EP0725152B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von warmgewalzten Profilen - Google Patents

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EP0725152B1
EP0725152B1 EP96100807A EP96100807A EP0725152B1 EP 0725152 B1 EP0725152 B1 EP 0725152B1 EP 96100807 A EP96100807 A EP 96100807A EP 96100807 A EP96100807 A EP 96100807A EP 0725152 B1 EP0725152 B1 EP 0725152B1
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EP
European Patent Office
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cooling
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heat
temperature
different
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EP96100807A
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EP0725152A1 (de
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Meindert Meyer
Klaus Küppers
Manfred Albedyhl
Bruno Böhmer
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SMS Siemag AG
Original Assignee
SMS Schloemann Siemag AG
Schloemann Siemag AG
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Publication date
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/02—Hardening articles or materials formed by forging or rolling, with no further heating beyond that required for the formation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0062—Heat-treating apparatus with a cooling or quenching zone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/667—Quenching devices for spray quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article
    • C21D2221/02—Edge parts

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling from the Rolling heat from hot-rolled profiles at a distance above the Cross section arranged profile parts of different Mass, especially of rails on a cooling bed, as well as a Device for performing the method.
  • Rails are cooled from the rolling heat to temperatures below 80 o C on cooling beds. Because of the asymmetrical arrangement of the masses of the profile, there is a different cooling behavior between the head and foot of the rail, in which the foot cools down faster than the head due to its larger heat-dissipating surfaces compared to the mass. As a result, the rail bends when it cools down. This curvature can be counteracted to a certain extent by pre-bending the still hot rail. However, this disadvantageously requires a complex hot bending process with an uncertain result. In any case, the rails must be readjusted after cooling. Both the cooling process and especially the straightening create residual stresses in the rail, which adversely affect its strength. Numerous proposals have already been made to deal effectively with this difficulty:
  • DE 42 37 991 A1 describes a method for cooling profiled rolling stock hot-rolled in roll stands, in particular rails on a cooling bed, with natural convection or with forced air cooling.
  • the invention is that the rails are hung upside down, transported over the cooling bed.
  • the heat transfer conditions are changed so favorably even with natural convection that the temperature difference between the head and foot of the rail decreases from approx. 140 ° C. with the rail lying down to approx. 50 ° C. with the rail hanging.
  • the disadvantages of becoming crooked are effectively reduced and it is achieved that an almost straight rail is inserted into the straightening machine for finishing, whereby the end stresses in the rail material are kept extremely low.
  • U.S. Patent 468,788 discloses a method of cooling Rails disclosed, these in a device with rail heads hanging below in a filled with water Pool completely or partially immersed and thereby cooled be, at the same time using pressure screws against a firm abutment can be pressed.
  • DE-PS 404 127 describes a method for straightening Metal bars of asymmetrical cross-section, in particular of Rail tracks, disclosed, the invention therein there is that the strong parts of the cross section of such a regulated artificial cooling that all Parts shrink by the same amount despite their unequal strengths and the rods when they cool down to ambient temperature stay straight.
  • This result is achieved by the fact that the artificial cooling either by immersion in a Liquid, by wetting or sprinkling, by blowing with an atomized liquid, with steam, air or other Gases is generated, the medium used is continuous or with interruptions for the whole duration or only during part of the cooling period works. Is remarkable at the process that regulates the artificial cooling in such a way can be that the rods, even if they are made of high carbon steel or a hardenable alloy during cooling not be hardened.
  • the invention lies Task based on a method and an apparatus for Cooling of hot rolled profiles in the preamble of Claim 1 to improve the type mentioned and so far perfected that the above difficulties be overcome and a distortion-free cooling result when cooling from the rolling heat without cost and time-consuming trials and without incurring any resulting Scrap is reached.
  • the solution to the method according to the invention is achieved by first determining the amounts of heat to be extracted from the different profile parts in accordance with their mass and temperature and the amount of cooling media required for this purpose, using measuring technology, in cooperation with a computing unit with the aid of a computing program and calculated and then the cooling of the different profile parts or their masses is carried out in such a controlled manner that they reach the conversion line A r3 / A r1 with the least possible time delay when the gamma mixed crystal decays into ferrite and / or pearlite with release of the conversion heat.
  • An embodiment of the method provides that the further Cooling down from the transition temperature to one predetermined final temperature is still carried out so that the different centers of mass of the profile reach the final temperature as little as possible. This measure ensures a flawless Cooling result without bending the rail beyond one optimal state of remuneration with uniform hardness over the Profile cross section.
  • Another expedient embodiment of the invention provides before that when the rolling stock profile or parts cool down of which using water as a coolant to the different profile surfaces Heat transfer numbers determined and with these the for Cooling of the profile surfaces required quantities of tasks Coolants are predetermined. This eliminates time-consuming Trials as well as lost trial material.
