WO2014063671A1 - Verfahren zur thermomechanischen behandlung von warmgewalzten profilen - Google Patents

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WO2014063671A1
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cooling
temperature
rail
rolling
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Alexander BOROWIKOV
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Thyssenkrupp Gft Gleistechnik Gmbh
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    • B21B1/08—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling structural sections, i.e. work of special cross-section, e.g. angle steel
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/009—Pearlite

Definitions

  • the invention relates to a method for the thermomechanical treatment of hot-rolled profiles from the rolling heat, in particular profiles with a different mass distribution in cross-section, wherein the cooling of the profiles takes place synchronously to the rolling process.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method.
  • thermomechanical processes TMB
  • specific properties of a material in particular the strength and toughness, are specifically improved by the combination of plastic deformation and thermal treatment. Due to the plastic deformation of austenite in the forming process and the subsequent targeted transformation of austenite in the thermal treatment
  • TMB Made of steel products characterized by a fine grain and high yield strengths.
  • the temperature-time regime of conventional heat treatments is supplemented by an additional technological factor, the transformation.
  • the possible combinations for the targeted influencing of microstructural mechanisms which are decisive for the setting of application-specific characteristics of properties, are significantly expanded in comparison to the margins of a conventional heat treatment.
  • the use of TMB broadens the spectrum for setting desired microstructures, and it also opens up new ways to realize meaningful combinations of features that can not be achieved by conventional heat treatment or forming alone.
  • thermomechanical treatment In order to make the most of the advantages of a thermomechanical treatment in production processes, the material composition and forming temperature-time regime of the TMB must be precisely adapted to each other. This results in numerous requirements and restrictions with regard to process management and design as well as arrangement of the required system technology for the practical implementation of the TMB.
  • CONFIRMATION COPY The manufacturing process, for example of railroad tracks, is subject to special requirements due to the exceptional product dimensions. For modern rail rolling mills, it is now almost normal to produce rails with a length of 120 m. Apart from the peculiarities in the rolling process, the transfer of the hot-rolled rails of such length after exit from the roll gap to subsequent processing steps, such as hot straightening, blanking or cooling treatment, is one pass of the rolled products through very large-scale transport and handling systems logically involves a considerable amount of time.
  • Cooling process have already changed the time and temperature-dependent property characteristics of the transformed austenite negative.
  • a striking example of such time- and temperature-dependent microstructural processes is grain growth.
  • the aim is the setting of a fine-grained final structure, because it creates essential conditions for the formation of desired product properties.
  • Grain growth is recommended for defined periods of time between exit from the rolling stand and entry into the cooling devices.
  • the scale of the time parameters recommended in this context ranges from the verbal statement "shortest possible time periods" over 60 s and 100 s to the stipulation that this time span should not be greater than 150 s C contents in a time window greater than 100 seconds after the final forming step tend to eutectoid cementite precipitations, which reduce the fatigue strength and toughness of the rails, but the process descriptions do not contain any information as to which technological and plant engineering means these short time periods are realized.
  • a variety of rail manufacturing method is known in which by accelerated cooling of the rolling stock from the rolling heat out stress-oriented property profiles in terms of wear resistance and resistance to
  • Roll contact fatigue can be adjusted on the rails.
  • These methods can be subdivided according to the type of cooling process in immersion and spray cooling. Both variants of the method usually have the common feature that the rails can be brought into the treatment position of the respective cooling device after leaving the nip only with relatively large plant and logistical effort.
  • the rails run through roller conveyors, transverse transport means, devices for axial rotation and manipulators for axially aligning and transversely aligned holding up, for example they finally arrive at the positioning means with holding components which fix the rails horizontally in the dip tank during the dipping process.
  • Procedure is therefore made to avoid too cold inlet temperature or for the purpose of a necessary temperature compensation over the rail length inductive heating of the rail before the inlet to the cooling device.
  • the effects of a thermomechanical treatment can only be optimally exploited if the forming-temperature-time regimes of the technological chain forming and cooling are precisely coordinated with each other.
  • the present invention seeks to provide a method and apparatus for improving the thermomechanical treatment of profiles, in which the benefits of TMB can be implemented comprehensively by a specific specific process sequence.
  • the above-mentioned difficulties are circumvented by the hot rolled profiles are subjected to a targeted cooling immediately after leaving the last rolling stand and thereby converts the transformed austenite while maintaining its resulting from the plastic deformation advantageous microstructure with small grain size to a fine-pearlitic structure ,
  • a section steel is heated to forming temperature and formed in a continuously operating profile rolling mill by several stitches to form a profile, such as a railroad track.
  • the temperature control on the basis of stored material data and online recorded rolling anddereada- th to determine the required cooling time and cooling intensity and control of cooling processes takes place.
  • the setting of a specific temperature gradient between the profile surface and the core region of the high-mass profile sections as a function of the online recorded rolling and cooling process data ensures that the grain size is passed on as unchanged as possible to the conversion process.
  • the entire cooling process on the basis of real-time process data from the rolling and cooling process by a temperature and a structural model, the essential components of a Control system are, is regulated.
  • the required parameters for the actual cooling process can be determined and the cooling quantity calculated, in order to influence the grain growth until it enters the pearlite transformation area and, moreover, to set the required temperature gradient between the profile surface and the core region.
  • Rail track can be controlled so that between head surface and
  • Core temperature is set a targeted temperature gradient and thereby the conversion of austenite to pearlite in the surface and core region of the rail head takes place at different starting temperatures and start times. In this way, a finely pearlitic microstructure graduated between the surface area and the core area is set during the controlled cooling process.
  • the speed of passage of the profile through the cooling device in this case corresponds to the final rolling speed, wherein the time interval between the outlet from the last finishing stand and the inlet to the cooling device is kept as low as possible, preferably less than 100 seconds.
  • profiles in particular profiles with mass distributions differing in cross section, can be subjected to a subsequent thermal treatment after mechanical treatment has been carried out.
  • This method is particularly suitable for rail profiles that are characterized by a distinguished by a large railhead.
  • rail profiles are treated according to this method, is provided to contain the rail distortion that the individual profile parts of the rail (head, bar, foot) are differentiated during the entire cooling process depending on the current temperature gradient between these profile parts.
  • Cooling process based on online acquired real-time process data from the rolling and cooling process controlled by a complex control system.
  • this control system is the coupling of an online temperature model with an online structural model.
  • the forming temperature-time regime of the respective thermomechanical adapted via an online temperature model and an online structural model and online real-time process data from the rolling and cooling process quickly and directly adapted to the relevant data of the current profile material become.
  • a simultaneous combination of the two thermomechanical treatments of rolls and cooling takes place, the rolling and cooling process data for the profiles, for example a rail profile, being adapted to the different cross-sectional sections and the individual cross-sectional sections being recorded separately.
  • the individual cross-sectional areas of a rail profile namely head, web and foot can be differentiated depending on the current temperature gradient between these cross-sectional areas in order to avoid distortion.
  • the temperature profile in the rail head can be controlled in such a way that a specific temperature gradient can be set between head surface temperature and core temperature.
  • the cooling process is controlled so that the surface area and the core area of the
  • Rail head is subjected to different cooling rates, and that the cooling intensity is set differentiated in the individual cooling phases over the entire cooling period to realize a targeted course of the cooling curves of the surface and core region of the rail head.
  • the cooling process is controlled in this way, in that the rail surface is first subjected to a coolant of greatest cooling intensity in order to set the highest possible temperature gradient between the top surface and the core region. Thereafter, the differentiated
  • thermomechanical treatment Due to the high loads of the rail profile in later use, it is necessary to ensure during the thermomechanical treatment that forms a special stable structure in the rail head. It is essential to know or determine the structure of the emerging from the rolling heat steel during the cooling phase. Different methods are available for this purpose. For example, a determination of the temperature during the cooling process is suitable for drawing conclusions about the lattice structure. For this purpose, it is furthermore necessary to carry out a simulation of the cooling behavior in connection with the formation of specific lattice structures. On the basis of at least two temperature measuring points can thus be made a prediction of the forming grid structure. This method for determining the lattice structure is particularly simple, since only the temperature of the steel after the exit from the rolling heat and during the cooling process must be determined. The temperature can be easily determined with known measuring devices, such as a laser interference thermometer.
  • eddy current sensors can be used to detect changes in the lattice structure.
  • a model for the numerical calculation of field distributions in the material is necessary. As a result, the effects are systematically recorded as a function of external conditions.
  • field calculations are made for different structures
  • a sensor system can thus be implemented which allows the lattice structure to be determined by means of eddy current measurements. It is necessary to have eddy current indications of Disturbing interference signals by surface influences. Local ferromagnetic material properties can generate spurious signals, these are identified and can be taken into account by applying a harmonic analysis during eddy current measurement.
  • the basis of the eddy current test is the determination of the electrical properties of a system of coil and material as a function of induced alternating magnetic fields.
  • a coil is used with a time-varying electric current, forming a primary field within the coil.
  • an eddy current distribution is formed in the electrically conductive material.
  • This eddy current field in the material is accompanied by a secondary magnetic field, which acts opposite to the exciting primary field.
  • the superposition of the primary and secondary fields results in a resulting magnetic flux through the coil windings.
  • the inductive resistance and the coil resistance in the impedance plane is determined.
  • the main influencing factors are the electrical conductivity and the magnetic permeability. This changes with the lattice structure of the material. This can be deduced with the aid of numerical calculations from the inductance change to the lattice structure of the material. This method thus allows an accurate determination of the microstructure during the exit at the nip and during the cooling phase of the rail profile.
  • Another method for determining the lattice structure of the rail profile is the X-ray structure analysis.
  • an X-ray source is arranged on one side of the rail profile and on the opposite side a corresponding imaging system.
  • the imaging system may be, for example, a semiconductor detector.
  • the X-radiation emanating from the X-ray source is scattered in the material and the scattered
  • the lattice structure in particular the lattice spacing, results from the scattering angle.
  • the signal recorded by the detector is converted into a further processed. From this, the grid structure can then be calculated. This results from the geometry of an elementary cell of the lattice structure.
  • the unit cell can be completely derived from the angles under which diffraction maxima occur. From the strength of the diffraction maxima, the arrangement of the atoms within the unit cell can be calculated by means of various mathematical methods. This gives the complete information about the lattice structure of the rail profile by X-ray structure analysis. By this method can thus be determined, which grid structure is formed after the rolling heat in the rail profiles and by repeated repeating during the cooling process can be ensured that the desired lattice structure is set.
  • the X-ray structure analysis is technically more complex than the aforementioned
  • Grid structure of the material whereby this is clearly determined.
