WO2008077166A2 - Verfahren und vorrichtung zur wärmebehandlung von metallischen langprodukten - Google Patents

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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to the heat treatment for long products of metal, in particular of low-carbon, unalloyed or weakly alloyed steel, as it is commonly used for the production of rails.
  • Rails must withstand the contact stress between rail and wheel as well as the deformation due to high loads and are therefore usually subjected to a heat treatment with the aim of curing to improve the resistance of the rail material.
  • a conversion into a bainitic to fine perlitic structure is to be effected within the near-surface layers to a prescribed layer depth of the rail head.
  • the known techniques of thermal surface hardening of long products of steel are based on the metallurgical principles of the iron-carbon state diagram and the time-temperature transformation diagrams (ZTU) diagrams.
  • Starting point for the subsequent curing process is a preheating of the material above the final temperature of the metallurgical conversion, so that the steel body gets a homogeneous austenitic structure at least in the area to be hardened.
  • the temperature at the end of the preheating should, at least in each point of the area to be hardened, be typically T [ 0 C]> Ac3 + 50, where Ac3 denotes the transition temperature at slow heating of the steel constituting the rolling material
  • the method designation "inductive surface hardening" is customary for the former method.
  • the heating can also be done on, for example, moved by rolling, rail track.
  • the heating device as described in the US Patent 4201602, on the self-stationary, for example, already laid on the track body rail to be moved.
  • controlled cooling can be achieved by an isothermal cooling strategy or by a strategy of guided continuous cooling. In the former method, a rapid quenching followed by holding at a constant surface temperature. In the second method, there is a continuous cooling with a cooling rate that may be variable over time, which according to the ZTU diagram of the respective steel must not exceed a maximum cooling rate, so that the material surface temperature does not undercut the limit temperature It. ZTU diagram at any time unwanted formation of martensit-containing structure occurs
  • cooling media in the heat treatment air, water, air / water mixtures, molten salts or organic liquids (such as oils) or aqueous solutions of organic substances are typically used.
  • Cooling with air nozzles provides a highly controllable way of strand cooling and is especially suitable for applications in the area of thermal surface hardening - such as e.g. the rail head hardening - described in numerous patents; By way of example, patent EP0765942B1 is cited here.
  • gaseous cooling media such as e.g. Air
  • biphasic cooling media e.g. Air / water mixtures
  • a high throughput of the cooling medium is required in the former, which entails complex system peripherals and high operating costs.
  • the achievable heat transfer and thus the cooling intensity in the case of air spraying alone, especially in the case of low to unalloyed steels, are not sufficient for the formation of the desired hardened structure.
  • the method of Wasserbedüsung means of a water cooling line, such as in the embodiment according to the patent DEl 0148305 Al only for the fastest possible lowering of the core zone temperature of the rail head between 800 and 500 0 C used or as in the embodiment according to the Korean patent 102001007705 IA or US Pat. No. 4,749,419 for finish quenching of the already hardened rail track.
  • a disadvantage of these methods is the discontinuous process, due to the choice of holding times during immersion, the problem of inhomogeneous bubble formation and the associated risk of local differences in the cooling intensity of evaporating coolants, as well as the problem of potentially toxic bathing missions caused by pyrolytic decomposition Use of organic or organics containing cooling media.
  • the invention is therefore based on the object to design a method of heat treatment, the unevenness of the hardness profile on the rail head by high homogeneity and high but at the same time also adjustable intensity of the cooling effect at high speed of the rail throughput (in the order of 0.1 to 0 , 5 m / s, depending on the available cooling section length).
  • the throughput rate to be overcome in the curing plant is made possible.
  • the rail is placed on the rail foot standing or suspended in the hardening system.
  • the feeding can be done via transport facilities such as roller tables using switches or cross transports.
  • heating steps should be provided.
  • the heating steps should be carried out inductively in one or more stages. They serve at the inlet to the hardening plant - the possibly necessary temperature compensation along the rail, - The reheating of the rail in the case of too cold inlet to the hardening system and
  • the latter, partial heat treatment is advantageously carried out by inductive heating by means of an individually controlled high-frequency converter, which is adjustable depending on the desired surface depth in the frequency range from 20 to 150 kHz.
