EP0395191A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen eines langgestreckten zylindrischen Körpers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen eines langgestreckten zylindrischen Körpers Download PDF

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EP0395191A1
EP0395191A1 EP90250103A EP90250103A EP0395191A1 EP 0395191 A1 EP0395191 A1 EP 0395191A1 EP 90250103 A EP90250103 A EP 90250103A EP 90250103 A EP90250103 A EP 90250103A EP 0395191 A1 EP0395191 A1 EP 0395191A1
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EP
European Patent Office
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cooling
rollers
contact
cooled
cooling medium
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Withdrawn
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EP90250103A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Dr. Ing. Schroeder
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Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
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Publication date
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Publication of EP0395191A1 publication Critical patent/EP0395191A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B45/00—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B45/02—Devices for surface or other treatment of work, specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills for lubricating, cooling, or cleaning
    • B21B45/0203—Cooling
    • B21B45/0209—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants
    • B21B45/0215—Cooling devices, e.g. using gaseous coolants using liquid coolants, e.g. for sections, for tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B15/00—Arrangements for performing additional metal-working operations specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, metal-rolling mills
    • B21B2015/0071—Levelling the rolled product

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a metallic, elongated cylindrical body heated to a certain temperature according to the preamble of the main claim.
  • the object of the invention is to provide a method for cooling a metallic, elongated cylindrical body, in particular a steel tube, in which the body is cooled in the form of a sub-step according to a flow production and the material properties are improved and made more uniform.
  • a plurality of surface areas of the helically moving body which are separated from one another, are brought into rolling contact with the element which is constantly acted upon by the cooling medium, for example water, several times over a period of time under the action of pressure.
  • the cooling medium for example water
  • heat transfer coefficients of at least 10 terrorism (Watt / m2 K) to 105 (Watt / m2 K) can be achieved, which are significantly higher than the values that can be achieved with laminar cooling.
  • the faster cooling that can be achieved with the higher heat transfer coefficients can advantageously be used to improve the material properties.
  • Another advantage of the proposed method is that the material characteristics achieved are evened out, since each surface element of the body to be cooled is subjected to the same treatment and areas with increased cooling are avoided.
  • the degree of cooling can be changed in a targeted manner by varying the duration of the contact time and increasing or reducing the number of surface areas of the body to be cooled that are in contact.
  • the proposed method is also suitable for directing the body to be cooled. To this end, it is further developed to make the contact pressure of the element variable, in such a way that the contact pressure of the element increases continuously or in sections in the transport direction. This procedure has the effect that, at the beginning of the process, cooling is predominant and, at the same time, straightening at the end.
  • the device proposed for carrying out the method has a plurality of roller sets arranged at a distance from one another, in which preferably two opposing rollers or three or four rollers with a hyperbolic contour distributed symmetrically over the circumference are arranged.
  • the rollers of the roller sets are acted upon by the cooling medium at a certain point on the circumference, in such a way that the cooling medium is pressed into the contact zone and forms a cooling wedge there.
  • the size of this cooling wedge is set by the coolant pressure and the amount of coolant.
  • the position of the rollers can be changed with regard to the size of the contact pressure and the degree of inclination to the transprot axis. This allows the contact duration and the type of contact to be varied.
  • the last-mentioned parameter can be set so that in the inlet area of the cooling device the contact zones of the body to be cooled with the rollers are separated from one another by a thin film of water under high pressure and in the outlet area the contact zones are metallic on one another.
  • the high pressure prevailing in the gap prevents the occurrence of the Leidenfrostschen phenomenon.
  • With an even greater contact pressure there is direct metallic contact, so that apart from the cooling, the device also acts as a straightening machine. This eliminates the need for final straightening, as is normally the case after heat treatment.
  • the number of roller sets to be arranged in the cooling device according to the invention essentially depends on the throughput speed, the dimension of the body to be cooled, the desired end temperature and the cooling speed.
  • a minimum number of three roller sets is proposed, which are optionally arranged in a plane that is offset from one another by a certain angle.
  • the cooling effect can also by the choice of the size of the rollers can be influenced, the cooling effect being increased with increasing size. However, the increasing design effort places limits on excessive roll dimensions.
  • the device can be used as a pure continuous system or as a system with a change in the direction of transport.
  • roller stands are used which can be opened laterally, so that the body to be cooled can be removed from the side in a manner similar to that in the outlet of a cross-rolling mill.
  • Fig. 1 the device according to the invention is shown in longitudinal section.
  • the tube 1 to be cooled is in full engagement in this representation, so that the maximum number of surface areas 2 of the tube 1 are in contact with the hyperbolic rollers 3.
