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 PDF

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EP0630295B1
EP0630295B1 EP93905334A EP93905334A EP0630295B1 EP 0630295 B1 EP0630295 B1 EP 0630295B1 EP 93905334 A EP93905334 A EP 93905334A EP 93905334 A EP93905334 A EP 93905334A EP 0630295 B1 EP0630295 B1 EP 0630295B1
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EP
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metal
roll
steel
roll gap
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Vladimir JÄGER
Friedrich Raffauf
Klaus Ulrich
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Kloeckner Stahl GmbH
Stahlwerke Bremen GmbH
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    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B9/00—Measures for carrying out rolling operations under special conditions, e.g. in vacuum or inert atmosphere to prevent oxidation of work; Special measures for removing fumes from rolling mills
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    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • B21C29/006—Gas treatment of work, e.g. to prevent oxidation or to create surface effects
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for reducing scale formation during hot rolling of metal, in particular steel, in which the heated metal is plastically deformed for a short time under high pressure with an elastic component and can then relax, the rolling stock on the outlet side using several against the Rolled nozzles, which are taken up by a device for supplying inert gas, are covered with inert gas.
  • a method and device is known from JP-A-61-123403. It is also known from US-A-3,613,421 that blowing metal from a hot rolling mill is blown with inert gas in order to prevent the formation of oxide dust.
  • the inert gas coverage of the leaking metal is practically limited to the nip itself or a short path thickness immediately following it.
  • Nitrogen is preferably used as the inert gas, with which the material leaving the roll gap is blown over a certain distance during the hot rolling of steel.
  • this distance corresponds to the 'relaxation phase' of the steel strip after its plastic deformation in the nip; in any case, it has been shown that naturally a (normally thin) scale build-up occurs after this certain distance, but no more of the suspended matter is emitted.
  • the blowing direction of the inert gas is preferably set obliquely against the feed direction of the steel.
  • the inert gas is also blown into the free spaces of the roll gap lying to the side of the rolling stock.
  • a device for carrying out the method according to the invention is characterized according to the invention by the features according to claim 3. It is preferably provided that the device has elements which at least enclose the material to be formed during the relaxation phase, and on the inside of which the inert gas, which is at a higher than atmospheric pressure, can be supported. It has been shown that a certain inert gas pressure is required in order to bring it sufficiently close and intensively to the surface of the material to be formed, despite its spontaneous heating when it approaches the material to be formed. However, such pressure of the inert gas cannot be built up without at least largely enclosing the material to be formed during the expansion phase.
  • the enclosing elements can be parts of the roll stand of a roll stand on the exit side.
  • FIG. 1 Only sections of the work rolls 2, 3 and support rolls 4, 5 held in the stand 1 of a roll stand are shown in FIG. 1 shown in a schematic side view.
  • the heated rolling stock passes through the roll gap 6 from left to right in FIG. 1; the elements belonging to the rolling stand shown in FIG. 1 are therefore on the output side of the rolling stock.
  • These elements include, below the hot strip 7, a roller table consisting of the two parts 8a and 8b with a scraper 9 resting on the work roll 3, and a cooling water distributor 10 below the roll table 8a.
  • the cooling water delivered by these to the work roll 3 is indicated at 11.
  • a water tank 12 can be seen in FIG. 1, the underside 16 of which is provided with a scraper 13 in the area of the work roll 2.
  • Distributors 14 for the cooling water 15, which is sprayed onto the work roll 2 are arranged in the water box 12.
  • the scraper 13 prevents the cooling water from draining onto the hot strip 7; the cooling water runs off to the side in the area of the cheeks of the stand 1 and is discharged below the roll stand.
  • Both in the area of the roller table 8 and the top-side water box 12 are devices for blowing nitrogen into the largely enclosed by the table and the water box with their wipers 9, 13 and the side components of the stand 1, by the hot strip 7 immediately after leaving the roll gap 6 through room provided.