  • an individually controlled high-frequency converter which is adjustable depending on the desired surface depth in the frequency range from 20 to 150 kHz.
  • the above-mentioned transport variants as described under A-D, operable.
  • Between the cooling sections interposed inductive heating steps serve the ev. Desired reheating of excessively cooled areas of the rail cross-section, in particular, for example. the edges of the rail head.
  • Intermediate heating also serves to degrade any undesirable martensite formed on the material surface, i. for correcting overcurders or remoining overcured areas by reheating from the still hot rail core.
  • Fig. 1 principal possibilities of Abkühlverlaufes taking advantage of the isothermal cooling (cooling curve a), the continuous cooling or a combination of both cooling strategies (cooling curves b and c) in an exemplary ZTU diagram shown (steel grade Ck 45, Austenite A, F Ferrite, P perlite, B bainite, M martensite), as can be achieved using the heat or cooling treatments in the plant embodiments Fig.2 to Fig.5.
  • FIG. 2 A possible system design is shown in Fig. 2.
  • the hardening takes place here in the passage of the rails.
  • the induction heating 4 is executed in several stages and serves the purposes of possibly necessary temperature compensation along the rail, the reheating of the rail in the case of too cold inlet to the hardening system and an ev. Ge Meetingm targeted overheating of the rail head.
  • the water cooling section 5 is advantageously equipped with internally mixing nozzles, in which the water is advantageously atomized with steam.
  • the subsequent spray or air cooling 6 is exemplarily equipped with internally mixing or externally mixing two-substance nozzles.
  • the simultaneous cooling of the rail foot to the rail head counteracts the cooling-related curvature of the rails.
  • the correct guidance of the rails is ensured by means of, arranged between the heating and cooling segments, transport and centering units 3.
  • the induction heating 4 is designed in several stages and the water cooling section 5 is advantageously equipped with internally mixing nozzles, in which the water is advantageously atomized with steam finest.
  • the curing is carried out with the spray or air cooling 6 in pendulum mode 9. The transfer of the hardened rails takes place laterally either to the right or left on a cross conveyor. 8
  • the induction heating 4 is designed in several stages and the water cooling section 5 is advantageously equipped with internally mixing nozzles, in which the water is advantageously atomized with steam.
  • the curing is carried out with the spray or air cooling 6 in pendulum mode.
  • the transfer of the hardened rails takes place laterally either to the right or left by transverse promotion 8 on a roller table 10th
  • the induction heating 4 is executed in several stages and the water cooling section 5 is advantageously equipped with internally mixing nozzles, in which the water is advantageously atomized with steam.
  • the rail After the rail has left the induction heating 4 and the water cooling 5 via a discharge roller table 7, this is passed laterally either to the right or to the left by cross-promotion 8 on a spray or air cooling 6 with pendulum 9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von metallischen Langprodukten, wie Profilen, Schienen, Bandmaterial etc., die exemplarisch mittels eines Einlaufrollganges (1), eines Führungsrollganges (2) und Zentriereinheiten (3) sowie einer optionale Querförderung (8) transportiert werden, wobei eine mehrstufige, direkte oder alternativ dazu indirekte Sprühkühlung mit einphasigen Medien (5) oder zweiphasigen Mediengemischen (6) bereits im Härtungsabschnitt zur gezielten Abkühlung der Materialoberfläche eingesetzt wird, welche optional kombiniert mit Erwärmungsschritten (4) zur Ausbildung einer gewünschten Gefügestruktur im Durchlaufbetrieb, im Pendelbetrieb (9) oder in einer Kombination daraus führt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischen Langprodukten
Beschreibung
Gegenstand der Erfindung ist die Wärmebehandlung für Langprodukte aus Metall, insbesondere von niedrig kohlenstoffhaltigem, unlegiertem oder schwach legiertem Stahl, wie er üblicherweise auch für die Fertigung von Schienen verwendet wird.
Schienen müssen der Beanspruchung bei der Kontaktreibung zwischen Schiene und Rad standhalten sowie auch der Verformung infolge hoher Lasten und werden daher üblicherweise einer Wärmebehandlung mit dem Ziel einer Härtung zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Schienenmaterials unterzogen. Dabei soll innerhalb der oberflächennahen Schichten bis hin zu einer vorgeschriebenen Schichttiefe des Schienenkopfes eine Umwandlung in eine bainitische bis feinperlitische Struktur bewirkt werden.