  • the profiles are designed as rails and the rails with down hanging heads over a cooling bed and doing one controlled cooling of the different mass centers at least in part through natural convection and additionally due to the mass and temperature Profile parts to be extracted proportionately by heat additional use of cooling medium is made.
  • a curvature of the profile is reduced so far that a Messages can either be omitted entirely, or below Avoiding harmful tensions only a minor News becomes necessary.
  • the measure can still compensate for the temperature wedge be taken that the rolled stock profile, on the rolled out Seen length, is cooled at different intensities. And finally, controlled heat extraction by immersion of the entire rolled stock profile or individual parts of the same a cooling medium repeated one or more times with given cycle times.
  • a device for performing the method according to the Invention provides that in addition to a hot-rolled profile preferably in Distances along their rolling length means for measuring the Heat radiation from different profile parts, such as head,
  • the web or foot section are arranged with data lines are connected to a computing unit in which with a Input data line the dimensions or masses of these Profile parts are entered, and which is programmed that it calculates the product of temperature and mass and according to this product coolant feeder controls via a signal line.
  • a preferred embodiment of the device provides that a cooling bed controllable coolant supply devices for different cooling media, e.g. B. water, air, Has water / air mixtures.
  • a cooling bed controllable coolant supply devices for different cooling media e.g. B. water, air, Has water / air mixtures.
  • FIG. 1 shows curves of different cooling profiles of different cross-sectional parts in the ZTU diagram, which reach the conversion line A r1 at comparatively different times depending on their mass and thus their temperature focus .
  • the temporal differences occurring here result in differences between 40 and 120 seconds.
  • This steel was austenitized at 950 ° C with a holding time of 15 minutes after a five-minute heating process.
  • the foot (12, Fig. 5) When the rail cools down after rolling, the foot (12, Fig. 5) first reaches the conversion line A r3 / A r1 due to its lower mass and its larger radiation area in relation to the mass and begins to grow. This change in length leads to a plastic elongation in the rail head (10, FIG. 5), which is still in the austenite area. After the conversion, the foot (12) shrinks as the temperature drops, the head (10) not being significantly hampered due to its lower strength, but being slightly compressed. Then when the rail head (10) reaches the conversion line A r3 / A r1 , the length growth for this begins as a result of the conversion.
  • FIG. 2 shows the cross section of a rail in approximately natural size, the rail section being equipped with thermocouples at the points labeled 1 to 5.
  • the rail section is austenitized in an oven at 1000 o C and then cooled in air with natural convection. The cooling process at the individual measuring points 1 -5 was recorded in a diagram.
  • FIG. 3 The cooling curves associated with the measuring points 1-5 according to FIG. 2 are drawn in with individual curves. From the diagram when cooling by means of natural convection without additional cooling z. B. the head (10) that the center of gravity (4) of the foot (12) has reached the A r3 / A r1 line after about 6.5 minutes and the conversion has ended after 10 minutes. The center of gravity (1) of the head (10) only starts the conversion after approx. 8.5 minutes and has ended after 12 minutes. At this point, the rail foot (12) is already about 100 o C colder and therefore has a much higher hot stretch than the rail head (10).
  • the increase in length of the rail head (10) associated with the conversion is completely or partially suppressed by the foot (12) and the rail head (10) is thereby plastically deformed, ie compressed.
  • the rail cooled down, this was visible through a clear curvature over the rail head (10).
  • the amount of heat that has to be extracted from the rail head (10) has now been calculated to ensure that it reaches the conversion line A r3 / A r1 at the same time as the rail base (12).
  • the heat of transformation of the corresponding steel (0.8% C) was also taken into account according to the invention. Based on the calculation, in addition to natural convection, the rail head (10) was cooled by additional spraying with water.
  • FIG 5 is a possible embodiment of the invention shown purely schematically.
  • the rail is overhead (10) hanging with the foot (12) in a holder (21) arranged.
  • Measuring heads (30, 31, 32) are arranged so that the Measuring head (30) the thermal radiation of the rail foot (12), the Measuring head (31) the heat radiation of the web (11) and Measuring head (32) detects the heat radiation from the rail head (10) and the measured values via the data lines (33, 34, 35) reports to the computing unit (40).
  • the input data line (36) the dimensions or masses of the assigned profile parts (10, 11, 12) entered, from which the appropriately programmed computing unit the product Temperature and mass for the individual profile parts (10, 11, 12) calculated and according to this product the Coolant supply devices (45 - 47) over the Controls signal line (37). These are activated and spray Coolant in targeted jets (48) against the hanging Rail head (10).
  • the dash-dotted line (50) exemplified a cooling bed, which is controllable Coolant feed device (45 - 47) for different Has cooling media (48).
  • These cooling media can contain water, Air, water / air mixtures.
