EP0334803A1 - Verfahren zum Abkühlen von Hohlkörpern - Google Patents

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EP0334803A1
EP0334803A1 EP89730075A EP89730075A EP0334803A1 EP 0334803 A1 EP0334803 A1 EP 0334803A1 EP 89730075 A EP89730075 A EP 89730075A EP 89730075 A EP89730075 A EP 89730075A EP 0334803 A1 EP0334803 A1 EP 0334803A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
coolant
temperature
water
hollow body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP89730075A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Dipl.-Ing. Hofmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mannesmann AG filed Critical Mannesmann AG
Publication of EP0334803A1 publication Critical patent/EP0334803A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C21D9/085—Cooling or quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • C21D11/005—Process control or regulation for heat treatments for cooling

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling hollow bodies (pipes or containers) made of steel as part of a heat treatment according to the preamble of patent claim 1.
  • DE-OS 20 40 610 for example, it is proposed to inject small amounts of water into a high-speed air stream in order to achieve rapid and extremely effective cooling and to spray the atomizing jet formed onto the surface of the object to be cooled at high speed. This leads to a much more abrupt cooling than water bath cooling.
  • DE-OS 30 37 639 discloses a method for quenching steel workpieces in an oil bath, in which more intensive cooling is to be achieved by temporarily swirling the coolant bath during film evaporation.
  • the cause lies in the constantly changing heat transfer conditions, which are a function of the surface temperature and the temperature gradient in the workpiece. If, for example, workpieces made of the same material but with different wall thicknesses are cooled in the same cooling medium using the same cooling method, the technological properties of the treated workpieces often differ. It is easy to see that with different wall thicknesses, not only as a result of the different thermal resistance of the workpiece walls but also as a result of the different temperature gradients, different cooling rates occur and therefore cause different microstructures. This situation has not been given sufficient attention in known cooling processes, but has been accepted as unchangeable.
  • coolant that is to say whether a material is to be cooled in water, oil, in air or in similar coolants.
  • quenching in oil is prescribed for a number of steels in order to achieve the desired microstructure.
  • An example of such a regulation is the VDTÜV material sheet no. 431 (issue 3/88). Accordingly, these materials are also referred to as "oil-hardening steels". Quenching by immersing the heated workpieces made of such materials in water would result in a too abrupt cooling, which would be associated with the formation of cracks (hard cracks) in the workpiece surface.
  • cooling medium water Compared to water as a cooling medium, oil, for example, requires considerably more effort in terms of system technology, operation, maintenance and disposal of the coolant devices, especially since both the oil itself and the vapors and combustion products generated during operation can be environmentally harmful.
  • the cooling medium water does not pose such problems.
  • the basis of the invention is the knowledge that even with cooling media which have a higher cooling intensity than oil from the outset, that is to say, in particular when using water as a coolant, a throttled cooling effect is possible if the coolant supply is restricted in a suitable manner. It is not only important to bring the specific amount of coolant, i.e. the amount of coolant to be applied per unit of time to the surface area of the surface of the hollow body to be cooled, to a sufficiently low value, but this throttling of the specific amount of coolant must also be set in good time, since at the beginning of the cooling process many times abrupt quenching is desired. It should be noted that the heat transfer coefficient increases drastically in the area of the suffering frost temperature at which the coolant begins to wet the surface of the hollow body to be cooled.
  • the method according to the invention is characterized by the controlled step-by-step or, if appropriate, continuous reduction of the coolant exposure during the cooling process. Not only does it avoid hardening cracks in oil-hardening steels, it is also inexpensive to use, since it mainly works with water - possibly in conjunction with compressed air. It is preferably suitable to replace the oil cooling and also offers the possibility of increasing the cooling intensity. This means that materials that have previously cooled somewhat too slowly in oil can be better utilized, i.e. with unchanged composition can be provided with better technological properties, so that the expensive development of new materials is sometimes superfluous.
  • the proposed cooling process With the proposed cooling process, the z.
  • known heat treatment materials can be better utilized because the cooling speeds necessary for optimal microstructure formation can be precisely specified and practically implemented.