Die bekannten Techniken der thermischen Oberflächenhärtung von Langprodukten aus Stahl gehen von den metallurgischen Grundlagen des Eisen-Kohlenstoff Zustandsdiagramms und der Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder (ZTU)-Schaubilder aus. Ausgangspunkt für den nachfolgenden Härtungsvorgang ist ein Vorwärmen des Materials über die Endtemperatur der metallurgischen Umwandlung, so dass der Stahlkörper zumindest im zu härtenden Gebiet eine homogene austenitische Struktur bekommt. Die Temperatur am Ende des Vorwärmens soll zumindest in jedem Punkt des zu härtenden Gebietes"typischer Weise etwa T [0C] > Ac3 + 50 betragen, wobei Ac3 die Umwandlungstemperatur bei langsamer Erwärmung jenes Stahls bezeichnet, aus dem das Walzmaterial besteht. Die Erwärmung kann vorteilhaft mittels einer Induktionsspule bzw. alternativ dazu durch Flammhärtung oder elektrische Strahlungsheizung mit SiC-Stäben erfolgen. Für erstere Methode ist die Verfahrensbezeichnung „induktive Randschichthärtung" gebräuchlich. Die Erwärmung kann weiters am, z.B. mittels Rollen bewegten, Schienenstrang erfolgen. Alternativ dazu kann die Erwärmungseinrichtung, wie in der US-Patentschrift 4201602 beschrieben, auf der selbst stationären, z.B. auf dem Gleiskörper bereits verlegten Schiene, verfahren werden. Nach der Erwärmung über die Umwandlungstemperatur erfolgt die Erzeugung einer bainitischen bis feinperlitischen Struktur in den oberfiächennahen Schichten des Walzmaterials durch kontrollierte Abkühlung. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass ein zu langsames Abkühlen das Kristallwachstum begünstigt und damit zu einem unerwünscht grobkörnigen Perlit führt, wohingegen eine zu rasche Abkühlung eine unerwünschten Bildung von Martensit bewirken kann. Prinzipiell ist eine kontrollierte Abkühlung durch eine isotherme Kühlstrategie bzw. durch eine Strategie der geführten kontinuierlichen Kühlung zu erreichen. Bei ersterer Methode erfolgt eine rasches Abschrecken mit anschließendem Halten bei konstanter Oberflächentemperatur. Bei zweiterer Methode erfolgt eine kontinuierliche Abkühlung mit einer eventuell zeitlich variabel gestalteten Kühlrate, die gemäß dem ZTU- Schaubild des jeweiligen Stahls eine maximale Kühlrate nicht überschreiten darf, so dass die Materialoberflächentemperatur zu keinem Zeitpunkt jene Grenztemperatur It. ZTU-Schaubild unterschreitet, bei der eine unerwünschte Ausbildung von martensit-haltigem Gefüge eintritt
Als Kühlmedien bei der Wärmebehandlung werden typischer Weise Luft, Wasser, Luft/Wasser-Mischungen, Salzschmelzen oder organische Flüssigkeiten (wie z.B. Öle) bzw. wässrige Lösungen organischer Substanzen verwendet.
Die Kühlung mit Luftdüsen stellt eine gut regelbare Möglichkeit zur Strangkühlung dar und ist speziell für Anwendungen im Bereich der thermischen Oberflächenhärtung - wie z.B. der Schienenkopfhärtung — in zahlreichen Patentschriften beschrieben; exemplarisch sei hier die Patentschrift EP0765942B1 angeführt.
Aufgrund der verhältnismäßig geringen Kühlintensität gasförmiger Kühlmedien, wie z.B. Luft, im Vergleich zu zweiphasigen Kühlmedien, wie z.B. Luft/Wasser-Mischungen, die unter Ausnutzung der Verdampfungsenthalpie arbeiten, ist bei ersteren ein hoher Durchsatz des Kühlmediums erforderlich, was aufwendige Anlagenperipherie und hohe Betriebskosten mit sich bringt. Für die angestrebten hohen Durchsatzgeschwindigkeiten des Strangmaterials in der Härteanlage ist speziell bei nieder- bis unlegierten Stählen der erzielbare Wärmeübergang und damit die Kühlintensität bei Luftbedüsung alleine nicht ausreichend für die Ausbildung des gewünschten Härtegefüges.