  • the eddy current method is also suitable for monitoring the cooling behavior of the rail profile on the cooling bed.
  • the degree of perlitization of the head structure can be determined after the intensive cooling on the resting rail.
  • the results obtained can be used to be used as a correction value for the cooling parameter setting of the following rail profiles.
  • the invention has considerable advantages over rolling heat from other methods known in the art for thermally treating profiles, such as railroad tracks.
  • thermomechanical treatment all the forming temperature-time regimes of the respective thermomechanical treatment are adapted promptly and directly to the relevant data of the current profile material via an online temperature model and an online texture model.
  • Cooling process on the basis of real-time process data from the rolling and cooling process is controlled by the temperature and microstructure model, for example, can be responded to unpredictable fluctuations in the rolling process, for example, changing rolling temperature, current.
  • Austenite grain growth is suppressed and the optimal austenite structures set in the forming process remain as starting conditions for the transformation of austenite to pearlite.
  • the direct succession of rolling and cooling also offers the optional option of working with lowered final rolling temperatures.
  • a 120 meter long rail may have a temperature ridge between 50 ° C and 100 ° C along its length depending on the rolling speed and finish rolling temperature after it has completely exited the nip at the head surface. At the web or foot surface, this temperature gradient over the rail length can be even greater. Run these rails with their axially pronounced Temperature wedge in the cooling device, of course, there are very unequal starting conditions for the following conversion operations.
  • thermo-mechanical treatment components rollers results in a further advantage.
  • the rail at the final rolling speed passes through the cooling device, so that the cooling cycle corresponds to the rolling cycle and thus the throughput rate tion of the rail manufacturing chain compared to other methods is significantly increased.
  • the rail is taken after exiting the nip in its lateral position by a guide roller system and passed through the latter by the cooling device at rolling speed.
  • Treatment process requires only a cooling device and a downstream cooling bed for receiving the heat treated rail.
  • a device in which the entire cooling process can be controlled on the basis of real-time process data from the rolling and cooling process by a temperature and a structural model.
  • the already highlighted special feature of the method according to the invention is that the entire cooling process is regulated on the basis of real-time process data from the rolling and cooling process by a temperature and a structural model.
  • the device with a control system and a Process computer equipped which processes the process data determined from the rolling and cooling process in real time. This is based on a temperature and a structural model, which allows the determination of the current structure.
  • the cooling process can thus be controlled in the form that the existing structure while maintaining its resulting from the plastic deformation advantageous
  • Microstructure can be converted to a fine-pearlitic structure. After the last forming step, an accelerated cooling of the profile causes the
  • the device is provided in a further embodiment, that for the thermal treatment process, a cooling device and a downstream cooling bed for receiving the heat treated profile is used. After exiting the profile from the nip, it is first ensured that the surface cools continuously and the conditions for a Banitumwandlung be bypassed, and then the temperature curve of the surface area is isothermally fed into the pearlite transformation area. On the downstream cooling bed is a continuous cooling of the heat treated profile to the final temperature.
  • the rail In order to subject the rail of an optimal heat treatment, especially in the event that, for example, a rail profile is rolled, which has cross-sectional areas with different mass distributions, it is further provided that the rail after being discharged from the roll gap in caliber-related side position of a guide roller system and is passed through a downstream intensive cooling section by means of this device.
  • the Throughput speed of the profile through the cooling section corresponds to the final rolling speed.
  • the guide roller system allows this safe storage of the rail, without affecting the rolling speed occurs.
  • the profile is taken up by the cooling bed, on which the further cooling takes place in still air to the ambient temperature. Due to the size and arrangement of the cooling bed, this ensures at the same time that several profiles, in particular rail profiles, can be accommodated next to one another in the cooling bed, so that ongoing production with a synchronous rolling and cooling process need not be interrupted.
  • To achieve the required temperature gradient designed as spray pass cooling intensive cooling section is equipped with a defined number of successive and individually controllable cooling segments.
  • controllable cooling segments By means of the controllable cooling segments, a targeted cooling of the individual regions of the profile, in particular of the rail profile, can be undertaken, wherein guide devices for guiding the rail profile are arranged between the cooling segments.
  • the guide devices enable a controlled further transport of the rail profile and at the same time initiate the cooling process with the aid of the intensive cooling section.
  • Fig. 1 shows the course of the cooling curve
  • FIG. 1 shows the course of the cooling curves of the surface and core region of the rail head during the intensive cooling and during the following
  • the cooling curves are projected for a better understanding of the conversion processes in the continuous and isothermal ZTU chart of the microalloyed rail steel used in the invention with 0.4% chromium.
  • the primary material consisting of a 0.4% Cr microalloyed rail steel is heated to rolling temperature and rolled into rails in a continuous rail rolling mill in several passes.
  • the hot-rolled rail is detected by a guide roller system immediately after exiting the last rolling stand in caliber-related side position and passed through this device through a downstream intensive cooling section.
  • the passage speed of the rail through the cooling section corresponds to the final rolling speed.
  • the rail is taken up by a cooling bed, on which the further cooling takes place in still air to ambient temperature.
  • the intensive cooling section can be arranged a few meters after the last framework of the Konti Avenue.
  • the concrete plant layout depends on the space conditions of the respective rail rolling mill.
  • the intensive cooling section designed for spray-through cooling consists of a defined number of consecutive, individually controllable cooling segments.
  • Guiding devices for guiding the rail are arranged between the cooling segments.
  • the length of the cooling section at a throughput speed of the rail of 2 m / s and ensuring a selected
  • the entire cooling process is regulated by a complex control system which will be explained in more detail later on, which works on the basis of online real-time process data and enables the realization of differentiated cooling processes.
  • the complex system calculates promptly in each phase of the cooling process for the individual profile parts to enforce a specific technological
  • the cooling process is controlled so that the surface area and core area of the rail head are subject to different cooling rates. But this also results in different transformation processes in these two
  • FIG. 1 shows both the continuous and the isothermal ZTU diagram of the rail steel used. The most striking difference between the two graphs is for example This is because isothermal states significantly shift the onset of perlite transformation 4 to shorter cooling times.
  • the temperature level of the hot-rolled rail corresponds to the final rolling temperature of 950 ° C when entering the intensive cooling section.
  • the head surface of the rail under the influence of very high cooling intensity only a temperature slightly below 700 ° C.
  • the high intensity cooling is continued until the surface temperature has been lowered to a level slightly above 500 ° C.
  • the cooling curve of the head surface has a continuous course.
  • the temperature of the surface area is from this point to the exit of the rail from the
  • Intensive cooling section is kept isothermally in a temperature corridor, which must necessarily be conducted above the bainite start temperature. Approximately 15 seconds after the start of the intensive cooling, the cooling curve of the head surface 1 reaches the critical point of the onset of perlite formation in isothermal transformation 4 at about 530 ° C. and the transformation of austenite to perlite begins in the surface region of the rail head. This conversion process proceeds to the complete perlite formation substantially in the above-mentioned temperature corridor.
  • the core region of the rail head still has a final rolling temperature of 950 ° C. Due to the intensive cooling of the head surface, however, heat is continuously withdrawn from the core area in the further cooling process. The heat flowing from the core to the surface area would normally cause a rise in temperature there. However, since the surface area is still subject to the influence of the cooling medium, the heat flowing continuously from the core is dissipated via the cooling medium. The cooling intensity is adjusted so that the cooling curve of the surface area in the above-mentioned temperature corridor is kept isothermal. The cooling curve of the core region 2 largely corresponds to a continuous cooling.
  • the cooling process is controlled so that first by applying the
  • the temperature control in the web and foot of the rail is also controlled parallel to the targeted treatment of the rail head.
  • the bridge and foot are differentially cooled to prevent distortion.
  • the heat balance between surface and core area of the rail head continues on the cooling bed.
  • the temperature of the core region continues to decrease and the temperature of the no longer cooled surface rises again due to the heat flowing out of the core.
  • the cooling curve of the surface area continues to move in the perlite formation zone used for isothermal conversion.
  • curve 5 which depicts completion of the pearlite transformation
  • the austenite in the surface region of the rail head is completely converted to pearlite.
  • the cooling curve of the core region enters that for continuous
  • Perlite formation in the core zone occurs approximately in a conversion temperature range between 590 ° C and 550 ° C. Since perlite formation is influenced by diffusion processes, the quality of the resulting pearlite structure depends on the respective transformation temperatures. Thus, decreasing transition temperatures cause decreasing diffusion paths, and thus, in conjunction with increased nucleation, ultimately lead to a perlite with smaller fin pitches.
  • the transformation of austenite into pearlite takes place in the surface or core region of the rail head at different transformation temperatures.
  • the conversion process in the surface area is overall in a lower temperature band than the conversion in the
  • the surface region of the rail head predominantly has the finest lamellar pearlite, which merges in the direction of the core region into a structure with a larger fin spacing.
  • the extremely complex task of controlling the entire cooling process in such a way that the rail leaves the intensive cooling section with the desired characteristic features set in the head, web and foot as fast as possible is achieved by the control system shown schematically in FIG.
  • the essential components of the control system according to the invention are an online temperature model and an online structural model.
  • the FEM-based online temperature model calculates the rail temperatures for a defined number of points across the cross section and for a specified number of cross sections along the rail length throughout the cooling process.
  • the temperature profiles in the profile parts head, web and foot can be considered separately as well as occurring long-term temperature gradients.
  • the online structural model calculates the microstructural developments in the individual
  • Temperature and microstructure models work in constant data exchange. This gives the temperature model continuous information about the structure development in the head area of the rail.
  • Critical conversion data such as start time and start temperature of an unwanted perlite / bainite transformation, are transmitted by the online structural model and information about the heat of transformation is provided.
  • the first level is represented by a material parameter database. It supplies the model system with the necessary parameters for thermal-physical and material-technical calculations. In addition, in this database the
  • Heat physical parameters for temperature simulation as a function of temperature e.g., specific heat or density, heat transfer coefficients as a function of temperature and cooling medium.
  • Grain sizes (dynamic and static recrystallization, grain growth).
  • the microstructure simulation takes place.
  • the conversion behavior is simulated throughout the cooling process.
  • the calculation of the heat of transformation and the grain sizes takes place here. From this level, information about the achievement of conversion times or over-start temperatures is transferred to the temperature model.
  • the rolling process control computer transfers the respective temperature values for the head, web and foot of the rail to the two online models.
  • the temperature model is in constant dialogue with the structural model.