  • the proposed cooling process enables uniform cooling speeds without sudden and uncontrollable fluctuations. An increase in the cooling rate when a certain temperature is reached, for example during a phase change or in particular at the Leiden freezing temperature, can be prevented. Due to the constant adaptation of the specific quantity of coolant to the current surface temperature for a given wall thickness, the proposed cooling method offers the possibility of setting and maintaining any desired cooling intensity and, in particular, of using water as the coolant.
  • the process is characterized by the constant controlled reduction of coolant exposure during the cooling process.
  • the influencing of the coolant supply during the cooling process can also be carried out in the sense of a control loop, the electronic control system being given a time-dependent target profile of the surface temperature of the hollow body to be cooled.
  • the default values depend on the material. In this case, sensors for temperature measurement must be provided in the quenching system and connected to the electronic control. This enables the control system to automatically find the setting values for the control and shut-off valves of the cooling systems and to change them over time in accordance with the desired cooling process.
  • Hollow bodies e.g. steel tube 1 which are heated via a roller conveyor system 2 can be transported in the axial direction (possibly also rotating and / or reversing) within a housing 3.
  • Several coolant supply systems 4, 5, 6 are arranged at a distance from one another in a ring around the hollow body axis.
  • the coolant supply systems 4, 5, 6 are equipped with individual spray nozzles, the aperture of which is selected differently in order to to be able to apply very large and small quantities to the hollow body to be cooled. Due to the control and shut-off valves (motor valve 10, solenoid valve 11) arranged in the coolant supply lines, the amount of coolant in each ring spray nozzle system 4, 5, 6 can be varied or completely interrupted within the control range.
  • the control of the valves 10, 11 takes place via the control lines 9 emanating from the electronic control device 8 (eg process computer).
  • the control device 8 can be controlled via the input / output unit 12 with control programs and technological data 13 for the description of the desired cooling process and the ones to be treated Hollow body 1 are supplied.
  • a temperature sensor 7 for determining the surface temperature of the hollow body 1 is arranged within the housing 3 and is connected to the process computer 8 for control purposes.
  • the figure does not show that the drives for the conveyor system 2 can also be controlled by the process computer 8 in order to set the transport speed and / or to change the transport direction for a reversing operation.
  • the operation of the system shown, in which water is used as the coolant, is carried out in such a way that the hollow body provided for the heat treatment, e.g. Coming from a furnace with the roller conveyor 2 coming from the right into the cooling system and entering the free annular surface of the coolant supply systems 4, 5, 6.
  • the coolant supply systems 4, 5, 6 in the first cooling phase are e.g. all operated together at full power while the hollow body 1 moves through the injection planes of the systems 4, 5, 6. If necessary, several passes are reversed until a reduction in the specific coolant supply is necessary.
  • the time for this is either fixed (control) or is determined during the cooling process by means of a temperature measurement (control).
  • coolant supply is throttled while the hollow body is continuously being moved, and the most powerful cooling systems can be switched off completely if necessary.
  • coolant supply systems can be provided which, e.g. Spray or inflate air / water mixtures or only compressed air or an inert compressed gas onto the cooling zone.
  • cooling water of 15 ° C is used in the initial phase of cooling
  • cooling water of 50-80 ° C for example, can be used before the Leidenfrost temperature is reached.
  • the Leidenfrost temperature shifts to lower values, so that by maintaining the film evaporation, a milder cooling is ensured than with the bubble evaporation that would otherwise occur.
  • the waste heat of the hollow bodies to be cooled is expediently used to heat the coolant.
  • the electronically controlled switchover to different coolant supply systems ensures, with the controllability of the coolant flow, the achievement of any cooling intensities that correspond to those of oil or are even milder.
  • a single powerful cooling system e.g. can work on the basis of a laminar water curtain, work is carried out, and it is gradually switched to less powerful cooling systems.