  • the cooling process of the rail is so evened out by targeted measures that the main masses, head (10), web (11) and foot (12) reach the conversion line A r3 / A r1 at about the same time and the length change that then occurs different profile parts also take place simultaneously.
  • temperature differences across the cross-section can again occur, but the stresses generated thereby are clearly below the respective yield strength, so that the resulting deformations take place in the elastic range, with the result that a rail treated in this way after cooling is almost free of tension and approximately as straight as it was in the hot-rolled state before the treatment according to the invention.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen aus der Walzhitze von warmgewalzten Profilen mit im Abstand über den Querschnitt angeordneten Profilteilen von unterschiedlicher Masse, insbesondere von Schienen auf einem Kühlbett sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Auf Kühlbetten werden Schienen aus der Walzhitze bis auf Temperaturen unter 80 oC abgekühlt. Wegen der unsymmetrischen Anordnung der Massen des Profils ergibt sich zwischen Kopf und Fuß der Schiene ein unterschiedliches Abkühlverhalten, bei dem der Fuß infolge seiner vergleichsweise zur Masse größeren Wärmeabgabeflächen schneller abkühlt als der Kopf. Daraus resultiert, daß sich die Schiene beim Erkalten krümmt. Diesem Krummwerden kann bis zu einem gewissen Maß durch Vorbiegen der noch heißen Schiene begegnet werden. Dies erfordert jedoch nachteilig einen aufwendigen Warmbiegevorgang mit ungewissem Ergebnis. In jedem Falle müssen dabei die Schienen nach dem Abkühlen nachgerichtet werden. Sowohl durch den Kühlprozeß als auch besonders durch das Richten entstehen Eigenspannungen in der Schiene, die deren Festigkeit nachteilig beeinflussen. Es wurden bereits zahlreiche Vorschläge bekannt, um dieser Schwierigkeit wirksam zu begegnen:
Die DE 42 37 991 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abkühlung von in Walzgerüsten warmgewalztem profiliertem Walzgut, insbesondere von Schienen auf einem Kühlbett, mit natürlicher Konvektion oder mit forcierter Luftkühlung. Die Erfindung besteht darin, daß die Schienen mit dem Kopf nach unten hängend, über das Kühlbett transportiert werden. Durch diese Maßnahme werden bereits bei natürlicher Konvektion die Wärmeübergangsverhältnisse so günstig verändert, daß die Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Fuß der Schiene von ca. 140 oC bei liegender Schiene auf ca. 50 oC bei hängender Schiene zurückgeht. Infolge der geringeren Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Fuß werden die Nachteile des Krummwerdens wirksam verringert und es wird erreicht, daß eine nahezu gerade Schiene in die Richtmaschine zum Fertigrichten eingeführt wird, wodurch die Endspannungen im Schienenmaterial äußerst gering gehalten werden.
Aus der DE-PS 21 61 704 ist ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum spannungs- und verzugsfreien Abkühlen von Eisenbahnschienen bekannt, welches darin besteht, daß die abzukühlenden gleichartigen Schienenprofile mit ihren Schienenfüßen paarweise symmetrisch und gegenseitig Widerlager bildend, Fuß gegen Fuß zusammengespannt und durch einen Querförderer über ein Kühlbett gefördert werden. Da jeder Schienenkopf zwar eine etwa gleichgroße Masse wie der Schienenfuß hat, jedoch der Umfang des Schienenfußes etwa doppelt so groß ist wie der des Schienenkopfes, wird die Umfangsfläche der zusammengespannten Schienenfüße im Verhältnis zu ihrer Masse etwa gleich groß, wie das Verhältnis von Umfangsfläche und Masse am Schienenkopf. Damit wird ein gleichmäßiges Abkühlen von Schienenköpfen und Schienenfüßen erzielt, wobei sich in der Praxis gezeigt hat, daß diese Maßnahme bei den paarweise sich gegeneinander abstützenden Schienenfüßen für ein nahezu verzugfreies Abkühlen ausreicht.
In der US-PS 468 788 ist ein Verfahren zum Abkühlen von Schienen offenbart, wobei diese in einer Vorrichtung mit nach unten hängenden Schienenköpfen in ein mit Wasser gefülltes Becken ganz oder teilweise eingetaucht und dadurch abgekühlt werden, wobei sie gleichzeitig mittels Druckschrauben gegen ein festes Wiederlager gedrückt werden.
