlinienförmigen Strömung zugeführte Wasser Druckluft injiziert wird. Auf eine Steigerung der Kühlwirkung durch Druckluft bei einer Rohraußenkühlung ergeben sich daraus keine Hinweise.From
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, mit dem die Abkühlung von Hohlkörpern beim Drehtauchen wesentlich intensiviert und stärker vergleichmäßigt werden kann.The object of the invention is to provide a method and a device for its implementation, with which the cooling of hollow bodies during rotary diving can be significantly intensified and more evened out.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 - 8 gekennzeichnet. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 ausgestattet. Die Ansprüche 10 bis 12 geben zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.This object is achieved according to the invention by a method having the features of patent claim 1; Advantageous further developments of this method are characterized in the subclaims 2-8. An apparatus for performing this method is equipped according to the invention with the features of claim 9.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Durchwirbelung des Kühlmittels unterhalb des abzukühlenden, sich drehenden Hohlkörpers (z.B. Rohr) vor. Die Durchwirbelung, die z.B. auch durch Umwälzpumpen erreicht werden könnte, wird zweckmäßigerweise durch Einleitung von Druckluft z.B. mit Hilfe eines unterhalb des Hohlkörpers angeordneten Düsenrohres bewirkt. Dieses Düsenrohr befindet sich z.B. am Boden des Kühlmittelbeckens und verläuft parallel zur Längsachse des abzukühlenden Hohlkörpers. An seiner Oberseite befinden sich zahlreiche Bohrungen, durch die die Druckluft entweichen kann, die auf dem Weg zur Oberfläche des Kühlmittelbades für eine starke Durchwirbelung sorgt. Hierdurch wird offenbar die in der ersten Abkühlphase auf hohem Temperaturniveau auftretende Dampfschicht (Filmverdampfung) auf der Oberfläche des Hohlkörpers zerstört und werden in der zweiten Abkühlphase die entstehenden Dampfblasen (Blasenverdampfung) schneller von der Oberfläche abgelöst. Als Folge wird die Kühlwirkung des Kühlmittels deutlich erhöht. Da das Zusammenbrechen der Dampfschicht und das Ablösen der Dampfblasen bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten zwischen Kühlmedium und der Oberfläche des Hohlkörpers (z.B. Rohr oder Behälter) insbesondere von der Beschaffenheit dieser Oberfläche (z.B. Rauhigkeit) abhängt, wirkt sich eine Erhöhung dieser Relativgeschwindigkeit infolge der Durchwirbelung bei ungleichmäßig beschaffenen Oberflächen im Sinne einer Vergleichmäßigung der Kühlwirkung auf der Oberfläche aus.The solution according to the invention provides for a swirling of the coolant below the rotating hollow body to be cooled (eg pipe). The swirling, which could also be achieved, for example, by circulating pumps, is expediently brought about by introducing compressed air, for example with the aid of a nozzle tube arranged below the hollow body. This nozzle tube is located, for example, at the bottom of the coolant tank and runs parallel to the longitudinal axis of the hollow body to be cooled. There are numerous holes on its top through which the compressed air can escape, which causes a strong swirl on the way to the surface of the coolant bath. As a result, the vapor layer (film evaporation) on the surface of the hollow body occurring in the first cooling phase at a high temperature level is destroyed and in the second cooling phase the resulting vapor bubbles (bubble evaporation) are detached from the surface more quickly. As a result, the cooling effect of the coolant is significantly increased. As the vapor layer collapses and the vapor bubbles detach at low relative speeds between the cooling medium and the surface of the hollow body (e.g. pipe or container) Depends in particular on the nature of this surface (eg roughness), an increase in this relative speed as a result of the swirling in the case of unevenly constructed surfaces has the effect of making the cooling effect on the surface more uniform.
Die intensivierte Kühlwirkung führt zu einer erheblichen Reduzierung der Kühlzeiten, also zu einer stärkeren Abschreckung. Dies wird mit äußerst einfachen Mitteln (z.B. Drucklufteinleitung) erreicht. Damit kann der Anwendungsbereich bestehender Drehtauchanlagen ohne großen Aufwand wesentlich erweitert werden. Es können nämlich nicht nur Hohlkörper mit dickeren Wänden als bisher abgeschreckt werden, sondern es ist auch möglich, bei gleicher Wanddicke Rohre oder Behälter aus Stahlwerkstoffen mit geringen Gehalten an Legierungselementen erfolgreich abzuschrecken.The intensified cooling effect leads to a considerable reduction in cooling times, that is to say, a greater deterrent. This is achieved with extremely simple means (e.g. compressed air introduction). This means that the application area of existing rotary immersion systems can be expanded significantly without great effort. Not only can hollow bodies with thicker walls than previously be quenched, but it is also possible to successfully quench pipes or containers made of steel materials with low contents of alloy elements with the same wall thickness.