  • cooling conditions can be set in any way which correspond to or are even milder than those of oil baths without being expensive or problematic Cooling media must be used. Rather, water and water / air mixtures can be used cheaply and in an environmentally friendly manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von Hohlkörpern, insbesondere von Rohren oder Behältern aus Stahl, wobei auf die äußere Oberfläche ein Kühlmittel aufgebracht wird und die Kühlmittelmenge während des Abkühlens vermindert wird. Um eine Vergleichmäßigung der Abkühlung zu erreichen, wird erfindungsgemäß spätestens mit Erreichen des Bereiches der Leidenfrost-Temperatur in der Kühlzone eine scharfe Drosselung der Kühlmittelzufuhr vorgenommen, wobei der zeitliche Verlauf der spezifischen Kühlmittelmenge V in Abhängigkeit verschiedener Parameter errechnet und gesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von Hohlkörpern (Rohre oder Behälter) aus Stahl im Rahmen einer Wärmebehandlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Es ist bekannt, das Abschrecken von erhitzten Rohren oder Behältern aus Stahl zum Härten durch Eintauchen in Flüssigkeitsbäder (z.B. Öl oder Aquatensite) oder durch Aufspritzen von Wasser oder Wasser/Luft-Gemischen zu bewirken. Sehr gute Ergebnisse werden auch dadurch erzielt, daß derartige Hohlkörper unter einem laminaren Wasservorhang abgekühlt werden. Der Umstand, daß die Kühlwirkung während des gesamten Abkühlvorgangs in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur der Hohlkörper starken Änderungen unterworfen ist, wird bisher lediglich insoweit berücksichtigt, als bestimmte Werkstoffe, bei denen eine Wasserabschreckung zu schroff wäre und in der Oberfläche zu Härterissen führen würde, mit Kühlmedien behandelt werden, denen wie beispielsweise Öl von vornherein eine verminderte Kühlwirkung zukommt.
  • Es ist darüber hinaus allgemein bekannt, daß beim Abkühlen von Hohlkörpern aus Stahl anfangs in der Regel eine schnellere Temperaturabnahme im Hohlkörper als am Ende einer Wärmebehandlungsmaßnahme stattfindet. Diese Wirkung tritt bei Verwendung von Wasser- oder Ölbädern zur Abkühlung ohne äußeres Zutun ein. Die Bestrebungen zur Verbesserung von Abkühlvorgängen gingen daher bisher im allgemeinen in Richtung einer weiteren Intensivierung der Kühlwirkung.
  • In der DE-OS 20 40 610 wird beispielsweise vorgeschlagen, zur Erzielung einer schnellen und äußerst wirksamen Kühlung geringe Mengen von Wasser in einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom einzuspritzen und den gebildeten Zerstäubungsstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des abzukühlenden Gegenstandes aufzusprühen. Dies führt zu einer deutlich schrofferen Abkühlung als eine Wasserbadkühlung.
  • Aus der DE-OS 32 17 081 ist es darüberhinaus bekannt, zur Abkühlung von Stahlrohren Spritzdüsen zum Aufspritzen von z.B. Kühlwasser auf die Rohroberfläche zu verwenden, wobei am Anfang der Abkühlung größere Spritzdüsen eingesetzt werden. Sinn dieser Maßnahme ist wiederum die Intensivierung der Kühlwirkung, die insbesondere als notwendig dafür angesehen wird, den zu Beginn der Abkühlung auf der Rohroberfläche gebildeten Dampffilm (Filmverdampfung) zu entfernen, da dieser eine noch schnellere Wärmeabfuhr behindert.
  • Ferner ist aus der DE-OS 30 37 639 ein Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken aus Stahl in einem Ölbad bekannt, bei dem durch zeitweilige Durchwirbelung des Kühlmittelbades während der Filmverdampfung eine intensivere Kühlung erzielt werden soll.
  • In der praktischen Anwendung werden häufig aufgrund der verwendeten, nicht entsprechend einstellbaren betrieblichen Einrichtungen zur Abkühlung Werkstücke mit unterschiedlicher Wanddicke aus unterschiedlichen Werkstoffen mit ein und demselben Kühlmittel im Hinblick auf das Wärmebehandlungsergebnis (Gefügeausbildung) in wenig günstiger Weise abgekühlt. Dies ist eine Folge davon, daß es beim Einsatz von Wasser, Öl oder ähnlichen Kühlmitteln z.B. in Form von Kühlmittelbädern zu im Zeitverlauf unterschiedlichen Kühlintensitäten kommt, die im Werkstück ungleichförmige und nicht kontrollierbare Abkühlgeschwindigkeiten verursachen.