In der DE-PS 404 127 ist ein Verfahren zum Richten von Metallstangen unsymmetrischen Querschnitts, insbesondere von Eisenbahnschienen, offenbart, wobei die Erfindung darin besteht, daß die starken Teile des Querschnitts einer derart geregelten künstlichen Abkühlung unterworfen werden, daß alle Teile trotz ihrer ungleichen Stärken um dasselbe Maß schwinden und die Stangen bei Abkühlung bis auf Umgebungstemperatur gerade bleiben. Erzielt wird dieses Ergebnis, dadurch, daß die künstliche Abkühlung entweder durch Eintauchen in eine Flüssigkeit, durch Benetzen oder Berieseln, durch Anblasen mit einer zerstäubten Flüssigkeit, mit Dampf, Luft oder anderen Gasen erzeugt wird, wobei das verwendete Mittel stetig oder mit Unterbrechungen während der ganzen Dauer oder nur während eines Teils der Abkühlungsdauer wirkt. Bemerkenswert ist bei dem Verfahren, daß die künstliche Abkühlung derart geregelt werden kann, daß die Stangen, selbst wenn sie aus Hartstahl oder einer härtbaren Legierung bestehen, während der Abkühlung nicht gehärtet werden.
Aus der DE-PS 19 42 929 ist ein Verfahren zum Abkühlen von Schienen bekannt, welches auf einem anderen physikalischen Prinzip beruht. Dieses besteht darin, daß die Schienen vor Erreichen der Austenit-Umwandlungstemperatur mit Abstand über einer wärmereflektierenden Schicht auf dem Schienenfuß abgestellt werden. Zusätzlich kann dabei auf die Laufflächen der Schienen im weiteren Verlauf der Abkühlung ein fester Isolierstoff aufgelegt werden. Eine gegenseitige positive Beeinflussung durch Strahlung wird weiterhin bei diesem Verfahren dadurch erreicht, daß die Schienen unmittelbar nebeneinander abgestellt werden, so daß sich die Schienenfüße seitlich berühren. Diese Maßnahmen führen zur positiven Beeinflussung des Abkühlungverlaufes jeweils eines Teils vom Schienenquerschnitt ohne Zufuhr von Fremdenergie durch Rückstrahlung an einer Reflektionsschicht sowie isolierende Abdeckung der Laufflächen. Es entsteht dabei ein günstiger Spannungsausgleich im Schienenquerschnitt. Das Abstellen der Schienen auf dem Schienenfuß vor dem Erreichen der Austenit-Umwandlungstemperatur mit Abstand über einer wärmereflektierenden Schicht ergibt den Vorteil, daß es das frühere Einsetzen der Austenit-Umwandlung im Schienenfuß und -steg verhindert. Damit können die technologischen Werte des Schienenmaterials individuell, d.h. je nach Stahlanalyse, durch exakte Temperaturführung so beeinflußt werden, daß höhere Festigkeits-, Dehnungs- und Einschnürungswerte erzielbar sind.
Das Gegenteil hiervon, nämlich eine Durchhärtung des Schienenkopfes infolge eines entsprechend rapiden Kühlverfahrens wird nach dem FR-PS 543.461 dadurch erreicht, daß die Schiene über Kopf mit dem Schienenfuß nach oben hängend einer Serie definierter Tauchvorgänge von sehr kurzer Dauer in einem mit Wasser gefüllten Trog unterzogen wird.
Die genannten Verfahren weisen den gemeinsamen Nachteil auf, daß sie mehr oder minder auf Empirie beruhen, d.h. daß durch langwierige Versuche zunächst einmal ermittelt werden muß, welche Parameter bei der Durchführung des Verfahrens eingehalten werden müssen, um das gewünschte Abkühlungsergebnis zu gewährleisten. Dabei werden zumindest bei jeder Charge Versuchsstücke von warmgewalzten Profilen verwendet, die bei nicht sogleich befriedigendem Ergebnis Wiederholungen erfordern und vielfach zunächst zum Anfall von Ausschußmaterial führen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abkühlen von warmgewalzten Profilen der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art zu verbessern und diese so weit zu vervollkommenen, daß damit die vorgenannten Schwierigkeiten überwunden werden und ein verzugsfreies Abkühlungsergebnis beim Abkühlen aus der Walzhitze ohne kosten- und zeitaufwendige Versuche und ohne Anfall von dadurch bedingtem Schrott erreicht wird.
Die Lösung gelingt mit dem Verfahren nach der Erfindung dadurch, daß zunächst unter Verwendung von meßtechnischen Mitteln, im Zusammenwirken mit einer Recheneinheit mit Hilfe eines Rechenprogramms die den unterschiedlichen Profilteilen nach Maßgabe ihrer Masse und Temperatur anteilig zu entziehenden Wärmemengen und die hierfür erforderliche Aufgabenmenge von Kühlmedien ermittelt und berechnet und danach die Abkühlung der unterschiedlichen Profilteile bzw. ihrer Massen derart gesteuert vorgenommen wird, daß diese mit möglichst geringem Zeitversatz die Umwandlungslinie Ar3/Ar1 beim Zerfall des Gamma-Mischkristalls in Ferrit und/oder Perlit unter Freisetzung der Umwandlungswärme erreichen.
