EP0630295B1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung der zunderbildung beim warmumformen von metall, insbesondere von stahl - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur verminderung der zunderbildung beim warmumformen von metall, insbesondere von stahl Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der Zunderbildung beim Warmwalzen von Metall, insbesondere von Stahl, bei welchem das erhitzte Metall kurzzeitig unter hohem Druck mit einem elastischen Anteil plastisch verformt wird und anschließend entspannen kann, wobei das Walzgut auslaufseitig mittels mehrerer gegen das Walzgut gerichteter Düsen, die von einer Einrichtung zum Zuführen von Inertgas aufgenommen werden, mit Inertgas abgedeckt wird. Ein solches Verfahren und Vorrichtung ist aus JP-A-61-123403 bekannt. Ferner ist aus US-A-3,613,421 bekannt, daß aus einem Warmwalzwerk auslaufende Metall mit Inertgas anzublasen, um die Bildung von Oxidstaub zu verhindern. Dabei ist die Inertgas-Abdeckung des auslaufenden Metalls praktisch auf den Walzenspalt selbst bzw. eine sich daran unmittelbar anschließende kurze Wegstärke beschränkt.
- Alle unedlen Metalle reagieren oberflächig mit Bestandteilen der sich umgebenden Atmosphäre und bilden durch Verzundern eine Korrosionsschicht aus, welche das darunterliegende Metall vor weiterer Korrosion schützt. In Luft reagiert deren Sauerstoff mit dem Metall und bildet eine Zunderschicht aus dem Metalloxid aus. Diese Oxidschicht ist spröde. Bei starker mechanischer Verformung des Metalls reißt sie und springt leicht ab, bildet sich aber unter dem Einfluß der Umgebungsatmosphäre wieder neu.
- Bei den eingangs angesprochenen Warmumformprozessen wurde beobachtet, daß in erheblichem Umfange feine Zunderpartikel sich von der Metalloberfläche ablösen und als Schwebstoffe in Form von Aerosolwolken entweichen. Beispielsweise an Warmwalzstraßen erfolgen hinter jedem Walzspalt erhebliche Emissionen von Eisenoxyd- und (entsprechend den Legierungskomponenten) Schwermetall-Teilchen. Solche Emissionen stellen eine erhebliche Belastung der Umwelt und vor allem der im Walzwerk Tätigen dar. Bislang versucht man, dieser Emissionen durch Absaugen Herr zu werden. Der dafür erforderliche apparative Aufwand, den namentlich das Ausfiltern der Schwebstoffteilchen aus der Luft oder dem Kühlwasser für die Walzen erfordert, ist beträchtlich; außerdem gehen erhebliche Stahlmengen verloren.
- Es wurde nun gefunden, daß sich überraschenderweise die Zunderbildung entscheidend vermindern läßt, wenn erfindungsgemäß in der Entspannungsphase die Oberfläche des Metalls mit Inertgas abgedeckt wird. Der Grund dafür ist bislang noch nicht eindeutig geklärt, er liegt nicht ohne weiteres auf der Hand.
- Auszugehen ist davon, daß bei den hohen Temperaturen, auf die das Metall zur Erzielung eines duktilen Zustandes erhitzt werden muß, die chemischen Reaktionen der Zunderbildung beschleunigt, ja spontan ablaufen. Auszugehen ist ferner davon, daS die beim Beginn eines Warmumformprozesses auf dem Metall befindliche Zunderschicht während der Verformung zerreißt und sich jedenfalls weitgehend ablöst. Eine genauere Betrachtung und Bewertung hat ergeben, daß die starken Zunder-Emissionen, wie sie etwa beim Durchlauf eines erhitzten Stahlbandes durch ein Walzgerüst auftreten, offenbar nicht allein von der Zunderschicht herrühren können, welche beim Beginn des Umformvorganges auf der Metalloberfläche vorhanden ist.
