EP0807692A1 - Verfahren zum Kühlen von Profilstahl-Trägern - Google Patents

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EP0807692A1
EP0807692A1 EP97106855A EP97106855A EP0807692A1 EP 0807692 A1 EP0807692 A1 EP 0807692A1 EP 97106855 A EP97106855 A EP 97106855A EP 97106855 A EP97106855 A EP 97106855A EP 0807692 A1 EP0807692 A1 EP 0807692A1
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cooling
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temperature
water
steel
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EP97106855A
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Lutz Kümmel.
Rolf Stodt
Heinz-Jürgen Oudehinken
Meinert Meyer
Hans-Georg Hartung
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SMS Schloemann Siemag AG
Schloemann Siemag AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for cooling shaped steel, in particular section steel beams from the rolling heat.
  • the cooling of shaped steel, such as section steel beams, eg double T and U profiles, angles, T steels, after the rolling is usually done with the help of a cooling bed. Because of the uncontrolled, often unfavorable, free cooling of the section steel beams or bars during the dwell time on the cooling bed, an adverse influence on the straightness and the internal stress state is inevitable. The straightness or the natural shape is causally closely related to the residual stress state. Taken together, these two quality criteria mentioned for the section steel beams can be compared with the flatness of the strip rolling.
  • the invention is based on the following considerations and knowledge relating to the mechanism of the generation of residual stresses.
  • a rolled section steel beam leaves the last rolling stand in good approximation with a homogeneous distribution of strain, which means that the beam or rod is straight and has no areas with waviness.
  • the rod / support is also almost free of residual stress due to the high temperature level.
  • the rolling rod takes on a shape due to the distortion that occurs, in which the internal moment becomes zero, unless external forces - e.g. Weight, friction or other holding forces, for example due to a straightening grate - prevent it.
  • external forces e.g. Weight, friction or other holding forces, for example due to a straightening grate - prevent it.
  • the invention has for its object to provide a method which enables a profile steel having a uniform temperature distribution towards the end of the conversion.
  • a final air cooling is preceded by a targeted water cooling in such a way that shaped steel areas having material accumulations are cooled on the outside of the profile with a variable exposure width and duration subject to a computer-aided predetermined cooling strategy, down to a value which is at least just above the conversion temperature Arl will.
  • the areas on the outside of the profile are, for example, the flanges for double T and U profiles.
  • the appropriate temperature distribution is preferably set by rows of spray nozzles arranged one behind the other in the rolling direction, which, depending on the requirements, can also be arranged several times next to one another and possibly nested, with different spacings in the longitudinal direction or as different nozzles which act on the profile at the desired points or areas.
  • the temperature of the shaped steel is determined in order to determine the exposure width and duration as well as the intensity necessary for the cooling strategy and is entered into the process computer.
  • the temperature distribution in the profile is determined at the beginning of the cooling process or in the case of continuous systems before the profile enters the cooling section. This determination can be achieved either by measuring the temperatures of different profile areas, by measuring a reference temperature and drawing conclusions about a characteristic distribution, by calculation taking into account the forming history, or as a combination of these methods.
  • the suitable cooling strategy is then determined with the help of the process computer, the cooling process automatically in due time activated, if necessary changes in speed or temperature changes over the length and finally ended.
  • the calculation of the suitable cooling strategy can either be achieved on-line using software based on a physical model, or calculation results can be determined in advance depending on the profile type, assumed temperature distributions and material off-line, implemented in the computer and the cooling intensity and duration be determined interpolatively.
  • a water cooling section following the last rolling mill necessary for the rolling of the shaped steel is preferably subdivided into individually controllable and switchable or switchable cooling zones, an adaptation to different profiles, temperature situations, materials and speeds of the outgoing can be carried out in a simple manner Reach shape steel.
  • the cooling section can consist of several cooling section sections. A sufficient number of individually controllable zones also enables the process to be controlled in the event of changing conditions, such as the throughput speed or the output temperature distribution, and also a standstill, e.g. of the rod end within the cooling section can then be controlled.
  • the size of the water-pressurized steel surface be changed by changing the distance from the cooling water nozzles to the profile outside and, according to a further proposal of the invention, the cooling intensity is controlled by changes in the supply pressure.
