DE2032643A1

DE2032643A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ab schrecken von Stahldraht und dergl

Info

Publication number: DE2032643A1
Application number: DE19702032643
Authority: DE
Inventors: Jerome Monroeville Sallo Richard Lee Greenburg Pa Feinman (V St A)
Original assignee: USS Engineers and Consultants, Inc , Pittsburgh Pa (V St A )
Priority date: 1969-07-02
Filing date: 1970-07-01
Publication date: 1971-01-14
Also published as: GB1310957A; US3615083A; JPS4831447B1; BE752688A; FR2053957A5

Description

USS ENGINEERS AND CONSULTANTS, INC. PITTSBURGH, PENNSYLVANIEN,
WILLIAM PENN PLACE 525,
V. St. A.

Verfahren und Vorrichtung zum Abschrecken von Stahldraht

und dergl.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Abschrecken von Stahl in Stab- und Drahtform nach dem Patentierungsglühen, wobei insbesondere ein aus zwei Zonen bestehendes Fließbett Verwendung findet.

Bisher waren die Stahlstab- und Stahldrahtpatentierungsverfahren zeltlich kontinuierliche Mehrfachstrang-Arbeitsvorgänge, bei denen Stabstränge oder Drahtstränge durch einen Erwärmungsofen gezogen wurden und in Luft oder geschmolzenem Blei abgeschreckt wurden. Neuerdings entwickelte Verfahren wandeln diese Arbeitsweise ab, indem sie die Verfahrensechritte des Umspulens des heißen Stabs zu offenen Spulen, kontinuierliche Schleifen, sogenannte Spenoerspiilen,

Patentanwalt· Dipl.-Ing. Martin licht, Dipl.-Wirljch.-Ing. Axel Hanjnumn, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

einschließen, wenn der heiß© Stab aus dem Stabwalzwerk austritt, sowie das darauffolgende Kuhlen des Stabs mit Preßluft, wenn er in Spencerform zu einer Aufnahmestation transportiert wird. Diese Verfahrensweise führt zur Herstellung eines zufriedenstellenden patentierten Produkts bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (annähernd 0,20 bis 0,65 ⁰Jo Kohlenstoff), jedoch war bisher die Kühlgeschwindigkeit der Spencer-Drahtspulen nicht so groß, daß die gewünschten Eigenschaften für Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt (0,65 % und darüber) erhalten wurden» Das ursprüngliche mehrsträngige, geradläufige Patentierungsverfahren mit Bleiabschreckung führte zu einem zufriedenstellenden Stahlprodukt mit solch einem hohen Kohlenstoffgehalt.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Erzeugung eines patentierten Produkts wird der Stab oder Draht in Spencerform durch einen gasbeföuerten Rollenherdofen und dann durch eine Abschreckzone transportiert, die mit einem zwange geführt en Atmoiphäre-Gas-Strom arbeitete Auch dieses Verfahren ist jedoch unbefriedigend, da seine Kühlgeschwindigkeit nicht so groß ist, daß di@ gewünschten Patentierunge· eigenschaften in Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt erreicht werden.

Beide obigen bekannte» Verfahren^ baL denen das Produkt in Spencerform behandelt wird_$ sind hinsichtlich ihrer Kühlkapazität beschränkt und erzeugen deshalb ein Material, das eine zu große Menge groben P©rlits und Netswerkferrits aufweist. Dieses sich ergebende metallurgische 6®füga begrenzt den Umfang der zulässigen Kaltverformung, d@r das Produkt unterworfen werden kanu, und führt deshalb au einen Material mit geringerer Zugfestigkeit und Zähigkeit₀

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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen eine gesteuerte, relativ hohe Kühlgeschwindigkeit mit Hilfe eines aus zwei Zonen bestehenden Fließbetts erzeugt werden kann, um dadurch ein Stahlprodukt mit hohem Kohlenstoffgehalt herzustellen, das metallurgisch ein patentiertes Gefüge aufweist, welches in erster Linie feinen Perlit mit einem Minimum an grobem Perlit und Netzwerkferrit besitzt.

Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zum Abschrecken von Stahlstab und dergl. gelöst, die eine im wesentlichen geschlossene Kammer aufweist mit einer Eintrittsöffnung an dem einen Ende und einer Austrittsöffnung an ihrem anderen Ende, ferner mit einem Fließbett in dieser Kammer zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung, einer ersten Zone innerhalb des Fließbettes neben der Eintrittsöffnung und einer zweiten Zone innerhalb des Fließbettes, die sich zwischen der ersten Zone und der Austrittsöffnung befindet, ferner tr^t einer wärmeisolierenden Wand in dieser Kammer, die zwischen der ersten und der zweiten Fließbettzone aufrecht angeordnet ist, vom Boden der Kammer nach oben ragt und kurz über den Oberflächen der Fließbettzonen endet, des weiteren mit einem Endlosförderer, der einen lasttragenden Oberzug aufweist und so angeordnet ist, daß dieser Oberzug von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung durch die Kammer wandert, wobei schließlich ein Teil des Oberzugs des Förderers unter den Oberflächen der Fließbettzonen und über der isolierenden Wand liegt, wenn sich der Oberzug durch die Kammer bewegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem der Stahlstab oder dergl, in Spulenform abgeschreckt wird, kennzeichnet

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sich dadurch, daß der Stahlstab zunächst in einer kontinuierlichen, schraubenförmigen Schleife sich durch eine erste Fließbettzone bewegt, deren Temperatur zwischen annähernd 93 und 3l6° C liegt, daraufhin sofort in einer kontinuierlichen, schraubenförmigen Schleife durch eine zweite Fließbettzone bewegt wird, deren Temperatur im Bereichvon annähernd 454 und 538° C liegt, und dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, nachdem er aus der zweiten Fließbettzone ausgetreten ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. i eine senkrechte Schnittansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Draufsicht des Produkts in Spencerspulenform, das durch das zwei Zonen aufweisende Fließbett der Vorrichtung gemäß der Erfindung gefördert wird, und

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Verteilkopfes der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

In der Zeichnung wird mit 2 das Austrittsende eines Stabwärmebehandlungsofens 3 bezeichnet, das durch eine Austrittsöffnung 4 mit der Fließbettvorrichtung 6 verbunden ist. Am Austrittsende der Fließbettkammer 6 ist eine Kühlkammer 8 vorgesehen. Ein Dach 10 überdeckt das Austrittsende des Ofens, das Fließbett 6 und die Kammer 8.

Die Fließbettvorrichtung weist einen länglichen, kanalförmigen Behälter 12 auf, der eine im wesentlichen U-förmige, innere Hülle 14 besitzt, die in ihn so eingepaßt

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ist, daß durch die Bodenplatte 18 der inneren Hülle 14, vom Boden 20 des Gefäßes 12, den senkrechten Wänden 22 * und 24 des Gefäßes 12 und den Stirnwänden 25 des Gefäßes 12 eine Anfüllkammer l6 begrenzt wird. Eine wärmeisolierende Wand 26 ragt vom Boden des Gefäßes 12 in der Mit.te dessen Länge durch die Bodenplatte 18 hindurch bis zu einer Stelle kurz vor dem oberen Ende der inneren Hülle 14 senkrecht nach oben, um in der inneren Hülle 14 zwei Zonen zu bilden, bezeichnet mit Zone 1 und Zone 2, sowie zwei entsprechende

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Kammern 16 und l6 in der Anfüllkammer l6. Jede dieser Zonen 1 und 2 ist mit einem besonderen Material 27, beispielsweise Silikasand, bis zu einer Höhe über das obere Ende der isolierenden Wand 26 gefüllt.

Die Bodenplatte 18 der Hülle 14 1st perforiert, so daß Luft aus den beiden Abteilen der Anfüllkammer 16 nach oben in das Bett des Silikasandes strömen kann. Jede Perforation in der Platte 18 ist mit einem Verteilkopf 28 abgedeckt, der die durch die Platte 18 hindurohtretende Luft seitlich ablenkt. Radiale Luftkanäle 29, die in jedem Verteilkopf 28 vorgesehen sind, sind so bemessen und angeordnet, daß sie eine gleichmäßige Gasströmung in das Bett bzw. die Betten erzeugen und einen Rückfluß des Materials 27 verhindern.

Außerhalb der Wand 22 jeder Zone 1 und 2 des Gefäßes,

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neben den entsprechenden Abteilen 16 und 16 der Anfüllkammer ist ein Gebläse 30 angeordnet. Eine von jedem Gebläse kommende Leitung 32 ist über einen waagrechten Eintritt 34 in der Wand 22 mit dem Abteil der Anfüllkammer unter den Zonen 1 und 2 verbunden. Das Gebläse 30, das an das Abteil 16 unter der Zone 1 angeschlossen ist, führt der Zone 1 normalerweise unter Druck stehendes Verwirbelungsgas bei Umgebungstemperatur der Zone 1 zu. Eine Verbrennungskammer