  • the temperature model monitors, for example, compliance with the objective function, which consists in keeping the temperature profiles in the cross-sectional areas head, bar and foot as close as possible to one another. Especially in the phases of conversion The temperature control of these three areas is critical because it involves volume changes and, as a consequence, rail distortion. At the time of structural transformation, the structural model transmits information about the resulting heat of transformation to the temperature model.
  • the temperature model monitors the course of the temperature gradient and constantly receives information about the microstructure development in the head area from the microstructure model.
  • the microstructure model permanently determines the microstructural gene profiles for defined critical points in this area. In case of deviations from the specifications, such. If the surface temperature is too low, which can lead to an undesired bainite start, information about the control of the cooling section is transferred to the process computer via the temperature model.
  • both the temperature and the microstructure development can be monitored in real-time operation and, if necessary, corrected in a corrective manner.
  • the proposed control and model system ensures that even in the case of current technological deviations in the rolling or cooling process due to the interaction of temperature and microstructure model, temperature profiles are calculated promptly as a result of the thermomechanical treatment

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermomechanischen Behandlung von warmgewalzten Profilen, insbesondere Schienenprofile, wobei der gesteuerte Abkühlvorgang unmittelbar aus der Walzhitze heraus synchron zum Walzvorgang erfolgt. Durch unterschiedliche Kühldauer und unterschiedliche Kühlintensität in den einzelnen Kühlphasen wird zeitnah zum Eintritt in das Perlitumwandlungsgebiet zwischen der Kopfoberfläche- und Kopfkerntemperatur ein bestimmter Temperaturgradient eingestellt, sodass zwischen Oberflächen- und Kernbereich des Schienenkopfes ein graduiertes feinperlitisches Gefüge entsteht. Die während der Intensivkühlung begonnene Gefügeumwandlung wird auf dem Kühlbett fortgesetzt. In der Intensivkühlphase werden die übrigen Profilteile der Schiene in Abhängigkeit vom Temperaturgradienten zwischen ihnen und dem Schienenkopf zur Verbeidung von Verzugserscheinungen differenziert gekühlt. Der gesamte Abkühlprozess wird auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und Gefügemodell geregelt.

Description

Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von warmgewalzten
Profilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von warmgewalzten Profilen aus der Walzhitze, insbesondere von Profilen mit einer im Querschnitt unterschiedlichen Massenverteilung, wobei die Abkühlung der Profile synchron zum Walzvorgang erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei den thermomechanischen Verfahren (TMB) werden gezielt bestimmte Eigen- schaftsmerkmale eines Werkstoffes, insbesondere die Festigkeit und Zähigkeit, durch die Kombination von plastischer Verformung und thermischer Behandlung verbessert. Durch die plastische Deformation des Austenits im Umformprozess und die nachfolgende gezielte Umwandlung des Austenits in der thermischen Behandlung werden
Stahlprodukte hergestellt, die sich durch ein feines Korn und hohe Streckgrenzen auszeichnen. Bei der TMB wird das Temperatur-Zeit-Regime konventioneller Wärmebehandlungen durch eine zusätzliche technologische Einflussgröße, die Umformung, ergänzt. Dadurch werden die Kombinationsmöglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von Gefügemechanismen, die für die Einstellung anwendungsspezifischer Eigenschaftsmerkmale maßgeblich sind, im Vergleich zu den Spielräumen einer konventionellen Wärmebehandlung wesentlich erweitert. Durch Anwendung der TMB wird das Spektrum zur Einstellung gewünschter Gefügestrukturen breiter, und es werden zudem neue Wege zur Realisierung sinnvoller Eigenschaftskombinationen erschlossen, die durch konventionelle Wärmebehandlung oder Umformung allein nicht erreichbar sind.
Um die Vorteile einer thermomechanischen Behandlung in Produktionsprozessen optimal nutzen zu können, müssen Werkstoffzusammensetzung und Umform- Temperatur-Zeit-Regime der TMB genauestens aneinander angepasst werden. Daraus ergeben sich für die praktische Umsetzung der TMB zahlreiche Anforderungen und Restriktionen hinsichtlich Verfahrensführung und Auslegung sowie Anordnung der erforderlichen Anlagentechnik.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Der Herstellungsprozess, beispielsweise von Eisenbahnschienen unterliegt aufgrund der außergewöhnlichen Produktabmessungen generell besonderen Anforderungen. Für moderne Schienenwalzwerke gehört es heutzutage fast zur Normalität, Schienen mit einer Länge von 120 m herzustellen. Abgesehen von den Besonderheiten im Walzpro- zess, ist allein die Übergabe der warmgewalzten Schienen solcher Länge nach dem Austritt aus dem Walzspalt an nachfolgende Bearbeitungsschritte, wie zum Beispiel Warmrichten, Zuschnitt oder Kühlbehandlung, mit einem Durchlauf der Walzprodukte durch sehr großräumig ausgelegte Transport- und Handhabeanlagen verbunden, der logischerweise mit beträchtlichem Zeitaufwand einhergeht.
Bei der thermomechanischen Behandlung von Eisenbahnschienen großer Länge wird das für optimale Behandlungseffekte vorausgesetzte enge Zusammenspiel der
Umform-Temperatur-Zeit-Regime durch die objektiv gegebenen Transport- und
Handhabebedingungen erheblich erschwert. So besteht beispielsweise die Gefahr, dass die im Umformprozess eingestellten optimalen Austenitstrukturen zum Zeitpunkt der Umwandlung des Austenits zu Perlit im nachfolgenden beschleunigten Abkühlpro- zess nicht mehr vorhanden sind, weil sich im Verlauf einer zu großen Zeitspanne zwischen Austritt des Walzgutes aus dem Walzspalt und Beginn des gezielten
Abkühlvorgangs die zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaftsmerkmale des umgeformten Austenits bereits negativ verändert haben.
Ein markantes Beispiel für derartige zeit- und temperaturabhängige Gefügevorgänge ist das Kornwachstum. Allgemein wird die Einstellung eines feinkörnigen Endgefüges angestrebt, weil damit wesentliche Voraussetzungen zur Ausbildung gewünschter Produkteigenschaften geschaffen werden.
Im optimalen Ablauf einer thermomechanischen Behandlung wird durch beschleunigte Abkühlung aus der Walzhitze einerseits das Wachstum der bei der Rekristallisation entstehenden feinen Austenitkörner behindert und damit andererseits die Ausbildung eines feinstrukturierten Endgefüges bei der Umwandlung des Austenits zu Perlit begünstigt. Werden jedoch die Umform-Temperatur-Zeit-Regime nicht präzise aufeinander abgestimmt und ist beispielsweise der Zeitraum zwischen dem letzten Walzstich und dem Beginn der beschleunigten Abkühlung aus technologischen und/oder anlagentechnischen Gründen unzulässig groß, setzt im umgeformten Austenit noch vor Beginn einer gezielten Abkühlung Kornwachstum ein. Die grobkörnige Austenitstruktur verschlechtert die Ausgangsbedingungen für die Perlitumwandlung im Rahmen der beschleunigten Abkühlung beträchtlich, und die ursprünglichen Zielstellungen der TMB werden unter diesen Umständen nicht oder nur bedingt erreicht.
Es sind Verfahren zur Herstellung perlitischer Schienen mit sehr guten Eigenschaftsmerkmalen hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Duktilität bekannt, in denen die komplexen Zusammenhänge zwischen Werkstoffzusammensetzung, Umform- und Wärmebehandlungsparameter ausführlich berücksichtigt werden, beispielsweise EP 2 045 341 A1 , EP 1 730 317 B1 , EP 2 071 044 A1 und EP 1 493 831 A1 . Die einzelnen Lösungsvarianten dieser Verfahren unterscheiden sich durch spezifische Einstellungen der Umform parameter, wie zum Beispiel Umformtemperatur, Gesamtumformgrad, Umformung pro Stich, Anzahl Stiche und Stichintervalle und durch unterschiedliche Abläufe im Abkühlprozess, wie Kühlrate, Kühldauer und Kühlmedien. In den Verfahrensbeschreibungen wird auch auf die Gefahr des Kornwachstums nach Austritt des Walzgutes aus dem letzten Walzgerüst eingegangen. Zur Begrenzung des
Kornwachstums werden definierte Zeitspannen zwischen Austritt aus dem Walzgerüst und Eintritt in die Abkühlvorrichtungen empfohlen. Die Skala der in diesem Zusammenhang empfohlenen Zeitparameter reicht von der verbalen Aussage„möglichst kurze Zeitspannen" über 60 s und 100 s bis hin zu der Vorgabe, dass diese Zeitspanne nicht größer als 150 s sein sollte. Zudem wird darauf hingewiesen, dass Schienenstähle mit höheren C-Gehalten in einem Zeitfenster größer 100 s nach dem letzten Umformschritt zu eutektoiden Zementitausscheidungen neigen, die Schwingfestigkeit und Zähigkeit der Schienen herabsetzen. In den Verfahrensbeschreibungen sind jedoch keinerlei Angaben darüber enthalten, mit welchen technologischen und anlagentechnischen Mitteln diese kurzen Zeitspannen realisiert werden. Ferner ist eine Vielzahl von Schienenherstellungsverfahren bekannt, bei denen durch beschleunigte Abkühlung des Walzgutes aus der Walzhitze heraus belastungsorientierte Eigenschaftsprofile hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Widerstand gegen
Rollkontaktermüdung an den Schienen eingestellt werden. Diese Verfahren lassen sich nach der Art des Abkühlvorgangs in Tauch- und Sprühkühlverfahren unterteilen. Beide Verfahrensvarianten weisen in der Regel die Gemeinsamkeit auf, dass die Schienen nach Verlassen des Walzspaltes nur mit relativ großem anlagentechnischen und logistischen Aufwand in die Behandlungsposition der jeweiligen Abkühlvorrichtung gebracht werden können. Bei den Tauchverfahren, wie aus der AT 505 930 B1 , AT 410 549 B, AT 409 268 B und WO 2010/089325 A1 bekannt, durchlaufen die Schienen beispielsweise Rollgänge, Quertransportmittel, Vorrichtungen zum axialen Drehen sowie Manipulatoren zum axialen Ausrichten und querschnittsfluchtenden Halten bis sie schließlich zu den Positioniermitteln mit Haltekomponenten gelangen, welche die Schienen während des Tauchvorgangs horizontal im Tauchbecken fixieren.
