CH654496A5 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung eines drahtes von geringem querschnitt und grosser laenge. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Drahtes.

Bei der herkömmlichen Herstellung von Draht aus metallischen Werkstoffen wird üblicherweise von einem Drahtbarren (Walzbarren) ausgegangen, der in einer kontinuierlichen Walzenstrasse zu einem Walzdraht (Halbzeug) von geeignetem Querschnitt heruntergewalzt wird. In der Regel ist dieser Querschnitt nach unten durch die beim Walzen einzuhaltenden Bedingungen begrenzt. Einerseits kühlt sich das Walzgut zu Beginn der Operationen, d.h. bei den ersten Walzstichen zufolge Oberflächenvergrösserung relativ rasch ab, was wegen der Gefahr der Überschreitung der höchstzulässigen Verformungstemperatur nicht durch eine erhöhte Anfangstemperatur des Walzbarrens ausgeglichen werden kann. Andererseits steigt gegen das Ende der Operationen, bei den letzten Walzstichen zufolge der eingebrachten hohen Formänderungsarbeit pro Volumeneinheit die Temperatur des Walzgutes wieder an. Ausserdem können die Drahtgeschwindigkeiten, die bereits bei über 50 m/s angelangt sind, nicht beliebig gesteigert werden. Einer Weiterverarbeitung des Halbzeugs zu kleineren Durchmessern in einer zweiten konventionellen Walzenstrasse steht wiederum die hohe Abkühlung am Anfang der Operationen entgegen. Bei Stahl beträgt der übliche unterste erreichbare Durchmesser ca. 5,5 mm. Sollen kleinere Querschnitte erreicht werden, erfolgt die weitere Reduktion durch mehrfaches Ziehen, das in der Regel von Zwischenglühoperationen durchbrochen werden muss, um die durch die Kaltverfestigung verlorengegangene Duktilität des Werkstoffes wieder herzustellen. Die Technologie der Drahtherstellung durch Warmwalzen und Kaltziehen ist aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt (A. Pomp, Herstellung von Stahldraht, Verlag Stahleisen M.B.H. Düsseldorf 1969; J. A. Shey, Metal déformation processes, S. 457-547, Marcel Dekker Inc. New York 1970).

Die Kombination der üblichen Walzenstrassen mit den Drahtzieheinrichtungen und Zwischenglühstationen stellt einen beträchtlichen Investitionsaufwand dar. Auch stösst die einwandfreie Überwachung der Prozesse oft auf Schwierigkeiten. Dies betrifft vor allem die Temperaturkontrolle des zu verformenden Stoffes. Bedingt durch die aufeinander abzustimmenden Werkzeuge, Vorrichtungen und Apparate ist das Blockgevvicht der Walzbarren begrenzt. Um der Abkühlung während den ersten Walzstichen entgegenzuwirken, muss der Block am Anfang auf eine vom metallurgischen Standpunkt aus oft unerwünscht hohe Temperatur (oberste Grenztemperatur) gebracht werden. Andererseits muss bei Erreichen der dünneren Querschnitte aus wirtschaftlichen Gründen und zufolge des ungünstigen Querschnitt/Um-fangs-Verhältnisses des Drahtes mit hoher Geschwindigkeit (bis über 50 m/s) gewalzt werden. Durch die in Wärme umgesetzte Deformationsarbeit kann dann die Temperatur des Walzgutes im Walzspalt wieder derart ansteigen, dass sie die obere zulässige Grenze erreicht. Die Überwachung all dieser räumlich und zeitlich starken Schwankungen unterworfenen Betriebsparameter ist schwierig und aufwendig. Das gleiche gilt für die Drahtzieherei mit ihren Schmierproblemen, mit der pro Zug beschränkten Querschnittsabnahme und der Notwendigkeit öfteren Zwischenglühens.