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oder eine andere, nicht dargestellte Gaserwärmungsvorrichtung ist zwischen dem Abteil ±6 und seinem entsprechenden Gebläse 30 angeordnet, so daß der Zone 2 heißes, unter Druck stehendes Verwirtoelungsgas zugeführt wird. Es versteht sich, daß auch andere-Einrichtungen, beispielsweise Heizrohre, die zwischen der Hülle 14 und dem Gefäß 12 angeordnet sind, eine direkte Gasflamme, die in das Anfüllkammerabteil 16 eingeführt wird oder in dem Silikasandmaterial eingebettete Heizrohre Verwendung finden können, um die Zone 2 des Wirbelbettes zu erwärmen. Um den Umfang verlaufende Kühlrohre 33 und eingebettete Kühlrohre lassen ach zum Kühlen der Zone 1 benützen, falls dies gewünscht wird. Eine zusätzliche Kühlung der Zone 1 kann dadurch erhalten werden, daß ein Wasserstrahl direkt in das Material 27 von einer nicht dargestellten Wasserquelle oberhalb der Zone 1 des Fließbettes eingespritzt wird.

Normalerweise ist die neuartige Vorrichtung zusammen mit einem eine gesteuerte Atmosphäre heizenden Ofen an der Zone 1 neben dem Austrittsende des Ofens angeordnet, von dem aus der Stab in Spencerform befördert wird. Es versteht sich jedoch, daß diese Vorrichtung nicht auf die Verwendung in Verbindung mit einem Heizofen beschränkt ist, sondern auch beispielsweise mit einem Stabwalzwerk benutzt werden kann, von dem der gewalzte Stab in Spencerform weggefördert wird.

Ein Offenkettenförderer 36 umgibt das Gefäß 12, wobei der lasttragende Oberzug 38 des Fördera*s in Längsrichtung quer zur Oberseite des Gefäßes 12 angeordnet ist und der größte Teil seiner Länge in das Material 27 eingetaucht ist. Die isolierende Wand 26, die die Zonen 1 und 2 trennt, kann den Überzug 38 des Förderers 36 tragen, so daß die Durch** ganges trecke des Förderers in den benachbarten Bereichen

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der Zonen 1 und 2 in einer konstanten Höhe gehalten wird. Von dem Dach 10 senkrecht herabhängende, isolierende Vorhänge AO können außerdem vorgesehen sein, um die Wärme-' Verluste auf ein Mindestmaß zu beschränken.

Die neuartige Vorrichtung kann auch zusammen mit dem Ofen 3 für die Verwendung einer gewöhnlichen Schutzgasatmosphäre, beispielsweise eines exothermenGases, geeignet sein. Ein derartiges Gas würde dann kontinuierlich mit Hilfe der Gebläse 30 durch die Eintrittskanäle 34 in die Zonen 1 und 2 eingeblasen und dann durch die Austrittskanale 42 im Dach 10 wieder entfernt werden, wobei es im Kreislauf geführt wird. Die Austrittskanäle würden an die. Gebläse 30 so angeschlossen sein, daß der soeben erwähnte Gaskreislauf möglich wäre. Falls ein gewöhnliches, atmosphärisches Gas benutzt wird, sind die Verwendung einer direkten Gasflamme als Wärmequelle im AnfUllkammer—

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abteil 16 der Zone* 2 und eines Wasserstrahls zum Kühlen für die Zone 1 ausgeschlossen.

Wie am besten aus Figur 3 ersichtlich ist, können stationäre Führungen hh vorgesehen sein, die an den oberen Teilen der Innenwände der Hülle 14 in Zone 1 angebracht sind. Die Führungen ragen nach innen in Richtung auf den Oberzug 38 des Förderers 36 und enden, kurz bevor sie mit diesem in Berührung kommen. Die stationären Führungen 44 bewirken, daß die sich bewegenden Schleifen aus Stabbzw. Drahteisen bzw. Stahl in Spencerform sich seitlich ^λ verschieben, wenn sie durch die Zone 1 transportiert werden. Ein solches Verschieben ermöglicht ein gleichmässigeres Abschrecken, indem vorher überlappte Teile der Stabschleifen freigelegt werden.