Die Verringerung der Abkühlwirkung bei Erreichen der Martensitstarttemperatur ist durch einfaches Abschalten der Druckluftzufuhr möglich. Darüber hinaus kann auch durch Erhöhung der Drehzahl des abzukühlenden Hohlkörpers bei Bedarf eine schonendere Kühlung eingestellt werden. Schließlich bringt auch die Verminderung der Eintauchtiefe des Hohlkörpers eine Verringerung der Kühlintensität mit sich; allerdings erhöht sich dabei die Gefahr, daß einseitig oder beidseitig offene Hohlkörper auf der Innenseite an den offenen Enden schneller abkühlen. Eine Möglichkeit zur Ausschaltung dieser unterschiedlichen Kühlwirkungen auf der Innenseite der Hohlkörper ist grundsätzlich dadurch realisierbar, daß man den Zutritt des Kühlmittels in das Innere des Hohlkörpers von vornherein ausschließt. Dies kann durch das vorübergehende Anbringen geeigneter Verschlußdeckel an den offenen Stirnflächen der Hohlkörper erfolgen. Eine solche Maßnahme erfordert jedoch einen erheblichen Handhabungs- bzw. Apparateaufwand und erscheint deswegen weniger erstrebenswert.The cooling effect can be reduced when the martensite start temperature is reached by simply switching off the compressed air supply. In addition, more gentle cooling can be set if necessary by increasing the speed of the hollow body to be cooled. Finally, the reduction in the immersion depth of the hollow body also results in a reduction in the cooling intensity; however, the risk increases that hollow bodies that are open on one or both sides cool faster on the inside at the open ends. One way of eliminating these different cooling effects on the inside of the hollow body is fundamentally possible by preventing the coolant from entering the interior of the hollow body from the outset. This can be done by temporarily fitting suitable caps on the open end faces of the hollow body. However, such a measure requires considerable handling or apparatus expenditure and therefore appears to be less desirable.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist daher insbesondere für Stahlrohre unter 240 mm Durchmesser vorgesehen, daß die an den offenen Enden durch das einströmende Kühlmittel dort verstärkte Innenkühlung zumindest annähernd durch eine entsprechende Abschwächung der Außenkühlung in diesem Bereich kompensiert wird. Dies wird dadurch gewährleistet, daß die Durchwirbelung des Kühlmittelbades in diesen Endbereichen z.B. durch örtliche Verringerung des Drucks der zur Durchwirbelung zugeführten Druckluft oder des mit erhöhtem Druck zugeführten Kühlmittels (z.B. Druckwasser) weniger stark erfolgt. Damit läßt sich selbst bei empfindlichen Werkstoffen bei einer abfangenden Kühlung eine gleichmäßige Gefügeausbildung (Bainit) erzielen. Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiele näher erläutert.In an advantageous further development of the invention, it is therefore provided, in particular for steel pipes with a diameter of less than 240 mm, that the internal cooling which is reinforced at the open ends by the inflowing coolant is at least approximately compensated for by a corresponding weakening of the external cooling in this area. This is ensured by the swirling of the coolant bath in these end areas e.g. due to local reduction in the pressure of the compressed air supplied for swirling or the coolant supplied with increased pressure (e.g. pressurized water). This enables even microstructure formation (bainite) to be achieved with intercepting cooling even with sensitive materials. The effectiveness of the method according to the invention is explained in more detail with reference to the comparative examples described below.
Stahlrohrstücke von 178 mm Durchmesser, 14,5 mm Wanddicke und 1500 mm Länge wurden einheitlich auf 980°C in einem Ofen aufgeheizt und mit einer Starttemperatur von 960°C in eine Drehtauchanlage mit Wasserbad eingesetzt. Die Drehtauchvorrichtung war absenkbar, so daß die Rohrstücke nach vorgegebenen Abschreckzeiten wieder aus dem Wasserbad herausgehoben werden konnten, um die Rohrausgleichstemperatur feststellen zu können. In einem ersten Vergleichsversuch betrug die Eintauchtiefe jeweils 90 % des Rohrdurchmessers und die Drehzahl des Rohres 80 U/min.Pieces of steel tube of 178 mm in diameter, 14.5 mm in wall thickness and 1500 mm in length were uniformly heated to 980 ° C. in an oven and inserted at a starting temperature of 960 ° C. in a rotary immersion system with a water bath. The rotary immersion device could be lowered so that the pipe sections could be lifted out of the water bath after predetermined quenching times in order to be able to determine the pipe compensation temperature. In a first comparison test, the immersion depth was 90% of the pipe diameter and the speed of the pipe was 80 rpm.
