EP4348148A1 - Forcierte luftkühlung zur kühlung von langstahlerzeugnissen - Google Patents

Forcierte luftkühlung zur kühlung von langstahlerzeugnissen

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EP4348148A1
EP4348148A1 EP22725191.5A EP22725191A EP4348148A1 EP 4348148 A1 EP4348148 A1 EP 4348148A1 EP 22725191 A EP22725191 A EP 22725191A EP 4348148 A1 EP4348148 A1 EP 4348148A1
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EP
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heat treatment
long steel
chamber
treatment unit
cross
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Ran YANG
Jens Oestrich
Frank Steden
Dirk Winterfeldt
Olaf Koch
Hans-Peter Drügh
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SMS Group GmbH
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    • C21D2211/009—Pearlite

Definitions

  • the present invention relates to a heat treatment unit, in particular a cooling hood, a device and a method for the heat treatment of hot-rolled long steel products.
  • cooling media In order to set the mechanical properties, such as in particular the yield point, the tensile strength or the hardness, of hot-rolled long steel products, these are cooled in a targeted manner by means of cooling devices during and/or after a hot-rolling process.
  • water or a water-air mixture is generally used as the cooling medium in the prior art, as is disclosed, for example, in EP 1 412 543 B1.
  • such cooling media lead to the development of the so-called Leidenfrost phenomenon, which leads to deviations in the cooling rate over the entire length of the long steel product and thus to the formation of inhomogeneous microstructures.
  • a method and a device for hardening a rail head by means of air or nitrogen is also known from US Pat. No. 4,913,747.
  • the coolant is fed via a line system to a collector that includes a large number of nozzles.
  • a disadvantage of this embodiment variant is the complex construction of the cooling apparatus with the many nozzles and bores.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device that is improved compared to the prior art and a method for the heat treatment of hot-rolled long steel products that is improved compared to the prior art. Description of the invention
  • the object is achieved by a heat treatment unit having the features of patent claim 1, by a device having the features of patent claim 9 and by a method having the features of patent claim 12.
  • the present invention relates to a heat treatment unit, in particular a cooling hood, preferably for use in a device for the heat treatment of hot-rolled long steel products, comprising a chamber with an inlet opening, via which a gaseous cooling medium can be fed to the chamber, and a gap-shaped outlet opening, via which the gaseous cooling medium can be carried out in an accelerated manner, the chamber comprising a middle chamber segment and a first and second outer chamber segment extending from the middle chamber segment and both outer chamber segments having a cross section which tapers proportionally towards their distal ends.
  • the construction of the heat treatment unit according to the invention in particular the proportional reduction of the flow cross section over the length of the respective outer chamber segment, enables a uniform flow of the gaseous cooling medium, such as air or nitrogen, at the gap-shaped outlet opening over the entire length of the chamber.
  • the gaseous cooling medium such as air or nitrogen
  • the hot-rolled long steel products can be cooled homogeneously and evenly, so that their mechanical properties are improved.
  • the outlet opening is designed in the form of a slit, the maintenance effort is also lower in contrast to conventional conical or flat jet nozzles.
  • cross section means a cross-sectional area
  • long steel product is understood to mean a metallic product which can have a length of up to 200 m, such as rails, in particular railway rails, H-shaped beams, U-shaped profiles, angles, etc.
  • the middle chamber segment advantageously has a constant cross-section along a longitudinal axis of the chamber, it being preferably provided in this connection that the inlet opening is arranged in the middle chamber segment.
  • the inlet opening can have an inlet cross section that is smaller than the cross section of the central chamber segment. Due to the larger cross section in the central chamber segment, the cooling medium flowing into the chamber through the inlet opening can first calm down before it flows further in the direction of the gap-shaped outlet opening. In addition, due to the inlet cross-section, which is larger than that of the slot-shaped outlet opening, the flow velocity of the cooling medium at the inlet of the chamber is kept very low and high at the outlet.
  • the turbulence is significantly reduced as a result of the change in cross section and the associated change in flow speed, so that it can be ensured that the cooling medium flows out very evenly over the entire length of the slot-shaped outlet opening.
  • the factor of Velocity change between inlet and outlet of the chamber can preferably be 3 to 20.
  • the flow velocity at the inlet can be 10 to 50 m/s.
  • the flow rate of the cooling medium at the outlet can then be 3 to 20 times this, depending on the selected cross-sectional ratios.
  • the cross sections arranged at the distal ends of the two outer chamber segments are smaller by a factor of at least 3, preferably at least a factor of 4, even more preferably at least a factor of 10 compared to the cross section of the central chamber segment.
  • each of the chamber segments advantageously has a cross-sectional section which tapers conically in the direction of the slot-shaped outlet opening and which can be embodied symmetrically or alternatively also asymmetrically.
  • the inlet opening can be formed directly in the middle chamber segment in the form of an opening.
  • the heat treatment unit comprises an inlet connection which is arranged in the inlet opening and is formed from a cup-shaped body and has an opening in each case aligned with the outer chamber segments.
  • each of the two openings has a cross section that corresponds at least to half the inlet cross section. This also prevents the formation of turbulence within the chamber and thus has an advantageous effect on the flow properties.
