DD281207A5

DD281207A5 - Verfahren zum patentieren von kontinuierlich bewegtem walzgut

Info

Publication number: DD281207A5
Application number: DD32742589A
Authority: DD
Inventors: Kurt Welfle; Gunter Lankau; Franz Tamm; Wolfgang Schmitt
Original assignee: Florin Stahl Walzwerk
Priority date: 1989-04-10
Filing date: 1989-04-10
Publication date: 1990-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Patentieren von kontinuierlich bewegtem Walzstahl durch gesteuerte Abkuehlung aus der Umformungswaerme. Das Ziel der Erfindung besteht darin, dickere Walzstahlquerschnitte aus der Walzhitze ohne auszufaechern zu patentieren, die Kuehlzeit zu reduzieren und ein fuer eine Kaltumformung geeignetes Gefuege einzustellen. Das Walzgut wird aus der Umformungswaerme mittels Druckwasser in einer Kuehlstrecke, die mindestens in zwei oder mehrere vorzugsweise in drei Sektionen unterteilt ist, zunaechst in Sektion 1 mit einem hohen Waermeuebergangskoeffizienten auf eine Oberflaechentemperatur von 50 k oberhalb der Martensitstarttemperatur (Ms) gekuehlt. Die unmittelbar anschlieszende Kuehlung verlaeuft erfindungsgemaesz so, dasz in der Sektion 2 mit einem verminderten Waermeuebergangskoeffizienten gekuehlt wird und die Oberflaechentemperatur zwischen Ms50 k bis Ms100 k gehalten wird und wiederum unmittelbar anschlieszend in der Sektion 3 mit einem gegenueber Sektion 2 weiter verminderten Waermeuebergangskoeffizienten gekuehlt wird und die Oberflaechentemperatur zwischen MS50 k bis Ms80 k gehalten wird und anschlieszend das Walzgut beliebig entsprechend den betrieblichen Einrichtungen an Luft oder gesteuert auf Raumtemperatur abkuehlt.{Patentieren; Kuehlzeit; Oberflaechentemperatur; Raumtemperatur; Walzgut; Druckwasser; Kuehlstrecke; Waermeuebergangskoeffizient; Abkuehlung; Walzhitze; Umformungswaerme; Kaltumformung}

Description

oder Martensitbildung eintritt. Die geeigneten Kühlbedingungen für den zu behandelnden Stahl können seinem isothermen und kontinuierlichem ZTU-Schaubild entnommen werden. Beim Patentieren werden die Forderungen an die Homogenität des Gefüges und der Eigenschaften durch eine Wärmebehandlung des Einzeldrahtes realisiert. Das heißt, das nachträgliche Bleibad-, Salzbad- oder Luftpatentieren wird kontinuierlich am abgewickelten Draht während eines Umspulvorganges vorgenommen. Weiterhin wird zum Gefüge im Fachschrifttum vorwiegend die Auffassung vertreten, daß Martensit die Kaltumformung schwierig oder gar unmöglich macht, besonders wenn es sich um nichtangelassenen Martensit oder nichtangelassene Zwischenstufe handelt Restaustenit ist ebenfalls schädlich, denn er wandelt bei der Kaltumformung des Stahles zu Martensit um.

Die genannten nachträglichen Patentierungsverfahren sind kostspielig, so daß verschiedene Lösungen für eine Direktpatentierung aus der Walzhitze vorgeschlagen wurden.

Allen Verfahren ist gemeinsam, das Walzmaterial zu Einzelwindungen ausgefächert und nicht im Bund abzukühlen. Die Einstellung der benötigten Abkühlungsbedingungen bereitet im ausgefächerten Zustand keine technischen Schwierigkeiten. Die Umwandlung des Austenits erfolgt je nach Steuerung der Kühlung vorwiegend isotherm oder vorwiegend kontinuierlich, jeweils mit dem Ziel, dem bleibadpatentierten Zustand möglichst nahezukommen.