  • Die Ursache liegt in den während des Abkühlens sich ständig ändernden Wärmeübergangsbedingungen, die eine Funktion der Oberflächentemperatur und des Temperaturgradienten im Werkstück sind. Wenn beispielsweise Werkstücke aus dem gleichen Werkstoff aber mit unterschiedlicher Wanddicke nach derselben Kühlmethode in demselben Kühlmedium abgekühlt werden, ergeben sich vielfach unterschiedliche technologische Eigenschaften der behandelten Werkstücke. Es ist leicht einsehbar, daß bei unterschiedlichen Wanddicken nicht nur infolge des unterschiedlichen Wärmewiderstandes der Werkstückwände sondern auch als Folge des unterschiedlichen Temperaturgradienten unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten auftreten und daher unterschiedliche Gefügeausbildungen verursachen. Dieser Sachverhalt wurde in bekannten Kühlverfahren bisher nicht ausreichend beachtet, sondern als unveränderlich hingenommen.
  • Wie bereits erwähnt, erfolgt im Regelfall lediglich eine grundsätzliche Auswahl des einzusetzenden Kühlmittels, also die Vorgabe, ob ein Werkstoff in Wasser, Öl, an Luft oder in ähnlichen Kühlmitteln abzukühlen ist. So wird etwa für eine Reihe von Stählen das Abschrecken in Öl von vornherein vorgeschrieben, um die gewünschte Gefügeausbildung zu erreichen. Ein Beispiel für eine solche Vorschrift ist das VDTÜV-Werkstoffblatt Nr. 431 (Ausgabe 3/88). Diese Werkstoffe werden dementsprechend auch als "ölhärtende Stähle" bezeichnet. Ein Abschrecken durch Tauchen der erhitzten Werkstücke aus solchen Werkstoffen in Wasser würde eine zu schroffe Abkühlung bewirken, die mit der Bildung von Rissen (Härterisse) in der Werkstückoberfläche verbunden wäre.
  • Im Vergleich zum Kühlmedium Wasser erfordert z.B. Öl einen erheblich höheren Aufwand im Hinblick auf die Anlagentechnik, den Betrieb, die Pflege und Entsorgung der Kühlmittelvorrichtungen, zumal sowohl das Öl selbst als auch die im Betrieb entstehenden Dämpfe und Verbrennungsprodukte umweltschädigend sein können. Derartige Probleme bringt das Kühlmedium Wasser nicht mit sich.
  • Auf der anderen Seite besteht beim Einsatz des Kühlmittels Öl gelegentlich der Wunsch, zumindest zeitweilig eine stärkere Kühlwirkung im Abschreckprozeß zu erzielen, als es dieses Kühlmittel zuläßt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die aufgezeigten Mängel möglichst zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren anzugeben, mit dem Rohre und Behälter mit hoher Gleichmäßigkeit In der gewünschten Intensität abgekühlt werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 - 10 angegeben. Gemäß Anspruch 11 wird das Verfahren mit besonderem Vorteil für das Abschrecken von ölhärtenden Stählen eingesetzt.
  • Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß auch mit Kühlmedien, denen an sich eine gegenüber Öl von vornherein höhere Kühlintensität zukommt, also insbesondere bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel eine gedrosselte Kühlwlrkung möglich ist, wenn die Kühlmittelzufuhr in geeigneter Weise beschränkt wird. Es kommt nicht nur darauf an, die spezifische Kühlmittelmenge, d.h. die pro Zeiteinheit auf die Flächeneinheit der Oberfläche des abzukühlenden Hohlkörpers aufzubringende Kühlmittelmenge auf einen ausreichend niedrigen Wert zu bringen, sondern diese Drosselung der spezifischen Kühlmittelmenge ist auch rechtzeitig einzustellen, da zu Beginn der Abkühlung vielfach ein schroffes Abschrecken erwünscht ist. Dabei ist zu beachten, daß sich der Wärmeübergangskoeffizient im Bereich der Leidenfrosttemperatur, bei der das Kühlmittel die Oberfläche des zu kühlenden Hohlkörpers zu benetzen beginnt, drastisch erhöht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die kontrollierte stufenweise oder auch ggf. stetige Reduzierung der Kühlmittelbeaufschlagung während des Abkühlvorganges aus. Es vermeidet nicht nur Härterisse in ölhärtenden Stählen, es ist auch, da es hauptsächlich mit Wasser - ggf. in Verbindung mit Druckluft - arbeitet, billig in der Anwendung. Es ist vorzugsweise geeignet, die Ölkühlung zu ersetzen, und bietet darüberhinaus auch die Möglichkeit einer Kühlintensitätssteigerung. Dadurch können Werkstoffe, die in Öl bisher etwas zu langsam abkühlen, besser ausgenutzt werden, d.h. bei unveränderter Zusammensetzung mit besseren technologischen Eigenschaften versehen werden, so daß die teure Entwicklung neuer Werkstoffe teilweise überflüssig wird.
  • Die Schwächen herkömmlicher Kühlverfahren zeigen sich deutlich an den in Figur 1 dargestellten Versuchsergebnissen für eine Kühlung mit einem laminaren Wasservorhang und eine Spritzdüsenkühlung. Bei diesen Versuchen wurde jeweils ein Zylinder von 200 mm Durchmesser und 87,5 mm Wanddicke aus austenitischem Stahl X 5 CrNi 18 9 beschleunigt abgekühlt. Die spezifische Kühlmittelmenge des laminaren Wasservorhangs wurde auf konstant 37 m³/h je m Länge des Zylinders eingestellt, der mit einer Drehzahl von 60 U/min rotierte. Die hierdurch erzielte Abkühlgeschwindigkeit ist, wie die untere Kurve deutlich zeigt, sehr hoch. Bereits nach 40 sec ist die Temperatur von etwa 830 °C auf 250° C abgesunken. Die Temperaturmessung erfolgte dabei innerhalb der Zylinderwand etwa 5 mm unterhalb der Außenoberfläche.
  • Zum Vergleich wurde an dem gleichen Probekörper eine erheblich mildere Abkühlung vorgenommen, indem das Kühlwasser (mit gleicher Anfangstemperatur) mittels einer Vollkegelspiraldüse auf die Zylinderoberfläche aufgespritzt wurde.
  • Während der Zylinder mit einer Drehzahl von 80 U/min rotierte, betrug die spez. Kühlmittelmenge konstant etwa 127 l/m² je Minute. Die obere Meßkurve zeigt bis in den Temperaturbereich von etwa 600 °C erwartungsgemäß eine geringe Abkühlgeschwindigkeit. Sie beträgt nur etwa ein Zehntel der Abkühlgeschwindigkeit in der Anfangsphase der Laminarkühlung. Unterhalb von 600 °C steigt die Abkühlgeschwindigkeit jedoch drastisch an und erreicht Werte in der Größenordnung der Anfangsphase bei Laminarkühlung. Erst unterhalb von 200 °C ist wieder eine langsame Abkühlung festzustellen.
  • An diesen Versuchen wird deutlich, daß die herkömmlichen Kühlmethoden nicht geeignet sind, gerade in dem für die Gefügeausbildung entscheidenden Temperaturbereich ausreichend milde Abkühllntensitäten sicherzustellen. Dies wird erst durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise erreicht, die in dem Temperaturbereich, der einen drastischen Anstieg der Abkühlintensität mit sich bringen würde, eine scharfe Drosselung der spezifischen Kühlmittelmenge vorsieht.