  • the bottom of the cup-shaped inlet connection ensures that the cooling medium flowing into the middle chamber segment flows into the two outer ones
  • Chamber segments is deflected and thus can not exit directly through the slit-shaped outlet opening of the middle chamber segment.
  • the pressure above the slit-shaped outlet opening can be kept constant over the entire length of the chamber.
  • the cross section of the slot-shaped exit opening is designed to be adjustable.
  • the cooling rate for the hot-rolled long steel product can be continuously controlled by adjusting the cross section of the slit-shaped outlet.
  • the slit-shaped outlet can be adjusted in the range of 0.5 to 50 mm depending on the required cooling width.
  • the present invention relates to a device for the heat treatment of hot-rolled long steel products, comprising a receiving device for receiving the hot-rolled long steel product and at least one heat treatment unit according to the invention, via which the long steel product to be cooled can be subjected to a gaseous cooling medium, in particular air or nitrogen.
  • a gaseous cooling medium in particular air or nitrogen.
  • ambient air can be supplied to the heat treatment unit as a cooling medium by means of a suitable blower device. Due to the narrowing of the cross section at the gap-shaped outlet opening, the cooling medium is accelerated through the latter in such a way that the cooling medium acts on the surface of the hot-rolled long steel product to be cooled at a high speed, which can be, for example, 200 m/s.
  • the device also comprises at least one fan device, via which a gaseous cooling medium, such as air or nitrogen, can be supplied to the heat treatment unit.
  • a gaseous cooling medium such as air or nitrogen
  • speed-controlled fan device a continuous adjustment of the cooling rate, which can be, for example, 1 to 20 K / s.
  • the at least one heat treatment unit is advantageously arranged in the device in such a way that the slit-shaped outlet opening is positioned longitudinally parallel to the receiving device.
  • the distance between the gap-shaped outlet opening and the receiving device is adjustable, particularly preferably such that the distance between the outlet opening and the surface of the long steel product to be cooled is 5 to 300 mm.
  • the device for heat treatment is of modular design, so that one or more heat treatment unit(s) can be moved around a length segment of the long steel product and/or one or more
  • Heat treatment unit (s) can be arranged along several length segments or along the entire length of the long steel product or are.
  • the device therefore advantageously comprises at least one temperature sensor via which the temperature of the long steel product, preferably during a
  • the temperature sensor is preferably a pyrometer or a thermal imaging camera. Other temperature sensors known to a person skilled in the art at the time of the application can also be used advantageously.
  • Another advantage of the modular design is its usability. Different workpiece geometries can be cooled by using a plurality of heat treatment units. An individual adaptation to the shape and the required cooling capacity is possible by changing the number and redesigning the heat treatment unit or the cooling hood.
  • structural changes in the long steel product can be detected and monitored directly in the cooling process using electromagnetic sensors.
  • the cooling rate can be adjusted accordingly based on the determined microstructure.
  • the cooling rate can be set reliably and stably and offers the flexibility to flexibly adjust the necessary cooling rates for the heat treatment process for all common and also special material compositions; -
  • the use of ambient air as a cooling medium is particularly resource-saving compared to the liquid cooling media currently used, such as water, oil and / or water-air mixtures; by using a blower device, such as a fan, a large volume of air can be transported at a low pressure, preferably up to 1320 mbar, so that no compressor is required.
  • the present invention also relates to a method for the heat treatment of a hot-rolled long steel product, with this product being fed directly to a device according to the invention and heat-treated following a hot-rolling process.
  • the gaseous cooling medium in particular air or nitrogen, can be used depending on the desired cooling intensity a speed of at least 25 m/s, preferably at a speed of at least 50 m/s, more preferably at a speed of at least 100 m/s, even more preferably at one
  • the present invention relates to the use of the heat treatment unit according to the invention or the device according to the invention for forming a pearlitic, a ferritic, a bainitic and/or a martensitic microstructure in a hot-rolled
  • FIG. 1 shows an embodiment variant of the heat treatment unit according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2 shows the embodiment variant of the heat treatment unit shown in FIG. 1 in a side view
  • 3 shows a sectional view through the heat treatment unit shown in the previous figures
  • FIG. 4 shows an embodiment variant of the inlet connection in a perspective representation
  • FIG. 5 shows an embodiment variant of the device according to the invention for the heat treatment of long steel products
  • FIG. 7 shows a photograph of a rail head together with the hardness values determined without heat treatment
  • FIG. 8 shows a photograph of a rail head together with determined hardness values with a heat treatment according to the invention
  • FIGS. 1 to 4 show an embodiment variant of the heat treatment unit 1 according to the invention, which is suitable and intended for a device 2 for the heat treatment of hot-rolled long steel products (see FIG. 5), such as rails 3 .
  • the heat treatment unit 1 in particular a cooling hood, comprises a longitudinally extending chamber 4 with an inlet opening 5, via which a gaseous cooling medium, such as in particular ambient air, can be supplied to the chamber 4, as well as a slot-shaped outlet opening 6 extending longitudinally over the entire length of the chamber 4, over which the gaseous cooling medium can be executed in an accelerated manner.
  • a gaseous cooling medium such as in particular ambient air
  • the ambient air can preferably be sucked in via a blower device (not shown), such as a fan, and fed to the cooling hood 1 via a corresponding line system (not shown).