Für dickere Walzgutabmessungen fehlen technische Lösungen für das Direktpatentieren. Der Aufwand für den Bau von Vorrichtungen zum Ausfächern und für die nachträgliche Bundbildung ist zu groß. Dickeres Walzgut wird in der Regel von Garretthaspeln aufgenommen, oder es werden in Wickelmaschinen Ringbunde gebildet Die Wegstrecke zwischen Fertigstich und Haspel- bzw. Wickelbeginn wird von der Walzader in kurzer Zeit durchlaufen. Mit den bekannten Abkühlverfahren ist es in der zur Verfügung stehenden Zeitspanne nur mit Absenkung der Oberflächentemperatur unter die M.-Temperatur des Stahles möglich, der Walzader diejenige Wärmemenge, die der Differenz von Warmformgebungstemperatur und der Umwandlungstemperatur im Bereich der Perlitnase des isothermen ZTU-Schaubildes entspricht, zu entziehen. Die bekannten Kühlverfahren arbeiten prinzipiell wie folgt:

Einige Verfahren haben Ausgleichsstrecken zwischen den Kühleinheiten. Der laufenden Walzader wird in Kühlstrecken, die mit einem systemeigenen unveränderten Wärmeübergangskoeffizienten betrieben werden, während der Kühlzeit so viel Wärme entzogen, bis die Oberflächentemperatur auf 500⁰C abfällt. Es schließt sich ein Temperaturausgleich an, der eine Kühlung der Walzader an Luft mit geringem Wärmeübergangskoeffizienten darstellt. Weil nur wenig Wärme abgeführt wird und ein Temperaturausgleich innerhalb des Querschnitts der Waizader stattfindet, steigt die Oberflächentemperatur an. In der anschließenden Kühlstrecke wird wiederum mit dem gleichen Wärmeübergangskoeffizienten gekühlt. Nach wesentlich kürzerer Zeit als in der 1. Kühlperiode muß die Kühlung abgebrochen werden, da die Oberfläche die Grenztemperatur von 500⁰C erreicht hat. Es schließt sich wieder Luftabkühlung an, die einen Temperaturausgleich wie beschrieben bewirkt. Diese Verfahren sind gekennzeichnet durch den Wechsel von Kühlperioden mit hohen und niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten, wobei die Oberflächentemperatur schnell abfällt und schnell bis nahezu zum Temperaturausgleich wieder ansteigt, der sich entsprechend dem stattgefundenen Wärmeentzug einstellt.

Ein weiteres neues Verfahren arbeitet ohne Ausgleichstrecken. In der Kühistrecke ist der Wärmeentzug regelbar. Es wird für die ganze Kühleinheit der Wärmeübergangekoeffizient auf einen gewünschten mittleren Wert eingestellt. Die heiße Walzader wird durch die Kühlstrecke geführt und ohne Temperaturausgleich gekühlt. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch eine kontinuierliche Abkühlung mit einem geregelten Wärmeübergangskoeffizienten bis zum Erreichen des angestrebten Wärmeentzuges bzw. der vorgegebenen Oberflächentemperatur. Anschließend folgt Luftkühlung mit Temperaturausgleich. Die genannten Kühlverfahren weisen den Nachteil auf, daß es in den zur Verfügung stehenden kurzen Zeiten meist nicht möglich ist, der laufenden Walzader die notwendige Wärmemenge ohne Martensitbildung zu entziehen.

So sind Bemühungen bekannt, aus der Walzhitze gesteuert abgekühlten Stahldraht mit angelassenem Oberflächenmartensit in Ziehereien zu verarbeiten. Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens wurde angezweifelt, und hat sich nicht durchgesetzt. Die Unzulänglichkeit der Kühlverfahren kommt auch darin zum Ausdruck, daß große Anstrengungen unternommen werden, um dem gewickelten Bund die überschüssige Wärme zu entziehen, die Homogenität dabei wenig zu beeinträchtigen und das Gefüge für die Weiterverarbeitung nicht ungünstig zu beeinflussen. Schließlich sind die langen Hakenbahnen für gewickeltes Wlazgut ebenfalls Anzeichen für unzureichende Kühlverfahren.