Es besteht daher das Bedürfnis, die anfänglichen Blockgewichte und damit die zusammenhängende Länge des Drahtes zu erhöhen, die Verformungstemperaturen zu stabilisieren und die Walzoperationen zu kleineren Drahtabmessungen hin zu erweitern, um auf Ziehoperationen gegebenenfalls ganz zu verzichten oder wenigstens deren Anzahl beträchtlich zu reduzieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für dünne Metalldrähte anzugeben, welches erlaubt, auf kontinuierliche Weise die Drahtlänge beliebig zu erhöhen und den Drahtendquerschnitt unter beträchtlicher Verringerung der Anzahl der Ziehoperationen wesentlich zu verkleinern. Die Prozesskontrolle soll dabei in einfacher Weise durchführbar sein und das Erzeugnis soll innerhalb vorgegebener Grenzen optimale metallurgische Eigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Dabei zeigt:

Die Figur eine graphische Darstellung der Temperatur des zu verformenden Materials in Funktion der aufeinanderfolgenden Formgebungsoperationen. Die Abszisse kann also qualitativ (bei entsprechender Massstabverzerrung) auch als Zeitachse aufgefasst werden. Die Kurven a und b repräsentieren den Temperaturverlauf des Walzgutes über der Anzahl von Walzstichen für das Walzen mittels beheizter Walzen je für den Knüppelanfang (a) bzw. das Knüppelende (b). Zum Vergleich ist der Temperaturverlauf des Walzgutes für konventionelles Walzen (Knüppelanfang: Kurve c; Knüppelende: Kurve d) dargestellt, e bedeutet eine Anzahl von Ziehstichen (im vorliegenden Fall 5) zur Erzielung eines äquivalenten Drahtdurchmessers für den Vergleich bei vorangegangenem konventionellen Walzen (Fortsetzung der

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Kurven c und d) und f die Weichglühbehandlung nach dem vorangegangenen Ziehen. A stellt den Punkt dar, wo bei Anwendung beheizter Walzen ein Drahtquerschnitt von 86 mm2 (entsprechend 10,5 mm 0) erreicht und die 1. Folge kontinuierlicher Verfahrensschritte mit ein und demselben zusammenhängenden Werkstück abgeschlossen ist. B ist der Punkt nach der Weiterverarbeitung in einem 2. kontinuierlichen Walzgerüst und entspricht einem Drahtquerschnitt von 7 mm2 (3 mm 0). Vergleichsweise stellt C den beim konventionellen Walzen mit unbeheizten Walzen erreichbare Punkt dar, wo der Walzvorgang definitiv abgebrochen werden muss. Diese Grenze liegt im allgemeinen bei ca. 28 mm2 Drahtquerschnitt (entsprechend 6 mm 0). T ist die Temperatur in °C und n die Anzahl (fortlaufende Nummer) der Formgebungsoperationen. T0 bzw. Tu geben die obere bzw. untere Temperaturgrenze der Warmverformung für ein gegebenes Material an.

Ausführungsbeispiel Aus Halbzeug (Barren, Knüppel) mit quadratischem Querschnitt von 100 mm Seitenlänge und einer axialen Länge von 6000 mm wurde ein Draht von 1,5 mm Enddurchmesser hergestellt. Dabei wurde der Werkstoff bis zu einem Durchmesser von 3 mm herunter nach neuem Verfahren einer Warmverformung und von da ab konventionell einer Kaltverformung (Ziehen) bzw. einem Patentieren unterworfen. Die letzteren Operationen dienten hauptsächlich zur Er-ziehlung eines bestimmten Gefügezustandes mit gewünschten bevorzugten Eigenschaften (Festigkeit) und sind nicht Gegenstand dieser Erfindung. Als Werkstoff wurde ein ungefähr perlitischer Kohlenstoffstahl gemäss deutscher Werkstoffnummer 1.1262 mit folgender Zusammensetzung ge-

wählt:

C:

0,80-0,84 %

Si:

0,10-0,25 %

Mn:

0,35-0,55 %

P:

< 0,030 %

S:

< 0,030 %

N:

< 0,007 %

Fe:

Rest

Die obere Warmverformungsgrenze für diesen Stahl ist die Temperatur T0 und beträgt 1050 °C, während die untere Grenze Tu bei 850 °C liegt. Die Knüppeltemperatur beim ersten Walzstich bewegte sich zwischen ca. 900 und 925 °C (siehe Kurven a und b). Diese Temperatur kann jedoch bis zu 950 °C betragen. Bis zum zehnten Walzstich nahm die Temperatur des Walzgutes etwas ab, um danach zufolge der Umsetzung der Formänderungsarbeit in Wärme bis dicht unter T0 anzusteigen. Nach total 16 Stichen war der ursprünglich 10 000 mm2 messende Querschnitt auf 86 mm2 reduziert worden, was einem Drahtdurchmesser von 10,5 mm entspricht (Punkt A in der Figur). Bei einer Walzgutgeschwindigkeit von 30 m/s beim 16. Stich entsprach dies einem Durchsatz von 2,6 dm3/s. Die durchschnittliche Querschnittsabnahme pro Walzstich betrug somit ca. 26%. Da bei Punkt A das für diesen Stahl gegebene Temperaturintervall erschöpft war, wurde der Verformungsprozess der ersten Walzenstrasse hier abgebrochen, das Walzgut in geeignete Längen geschnitten und unter Zwischenschaltung eines Warmhalteofens in einer Wärme in einer zweiten Walzenstrasse weitergewalzt. Hier betrug die durchschnittliche Querschnittsabnahme pro Stich ca. 30%. Der Draht wurde in total 7 weiteren Stichen plus einem Kalibrierstich (in der Figur weggelassen) auf einen Querschnitt von 7 mm2 (entsprechend 3 mm 0) heruntergewalzt (Punkt B in der Figur). Der Walzdraht wurde daraufhin in herkömmlicher Weise patentiert, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften (Duktilität, Kaltverformbarkeit) zu erzielen. Der in weiteren

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5 Ziehstichen erreichte Enddurchmesser betrug 1,5 mm (Querschnitt: 1,8 mm2), die Querschnittsabnahme pro Ziehstich durchschnittlich 24%. Diese Operationen sind in der Figur - da nicht zur eigentlichen Erfindung gehörend - der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden.

Beim herkömmlichen Walzverfahren muss unmittelbar bei der höchsten Walztemperatur T0 begonnen werden, wobei im Verlauf der ersten 10 Stiche das Material verhältnismässig stark abkühlt. Deshalb klaffen die Kurven c und d (siehe Figur) für Knüppelanfang und Knüppelende auseinander. Nach total 19 Stichen plus einem Kalibrierstich (nicht dargestellt) muss die Operation abgebrochen werden, da man an der oberen Temperaturgrenze anstösst und da die Geschwindigkeit des Walzgutes durch die Bemessung des kontinuierlichen Walzgerüstes begrenzt ist. Diese Grenze wird in Punkt C (siehe Figur) erreicht, welcher einem Drahtquerschnitt von 28 mm2 (entsprechend 6 mm 0) zugeordnet ist. Bei einer Walzgutgeschwindigkeit von 50 m/s beim 19. Stich entspricht dies einem Durchsatz von 1,4 dm3/s. Die Produktion ist also vergleichsweise niedriger als nach dem neuen Verfahren mit beheizten Walzen. Sie wird ausserdem mittelbar begrenzt durch den Temperaturabfall zu Beginn des Walzens, was sich auf die Knüppeldimensionen (Querschnitt, Länge) unvorteilhaft auswirkt. Nach dem auf den 19. Stich folgenden Kalibrierstich muss der Walzdraht nach einer geeigneten Technik, z.B. dem bekannten Steelmoore-Verfahren mit überwachter Abkühlungsgeschwindigkeit von Walztemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt werden, um ein für das nachgeschaltete Ziehen vorteilhaftes Gefüge zu ergeben. Um auf den Vergleichsquerschnitt von 7 mm2 (3 mm 0) zu kommen, sind 5 Ziehstiche von je ca. 24% Querschnittsabnahme erforderlich, welche von einem Weichglühprozess bei 640 bis 680 °C gefolgt werden müssen (e und f in der Figur). Die Weiterverarbeitung zu Draht von 1,5 mm 0 erfolgt dann in der oben beschriebenen herkömmlichen Weise durch zusätzliche 5 Ziehstiche.