  • a blower device such as a fan
  • the distance between the cooling hood 1 and the fan device should be as short as possible.
  • the cooling hood 1 is formed by a middle chamber segment 7, which includes the inlet opening 5, and a first and a second outer chamber segment 8, 9, which each extend from the middle chamber segment 7 and are connected to it via flange connections 10, 11.
  • the middle chamber segment 7 is designed in such a way that it has a cross section of the same size along the longitudinal axis of the chamber 4, which is illustrated here with the reference number 12 in the sectional view shown in Figure 3.
  • the two outer chamber segments 8, 9 have one their distal ends proportionally tapering cross section, which results in a value in the range of 2 to 6 times smaller in the cross section 13 at each of the distal ends of the outer chamber segments 8, 9.
  • each of the chamber segments 7 , 8 , 9 in addition to a quadrangular cross-sectional section 14 , also has a cross-sectional section 15 that tapers conically in the direction of the slot-shaped outlet opening 6 .
  • the cooling hood 1 in the embodiment variant shown here comprises an inlet connection 16 arranged in the inlet opening 5.
  • this is formed from a cup-shaped body 17 which comprises a bottom 18 and a cylindrical wall 19 and whose inlet connection opening 20 is the inlet for the gaseous forms cooling medium.
  • the gaseous cooling medium can flow through the entire chamber 4
  • at least two openings 21 are provided in the cylindrical wall 19, which are each aligned with the outer chamber segments 8, 9.
  • Each of the two openings 21 predominantly has a cross section which corresponds to half the cross section of the inlet connector opening 20 .
  • the construction according to the invention ensures that the cooling medium, despite being fed into the cooling hood 1 in the middle, always has an air pressure that remains constant over the entire length of the chamber or length of the cooling hood Outlet 6 has, so that a constant outflow over the cooling length can be ensured.
  • Figure 5 shows an embodiment variant of the device 2 according to the invention for the heat treatment of long steel products 3, which comprises a receiving device 22 for receiving the hot-rolled long steel product 3 and, in the present case, three heat treatment units 1, via which the long steel product 3 to be cooled can be subjected to the gaseous cooling medium and thus cooled in a targeted manner is.
  • the device 1 also includes a transport device 23 and a lifting table 24, via which the long steel product shown in the form of a rail 3 can be raised and fed to the receiving device 22.
  • the receiving device 22 includes a clamping device 25 by means of which the rail 3 can be clamped.
  • the clamping device 25 can be designed in such a way that the rail 3 can be moved longitudinally in the device 2 by means of roller table rollers 26 .
  • the rail 3 can be fixed stationary on a table and the cooling system can be moved back and forth longitudinally over the rail 3 during cooling.
  • FIG. 6 shows an embodiment variant of a control process for the heat treatment of a long steel product or a rail 3 .
  • Each of the three cooling hoods 1 is assigned a temperature sensor 27 in the form of a pyrometer and positioned in such a way that the temperatures can be measured from the rail head sides TOP, SIDE-LEFT and SIDE-RIGHT during the cooling process.
  • the recorded temperatures T_TOPi St , T_ SIDE-LEFTist and T_ SIDE-RIGHTist are transmitted to a computer unit 28 and compared with a setpoint temperature (T SO II ) of a technological model. If one of the detected temperatures is greater than the target temperature, the cooling capacity can be increased by a Increasing the speed of a corresponding fan 29 can be individually adjusted so that the temperature difference is minimized.
  • T SO II setpoint temperature
  • FIG. 7 shows hardness measurements in the cross-sectional area of a rail head which has not been subjected to a heat treatment.
  • FIG. 8 shows a rail which has been heat-treated according to the method according to the invention. As can be seen from the values, the hardnesses in the rail head are on average up to 22% higher as a result of the cooling process according to the invention.

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Wärmebehandlungseinheit, insbesondere Kühlhaube, umfassend eine Kammer mit einer Eintrittsöffnung, über die ein gasförmiges Kühlmedium der Kammer zuführbar ist, und einer spaltförmigen Austrittsöffnung, über die das gasförmige Kühlmedium beschleunigt ausführbar ist, wobei die Kammer ein mittleres Kammersegment sowie ein erstes und zweites, sich von dem mittleren Kammersegment erstreckendes, äußeres Kammersegment umfasst und beide äußeren Kammersegmente einen zu ihren distalen Enden hin proportional verjüngenden Querschnitt aufweisen, sowie eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Langstahlerzeugnissen.

Description

Forcierte Luftkühlung zur Kühlung von Langstahlerzeugnissen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungseinheit, insbesondere eine Kühlhaube, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Langstahlerzeugnissen.
Um die mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere die Streckgrenze, die Zugfestigkeit oder die Härte, von warmgewalzten Langstahlerzeugnissen einzustellen, werden diese während und/oder nach einem Warmwalzvorgang mittels Kühleinrichtungen gezielt gekühlt. Hierzu wird im Stand der Technik in der Regel Wasser oder ein Wasser-Luft-Gemisch als Kühlmedium verwendet, wie dies beispielsweise in der EP 1 412 543 B1 offenbart wird. Derartige Kühlmedien führen allerdings zur Ausbildung des so genannten Leidenfrost-Phänomens, welches zu Abweichungen in der Abkühlrate über die gesamte Länge des Langstahlerzeugnisses und somit zur Ausbildung von inhomogenen Mikrostrukturen führt.
