Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von nahtlos auf Radial- Axial-Ringwalzmaschinen hergestellten Ringen

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von nahtlos auf Radial-Axial-Ringwalzmaschinen hergestellten Ringen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zur Abkühlung von warm umgeformten heißen Ringen zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Herstellung von nahtlosen Ringen auf Radial-Axial-Ringwalzmaschinen werden üblicherweise die Ringrohlinge bei einer Temperatur von 900 - 1200 ⁰ C in die Ringwalzmaschine eingelegt und auf einen Außendurchmesser von vorzugsweise 0,2 - 10 m gewalzt. Nach dem Walzen werden die Ringe üblicherweise zwischengelagert und dabei meist bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Rahmen der sich anschließenden Wärmebehandlung ist es dann erforderlich, den Ring erneut bis zur. Austenitisierungstemperatur aufzuheizen und von dort aus zur Herstellung eines feinkörnigen und gleichmäßigen Gefüges abzukühlen. Die zusätzliche Wärmebehandlung ist mit einem hohen Aufwand und einem erheblichen Energiebedarf verbunden.

Aus der EP 413 163 Bl ist ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von thermomechanisch behandeltem Walzgut aus Stahl bekannt, wobei die Umformung des Walzgutes zwischen Raumtemperatur und 930 ⁰ C erfolgt und zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften in einer nachgeschalteten Kühleinrichtung eine beschleunigte Kühlung des Walzgutes mit Hilfe von Kühlmedien wie Wasser, Luft oder Wasser-/Luftgemisch vorgenommen wird. Dieses Verfahren ist nur für die Herstellung von Flach- und Langprodukten sowie Walzdraht vorgesehen. Die genaue Art der Kühlung ist dabei nicht beschrieben.

Aus der koreanischen Schrift KR 1005661118 Bl ist außerdem ein Ringwalzverfahren mit anschließendem Erhitzen des gewalzten Ringes in einem Ofen und Abkühlen des Ringes in einem Tauchbad ersichtlich, wobei der

Durchmesser des Ringes zwischen 4.500 und 9.300 mm und die Höhe zwischen 300 und 280 mm liegen soll. Auch hier ist die energieaufwändige erneute Erwärmung des Ringes vor der abschließenden Tauchkühlung beschrieben.

Aus der DE 33 14 847 Al ist ein Verfahren zur Fertigung nahtloser Ringe mit verbesserten Federeigenschaften durch Warmumformung mit nachfolgendem Vergüten beschrieben. Derartige Federstähle müssen ganz spezielle Eigenschaften haben und werden auch bestimmten mehrstufigen Behandlungen unterzogen. Hierbei handelt es sich um relativ komplizierte Vorgänge.

In der DE 1 964 795 B ist außerdem ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Stählen unmittelbar aus der Verformungswärme mit beschleunigter Abkühlung bekannt, wobei ebenfalls eine zweistufige Abkühlung vorgenommen wird, indem zunächst das warm umgeformte Gut von einer Verformungs-Endtemperatur von 880° - 950° C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 50° - 25° C pro Sekunde auf eine Temperatur abgekühlt wird, die 40° - 10° C über dem AI-Punkt, d. h. etwa bei 710° - 740° C liegt. Diese Temperatur soll dann für 1 - 20 Minuten gehalten werden. Anschließend wird beschleunigt bis unter den Martensit-Punkt abgekühlt, d. h. bis unter eine Temperatur von ca. 320° C.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, insbesondere den Aufwand und den Energieverbrauch bei der Herstellung von nahtlos gewalzten Ringen mit einem feinkörnigen und gleichmäßigen Gefüge zu verringern.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der heiße Ring unmittelbar nach dem Walzen ohne Zwischenerwärmung vorzugsweise in einem Tauchbecken oder einem nicht gefüllten Kühlbehälter in kurzer Zeit von einer Temperatur knapp oberhalb der Umwandlungstemperatur im Austenitgebiet gesteuert auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt wird. Hierbei wird unter Verzicht auf eine zusätzliche Wärmebehandlung und unter Ausnutzung der Walzhitze für die Gefügeumwandlung eine Verringerung der Prozessschritte und eine erhebliche Einsparung der für die übliche Wärmebehandlung benötigten Energie erreicht. Es hat sich gezeigt, dass auch ohne diese zusätzliche Wärmebehandlung unter Einhaltung bestimmter Abkühlungsparameter und unter Einhaltung einer genau

vorgegebenen Tauch- bzw. Kühlzeit ein ausreichend gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge nach dem Abkühlen bzw. Abschrecken erhalten werden kann. Um diese genauen Parameter einhalten zu können, wird erfindungsgemäß die Temperatur des Ringes vor und/oder nach der Abkühlung, vorzugsweise direkt vor dem Tauchbad bzw. Kühlbehälter mit einem Strahlungspyrometer gemessen und die Tauchzeit bzw. Kühlzeit vorzugsweise in Abhängigkeit von der vor dem Tauchen bzw. Kühlen gemessenen Temperatur des Ringes und der Kühlflüssigkeit eingestellt. Durch die überwachung der Temperatur des Ringes vor dem Tauchbzw. Kühlvorgang kann insbesondere auch verhindert werden, dass der Ring mit einer zu niedrigen Temperatur, die unterhalb der Umwandlungstemperatur liegt, eingetaucht bzw. gekühlt wird. Für diesen Fall wird der Ring zunächst wieder auf die erforderliche Temperatur erhitzt.