  • Mit dem vorgeschlagenen Kühlverfahren können die z. Z. bekannten Vergütewerkstoffe besser ausgenutzt werden, weil die für eine optimale Gefügeausbildung notwendigen Abkühlgeschwindigkeiten exakt vorgegeben und praktisch realisiert werden können. Das vorgeschlagene Kühlverfahren ermöglicht gleichmäßige Abkühlgeschwindigkeiten ohne plötzliche und unkontrollierbare Schwankungen. Eine Zunahme der Abkühlgeschwindigkeit bei Erreichen einer bestimmten Temperatur, so z.B. bei einer Phasenumwandlung oder insbesondere bei der Leidenfrosttemperatur kann verhindert werden. Das vorgeschlagene Kühlverfahren bietet durch die ständige Anpassung der spezifischen Kühlmittelmenge an die augenblickliche Oberflächentemperatur bei vorgegebener Wanddicke die Möglichkeit, jede gewünschte Kühlintensität einzustellen und einzuhalten und dabei als Kühlmittel insbesondere Wasser zu verwenden. Kennzeichnend fur das Verfahren ist die ständige kontrollierte Reduzierung der Kühlmittelbeaufschlagung während des Abkühlvorganges.     
        
        
        
        
        
        
        
        
        
  • Alternativ zum Nachfahren einer vorgegebenen Zeitreihe für die spezifische Kühlmittelmenge kann die Beeinflussung der Kühlmittelzufuhr während des Abkühlvorgangs auch im Sinne eines Regelkreises durchgeführt werden, wobei der elektronischen Steuerung ein zeitabhängiger Sollverlauf der Oberflächentemperatur des abzukühlenden Hohlkörpers vorgegeben wird. Die Vorgabewerte sind materialabhänglg. In diesem Fall sind in der Abschreckanlage Sensoren zur Temperaturmessung vorzusehen und mit der elektronischen Steuerung zu verbinden. Die Steuerung ist dadurch in der Lage, die Einstellwerte für die Regel- und Absperrventile der Kühlsysteme selbsttätig aufzufinden und entsprechend dem angestrebten Abkühlverlauf zeitlich zu verändern.
  • Es ist auch möglich, eine Kombination von Steuerung und Regelung der Kühlmittelzufuhr anzuwenden, indem z.B. in der Anfangsphase des Abschreckvorgangs, in der eine schroffe Abkühlung erwünscht ist, im Sinne einer Steuerung, also mit fest vorgegebenen Einstellwerten der Ventile gearbeitet und erst später auf eine Regelung in Abhängigkeit von der tatsächlichen Temperatur und der Abkühlzeit übergegangen wird. Gerade in der Anfangsphase bietet es sich an, zur Erzielung einer möglichst wirksamen Abkühlung mit einem laminaren Wasservorhang zu arbeiten. Da ein solcher laminarer Wasservorhang nicht in der erforderlichen Weise auf geringe Abkühlleistungen regelbar ist, muß im Verlauf des Abkühlvorgangs auf andere Kühlsysteme (z.B. Ringspritzdüsensysteme) umgeschaltet werden, was dadurch geschehen kann, daß der abzukühlende Hohlkörper mit Erreichen einer kritischen Temperatur programmgesteuert von der Laminarkühlstation zu einer anderen Abkühlstation transportiert wird.
  • Anhand des in Figur 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer Abkühlanlage wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.
  • Innerhalb eines Gehäuses 3 sind über ein Rollenfördersystem 2 erwärmte Hohlkörper (z.B. Stahlrohr 1) in axialer Richtung (ggf. auch rotierend und/oder reversierend) transportierbar. Ringförmig um die Hohlkörperachse sind mehrere Kühlmittelzufuhrsysteme 4, 5, 6 im Abstand voneinander angeordnet. Die Kühlmittelzufuhrsysteme 4, 5, 6 sind mit Einzelspritzdüsen bestückt, deren Apertur unterschiedlich gewählt ist, um gestufte Kühlmittelmengen, d.h. sehr große und auch kleine Mengen auf den abzukühlenden Hohlkörper aufbringen zu können. Durch die in den Kühlmittelzuführleitungen angeordneten Regel- und Absperrventile (Motorventil 10, Magnetventil 11) kann die Kühlmittelmenge jedes Ringspritzdüsensystems 4, 5, 6 innerhalb des Regelbereichs variiert oder ganz unterbrochen werden.