Aus der US 4,913,747 ist zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten eines Schienenkopfes mittels Luft oder Stickstoff bekannt. Hierbei wird das Kühlmittel über ein Leitungssystem einem Sammler zugeführt, der eine Vielzahl von Düsen umfasst. Nachteilig bei dieser Ausführungsvariante ist die aufwendige Konstruktion der Kühlapparatur mit den vielen Düsen und Bohrungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung sowie ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Langstahlerzeugnissen bereitzustellen. Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Wärmebehandlungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Wärmebehandlungseinheit, insbesondere eine Kühlhaube, vorzugsweise zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Langstahlerzeugnissen, umfassend eine Kammer mit einer Eintrittsöffnung, über die ein gasförmiges Kühlmedium der Kammer zuführbar ist, und einer spaltförmigen Austrittsöffnung, über die das gasförmige Kühlmedium beschleunigt ausführbar ist, wobei die Kammer ein mittleres Kammersegment sowie ein erstes und zweites, sich von dem mittleren Kammersegment erstreckendes, äußeres Kammersegment umfasst und beide äußeren Kammersegmente einen zu ihren distalen Enden hin proportional verjüngenden Querschnitt aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Wärmebehandlungseinheit, insbesondere die proportionale Verkleinerung des Strömungsquerschnitts über die Länge des jeweiligen äußeren Kammersegments, wird eine gleichmäßige Strömung des gasförmigen Kühlmediums, wie Luft oder Stickstoff, an der spaltförmigen Austrittsöffnung über die gesamte Länge der Kammer ermöglicht. Durch den Einsatz derartiger Wärmebehandlungseinheiten können die warmgewalzten Langstahlerzeugnisse homogen und gleichmäßig abgekühlt werden, so dass deren mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Dadurch, dass die Austrittsöffnung spaltförmig ausgebildet ist, ist zudem der Wartungsaufwand im Gegensatz zu konventionellen Kegel- oder Flachstrahldüsen geringer. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Unter dem Begriff „Querschnitt“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Querschnittsfläche verstanden.
Unter dem Begriff „Langstahlerzeugnis“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein metallisches Erzeugnis verstanden, welches eine Länge von bis zu 200 m aufweisen kann, wie beispielsweise Schienen, insbesondere Eisenbahnschienen, H-förmige Träger, U-förmige Profile, Winkel, etc.
Das mittlere Kammersegment weist vorteilhafterweise einen entlang einer Längsachse der Kammer konstanten Querschnitt auf, wobei in diesem Zusammenhang bevorzugt vorgesehen ist, dass die Eintrittsöffnung in dem mittleren Kammersegment angeordnet ist. Die Eintrittsöffnung kann einen zu dem Querschnitt des mittleren Kammersegments kleineren Eintrittsquerschnitt aufweisen. Durch den größeren Querschnitt in dem mittleren Kammersegment kann sich das durch die Eintrittsöffnung in die Kammer strömende Kühlmedium zunächst beruhigen, bevor es in Richtung der spaltförmigen Austrittsöffnung weiter strömt. Durch den im Vergleich zu der spaltförmigen Austrittsöffnung größeren Eintrittsquerschnitt wird zudem die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums am Einlass der Kammer sehr niedrig und am Auslass groß gehalten. Durch die Querschnitts- und die damit einhergehende Strömungsgeschwindigkeitsänderung werden die Verwirbelungen signifikant reduziert, so dass sichergestellt werden kann, dass das Kühlmedium sehr gleichmäßig über die gesamte Länge der spaltförmigen Austrittsöffnung ausströmt. Der Faktor der Geschwindigkeitsänderung zwischen Einlass und Auslass der Kammer kann vorzugsweise 3 bis 20 betragen. So kann die Strömungsgeschwindigkeit am Einlass beispielsweise 10 bis 50 m/s betragen. Entsprechend kann die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums sodann am Auslass in Abhängigkeit der gewählten Querschnittsverhältnisse dem 3- bis 20-fachen hiervon betragen. Vorteilhafterweise ist daher vorgesehen, dass die an den distalen Enden der beiden äußeren Kammersegmente angeordneten Querschnitte im Vergleich zu dem Querschnitt des mittleren Kammersegments mindestens um den Faktor 3, bevorzugt mindestens um den Faktor 4, noch mehr bevorzugt mindestens um den Faktor 10 kleiner sind.
Um die Gleichmäßigkeit der Strömung am Auslass weiterhin zu erhöhen, weist vorteilhaftweise jedes der Kammersegmente einen sich in Richtung der spaltförmigen Austrittsöffnung konisch verjüngenden Querschnittsabschnitt auf, der symmetrisch oder alternativ auch asymmetrisch ausgebildet sein kann.
