NO163907B

NO163907B - Fremgangsm te og anordning for direkte varmebehandln st lstang.

Info

Publication number: NO163907B
Application number: NO842021A
Authority: NO
Inventors: Hitoshi Iwata; Yoshihiro Hashimoto; Katsuhiko Yamada
Original assignee: Sumitomo Electric Industries
Priority date: 1983-05-24
Filing date: 1984-05-22
Publication date: 1990-04-30
Also published as: EP0126481A3; EP0126481B1; US4526627A; NO163907C; MX161816A; ES532773A0; CA1221297A; FI842062A0; EP0126481A2; BR8402479A; KR850002293A; NO842021L; FI75867C; FI75867B; ES8604314A1; AU2856784A; FI842062A; DE3473888D1; AU560405B2; KR890002982B1

Abstract

remgangsmåte og anordning for direkte varmebehandling av stål-staver med fra middels til høyt karboninnhold, idet det oppnås øket strekkstyrke og seighet ved å utsette varmvalsede stål-staver for kontrollert avkjøling ved hjelp av et kjølemedium. Ekspanderte skruelinjeformede kveiler (4) av stavene, som har austenittstruktur og transporteres kontinuerlig hovedsakelig i horisontal retning, avkjøles ved å føres gjennom en beholder (6) som inneholder et kjølemedium (8) i form av vann som inneholder gassbobler og holdes i sterk turbulens. Kjølemediet inneholder en ensartet dispersjon av oksyderende gassbobler,. og holdes på en temperatur som ikke overstiger 95°C. Fortrinnsvis bringes kjolemediet til å strømme i samme retning som kveilene beveges i beholderen. Overflaten av kveilene kan oksyderes ved avkjøling i luft før de føres ned i kjølemediet.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og en anordning for direkte varmebehandling av en stålstang med middels til høyt karboninnhold, til bruk som fjærer og strekkopptagende elementer, kveilet eller ikke-kveilet, i forspent betong. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen varmebehandling ved fremstilling av stålstenger for å oppnå øket strekkstyrke og trekkbarhet ved å utsette varmevalsede stålstenger for kontrollert nedkjøling ved hjelp av et kjølemedium.

Det vesentlige ved direkte varmebehandling av en stålstang med middels til høyt karboninnhold er å avkjøle en kveil av stangen hovedsakelig ensartet langs hele kveilens lengde med passende avkjølingshastighet, for å oppnå en fin perlittisk mikrostruktur. Ettersom den behandlede stang har styrke- og trekkbarhetsegen-skaper som kan sammenlignes med egenskapene til en patentert stang, kan den uten videre trekkes uten patentering dersom stangdiameteren og spesifikasjonene for den ønskede kvalitet tillater dette. Stenger som benyttes for armert betong må imidlertid ha stor diameter og høy styrke, og stangen som dannes ved konvensjonell, direkte varmebehandling har en strekkstyrke som er omtrent 10 kp/mm<2> mindre enn for en stang som er blitt patentert ved hjelp av et blybad. Dessuten har stenger som er behandlet ved den konvensjonelle,'direkte fremgangsmåte liten ensartethet med hensyn til styrke. Av disse grunner er patentering ved bruk av blybad vesentlig i fremstillingsprosessen for stenger med stor diameter til bruk som strekkopptagende elementer i forspent betong.

Det har vært foreslått flere fremgangsmåter for direkte varmebehandling av stålstenger med middels til høyt karboninnhold, og disse fremgangsmåter medfører fordeler og ulemper som skal forklares i det følgende. Ved bruk av Stelmor-metoden, ved hvilken en spiralkveil som er ekspandert på en horisontal transportør avkjøles ved blåsing av luft (JP-PS 15463/67) frembringes en stang som har rimelig ensartet kvalitet uten lokal bråkjøling. Kjølevirkningen ved denne metode er imidlertid forholdsvis dårlig, og den resulterende stang har ikke tilstrekkelig styrke. Blåsingen av luft kjøler ikke effektivt de overlappende partier av nabovindinger i kveilen, og dette bevirker uensartet styrke i stangen. Den annen metode, i hvilken en spiralkveil av en stang vikles i varmt vann (JP-PS 8536/70) eller transporteres på en horisontal transportør som beveger seg gjennom varmt vann (JP-PS 8089/71) medfører en stang som har ensartet kvalitet dersom det benyttes kokende vann som kjøle-medium. Produktet har imidlertid utilstrekkelig strekkstyrke, nemlig 10 kp/mm<2> mindre enn den verdi som oppnås ved patentering ved hjelp av blybad, og også strekkstyrken til en stang som er behandlet ved en etterfølgende omrøring med luftinnsprøytning (som vist i JP-PS 9826/82) er 5 - 7 kp/mm<2> mindre enn den verdi som oppnås ved patentering ved hjelp av blybad. Bruken av underkjølt kokende vann (95°C) har også vært foreslått, og dette er effektivt når det gjelder å oppnå øket styrke. Denne metode muliggjør imidlertid ikke frembringelse av en stabil film, og ved temperaturer som er høyere enn området for perlittomdannelse inntreffer kjernekoking, og den resulterende lokale bråkjøling medfører martensittstruktur, som naturligvis er skadelig for det formål å frembringe en stålstang som har forbedret .strekkstyrke og trekkbarhet.

Det primære formål med den foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en fremgangsmåte og en anordning for direkte varmebehandling som gjør det mulig å frembringe en stålstang med middels til høyt karboninnhold ved avkjøling med underkjølt, kokende vann i en nødvendig og tilstrekkelig avkjølingshastighet som kan oppnås ved filmkoking alene uten å medføre kjernekoking. Den behandlede stang har en styrke som kan sammenlignes med hva som oppnås ved patentering ved hjelp av blybad, og avvikene er mindre enn det som oppstår i konvensjonelt behandlede stenger. I tillegg til denne ensartethet i kvalitet har en stang som er behandlet ved bruk av den foreliggende oppfinnelse forbedret trekkbarhet.