Um ein ausreichend schnelles Abkühlen bzw. Abschrecken des Ringes im Tauchbecken oder Kühlbehälter zu erreichen, wird erfindungsgemäß außerdem vorgeschlagen, den Ring über entlang des Ringumfanges gleichmäßig verteilte Düsen unter erhöhtem Druck mit Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser zu beaufschlagen. Die unter Druck beaufschlagte Kühlflüssigkeit kann dabei örtlich und/oder mengenmäßig genau eingestellt werden; das hängt dann von den individuellen Abmessungen (Durchmesser, Dicke und Querschnittsform) des gewalzten Ringes ab. Im Bedarfsfall können auch mehrere Tauch- oder Kühlvorgänge nacheinander durchgeführt werden, wobei auch der zu kühlende Ring während des Tauch- oder Kühlvorganges durch Drehen, Heben und Senken bewegt werden kann.

Die Vorrichtung zur Abkühlung der warm umgeformten heißen Ringe besteht aus einem mit Kühlflüssigkeit gefüllten Tauchbecken oder einem nicht gefüllten Kühlbehälter, einem mit einer Hubvorrichtung absenkbaren Träger und erfindungsgemäß aus im Tauchbecken oder Kühlbehälter an ein oder mehreren Ringleitungen gleichmäßig verteilten Druckdüsen zur gezielten Beaufschlagung der Kühlflüssigkeit auf mindestens eine der ringförmigen Oberflächen des Ringes. Mit den z.B. als Dralldüsen ausgebildeten Druckdüsen kann eine ganz gezielte Abkühlung an der Oberfläche des Ringes erreicht werden, so dass das feinkörnige Austenitgefüge in das in der späteren Bauteilfunktionszone gewünschte

Umwandlungsgefüge transformiert wird. Durch die hohen Auftreffgeschwindigkeiten der Kühlflüssigkeit wird insbesondere bei Wasser als Kühlflüssigkeit der isolierende Dampffilm weitgehend zerstört, der sich durch das Leidenfrostphänomen zu Beginn der Abkühlung bilden und den Wärmeübergang drastisch reduzieren kann. Dadurch wird die Abkühlgeschwindigkeit schon zu Beginn des Kühlprozesses, also noch bei hohen Ringtemperaturen maximiert. Es hat sich als günstig erwiesen, am Boden des Tauchbeckens oder Kühlbehälters mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Ringleitungen mit gleichmäßig verteilten Druckdüsen anzuordnen, wobei der Durchmesser der Ringleitungen im Wesentlichen dem Durchmesser der jeweils zu kühlenden Ringe entspricht. Hierbei kann jede Ringleitung separat angesteuert werden, so dass Ringe mit unterschiedlichsten Durchmessern, Dicken und Höhen gezielt gekühlt werden. Die Volumenströme lassen sich ebenfalls regeln, um auch die Auftreffgeschwindigkeiten entsprechend anzupassen. Sobald die Ringtemperatur soweit abgesunken ist, dass die Phase der Filmverdampfung verlassen ist und die des abschreckungsintensiven Blasensiedens beginnt, kann die Anströmgeschwindigkeit reduziert werden. Im Temperaturbereich der Konvektionsphase lässt sich mit Hilfe der Bedüsung einerseits der konvektive Wärmeübergang unterstützen und zum anderen wird neben der Wasserbadtemperatur auch die Temperatur der Ringoberfläche vergleichmäßigt. Der gewalzte Ring kann für den Tauch- oder Kühlvorgang auf einem Träger aus radial verlaufenden Leisten oder einem Gitter abgelegt werden. Zur Messung der Temperatur des auf dem Träger liegenden heißen Ringes ist vorzugsweise unmittelbar oberhalb der Kühlflüssigkeit auf der Höhe des Trägers ein Strahlungspyrometer angeordnet. Das Tauch- oder Kühlbecken kann insbesondere entsprechend der Geometrie der gewalzten Ringe rund und/oder ringförmig ausgebildet sein.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Fig. 1 - 2 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Tauchbecken 2 Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch das Tauchbecken 2 nach Fig. 1 mit der schematischen Anordnung der erfindungsgemäßen Anlage.