Die Eintrittsöffnung kann grundsätzlich direkt in dem mittleren Kammersegment in Form einer Öffnung ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist jedoch vorgesehen, dass die Wärmebehandlungseinheit einen in der Eintrittsöffnung angeordneten Einlassstutzen umfasst, der aus einem becherförmigen Körper gebildet ist und jeweils eine zu den äußeren Kammersegmenten ausgerichtete Öffnung aufweist. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass jede der beiden Öffnungen einen Querschnitt aufweist, der zumindest dem halben Einlassquerschnitt entspricht. Dies verhindert ebenfalls die Bildung von Verwirbelungen innerhalb der Kammer und wirkt sich somit vorteilhaft auf die Strömungseigenschaften aus. Hierbei sorgt der Boden des becherförmigen Einlassstutzens zum einen dafür, dass das in das mittlere Kammersegment einströmende Kühlmedium in die beiden äußeren
Kammersegmente umgelenkt wird und somit nicht direkt über die spaltförmige Austrittsöffnung des mittleren Kammersegments wieder austreten kann. Zum anderen kann der Druck oberhalb der spaltförmigen Austrittsöffnung über die gesamte Länge der Kammer konstant gehalten werden.
Um eine weitere Flexibilität bei der Einstellung des Verhältnisses zwischen Eintritts- und Austrittsgeschwindigkeit zu erhalten, die wie bereits erläutert durch die Einstellung der Querschnitte erzielbar ist, ist vorteilhaftweise vorgesehen, dass der Querschnitt der spaltförmigen Austrittsöffnung verstellbar ausgeführt ist. Somit kann die Kühlrate für das warmgewalzte Langstahlerzeugnis stufenlos durch Einstellung des Querschnitts der spaltförmigen Austrittsöffnung geregelt werden Vorzugsweise kann die spaltförmige Austrittsöffnung je nach angeforderter Kühlbreite im Bereich von 0.5 bis 50 mm eingestellt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Langstahlerzeugnissen, umfassend eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des warmgewalzten Langstahlprodukts sowie zumindest eine erfindungsgemäße Wärmebehandlungseinheit, über die das zu kühlende Langstahlerzeugnis mit einem gasförmigen Kühlmedium, insbesondere Luft oder Stickstoff, beaufschlagbar ist. Um dies zu erreichen kann beispielsweise Umgebungsluft als Kühlmedium mittels einer geeigneten Gebläseeinrichtung der Wärmebehandlungseinheit zugeführt werden. Durch die Querschnittverengung an der spaltförmigen Austrittsöffnung wird das Kühlmedium durch diese derart beschleunigt, dass das Kühlmedium mit einer hohen Geschwindigkeit, die beispielsweise 200 m/s betragen kann, die zu kühlende Oberfläche des warmgewalzten Langstahlerzeugnisses beaufschlagt. Vorteilhafterweise ist daher vorgesehen, dass die Vorrichtung zudem mindestens eine Gebläseeinrichtung umfasst, über die ein gasförmiges Kühlmedium, wie Luft oder Stickstoff, der Wärmebehandlungseinheit zuführbar ist. Da die Kühlrate auf der Oberfläche des warmgewalzten Langstahlerzeugnisses von der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden kann, ermöglicht zudem eine drehzahlgeregelte Gebläseeinrichtung eine stufenlose Einstellung der Kühlrate, die beispielsweise 1 bis 20 K/s betragen kann.
Die zumindest eine Wärmebehandlungseinheit ist vorteilhafterweise derart in der Vorrichtung angeordnet, dass die spaltförmige Austrittsöffnung längsparallel zu der Aufnahmeeinrichtung positioniert ist. Zudem ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass der Abstand zwischen der spaltförmigen Austrittsöffnung und der Aufnahmeeinrichtung einstellbar ist, besonders bevorzugt derart, dass der Abstand zwischen der Austrittsöffnung und der zu kühlenden Oberfläche des Langstahlerzeugnisses 5 bis 300 mm beträgt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist die Vorrichtung zur Wärmebehandlung modular ausgebildet, so dass eine oder mehrere Wärmebehandlungseinheit(en) um ein Längensegment des Langstahlerzeugnisses und/oder eine oder mehrere
Wärmebehandlungseinheit(en) entlang mehrerer Längensegmente oder entlang der gesamten Länge des Langstahlerzeugnisses anordenbar ist bzw. sind.
Die Kühlintensität in jedem der Kühlmodule kann individuell anhand der detektierten Temperatur des Langstahlerzeugnisses angepasst werden. So können unterschiedliche Temperaturprofile über die gesamte Länge des Langstahlerzeugnisses durch eine gezielte Kühlung ausgeglichen werden. Um eine entsprechende Temperaturregelung vorzunehmen, umfasst die Vorrichtung daher vorteilhafterweise zumindest einen Temperatursensor, über den die Temperatur des Langstahlerzeugnisses, vorzugsweise während einer
Wärmebehandlung, detektierbar ist. Vorzugsweise ist der Temperatursensor ein Pyrometer oder eine Wärmebildkamera. Auch weitere dem Fachmann zum Zeitpunkt der Anmeldung bekannte Temperatursensoren können vorteilhafterweise verwendet werden. Ein weiterer Vorteil der modularen Bauweise ist deren Einsatzbarkeit. So können durch den Einsatz einer Mehrzahl von Wärmebehandlungseinheiten unterschiedliche Werkstücks-Geometrien gekühlt werden. Eine individuelle Anpassung an die Formgebung und nötige Kühlleistung wird durch Änderung der Anzahl und Umgestaltung der Wärmebehandlungseinheit bzw. der Kühlhaube möglich.