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Im Betriebszustand wird der Stab R in Spencerform von dem Austrittsende 2 des Ofens 3 herangeführt und in die Zone 1 der Fließbettvorrichtung hineingefordert. Bevor er in die Zone 1 transportiert wird, ist er im Ofen 3 auf annähernd 954⁰C ausreichend lang erwärmt worden, so daß der in ihm vorhandene Kohlenstoff in feste Lösung gehen könnte. Wenn der Stab in Spencerform in die Zone 1 eintritt, liegt seine Temperatur an oder über der kritischen Temperatur von annähernd 76O°C, bei der die Transformation beginnt. Die Temperatur des verwirbelten Materials 27 in der Zone i muß zwischen 93 und 316 C gehalten werden, um eine maximale Abschreckgeschwindigkeit durch den kritischen Temperaturbereich zwischen 760 und 538°C zu erhalten. Die ■ Transformation kann durch rasches Absohrecken durch den oben erwähnten, kritischen Temperaturbereich bis zu 60 Sekunden gehemmt werden, jedoch sollte die Temperatur des Stabs auf über annähernd 26O°C gehalten werden, weil sioh unter 260 C unerwünschter Martensit bilden kann. Der in Spencerform befindliche Stab wird dann mit dem Oberzug des Förderers durch die Zone 2 transportiert, in der die Transformation unter kontrollierten Zeit-Temperatur-Bedingungen erfolgt, die variieren können von 60 Sekunden bei 454⁰C bis 10 Sekunden bei 538⁰C. Daraufhin wird der Stab vom Förderer 36 an einen Förderer 46 übergehen, der ihn durch die Kammer 8 trägt, wo er mit nicht kontrollierter bzw. gesteuerter Geschwindigkeit auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

Die Geschwindigkeit des Förderers 36 mutt^iuf die Materialvorschubgeschwindigkeit durch den Ofen 3 hinduroh abgestimmt sein. Die Fördergesohwindigkeit und die Vorsohubgeschwindigkeit duroh den Ofen bestimmen die Länge des Fließbetts der Vorrichtung, die zur Einhaltung der gewünschten Zeit-Temperatur-Bedingungen erforderlich ist.

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So behandelt beispielsweise ein Ofen mit einer Kapazität von I36O kp pro Stunde einen Stab mit einem Durchmesser von 5»ö mm bei einer Stranggeschwindigkeit von 12 m/min. Eine Fördergeschwindigkeit von annähernd 2,1 m/min, ist erforderlich, um diese Materialmenge in Spencerform in Schleifen von 91,4 cm Durchmesser mit einem Abstand von 5,Oö cm zwischen den Schleifen zu bewältigen.Ein Fließbett mit zwei gleichlangen Zonen von einer effektiven Gesamtlänge von 12,4 m braucht annähernd 34 Sekunden für das Abschrecken und die gleiche Zeit für die Transformation, Bei einem Größenbereich von 2,54 bis 7,62 mm Durchmesser variieren die Zeiten in jeder Zone zwisohen 13 und 53 Sekunden, Werte, die innerhalb der Zeit-Temperatur-Bedingung liegen, wenn bei der normalen Transformationsoder üfflwandlungstemperatur von 538°C gearbeitet wird. Wenn der Betrieb bei einer stündlichen Kapazitä^ron I36O kp erfolgt, müssen aus der Zone 1 annähernd I76 500 kcal/Std. und aus der Zone 2 annähernd 75 600 koal/std. abgeführt werden.

In Laborversuchen wurden zur Verifizierung der Effektivität der Abschreckvorrichtung und des hier beschriebenen Verfahrens zur Erzielung eines gewünschten, metallurgischen, patentierten Gefüges zwei Fließbettzonen benutzt mit einer Größe von 50,8 cm im Quadrat und 34,5 cm Tiefe. Als Verwirbelungsmaterial diente 50~inasohiger Siebsand, und das Verwirbelungsgas war Luft. Die Bettzonen wurden duroh elektrische, kugelförmige Elemente außerhalb auf den beiden Selten der BetthUlle beheizt. Die Zone 1 des Bettes wurde bei einer Temperatur von 204 C betrieben', während die Betriebstemperatur der Zone 2 des Bettes 521⁰C betrug. Die Luftstroageschwindigkeit durch jede Zone de· Bettet wurde bei 1,2 m/sec. gehalten. Als Vereuohsmateriai diente eine Stange aus AISI Iö65 Grundmaterial mit einem

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Durchmesser von 5,76 mm. Es ergaben sieb, die folgenden E_rgetmisse:

Abschreck verfahren	Zeit	Größte Zug festigkeit	prozentuale Flächen— reduzierung	Gefüge ■' ·	Perlit» grober , sehr freier
Fließbett	Zone 1 30 Se kunden Zone 2 60 Se kunden	109 kp/mm²	54,8 .	Feiner etwas Perlit wenig Ferrit	Perlit, grober j, etwas Ferrit
538°C Blei	60 Se kunden	108 kp/mm²	54,5: C	Feiner etwas Perlit freier	Perlit, feiner , freier
Luft _n (2I₁I⁰C)		94,2 kp/mrn^	48,0	Grober etwas Perlit Ferrit

Obgleich das hier beschriebene Yerfahren und die zugehörige Vorrichtung zur Herstellung eines optimalen, metallurgischen, patentierten Gefliges, das im wesentlichen feinen Perlit enthält, verwendet wird₃ lassen sich mit ihnen auch andere vorteilhafte Ergebnisse erreichen., So kann beispielsweise eine rasche Kühlung eines Stabs in Spencerform mit niedrigein Kohlenstoffgehalt nach dem Warmwalzen auf der Staboberfläche nur zur Bildung einer minimalen Haut fUhren. Eine derartige Haut besteht im wesentlichen aus unteren Oxiden des Eiyens (FeO) und laßt sich leicht chemisch oder durch Hin- und Herbiegen entfernen.