Der Einsatz von Wassersprühstrahlen als Kühlmittel bzw. die Verdüsung von Luft/Wasser- Mischungen bewirkt höhere Kühlintensitäten im Vergleich zur reinen Gaskühlung. Dieser Sachverhalt wird z.B. in Patentschrift GB933860 ausgenützt, bei der der Schienenstrang nach der induktiven Erwärmung eine Ringbrause durchläuft, in der die Kühlung durch Wasserbedüsung stattfindet. Tropfengröße und Bedüsungsmenge, bzw. damit also die Kühlintensität sind in einer derartigen Anordnung lokal entlang des Querschnittumfanges der Schiene jedoch schwierig bis gar nicht zu kontrollieren.
Aus diesem Grund wird die Methode der Wasserbedüsung mittels einer Wasserkühlstrecke, wie etwa in der Ausführung gemäß der Patentschrift DEl 0148305 Al nur zum möglichst raschen Absenken der Kernzonentemperatur des Schienenkopfes zwischen 800 und 500 0C eingesetzt bzw. wie etwa in der Ausführung gemäß der koreanischen Patentschrift 102001007705 IA bzw. der US-Patentschrift 4749419 zum Fertigquenchen des bereits gehärteten Schienenstranges.
In allen diesen Fällen besteht das Problem, dass entlang der Umfanglinie des Schienenkopfquerschnittes bedingt durch die starke Oberflächenkrümmung im Bereich der Kanten für die äußere Randschicht des Materials gesehen ein größeres Oberflächen- zu Materialvolumen-Verhältnis vorliegt und diese Gebiete daher bei einer konstanten Kühlintensität entlang des Querschnittumfanges stärker gekühlt werden als ebene Gebiete z.B. im Bereich der Laufflächenmittellinie.
Darüber hinaus ist eine Homogenität der Kühlwirkung auf der zu kühlenden Oberfläche schwer zu erzielen, was durch die inhomogen Bildungsorte der Dampfblasen, die beim Siederegime des sog. Blasensiedens auf der heißen Materialoberfläche entstehen, sowie durch die unterschiedlich langen Blasenverweilzeiten bis zum Ablösen von der Oberfläche (Leidenfrost-Phänomen) zu erklären ist. Lokal verstärkte Kühlwirkung durch direkten Wasserkontakt mit der heißen Oberfläche kann zu einer zu intensiven Kühlung und damit zur - in der Regel - unerwünschten Bildung von Martensit führen. (Eine Ausnahme hierzu besteht bezüglich der in der Patentschrift DE69409524T2 vorgestellten Martensit-Schiene, bei der eben dieses Gefüge durch Wasserbedüsung bewusst erzeugt werden soll.) Ansonsten wird die durch das Blasensieden resultierende Inhomogenität der Kühlwirkung beim Einsatz der Wasserbedüsung durch Verwendung von vorerwärmtem Kühlwasser bekämpft, wodurch vermieden werden soll, dass es punktuell zu einer Unterschreitung der Leidenfrosttemperatur und damit zu einem Zerfall der verdampften Schicht des Kühlmittels an der Materialoberfläche sowie in weiterer Folge zu einem Direktkontakt des flüssigen Kühlmittels mit der Materialoberfläche kommt. Eine Vorwärmung des Kühlwassers und damit ein bewusstes in Kauf nehmen der daraus resultierenden Schwächung der Kühlwirkung wird bei den Verfahren zur Schienenkopfhärtung mit Wasserbedüsung unter Einsatz von Einstoff- Druckdüsen vorgeschlagen, wie in den Patentschriften DE10137596A1 und EP0293002B1 beschrieben, wobei bei letzterer Ausführungsform Luftstrahlen und Heißwasserstrahlen zur Kühlung eingesetzt werden.