  • Die Ansteuerung der Ventile 10, 11 erfolgt über die von der elektronischen Steuereinrichtung 8 (z.B. Prozeßrechner) ausgehenden Steuerleitungen 9. Die Steuereinrichtung 8 kann über die Ein-/Ausgabeeinheit 12 mit Steuerprogrammen und technologischen Daten 13 für die Beschreibung des gewünschten Abkühlvorgangs und der zu behandelnden Hohlkörper 1 versorgt werden. Für den Fall, daß die Prozeßführung in Form eines Regelkreises gestaltet werden soll, ist ein Temperatursensor 7 zur Ermittlung der Oberflächentemperatur des Hohlkörpers 1 innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet und steuerungsmäßig mit dem Prozeßrechner 8 verbunden. In der Abbildung ist nicht dargestellt, daß auch die Antriebe für das Fördersystem 2 vom Prozeßrechner 8 angesteuert sein können, um die Transportgeschwindigkeit einzustellen und/oder die Transportrichtung für einen reversierenden Betrieb zu verändern.
  • Der Betrieb der dargestellten Anlage, in der als Kühlmittel Wasser eingesetzt wird, erfolgt in der Weise, daß der zur Wärmebehandlung vorgesehene Hohlkörper in erhitztem Zustand z.B. aus einem Ofen mit dem Rollenförderer 2 von rechts kommend in die Abkühlanlage transportiert wird und in die freie Ringfläche der Kühlmittelzuführsysteme 4, 5, 6 einläuft. Entsprechend den in den Prozeßrechner eingegebenen und ggf. umgerechneten Vorgabedaten für die Ventilansteuerung werden die Kühlmittelzuführsysteme 4, 5, 6 in der ersten Abkühlphase z.B. alle zusammen mit voller Leistung betrieben, während sich der Hohlkörper 1 durch die Spritzebenen der Systeme 4, 5, 6 hindurchbewegt. Gegebenenfalls werden reversierend mehrere Durchläufe ausgeführt, bis eine Verminderung der spezifischen Kühlmittelzufuhr notwendig ist. Der Zeitpunkt hierfür ist entweder fest vorgegeben (Steuerung) oder wird während des Abkühlvorgangs über eine Temperaturmessung (Regelung) ermittelt.
  • Entsprechend den technologischen Erfordernissen wird die Kühlmittelzufuhr, während der Hohlkörper ständig weiterbewegt wird, gedrosselt, wobei die leistungsstärksten Kühlsysteme bei Bedarf völlig abgeschaltet werden können. Um besonders milde Kühleffekte zu realisieren, die insbesondere nach Erreichen der Leidenfrosttemperatur wünschenswert sind, können Kühlmittelzufuhrsysteme vorgesehen sein, die z.B. Luft/Wasser-Gemische oder auch nur Druckluft oder ein inertes Druckgas auf die Kühlzone aufspritzen bzw. aufblasen.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Verminderung der Kühlwirkung ist darin zu sehen, vor Erreichen einer kritischen Abkühltemperatur im Hohlkörper auf die Zufuhr von Kühlmittel mit einer erhöhten Temperatur umzuschalten. Wenn beispielsweise in der Anfangsphase der Abkühlung mit Kühlwasser von 15 °C gearbeitet wird, so kann vor Erreichen der Leidenfrost-Temperatur mit Kühlwasser von z.B. 50-80 °C weitergekühlt werden.
  • Hierdurch verschiebt sich die Leidenfrost-Temperatur zu tieferen Werten, so daß durch Aufrechterhaltung der Filmverdampfung eine mildere Abkühlung als bei der sonst einsetzenden Blasenverdampfung gewährleistet wird. Zur Erwärmung des Kühlmittels wird zweckmäßig die Abwärme der abzukühlenden Hohlkörper verwendet.