Den foreliggende oppfinnelse angår således en fremgangsmåte for direkte varmebehandling av en stålstang med middels til høyt karboninnhold, idet en ekspandert spiralkveil av en varmvalset stålstang som har austenittisk struktur og transporteres kontinuerlig hovedsakelig i horisontal retning utsettes for kontrollert avkjøling, ved å føres gjennom en beholder som inneholder et kjølemedium som tilføres gassbobler, og fremgangsmåten kjennetegnes ved at kjølemediet bringes i sterk turbulens og at gassbobler og vann blandes slik i kjølemediet at det inneholder en ensartet dispersjon av oksyderende, små gassbobler og er på en temperatur som ikke er høyere enn 95°C, slik at ensartet kjøling av kveilen skjer langs hele dens lengde.

Stålstangen kan eventuelt være av en stållegering som inneholder en liten mengde av legeringselementer slik som Ni, Cr, V, Mo eller W.

Det er utført forskjellige forsøk for å bestemme de optimale betingelser for overflatebehandling og kjølemedier som er i stand til å bevirke en ensartet kjøling uten å medføre kjernekoking, og som sikrer den nødvendige nedkjølingshastighet for å frembringe en styrke som kan sammenlignes med styrken til en stang som er blitt patentert ved hjelp av blybad. Som et resultat av disse forsøk er det funnet at dette kan oppnås ved først å oksydere overflaten av en stang i forutbestemt grad og deretter å dykke stangen ned i et kjølemedium som består av et fluid av vann som inneholder gassblærer, idet fluidet inneholder en dispersjon av oksyderende gassblærer og har en temperatur som ikke er høyere enn 9 5°C, for å bevirke kjemisk behandling av stangens overflate samtidig med nedkjøling. På basis av forsøk er det også funnet at ved direkte varmebehandling av en stålstang ved kontrollert avkjøling, ved at en spiralkveil av stangen i ekspandert tilstand føres gjennom kjølemediet kontinuerlig hovedsakelig i horisontal retning, er det effektivt for å oppnå ensartet kjøling av hele lengden av kveilen å bevirke at kjølemediet strømmer i samme retning som kveilen beveges i.

En anordning for varmebehandlingen av stålstangen kjennetegnes i henhold til oppfinnelsen ved at den omfatter et hode for dannelse av en spiralkveil av en valset stang med høy temperatur, en varmebehandlingsbeholder for anbringelse av stangen som skal kjøles, idet beholderen inneholder en væske blandet med gassbobler og vann, i det minste en innretning for neddykking og transport og utstrekking av spiralkveilen i og ut av beholderen, en innretning for å omrøre kjølemediet i beholderen, og en innretning for å fluidisere og sirkulere væsken som er blandet med gassbobler og vann i retning parallelt med bevegelsesretningen til stangen.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere, under henvisning til de vedføyde tegninger. Fig. 1 er en grafisk fremstilling som viser forsøksresul-tatene med prøver av stenger som er neddykket i tre forskjellige kjølemedier. Fig. 2 er en grafisk fremstilling som viser graden av ekspansjon av gassblærene som funksjon av temperaturen i kjølemediet som inneholder gassblærene. Fig. 3 viser et sett av grafiske fremstillinger som viser strekkstyrken til behandlede stenger som funksjon av temperaturen for fire forskjellige varigheter av oksydasjon. Fig. 4 er en grafisk fremstilling som viser resultatene av andre eksperimenter der størrelsen av luftblærer dispergert i kjølemediet varierte. Fig. 5 er en grafisk fremstilling som viser avkjølingsfor- løpet for et midtre parti av stangprøver. Fig. 6 er en grafisk fremstilling som viser det volumetriske gassinnhold i kjølemediet og den tilnærmede turbulensintensitet som funksjon av overflatehastigheten. Fig. 7 er en grafisk fremstilling som viser (^-konsentra- sjonen som funksjon av temperaturen i kjølemediet. Fig. 8 viser skjematisk to prinsipielle retninger for

strømmen av kjølemedium.

Fig. 9 viser en spiralkveil av en stang i ikke-konsentrisk,

ekspandert tilstand.

Fig. 10 er en tabell som viser virkningen av strømningshas-tigheten til kjølemediet på strekkstyrken til stålstenger. Fig. 11 viser størrelsen av avviket i styrke som funksjon av et forhold mellom strømningshastigheten til kjøle-mediet og fremføringshastigheten til en spiralkveil. Fig. 12 viser skjematisk et snitt gjennom en anordning for utførelser av fremgangsmåten for direkte varmebehandling i henhold til oppfinnelsen. Fig. 13 viser en rekke histogrammer for strekkstyrken til

forskjellige kveiler.

Fig. 14 viser skjematisk en annen utførelsesform av en anordning for gjennomføring av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Fig. 15-17 er en rekke mikrofotografier som viser skall dannet

på tre forskjellige stangprøver.

Fordelene som oppnås med den foreliggende oppfinnelse skal beskrives nærmere, under henvisning til de følgende eksperimenter og eksempler.