  • the manifolds it is advisable to equip the manifolds with several rows of nozzles instead of just one row of nozzles on each side, which contributes to widening the exposure area and grading the cooling intensity.
  • the position or the course of the cooled web defined by the impinging water jets on the shaped steel can be adjusted by means of a corresponding device via rotatable rows of nozzles.

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Abstract

Ein Verfahren zum Kühlen von Profilstahl-Trägern aus der Walzhitze, das einen gegen Ende der Umwandlung bereits geraden und eine gleichförmige Temperaturverteilung aufweisenden Profilstahl-Träger ermöglicht, sieht vor, daß einer abschließenden Luftkühlung eine gezielte Wasserkühlung vorgeschaltet wird, derart, daß Materialanhäufungen aufweisende Trägerbereiche profilaußenseitig mit einer einer rechnergestützt vorgegebenen Kühlstrategie unterliegenden, variablen Beaufschlagungsbreite und -dauer bis auf einen zumindest noch knapp oberhalb der Umwandlungstemperatur Arl liegenden Wert gekühlt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Formstahl, insbesondere Profilstahlträgern aus der Walzhitze.
  • Das Kühlen von Formstahl, wie Profilstahl-Träger, z.B. Doppel-T-und U-Profile, Winkel, T-Stähle, nach dem Walzen geschieht üblicherweise mit Hilfe eines Kühlbettes. Aufgrund der während der Verweildauer auf dem Kühlbett unkontrollierten, oft ungünstigen freien Abkühlung der Profilstahl-Träger bzw. Stäbe ist meist ein nachteiliger Einfluß auf die, Geradheit und den Eigenspannungszustand unvermeidlich. Die Geradheit bzw. die Eigenform hängt nämlich ursächlich eng mit dem Eigenspannungszustand zusammen. Diese beiden für die Profilstahl-Träger genannten Qualitätskriterien gemeinsam genommen lassen sich mit der Planheit bei der Bandwalzung vergleichen. Während bei Bändern die Bedeutung einer guten Planlage jedoch überwiegend unter geometrischen Aspekten zu sehen ist, wirken sich Längenunterschiede der Fasern über dem Querschnitt bei vergleichsweise steifen Profilen nur gegebenenfalls als Krümmung, mit Sicherheit aber als eine unter Umständen erhebliche Reduzierung der Tragfähigkeit aufgrund von Eigenspannungen aus. Neben einer verminderten Tragfähigkeit bei einwirkenden äußeren Lasten weisen eigenspannungsbehaftete Bauteile auch einen größeren Verzug bei der Bearbeitung aufgrund der dabei entstehenden Störung des Gleichgewichtszustandes auf und neigen auch eher zur Rißbildung in Bereichen mit großen Eigenspannungsunterschieden, wie sie insbesondere im Übergangsbereich vom Steg zum Flansch auftreten können, beispielsweise bei Doppel-T-Profilen.
  • Der Erfindung liegen die folgenden, den Mechanismus des Entstehens von Eigenspannungen betreffenden Überlegungen und Kenntnisse zugrunde. Ein gewalzter Profilstahl-Träger verläßt das letzte Walzgerüst in guter Näherung mit einer homogenen Dehnungsverteilung, was bedeutet, daß der Träger bzw. Stab gerade ist und keine Bereiche mit Welligkeit aufweist. Im Falle von dynamisch rekristallisierenden Werkstoffen ist der Stab/Träger aufgrund des hohen Temperaturniveaus auch nahezu eigenspannungsfrei. Hingegen stellt sich bei einer unterdrückten dynamischen Rekristallisation - eine wichtige Voraussetzung für das thermomechanische Walzen - eine für die letzten Stichabnahmen charakteristische Eigenspannungssituation ein.