- Der Umstand, daß sich auf dem verformten Metall rasch eine neue Zunderschicht bildet, führt zu der Deutung, daß sich in der Entspannungsphase des umgeformten Metalls gewissermaßen kaskadenartig eine Mehrzahl von Zunderbildungen und -absprengungen vollzieht, weil mit der plastischen Verformung auch ein Anteil elastischer Verformung einhergeht und diese zu einer gewissen Wiederausdehnung des Metalls führt, bei der es möglicherweise in rascher Folge zum Bilden, Reißen und Absprengen von Zunderschichten kommen kann.
- Eine Gewißheit für diesen Geschehensablauf gibt es allerdings bisher nicht; fest steht nur, daß entgegen fachmännischer Erwartung das Abdecken der Oberfläche des warmverformten Metalls für einen gewissen Zeitraum unmittelbar nach der Warmverformung - beim Warmwalzen durchlaufenden Materials entspricht dies einer bestimmten Strecke nach Verlassen des Walzenspalts - zu einer drastischen Verringerung der Zunderbildung (genauer: der Bildung von Wolken aus in Form von Schwebstoffen abgesprengten Zunderteilchen) führt.
- Vorzugsweise wird als Inertgas Stickstoff verwendet, mit dem beim Warmwalzen von Stahl das den Walzspalt verlassende Material über eine bestimmte Wegstrecke angeblasen wird.
- Um in solchem Fall den gesamten kritischen Bereich zu erfassen, innerhalb dessen beim Warmwalzen von Stahl nach dem Verlassen des Walzenspalts die Bildung von Aerosol-Wolken aus Zunder und Schwermetall-Teilchen auftritt, wird beim Warmwalzen von Stahl der den Walzspalt verlassende Stahl über eine bestimmte Wegstrecke mit dem Inertgas angeblasen. Diese Strecke entspricht im Kontext der vorstehend gegebenen Deutung der 'Entspannungsphase' des Stahlbandes nach seiner plastischen Verformung im Walzenspalt; jedenfalls hat sich gezeigt, daß es nach dieser bestimmten Wegstrecke zwar naturgemäß zu einer (normal dünnen) Zunderbildung, aber nicht mehr zur Emission jener Schwebstoffe kommt.
- Vorzugsweise wird bei dieser Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Blasrichtung des Inertgases schräg gegen die Vorschubrichtung des Stahls angestellt. In einer Weiterbildung kann vorgesehen werden, das Inertgas auch in die seitlich neben dem Walzgut liegenden Freiräume des Walzspalts einzublasen.
- Das erfindungsgemäße Abdecken des einem Warmwalzen unterworfenen erhitzten Metalls während dessen Entspannungsphase nach Abschluß der plastischen Verformung erfolgt durch Anblasen mit Inertgas. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach Anspruch 3 gekennzeichnet. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Einrichtung Elemente aufweist, welche das Umformgut jedenfalls während der Entspannungsphase umschließen, und an deren Innenseiten sich das unter höherem als dem Atmosphärendruck stehende Inertgas abstützen kann. Es hat sich nämlich gezeigt, daS es eines gewissen Inertgasdruckes bedarf, um dieses trotz seiner spontanen Erhitzung bei Annäherung an das Umformgut ausreichend dicht und intensiv an dessen Oberfläche heranzubringen. Ohne ein zumindest weitgehendes Umschließen des Umformguts während der Entspannungsphase läßt sich ein solcher Druck des Inertgases jedoch nicht aufbauen.
- Soweit es sich beim Umformgut um Walzstahl handelt, der die Walzgerüste mit hoher (und zunehmender) Geschwindigkeit passiert, können die Umschließungselemente ausgangsseitige Teile des Walzenständers eines Walzgerüstes sein.
- Am Beispiel eines Warmband-Walzgerüsts wird die Erfindung nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- Fig. 1
- in schematisierter Darstellung den ausgangsseitigen Teil des Walzgerüsts;
- Fig. 2
- den oberseitigen Kühlwasserkasten in Draufsicht;
- Fig. 3
- den unteren Walzentisch in Draufsicht;
- Fig. 4
- eine Darstellung des Umform-Vorganges im Walzspalt; und
- Fig. 5
- einen senkrechten Mittelschnitt durch die Walzen und das Walzgut in Fig. 4.