  • a pipe 20 running transversely to the rolling direction leads through a hose line 21 to a double pipe transverse distributor 22, which distributes it to a plurality of relatively thin nozzle pipes 23, which have their openings 24 Push through the underside 16 of the water tank 12 in a sealed manner and direct an inert gas jet 25 at an angle against the feed direction of the hot strip 7 against the hot strip 7.
  • Another hose connection 26 leads from the tube 20 inert gas to a transverse distributor 27 arranged in the feed direction of the hot strip behind the water tank 12, which is provided with various nozzle openings 28 distributed over the width of the hot strip 7 and in turn emits inert gas jets 29 at an angle to the feed direction of the hot strip 7 .
  • a transverse distributor 27 arranged in the feed direction of the hot strip behind the water tank 12, which is provided with various nozzle openings 28 distributed over the width of the hot strip 7 and in turn emits inert gas jets 29 at an angle to the feed direction of the hot strip 7 .
  • a double pipe cross distributor 42 receives the inert gas from a pipe 40 via a hose 41 and distributes it to a plurality of nozzle pipes 43 distributed over the width of the roll stand on nozzles 44 which pass through the lower roller table 8a and inert gas jets which are inclined against the feed direction of the hot strip 7 45 against this.
  • hoses 46, 47, cross distributors 48, 49 are connected to the pipe 40 and direct inert gas jets 50, 51 (through the spaced-apart individual elements of the roller table 8b; cf. Hot strip 7.
  • the passage of the hot strip 7 through the work rolls 2, 3 is illustrated schematically in FIG. 4.
  • the hot strip 7 comes from the left with the initial thickness s and is plastically deformed in the roll gap 6 to a smaller thickness, which has the size s 1 at some distance from the roll gap 6.
  • the scale layer 7a which surrounds the hot strip 7 on all sides before entering the roll gap 6, can be seen in FIG. 4 to the left of the roll gap. This scale layer is torn open and blown off in the course of the wedge-shaped deformation; this is indicated in a greatly enlarged manner in FIG. 4.
  • the zone E of the relaxation phase extends over a certain distance which adjoins the roll gap 6 in the feed direction and which is identified by “E” in FIG. 4 on the top and bottom of the hot strip 7.
  • inert gas preferably nitrogen - so that no new scale can form on the strip there.
  • the metal surface reacts with the oxygen in the ambient air and forms a (new) scale layer 7b of comparatively small thickness.
  • the inert gas is also blown into the free spaces 52 of the roll gap 6 located next to the hot strip 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Zunderbildung beim Warmumformen von Metall, insbesondere von Stahl. Das in erhitztem Zustand kurzzeitig unter hohem Druck im wesentlichen plastisch verformte Metall wird in einer anschließenden Entspannungsphase, in der sich der Anteil elastischer Verformung zurückbildet, mit Inertgas, beispielsweise Stickstoff, abgedeckt. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist an die Anlage zum Warmumformen von Metall eine Einrichtung zum Zuführen von Inertgas angeschlossen, die eine Mehrzahl von gegen das Umformgut gerichteten Düsen sowie Mittel aufweist, die die Zufuhr von Inertgas nach dem Umformen auf die Entspannungsphase beschränken. Beim Warmwalzen von Stahl werden beispielsweise am ausgangsseitigen Ende eines Walzgerüsts Inertgasdüsen derart angeordnet, daß das Inertgas schräg gegen die Vorschubrichtung des Stahls in den zwischen den ausgangsseitigen Teilen des letzten Walzenständers um das Walzgut aufgespannten Raum und die seitlich neben dem Walzgut liegenden Freiräume des Walzspalts eingeblasen wird, wobei sich im vorgenannten Raum ein über dem Atmosphärendruck liegender Inertgasdruck aufstaut.

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)

  1. 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas auch in die seitlich neben dem Walzgut liegenden Freiräume des Walzspalts (6) eingeblasen wird.
  3. 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.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel Gehäuseelemente enthalten, in denen sich das Inertgas auf einen höheren als den Atmosphärendruck aufstauen kann.
EP93905334A 1992-03-14 1993-03-10 Verfahren und vorrichtung zur verminderung der zunderbildung beim warmumformen von metall, insbesondere von stahl Expired - Lifetime EP0630295B1 (de)

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