Der Vergleich zwischen dem neuen Walzverfahren und der herkömmlichen Walz/Zieh-Technik zeigt, dass beträchtlich an Wärmeenergie gespart werden kann, indem die Temperatur des zur Erwärmung des Walzgutes (Barren, Knüppel) benötigten Ofens tiefer gehalten werden kann. Ausserdem wird die Energie auch insofern besser ausgenützt, als die Temperaturunterschiede zwischen Knüppelanfang und Knüppelende wesentlich geringer ausfallen und die Formänderungsarbeit besser ausgenutzt wird als beim konventionellen Walzen. Ferner wirkt sich die gegenüber konventionellem Walzen wesentlich geringere Temperaturdifferenz zwischen Knüppelanfang und Knüppelende in engeren Querschnittstoleranzen längs des Walzgutes aus, da die Verformungskräfte sowie die elastischen Deformationen der Walzen gleichmässiger sind. Es wird an Ziehoperationen gespart und der Zwischenglühprozess (Weichglühen) entfallt. Im allgemeinen dürfte auch Warmwalzen billiger sein als Kaltziehen, wenn man lediglich die Formgebung und nicht zusätzlich eine bestimmte Gefügeausbildung anstrebt. Ausserdem stellt Warmwalzen den schnelleren Vorgang dar als Kaltziehen, woraus sich eine direkte Produktionssteigerung ergibt. Dadurch, dass der kontinuierliche Walzprozess mit beheiztem Walzen in der ersten Walzenstrasse beim 16. Stich (86 mm2 Querschnitt) und nicht erst beim 19. Stich (28 mm2 Querschnitt) wie beim konventionellen Walzen abgebrochen wird, ergibt sich im vorliegenden Fall eine weitere Produktionssteigerung im Verhältnis 2,6 dm3/s : 1,4 dm3/s, also um ca. 85%. Die Anlage wird also bedeutend besser ausgenutzt.

Die Wärmeabstrahlung des Walzgutes und der beheizten Walzen kann mittels als Reflektoren wirkender Strahlungsschilder weitgehend unterbunden werden, wodurch sich eine weitere Einsparung an Energie ergibt. Die für den isother3

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men oder quasi-isothermen Walzprozess erforderliche Wärmeenergie kann in vorteilhafter Weise durch induktive Beheizung der Walzen bereitgestellt werden.

Nach dem neuen Verfahren mit beheizten Walzen kann die Querschnittsabnahme pro Walzstich gegenüber dem konventionellen Walzen oder Ziehen um mindestens 5% grösser eingestellt werden. Dies gilt auch gegenüber jedem anderen Reduktionsverfahren mit unbeheizten Werkzeugen. Dieser erhöhte Wert kann unvermindert mit fortschreitender Stichzahl beibehalten werden. Er entspricht einer Querschnittsabnahme von mindestens 26%.

Das Verfahren lässt sich gleicherweise auf unlegierte oder legierte Stähle anwenden, derart, dass der Endquerschnitt des Walzdrahtes höchstens 24 mm2 beträgt, wobei eine Reproduzierbarkeit bezüglich Toleranz der Walzguttemperatur unterhalb dieses Querschnittes von weniger als + 10 C eingehalten wird. Dies sichert gleichmässige und hochwertige Erzeugnisse. Weiterhin ist das Verfahren gegebenenfalls auch auf Aluminium und seine Legierungen übertragbar, wobei der Endquerschnitt des Walzdrahtes vorteilhafterweise höchstens 15 mm2 (ca. 4,5 mm 0) beträgt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

654 496 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Drahtes von geringem Querschnitt durch Herunterwalzen eines Drahtbarrens in einer kontinuierlichen Walzenstrasse, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer ersten kontinuierlichen Walzenstrasse mit beheizten Walzen isotherm oder quasi-isotherm heruntergewalzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzgut in einer zweiten kontinuierlichen Walzenstrasse mit beheizten Walzen bis auf einen Querschnitt heruntergewalzt wird, von dem aus der Endquerschnitt durch anschliessende Ziehoperationen ohne Zwischenglühungen erreicht werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabstrahlung des Walzgutes und der Walzen weitgehend durch als Reflektoren wirkende Strahlungsschilder unterbunden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für den isothermen oder quasi-isothermen Walzpro-zess erforderliche Wärmeenergie durch induktive Heizung der Walzen bereitgestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabnahme pro Walzstich mindestens 26% beträgt und dass dieser Wert im wesentlichen mit fortschreitender Stichzahl unvermindert beibehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verarbeitende Material ein unlegierter oder legierter Stahl ist und dass der Endquerschnitt des Drahtes höchstens 24 mm2 beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzprozess im Querschnittsbereich unterhalb

24 mm2 mit einer Reproduzierbarkeit bezüglich Toleranz der Walzguttemperatur von weniger als + 10 "C durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verarbeitende Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist und dass der Endquerschnitt des Drahtes höchstens 15 mm2 beträgt.