EKSPERIMENT 1

Korte stangprøver (JIS: SWRH 82B) med en diameter på 11,0 mm og et innhold av 0,8 % C, 0,2 % Si og 0,68 % Mn ble oppvarmet ved 950°C i en ikke-oksyderende atmosfære og deretter utsatt for atmosfærisk oksydasjon under virkelige bruksbetingelser (d.v.s. avkjøling i luft i fire sekunder). Deretter ble prøvene neddykket i de følgende tre kjølemedier med omtrent 78°C, for å undersøke effektiviteten med hensyn til kontrollert avkjøling: (a) varmt vann, (b) en blanding av vann og gassblærer, idet luft ble blåst inn i varmt vann for å bevirke dispergering, og (c) en blanding av gassblærer og vann, idet nitrogen ble blåst inn i varmt vann for å bevirke dispergering. Forsøksresul-tatene er vist i fig. 1. Det varme vann som det ikke ble blåst inn gass i hadde stor tendens til å bevirke kjernekoking, og de fleste av stengene som ble behandlet med dette kjølemedium dannet martensittstruktur og hadde ikke den ønskede styrke. Når 5 liter luft med romtemperatur ble blåst inn i det varme vann pr. sek. i et areal på 1 m<2> inntraff stabil filmkoking, og turbulensvirkningen til luftblærene bevirket øket styrke. Dette var imidlertid ikke mulig med nitrogenblærer, og stenger som ble behandlet med kjølemedium (c) hadde uønsket martensittstruktur. For kontrollens skyld ble luft erstattet av rent oksygen, og resultatene ble de samme som det som ble oppnådd ved bruk av kjølemedium (b).

Konklusjonen av dette er at stabil filmkoking kan opprettholdes også i et kjølemedium med sterkt underkjølt, kokende vann (78°C) dersom en gass som har oksyderende virkning på stål, slik som atmosfærisk luft, oksygenrik luft eller oksygen (denne type gass kalles i det følgende for oksyderende gass) blåses inn i varmt vann i en mengde som overstiger et visst forhold til det varme vann, og dersom blærer av en slik oksyderende gass dispergeres i det varme vann.

I eksperiment 1 er volumet til gassfasen i blandingen av gassblærer og vann uttrykt som mengden av gass som blåses ved romtemperatur. Når imidlertid gassen blåses inn i det varme vann oppvarmes de resulterende blærer, og det varme vann fordamper inn i blærene inntil det oppnås en likevektstilstand, og resultatet er at det skjer en nesten momentan ekspansjon av blærene, slik som vist i fig. 2. Derfor uttrykkes fortrinnsvis volumet av gassfasen i blandingen av gassblærer og vann som volumet at de ekspanderte blærer i stedet for mengden av gass som blåses ved romtemperatur. Fortrinnsvis benyttes kolonneflatehastigheten (cm/sek.), definert som volumet av en gass som passerer gjennom en arealenhet av en væske pr. tidsenhet, for å indikere de fysiokjemiske egenskaper til gassfasen i blandingen av gassblærer og vann,, fordi gassblærene forsvinner fra fluidet en etter en på grunn av oppdriften. Som vist i fig. 1, for å sikre en styrke som er tilnærmet lik styrken i produkter som er patentert ved hjelp av blybad, må luft med romtemperatur blåses i en mengde på 15 l/sek.«rn2 eller mere, og dette tilsvarer

30 l/sek.*m<2> eller mere uttrykt som volum av luft som blåses med en temperatur som er lik temperaturen i det varme vann, og 3 cm/sek. eller mere trykt som kolonneflatehastighet. En kolonneflatehastighet som er større enn 20 cm/sek. bør unngås, fordi dette vil bevirke dannelsen av en "søyle" (gassblærer som strømmer sammen og danner en sammenhengende gassfase). En passende kolonneflatehastighet velges derfor i området mellom 3 og 20 cm/sek.

Fig. 1 viser også at strekkstyrken til stengene som ble avkjølt med fluid (b) øket med økende kolonneflatehastighet, mens det ikke ble observert noen slik tendens med stengene som ble behandlet med varmt vann (a). Dette skyldes at en økning i kolonneflatehastigheten bevirker en turbulensvirkning som fører til høyere varmeovergangskoeffisient og således til øket kjølevirkning. Dersom kolonneflatehastigheten er tilstrekkelig høy holdes temperaturen i kjølemediet rundt stangen på den opprinnelige verdi, og det kan oppnås et produkt som har høy strekkstyrke tilsvarende den valgte verdi. På den annen side, dersom kolonneflatehastigheten er lav, vil strømmen av kjølemedium, som bør sirkulere rundt stangen, stagnere, og varmestrømmen fra stangen øker temperaturen i kjølemediet. Dette minsker kjølevirkningen på stangen, og medfører at strekkstyrken i stangen blir tilsvarende minsket.

Som det fremgår av fig. 1, har stenger som er kjølt med fluid (c) ekstremt lav strekkstyrke. Dette skyldes at det varme vann som nitrogen ble blåst inn i hadde stor tendens til å bevirke kjernekoking, og den resulterende, unormale økning i kjølevirk-ning bidro til dannelsen av martensittstruktur.

Skallet som ble dannet på stengene som ble behandlet med en blanding av gassblærer og vann ved bruk av en oksyderende gass hadde farge som var forskjellig fra fargen til det skall som ble dannet på stenger behandlet bare med varmt vann eller varmt vann tilsatt nitrogenblærer. For å vise denne forskjell ble stenger behandlet under de tre følgende betingelser, og det ble tatt bilder av skallet som ble dannet på hver stang ved hjelp av et avsøkende elektronmikroskop. Representative mikrofotografier er vist i fig. 15 (oppvarming i 950°C i 15 min. i N2-gass, oksydert med atmosfærisk luft i 5,1 sek. og behandlet med en blanding av gassblærer i vann ved bruk av Ar-gass ved 93°C), fig. 16 (oppvarming ved 950°C i 15 min. i N2~gass, oksydert med atomosfærisk luft i 4,0 sek. og behandlet med en blanding av gassblærer i vann ved bruk av luft med 9 3°C), og fig. 17 (oppvarming ved 950°C i 15 min. i N2~gass, oksydert med atmosfærisk luft i 4,4 sek. og behandlet med varmt vann med 93°C). Alle prøvene ble oksydert i atmosfæren i et tidsrom på omtrent fire sekunder, som generelt antas å være det gunstigste for dannelsen av martensittstruktur (se eksperiment 2 beskrevet i det følgende). Prøvene, med unntak av de som ble behandlet med blandingen av luft og vann som kjølemedium, hadde små krystaller med høy skjærstyrke på overflaten, hvilket bidrar til den kjernekoking som inntreffer under avkjølingen.