Prinzipiell sind hohe Kühlintensitäten auch durch das Tauchen des Materials in Kühlbäder möglich. Hierzu sind zahlreiche Verfahrensvarianten unter Einsatz von Wasser, wässrigen Lösungen, organischen Flüssigkeiten und Salzschmelzen beschreiben; exemplarisch erwähnt sei hier die Patentschrift EPl 160341 Bl.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist der diskontinuierliche Prozessablauf, bedingt durch die Wahl der Haltezeiten während der Tauchvorgänge, die Problematik der inhomogenen Blasenbildung und der damit verbundenen Gefahr lokaler Unterschiede in der Kühlintensität bei verdampfenden Kühlmitteln, sowie die Problematik von potentiell toxischen Bademissionen bedingt durch pyrolytische Zersetzung beim Einsatz organischer bzw. organikhaltiger Kühlmedien.
Aus energetischer und logistischer Sicht ist es günstig, die Härtung direkt im Anschluss an den Walzprozess vorzunehmen, d.h. mit dem gewalzten Materialstrang direkt aus der Walzhitze in die Härteanlage einzufahren, was jedoch besondere Herausforderungen bezüglich der in der Härteanlage zu bewältigenden Durchsatzgeschwindigkeiten bzw. des einzuhaltenden Temperaturprofils stellt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Methode der Wärmebehandlung zu entwerfen, die Ungleichmäßigkeiten des Härteverlaufs auf dem Schienenkopf durch hohe Homogenität und gleichzeitig hohe aber zugleich auch regelbare Intensität der Kühlwirkung bei großer Geschwindigkeit des Schienendurchsatzes (in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 m/s, entsprechend der verfügbaren Kühlstreckenlänge) ermöglicht.
Beim gegenständlichen Vorschlag soll, um direkt aus der Walzhitze in die Härteanlage eingefahren zu können, die in der Härteanlage zu bewältigende Durchsatzgeschwindigkeit, wie nachfolgend im Detail beschrieben, durch direkte oder alternativ dazu indirekte Spriihkühlung mit ein- oder zweiphasigen Mediengemischen bereits im Härtungsabschnitt zur gezielten Abkühlung der Materialoberfläche und der damit verbundenen Ausbildung einer gewünschten Gefügestruktur im Durchlaufbetrieb, im Pendelbetrieb oder in einer Kombination daraus ermöglicht werden. Nach dem Ausfahren aus dem letzten Walzgerüst wird die Schiene auf dem Schienenfuß stehend oder hängend in die Härteanlage eingebracht. Zur Erhöhung der Durchsatzleistung können mehrere Härtelinien parallel angeordnet und simultan betrieben werden. Die Beschickung kann über Transporteinrichtungen wie z.B. Rollgänge unter Einsatz von Weichen oder Quertransporten erfolgen.
Dabei bestehen die folgenden Möglichkeiten der Anlagenausführung, wobei die Varianten B), C) und D) auf die Problematik eines reduzierten Platzbedarfes der Härteanlage in Hinblick auf die verfügbaren räumlichen Gegebenheiten des Aufstellortes Rücksicht nehmen:
A) Durchlaufanlage mit axialer Beschickung, Kühlung auf Härtetemperatur, anschließender Härtung und axialem Abtransport der gehärteten Schienen
B) Härteanlage mit axialer Beschickung und seitlichem Abtransport der gehärteten Schienen, wobei nach dem Kühlen auf die Härtetemperatur das anschließende Härten im Pendelbetrieb erfolgen. Hierbei wird der Pendelbetrieb durch ein alternierendes Vorwärts- und Rückwärtsrollen der Schiene bewirkt. Jeweils mit zunehmender Annäherung des, in Fortbewegungsrichtung gesehen, vorderen Schienenendes an den Umkehrpunkt erfolgt eine stetige Abnahme der Transportgeschwindigkeit und nach dem Durchlaufen des Umkehrpunktes eine stetige Wiederbeschleunigung auf die Maximaltransportgeschwindigkeit.
C) Seitliche Beschickung der Kopf-Härteprüfanlage mit seitlichem Abtransport der gehärteten Schienen.
D) Änderung der Transportrichtung der Schienen während der Härtung an einem Umkehrpunkt.