Ein ähnlich großer Transport- und Handhabeaufwand ist bei den Sprüh kühl verfahren erforderlich, unabhängig davon, ob im Durchlauf oder Pendelbetrieb gearbeitet wird, um die Schienen nach dem Walzvorgang in den Sprühkühleinrichtungen zu positionieren, wie aus der EP 1 900 830 B1 , AT 407 057 B und US 7 217 329 B2 bekannt. Auch bei diesen Verfahren passieren die Schienen unterschiedliche Transporteinrichtungen, Schienenheber und Kippvorrichtungen zum Drehen der Schienen bevor sie eingespannt in Zentrier- und Klemmvorrichtungen in stehender oder hängender Position dem
Abkühlprozess unterzogen werden.
Aus AT 504 706 A1 ist beispielsweise bekannt, dass der Temperaturverlust der
Schienen zwischen Austritt aus dem Walzspalt und Einlauf in die Abkühleinrichtung aufgrund der Transport- und Handhabevorgänge und des damit einhergehenden
Zeitverlaufs so groß ist, dass das verbliebene Temperaturniveau als Starttemperatur für eine beschleunigte Abkühlbehandlung nicht geeignet ist. In dem beschriebenen
Verfahren wird deshalb zur Vermeidung einer zu kalten Einlauftemperatur oder zum Zwecke eines notwendigen Temperaturausgleichs über die Schienenlänge eine induktive Erwärmung der Schiene vor dem Einlauf in die Kühleinrichtung vorgenommen. Die Effekte einer thermomechanischen Behandlung können nur dann optimal ausgeschöpft werden, wenn die Umform-Temperatur-Zeit-Regime der technologischen Kette Umformung und Abkühlung genauestens aufeinander abgestimmt werden.
Gemäß Stand der Technik sind die bekannten Verfahren zur Abkühlung von Schienen aus der Walzhitze aufgrund des hohen anlagentechnischen sowie logistischen
Aufwands und der damit einhergehenden notwendigen Handling-Zeiten an der Nahtstelle zwischen Umformung und beschleunigter Abkühlung nicht geeignet, um die Kombinationsmöglichkeiten aus plastischer Verformung und thermischer Behandlung zur gezielten Einstellung gewünschter Gefügestrukturen und Eigenschaftsmerkmale im Rahmen der TMB unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten umfassend zu nutzen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der thermomechanischen Behandlung von Profilen bereitzustellen, bei dem die Vorzüge der TMB durch einen gezielten spezifischen Verfahrensablauf umfassend umgesetzt werden können.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch eine Vererbung der Korngrößen aus der Walzhitze und Einstellung eines Temperaturgradienten zwischen Profiloberfläche und Kernbereich der massereichen Profilabschnitte zeitnah beim Eintritt in das Perlitum- wandlungsgebiet ein graduiertes feinperlitisches Gefüge im massereichen Profilabschnitt entsteht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den Unteransprüchen erläutert.
Mit der Erfindung werden die vorgenannten Schwierigkeiten umgangen, indem die warmgewalzten Profile unmittelbar nach dem Austritt aus dem letzten Walzgerüst zeitnah einem gezielten Abkühlvorgang unterzogen werden und dabei der umgeformte Austenit unter Beibehaltung seiner aus der plastischen Umformung herrührenden vorteilhaften Gefügestruktur mit geringer Korngröße zu einem feinperlitischen Gefüge umwandelt. Hierzu wird ein Profilstahl auf Umformtemperatur erwärmt und in einem kontinuierlich arbeitenden Profilwalzwerk durch mehrere Stiche zu einem Profil, beispielsweise einer Eisenbahnschiene umgeformt. Unmittelbar nach Auslauf des vorderen Profilabschnitts aus dem Walzspalt wird das Profil synchron zum weiteren Walzvorgang über Führungsrollen in eine dem Walzgerüst nachgeordnete Kühleinrichtung eingefahren, um die Einstellung eines Temperaturgradienten zwischen Profiloberfläche und Kernbereich der massereichen Profilabschnitte zeitnah beim Eintritt in das Perlitumwandlungsgebiet vorzunehmen, sodass ein graduiertes feinperlitisches Gefüge im massereichen
Profilabschnitt entsteht.
Durch die unmittelbar nach dem letzten Umformschritt einsetzende beschleunigte Abkühlung des Profils wird das Wachstum der bei der Rekristallisation entstehenden feinen Austenitkörner behindert. Aufgrund der kurzen Zeitspanne zwischen Austritt des Profils aus dem Walzspalt und Einlauf in die Kühleinrichtung bleibt die im Rahmen der plastischen Umformung eingestellte vorteilhafte Austenit-Gefügestruktur bis zum zeitnah einsetzenden Abkühlvorgang aufrechterhalten. Dadurch werden bei der im weiteren Abkühlverlauf einsetzenden Umwandlung des Austenits zu Perlit die vorteilhaften Gefügemerkmale des Austenits auf den sich bildenden Perlit vererbt und die Ausbildung eines feinkörnigen Endgefüges wird begünstigt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperaturführung auf Grundlage hinterlegter Werkstoffdaten und online erfasster Walz- und Kühlprozessda- ten zur Bestimmung der erforderlichen Kühldauer und Kühlintensität und Regelung der Abkühlprozesse erfolgt. Hierbei wird durch die Einstellung eines bestimmten Temperaturgradienten zwischen der Profiloberfläche und dem Kernbereich der massereichen Profilabschnitte in Abhängigkeit der online erfassten Walz- und Kühlprozessdaten sichergestellt, dass die Korngröße möglichst unverändert auf den Umwandlungsprozess vererbt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der gesamte Abkühlpro- zess auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und ein Gefügemodell, die wesentliche Bestandteile eines Steuerungssystems sind, geregelt wird. Durch die Berücksichtigung der Echtzeit- Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang in Kombination mit einem Temperatur- und Gefügemodell können die erforderlichen Parameter für den eigentlichen Abkühlpro- zess ermittelt und die Kühlmenge berechnet werden, um eine gezielte Beeinflussung des Kornwachstums bis zum Eintritt in das Perlitumwandlungsgebiet vorzunehmen und darüber hinaus den erforderlichen Temperaturgradienten zwischen Profiloberfläche und Kernbereich einzustellen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlparameter in den einzelnen Kühlphasen so eingestellt werden, dass die Oberfläche anfänglich kontinuierlich abkühlt und die Bedingungen für eine Bainitumwandlung umgangen werden und anschließend die Temperaturkurve des Oberflächenbereiches isotherm in das
Perlitumwandlungsgebiet geführt wird.
Durch unterschiedliche Kühldauer und unterschiedliche Kühlintensität in den einzelnen Kühlphasen kann der Temperaturverlauf, beispielsweise im Schienenkopf einer
Eisenbahnschiene so gesteuert werden, dass zwischen Kopfoberflächen- und
Kerntemperatur ein gezielter Temperaturgradient eingestellt wird und dadurch die Umwandlung von Austenit zu Perlit im Oberflächen- und Kernbereich des Schienenkopfes bei unterschiedlichen Starttemperaturen und Startzeiten erfolgt. Auf diese Weise wird beim gesteuerten Abkühlvorgang ein zwischen Oberflächen- und Kernbereich graduiertes feinperlitisches Gefüge eingestellt.
Die Durchlaufgeschwindigkeit des Profils durch die Kühlvorrichtung entspricht hierbei der Endwalzgeschwindigkeit, wobei die Zeitspanne zwischen Auslauf aus dem letzten Fertiggerüst und Einlauf in die Kühlvorrichtung so gering wie möglich gehalten wird, vorzugsweise unter 100 Sekunden liegt.
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens können Profile, insbesondere Profile mit im Querschnitt unterschiedlichen Massenverteilungen nach erfolgter mechanischer Behandlung einer nachfolgenden Thermobehandlung unterzogen werden. Dieses Verfahren eignet sich hierbei besonders für Schienenprofile, die sich durch einen großen Schienenkopf auszeichnen. Soweit Schienenprofile nach diesem Verfahren behandelt werden, ist zur Eindämmung des Schienenverzugs vorgesehen, dass die einzelnen Profilteile der Schiene (Kopf, Steg, Fuß) während des gesamten Abkühlvorgangs in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Temperaturgradienten zwischen diesen Profilteilen differenziert gekühlt werden. Zur Optimierung der gefügespezifischen Zusammenhänge zwischen Umform- und Kühlbedingungen wird der gesamte
Abkühlprozess auf der Grundlage online erfasster Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein komplexes Steuerungssystem geregelt. Kernstück dieses Steuerungssystems ist die Kopplung eines Online-Temperaturmodells mit einem Online-Gefügemodell.
Hierbei ist vorgesehen, dass die Umform-Temperatur-Zeit-Regime der jeweiligen thermomechanischen die über ein Online-Temperaturmodel und ein Online- Gefügemodell sowie online erfasster Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang zeitnah und unmittelbar an die relevanten Daten des aktuellen Profilwerkstoffs angepasst werden. Zur Erzielung der gewünschten Gefügestruktur erfolgt eine simultane Verknüpfung der beiden thermomechanischen Behandlungen Walzen und Abkühlung, wobei die Walz- und Kühlprozessdaten für die Profile, beispielsweise einem Schienenprofil, an die unterschiedlichen Querschnittsabschnitte angepasst und die einzelnen Querschnittsabschnitte getrennt erfasst werden. Somit können die einzelnen Querschnittsbereiche eines Schienenprofils, und zwar Kopf-, Steg- und Fußbereich in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Temperaturgradienten zwischen diesen Querschnittsbereichen differenziert gekühlt werden, um einen Verzug zu vermeiden. Ferner kann speziell der Temperaturverlauf im Schienenkopf so gesteuert werden, dass zwischen Kopfoberflächen- und Kerntemperatur ein gezielter Temperaturgradient eingestellt werden kann. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass der Abkühlprozess so gesteuert wird, dass der Oberflächenbereich und der Kernbereich des
Schienenkopfes unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten unterliegt, und dass die Kühlintensität in den einzelnen Kühlphasen über die gesamte Kühldauer zur Realisierung eines gezielten Verlaufs der Abkühlkurven des Oberflächen- und Kernbereiches des Schienenkopfes differenziert eingestellt wird. Unter Berücksichtigung eines retrograd dimensionierten Schienenkopfes wird der Kühlprozess hierbei so gesteuert, dass zunächst eine Beaufschlagung der Schienenoberfläche mit einem Kühlmittel größter Kühlintensität erfolgt, um einen möglichst hohen Temperaturgradient zwischen Kopfoberfläche und Kernbereich einzustellen. Danach erfolgt der differenzierte
Abkühlprozess bis zum Erreichen des Perlitumwandlungsgebietes.