  • All rollers 3 rotate in the same direction, shown here by the arrows 6 and by the oblique position of the rollers 3, 3 ', the tube 1 moves helically, here indicated by the arrow 4, through the device.
  • each roller set has two opposing rollers 3, 3 'and the distances 5 between the roller sets are the same.
  • all roller sets are on the same level, comparable to a straightening machine.
  • the tube 1 to be cooled lies with two surface areas in a line on the cooled rollers 3, 3 '.
  • the cooling medium for example water
  • the cooling medium is brought via a line 7, 7 'to the roller 3, 3' and a portion 8, 8 'of the peripheral surface of the rollers 3, 3' is acted upon.
  • the angle between the roller axis and the longitudinal axis of the tube 1 to be cooled can be changed as well as the contact pressure of the rollers 3, 3 '.
  • the desired cooling capacity can be varied within a certain range via the choice of the number of arranged roller sets and the size of the rollers 3.3 '.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abkühlen eines metallischen auf eine bestimmte Temperatur erwärmten, langgestreckten zylindrischen Körpers (1), insbesondere eines Stahlrohres, der schraubenlinienförmig transportiert und dabei gleichzeitig mittels eines Kühlmediums abgekühlt wird. Um ein Verfahren zum Abkühlen eines metallischen, langgestreckten zylindrischen Körpers, insbesondere eines Stahlrohres anzugeben, bei dem der Körper in Form eines Teilschrittes eines Fließfertigung entsprechend abgekühlt und die Werkstoffkennwerte verbessert und vergleichmäßigt werden, wird vorgeschlagen, daß mehrere voneinander getrennt liegende Oberflächenbereiche (2) der sich bewegenden Körpers gleichzeitig über einen bestimmten Zeitraum mit einem Element (3), das ständig mit dem Kühlmedium einstellbar beaufschlagt wird, in abrollender Weise linienförmig unter Druck in Kontakt gebracht werden, wobei zu Beginn des Abkühlvorganges mindestens zwei Oberflächenbereiche und nach dem Weitertransport über eine bestimmte Strecke die maximale Anzahl von Oberflächenbereichen im Eingriff sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines metallischen, auf eine bestimmte Temperatur erwärmten, langgestreckten zylindrischen Körpers gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.
  • Bei der Wärmebehandlung von Stangen oder Rohren ist neben der genauen Einstellung der Endtemperatur in den Härte- und Anlaßöfen bzw. des Warmumformprozesses die gezielte Steuerung der Abkühlung über der Zeit von entscheidender Bedeutung für die angestrebten Werkstoffkennwerte.
  • Bekannt sind Verfahren, in denen die Stangen oder Rohre
    - in ein mit einem Kühlmedium gefülltes Becken getaucht
    - durch eine Brauseeinrichtung transportiert werden
    - unter einem laminaren Wasservorhang gedreht werden
    - in einem Kühlbecken teilweise eingetaucht und gedreht werden.
  • Ein entscheidender Nachteil aller dieser genannten Verfahren sind die zum Teil zu niedrigen und auch schwankenden Wärmeübergangszahlen, sowie die Schwierigkeit einen stabilen Betriebszustand einzustellen, so daß die erzielten Werkstoffkennwerte des Körpers lokal stark schwanken.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abkühlen eines metallischen, langgestreckten zylindrischen Körpers, insbesondere eines Stahlrohres anzugeben, bei dem der Körper in Form eines Teilschrittes einer Fließfertigung entsprechend abgekühlt und die Werkstoffkennwerte verbessert und vergleichmäßigt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen festgelegt.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden mehrere voneinander getrennt liegende Oberflächenbereiche des sich schraubenlinienförmig bewegenden Körpers über einen bestimmten Zeitraum mit einem ständig mit dem Kühlmedium, z.B. Wasser, beaufschlagten Element, in abrollender Weise mehrfach unter Druckeinwirkung in Kontakt gebracht. Durch den direkten Kontakt des abzukühlenden Körpers, z.B. Stange oder Rohr, mit dem gekühlten Element, z.B. eine Walzrolle, und das in die Kontaktzone eingebrachte Kühlmedium sind Wärmeübergangszahlen von mindestens 10⁴ (Watt/m² K) bis 10⁵ (Watt/m² K) erreichbar, die damit deutlich über den mit einer Laminarkühlung erreichbaren Werten liegen. Die mit den höheren Wärmeübergangszahlen erreichbare raschere Abkühlung kann in vorteilhafter Weise für eine Verbesserung der Werkstoffkennwerte genutzt werden. Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, daß die erzielten Werkstoffkennwerte vergleichmäßigt werden, da jedes Oberflächenelement des abzukühlenden Körpers die gleiche Behandlung erfährt und Bereiche mit verstärkter Abkühlung vermieden werden. Der Grad der Abkühlung kann gezielt verändert werden, indem zum einen die Dauer der Kontaktzeit variiert wird und die Anzahl der in Kontakt stehenden Oberflächenbereiche des Abzukühlenden Körpers vergrößert oder verkleinert wird. Das vorgeschlagene Verfahren ist auch dazu geeignet, den zu kühlenden Körper zu richten. Hierfür wird weiterbildend vorgeschlagen, den Anpreßdruck des Elementes variabel zu gestalten, und zwar in der Weise, daß der Anpreßdruck des Elementes in Transportrichtung stetig oder abschnittsweise in Sprüngen zunimmt. Diese Verfahrensweise hat die Wirkung, daß zu Beginn des Verfahrens überwiegend gekühlt und am Ende gleichzeitig auch gerichtet wird.
  • Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung weist im Abstand mehrere voneinander angeordnete Rollensätze auf, in denen vorzugsweise zwei einander gegenüberstehende Rollen oder symmetrisch über den Umfang verteilt drei oder vier Rollen mit hyperbolischer Kontur angeordnet sind. Die Rollen der Rollensätze werden an einer bestimmten Stelle des Umfanges mit dem Kühlmedium beaufschlagt, und zwar in der Weise, daß das Kühlmedium in die Kontaktzone eingepreßt wird und dort einen Kühlkeil bildet. Die Größe dieses Kühlkeiles wird durch den Kühlmitteldruck und die Kühlmittelmenge eingestellt. Die Anstellung der Rollen ist im Hinblick auf die Größe des Anpreßdruckes und den Grad der Schrägstellung zur Transprotachse veränderbar. Damit können die Kontaktdauer und die Art des Kontaktes variiert werden. Der letztgenannte Parameter kann so eingestellt werden, daß im Einlaufbereich der Abkühlvorrichtung die Kontaktzonen des abzukühlenden Körpers mit den Rollen durch einen dünnen unter hohem Druck stehenden Wasserfilm voneinander getrennt sind und im Auslaufbereich die Kontaktzonen metallisch aufeinander liegen. Durch den im Spalt herrschenden hohen Druck wird das Auftreten des Leidenfrostschen-Phänomen vermieden. Bei noch größerem Anpreßdruck kommt es zum direkten metallischen Kontakt, so daß von der Kühlung einmal abgesehen, die Vorrichtung auch als Richtmaschine wirkt. Damit kann auf ein abschließendes Richten, wie es normalerweise nach einer Wärmebehandlung üblich ist, verzichtet werden.
  • Die Anzahl der anzuordnenden Rollensätze in der erfindungsgemäßen Abkühlvorrichtung hängt im wesentlichen von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Abmessung des zu kühlenden Körpers, der gewünschten Endtemperatur und der Abkühlgeschwindigkeit ab. Vorgeschlagen wird eine Mindestanzahl von drei Rollensätzen, die wahlweise in einer Ebene der jeweils um einen bestimmten Winkel gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Kühlwirkung kann auch durch die Wahl der Größe der Rollen beeinflußt werden, wobei mit zunehmender Größe die Kühlwirkung verstärkt wird. Der zunehmende konstruktive Aufwand setzt aber Grenzen für übertrieben große Rollenabmessungen.
  • Je nach Anordnung der Rollensätze kann die Vorrichtung als reine Durchlaufanlage oder als Anlage mit einem Wechsel der Transportrichtung verwendet werden. Im letzteren Falle werden Rollenböcke verwendet, die seitlich aufklappbar sind, so daß der abzukühlende Körper ähnlich wie im Auslauf eines Schrägwalzwerkes seitlich entnommen werden kann.
  • In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles das Verfahren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch die vorgeschlagene Abkühlvorrichtung,
    • Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1,
    • Fig. 3 wie Fig. 2, jedoch um 90 o versetzt.
  • In Fig. 1 ist im Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Das abzukühlende Rohr 1 befindet sich bei dieser Darstellung im vollen Eingriff, so daß die maximale Anzahl von Oberflächenbereichen 2 des Rohres 1 in Kontakt sind mit den hyperbolisch geformten Rollen 3. Alle Rollen 3 drehen sich gleichsinnig, hier dargestellt durch die Pfeile 6 und durch die schräge Anstellung der Rollen 3, 3′ bewegt sich das Rohr 1 schraubenlinienförmig, hier durch den Pfeil 4 gekennzeichnet, durch die Vorrichtung.