In der DD-PS 127 373 wird für die Walzgutdurchmesser 5-10 mm vorgeschlagen, innerhalb einer geschlossenen, aus Kühlrohren bestehenden Kühlstrecke so viel Kühlwässer je Kühlrohr zuzuführen, daß am Ausgang des ersten Kühlrohres die Walzgutoberfläche eine Temperatur t_min aufweist. Im zweiten Kühlrohr und in jedem folgenden wird der Kühlwasserdurchsatz so bemessen, daß bei dem Ende der Kühlstrecke die Walzgutoberflächentemperatur dem Wert ^_n angenähert bleibt. Die Realisierung der gemäß DD-WP 127373 beanspruchten Verfahrensschritte führt nicht zu dem geschilderten Verlauf der Temperatur der Walzgütoberfläche. Diese Erfindung ist zum Direktpatentieren industriell nicht anwendbar.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, dickere Walzstahlquerschnitte aus der Walzhitze ohne auszufächern zu patentieren, d. h. ein für eine Kaltumformung geeignetes Gefüge einzustellen, dabei die Homogenität des Walzgutes über die Aderlänge und den Querschnitt zu sichern, die Kühlzeit gegenüber dem Stand der Technik zu reduzieren, damit auch die Gesamtlänge der Kühlstrecken zu verkürzen, die Nachkühlung der gewickelten oder gehaspelten Ringbunde zu verringern oder ganz entfallen zu lassen und die Länge der Hakenbahnen für Ringbunde zu verkürzen bzw. die Kühlzeit auf Hakenbahnen zu reduzieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das Direktpatentieren von Walzstahl mit dickeren Querschnitten ein Verfahren zur Regelung der Abkühlung anzugeben, das es gestattet, ohne Ausfächern des Materials zu arbeiten, in kürzester Zeit die Walzguttemperatur mittels Druckwasser auf Patentiertemperatur abzuschrecken, dabei die Walzaderoberflächentemperatur oberhalb der M,-Temperatur des zu behandelnden Stahles zu halten, den raschen Wärmeentzug in einer Kühlstrecke

vorzunehmen, die mindestens in zwei oder mehreren, vorzugsweise in drei Sektionen unterteilt ist, wobei in der Sektion 1 (S 1) die Rundstahlabmessungen 12 bis 20 mm Durchmesser mit einem im Mittelwert hohen Wärmeübergangskoeffizienten Q(SD = 16300 bis 14000 (W/m²k) über die Zeitdauer von 0,4 bis 0,8s auf eine Oberflächentemperatur von 50k oberhalb der Martensitstarttemperatur (M,) des zu behandelnden Stahles gekühlt werden, mit einer unmittelbaren anschließenden Kühlung in den folgenden Sektionen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Sektion 2 (S 2) mit einem im Mittelwert verminderten Wärmeübergangskoeffizienten a_(S2) «11600 bis 8700 (W/m²k) über die Zeitdauer von 0,4 bis 0,8s gekühlt wird und die Oberflächentemperaturzwischen M, + 50 к bis M, + lOOkgehaltenwirdundwiederum unmittelbaranschließend inderSektion 3 (S3) mit einem im Mittelwert weiter verminderten Wärmeübergangskoeffizienten a_(S3i = 8700 bis 6400 (W/m²k) über die Zeitdauer von 0,4 bis 0,8s gekühlt wird und die Oberflächentemperatur zwischen M, + 50 к und M, + 80k gehalten wird und anschließend das Walzgut beliebig entsprechend den betrieblichen Einrichtungen an Luft oder gesteuert auf Raumtemperatur abkühlt.

Erfindungsgemäß wird wahlweise die Aufgabe auch dadurch gelöst, daß in den Sektionen 2 und 3 (S2; S3) mit dem gleich gegenüber O₁₅₁) verminderten Wärmeübergangskoeffizienten α«?; s» = 8700 bis 6400 (W/m²k) über die Zeitdauer von 0,8 bis 1,6s gekühlt wird und die Oberflächentemperatur zwischen M. + 50 к bis M, + 120 к gehalten wird und anschließend das Walzgut beliebig entsprechend den betrieblichen Einrichtungen an Luft oder gesteuert auf Raumtemperatur abkühlt. Erfindungsgemäß wird wahlweise die Aufgabe auch dadurch gelöst, daß die Sektionen 2 und 3 in 2 3 Untersektionen (s„) unterteilt werden, in denen mit η verminderten Wärmeübergangskoeffizienten bei der Abmessung 12mm Rund zwischen 11600

und 8700 (W/m²k) und der Kühlzeit — 0,8s je Untersektton gekühlt wird und bei der Abmessung 20 mm Rund zwischen 8700 und

6400 (W/m²k) und der Kühizeit — 1,6s je Untersektion gekühlt wird und anschließend das Walzgut beliebig entsprechend den

betrieblichen Einrichtungen an Luft oder gesteuert auf Raumtemperatur abkühlt.

Ausführungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand der Direktpatentierung der Walzstahldurchmesser 12mm und 20 mm erläutert werden. Behandelt wurde ein unlegierter Stahl mit 0,46% C, 0,25% Si, 0,52% Mn, 0,027% P und 0,018% S, dessen M,-Temperatur bei 350°C liegt. Die Walzendtemperaturen lagen bei etwa 1020⁰C. Die Abmessung 12 mm Rund wurde mit einer Geschwindigkeit von 15 m/s hergestellt Die Länge der Kühlstrecke betrug 18 m und war in die Sektionen S1, S 2 und S3 unterteilt. In der Sektion 1 wurde über die Länge von 6m mit voller Kühlleistung gearbeitet, entsprechend einem Mittelwert für den Wärmeübergangskoeffizienten α,_3υ = 16300 (W/m²k) (Bild 1). Dabei wurde die Oberflächentemperatur der Walzader auf 400⁰C abgesenkt.

In der nachfolgenden Sektion S 2 schloß sich eine Kühlung mit einem Wärmeübergangskoeffizienten unmittelbar an, dessen Mittelwert über die Kühllänge a_(S2) »11600 (W/m²k) war, wodurch gegenüber S₁ die Wärmestromdichte abnahm und sich die Oberflächentemperatur infolge des Temperaturausgleichs über den Querschnitt zunächst etwas erhöhte, sich dann durch den Wärmenachstrom aus dem Kern und Wärmeentzug an der Oberfläche kurzzeitig die Waage hielten und die Oberflächentemperatur dann wieder auf 400°C abfiel. In der Sektion S3 wurde der mittlere Übergangskoeffizient nochmals gesenkt. Bei einem Mittelwert a_(S3) = 8700 (W/m²k) und der entsprechenden Wärmestromdichte in diesem Temperaturbereich steigt die Oberflächentemperatur wiederum etwas an, um in der zweiten Hälfte der Kühlzeit von Sa auf 400⁰C abzufallen. Beim Temperaturausgleich nach beendeter Kühlung stieg die Oberflächentemperatur auf 520⁰C an.

Die Abmessung 20 mm Rund wurde bei einer Geschwindigkeit von 11 m/s gekühlt. Die Kühlung war über eine Länge von 27 m angestellt. Auf den ersten 9 m der Sektion 1 wurde mit O₁Si) - 14000 (W/m²k) die Oberflächentemperatur 400⁰C abgesenkt und entsprechend Bild 2 in diesem Temperaturbereich gehalten. Die dazu erforderlichen Einsteltungen für die Sektionen 2 und 3 können dem Bild entnommen werden. Die Ausgleichstemperatur lag bei 59O⁰C.

Die in den Bildern 1 und 2 enthaltenen Temperaturen sind berechnet und durch Messungen korrigiert worden. Martensitbildung wurde nicht beobachtet. Bei beiden Abmessungen 12 und 20 mm 0 wurde der Abkühlungsverlauf weitgehend einem Badpatentieren angenähert. Die erzielten mittleren Temperaturen (= Ausgleichstemperaturen) liegen beim Kühlen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich tiefer als bei den bekannten Verfahren, die mit Ausgleichstrecken, also zwischenzeitlicher Luftkühlung oder mit einem verminderten Wärmeübergangskoeffizienten über die gesamte Kühllänge arbeiten.