Bei herkömmlicher Verfahrensweise stellte sich nach einer Kühlzeit von 18 sek eine Ausgleichstemperatur im Rohr von 575°C ein; bei erfindungsgemäßer Druckluftzufuhr von 0,25 bar Überdruck dagegen lag die Ausgleichstemperatur nach nur 10 sek bereits bei 510°C und nach 12 sek bei 450°C.In the conventional procedure, a cooling temperature of 575 ° C. was established in the tube after a cooling time of 18 seconds; with a compressed air supply according to the invention of 0.25 bar overpressure, however, the compensation temperature was already 510 ° C. after only 10 seconds and 450 ° C. after 12 seconds.
In einem zweiten Versuch wurden zwei gleiche Rohre bei gleicher Einsatztemperatur wie im ersten Versuch, aber mit einer Eintauchtiefe von jeweils 50 % des Rohrdurchmessers eingetaucht und bei 80 U/min unter Drucklufteinleitung in der Drehtauchanlage abgekühlt. Der Überdruck der Druckluft betrug beim ersten Rohr 0,25 bar und beim zweiten 0,5 bar. Nach 12 sek Abschreckzeit stellte sich im ersten Rohr eine Ausgleichstemperatur von 600°C und im zweiten eine Ausgleichstemperatur von 453°C ein.In a second experiment, two identical tubes were immersed at the same operating temperature as in the first experiment, but with an immersion depth of 50% of the tube diameter, and cooled at 80 rpm with compressed air being introduced into the rotary immersion system. The pressure of the compressed air was 0.25 bar for the first pipe and 0.5 bar for the second. After a quenching time of 12 seconds, a compensation temperature of 600 ° C. was set in the first tube and a compensation temperature of 453 ° C. in the second.
Diese Ergebnisse zeigen bereits deutlich, daß die Kühlwirkung durch die Einleitung von Druckluft erheblich gesteigert werden konnte. Die Kühlzeit verminderte sich gegenüber dem bisherigen Stand der Technik bis auf etwa die Hälfte.These results already clearly show that the cooling effect could be increased considerably by introducing compressed air. The cooling time was reduced to about half compared to the prior art.
Die Unzulänglichkeit der bisherigen Vorgehensweise beim Abkühlen von Hohlkörpern mit offenen Stirnseiten in einer konventionellen Drehtauchanlage zeigt sich an den in Figur 2 und 3 dargestellten Meßergebnissen an einem Stahlrohr mit 178 mm Durchmesser, 14 mm Wanddicke und 15 m Länge. Dieses Rohr wurde gezielt von 920 °C auf eine mittlere Temperatur von 450 °C abgeschreckt, un ein bainitisches Gefüge zu erzielen. Die tatsächliche Temperaturverteilung war jedoch, wie Figur 2 zeigt, extrem unterschiedlich. Während an den Enden bereits Temperaturen unter 400 °C vorlagen, war der mittlere Bereich noch auf Temperaturen um bzw. oberhalb 600 °C. Das heißt die vorliegenden Temperaturdifferenzen betrugen bis zu 250 K. Dies führte zu einer entsprechend unterschiedlichen Gefügeausbildung, die sich z.B. in den in Figur 3 dargestellten über die Rohrlänge stark unterschiedlichen Streckgrenzenwerten Rt0,5 dokumentieren.The inadequacy of the previous procedure when cooling hollow bodies with open end faces in a conventional rotary immersion system is evident from the measurement results shown in FIGS. 2 and 3 on a steel tube with a diameter of 178 mm, a wall thickness of 14 mm and a length of 15 m. This tube was quenched from 920 ° C to an average temperature of 450 ° C in order to achieve a bainitic structure. The actual temperature distribution, however, was extremely different, as shown in FIG. 2. While at the ends temperatures were already below 400 ° C, the middle range was still around or above 600 ° C. This means that the present temperature differences were up to 250 K. This led to a correspondingly different structure, which is documented, for example, in the yield point values R t0.5 which differ greatly over the pipe length.