  • In diesem Ausführungsbeispiel weist jeder Rollensatz zwei einander gegenüberstehende Rollen 3, 3′ auf und die Abstände 5 zwischen den Rollensätzen sind gleich. Außerdem liegen hier alle Rollensätze in der gleichen Ebene, vergleichbar wie bei einer Richtmaschine.
  • Fig. 2 und 3 sind ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1, wobei Fig. 3 um 90 o gegenüber Fig. 2 gedreht ist. Das abzukühlende Rohr 1 liegt mit zwei Oberflächenbereichen linienförmig an den gekühlten Rollen 3, 3′ an. Das Kühlmedium, z.B. Wasser, wird über eine Leitung 7, 7′ an die Rolle 3, 3′ herangeführt und ein Teilbereich 8, 8′ der Umfangsfläche der Rollen 3, 3′ damit beaufschlagt. Über die Regelung des Druckes und der Menge des zugeführten Kühlmediums kann die Art der Beaufschlagung an der Rolle 3, 3′ variiert werden. Die schräge Anstellung der Zuführung 7, 7′ ist notwendig, damit sich der gewünschte Kühlkeil 9, 9′ ausbilden kann.
  • Der Winkel zwischen der Rollenachse und der Längsachse des abzukühlenden Rohres 1 kann ebenso wie der Anpreßdruck der Rollen 3, 3′ verändert werden. Außerdem kann über die Wahl der Anzahl der angeordneten Rollensätze sowie über die Größe der Rollen 3,3′ die gewünschte Kühlleistung in einer bestimmten Bandbreite variiert werden.

Claims (14)

1. Verfahren zum Abkühlen eines metallischen auf eine bestimmte Temperatur erwärmten, langgestreckten zylindrischen Körpers, insbesondere eines Stahlrohres, der schraubenlinienförmig transportiert und dabei gleichzeitig mittels eines Kühlmediums abgekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere voneinander getrennt liegende Oberflächenbereiche des sich bewegenden Körpers gleichzeitig über einen bestimmten Zeitraum mit einem Element, das ständig mit dem Kühlmedium einstellbar beaufschlagt wird, in abrollender Weise linienförmig unter Druck in Kontakt gebracht werden, wobei zu Beginn des Abkühlvorganges mindestens zwei Oberflächenbereiche und nach dem Weitertransport über eine bestimmte Strecke die maximale Anzahl von Oberflächenbereichen im Eingriff sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer des Kontaktes veränderbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Element durch Veränderung des Druckes und der Menge des zugeführten Kühlmediums unterschiedlich beaufschlagt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anpreßdruck des Elementes in Transportrichtung des zu kühlenden Körpers zunimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zunahme nahezu stetig erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zunahme abschnittsweise in Sprüngen erfolgt.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 mit einer mehrere Rollen aufweisenden und mit einem Kühlmedium beaufschlagbaren Abkühlvorrichtung, deren im Abstand voneinander liegende Rollen, die in einem bestimmten Winkel zur Achse des abzukühlenden Körpers angeordnet sind, eine hyperbolische Kontur aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlvorrichtung mehrere in Abstand voneinander angeordnete Rollensätze mit symmetrisch über den Umfang verteilt angeordneten Rollen (3, 3′) aufweist und die Beaufschlagung der Rollen (3, 3′) mit dem Kühlmedium an einer bestimmten Umfangsstelle (8, 8′) in der Weise erfolgt, daß das Kühlmedium in die Kontaktzone eingepreßt wird und einen Kühlkeil (9, 9′) bildet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anstellung der Rollen (3, 3′) im Hinblick auf Anpreßdruck und Winkelstellung veränderbar ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rollensatz aus zwei einander gegenüberstehenden Rollen (3, 3′) besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abkühlvorrichtung mindestens 3 Rollensätze aufweist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der jeweils benachbarte Rollensatz und einem bestimmten Winkel gegenüber dem vorhergehenden versetzt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Versatzwinkel 90 Grad beträgt.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anpreßdruck der Rollen (3,3′) im Einlaufbereich der Abkühlvorrichtung geringer ist als im Auslaufbereich.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Einlaufbereich der Abkühlvorrichtung die Kontaktzonen des abzukühlenden Körpers (1) mit den Rollen (3,3′) durch einen dünnen unter hohem Druck stehenden Wasserfilm voneinander getrennt sind und im Auslaufbereich die Kontaktzonen metallisch aufeinander liegen.
EP90250103A 1989-04-27 1990-04-24 Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen eines langgestreckten zylindrischen Körpers Withdrawn EP0395191A1 (de)

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