Ergänzend können mittels elektromagnetischen Sensoren Gefügeumwandlungen in dem Langstahlerzeugnis direkt im Kühlprozess detektiert und überwacht werden. Anhand der ermittelten Gefügestrukturen kann die Kühlrate entsprechend angepasst werden.
Je nach Ausführungsvariante der Wärmebehandlungseinheit, insbesondere der Kühlhaube, oder der Vorrichtung ergeben sich zudem die weiteren Vorteile: die Kühlrate ist zuverlässig und stabil einstellbar und bietet die Flexibilität, die notwendigen Kühlraten für den Wärmebehandlungsprozess für alle gängigen und auch besonderen Werkstoffzusammensetzungen, flexibel anzupassen; - die Verwendung von Umgebungsluft als Kühlmedium ist besonders ressourcenschonend im Vergleich zu den derzeit verwendeten flüssigen Kühlmedien, wie Wasser, Öl und/oder Wasser-Luft-Gemischen; durch den Einsatz einer Gebläseeinrichtung, wie eines Ventilators, kann viel Luftvolumen mit einem geringen Druck, bevorzugt bis 1320 mbar, transportiert werden, so dass kein Kompressor erforderlich ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines warmgewalzten Langstahlerzeugnisses, wobei dieses im Anschluss an einen Warmwalzvorgang direkt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt und wärmebehandelt wird. Das gasförmige Kühlmedium, insbesondere Luft oder Stickstoff, kann je nach gewünschter Kühlintensität mit einer Geschwindigkeit von mindestens 25 m/s, bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, mehr bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 100 m/s, noch mehr bevorzugt mit einer
Geschwindigkeit von mindestens 125 m/s, und am meisten bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 150 m/s auf das warmgewalzte
Langstahlerzeugnis aufgeblasen werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungseinheit oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildung einer perlitischen, einer ferritischen, einer bainitischen und/oder einer martensitischen Mikrogefügestruktur in einem warmgewalzten
Langstahlerzeugnis.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Wärmebe handlungseinheit in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsvariante der Wärmebehandlungseinheit in einer seitlichen Darstellung, Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch die in den vorhergehenden Figuren dargestellte Wärmebehandlungseinheit,
Fig. 4 eine Ausführungsvariante des Einlassstutzens in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 5 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Langstahlerzeugnissen,
Fig. 6 eine Ausführungsvariante eines Regelprozesses,
Fig. 7 eine Aufnahme eines Schienenkopfs nebst ermittelten Härtewerten ohne Wärmebehandlung, Fig. 8 eine Aufnahme eines Schienenkopfs nebst ermittelten Härtewerten mit einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung,
Fig. 9 Ergebnisse einer Kühlung mittels eines Wasser-Luft-Gemisches, und Fig. 10 Ergebnisse einer Kühlung gemäß dem erfindungsgemäßen Prozess. In den Figuren 1 bis 4 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungseinheit 1 gezeigt, die für eine Vorrichtung 2 zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Langstahlerzeugnissen (siehe Figur 5), wie beispielsweise Schienen 3, geeignet und vorgesehen ist. Die Wärmebehandlungseinheit 1, insbesondere Kühlhaube, umfasst eine sich längserstreckende Kammer 4 mit einer Eintrittsöffnung 5, über die ein gasförmiges Kühlmedium, wie insbesondere Umgebungsluft, der Kammer 4 zuführbar ist, sowie eine sich über die gesamte Länge der Kammer 4 längserstreckende, spaltförmige Austrittsöffnung 6, über die das gasförmige Kühlmedium beschleunigt ausführbar ist. Die Umgebungsluft kann vorzugsweise über eine Gebläseeinrichtung (nicht dargestellt), wie einen Ventilator, angesaugt und über ein entsprechendes Leitungssystem (nicht dargestellt) der Kühlhaube 1 zugeführt werden. Hierbei sollte die Entfernung zwischen der Kühlhaube 1 und der Gebläseeinrichtung möglichst kurz gewählt werden. Wie anhand der Darstellung in den Figuren 1 und 2 erkennbar, wird die Kühlhaube 1 von einem mittleren Kammersegment 7, der die Eintrittsöffnung 5 umfasst, sowie einem ersten und einem zweiten äußeren Kammersegment 8, 9 gebildet, welche sich jeweils von dem mittleren Kammersegment 7 erstrecken und über Flanschverbindungen 10, 11 mit diesem verbunden sind.
Das mittlere Kammersegment 7 ist derart ausgebildet, dass es einen entlang der Längsachse der Kammer 4 gleichgroßen Querschnitt aufweist, der vorliegend mit der Bezugsziffer 12 in der in Figur 3 gezeigten Schnittdarstellung verdeutlicht wird Im Gegensatz hierzu weisen die beiden äußeren Kammersegmente 8, 9 einen sich zu ihren distalen Enden hin proportional verjüngenden Querschnitt auf, der an jedem der distalen Enden der äußeren Kammersegmente 8, 9 in einem im Bereich von 2 bis 6-fach kleineren Wert im Querschnitt 13 resultiert. Hierbei wird ersichtlich, dass jedes der Kammersegmente 7, 8, 9 neben einem viereckigen Querschnittsabschnitt 14 zusätzlich einen sich in Richtung der spaltförmigen Austrittsöffnung 6 konisch verjüngenden Querschnittsabschnitt 15 aufweist.