EKSPERIMENT 2

Dette eksperiment ble utført for å undersøke virkningen av varigheten av oksydasjonen før neddykkingen av stengene i kjølemediet. Dimensjonene og materialene til prøvene som ble benyttet ved dette eksperiment var de samme som i eksperiment 1. Metoden for gjennomføringen av eksperimentet var også den samme som for eksperiment 1. Forsøkene ble utført med blåsing av luft ved standard temperatur og med kolonneflatehastighet på 3 cm/sek. Det ble valgt de følgende fire varigheter for oksydasjon med luft: 0,5 sek., 3-5 sek., 10 sek. og 15 sek. Etter oksydasjonen ble prøvene dyppet i hvert av kjølemnediene (70 - 100°C) i 100 sekunder. Temperaturprofilen til hvert kjølemedium og strekkstyrken til de behandlede stenger er vist i fig.. 3 for de fire oksydasjonsvarigheter.

Av fig. 3 fremgår følgende:

1) Stangprøvene behandlet med blandinger av gassblærer og vann, (b) og (c), hadde høyere styrke enn prøvene som bare ble behandlet med varmt vann, (a). 2) Med oksydasjon i luft som varte ikke lenger enn fem sekunder sikret fluidet (b) av gassblærer i vann ved bruk av

luft som den oksyderende gass stabil filmkoking og stenger med høy styrke uten å bevirke kjernekoking før fullførelsen av den perlittiske omdannelse ved kjølemediumtemperatur på 7 5°C eller høyere. Ved omtrent 80°C ble oppnådd en strekkstyrke på

125 kp/mm<2>, som er omtrent lik det som oppnås med patentering i blybad. Styrken til stangprøvene behandlet med fluid (b) økte

med minskende temperatur i kjølemediet, og graden avi økning var større enn i det tilfellet behandlingen ble utført med varmt vann (a). Filmkokingen som inntraff under avkjølingen med blandingen av gassblærer i vann (c) ved bruk av nitrogen som den ikke-oksyderende gass, hvilket danner svakt oksyderende blærer bestående av nitrogen og vanndamp, var mindre stabil enn det som inntraff ved bruk av luft i fluid (b), unntatt med atmosfærisk oksydasjon i et halvt sekund. Med oksydasjon i luft i tre sekunder eller lenger bevirket avkjølingen med varmt vann (a) kjernekoking før fullførelsen av den perlittiske omdannelse ved kjølemediumtemperatur på 90°C eller lavere, og den resulterende, lokale bråkjøling bevirket martensittomdannelse, hvilket fører til minskning av styrken til stang-prøvene. Med oksydasjon som ikke fortsatte lenger enn et halvt sekund ble det ikke dannet martensittstruktur, selv med kjøle-mediumtemperatur på 80°C, men produktet var ikke ekvivalent med et produkt som er patentert i blybad. 3) Med fluider (b) og (c) med gassblærer i vann ble økningen i styrke på grunn av minskningen av temperaturen i kjølemediet større med økende varighet av oksydasjonen før neddykkingen i kjølemediet.

Resultatene ovenfor fører til den konklusjon at temperaturen i kjølemediet generelt bør være i området 70 - 95°C, fortrinnsvis fra 75 til 90°C, og at varigheten av den atmosfæriske oksydasjon før neddykkingen i kjølemediet generelt bør ligge innenfor 20 sekunder, bedømt ut fra andre eksperimentelle resultater. Under 7 0°C er det stor sannsynlighet for at det inntreffer kjernekoking, og det dannes lett martensittstruktur som fører til lav styrke. Dersom det overstiges 95°C er styrken i stengene langt fra tilfredsstillende. Under 7 5°C er muligheten for kjernekoking fremdeles høy, og over 90°C oppnås det ikke en styrke som ligger i nærheten av styrken for stenger som er patentert i blybad. Dersom varigheten av den atmosfæriske oksydasjon overstiger 20 sekunder vil økningen av styrken til stengene ikke være maksimal, og det kreves dessuten betydelig tid for å fullføre hele varmebehandlingen. Det er derfor ikke økonomisk gunstig å la den atmosfæriske oksydasjon vare lenger enn 20 sekunder. Atmosfærisk oksydasjon utføres ganske enkelt ved at stengene avkjøles i luft. En særskilt anordning (f.eks. transportør) for dette formål er ikke nødvendig, fordi avkjølingen som normalt skjer når stangen som kommer ut av varmvalseverket kveiles som forberedelse for å neddykkes i kjølemediet.

Det er videre nødvendig å begrense perioden for atmosfærisk oksydasjon slik at denne ligger innen et halvt sekund før neddykkingen i kjølemediet, i hvilket det blåses nitrogengass, d.v.s. en inert og ikke-oksyderende gass. I dette tilfellet økes styrken på grunn av forstyrrelser som skyldes blåsingen av nitrogengass, sammenlignet med bruken av bare varmt vann. Ved bruk av bare varmt vann vil blærer av vanndamp som dannes når stangen avkjøles forsvinne umiddelbart etter at blærene adskilles fra stangens overflate, og bevirker ingen forstyrrelser. Derfor blir styrken til stangen lavere.

EKSPERIMENT 3

Dette eksperiment ble utført for å bestemme virkningen av størrelsen til de oksyderende gassblærer på stengenes strekkstyrke. Korte stålstenger (JIS: SWRH 82B) med diameter 13 mm ble utsatt for kontrollert avkjøling i to typer kjølemedier, hvorav det ene var en blanding av gassblærer og vann dannet ved å blåse luft inn i varmt vann, og det annet var det samme som det første, med unntak at de innblåste luftblærer ble delt opp i tynne segmenter av en vifte eller en perforert, roterende skive neddykket i kjølemediet. Den første typen fluid inneholdt gassblærer med en gjennomsnittlig størrelse på omtrent 5 mm, og noen blærer var 10 mm eller mere. Den annen type fluid inneholdt luftblærer med en gjennomsnittlig størrelse på omtrent 1 mm. Forsøksutstyret ble anordnet slik at kolonneflatehastigheten for luften var 3 cm/sek.