Aufgrund der hohen Belastungen des Schienenprofils im späteren Einsatz ist es notwendig, bei der thermomechanischen Behandlung sicherzustellen, dass sich ein besonderes stabiles Gefüge im Schienenkopf ausbildet. Hierbei ist es wesentlich, das Gefüge des aus der Walzhitze austretenden Stahls während der Abkühlphase zu kennen oder zu bestimmen. Zu diesem Zweck stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. So ist beispielsweise eine Bestimmung der Temperatur während des Abkühlvorgangs dazu geeignet, Rückschlüsse auf die Gitterstruktur zu ziehen. Hierzu ist es weiterhin notwendig, eine Simulation des Abkühlverhaltens in Verbindung mit dem Ausbilden bestimmter Gitterstrukturen durchzuführen. Anhand von zumindest zwei Temperaturmesspunkten kann damit eine Vorhersage der sich ausbildenden Gitterstruktur vorgenommen werden. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Gitterstruktur ist besonders einfach, da lediglich die Temperatur des Stahls nach dem Austritt aus der Walzhitze und während des Abkühlvorgangs bestimmt werden muss. Die Temperatur kann dabei einfach mit bekannten Messgeräten bestimmt werden, wie beispielsweise einen Laserinterferenzthermometer.
Zur genaueren Bestimmung und Kontrolle des sich ausbildenden Gefüges sind direkte Verfahren vorzuziehen. Beispielsweise können Wirbelstromsensoren verwendet werden, um Veränderungen in der Gitterstruktur festzustellen. Zur Unterstützung der experimentellen Gestaltung ist ein Modell zur numerischen Berechnung von Feldverteilungen im Werkstoff notwendig. Hierdurch werden die Wirkungszusammenhänge in Abhängigkeit der äußeren Bedingungen systematisch erfasst. Zur Induktion geeigneter Wirbelstromverteilungen sind Feldberechnungen für unterschiedlich aufgebaute
Sensoren notwendig. Die numerischen Berechnungen werden durch Vorversuche bestätigt. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Berechnungen ist somit ein Sensorsystem realisierbar, welches es erlaubt, mithilfe der Wirbelstrommessungen die Gitterstruktur zu bestimmen. Hierbei ist es notwendig, Wirbelstromindikationen von Störsignalen durch Oberflächeneinflüsse zu unterscheiden. Lokale ferromagnetische Werkstoffeigenschaften können Störsignale erzeugen, diese werden identifiziert und können durch die Anwendung einer Oberwellenanalyse während der Wirbelstrommessung berücksichtigt werden.
Grundlage der Wirbelstromprüfung ist die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften eines Systems aus Spule und Werkstoff in Abhängigkeit induzierter magnetischer Wechselfelder. Dabei wird eine Spule mit einem sich zeitlich ändernden elektrischen Strom verwendet, wobei sich ein Primärfeld innerhalb der Spule ausbildet. Entsprechend dem Induktionsgesetz bildet sich eine Wirbelstromverteilung im elektrisch leitfähigen Werkstoff aus. Dieses Wirbelstromfeld im Werkstoff ist dabei von einem sekundären magnetischen Feld begleitet, welches dem erregenden Primärfeld entgegengesetzt wirkt. Aus der Überlagerung der primären und sekundären Felder ergibt sich ein resultierender magnetischer Fluss durch die Spulenwicklungen. Bei einer Messung wird der induktive Widerstand und der Spulenwiderstand in der Impedanzebene bestimmt. Wesentliche Einflussgrößen sind dabei die elektrische Leitfähigkeit und die magnetische Permeabilität. Diese verändert sich mit der Gitterstruktur des Werkstoffes. Damit kann unter Zuhilfenahme der numerischen Berechnungen aus der Induktivitätsänderung auf die Gitterstruktur des Werkstoffes zurückgeschlossen werden. Dieses Verfahren erlaubt damit eine genaue Bestimmung der Gefügestruktur während des Austritts an dem Walzspalt und während der Abkühlphase des Schienenprofils.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Gitterstruktur des Schienenprofils stellt die Röntgenstrukturanalyse dar. Dabei wird eine Röntgenstrahlquelle auf einer Seite des Schienenprofils und auf der gegenüberliegenden Seite ein entsprechendes bildgebendes System angeordnet . Das bildgebende System kann dabei beispielsweise ein Halbleiterdetektor sein. Zur Analyse der Gitterstruktur wird die von der Röntgenstrahlquelle ausgehende Röntgenstrahlung im Werkstoff gestreut und die gestreute
Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von einem Streuwinkel durch den Detektor sowie deren Intensität gemessen. Entsprechend dem Bragg'schen Streugesetz ergibt sich aus dem Streuwinkel die Gitterstruktur, insbesondere der Gitterabstand. Das von dem Detektor aufgenommene Signal wird mithilfe einer Rechnereinheit zu einem Beu- gungsmuster weiterverarbeitet. Daraus kann anschließend die Gitterstruktur berechnet werden. Diese ergibt sich aus der Geometrie einer Elementarzelle der Gitterstruktur. Die Elementarzelle kann dabei vollständig anhand der Winkel abgeleitet werden, unter denen Beugungsmaxima auftreten. Aus der Stärke der Beugungsmaxima kann mittels verschiedener mathematischer Methoden die Anordnung der Atome innerhalb der Elementarzelle berechnet werden. Damit erhält man die vollständigen Informationen über die Gitterstruktur des Schienenprofils durch Röntgenstrukturanalyse. Durch dieses Verfahren kann somit festgestellt werden, welche Gitterstruktur sich nach der Walzhitze in den Schienenprofilen ausbildet und durch mehrmaliges Wiederholen während des Abkühlprozesses kann sichergestellt werden, dass die gewünschte Gitterstruktur eingestellt wird.
Die Röntgenstrukturanalyse ist technisch aufwändiger als die zuvor genannten
Verfahren, jedoch kann hierbei auf eine zuvor durchgeführte Modellrechnung verzichtet werden. Damit erlaubt die Röntgenstrukturanalyse einen direkten Zugang zur
Gitterstruktur des Werkstoffes, wodurch diese eindeutig bestimmt wird. Somit liegt ein sicheres Verfahren zur Überwachung der Gitterstruktur während des Abkühlprozesses vor.
Durch die vorgenannten Verfahren zur Gitterstrukturanalyse wird eine konstant hohe Qualität der hergestellten Schienenprofile sichergestellt, um den späteren hohen Belastungen standzuhalten.
Das Wirbelstromverfahren eignet sich im Weiteren dazu das Abkühlverhalten des Schienenprofils auf dem Kühlbett zu überwachen. Hierbei kann nach der Intensivkühlung an der ruhenden Schiene der Perlitisierungsgrad des Kopfgefüges ermittelt werden. Die erzielten Ergebnisse können dazu verwendet werden, um als Korrekturwert für die Kühlparametereinstellung der nachfolgenden Schienenprofile verwendet zu werden. Die Erfindung weist im Vergleich zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur thermischen Behandlung von Profilen, beispielsweise Eisenbahnschienen, aus der Walzhitze heraus beträchtliche Vorteile auf.
Der markanteste Vorteil besteht darin, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren alle Umform-Temperatur-Zeit-Regime der jeweiligen thermomechanischen Behandlung über ein Online-Temperaturmodell und ein Online-Gefügemodell zeitnah und unmittelbar an die relevanten Daten des aktuellen Profil Werkstoffs angepasst werden. Dadurch können die vorteilhaften Möglichkeiten der TMB zur gezielten Einstellung bestimmter Eigenschaftsmerkmale durch Kombination von Gefügeeffekten aus plastischer Umformung und thermischer Behandlung umfassend ausgeschöpft werden. Da der gesamte
Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch das Temperatur- und Gefügemodell geregelt wird, kann beispielsweise auf unvorhersehbare Schwankungen im Walzprozess, zum Beispiel veränderte Walztemperatur, aktuell reagiert werden.
Durch die sehr geringe Zeitdifferenz zwischen Austritt des Profils aus dem Walzspalt und Beginn der gesteuerten Abkühlung wird das zeit-und temperaturabhängige
Austenit-Kornwachstum unterdrückt und die im Umformprozess eingestellten optimalen Austenitstrukturen bleiben als Startbedingungen für die Umwandlung des Austenit zu Perlit erhalten. Die unmittelbare Aufeinanderfolge von Walz- und Abkühlvorgang bietet zudem die optionale Möglichkeit, mit abgesenkten Endwalztemperaturen zu arbeiten.
Besonders deutlich werden die erfindungsgemäßen Vorteile im Vergleich mit bekannten Verfahren zur Herstellung von Profilen, beispielsweise Schienen mit heute üblicher großer Länge von bis zu 120 Meter. So kann beispielsweise eine 120 Meter lange Schiene in Abhängigkeit von der Walzgeschwindigkeit und der Endwalztemperatur nach ihrem vollständigen Austritt aus dem Walzspalt an der Kopfoberfläche einen Temperaturkeil zwischen 50 °C und 100 °C über ihre Länge aufweisen. An der Steg- beziehungsweise Fußoberfläche kann dieser Temperaturgradient über die Schienenlänge sogar noch größer sein. Laufen diese Schienen mit ihrem axial ausgeprägten Temperaturkeil in die Kühlvorrichtung ein, liegen natürlich sehr ungleiche Ausgangsbedingungen für die folgenden Umwandlungsvorgänge vor.
In der Regel schließen sich bei den bekannten Verfahren nach Ablage der warmgewalzten Schiene auf dem Rollgang weitere Transport- und Handhabevorgänge an, so dass mit der gezielten thermischen Behandlung der Schiene etwa erst 150 s nach deren Austritt aus dem Walzspalt oder später begonnen werden kann. Da die natürliche Abkühlung der Schiene aber bereits unmittelbar nach Verlassen des letzten Walzspalts beginnt, wird der Handlungsspielraum einer erst 150 s später einsetzenden gezielten Einflussnahme auf den Verlauf des Abkühlvorgangs in Abhängigkeit vom zeit- und temperaturspezifischen Umwandlungsverhalten des aktuellen Schienenwerkstoffs erheblich eingeschränkt.
Zur Eindämmung der oben genannten Nachteile und zur Eliminierung des Temperaturkeils über die Schienenlänge wird deshalb in einigen bekannten Schienen- Herstellungsverfahren eine erneute austenitisierende Erwärmung unmittelbar vor dem Abkühlprozess vorgeschlagen. Neben den positiven Effekten dieser zusätzlichen Erwärmung ist jedoch zu berücksichtigen, dass dabei die durch plastische Deformation im Austenit eingestellten vorteilhaften Gefügemerkmale teilweise verloren gehen und somit nicht oder nur bedingt auf den Umwandlungsvorgang Austenit/Perlit übertragen werden können. Zudem belastet die zumeist mittels Induktionsanlagen vorgenommene Erwärmung die energetische Bilanz dieser Verfahren und verschlechtert dadurch ihre Wirtschaftlichkeit erheblich.