- Von den im Ständer 1 eines Walzgerüsts gehaltenen Arbeitswalzen 2, 3 und Stützwalzen 4, 5 sind in Fig. 1 nur Abschnitte in schematischer Seitenansicht dargestellt. Den Walzspalt 6 durchläuft das erhitzte Walzgut von links nach rechts in Fig. 1; die in Fig. 1 dargestellten, zum Walzgerüst gehörenden Elemente befinden sich also auf der Ausgangsseite des Walzgutes.
- Zu diesen Elementen gehört unterhalb des Warmbandes 7 ein aus den beiden Teilen 8a und 8b bestehender Walzentisch mit einem an der Arbeitswalze 3 anliegenden Abstreifer 9 sowie unterhalb des Walzentisches 8a ein Kühlwasserverteiler 10. Das von diesen an die Arbeitswalze 3 abgegebene Kühlwasser ist bei 11 angedeutet.
- Oberhalb des Warmbandes 7 erkennt man in Fig. 1 einen Wasserkasten 12, dessen Unterseite 16 im Bereich der Arbeitswalze 2 mit einem Abstreifer 13 versehen ist. Im Wasserkasten 12 sind Verteiler 14 für das Kühlwasser 15 angeordnet, welches auf die Arbeitswalze 2 gesprüht wird. Der Abstreifer 13 verhindert ein ins Gewicht fallendes Ablaufen des Kühlwassers auf das Warmband 7; das Kühlwasser läuft seitlich im Bereich der Wangen des Ständers 1 ab und wird unterhalb des Walzgerüsts abgeführt.
- Sowohl im Bereich des Walzentisches 8 als auch des oberseitigen Wasserkastens 12 sind Einrichtungen zum Einblasen von Stickstoff in den vom Tisch und dem Wasserkasten mit deren Abstreifern 9, 13 sowie den seitlichen Komponenten des Ständers 1 weitgehend umschlossenen, vom heißen Warmband 7 unmittelbar nach Verlassen des Walzspalts 6 durchlaufenen Raumes vorgesehen. Ein quer zur Walzrichtung verlaufendes Rohr 20 führt durch eine Schlauchleitung 21 einem Doppelrohr-Querverteiler 22 Inertgas zu, welches dieser auf eine Vielzahl relativ dünner Düsenrohre 23 verteilt, die mit ihren Mündungen 24 die Unterseite 16 des Wasserkastens 12 abgedichtet durchsetzen und einen schräg gegen die Vorschubrichtung des Warmbandes 7 angestellte Inertgasstrahlen 25 oberseitig gegen das Warmband 7 richten.
- Eine weitere Schlauchverbindung 26 führt vom Rohr 20 Inertgas zu einem in Vorschubrichtung des Warmbandes hinter dem Wasserkasten 12 angeordneten Querverteiler 27, der mit verschiedenen über die Breite des Warmbandes 7 verteilten Düsenöffnungen 28 versehen ist und wiederum schräg gegen die Vorschubrichtung des Warmbandes 7 angestellte Inertgasstrahlen 29 abgibt. Entsprechendes gilt in noch größerer Entfernung vom Walzspalt 6 für den Querverteiler 30, der vom Rohr 20 durch ein Verteilerrohr 31 beschickt wird.
- In entsprechender Weise wird die Unterseite des Warmbandes 7 mit Inertgas abgedeckt. Von einem Rohr 40 erhält über einen Schlauch 41 ein Doppelrohr-Querverteiler 42 das Inertgas und verteilt es auf eine Vielzahl über die Breite des Walzgerüsts verteilte Düsenrohre 43 auf Düsen 44, die den unteren Walzentisch 8a durchsetzen und schräg gegen die Vorschubrichtung des Warmbandes 7 angestellte Inertgasstrahlen 45 gegen dieses richten.