Während die Werte an den Enden bei etwa 700 N/mm² liegen, weil dort das angestrebte bainitische Gefüge entstanden ist (entsprechend Kurve 2/2a in Fig. 1), sind im mittleren Bereich (ca. 2-3 m von den Rohrenden entfernt) Werte von 465 - 495 N/mm² festzustellen, die auf ein überwiegend ferritisch/perlitisches Gefüge hindeuten (entsprechend Kurve 3/3a in Fig. 1).While the values at the ends are around 700 N / mm², because this is where the desired bainitic structure has arisen (corresponding to
Die Wirksamkeit der Erfindung bei einer Verfahresweise gemäß Anspruch 6 zeigt sich in den Meßergebnissen in Figur 5 und 6, die an einem anderen Stahlrohr ermittelt wurden, das auf einer Anlage abgekühlt wurde, welche schematische in Figur 4 dargestellt ist. Werkstoff und Rohrabmessungen entsprachen denen des Vergleichsversuchs gemäß Figur 2 und 3. In Figur 4 ist durch eine Vielzahl von Pfeilen angedeutet, daß die Druckluftzufuhr zur Verwirbelung des Kühlmittelbads unterhalb des eingetauchten Rohres 1 im Bereich des Rohranfangs 1a und des Rohrendes 1b in einzelne Düsenleisten 2a bzw. 2b aufgeteilt ist, die mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt werden können. Im vorliegenden Beispiel sind jeweils 8 einzelne Düsenleisten 2a bzw. 2b von 350 mm Einzellänge an den beiden Rohrenden 1a, 1b vorgesehen worden. Im mittleren Bereich des Rohres 1 ist eine durchgehende Düsenleiste 2 angeordnet. Dadurch ist es prinzipiell möglich, eine Teillänge von jeweils etwa 3 m an den beiden Rohrenden unterschiedlich stark gegenüber dem mittleren Bereich zu kühlen.The effectiveness of the invention in a procedure according to
Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 5 und 6 wurden lediglich jeweils die zwei äußersten Düsenleisten 2a, 2b mit Druckluft beaufschlagt, deren Druck auf 1,3 bar abgesenkt war, während alle anderen Düsenleisten 2a, 2b und die durchgehende Düsenleiste 2 mit Druckluft von 2,5 bar betrieben wurden. Die Länge der weniger intensiv von außen gekühlten Rohrenden betrug somit an jeder Seite etwa 700 mm. Die Tauchtiefe des Rohres 1 war mit 90 % festgesetzt worden.In the case of the exemplary embodiment according to FIGS. 5 and 6, only the two
Unter diesen Bedingungen ergab sich die sehr gleichmäßige Temperaturverteilung über die Rohrlänge von etwa 15 m, wie sie in Figur 5 dargestellt ist. Der Streubereich ist auf eine Bandbreite von etwa 30 K zusammengeschrumpft, so daß die angestrebte Temperatur bei der abfangenden Kühlung überall praktisch erreicht wurde. Dementsprechend gleichmäßig ist auch das entstandene bainitische Gefüge. Dies zeigt sich an den gleichmäßigen Streckgrenzenwerten von 670 - 690 N/mm² gemäß Figur 6.Under these conditions, the very uniform temperature distribution over the pipe length of about 15 m resulted, as shown in FIG. 5. The scattering range has shrunk to a range of about 30 K, so that the desired temperature for the intercepting cooling was practically reached everywhere. The resulting bainitic structure is correspondingly uniform. This can be seen from the uniform yield strength values of 670 - 690 N / mm² according to FIG. 6.
Um eine Abkühlanlage gemäß Figur 4 z.B. für eine Stahlrohrproduktion möglichst effektiv und flexibel (unterschiedliche Rohrabmessungen und Werkstoffe) betreiben zu können, bietet sich eine elektronische Steuerung an, die die Länge des jeweils abzukühlenden Rohres beim Austritt aus dem Austenitisierungsofen mißt und unter Berücksichtigung der Tauchtiefe, der Temperatur, des Werkstoffs, des Durchmessers und der Wanddicke des Rohres die Lage und Länge der stärker bzw. weniger stark zu kühlenden Zonen ermittelt und schließlich die entsprechenden Düsenleisten mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt.To a cooling system according to Figure 4 e.g. To be able to operate steel pipe production as effectively and flexibly as possible (different pipe dimensions and materials), an electronic control system is available that measures the length of the pipe to be cooled when it exits the austenitizing furnace and takes into account the depth, temperature, material, etc. Diameter and the wall thickness of the tube, the position and length of the zones to be cooled to a greater or lesser extent are determined and finally the appropriate nozzle strips are pressurized.