Die insbesondere bei der Herstellung von Schienen großer Länge zu beobachtenden technologischen und energetischen Schwachstellen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise umgangen.
Durch die simultane Verknüpfung der beiden thermomechanischen Behandlungskomponenten Walzen und Abkühlung ergibt sich ein weiterer Vorteil. Bei der erfindungsgemäßen Technologie durchläuft die Schiene mit Endwalzgeschwindigkeit die Kühlvorrichtung, sodass der Kühlzyklus dem Walzzyklus entspricht und damit die Durchsatzleis- tung der Schienen-Fertigungskette gegenüber anderen Verfahren bedeutend erhöht wird.
Bei den bekannten Verfahren muss zur eigentlichen Abkühlzeit noch ein beträchtliches Zeitfenster für Transport- und Handhabungsvorgänge hinzuaddiert werden. Der Umfang des technologisch notwendigen Gesamt-Zeitrahmens übersteigt in der Regel die
Taktfolgen des jeweiligen Schienenwalzwerkes, sodass der Kühlprozess mit seinen vorgelagerten Logistikschritten zum Nadelöhr bei der Schienenherstellung wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zur praktischen Umsetzung der TMB durch einen relativ geringen, verfahrenstechnisch notwendigen Anlagenaufwand und
Platzbedarf aus. In den bekannten Verfahren wird die warmgewalzte Schiene
üblicherweise nach Austritt aus dem Walzspalt auf einem Rollgang, Querschlepper oder anderen Aufnahmemittel abgelegt. Darüber hinaus werden je nach Verfahrensart ferner Ausricht-, Kipp- und Hebevorrichtungen sowie Klemm- und Halteeinrichtungen benötigt, um die Schiene in die vorgesehene Abkühlposition zu bringen.
Im vorliegenden Verfahren wird die Schiene nach Austritt aus dem Walzspalt in ihrer seitlichen Lage von einem Führungsrollensystem aufgenommen und von diesem durch die Kühleinrichtung mit Walzgeschwindigkeit hindurchgeführt. Der thermische
Behandlungsprozess erfordert lediglich eine Kühlvorrichtung und ein nachgelagertes Kühlbett zur Aufnahme der wärmebehandelten Schiene.
Zur Anwendung und Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und ein Gefügemodell regelbar ist.
Weitere besondere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Die bereits herausgestellte Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und ein Gefügemodell geregelt wird. Aus diesem Grunde ist die Vorrichtung mit einem Steuerungssystem und einem Prozessrechner ausgestattet, der die aus dem Walz- und Kühlvorgang ermittelten Prozessdaten in Echtzeit verarbeitet. Hierbei wird ein Temperatur- sowie ein Gefügemodell zugrunde gelegt, welches die Bestimmung des jeweils aktuellen Gefüges ermöglicht. Mithilfe des Gefügemodells und des Temperaturmodells kann somit der Kühlvorgang in der Form gesteuert werden, dass das vorhandene Gefüge unter Beibehaltung seiner aus der plastischen Umformung herrührenden vorteilhaften
Gefügestruktur zu einem feinperlitischen Gefüge umgewandelt werden kann. Nach dem letzten Umformschritt wird durch eine beschleunigte Abkühlung des Profils das
Wachstum der bei der Rekristallisation entstehenden feinen Austenit-Körner behindert, wodurch aufgrund der kurzen Zeitspanne zwischen Austritt des Profils aus dem
Walzspalt und Einlauf in die Kühleinrichtung die im Rahmen der plastischen Verformung eingestellte vorteilhafte Austenit-Gefügestruktur bis zum zeitnah einsetzenden
Abkühlvorganges aufrecht erhalten. Danach werden bei der im weiteren Abkühlverlauf einsetzenden Umwandlung des Austenits zu Perlit die vorteilhaften Gefügemerkmale des Austenits auf den sich bildenden Perlit vererbt und die Ausbildung eines feinkörnigen Endgefüges erreicht.
Zu diesem Zweck ist in weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung vorgesehen, dass für den thermischen Behandlungsprozess eine Kühlvorrichtung und ein nachgelagertes Kühlbett zur Aufnahme des wärmebehandelten Profils verwendet wird. Nach Austritt des Profils aus dem Walzspalt wird zunächst sichergestellt, dass die Oberfläche kontinuierlich abkühlt und die Bedingungen für eine Banitumwandlung umgangen werden, wobei anschließend die Temperaturkurve des Oberflächenbereiches isotherm in das Perlitumwandlungsgebiet geführt wird. Auf dem nachgelagerten Kühlbett erfolgt eine kontinuierliche Abkühlung des wärmebehandelten Profils bis zur Endtemperatur.
Um die Profilschiene einer optimalen Wärmebehandlung zu unterziehen, insbesondere für den Fall, dass beispielsweise ein Schienenprofil gewalzt wird, welches Querschnittsbereiche mit unterschiedlichen Massenverteilungen aufweist, ist im Weiteren vorgesehen, dass die Profilschiene nach dem Austritt aus dem Walzspalt in kaliberbedingten Seitenlage von einem Führungsrollensystem aufgenommen und mittels dieser Einrichtung durch eine nachgeschaltete Intensivkühlstrecke hindurchgeführt wird. Die Durchlaufgeschwindigkeit des Profils durch die Kühlstrecke entspricht hierbei der Endwalzgeschwindigkeit. Das Führungsrollensystem ermöglicht hierbei eine sichere Lagerung der Profilschiene, ohne dass eine Beeinträchtigung der Walzgeschwindigkeit eintritt.
Nach der erforderlichen Intensivkühlung wird das Profil von dem Kühlbett aufgenommen, auf dem die weitere Abkühlung an ruhender Luft bis auf die Umgebungstemperatur erfolgt. Durch die Größe und Anordnung des Kühlbettes ist hierbei gleichzeitig sichergestellt, dass mehrere Profile, insbesondere Schienenprofile, nebeneinander in dem Kühlbett aufgenommen werden können, sodass die laufende Produktion mit einem synchronen Walz- und Kühlvorgang nicht unterbrochen zu werden braucht.
Zur Erreichung der erforderlichen Temperaturgradienten ist die als Sprüh- Durchlaufkühlung ausgelegte Intensivkühlstrecke mit einer definierten Anzahl von aufeinanderfolgenden und einzeln ansteuerbaren Kühlsegmenten ausgestattet. Mithilfe der steuerbaren Kühlsegmente kann eine gezielte Abkühlung der einzelnen Bereiche des Profils, insbesondere des Schienenprofils, vorgenommen werden, wobei zwischen den Kühlsegmenten Führungsvorrichtungen zur Führung des Schienenprofils angeordnet sind. Durch die Führungsvorrichtungen wird einerseits ein kontrollierter Weitertransport des Schienenprofils ermöglicht und gleichzeitig der Abkühlprozess mithilfe der Intensivkühlstrecke in Gang gesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine komplexe Steuerungsvorrichtung zur Regelung des Abkühlprozesses werden anhand von Zeichnungen nachfolgend näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 den Verlauf der Abkühlkurve
Fig. 2 ein Steuerungssystem zur Regelung des Abkühlvorgangs. Figur 1 zeigt den Verlauf der Abkühlkurven des Oberflächen- und Kernbereiches des Schienenkopfes während der Intensivkühlung und während der nachfolgenden
Abkühlung auf dem Kühlbett an ruhender Luft. Die Abkühlkurven sind zum besseren Verständnis der Umwandlungsabläufe in das kontinuierliche und isotherme ZTU- Schaubild des erfindungsgemäß verwendeten mikrolegierten Schienenstahls mit 0,4 % Chrom projiziert.
Das aus einem mikrolegierten Schienenstahl mit 0,4 % Cr bestehende Vormaterial wird auf Walztemperatur erwärmt und in einem kontinuierlich arbeitenden Schienenwalzwerk in mehreren Stichen zu Schienen ausgewalzt. Die warmgewalzte Schiene wird unmittelbar nach Austritt aus dem letzten Walzgerüst in kaliberbedingter Seitenlage von einem Führungsrollensystem erfasst und mittels dieser Einrichtung durch eine nachgeschaltete Intensivkühlstrecke hindurchgeführt. Die Durchlaufgeschwindigkeit der Schiene durch die Kühlstrecke entspricht der Endwalzgeschwindigkeit. Nach Verlassen der Intensivkühlstrecke wird die Schiene von einem Kühlbett aufgenommen, auf dem die weitere Abkühlung an ruhender Luft bis auf Umgebungstemperatur erfolgt.
Die Intensivkühlstrecke kann wenige Meter nach dem letzten Gerüst der Kontistraße angeordnet werden. Das konkrete Anlagen-Layout hängt von den Platzverhältnissen des jeweiligen Schienenwalzwerkes ab.
Die für Sprüh-Durchlaufkühlung ausgelegte Intensivkühlstrecke besteht aus einer definierten Anzahl aufeinander folgender, einzeln ansteuerbarer Kühlsegmente.
Zwischen den Kühlsegmenten sind Führungsvorrichtungen zur Führung der Schiene angeordnet.
Ihre Gesamtlänge hängt vom gewählten Kühlregime und von der Endwalzgeschwindigkeit ab. So muss beispielsweise die Länge der Kühlstrecke bei einer Durchlaufgeschwindigkeit der Schiene von 2 m/s und bei Gewährleistung einer gewählten
Prozesslaufzeit der Intensivkühlung von 60 s (jeder in Längsrichtung gesehene
Oberflächenpunkt der Schiene ist für 60 s dem Intensivkühlvorgang ausgesetzt) 120 Meter betragen. Mit der Intensivkühlung der warmgewalzten Schiene ist eine gezielte Einstellung einer differenzierten Gefügezusammensetzung über den Schienenquerschnitt und eine nahezu verzugsfreie Abkühlung der gesamten Schiene bis auf Raumtemperatur möglich, sodass die Aufgabenstellung zufriedenstellend gelöst wird.
Da der Schienenkörper über den Querschnitt sehr unterschiedliche spezifische
Volumen- und damit auch unterschiedliche Wärmemengenanteile aufweist, muss diese Spezifik der einzelnen Querschnittsbereiche bei der Intensivkühlung berücksichtigt werden. Die ein völlig unterschiedliches Abkühlverhalten aufweisenden Querschnittsbereiche Kopf, Steg und Fuß müssen deshalb sehr differenziert gekühlt werden, um den Temperaturgradienten zwischen ihnen möglichst gering zu halten.