Forsøksresultatene er vist i fig. 4, av hvilken det fremgår at de minste luftblærene sikret stabil filmkoking og medførte stenger med forholdsvis høy strekkstyrke.

Denne virkning kan forklares på følgende måte: de små blærene dispergeres i hele beholderen i en slik grad at de på en ensartet måte omgis av den film av damp som dannes på overflaten av hver stang, og dette bevirker effektiv beskyttelse mot kjernekoking som skyldes brudt dampfilm. En annen sannsynlig årsak er det roterende element til boblebryteren, som på grunn av rotasjonen omrører kjølemediet. Denne omrøring kan direkte bevirke øket styrke, og indirekte stabiliserer den dampfilmen på stangen ved å fremme avsetningen av luftblærer.

Ifølge resultatene av eksperiment 3 er bruken.av fine gassblærer med ensartet størrelse effektiv for å sikre stabil filmkoking, og denne virkning er særlig stor når det benyttes en stor beholder for blandingen av gassblærer og vann. For praktiske formål oppnås gode resultater ved bruk av gassblærer med størrelse på omtrent 1 mm.

EKSPERIMENT 4

Stålstenger (10 mm diameter) av samme type som benyttet i eksperiment 1 ble oksydert i atmosfæren i fire sekunder og deretter neddykket i perioder med forskjellig varighet i (a) varmt vann med 80°C eller (b) en blanding av gassblærer i vann med 80°C, tilført luftblærer med kolonneflatehastighet på 3 cm/sek. Avkjølingskurven for det midtre parti av hver stang er vist i fig. 5. Som det fremgår av fig. 5 bevirket blandingen (b) av gassblærer i vann med luft som oksyderende gass meget stabil avkjøling i ønsket hastighet, og kjernekokingen skjedde etter fullførelsen av perlittomdannelsen og ved temperaturer som ikke var høyere enn 500°C. Avkjøling med varmt vann (a) ga derimot ikke særlig reproduserbare resultater og avkjølingshastigheten varierte meget fra et forsøk til et annet. Dette indikerer at ved avkjøling med varmt vann kan kjernekoking lett inntreffe ved forholdsvis høye temperaturer i et stort temperaturområde.

Den best egnede avkjølingshastighet for stengene kan bestemmes ved å kombinere observasjonene fra eksperimentene 1-3. Som vist i fig. 5 foretrekkes det at avkjølingshastigheten holdes på 15 - 25°C/sek. ved temperaturområdet 900 - 650°C, og på 10 - 15°C/sek. for temperaturområdet 630 - 500°C etter fullførelsen av perlittomdannelsen. Dersom avkjølingshastigheten i temperaturområdet 900 til 650°C er mindre enn 15°C/sek., er omdannelsestemperaturen i det høyeste området, og det kan ikke oppnås stenger med tilstrekkelig styrke. Dersom avkjølingshas-tigheten ved temperaturområdet 900 - 650°C er høyere enn 25°C/sek. er omdannelsestemperaturen i det laveste området, og en del av stangstrukturen kan utsettes for martensittomdannelse i stedet for perlittomdannelse. Dersom avkjølingshastigheten i temperaturområdet 630 - 500°C er mindre enn 10°C/sek., kan austenittfase omdannes til utilstrekkelig fin perlittstruktur, og medføre en stang med liten styrke. Det er vanligvis ikke noe problem dersom avkjølingshastigheten i temperaturområdet 630 - 500°C er høyere enn 20°C/sek., og det eneste unntak er stål som har utskillinger, hvilket ofte fører til den uønskede martensittstruktur. For stenger laget av legerte stål benyttes fortrinnsvis det nedre området av de avkjølingshastigheter som er angitt ovenfor, fordi legerte stål har øket herdbarhet. Perlittomdannelsen begynner ved omtrent 600°C, og avkjølings-intensiteten må være 2-3 kcal/kg-sek. Dersom avkjølingsin-tensiteten er mindre enn 2 kcal/kg*sek., forandres omdannelsestemperaturen til høyere temperatur, og stangen får lav styrke. Dersom avkjølingsintensiteten overstiger 3 kcal/kg*sek., forandres omdannelsestemperaturen til lavere temperatur, der martensittomdannelse lettere kan inntreffe.

EKSPERIMENT 5

Ved dette eksperiment ble stangprøver avkjølt med en blanding av gassbobler i vann (b), med eller uten mekanisk omrøring. Forholdet mellom kolonneflatehastigheten og gassinnholdet (det volumetriske forhold mellom gass og væske i kjølemediet) og den tilnærmede turbulensintensitet er vist i fig. 6. Som det fremgår av fig. 6, øker gassinnholdet og turbulensintensiteten henholdsvis fra 0,1 til 0,35 og fra 5 - 7 x IO<3> erg/cm<2> når kolonneflatehastigheten varierer fra 3-20 cm/sek. Dersom det ikke oppnås de nedre grenser for de respektive områder er blandingen av gassblærer i vann (b) ikke fullt ut i stand til å bevirke øket styrke. Dersom de øvre grenser overstiges vil det inntreffe dannelse av "søyler".