Claims (12)
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlmittelbad unterhalb des Hohlkörpers zumindest zeitweilig durchwirbelt wird.1. A method for hardening a cylindrical hollow body made of steel as part of a heat treatment, the hollow body heated to the austenitizing temperature being cooled in a coolant bath, in particular a water bath, in such a way that its longitudinal axis is aligned parallel to the bath level of the coolant bath, only with part of its surface is immersed in the coolant bath and rotated about its longitudinal axis,
characterized,
that the coolant bath is whirled at least temporarily below the hollow body.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Durchwirbelung mittels in das Kühlmittelbad eingeblasener Preßluft erfolgt.2. The method according to claim 1,
characterized,
that the swirling takes place by means of compressed air blown into the coolant bath.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Durchwirbelung bei Erreichen der Martensitstarttemperatur beendet wird.3. The method according to claim 1 or 2,
characterized,
that the swirling is stopped when the martensite start temperature is reached.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Tauchtiefe des Hohlkörpers bei Erreichen der Martensitstarttemperatur verringert wird.4. The method according to any one of claims 1-3,
characterized,
that the depth of the hollow body is reduced when the martensite start temperature is reached.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehzahl des Hohlkörpers nach Erreichen der Martensitstarttemperatur erhöht wird.5. The method according to any one of claims 1-4,
characterized,
that the speed of the hollow body is increased after reaching the martensite start temperature.
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Abkühlen des mindestens an einer Stirnseite offenen Hohlkörpers die Durchwirbelung jeweils im Bereich des bzw. der Enden mit einer offenen Stirnseite weniger stark erfolgt als im mittleren Bereich und ggf. in dem Endbereich mit geschlossener Stirnseite des Hohlkörpers, wobei die Abschwächung der Durchwirbelung in der Weise dosiert ist, daß die damit verbundene schwächere äußere Wärmeabfuhr etwa der stärkeren Innenkühlung in diesen Endbereichen entspricht.6. The method according to any one of claims 1-5,
characterized,
that when the hollow body, which is open at least on one end face, cools down, the swirling takes place less strongly in the region of the end or ends with an open end face than in the central region and possibly in the end region with the closed end face of the hollow body, the weakening of the swirling in the It is metered in such a way that the associated weaker external heat dissipation corresponds approximately to the stronger internal cooling in these end regions.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Durchwirbelung durch Druckluftzufuhr mit zonenweise unterschiedlichem Druck vorgenommen wird.7. The method according to claim 6,
characterized,
that the whirling is carried out by supplying compressed air at zones with different pressure.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Durchwirbelung zeitweilig nur im mittleren Bereich und ggf. im Bereich der geschlossenen Stirnseite vorgenommen wird.8. The method according to claim 6 or 7,
characterized,
that the vortexing is temporarily carried out only in the central area and possibly in the area of the closed end face.
dadurch gekennzeichnet,
daß unterhalb der gedachten Achse des zylindrischen Hohlkörpers und unterhalb des vorgesehenen Badspiegels des Kühlmittels ein System von Düsen (2, 2a, 2b) angeordnet ist, durch die Druckgas in das Kühlmittelbad einblasbar ist.9. Device for carrying out the method according to claim 1 with a container for receiving a coolant bath and with a rotating device for rotating horizontally lying cylindrical hollow bodies in the coolant bath,
characterized,
that a system of nozzles (2, 2a, 2b) is arranged below the imaginary axis of the cylindrical hollow body and below the intended bath level of the coolant, through which compressed gas can be blown into the coolant bath.
dadurch gekennzeichnet,
daß das Düsensystem als horizontal angeordnetes Rohrstück ausgebildet ist, dessen Wand im Bereich seiner obersten Mantellinie zahlreiche Bohrungen aufweist.10. The device according to claim 9,
characterized,
that the nozzle system is designed as a horizontally arranged pipe section, the wall of which has numerous bores in the region of its uppermost surface line.
dadurch gekennzeichnet,
daß das Düsen (2, 2a, 2b) einzeln oder zonenweise zusammengefaßt mit voneinander unterschiedlichen Betriebsdrücken beaufschlagbar sind.11. The device according to claim 9,
characterized,
that the nozzles (2, 2a, 2b), individually or in zones, can be acted upon with different operating pressures.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehvorrichtung auf unterschiedliche Höhen gegenüber dem Badspiegel einstellbar ist.12. The device according to claim 6 or 7,
characterized,
that the rotating device is adjustable to different heights compared to the bathroom mirror.
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