Der heiße in der nicht dargestellten Radial-Axial-Ringwalzmaschine hergestellte Ring 1 wird mit Hilfe eines Kranes 3 auf dem Träger 5 der Hubvorrichtung 4 abgelegt. In dieser Aufnahmeposition befindet sich der Träger 5 direkt über der Oberfläche der Kühlflüssigkeit 8 des Tauchbeckens 2. Nach Messung der Temperatur des heißen Ringes 1 mit Hilfe des Strahlungspyrometers 6 und nach Bestimmung der Temperatur der Kühlflüssigkeit 8 mit Hilfe des Temperaturmeßgerätes 7 wird in der Steuereinheit 10 zusammen mit der Ringgeometrie und der zu erzielenden Umwandlungstemperatur über einen Algorithmus die Soll-Abtauchzeit ermittelt. Der auf dem Träger 5 aufliegende heiße Ring 1 wird im direkten Anschluss daran mit Hilfe der Hubvorrichtung 4 in das Tauchbecken 2 getaucht und solange im Tauchbecken 2 gehalten bis die berechnete Soll-Abtauchzeit erreicht ist. Anschließend wird der Ring 1 wieder aus dem Tauchbecken 2 gehoben und die Ringtemperatur mit dem Strahlungspyrometer 6 erneut gemessen. Falls erforderlich kann der Abtauchvorgang wiederholt werden. Das kann insbesondere bei Ringen 1 aus Stahlsorten erforderlich sein, die einen höheren Legierungsgehalt und damit eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzen, die damit aber auch umwandlungsträger sind. Dabei hat es sich als sinnvoll erwiesen, nach jedem Auftauchen den Ring 1 außerhalb des Tauchbeckens 2 zu halten, damit der Temperaturgradient zwischen Rand und Kern des Ringes 1 durch die aus dem Ringkern nachfließende Wärme sich verringert. Dabei kann insbesondere die Oberflächentemperatur kontinuierlich gemessen werden und bei Erreichen einer definierten Maximaltemperatur der Tauchvorgang wiederholt werden. Mit dieser zyklischen Fahrweise wird der zeitliche Unterschied bei der Gefügeumwandlung zwischen dem Randbereich und dem Kern des Ringes 1 und damit der Gefügeunterschied zwischen Rand und Kern verringert. Außerdem wird dadurch die Gefahr des Reißens infolge innerer Spannungen weitgehend vermieden.

Zur Verbesserung des Abschreckvorganges sind am Boden des Tauchbeckens 2 eine Reihe von Ringleitungen 11 mit am Umfang gleichmäßig verteilten Druckdüsen 13 konzentrisch zueinander angeordnet. Mit Hilfe dieser Druckdüsen 13 wird zu Beginn des Tauchvorganges gezielt Kühlflüssigkeit 8 auf die ringförmigen Oberflächen des Ringes 1 mit möglichst hohem Druck aufgebracht.

Insbesondere bei Wasser als Kühlflüssigkeit kann hierdurch der Abkühlvorgang beschleunigt werden, da es nicht zu dem so genannten „Leidenfrost-Effekt" kommt, der eine gewisse isolierende Wirkung an der Ringoberfläche erzeugen kann und zu einer starken Reduktion der abgeführten Wärmemenge führt. Die einzelnen Ringleitungen 11 sind über jeweils eigene Zuführungsleitungen 12 und Absperrventile mit dem äußeren nicht dargestellten Pumpensystem verbunden. Dadurch ist es möglich, jeweils nur die Ringleitung 11 mit den entsprechenden Druckdüsen 13 zu beaufschlagen, die etwa denselben Durchmesser hat wie der aufgelegte Ring 1. Auf jeder Ringleitung 11 sind die Druckdüsen jeweils so angeordnet, dass sie einerseits die untere Ringfläche und andererseits zumindest die beiden senkrechten inneren und äußeren Ringflächen mit Kühlflüssigkeit beaufschlagen.

In Fig. 2 ist zusätzlich noch eine schematisch Anzeigeeinheit 9 dargestellt, die einerseits die vom Strahlungspyrometer 6 gemessene Temperatur des Ringes 1 und andererseits die in der Steuereinheit 10 vorgegebene Tauchzeit in Sekunden anzeigt. Zusätzlich besitzt die Anzeigeeinheit 9 eine an sich bekannte

Ampelanlage, die dem Anlagenbediener bei grün Freigabe gibt, den

Tauchvorgang einzuleiten oder bei rot den Tauchvorgang verbietet, weil z. B. die Temperatur des Ringes bereits zu niedrig ist oder die Anlage eine Störung hat. Ein gelbes Signal zeigt dem Bediener die Betriebsbereitschaft der Anlage an.

Bezugszeichenliste: J _C)

1 Ring

2 Tauchbecken

; 3 Kran für 1

4 Hubvorrichtung für 5 und 1

5 Träger für 1 an 4

6 Strahlungspyrometer

7 Temperaturmessgerät für 8 i 8 Kühlflüssigkeit

Anzeigeneinheit

10 Steuereinheit

11 Ringleitung zur Zuführung von 8

12 Zuführungsleitung zu 11 i 13 Drückdüsen an 11