  • Die elektronisch gesteuerte Umschaltung auf unterschiedliche Kühlmittelzufuhrsysteme gewährleistet mit der Regelbarkeit des Kühlmittelstromes die Erzielung beliebiger Abkühlintensitäten, die denen von Öl entsprechen oder sogar noch milder ausfallen.
  • Zu Beginn der Abkühlung kann auch mit einem einzigen leistungsstarken Kühlsystem, das z.B. auf der Basis eines laminaren Wasservorhangs arbeiten kann, gearbeitet werden, und es wird nach und nach auf leistungsschwächere Kühlsysteme umgeschaltet.
  • Anstelle eines Reversierbetriebes ist es grundsätzlich auch möglich, die gewünschte Abkühlung in einem Durchgang (Durchlaufbetrieb) zu erzielen. Hierzu müssen entsprechend viele Kühlmittelzuführsysteme, in geeignetem Abstand voneinander angeordnet werden, und die Transportgeschwindigkeit des abzukühlenden Hohlkörpers 1 muß ausreichend niedrig sein. Vorzugsweise sollten die einzelnen Spritzdüsen entgegen der Förderrichtung des Hohlkörpers geneigt sein, um möglichst gleichbleibende Abkühlbedingungen zu gewährleisten.
  • Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch die Berücksichtigung des temperaturabhängig sich verändernden Wärmeübergangskoeffizienten bei der Beeinflussung der aufgebrachten spezifischen Kühlmittelmenge in beliebiger Weise Abkühlbedingungen einstellbar sind, die denen von Ölbädern entsprechen oder sogar noch milder sind, ohne daß teure oder problematische Kühlmedien verwendet werden müssen. Vielmehr kann mit Wasser und Wasser/Luft-Gemischen billig und umweltfreundlich gearbeitet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Abkühlen von Hohlkörpern, insbesondere von Rohren oder Behältern aus Stahl im Rahmen einer Wärmebehandlung, wobei in dem jeweils abzukühlenden Bereich (Kühlzone) auf die äußere Oberfläche der Hohlkörper ein nichtbrennbares Fluid als Kühlmittel durch Übergießen, Aufspritzen oder Aufblasen aufgebracht wird und wobei die auf die Kühlzone aufgebrachte spezifische Kühlmittelmenge V während der Abkühlung fortlaufend oder in Intervallen tendenziell vermindert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß spätestens mit Erreichen des Bereichs der Leidenfrosttemperatur in der Kühlzone eine scharfe Drosselung der Kühlmittelzufuhr, insbesondere eine Drosselung auf unter 30 % der ursprünglichen spezifischen Kühlmittelmenge V erfolgt, wobei der zeitliche Verlauf der spezifischen Kühlmittelmenge V in Abhängigkeit von der anfänglichen Oberflächentemperatur T, der Wanddicke s und der Materialart der Hohlkörper sowie der Kühlmitteltemperatur Tu anhand von Vorgabewerten zur Erzielung eines gewünschten zeitlichen Temperaturverlaufs in den Hohlkörpern errechnet und gesteuert und/oder
durch Vergleich der sich ständig ändernden Oberflächentemperatur T der Kühlzone mit dem gewünschten Solltemperaturverlauf in einem Regelkreis angepaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Kühlmittel zumindest in der Anfangsphase der Abkühlung Wasser verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Kühlmittel nach Erreichen der Leidenfrosttemperatur ein Luft/Wasser-Gemisch verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß während der Abkühlung von Kühlmittelzufuhrsystemen größerer Mengenleistung auf solche kleinerer Leistung umgeschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß während der Abkühlung zur Verminderung der Kühlwirkung auf die Zufuhr von Kühlmittel mit gegenüber der Anfangstemperatur deutlich erhöhter Temperatur umgeschaltet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erhöhte Temperatur bei Wasser als Kühlmittel 50 - 80 °C beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturerhöhung des Kühlmittels unter Ausnutzung der Abwärme des Hohlkörpers erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die spezifische Kühlmittelmenge V durch eine auf die Kühlmittelzufuhr einwirkende elektronische Steuereinrichtung verändert wird.     
    
    
    
    
    
    
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