Geregelt wird der gesamte Abkühlprozess durch ein später noch näher erläutertes komplexes Steuerungssystem, das auf der Grundlage online erfasster Echtzeit- Prozessdaten arbeitet und die Realisierung differenzierter Abkühlvorgänge ermöglicht. Das komplexe System berechnet zeitnah in jeder Phase des Abkühlvorgangs für die einzelnen Profilteile den zur Durchsetzung einer bestimmten technologischen
Zielstellung notwendigen Wärmeentzug und veranlasst die Beaufschlagung des jeweiligen Profilteils mit Kühlmedium in der dafür erforderlichen Intensität.
Der Abkühlprozess wird so gesteuert, dass Oberflächenbereich und Kernbereich des Schienenkopfes unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten unterliegen. Daraus resultieren aber auch unterschiedliche Umwandlungsabläufe in diesen beiden
Bereichen. Entsprechend dem Verlauf der Abkühlkurven 1 und 2 wird davon ausgegangen, dass der Kernbereich im Wesentlichen kontinuierlich abgekühlt wird. Der
Oberflächenbereich wird zunächst kontinuierlich abgekühlt und daran schließt sich ein Zeitfenster des isothermen Haltens an, in dem bereits die Perlitumwandlung einsetzt. Um das Umwandlungsverhalten bei diesen beiden unterschiedlichen Abkühlregimen im Kern- und Kopfbereich folgerichtig abzubilden, wird in Figur 1 sowohl das kontinuierliche als auch das isotherme ZTU-Schaubild des verwendeten Schienenstahls hinterlegt. Der markanteste Unterschied zwischen den beiden Schaubildern besteht beispielswei- se darin, dass isotherme Zustände den Beginn der Perlitumwandlung 4 deutlich zu kürzeren Abkühlzeiten verschieben.
Das Temperaturniveau der warmgewalzten Schiene entspricht beim Einlauf in die Intensivkühlstrecke etwa der Endwalztemperatur von 950 °C. Unmittelbar nach Eintritt in die Kühlstrecke weist die Kopfoberfläche der Schiene unter dem Einfluss sehr hoher Kühlintensität nur noch eine Temperatur leicht unterhalb von 700 °C auf. Die Kühlung mit hoher Intensität wird fortgesetzt, bis die Oberflächentemperatur auf einen Wert leicht oberhalb 500 °C abgesenkt worden ist. Bis zu diesem Zeitpunkt weist die Abkühlkurve der Kopfoberfläche einen kontinuierlichen Verlauf auf. Die Temperatur des Oberflächenbereiches wird ab diesem Zeitpunkt bis zum Austritt der Schiene aus der
Intensivkühlstrecke in einem Temperaturkorridor isotherm gehalten, der unbedingt oberhalb der Bainitstarttemperatur geführt werden muss. Etwa 15 s nach Beginn der Intensivkühlung erreicht die Abkühlkurve der Kopfoberfläche 1 bei ca. 530 °C den kritischen Punkt des Beginns der Perlitbildung bei isothermer Umwandlung 4 und im Oberflächenbereich des Schienenkopfes setzt die Umwandlung von Austenit zu Perlit ein. Dieser Umwandlungsprozess läuft bis zur vollständigen Perlitbildung im Wesentlichen im vorstehend genannten Temperaturkorridor ab.
Unmittelbar nach Eintritt in die Intensivkühlstrecke weist der Kernbereich des Schienenkopfes noch Endwalztemperatur in Höhe von 950 °C auf. Durch die intensive Abkühlung der Kopfoberfläche wird dem Kernbereich jedoch im weiteren Kühlprozess kontinuierlich Wärme entzogen. Die aus dem Kern Richtung Oberflächenbereich abfließende Wärme würde dort normalerweise zu einem Temperaturanstieg führen. Da der Oberflächenbereich aber weiterhin dem Einfluss des Kühlmediums unterliegt, wird die kontinuierlich aus dem Kern nachfließende Wärme über das Kühlmedium abgeführt. Die Kühlintensität wird so eingestellt, dass die Abkühlkurve des Oberflächenbereiches in dem oben genannten Temperaturkorridor isotherm gehalten wird. Die Abkühlkurve des Kernbereiches 2 entspricht weitestgehend einer kontinuierlichen Abkühlung.
Der Kühlprozess wird so gesteuert, dass zunächst durch Beaufschlagung der
Schienenoberfläche mit einem Kühlmedium größter Kühlintensität ein möglichst hoher Temperaturgradient zwischen Kopfoberfläche und Kernbereich eingestellt wird. Dabei darf zu keinem Zeitpunkt die Martensitstarttemperatur 6 unterschritten werden. Zudem muss die Oberflächentemperatur zum kritischen Zeitpunkt des Starts einer möglichen Bainitumwandlung oberhalb dieser Bainitstarttemperatur liegen. Im weiteren Verlauf der Intensivkühlung wird dem Schienenkopf eine beträchtliche Wärmemenge entzogen, so dass auf diese Weise permanent ein Temperaturausgleich zwischen dessen Oberflächen- und Kernbereich erfolgt.
In der Intensivkühlphase wird ferner parallel zur gezielten Behandlung des Schienenkopfes auch die Temperaturführung im Steg und Fuß der Schiene gesteuert. In
Abhängigkeit vom Temperaturgradienten zwischen Schienenkopf und den übrigen Profilteilen werden Steg und Fuß zur Verhinderung von Verzugserscheinungen differenziert gekühlt.
Nachdem die Schiene die Intensivkühlstrecke verlassen hat, setzt sich der Wärmeausgleich zwischen Oberflächen- und Kernbereich des Schienenkopfes auf dem Kühlbett fort. Die Temperatur des Kernbereiches nimmt weiterhin ab und die Temperatur der nicht mehr gekühlten Oberfläche steigt aufgrund der abfließenden Wärme aus dem Kern wieder an.
Die während der Intensivkühlung begonnene Gefügeumwandlung wird auf dem
Kühlbett fortgesetzt. Die Abkühlkurve des Oberflächenbereiches bewegt sich weiterhin in der für isotherme Umwandlung geltenden Perlitbildungszone. Mit Erreichen des Kurvenverlaufs 5, der den Abschluss der Perlitumwandlung abbildet, ist im Oberflächenbereich des Schienenkopfes der Austenit vollständig zu Perlit umgewandelt. Fast zeitgleich tritt die Abkühlungskurve des Kernbereiches in das für kontinuierliche
Abkühlung geltende Perlitumwandlungsgebiet ein und damit entsteht auch im
Kernbereich des Schienenkopfes ein perlitisches Gefüge. Die Perlitbildung in der Kernzone erfolgt etwa in einem Umwandlungs-Temperaturbereich zwischen 590 °C und 550 °C. Da die Perlitbildung durch Diffusionsvorgänge beeinflusst wird, ist die Qualität des entstandenen Perlitgefüges von den jeweiligen Umwandlungstemperaturen abhängig. So bewirken sinkende Umwandlungstemperaturen abnehmende Diffusionswege, und sie führen somit in Verbindung mit vermehrter Keimbildung letztendlich zu einem Perlit mit kleineren Lamellenabständen.
Im erfindungsgemäßen Abkühlprozess findet die Umwandlung von Austenit zu Perlit im Oberflächen- beziehungsweise Kernbereich des Schienenkopfes bei unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen statt. Der Umwandlungsvorgang im Oberflächenbereich erfolgt insgesamt in einem niedrigeren Temperaturband als die Umwandlung im
Kernbereich. Durch die unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen wird zwischen diesen beiden Bereichen ein graduiertes feinperlitisches Gefüge eingestellt. Aufgrund der vorteilhafteren Umwandlungsbedingungen weist der Oberflächenbereich des Schienenkopfes vorwiegend feinst lamellaren Perlit auf, der in Richtung Kernbereich in ein Gefüge mit größerem Lamellenabstand übergeht.
Die äußerst komplexe Aufgabe, den gesamten Kühlprozess so zu steuern, dass die Schiene die Intensivkühlstrecke mit den in Kopf, Steg und Fuß eingestellten gewünschten Eigenschaftsmerkmalen möglichst verzugsfrei verlässt, wird durch das in Figur 2 schematisch dargestellte Steuerungssystem gelöst. Die wesentlichen Bestandteile des erfindungsgemäßen Steuerungssystems sind ein Online-Temperaturmodell und ein Online-Gefügemodell.
Das FEM-basierte Online-Temperaturmodell berechnet die Schienentemperaturen für eine definierte Anzahl von Punkten über den Querschnitt sowie für eine festgelegte Anzahl an Querschnitten über die Schienenlänge während des gesamten Abkühlvorgangs.
Aufgrund der Verteilung der Berechnungspunkte über Querschnitt und Länge der Schiene können sowohl die Temperaturverläufe in den Profilteilen Kopf, Steg und Fuß separat betrachtet als auch auftretende Längentemperaturgradienten verfolgt werden. Das Online-Gefügemodell berechnet die Gefügeentwicklungen in den einzelnen
Querschnittsbereichen der Schiene für alle Abkühlphasen. Dabei werden insbesondere Gefügemengenverläufe für festgelegte kritische Punkte im Schienenkopfbereich bestimmt sowie Umwandlungswärme und Korngrößen berechnet.
Temperatur- und Gefügemodell arbeiten im ständigen Daten-Informationsaustausch. So erhält das Temperaturmodell kontinuierlich Informationen über die Gefügeentwicklung im Kopfbereich der Schiene. Dabei werden vom Online-Gefügemodell kritische Umwandlungsdaten, beispielsweise Startzeit und Starttemperatur einer nicht gewünschten Perlit/Bainit Umwandlung, übermittelt und Informationen zur Umwandlungswärme geliefert.
Die Arbeitsweise und das Leistungsvermögen des kompletten Modellsystems
resultieren aus den drei funktionellen Ebenen des Systems.
Die erste Ebene wird durch eine Werkstoff-Parameterdatenbank verkörpert. Sie versorgt das Modellsystem mit den notwendigen Kennwerten für wärmephysikalische und werkstofftechnische Berechnungen. Zudem werden in dieser Datenbank die
Parameter sämtlicher relevanter Schienenwerkstoffe hinterlegt. Diese Werkstoffparame- ter können in die drei nachfolgend genannten Gruppen unterteilt werden:
- Wärmephysikalische Kennwerte zur Temperatursimulation als Funktion der Temperatur (z.B. spezifische Wärme oder Dichte; Wärmeübergangszahlen als Funktion der Temperatur und des Kühlmediums).