Im Gegensatz zur etablierten Luftstrahl-Kühlung bei der thermischen Oberflächenhärtung von Walzprodukten soll bei der gegenständlichen Erfindung zur Erhöhung des Materialdurchsatzes die benötigte höhere Kühlintensität durch den Einsatz der Sprühkühlung im Härtungsabschnitt erzielt werden.
Sollte die Walzhitze für die homogene Austenitisierung nicht ausreichend sein, sind Erwärmungsschritte vorzusehen. Die Erwärmungsschritte sollen induktiv in ein- oder mehrstufiger Form ausgeführt werden. Sie dienen am Einlauf in die Härteanlage - dem etwaig notwendigem Temperaturausgleich entlang der Schiene, - dem Nachwärmen der Schiene im Fall eines zu kalten Einlaufes in die Härteanlage und
- einem ev. erwünschtem gezieltem Überhitzen des Schienenkopfes.
Die letztgenannte, partielle Wärmebehandlung erfolgt vorteilhaft durch induktive Erwärmung mittels eines individuell gesteuerten Hochfrequenzumrichters, der in Abhängigkeit von der gewünschten Randschichttiefe im Frequenzbereich von 20 bis 150 kHz einstellbar ist. Damit sind die obengenannten Transportvarianten, wie unter A-D beschrieben, betreibbar. Zwischen den Kühlabschnitten zwischengeschaltete induktive Erwärmungsschritte, dienen dem ev. erwünschten Nachwärmen von zu stark gekühlten Gebieten des Schienenquerschnittes, insbesonders z.B. der Kanten des Schienenkopfes. Zwischenerwärmung dient darüber hinaus zum Abbau von etwaig unerwünscht an der Materialoberfläche gebildetem Martensits, d.h. zum Korrigieren von Überhärtungsvorgängen bzw. zum Beseitigen von zu weit eingehärteten Gebieten durch Wiederaufwärmung ausgehend vom noch heißen Schienenkern.
Nach dem Härtungsabschnitt nachgeschaltetes Anlassen mittels einer formangepassten Spule, vorteilhaft angespeist von einem Mittelfrequenzumrichter erfolgt je nach Stahlsorte im Temperaturbereich zwischen 300 und 600 °C. Dabei soll die Sprödigkeit des Härtegefüges verringert werden bzw. als sog. Spannungsfrei-Glühen sollen (ohne weitere Gefügeänderung durch langsames Erwärmen und nachfolgendes langsames Abkühlen) etwaig vorhandene Restspannungen in Folge der mehrfachen Richtvorgänge beseitigt werden.
In Fig. 1 sind prinzipielle Möglichkeiten des Abkühlverlaufes unter Ausnutzung der isothermen Kühlung (Abkühlverlauf a), der kontinuierlichen Kühlung bzw. einer Kombination beider Kühlstrategien (Abkühlverläufe b und c) in einem exemplarischen ZTU- Schaubild dargestellt (Stahlsorte Ck 45, A Austenit, F Ferrit, P Perlit, B Bainit, M Martensit), wie sie unter Einsatz der Wärme- bzw. Kühlbehandlungen in den Anlagenausführungsbeispielen Fig.2 bis Fig. 5 erzielt werden können.
Eine mögliche Anlagenausführung zeigt Fig. 2. Der Antransport der Schienen erfolgt über einen Einlaufrollgang 1 und einen Führungsrollgang 2. Die Härtung erfolgt hier im Durchlauf der Schienen. Die Induktionserwärmung 4 ist mehrstufig ausgeführt und dient den Zwecken des etwaig notwendigem Temperaturausgleichs entlang der Schiene, dem Nachwärmen der Schiene im Fall eines zu kalten Einlaufes in die Härteanlage und einem ev. erwünschtem gezieltem Überhitzen des Schienenkopfes. Der Wasserkühlabschnitt 5 ist vorteilhaft mit innenmischenden Düsen bestückt, in denen das Wasser vorteilhaft mit Dampf feinstzerstäubt wird. Die nachfolgende Sprühnebel- oder Luftkühlung 6 ist exemplarisch mit innenmischenden oder außenmischenden Zweistoffdüsen bestückt. Die zum Schienenkopf simultan erfolgende Kühlung des Schienenfußes wirkt der abkühlungsbedingten Verkrümmung der Schienen entgegen. Die korrekte Führung der Schienen ist mittels der, zwischen den Erwärmungs- und Kühlungssegmenten angeordneten, Transport- und Zentriereinheiten 3 gewährleistet.