EKSPERIMENT 6

Prøver av stålstenger ble avkjølt ved bruk av en blanding av gassblærer i vann (b), og forandringen til oksygenkonsentrasjonen i kjølemediets temperaturområde fra 70 - 100°C ble undersøkt. Resultatene er vist i fig. 7, og det fremgår at en passende konsentrasjon av oksygen i de oksyderende gassblærer er 10 % eller mere når temperaturen er 7 5°C, og 5 % eller mere når temperaturen er 90°C. Denne relasjon kan tilnærmet uttrykkes ved: y ^ ^-x +35, der y er oksygenkonsentrasjonen og x er temperaturen i kjølemediet (°C).

Så snart luft blåses inn i varmt vann for å danne et kjøle-medium som består av gassblærer i vann vil vanndamp trenge inn i luftblærene og eventuelt mette rommet inne i blærene. Resultatet er at kolonneflatehastigheten eller turbulensvirkningen til luftblærene øker. På den annen side avtar oksygenkonsentrasjonen, hvilket er fordelaktig med hensyn til å bevirke større omrøringskraft og høyere gassinnhold, men er ufordelaktig med hensyn til oksydasjonsvirkningen. Ifølge resultatene fra eksperiment 6 kan avkjøling som sikrer den ønskede, stabile filmkoking oppnås ved å velge en oksygenkon-sentrasjon i området som er angitt ovenfor.

EKSPERIMENT 7

De betingelser som er angitt i eksperimentene 1 - 6 er tilstrekkelig for å oppnå det primære formål med den foreliggende oppfinnelse, nemlig å komme frem til en stålstang som har en styrke som omtrent tilsvarer styrken til en stang som er patentert ved bruk av blybad. Dersom imidlertid høyere hastighet ved valsingen krever høyere fremføringshastighet av spiralkveilen av stangen gjennom kjølemediet, har kveilen større hastighet i forhold til kjølemediet, og avhengig av stillingen til hver kveil, ekspandert til ikke-konsentrisk tilstand, kan øket kjølehastighet medføre en stang som har martensittstruktur. Eksperiment 7 ble utført for å komme frem til en fremgangsmåte som effektivt hindrer øket kjølehastighet.

Kjølemediet nær en stang strømmer i to hovedretninger, slik som vist i fig. 8. Fig. 9 viser en spiralkveil i ikke-konsentrisk, ekspandert tilstand, og A indikerer den del av stangen som er nær den midtre sone i bredderetningen av en rekke ringer, og B indikerer den del av stangen som er nær kantsonen i bredderetningen av ringene. Pilen C indikerer bevegelsesretningen til kveilen. Fig. 10 viser virkningen av strømningshastigheten til kjølemediet på strekkstyrken til stangprøver som ble varme-behandlet ved hjelp av kjølemediet i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Som vist i fig. 10, øker styrken til stangen når strømningshastigheten til kjølemediet øker, til tross for turbulensen som skyldes luftblærene. Økningen av stavens styrke er særlig stor når kjølemediet strømmer i retning normalt på stangens akse (ved A i fig. 9), og er liten når strømningsretningen til kjølemediet er parallell med stangens akse (ved B i fig. 9). Dette er et uønsket fenomen, fordi det bevirker en stangkveil med styrke som varierer med stillingen til hver vikling i kveilen. Særlig stor variasjon i styrke inntreffer dersom temperaturen i kjølemediet er lav. For å oppnå en mere ensartet struktur i stangen i hele lengden av kveilen må derfor hastigheten til kjølemediet i forhold til spiralkveilen ligge innenfor et avgrenset område, hvilket oppnås ved å sirkulere kjølemediet i beholderen i samme retning som bevegelsesretningen til spiralkveilen.

Fig. 11 viser hvordan styrken varierer i avhengighet av forholdet mellom kjølemedlets hastighet og spiralkveilens frem-føringshastighet. Avviket i styrke i kveilen er minst i det området der de to hastigheter er hovedsakelig like. Strøm-ningshastigheten til kjølemediet må bestemmes ut fra den ønskede styrke. Sirkulasjon av kjølemediet er effektivt ikke bare for å minske graden av avvik i styrke, men også for å opprettholde temperaturen i kjølemediet på et konstant nivå.

Betingelsene i eksperimentene 1 - 7, som kan benyttes ved den foreliggende oppfinnelse, bør optimaliseres ved at det tas hensyn til forskjellige faktorer slik som ståltypen i stangen, diameteren, diameteren til hver vikling i kveilen, fremfør-ingshastigheten til stangen, volumet til kjølemediet, typen av oksyderende gass og lengden til beholderen som inneholder kjølemediet.

EKSEMPEL 1

En anordning for gjennomføring av fremgangsmåten for direkte varmebehandling i henhold til den foreliggende oppfinnelse er vist skjematisk i fig. 12. En valset stålstang 1 som kommer fra ruller 2 føres gjennom et hode 3 for å danne en spiralkveil 4 med en bestemt kveildiameter. Kveilen, i form av en rekke ikke-konsentriske ringer, utsettes for en foreløpig avkjøling mens den transporteres på en transportør 5. Under denne foreløpige avkjøling i et bestemt tidsrom oksyderes overflaten av kveilen 4 i atmosfæren.

Etter den foreløpige avkjøling overføres kveilen 4 til en horisontal transportør 7 i en varmebehandlingsbeholder 6, og transporteres horisontalt i horisontalt ekspandert tilstand. Beholderen 6 er fyllt med et kjølemedium 8 som kveilen 4 på transportøren 7 føres ned i i et forut bestemt tidsrom. Kjølemediet 8 er en blanding av gassblærer i vann som omrøres kraftig og som inneholder en ensartet dispersjon av oksyderende gassbobler 11 i varmt vann, med en gjennomsnittlig størrelse på omtrent 1 mm. Kjølemediet holdes på en bestemt temperatur som ikke er høyere enn 9 5°C. De oksyderende gassbobler 11 kan f.eks. bestå av oksygen eller en gass som inneholder oksygen, slik som oksygenrik luft eller atmosfærisk luft og vanndamp, og kan eventuelt bestå av nitrogen og vanndamp.