- Kennwerte zur Berechnung von Ver- und Entfestigungszuständen und von
Korngrößen (dynamische und statische Rekristallisation, Kornwachstum).
- Neuronale Netze zur Berechnung des Umwandlungsverhaltens und der Eigenschaften (Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit, Härte). In der zweiten Funktionsebene, auch Technologieebene genannt, werden die
Zusammenhänge zwischen dem Walz- und Abkühlvorgang miteinander verknüpft. Hier werden die Walz- und Messdaten bereitgestellt und an das Temperaturmodell angekoppelt. Zudem stellt diese Funktionsebene alle Zeit-Temperatur-Umform- Beziehungen für die Gefügesimulation bereit. Ergebnisse aus der dritten Funktionsebene, der Gefügesimulation, werden hier aufbereitet und an den Prozessrechner für die Steuerung der einzelnen Kühlgruppen übergeben. Aus dieser Funktionsebene heraus erfolgt die Kommunikation mit dem Level II der Walzstraße und dem Level I der
Intensivkühlstrecke.
In der dritten Funktionsebene erfolgt die Gefügesimulation. In dieser Ebene wird das Umwandlungsverhalten während des gesamten Abkühlvorgangs simuliert. Darüber hinaus erfolgt hier die Berechnung der Umwandlungswärme und der Korngrößen. Aus dieser Ebene heraus werden Informationen über das Erreichen von Umwandlungszeitpunkten bzw. über -Starttemperaturen an das Temperaturmodell übergeben.
Beim Auslauf eines aktuell zu betrachtenden Schienenquerschnittes aus dem letzten Gerüst werden vom Walzprozess-Führungsrechner die jeweiligen Temperaturwerte für Kopf, Steg und Fuß der Schiene an die beiden Online-Modelle übergeben. Zusätzlich wird am Gerüstauslauf mittels Pyrometer eine Temperaturmessung an den drei
Querschnittspositionen vorgenommen. Nach Abgleich und Verifikation der Temperaturdaten werden diese Werte als Starttemperaturen für Kopf, Steg und Fuß des jeweils aktuellen Schienenquerschnitts dem Temperaturmodell übergeben. Das Temperaturmodell besetzt mit diesen Startwerten eine interne Temperaturmatrix und startet die Temperaturberechnung für diesen Querschnitt über alle Phasen der Intensivkühlung.
Während des gesamten Intensivkühlvorgangs steht das Temperaturmodell im ständigen Daten-Dialog mit dem Gefügemodell.
Das Temperaturmodell überwacht beispielsweise die Einhaltung der Zielfunktion, die darin besteht, die Temperaturverläufe in den Querschnittsbereichen Kopf, Steg und Fuß möglichst dicht beieinander zu führen. Besonders in den Phasen der Umwandlungsvor- gänge ist die Temperaturführung dieser drei Bereiche kritisch, weil es hier zu Volumenänderungen und in deren Folge zum Verzug der Schiene kommt. Zum Zeitpunkt der Gefügeumwandlung übermittelt das Gefügemodell Informationen über die entstandene Umwandlungswärme an das Temperaturmodell.
Im Schienenkopf entsteht infolge der Intensivkühlung ein großer Temperaturgradient zwischen Oberflächen- und Kernbereich, weil die Oberfläche zu Beginn des Kühlvorgangs einer besonders intensiven Abkühlung ausgesetzt ist. Das Temperaturmodell überwacht den Verlauf des Temperaturgradienten und es erhält vom Gefügemodell ständig Informationen über die Gefügeentwicklung im Kopfbereich.
Zudem bestimmt das Gefügemodell permanent die Gefügemengenverläufe für festgelegte kritische Punkte in diesem Bereich. Bei auftretenden Abweichungen gegenüber den Vorgaben, so z.B. bei einer zu niedrigen Oberflächentemperatur, die zu einem unerwünschten Bainitstart führen kann, werden über das Temperaturmodell Informationen zur Regelung der Kühlstrecke an den Prozessrechner übergeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Modellsystem können im Echtzeitbetrieb sowohl die Temperatur- als auch die Gefügeentwicklung überwacht und bei Bedarf korrigierend geregelt werden. Durch Kopplung der beiden Online-Modelle kann auf Änderungen der Randbedingungen während des vorausgegangenen Walzprozesses bzw. während der aktuellen Kühlbehandlung aktiv reagiert werden.
Das vorgeschlagene Steuerungs- und Modellsystem gewährleistet, dass auch bei aktuellen technologischen Abweichungen im Walz- bzw. Abkühlprozess durch das Zusammenspiel von Temperatur- und Gefügemodell zeitnah Temperaturverläufe berechnet werden, die im Ergebnis der thermomechanischen Behandlung zur
Einstellung eines vorgegebenen Zielgefüges und somit eines gewünschten Eigenschaftsprofils in der Schiene führen. Bezugszeichenliste
1 Abkühlkurve der Kopfoberfläche
2 Abkühlkurve des Kernbereiches des Kopfes
3 Perlitumwandlungsgebiet bei kontinuierlicher Abkühlung
4 Beginn der Perlitumwandlung bei isothermer Umwandlung
5 Abschluss der Perlitumwandlung bei isothermer Umwandlung
6 Starttemperatur für Martensitbildung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von warmgewalzten Profilen aus der Walzhitze, insbesondere von Profilen mit einer im Querschnitt unterschiedlichen Massenverteilung, wobei die Abkühlung der Profile synchron zum Walzvorgang erfolgt, gekennzeichnet durch eine Vererbung der Korngrößen aus der Walzhitze und Einstellung eines Temperaturgradienten zwischen Profiloberfläche und Kernbereich der massereichen Profilabschnitte zeitnah beim Eintritt in das Perlitumwand- lungsgebiet, sodass ein graduiertes feinperlitisches Gefüge im massereichen Profilabschnitt entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Temperaturführung auf Grundlage hinterlegter Werkstoffdaten und online erfasster Walz- und Kühlprozessdaten zur Bestimmung der erforderlichen Kühldauer und Kühlintensität und Regelung des Abkühlprozesses.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Einstellung eines bestimmten Temperaturgradienten zwischen der Profiloberfläche und dem Kernbereich der massereichen Profilabschnitte in Abhängigkeit der online erfassten Walz- und Kühlprozessdaten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und eine Gefügemodell, die wesentliche Bestandteile eines Steuerungssystems sind, geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlaufgeschwindigkeit des Walzgutes in der Kühlvorrichtung durch die Endwalzgeschwindigkeit bestimmt wird und dass die Zeitspanne zwischen Auslauf aus dem letzten Fertiggerüst und Einlauf in die Kühlvorrichtung so gering wie möglich gehalten wird, vorzugsweise unter 100 Sekunden liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlparameter in den einzelnen Kühlphasen so eingestellt werden, dass die Oberfläche anfänglich kontinuierlich abkühlt und die Bedingungen für eine Bainitumwandlung umgangen werden und anschließend die Temperaturkurve des Oberflächenbereiches isotherm in das Perlitumwandlungsgebiet geführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umform-Temperatur-Zeit-Regime der jeweiligen thermomechanischen Behandlung über das Online-Temperaturmodell und das Online-Gefügemodell sowie online erfasster Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang zeitnah und unmittelbar an die relevanten Daten des aktuellen Profilwerkstoffs angepasst werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlprozessdaten für die Profile, beispielsweise einem Schienenprofil, an die unterschiedlichen Querschnittsabschnitte angepasst werden, wobei die einzelnen Querschnittsabschnitte getrennt erfasst und gekühlt werden und/oder dass speziell der Temperaturverlauf im massereichen Profilabschnitt, beispielsweise einem Schienenkopf, so gesteuert wird, dass zwischen Oberflächen- und Kerntemperatur ein gezielter Temperaturgradient eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abkühlprozess so gesteuert wird, dass der Oberflächenbereich und der Kernbereich des Schienen kopfes unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten unterliegen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Querschnittsbereiches eines Schienenprofils, und zwar Kopf-, Steg-, und Fußbereich in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Temperaturgradienten zwischen diesen Querschnittsbereichen während des gesamten Abkühlvorgangs differenziert gekühlt werden.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlintensität in den einzelnen Kühlphasen über die gesamte Kühldauer zur Realisierung eines gezielten Verlaufs der Abkühlkurven des Oberflächen- und Kernbereiches des Schienenkopfes differenziert eingestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlprozess so gesteuert wird, dass zur Einstellung eines möglichst großen Temperaturgradienten zwischen dem Oberflächenbereich und Kernbereich zunächst eine Beaufschlagung der Oberfläche mit einem Kühlmittel größter Kühlintensität erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vom Walzprozess-Führungsrechner die jeweiligen Temperaturwerte für Kopf-, Steg- und Fußbereich des Schienenprofils an die beiden Online-Modelle übergeben werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Gerüstauslauf mittels Pyrometer zumindest eine Temperaturmessung an einem der drei Querschnittsbereiche vorgenommen wird, und/oder dass am Gerüstauslauf mittels Röntgenanalyse die Gefügeformation an zumindest einem der drei Querschnittsbereiche ermittelt wird, und/oder dass am Gerüstauslauf mittels Wirbelstrommessung die Gefügeformation in zumindest einem der drei Querschnittsbereiche ermittelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Intensivkühlung an der ruhenden Schiene auf dem Kühlbett mittels Wirbelstromsensoren der Perlitisierungsgrad des Kopfgefüges ermittelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse der Wirbelstrommessung auf dem Kühlbett als Korrekturwert für die Kühlparametereinstellung der nachfolgenden Schienenprofile verwendet werden.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, umfassend zumindest eine Kühlvorrichtung und ein Steuerungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und ein Gefügemodell über das Steuerungssystem regelbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil nach Verlassen der Intensivkühlstrecke von einem Kühlbett aufnehmbar ist, auf dem die weitere Abkühlung an ruhender Luft bis auf die Umgebungstemperatur erfolgt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass für den thermischen Behandlungsprozess eine Kühlvorrichtung und ein nachgelagertes Kühlbett zur Aufnahme des wärmebehandelten Profils vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil, beispielsweise ein Schienenprofil, nach Austritt aus dem Walzspalt in kaliberbedingter Seitenlage von einem Führungsrollensystem aufgenommen und von diesem durch die Kühleinrichtung mit Walzgeschwindigkeit hindurchführbar ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die als Sprüh-Durchlaufkühlung ausgelegte Kühlstrecke aus einer definierten Anzahl aufeinander folgender und einzeln ansteuerbarer Kühlsegmente besteht.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kühlsegmenten Führungsvorrichtungen zur Führung des Profils, beispielsweise Schienenprofils, angeordnet sind.
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