Mit großem Vorteil wird durch das Verfahren erreicht, daß bei unterschiedlichen Chargen auch ohne das Erfordernis kostspieliger empirischer Versuche ein einwandfreies Abkühlungs-Ergebnis ohne Krümmung des Profils erhalten wird.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß die weitere Abkühlung von der Umwandlungstemperatur bis auf eine vorgegebene Endtemperatur weiterhin so vorgenommen wird, daß die unterschiedlichen Massenschwerpunkte des Profils mit möglichst geringem Zeitversatz die Endtemperatur erreichen. Diese Maßnahme sichert über ein einwandfreies Abkühlungsergebnis ohne Abkrümmung der Schiene hinaus einen optimalen Vergütungszustand mit gleichmäßiger Härte über den Profilquerschnitt.
Zweckmäßigerweise wird bei der Berechnung der den Profilteilen zu entziehenden Wärmemengen die Umwandlungstemperatur der zugrundeliegenden Stahlqualität berücksichtigt.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß beim Abkühlen des Walzgutprofils oder von Teilen davon mittels Wasser als Kühlmittel die sich an den unterschiedlichen Profilflächen einstellenden Wärmeübergangszahlen ermittelt und mit diesen die für das Abkühlen der Profilflächen erforderlichen Aufgabenmengen an Kühlmitteln vorbestimmt werden. Dadurch entfallen zeitraubende Versuche ebenso wie verlorenes Versuchsmaterial.
Eine ferner sehr vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird dadurch erreicht, daß die Profile als Schienen ausgebildet sind und die Schienen mit nach unten hängenden Köpfen über ein Kühlbett geführt und dabei eine gesteuerte Kühlung der unterschiedlichen Massenschwerpunkte mindestens zum Teil durch natürliche Konvektion und zusätzlich aufgrund der nach Maßgabe von Masse und Temperatur den Profilteilen anteilig zu entziehenden Wärmemengen durch zusätzlichen Einsatz von Kühlmedium vorgenommen wird. Dadurch wird eine Krümmung des Profils soweit verringert, daß ein Nachrichten entweder ganz entfallen kann, oder unter Vermeidung von schädlichen Spannungen nur ein geringfügiges Nachrichten erforderlich wird.
Dabei kann der Wärmeentzug durch gezieltes und bevorzugt intermittierendes Besprühen einzelner Profilteile mit Kühlmedium vorgenommen werden.
Um einen fallweise über die Profillänge vorhandenen Temperaturkeil zu kompensieren, kann weiterhin die Maßnahme getroffen sein, daß das Walzgutprofil, über die ausgewalzte Länge gesehen, unterschiedlich intensiv gekühlt wird. Und schließlich kann ein gesteuerter Wärmeentzug durch Eintauchen des gesamten Walzgutprofils oder einzelner Teile desselben in ein Kühlmedium einmal oder mehrfach wiederholt, mit vorgegebenen Zykluszeiten vorgenommen werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sieht vor, daß neben einen warmgewalzten Profil bevorzugt in Abständen entlang ihrer Walzlänge Mittel zum Messen der Wärmestrahlung von unterschiedlichen Profilteilen, wie Kopf, Steg oder Fußteil angeordnet sind, die über Datenleitungen mit einer Recheneinheit in Verbindung stehen, in welche mit einer Input-Datenleitung die Abmessungen bzw. Massen dieser Profilteile eingegeben werden, und die so programmiert ist, daß sie das Produkt aus Temperatur und Masse errechnet und nach Maßgabe dieses Produktes KühlmittelAufgabevorrichtung über eine Signalleitung steuert.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß ein Kühlbett steuerbare Kühlmittelaufgabevorrichtungen für unterschiedliche Kühlmedien, z. B. Wasser, Luft, Wasser/Luft-Gemische aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine beispielhaft ausgeführte Vorrichtung werden anhand von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
ein ZTU-Schaubild einer kontinuierlichen Abkühlung eines Schienenstücks,
Fig. 2
im Querschnitt eine Schiene mit eingebetteten Thermoelementen,
Fig. 3
ein Diagramm des Abkühlungsverlaufs an einzelnen Meßstellen gemäß Fig. 2 bei Abkühlung eines Schienenstücks mit natürlicher Konvektion,
Fig. 4
ein Diagramm des Abkühlungsverlaufs nach der Erfindung,
Fig. 5
eine schematische Darstellung einer Abkühlvorrichtung.
Figur 1 zeigt im ZTU-Schaubild Kurven unterschiedlichen Abkühlungsverlaufes verschiedener Querschnittsteile, die nach Maßgabe ihrer Masse und damit ihrer Temperaturschwerpunkte zu vergleichsweise unterschiedlichen Zeiten die Umwandlungslinie Ar1 erreichen. Die hierbei auftretenden zeitlichen Unterschiede ergeben Differenzen zwischen 40 und 120 Sekunden. Das Schaubild betrifft einen Stahl mit folgender metallurgischer Zusammensetzung in Gewichts-%: c = 0,63; Si = 0,29; Mn = 1,72; P = 0,020; S = 0,027; Cr = 0,099. Dieser Stahl wurde bei 950 °C austenitisiert mit einer Haltezeit von 15 Minuten nach fünfminütigem Aufheizvorgang.