- Mittels weiterer Schläuche 46, 47 sind Querverteiler 48,49 an das Rohr 40 angeschlossen und richten - wiederum schräg gegen die Vorschubrichtung angestellte - Inertgasstrahlen 50, 51 (durch die beabstandeten Einzelelemente des Walzentisches 8b hindurch; vgl. Fig. 3) gegen die Unterseite des Warmbandes 7.
- In Fig. 4 ist schematisch der Durchlauf des Warmbandes 7 durch die Arbeitswalzen 2, 3 veranschaulicht. Das Warmband 7 kommt von links mit der Ausgangsdicke s und wird im Walzspalt 6 auf eine geringere Dicke plastisch verformt, die in einigem Abstand vom Walzspalt 6 die Größe s₁ hat. Die Zunderschicht 7a, die das Warmband 7 vor dem Einlaufen in den Walzspalt 6 allseitig umgibt, ist in Fig. 4 links des Walzspalts zu erkennen. Diese Zunderschicht wird im Verlauf der keilförmig stattfindenden Verformung aufgerissen und abgesprengt; in Fig. 4 ist dies stark vergrößert angedeutet.
- Sobald das Warmband 7 den Walzspalt (also die Linie geringsten Abstandes zwischen den Arbeitswalzen 2 und 3) passiert hat, vergrößert sich der Abstand zwischen den Walzen 2 und 3 rasch, so daß das Material des Warmbandes 7 entspannen kann. In Abhängigkeit von Materialeigenschaften und der Vorschubgeschwindigkeit des Warmbandes 7 erstreckt sich die Zone E der Entspannungsphase über eine gewisse, sich in Vorschubrichtung an den Walzspalt 6 anschließende Wegstrecke, die in Fig. 4 oberseitig und unterseitig des Warmbandes 7 mit "E" kenntlich gemacht ist. Im Bereich E dieser Entspannungsphase wird das Warmband 7 erfindungsgemäß mit Inertgas - vorzugsweise Stickstoff - abgedeckt, so daß sich dort kein neuer Zunder auf dem Band bilden kann. Sobald das Warmband 7 die mit Inertgas abgedeckte Entspannungszone E verläßt, reagiert die Metalloberfläche mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft und bildet eine (neue) Zunderschicht 7b von jedoch vergleichsweise geringer Dicke.
- Fig. 5 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch die Arbeitswalzen 2 und 3 und das im Walzspalt 6 befindliche Warmband 7. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Inertgas auch in die neben dem Warmband 7 liegenden Freiräume 52 des Walzspalts 6 eingeblasen.
Claims (4)
- Verfahren zur Verminderung der Zunderbildung beim Warmwalzen von Metall, insbesondere von Stahl, bei welchem das erhitzte Metall kurzzeitig unter hohem Druck mit einem elastischen Anteil plastisch verformt wird und anschließend entspannen kann, wobei das Walzgut auslaufseitig mit Inertgas abgedeckt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das den Walzspalt (6) verlassende Walzgut nur über diejenige Wegstrecke (E) mit dem Inertgas angeblasen wird, innerhalb derer die Entspannung des elastischen Verformungsanteils erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas auch in die seitlich neben dem Walzgut liegenden Freiräume des Walzspalts (6) eingeblasen wird. - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 an einem Walzgerüst zum Warmwalzen von Metall, bei dem an das Walzgerüst eine Einrichtung zum Zuführen von Inertgas angeschlossen ist, welche eine Mehrzahl von gegen das Umformgut gerichteten Düsen aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (23, 28, 48, 49) vorgesehen sind, mit denen die Zufuhr von Inertgas nach dem Warmwalzen auf die der elastischen Entspannungsphase des jeweiligen Walzgutes entsprechende Wegstrecke (E) nach dem Walzspalt (6) erstreckt und beschränkt werden kann. - Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel Gehäuseelemente enthalten, in denen sich das Inertgas auf einen höheren als den Atmosphärendruck aufstauen kann.
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