Eine weitere mögliche Anlagenausführung zeigt Fig. 3. Wie bei Anlagenausführung nach Fig. 2 ist die Induktionserwärmung 4 mehrstufig ausgeführt und der Wasserkühlabschnitt 5 ist vorteilhaft mit innenmischenden Düsen bestückt, in denen das Wasser vorteilhaft mit Dampf feinstzerstäubt wird. Nachdem die Schiene die Induktionserwärmung 4 und die Wasserkühlung 5 verlassen hat, wird die Härtung mit der Sprühnebel- oder Luftkühlung 6 im Pendelbetrieb 9 ausgeführt. Die Übergabe der gehärteten Schienen erfolgt seitlich entweder nach rechts oder links auf einen Querförderer 8.
Eine weitere mögliche Anlagenausfühnαng zeigt Fig. 4. Wie bei Anlagenausführung nach Fig. 2 ist die Induktionserwärmung 4 mehrstufig ausgeführt und der Wasserkühlabschnitt 5 ist vorteilhaft mit innenmischenden Düsen bestückt, in denen das Wasser vorteilhaft mit Dampf feinstzerstäubt wird. Nachdem die Schiene die Induktionserwärmung 4 und die Wasserkühlung 5 verlassen hat, wird die Härtung mit der Sprühnebel- oder Luftkühlung 6 im Pendelbetrieb ausgeführt. Die Übergabe der gehärteten Schienen erfolgt seitlich entweder nach rechts oder links durch Querförderung 8 auf einen Rollgang 10.
Eine weitere mögliche Anlagenausführung zeigt Fig. 5. Wie bei Anlagenausführung nach Fig. 2 ist die Induktionserwärmung 4 mehrstufig ausgeführt und der Wasserkühlabschnitt 5 ist vorteilhaft mit innenmischenden Düsen bestückt, in denen das Wasser vorteilhaft mit Dampf feinstzerstäubt wird. Nachdem die Schiene die Induktionserwärmung 4 und die Wasserkühlung 5 über einen Auslaufrollgang 7 verlassen hat, wird diese seitlich entweder nach rechts oder nach links durch Querförderung 8 auf eine Sprühnebel- oder Luftkühlung 6 mit Pendelbetrieb 9 übergeben. Der Abtransport der gehärteten Schienen erfolgt über seitliche Austragung 11 oder längsgerichtete Austragung 10.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von metallischen Langprodukten, wie Profilen, Schienen, Bandmaterial etc., dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrstufige, direkte oder alternativ dazu indirekte Sprühkühlung mit einphasigen Medien (5) oder zweiphasigen Mediengemischen (6) bereits im Härtungsabschnitt zur gezielten Abkühlung der Materialoberfläche eingesetzt wird, welche optional kombiniert mit Erwärmungsschritten (4) zur Ausbildung einer gewünschten Gefügestruktur im Durchlaufbetrieb, im Pendelbetrieb (9) oder in einer Kombination daraus führt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die unter Ausnutzung der Mehrstufigkeit, der Phasenzusammensetzung und der Stoffzusammensetzung spezifizierte Strahl- und Sprühkühlvarianten, vorzugsweise eine Bedüsung mit Luft gefolgt von einer Bedüsung mit Dampf-Luft Gemisch bzw. eine Bedüsung mit Wassertröpfchen und Dampf gefolgt von einer Bedüsung mit Dampf-Luft Gemisch dazu eingesetzt werden, um eine isotherme Sprühkühlung der Materialoberfläche d.h. eine Wärmeabfuhr unter zeitlicher Konstanthaltung der Oberflächentemperatur zu erzielen, bzw. alternativ dazu eine quasikontinuierliche Sprühkühlung zu eiτeichen, d.h. eine Wärmeabfuhr unter Ausbildung einer stetigen, zeitlichen Absenkung der Oberflächentemperatur entlang eines vorgegebenen transienten Temperaturverlaufs bzw. ein Sprühkühlprogramm bestehend aus einer Kombination der isothermen und der quasikontinuierlichen Kühlstrategie umzusetzen.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkühlung entlang des bewegten Materialstranges mindestens zweistufig erfolgt.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkühlung durch Aufstrahlen von gasförmigen Medienströmen auf die Materialoberfläche unterstützt wird.