Weiterhin umfasst die Kühlhaube 1 in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante einen in der Eintrittsöffnung 5 angeordneten Einlassstutzen 16. Dieser wird vorliegend aus einem becherförmigen Körper 17 gebildet, der einen Boden 18 und eine zylindrische Wandung 19 umfasst und dessen Einlassstutzen-Öffnung 20 den Einlass für das gasförmige Kühlmedium bildet. Damit das gasförmige Kühlmedium die gesamte Kammer 4 durchströmen kann, sind in der zylindrischen Wandung 19 zumindest zwei Öffnungen 21 vorgesehen, die jeweils zu den äußeren Kammersegmenten 8, 9 ausgerichtet sind. Jede der beiden Öffnungen 21 weist vorwiegend einen Querschnitt auf, der dem halben Querschnitt der Einlassstutzen-Öffnung 20 entspricht.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion wird sichergestellt, dass das Kühlmedium, trotz mittiger Einspeisung in die Kühlhaube 1, ein über die gesamte Kammerlänge bzw. Kühlhaubenlänge stets gleichbleibenden Luftdruck am Auslass 6 hat, so dass eine über die Kühllänge gleichbleibende Ausströmungsgeschwindigkeit sichergestellt werden kann.
In Figur 5 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur Wärmebehandlung von Langstahlerzeugnissen 3 gezeigt, die eine Aufnahmeeinrichtung 22 zur Aufnahme des warmgewalzten Langstahlerzeugnisses 3 sowie vorliegend drei Wärmebehandlungseinheiten 1 umfasst, über die das zu kühlende Langstahlerzeugnis 3 mit dem gasförmigen Kühlmedium beaufschlagbar und somit gezielt kühlbar ist. Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Transporteinrichtung 23 sowie einen Hubtisch 24, über den das in Form einer Schiene 3 gezeigte Langstahlerzeugnis angehoben und der Aufnahmeeinrichtung 22 zugeführt werden kann. Die Aufnahmeeinrichtung 22 umfasst eine Klemmvorrichtungen 25 mittels derer die Schiene 3 geklemmt werden kann. Die Klemmvorrichtung 25 kann derart ausgebildet sein, dass die Schiene 3 mittels Rollgangsrollen 26 in der Vorrichtung 2 longitudinal verfahrbar ist.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Schiene 3 stationär auf einem Tisch fixiert und das Kühlsystem longitudinal, während dem Abkühlen, hin und her über die Schiene 3 verfahren werden.
In Figur 6 ist eine Ausführungsvariante eines Regelprozesses für die Wärmebehandlung eines Langstahlerzeugnisses bzw. einer Schiene 3 dargestellt. Jeder der drei Kühlhauben 1 wird jeweils ein Temperatursensor 27, der in Form eines Pyrometers ausgebildet ist, zugeordnet und derart positioniert, dass die Temperaturen von den Schienenkopfseiten TOP, SIDE-LEFT und SIDE-RIGHT während dem Abkühlprozess gemessen werden können. Die aufgenommen Temperaturen T_TOPiSt, T_ SIDE-LEFTist und T_ SIDE-RIGHTist werden an eine Rechnereinheit 28 signaltechnisch übertragen und mit einer Soll-Temperatur (TSOII) eines technologischen Models verglichen. Sofern eine der detektierten Temperaturen größer ist als die Soll-Temperatur, kann die Kühlleistung durch eine Erhöhung der Drehzahl eines entsprechenden Ventilators 29 individuell angepasst werden, so dass die Temperaturdifferenz minimiert wird.
Beispiele Beispiel 1 :
In den Figur 7 sind Härtemessungen in der Querschnittsfläche eines Schienenkopfs dargestellt, die keiner Wärmebehandlung unterzogen worden ist. In Figur 8 ist eine Schiene dargestellt, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wärmebehandelt worden ist. Wie anhand der Werte erkennbar, sind die Härten im Schienenkopf durch den erfindungsgemäßen Abkühlprozess durchschnittlich um bis zu 22 % höher.
Beispiel 2:
Es wurden jeweils mehrere warmgewalzte Schienen mit einer Temperatur von 900 °C gekühlt, um die gewünschte Mikrogefügestruktur einzustellen. Die Schienen wurde zum einen mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens unter Nutzung eines Wasser-Luft-Gemisches (Vergleichsbeispiel; Fig. 9) und zum anderen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Nutzung von reiner Umgebungsluft (Fig. 10) gekühlt. Die Kühlparameter waren unverändert in jedem Abkühlverfahren. Nach der Wärmebehandlung wurden von den Schienen gemäß DIN13674 die Brinell-Härten an den definierten Stellen im Querschnitt des Schienenkopfs ermittelt.