Im Schaubild bezeichnet:
A =
Austenit
P =
Perlit
Zw =
Zwischenstufe
M =
Martensit
Aus dem Verlauf der Kurvenschar ist ersichtlich, daß nachdem eine Probe fünf Minuten bei 950 °C austenitisiert wurde, bei niedrigen Abkühlgeschwindigkeiten die Ar1-Linie bei einer bestimmten Temperatur und Kühlzeit erreicht wird. Bei höheren Abkühlgeschwindigkeiten erreicht der Stahl aufgrund eines umwandlungsträgen Bereiches die Perlitlinie nicht und wandelt bei niedrigen Temperaturen im Zwischenstufenbereich (Bainit) oder bei noch höheren Abkühlgeschwindigkeiten erst beim Erreichen der Martensitlinie (ca. 260 °C) um. Zur Vervollständigung des Schaubildes sind die bei Raumtemperatur gemessenen Härtewerte HV2 in N/mm2 in die am Fuß der Kurven befindlichen Kreise eingetragen.
Es ist bekannt, daß beim Abkühlen von Stahl und Erreichen der Ar3 bzw. der Ar1-Umwandlungslinie durch den Zerfall des Gamma-Mischkristalls in Ferrit bzw. Perlit die sogenannte Umwandlungswärme frei wird, die bis zum Erreichen des Eutektoid-Punktes (C = 0,86 %) mit wachsendem C-Gehalt auf ein Maximum ansteigt.
Je nach Abkühlungsgeschwindigkeit und C-Gehalt kann die dabei frei werdende Wärme bis zu 90 kJ/kg betragen. Gleichzeitig tritt bei diesem Umwandlungsprozeß ein Längenwachstum von ca. 0,3 % auf. Es ist anzunehmen, daß die bekannten plastischen Verformungen unsymmetrischer Profile auf dem Kühlbett zum überwiegenden Teil während der oben beschriebenen Umwandlungsphase stattfinden, während das Krummwerden des Profiles erst am Ende des Kühlbettes beim Ausgleich der Temperaturen über den Querschnitt sichtbar wird. Die damit verbundenen Eigenspannungen können durch Richten nicht vollständig abgebaut werden. Am Beispiel der Schiene läßt sich dieser Vorgang wie folgt erklären:
Beim Abkühlen der Schiene nach dem Walzen erreicht der Fuß (12, Fig.5) aufgrund seiner geringeren Masse und seiner größeren Abstrahlfläche im Verhältnis zur Masse zuerst die Umwandlungslinie Ar3/Ar1 und beginnt zu wachsen. Diese Längenänderung führt im Schienenkopf (10, Fig. 5), der sich noch im Austenit-Bereich befindet, zu einer plastischen Längung. Nach der Umwandlung schrumpft der Fuß (12) mit sinkender Temperatur, wobei der Kopf (10) aufgrund seiner geringeren Festigkeit nicht wesentlich behindert, sondern ein wenig gestaucht wird. Wenn dann der Schienenkopf (10) die Umwandlungslinie Ar3/Ar1 erreicht, beginnt für diesen das Längenwachstum infolge der Umwandlung. Dieses Wachsen wird jedoch durch den schon umgewandelten kälteren Fuß (12), dessen Streckgrenze in diesem Temperaturbereich deutlich höher ist, unterdrückt, so daß der noch weichere Kopf (10) plastisch verformt, d.h. gestaucht wird. Wenn sich am Ende des Kühlbettes (50, Fig.5) die Temperaturen über den Schienenquerschnitt ausgleichen, beginnt die Schiene, sich über den gestauchten und damit kürzeren Kopf (10) zu krümmen. Diese Krümmung kann bei langen Schienen so groß sein, daß erhebliche Schwierigkeiten beim weiteren Transport über das Kühlbett (50) und beim anschließenden Einfädeln in die Richtmaschine auftreten können.
Am Beispiel einer Schiene wird gezeigt, wie das erfindungsgemäße Abkühlverfahren berechnet und durchgeführt wird:
In der Figur 2 ist der Querschnitt einer Schiene in annähernd natürlicher Größe gezeigt, wobei das Schienenstück an den mit 1 bis 5 bezeichneten Stellen mit Thermoelementen bestückt ist. Das Schienenstück wird in einem Ofen bei 1000 oC austenitisiert und anschließend an Luft bei natürlicher Konvektion abgekühlt. Dabei wurde der Abkühlverlauf an den einzelnen Meßstellen 1 -5 in einem Diagramm aufgezeichnet.