For å danne en blanding av gassblærer og vann der de oksyderende blærer alle har en diameter på omtrent 1 mm og er ensartet dispergert i varmt vann, er anordningen vist i fig. 12 utstyrt med et system 10 for gasstilførsel, gjennom hvilket det blåses et stort volum av luft inn i det varme vann fra undersiden, for å danne luftblærer. Anordningen er også utstyrt med blærebrytere, f.eks. i form av roterende vifter 9, som ikke bare deler opp luftblærene til tynne segmenter som hver har en diameter på omtrent 1 mm, men som også dispergerer disse blærene ensartet i det varme vann. Viftene kan erstattes av perforerte, roterende skiver. Systemet 10 for gasstilførsel kan være slik innrettet at gassen blåses inn i det varme vann enten ovenfra eller fra siden. Om ønskelig kan en blanding av gassblærer i vann med ensartet dispersjon av oksyderende blærer i varmt vann fremstilles utenfor beholderen 6, og deretter tilføres beholderen fra oversiden, siden eller bunnen.

Kjølemediet 8 i beholderen 6 omrøres av flere røreanordninger 19. Resultatet er at kveilen 4 utsettes for den ønskede, kontrollerte avkjøling med et kjølemedium som består av en blanding av gassblærer og vann som omrøres kraftig. Rørean-ordningene 19 kan erstattes av roterende vifter 9 som har om-rørende virkning.

Viklingene til den horisontalt ekspanderte kveilen 4 overlapper hverandre mest i området B (se fig. 9) enn i det midtre området (A i fig. 9). For å sikre ensartet kjølehastighet utsettes derfor området B til hver vikling i kveilen for en kraftigere kjøling enn området A. Dette kan f.eks. oppnås ved at det anordnes kraftigere omrøring for området B.

Anordningen vist i fig. 12 er også utstyrt med et system for sirkulasjon av kjølemedium, hvilket minsker den relative hastighet til spiralkveilen ved å bevirke at kjølemediet strømmer i samme retning som bevegelsesretningen til kveilen. Dette system omfatter en beholder 14 fyllt med varmt vann 13 som holdes på en bestemt temperatur, et tilførselsrør 12 og en pumpe 16. Systemet kan videre være utstyrt med en varmeveksler 15 i en parallellkoblet ledning, for å opprettholde temperaturen i kjølemediet på et bestemt nivå.

Kveilen 4 som har vært. utsatt for kontrollert avkjøling i et bestemt tidsrom fjernes fra kjølemediet 8 ved hjelp av en skråstilt transportør 17 og føres til en oppsamler 18.

EKSEMPEL 2

Varmvalsede stålstangprøver (JIS: SWRH 82B, 11,0 mm diameter, vekt 300 kg) som inneholder 0,82 % C, 0,72 % Mn og 0,22 % Si ble utsatt for direkte varmebehandling i henhold til fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, ved bruk av en anordning av den type som er vist i fig. 12. Valsehastigheten var 9 m/sek., og temperaturen i de valsede prøver var 920°C. Etter en foreløpig avkjøling til 850°C med høytrykksvann fra dyser ble prøvene formet til spiralkveiler på 1050 mm. Det ble benyttet to typer kjølemedier holdt på 82°C. Det ene var en blanding av gassblærer i vann fremstilt ved å blåse luft inn i varmt vann, og det annet var en blanding av gassblærer i vann der gassblærene ble oppdelt i tynne segmenter. I begge tilfeller ble luften blåst med en hastighet på 10 cm/sek., uttrykt som kolonneflatehastighet, og hver blanding hadde et gassinnhold på omtrent 0,2. Bevegelseshastigheten til transportøren 7 gjennom beholderen var 0,4 m/sek. Kjølemediet strømmet med omtrent 0,4 m/sek. i bevegelsesretningen til spiralkveilen.

Etter atmosfærisk oksydasjon i omtrent 10 sek. ble spiralkveilen neddykket i beholderen 6 i omtrent 25 sek. og ført opp av beholderen for å oppsamles i oppsamleren 18.

For sammenligning ble varmvalsede stangprøver med de samme spesifikasjoner behandlet med den konvensjonelle, direkte metode, idet de ble neddykket i varmt vann holdt på 98°C.

Kveilen ble undersøkt med hensyn til strekkstyrke i fem punkter som omfattet begge ender av kveilen og hadde en slik beliggen-het at kveilen ble delt i fire like seksjoner. Et histogram over strekkstyrken til hver kveilprøve er vist i fig. 13, og det fremgår at stangprøvene behandlet i henhold til den foreliggende oppfinnelse hadde en gjennomsnittlig strekkstyrke på 126 kp/mm<2>, og fordelingen av strekkstyrken var meget jevn. Særlig gode resultater ble oppnådd ved å benytte findelte luftblærer. Strekkstyrken til prøvene behandlet med den konvensjonelle metode, ved bruk av bare varmt vann, var

imidlertid omtrent 11 kp/mm<*> lavere i gjennomsnitt.

EKSEMPEL 3

Fig. 14 viser skjematisk en annen anordning for gjennomføring av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. En spiralkveil 4 ekspanderes mens den henger vertikalt, og transporteres i hovedsakelig horisontal retning til et kjølemedium. Fordi spiralkveilen 4 henger i kroker på en kroktransportør 20 kan spiralkveilen avkjøles jevnt fordi vindingene i kveilen ikke overlapper hverandre.

Som vist i fig. 14 sirkuleres kjølemediet 8 i retning parallelt med bevegelsesretningen til kveilen. Det er imidlertid mulig å sirkulere kjølemediet i den motsatte retning eller ikke å sirkulere det i det hele tatt. Videre kan det benyttes en kombinasjon av en kroktransportør og en horisontal transportør.