Wie anhand der Ergebnisse in Figur 9 ersichtlich, schwanken die Härten von Schiene zu Schiene sehr stark. Im Gegensatz dazu sind die Härten der Schienen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gekühlt worden sind, sehr stabil (Fig. 10). Bezugszeichenliste
1 Wärmebehandlungseinheit / Kühlhaube
2 Vorrichtung
3 Langstahlerzeugnis / Schiene 4 Kammer
5 Eintrittsöffnung
6 spaltförmige Austrittsöffnung / Spaltdüse / Auslass
7 mittleres Kammersegment
8 ersten äußeren Kammersegment 9 zweites äußeres Kammersegment
10 Flanschverbindung
11 Flanschverbindung
12 Querschnitt mittleres Kammersegment
13 Querschnitt an den distalen Enden der äußeren Kammersegmente 14 Querschnittsabschnitt
15 Querschnittsabschnitt
16 Einlassstutzen
17 Körper
18 Boden 19 zylindrische Wandung
20 Einlassstutzen-Öffnung
21 Öffnung
22 Aufnahmevorrichtung
23 Transporteinrichtung 24 Hubtisch
25 Klemmvorrichtung
26 Rollgangsrollen
27 Temperatursensor / Pyrometer
28 Rechnereinheit 29 Gebläseeinrichtung / Ventilator

Claims

Patentansprüche
1. Wärmebehandlungseinheit (1), insbesondere Kühlhaube, umfassend eine Kammer (4) mit einer Eintrittsöffnung (5), über die ein gasförmiges Kühlmedium der Kammer (4) zuführbar ist, und einer spaltförmigen Austrittsöffnung (6), über die das gasförmige Kühlmedium beschleunigt ausführbar ist, wobei die Kammer (4) ein mittleres Kammersegment (7) sowie ein erstes und zweites, sich von dem mittleren Kammersegment (7) erstreckendes, äußeres Kammersegment (8, 9) umfasst und beide äußeren Kammersegmente (8, 9) einen zu ihren distalen Enden hin proportional verjüngenden Querschnitt aufweisen.
2. Wärmebehandlungseinheit (1) nach Anspruch 1, wobei das mittlere Kammersegment (7) entlang einer Längsachse der Kammer (4) einen konstanten Querschnitt aufweist.
3. Wärmebehandlungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eintrittsöffnung (5) in dem mittleren Kammersegment (7) angeordnet ist.
4. Wärmebehandlungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der an den distalen Enden der äußeren Kammersegmente (8, 9) angeordneten Querschnitte (13) im Vergleich zu dem Querschnitt (12) des mittleren Kammersegments (7) mindestens um den Faktor 3, bevorzugt um den Faktor 4 kleiner ist.
5. Wärmebehandlungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Kammersegmente (7, 8, 9) einen sich in Richtung der spaltförmigen Austrittsöffnung (6) konisch verjüngenden Querschnittsabschnitt (15) aufweist.
6. Wärmebehandlungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen in der Eintrittsöffnung (5) angeordneten Einlassstutzen (16), der aus einem becherförmigen Körper (17) gebildet ist und jeweils eine zu den äußeren Kammersegmenten (8, 9) ausgerichtete Öffnung (21) aufweist.
7. Wärmebehandlungseinheit (1) nach Anspruch 6, wobei jede der beiden Öffnungen (21) einen Querschnitt aufweist, der zumindest dem halben Einlassquerschnitt entspricht.
8. Wärmebehandlungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt der spaltförmigen Austrittsöffnung (6) verstellbar ausgeführt ist.
9. Vorrichtung (2) zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Langstahlerzeugnissen (3), umfassend eine Aufnahmeeinrichtung (22) zur Aufnahme des warmgewalzten Langstahlerzeugnisses (3) sowie zumindest eine Wärmebehandlungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, über die das zu kühlende Langstahlerzeugnis (3) mit einem gasförmigen Kühlmedium, insbesondere Luft, beaufschlagbar ist.
10. Vorrichtung (2) nach Anspruch 9, weiter umfassend zumindest einen Temperatursensor (27), über den die Temperatur des Langstahlerzeugnisses (3), vorzugsweise während einer Wärmebehandlung, detektierbar ist.
11. Vorrichtung (2) nach Anspruch 10, wobei der Temperatursensor (27) ein Pyrometer ist.
12. Verfahren zur Wärmebehandlung eines warmgewalzten Langstahlerzeugnisses (3), wobei das Langstahlerzeugnis (3) im Anschluss an einen Warmwalzvorgang direkt einer Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11 zugeführt und wärmebehandelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das gasförmige Kühlmedium, insbesondere Luft, mit einer Geschwindigkeit von mindestens 25 m/s, bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, mehr bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 100 m/s, noch mehr bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 125 m/s, und am meisten bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 150 m/s auf das warmgewalzte Langstahlerzeugnis (3) aufgeblasen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Langstahlerzeugnis (3) ein H-Träger, ein U-Profil, ein Winkel und/oder eine Schiene ist.
15. Verwendung einer Wärmebehandlungseinheit (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 8 oder einer Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Bildung einer perlitischen, einer ferritischen, einer bainitischen und/oder einer martensitischen Mikrogefügestruktur in einem warmgewalzten Langstahlerzeugnis (3).
16. Verwendung nach Anspruch 15, wobei die Gefügestruktur bis zu einer Tiefe von 50 mm, bevorzugt bis zu einer Tiefe von 45 mm, mehr bevorzugt bis zu einer Tiefe von 40 mm, noch mehr bevorzugt bis zu einer Tiefe von 35 mm gebildet wird.
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