Dieses ist in der Figur 3 gezeigt. Darin sind die den Meßstellen 1 - 5 gemäß Fig. 2 zugeordneten Abkühlungsverläufe mit einzelnen Kurven eingezeichnet. Aus dem Diagramm ist bei Abkühlung mittels natürlicher Konvektion ohne zusätzliche Kühlung z. B. des Kopfes (10) ersichtlich, daß der Massenschwerpunkt (4) des Fußes (12) nach ca. 6,5 Minuten die Ar3/Ar1-Linie erreicht und nach 10 Minuten die Umwandlung beendet hat. Der Massenschwerpunkt (1) des Kopfes (10) beginnt erst nach ca. 8,5 Minuten die Umwandlung und hat sie nach 12 Minuten beendet. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schienenfuß (12) schon um ca. 100 oC kälter und hat damit eine wesentlich höhere Warmstreckgrenze als der Schienenkopf (10). Demnach ist zu erwarten, daß die mit der Umwandlung verbundene Längenzunahme des Schienenkopfes (10) vom Fuß (12) ganz bzw. teilweise unterdrückt wird und dadurch der Schienenkopf (10) plastisch verformt, d.h. gestaucht wird. Bei der erkalteten Schiene wurde dies durch eine deutliche Krümmung über den Schienenkopf (10) sichtbar. Mit Hilfe eines Rechenprogrammes wurde nun berechnet, welche Wärmemenge dem Schienenkopf (10) entzogen werden muß, um sicherzustellen, daß er zum gleichen Zeitpunkt wie der Schienenfuß (12) die Umwandlungslinie Ar3/Ar1 erreicht. Hierbei wurde die Umwandlungswärme des entsprechenden Stahls (0,8 % C) erfindungsgemäß mit berücksichtigt. Aufgrund der Berechnung wurde nun zusätzlich zur natürlichen Konvektion der Schienenkopf (10) durch zusätzliches Besprühen mit Wasser gekühlt.
Das Ergebnis ist in der Kurvenschar des Diagramms der Figur 4 dargestellt. Dabei betrug die Zeitdifferenz bei Erreichen der Umwandlungstemperatur t4 - t1 der beiden Kurven 4 und 1 lediglich 25 Sekunden. Das bedeutet, daß Schienenkopf (10) und Schienenfuß (12) annähernd gleichzeitig die Ar3/Ar1-Linie erreichen und auch gleichzeitig die Umwandlung beenden. In einem Großversuch wurde dieses im Labor erprobte Verfahren bestätigt. Dabei stellte sich auch das erwartete Ergebnis ein: Die erfindungsgemäß behandelte Schiene war nach Beendigung des Abkühlvorganges bei annähernd Raumtemperatur um eine Zehnerpotenz gerader und spannungsärmer als eine unbehandelte Schiene.
In Figur 5 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung rein schematisch dargestellt. Dabei ist die Schiene über Kopf (10) hängend mit dem Fuß (12) in einer Halterung (21) angeordnet. Meßköpfe (30, 31, 32) sind so angeordnet, daß der Meßkopf (30) die Wärmestrahlung des Schienenfußes (12), der Meßkopf (31) die Wärmestrahlung des Steges (11) und der Meßkopf (32) die Wärmestrahlung des Schienenkopfes (10) erfaßt und die gemessenen Werte über die Datenleitungen (33, 34, 35) an die Recheneinheit (40) meldet. Dieser werden zusätzlich mit der Input-Datenleitung (36) die Abmessung bzw. Massen der zugeordneten Profilteile (10, 11, 12) eingegeben, woraus die entsprechend programmierte Recheneinheit das Produkt aus Temperatur und Masse für die einzelnen Profilteile (10, 11, 12) errechnet und nach Maßgabe dieses Produktes die Kühlmittelaufgabevorrichtungen (45 - 47) über die Signalleitung (37) steuert. Diese werden aktiviert und sprühen Kühlmittel in gezielten Strahlen (48) gegen den hängenden Schienenkopf (10). Mit der strichpunktierten Linie (50) ist beispielhaft ein Kühlbett angedeutet, welches steuerbare Kühlmittelaufgabevorrichtung (45 - 47) für unterschiedliche Kühlmedien (48) aufweist. Diese Kühlmedien können Wasser, Luft, Wasser/Luft-Gemische sein.