  • Die Temperaturverteilung nach der letzten Walzung ist üblicherweise deutlich inhomogen; insbesondere an Stellen mit einer Materialanhäufung kühlt ein Profil weniger stark ab als in dünnwandigen Bereichen. Unabhängig davon, wie der thermische Ausgangszustand war, kühlt ein Profil an Luft im allgemeinen inhomogen ab. Die dadurch bedingten unterschiedlichen thermischen Längenänderungen müssen durch elastische oder sogar elastischplastische Dehnungen kompensiert werden, begleitet durch den Aufbau von damit unvermeidlich einhergehenden Spannungen. Je höher die Temperatur ist, desto schneller bauen sich derartige Spannungen durch Relaxation ab, d.h. einem mit einer parallel ablaufenden Spannungsarmglühung vergleichbarem Vorgang. Da dies allerdings langsamer abläuft als die thermischen Veränderungen, wird das Profil auch in dieser Phase hoher Temperaturen in Summe durch innere Spannungen belastet. Bei unsymmetrischen Abkühlbedingungen oder Profilgeometrien nimmt der Walzstab bedingt durch den auftretenden Verzug eine Form an, bei der das innere Moment zu Null wird, es sei denn, daß äußere Kräfte - z.B. Gewichts-, Reibungs- oder andere Haltekräfte, beispielsweise aufgrund eines Richtrostes - ihn daran hindern.
  • Gerät eine Faser oder ein Teil des Profiles in den Bereich der Gamma-Alpha-Gefügeumwandlung, so baut sich dort aufgrund der völligen Neustrukturierung des Gefüges jegliche Spannung ab. Auch das durch die geringere Packungsdichte des Alpha-Eisens bedingte Wachsen dieser Faser wird zum Teil unterdrückt, weil sich die anderen, noch nicht in der Umwandlung befindlichen Fasern aufgrund ihrer Restelastizität gegen ein Mitwachsen wehren. In dieser Phase des sukzessiven Erreichens des Umwandlungsbereiches verändert sich die Krümmung eines unsymmetrischen oder unsymmetrisch abkühlenden und nicht in einem Richtrost oder anderweitig geführten Profiles ständig. Erst gegen Ende der Umwandlung ist das Profil nahezu eigenspannungsfrei und unabhängig von dem sich frei ausbildenden oder erzwungenen Krümmungszustand. Dann allerdings, wenn mindestens zwei Fasern oder Teilbereiche die untere Grenztemperatur der Umwandlung unterschritten haben, kann sich zwischen diesen Fasern wieder ein Zwang ergeben, der eine Folge des elastischen bzw. elastisch-plastischen Ausgleichs unterschiedlicher thermisch bedingter Kontraktionen ist. Diese Spannungen - spätere Eigenspannungen - werden unterhalb der Umwandlung wegen der dann zunehmend unbedeutender werdenden Relaxation auch kaum noch abgebaut. Mit fortschreitender Abkühlung verlassen mehr und mehr Fasern den Bereich der Umwandlung und beteiligen sich an dem oben beschriebenen Aufbau der Eigenspannungen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das einen gegen Ende der Umwandlung eine gleichförmige Temperaturverteilung aufweisenden Profilstahl ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer abschließenden Luftkühlung eine gezielte Wasserkühlung vorgeschaltet wird, derart, daß Materialanhäufungen aufweisende Formstahlbereiche profilaußenseitig mit einer einer rechnergestützt vorgegebenen Kühlstrategie unterliegenden, variablen Beaufschlagungsbreite und -dauer bis auf einen zumindest noch knapp oberhalb der Umwandlungstemperatur Arl liegenden Wert gekühlt werden. Die profilaußenseitigen Bereiche sind z.B. die Flansche bei Doppel-T- und U-Profilen. Indem somit durch eine selektive Kühlung oberhalb der Umwandlungstemperatur Arl, vorzugsweise an der Grenze der unteren Umwandlungstemperatur, eine homogene Temperaturverteilung ermöglicht wird, weil der Träger nach der Wasserkühlung sich selbst überlassen wird, bis die gekühlten Bereiche den Kühlvorrat aufgezehrt und sich thermisch wieder erholt haben, liegt ein technisch eigenspannungsfreies Profil vor. Es kommt daher nicht mehr wie bei den bekannten Verfahren zu einem Aufbau innerer Spannungen im Profil, die dort aufgrund im wesentlichen elastischer bzw. elastisch-plastischer Kompensation unterschiedlicher, thermisch bedingter Dehnungen infolge einer inhomogenen Temperaturverteilung gegen Ende der Umwandlung auftreten. Es wird somit die Formstabilität sowohl bei der Herstellung der Profilstahl-Träger als auch bei deren Nachbearbeitung, z. B. Sägen, verbessert. Die weitgehende Eigenspannungsarmut gegen Ende der Umwandlung in Verbindung mit einer gleichförmigen Temperaturverteilung führt selbst dann zu einem nahezu eigenspannungsfreien und somit höher belastbaren und formstabilen Profil - auch nach vollständiger Abkühlung auf Raumtemperatur - ,wenn die Temperaturverteilung zwischenzeitlich inhomogen war.