En løsning eller suspensjion som inneholder et overflateaktivt stoff kan benyttes i stedet for varmt vann, hvilket varierer varmeovergangskoeffisienten under avkjølingen. Dersom det varme vannet f.eks. inneholder PVA som overflateaktivt.stoff, blir dispersjonen av blærer mere ensartet, og gassinnholdet øker noe, hvilket medfører stabil filmkoking. Fremgangsmåten for direkte varmebehandling av stålstenger i henhold til den foreliggende oppfinnelse medfører følgende fordeler: (1) Fremgangsmåten medfører kontrollert avkjøling ved å føre en spiralkveil av stålstangen gjennom en beholder som inneholder et kjølemedium i form av en blanding av gassblærer og vann som holdes turbulent og på en bestemt temperatur som ikke er høyere enn 95°C, og som inneholder en jevn dispersjon av oksyderende gassblærer. Stangen avkjøles i denne blanding etter at eller mens en oksydfilm dannes på stangens overflate mens den utsettes for luft eller står til avkjøling i luft umiddelbart etter varmvalsingen, eller oksyderes av blærene i kjølemediet. Derfor kan den ønskede avkjølingshastighet oppnås med gode resultater, og det vil ikke inntreffe noen kjernekoking selv om underkjølt kokende vann benyttes som en del av kjølemediet. Videre strømmer kjølemediet med passende hastighet i samme retning som bevegelsesretningen til spiralkveilen, hvilket eliminerer variasjoner i kjøleforholdene som ellers kan inntreffe i kveilen på grunn av forskjellen i hastighet mellom kveilen og kjølemediet. Av disse grunner mulig-gjør fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse frembringelse av en stålstang med høy trekkbarhet som har strekkstyrke omtrent lik strekkstyrken til en stang som er patentert med hjelp av blybad, og som har liten variasjon i strekkstyrke. (2) For å tilberede blandingen av gassblærer og vann med ensartet dispersjon av oksyderende gassblærer tilføres et stort volum gass som ikke er mettet med vanndamp til varmt vann.

Dette bevirker at en stor mengde vanndamp trenger inn i gassblærene inntil det oppnås et likevektsdamptrykk, og resultatet er at en stor varmemengde fjernes fra kjølemediet og senker temperaturen i dette. Med andre ord har kjølemediet selv-kjølende evne, hvilket kan utnyttes effektivt for å styre temperaturen. Dette er et økonomisk gunstig middel for å opprettholde temperaturen i kjølemediet på ønsket nivå. Den selvkjølende evne til kjølemediet kan enkelt bestemmes ved å beregne forholdet mellom stavmengden (tonn/time) og temperaturen i kjølemediet.

Videre, dersom gassen som tilføres kjølemediet er forvarmet og har øket temperatur for å variere damptrykket i gassen, kan den selvkjølende evne varieres.

Claims

1. Fremgangsmåte for direkte varmebehandling av en stålstang (1) med middels til høyt karboninnhold, idet en ekspandert spiralkveil (4) av en varmvalset stålstang som har austenittisk struktur og transporteres kontinuerlig hovedsakelig i horisontal retning utsettes for kontrollert avkjøling, ved å føres gjennom en beholder (6) som inneholder et kjølemedium som tilføres gassbobler, karakterisert ved at kjølemediet bringes i sterk turbulens og at gassbobler og vann blandes slik i kjølemediet at det inneholder en ensartet dispersjon av oksyderende, små gassbobler og er på en temperatur som ikke er høyere enn 95°C, slik at ensartet kjøling av kveilen (4) skjer langs hele dens lengde.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at kjølemediet bringes til å strømme med en bestemt hastighet i samme retning som bevegelsesretningen til kveilen (4) i beholderen (6).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det tilføres gassbobler som har en diameter på omtrent 1 mm.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 - 3, karakterisert ved at det tilføres gassbobler som inneholder vanndamp og i det minste en av gassene oksygen, oksygenrik luft og atmosfærisk luft, og idet oksygenkonsentrasjonen i boblene er bestemt av y i. lx <+> 35, 3 der x er temperaturen i kjølemediet i °C.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 - 3, karakterisert ved at det tilføres gassbobler som inneholder vanndamp og en inert gass.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at kjølemediet tilføres et gassinnhold med volumandel fra 0,1 til 0,35.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 - 3, karakterisert ved at kjølemediet tilføres en oppløsning eller suspensjon som omfatter en substans for å variere varmeovergangskoeffisienten til vannet.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 - 3, karakterisert ved at gassen i gassboblene forvarmes.

9. Anordning for direkte varmebehandling av en stålstang (1) med middels til høyt karboninnhold, karakterisert ved at den omfatter et hode (3) for dannelse av en spiralkveil (4) av en valset stang med høy temperatur, en varmebehandlingsbeholder (6) for anbringelse av stangen som skal kjøles, idet beholderen inneholder en væske blandet med gassbobler og vann, i det minste en innretning (17) for neddykking og transport og utstrekking av spiralkveilen (4) i og ut av beholderen, en innretning (19) for å omrøre kjølemediet i beholderen, og en innretning (12, 14, 16) for å fluidisere og sirkulere væsken som er blandet med gassbobler og vann i retning parallelt med bevegelsesretningen til stangen (1) •

10. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at den omfatter midler (10) for å blåse gass inn i beholderen (6) samt en innretning (9) for oppdeling av gassblærene, anordnet mellom midlene for blåsing av gass og stangen (1) i beholderen.

11. Anordning som angitt i krav 9 eller 10, karakterisert ved at den omfatter midler for å regulere mengden av gass eller en blanding av vanndamp og gass samt blandingsforholdet mellom disse, for å blåse gassen inn i beholderen (6).

12. Anordning som angitt i krav 9 eller 10, karakterisert ved at den omfatter midler for selektiv avkjøling og oppvarming av det varme vann, for å styre temperaturen i væsken som er blandet med gassbobler og vann og for å avkjøle stangen (1).