Mit der Erfindung wird durch gezielte Maßnahmen der Abkühlprozeß der Schiene so vergleichsmäßigt, daß die Hauptmassen, Kopf (10), Steg (11) und Fuß (12) etwa zum gleichen Zeitpunkt die Umwandlungslinie Ar3/Ar1 erreichen und die dann eintretende Längenänderung der unterschiedlichen Profilteile ebenfalls gleichzeitig stattfindet. Dadurch wird verhindert, daß ein Bereich des Schienenprofils gestaucht bzw. gedehnt wird. Beim anschließenden Abkühlen auf dem Kühlbett (50) können sich zwar wieder Temperaturunterschiede über dem Querschnitt einstellen, die dadurch erzeugten Spannungen befinden sich jedoch deutlich unterhalb der jeweiligen Streckgrenze, so daß die entstehenden Verformungen im elastischen Bereich stattfindenm mit dem Ergebnis, daß eine so behandelte Schiene nach dem Abkühlen nahezu spannungsfrei und etwa so gerade ist, wie sie vor der erfindungsgemäßen Behandlung im warmgewalzten Zustand war. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch Entzug einer vorher rechnerisch ermittelten Wärmemenge, so daß die bis zum Erreichen der Umwandlungslinie Ar3/Ar1 im ZTU-Schaubild verstrichene Zeit für alle Hauptmassen des Profils zumindest weitgehend gleich ist, wie dies aus dem Vergleich der Figuren 3 und 4 deutlich erkennbar ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Abkühlen von warmgewalzten Profilen aus der Walzhitze, wobei diese mit im Abstand über den Querschnitt angeordneten Profilteilen (10 - 12) von unterschiedlicher Masse (1 - 5) beispielsweise als Schienen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst unter Verwendung von meßtechnischen Mitteln (30 - 32) im Zusammenwirken mit einer Recheneinheit (40) mit Hilfe eines Rechenprogramms die den unterschiedlichen Profilteilen (10 - 12) nach Maßgabe ihrer Masse (1 - 5) und Temperatur anteilig zu entziehenden Wärmemengen und die hierfür erforderliche Aufgabemenge von Kühlmedien (48) ermittelt und berechnet und danach die Abkühlung der unterschiedlichen Profilteile (10 - 12) bzw. ihrer Massen (1 - 5) derart gesteuert vorgenommen wird, daß diese mit möglichst geringem Zeitversatz die Umwandlungslinien Ar3/Ar1 beim Zerfall des Gamma-Mischkristalls in Ferrit und/oder Perlit unter Freisetzung der Umwandlungswärme erreichen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Abkühlung von der Umwandlungstemperatur bis auf eine vorgegebene Endtemperatur weiterhin so vorgenommen wird, daß die unterschiedlichen Massenschwerpunkte (1 - 5) des Profils mit möglichst geringem Zeitversatz die Endtemperatur erreichen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung der den Profilteilen (10 - 12) zu entziehenden Wärmemengen die Umwandlungstemperatur der zugrunde liegenden Stahlqualität berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen des Walzgutprofiles oder von Teilen (10 - 12) davon mittels z. B. Wasser die sich an den unterschiedlichen Profilflächen einstellenden Wärmeübergangszahlen ermittelt und mit diesen die für das Abkühlen der Profilflächen erforderlichen Aufgabemengen an Kühlmittel (48) vorbestimmt werden.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile als Schienen ausgebildet sind und die Schienen mit nach unten hängenden Köpfen (10) über ein Kühlbett (50) geführt und dabei eine gesteuerte Kühlung der unterschiedlichen Massenschwerpunkte (1 - 5) mindestens zum Teil durch natürliche Konvektion und zusätzlich aufgrund der nach Maßgabe von Masse und Temperatur den Profilteilen (10 - 12) anteilig zu entziehenden Wärmemengen durch zusätzlichen Einsatz von Kühlmedium (48) vorgenommen wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeentzug durch gezieltes und bevorzugt intermittierendes Besprühen einzelner Profilteile (10 - 12) mit Kühlmedium (48) vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzgutprofil über die ausgewalzte Länge gesehen, unterschiedlich intensiv gekühlt wird, um einen fallweise über die Profillänge vorhandenen Temperaturkeil zu kompensieren.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Wärmeentzug durch Eintauchen des gesamten Walzgutprofils oder einzelner Teile (10 - 12) desselben in ein Kühlmedium, einmal oder mehrfach wiederholt, mit vorgegebenen Zykluszeiten vorgenommen wird.
  9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben einem warmgewalzten Profil bevorzugt in Abständen entlang ihrer Walzlänge Mittel (30 - 32) zum Messen der Wärmestrahlung von unterschiedlichen Profilteilen wie Kopf (10), Steg (11) oder Fußteil (12) angeordnet sind, die über Datenleitungen (33 - 35) mit einer Recheneinheit (40) in Verbindung stehen, in welche mit einer Input-Datenleitung (36) die Abmessungen bzw. Massen dieser Profilteile eingegeben werden und die so programmiert ist, daß sie das Produkt aus Temperatur und Masse errechnet und nach Maßgabe dieses Produktes Kühlmittelaufgabevorrichtungen (45 - 47) über eine Signalleitung (37) steuert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlbett (50) steuerbare Kühlmittelaufgabevorrichtungen (45 - 47) für unterschiedliche Kühlmedien (48), z.B. Wasser, Luft, Wasser/Luft-Gemische aufweist.
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