Claims

1. Verfahren zum Patentieren von kontinuierlich bewegtem Walzgut durch gesteuerte Abkühlung aus der Umformungswärme mittels Druckwasser in einer Kühlstrecke, die mindestens in zwei oder mehrere, vorzugsweise in drei Sektionen unterteilt ist, wobei in der Sektion (S 1) die Rundstahlabmessungen 12 bis 20 mm Durchmesser mit einem im Mittelwert hohen Wärmeübergangskoeffizienten a₍si) = 16300 bis 14000 (W/m²k)überdieZeitdauervon0,4bis0,8s auf eine Oberflächentemperatur von 50 k oberhalb der Martensitstarttemperatur (M_s) des zu behandelnden Stahlens gekühlt wird, mit einer unmittelbar anschließenden Kühlung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sektion 2 (S2) mit einem im Mittelwert verminderten Wärmeübergangskoeffizienten a_(S2> - 11600 bis 8700 (W/m²k) über die Zeitdauer von 0,4 bis 0,8s gekühlt und die Oberflächentemperatur zwischen M_s + 50 к bis M₈ + 100 к gehalten wird und wiederum unmittelbar anschließend in der Sektion 3 (S3) mit einem im Mittelwert gegenüber a(_S2) weiter verminderten Wärmeübergangskoeffizienten O(S3) = 8700 bis 6400 (W/m²k) über die Zeitdauer von 0,4 bis 0,8s gekühlt und die Oberflächentempertur zwischen M, + 50 k bis M₅ + 80 k gehalten wird und anschließend das Walzgut beliebig entsprechend den betrieblichen Einrichtungen an Luft oder gesteuert auf Raumtemperatur abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Sektionen 2 und 3 (S2; S3) mit dem gleichen, gegenüber a_(Si) verminderten Wärmeübergangskoeffizienten a_(S2;S3) = 8700 bis 6400 (W/m²k) über die Zeitdauer von 0,8 bis 1,6s gekühlt wird und die Oberflächentemperatur zwischen M₅+ 50k und M_s + 100k gehalten wird und anschließend das Walzgut beliebig entsprechend den betrieblichen Einrichtungen an Luft oder gesteuert auf Raumtemperatur abgekühlt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektionen 2 und 3 in η Ш 3 Untersektionen (s_n) unterteilt werden, in denen mit η verminderten Wärmeübergangskoeffizienten, bei der Abmessung 12 mm Rund zwischen 11600 und

8700 (W/m²k) und der Kühlzeit — 0,8s je Untersektion gekühlt wird und bei der Abmessung 20 mm

Rund zwischen 8700 und 6400 (W/m²k) und der Kühlzeit — 1,6s je Untersektion gekühlt wird und

anschließend das Walzgut beliebig entsprechend den betrieblichen Einrichtungen an Luft oder gesteuert auf Raumtemperatur abkühlt.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist in der Metallurgie zum Patentieren von kontinuierlich bewegtem Walzgut mit beschleunigter Abkühlung aus der Umformungswärme anwendbar, speziell von dickeren Abmessungen, die sich nicht oder nur mit Schwierigkeiten mittels Edenbornhaspeln für eine gesteuerte Abkühlung ausfächern lassen und die deshalb von Garretthaspeln ausgenommen oder in Wickelmaschinen zum Ringbunden aufgespult werden. Außer für das direkte Patentieren ist eine weitere Nutzung des erfindungsgemäßen Abkühlverfahrens bei Wärmebehandlungen mit beschleunigter Abkühlung von Walzstahl in Stäben oder Ringen möglich, die ein nachträgliches Härten, Normalglühen, Lösungsglühen, Vergüten ersetzen oder erleichtern sollen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ein beträchtlicher Teil des warmgewalzten Stahles wird durch Kaltformgebung, wie z. B. Ziehen, weiterverarbeitet. Homogenität der mechanischen Eigenschaften und des Gefüges über die Aderlänge und den Querschnitt sind dazu erforderlich. In Ringbunden abgekühltes Material genügt in der Regel nicht den Anforderungen, weil die Wärmeabgabe von Innen- und Außenwindungen ungleichmäßig erfolgt und zu unterschiedlichen Werkstoffzuständen führt. Das Gefüge des in Ringbunden abgekühlten Walzstahles läßt nur geringe Kaltumformungen zu. Es muß erst durch eine nachträgliche Wärmebehandlung, wie Patentieren, ein gut umformbares Gefüge eingestellt werden. Die besten Ergebnisse hinsichtlich der Kaltumformbarkeit werden dabei mit dem Bleibadpatentieren erreicht. Der Stahl besitzt im patentierten Zustand ein Gefüge aus feinstreifigem Perlit und einem geringen Ferritanteil. Gleichzeitig wird bei dem behandelten Stahl im Zugversuch eine relativ hohe Festigkeit bei guter Einschnürdehnung erreicht.

Dieser Gefügezustand wird entweder durch schroffe Abkühlung aus Temperaturbereichen dicht oberhalb Ac₃ auf Temperaturen der Perlitnase des isothermen ZTU-Schaubildes (Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild) und nachfolgender isothermer γ α-Umwandlung mit kurzen Umwandlungszeiten, d. h. bei Temperaturen in der Nähe der Perlitnase, erzeugt, oder er wird durch kontrollierte beschleunigte kontinuierliche Abkühlung eingestellt. Die Abkühlungsgeschwindigkeit wird im 2. Fall so eingestellt, daß die Umwandlung in den Bereichen der Ferrit-Perlitphase abläuft und nicht so schnell ist, daß Zwischenstufenumwandlung