  • Die Einstellung der geeigneten Temperaturverteilung erfolgt vorzugsweise durch in Walzrichtung hintereinander angeordnete Spritzdüsenreihen, die entsprechend den Erfordernissen auch mehrfach nebeneinander und gegebenenfalls verschachtelt, mit unterschiedlichen Abständen in Längsrichtung oder als unterschiedliche Düsen ausgeführt sein können, die das Profil an den gewünschten Stellen bzw. Bereichen beaufschlagen.
  • Nach einem Vorschlag der Erfindung wird zur Bestimmung der für die Kühlstrategie notwendigen Beaufschlagungsbreite und -dauer sowie Intensität die Temperatur des Formstahles ermittelt und in den Prozeßrechner eingegeben. Hierzu wird zu Beginn des Kühlvorganges bzw. bei Durchlaufanlagen vor dem Eintritt des Profils in die Kühlstrecke die Temperaturverteilung im Profil ermittelt. Diese Ermittlung läßt sich entweder durch Messung der Temperaturen verschiedener Profilbereiche, durch Messung einer Referenztemperatur und Rückschluß auf eine charakteristische Verteilung, durch Berechnung unter Berücksichtigung der umformtechnischen Vorgeschichte oder als Kombination dieser Verfahren erreichen. Anhand dieser Eingaben wird anschließend die geeignete Kühlstrategie mit Hilfe des Prozeßrechners ermittelt, der Kühlvorgang zeitgerecht automatisch aktiviert, bei Geschwindigkeitsänderungen oder Temperaturveränderungen über der Länge gegebenenfalls variiert und schließlich beendet. Die Berechnung der geeigneten Kühlstrategie läßt sich mit Hilfe einer auf einem physikalischen Modell basierenden Software entweder on-line erreichen, oder es können im Vorfeld Berechnungsergebnisse abhängig vom Profiltyp, angenommenen Temperaturverteilungen und Werkstoff off-line ermittelt, im Rechner implementiert und die Kühlintensität und -dauer interpolativ ermittelt werden.
  • Wenn eine dem letzten für die Walzung des Formstahles notwendigen Walzwerk nachfolgende Wasserkühlstrecke, insbesondere eine Durchlaufkühlstrecke, vorzugsweise in einzeln ansteuerbare und abschalt- bzw. zuschaltbare Kühlzonen unterteilt wird, läßt sich in einfacher Weise eine Anpassung an unterschiedliche Profile, Temperatursituationen, Werkstoffe und Geschwindigkeiten des auslaufenden Formstahles erreichen. Hierbei kann die Kühlstrecke aus mehreren Kühlstreckenabschnitten bestehen. Eine hinreichende Anzahl einzeln ansteuerbarer Zonen ermöglicht darüber hinaus auch die Steuerung des Prozesses bei sich verändernden Bedingungen, wie der Durchlaufgeschwindigkeit oder der Ausgangstemperaturverteilung, und auch ein Stillstand, z.B. des Stabendes, innerhalb der Kühlstrecke ist dann beherrschbar.
  • Es wird vorgeschlagen, daß die Größe der wasserbeaufschlagten Formstahlfläche durch Verändern des Abstandes von Kühlwasser-Düsen zur Profilaußenseite verändert und nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Kühlintensität durch Änderungen des Versorgungsdruckes gesteuert wird. Vor allem bei größeren Profilen empfiehlt es sich, statt in Laufrichtung pro Seite nur einer Düsenreihe eine Bestückung der Verteilerrohre mit mehreren Düsenreihen vorzunehmen, was zur Verbreiterung der Beaufschlagungsfläche und zur Stufung der Kühlintensität beiträgt. Die Lage bzw. der Verlauf der durch die auftreffenden Wasserstrahlen definierten, gekühlten Bahn am Formstahl kann aufgrund einer entsprechenden Vorrichtung über drehbare Düsenreihen eingestellt werden.
  • Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik veranschaulichen die beiden nachfolgend einander gegenübergestellten Beispiele:
    • 1. Abkühlung eines Profiles HEB 140 an der Luft nach dem Stand der Technik
      Ausgehend von einer homogenen Anfangstemperaturverteilung von T0=900°C und dem Werkstoff c 45, liegt aufgrund der freien Abkühlung nach dem Unterschreiten der unteren Umwandlungstemperatur durch die heißeste Faser eine Eigenspannungen hervorrufende inhomogene Temperatur- bzw. Zwischentemperaturverteilung vor, die nach vollständiger Abkühlung auf Raumtemperatur (300 Minuten) Restspannungen bewirkt. Hierbei treten Eigenspannungen in Höhe von ca. 21% der Kaltfließgrenze von 460 N/mm2 unter anderem an den Flanschspitzen auf, d.h. unabhängig von der Biegeachse an den Außenfasern, die im Falle aufzunehmender äußerer Lasten grundsätzlich höchstbelastet sind. Diese Vorbelastung durch Restspannungen reduziert die Belastbarkeit des fertigen Trägers ganz erheblich.
    • 2. Abkühlung eines Profiles HEB 140 an der Luft nach einer vorgeschalteten, erfindungsgemäßen Wasserkühlung
      Werden nun bei gleichen Voraussetzungen wie oben genannt die Flanschaußenseiten für die Dauer von 6,7 sec auf einer 80 mm breiten, mittigen Bahn mit richtig bemessener Intensität wassergekühlt, läßt sich nach vollständigem Durchlaufen der Umwandlung eine wesentlich gleichmäßigere Temperaturverteilung erreichen, was Versuche bestätigt haben. Nach vollständiger Abkühlung ergeben sich Eigenspannungen, die maximal nur noch 5,6% der Kaltfließgrenze betragen. Darüber hinaus ergibt sich eine deutliche Vergleichmäßigung der Spannungen, insbesondere im Wurzelbereich, in dem bei nach üblicher Praxis abgekühlten Profilen häufig eigenspannungsbedingte Anrisse auftreten. Für die Berechnung des Zusammenhangs zwischen Spannungen und Dehnungen werden neben den thermisch bedingten Längenänderungen alle anderen kontinuumsmechanisch relevanten Vorgänge berücksichtigt, wie Elastizität, Plastizität und Relaxation in Abhängigkeit von der Temperatur.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Kühlen von Formstahl, insbesondere Profilstahl-Trägern, aus der Walzhitze,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß einer abschließenden Luftkühlung eine gezielte Wasserkühlung vorgeschaltet wird, derart, daß Materialanhäufungen aufweisende Formstahl profilaußenseitig mit einer einer rechnergestützt vorgegebenen Kühlstrategie unterliegenden, variablen Beaufschlagungsbreite und -dauer bis auf einen zumindest noch knapp oberhalb der Umwandlungstemperatur Arl liegenden Wert gekühlt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Bestimmung der für die Kühlstrategie notwendigen Beaufschlagungsbreite und -dauer sowie Intensität die Temperatur des Formstahles ermittelt und in den Prozeßrechner eingegeben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Größe der wasserbeaufschlagten Formstahlfläche durch Verändern des Abstandes von Kühlwasser-Düsen zur Profilaußenseite verändert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Kühlintensität durch Änderungen des Versorgungsdruckes gesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wasserkühlstrecke in einzeln ansteuerbare und abschalt- bzw. zuschaltbare KÜhlzonen unterteilt wird.
EP97106855A 1996-05-15 1997-04-25 Verfahren zum Kühlen von Profilstahl-Trägern Withdrawn EP0807692A1 (de)

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DE19619574 1996-05-15

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EP (1) EP0807692A1 (de)
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