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkühlung durch Aufstrahlen von gasförmigen Mehrstoffströmen, vorzugsweise Dampf-Luft Gemischen, bewirkt wird.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkühlung unter Ausnutzung der Verdampfungswärme durch Aufstrahlen von zweiphasigen Medienströmen bei bestimmten Anstellwinkeln gegenüber der Materialoberfläche bewirkt wird, wobei die Düsen dabei so ausgeführt und angeordnet sind, dass durch die Ausnutzung der radialen Intensitätsverteilung rund um den Aufprall-Mittelpunkt jedes einzelnen Sprühstrahles das gesamte Sprühdüsenensemble eine Variation der Kühlwirkung entlang des Schienenkopfumfanges herbeiführt, in der Weise, dass die stärker gekrümmten Umfangabschnitte im Bereich der Kanten des Schienenkopfes eine reduzierte Kühlwirkung im Vergleich zu planaren bzw. schwach gekrümmten Umfangabschnitten erfahren, wodurch unerwünschte und unregelmäßige, inhomogene Gefügestrukturen unterbunden werden.
7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkühlung durch Aufstrahlen von zweiphasigen Einstoffströmen, insbesondere von Wassertröpfchen und Dampf, bei bestimmten Anstellwinkeln gegenüber der Materialoberfläche unter Ausnutzung der Verdampfungswärme bewirkt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Langprodukt aus der Walzhitze mit homogenem, austenitischen Gefüge vom letzten Walzgerüst direkt in die thermischen Nachbehandlung (Sprühkühlung und optionale Zwischenerwärmung) geführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht ausreichend homogenem austenitischen Gefüge auch gezielte Erwärmungsschritte, vorzugsweise durch induktive Erwärmung, durchgeführt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsschritte vor dem Eintritt in die thermische Nachbehandlung (Sprühkühlung und optionale Zwischenerwärmung) erfolgen.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsschritte nur als Zwischenerwärmung, vorzugsweise unter Ausnutzung des Wärmeinhaltes im Materialinneren, zwischen den Sprühkühlschritten erfolgen.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungsschritte nach der thermischen Nachbehandlung (Sprühkühlung und optionale Zwischenerwärmung) erfolgen.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen innerhalb eines Kühlabschnittes, vorzugsweise Flachstrahldüsen, so angeordnet werden, dass eine durchgängige Konturabdeckung im zu kühlenden Se "Ogm1 ent der Materialoberfläche entsteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkühlung unter Ausnutzung der Verdampfungswärme durch Aufstrahlen von zweiphasigen Mediengemischen bei bestimmten Anstellwinkeln gegenüber der Materialoberfläche bewirkt wird, so dass eine weitgehend freie Abfuhr des durch den Splashing-Mechanismus beim Sprayaufprall entstehenden reflektierten Flüssigkeitsanteils von der Materialoberfläche, vorzugsweise unterstützt durch die geeignete Anordnung von Ablenkblechen bzw. -rinnen erfolgt und damit die Ausbildung unerwünschter abfließender oder abtropfender Flüssigkeitsfϊlme vermieden wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühkühlung unter Ausnutzung der Verdampfungswärme durch Aufstrahlen von zweiphasigen Einstoffströmen, insbesondere von Wassertröpfchen und Dampf, bei bestimmten Anstellwinkeln gegenüber der Materialoberfläche bewirkt wird, so dass eine weitgehend freie Abfuhr des durch den Splashing-Mechanismus beim Sprayaufprall entstehenden reflektierten Flüssigkeitsanteils von der Materialoberfläche, vorzugsweise unterstützt durch die geeignete Anordnung von Ablenkblechen bzw. -rinnen erfolgt und damit die Ausbildung unerwünschter abfließender oder abtropfender Flüssigkeitsfilme vermieden wird.
Hierzu 3 Seiten Zeichnungen
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