Die Überlappung der ununterbrochenen, einzelnen Schleifen de» in Spencerform transportierten Stabs bewirkt eine Metallkonzentrierung entlang der Außmiründer.

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derartige Überlappung hat eine Schutzwirkung zur Folge, aufgrund derer die Wärmeübergangsgeschwindigkeit an den Außenrändern gesenkt wird. Um diese Wirkung zu beseitigen, kann die WäraeÜbergangsgeschwindigkeit gesteigert werden, und zwar durch Erhöhen des Gasdurchstroms durch die Fließbetten über den Wert, der zur minimalen Verwirbelung erforderlich ist. Eine solohe verstärkte Gasdurchstrommenge oder -geschwindigkeit erzeugt in dem verwirbelten Material eine stärkere Bewegung, die bestrebt ist, die Schleifen, an den Kreuzungspunkten zu trennen, so daß das verwirbelte Material zwischen den Schleifen hindurchfließen kann.

Somit wurde gezeigt, daß das hier beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung eine rasche und gesteuerte Abschreckung von Stabstahl und dergleichen ermöglicht, wobei der Stab kontinuierlich in Spencerform durch ein aus zwei Zonen bestehendes Wirbelbett transportiert wird, um ein Produkt mit hohem Kohlenstoffgehalt herzustellen, das im wesentlichen feinen Perlit enthält und eine minimale Haut aufweist, die sich hauptsächlich aus FeO zusammensetzt.

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Claims

Pa tentan sp r Ii c h e

1. Vorrichtung zum Abschrecken von Stahldraht und dergleichen, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen geschlossene Kammer (6) mit einer Eintrittsöffnung an dem einen Ende und einer Austrittsöffnung an ihrem anderen

Ende, ein Wirbelbett (16) in dieser Kammer zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung, eine erste Zone (16 ) in diesem Wirbelbett (16) neben der Eintrittsöffnung, eine zweite Zone (16 ) im Wirbelbett zwischen der ersten Zone und der Austrittsöffnung, eine in der Kammer (6) zwischen der ersten und der zweiten ?one

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(Ib , 16 ) des Wirbelbetts (16) hochragende, wärmeisolierende Wand (26), die vom Boden (18) der Kammer nach oben ragt und kurz vor den Oberflächen der Wirbelbettzonen endet, und durch einen endlosen Förderer (36) mit einem lasttragenden Oberzug (38), der so angeordnet ist, dall er den Oberzug durch die Kammer (6) von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung hindurchbwwegt, wobei ein Teil des Oberzugs des Förderers (36) unterhalb der Oberflächen der Wirbelbettzonen und oberhalb der isolierenden Wand (26) liegt, wenn sich der Oberzug (38) durch die Kammer hindurchbewegt.

2. Vorrichtung nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (18) jeder Wirbelbettzone aus einer perforierten Platte besteht, und daß jede Perforierung in dieser Platte durch einen Verteilerkopf (26) abgedeckt ist, der mit radial gerichteten Luftdurchgangskanälen (29) versehen ist.

3. Vorrichtung naoh Anspruoh 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß eine separate Wärmelibertragungsvorriohtung vorgesehen ist, die an die erste und die zweite Zone des Wirbelbetts (l6) angeschlossen ist.

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k. Verfahren zur Abschreckung von gespultem Stahldraht und dergleichen mit Hilfe der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahldraht in Form kontinuierlicher, schraubenförmiger Schleifen zunächst durch eine erste Wirbelbettzone geschickt wird, deren Temperatur zwischen annähernd 93 und 316⁰C liegt, daraufhin sofort in dieser Schleifenform durch eine zweite Wirbeltaettzone bewegt wird, deren Temperatur zwischen an-^; nähernd 454 und 538⁰C liegt, und dann nach seinem Austritt aus der zweiten Wirbelbettzone auf-Umgebungstemperatur abgekühlt wird. ■

5. Verfahren nach'.Anspruch 4, -dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierlichen, schraubenförmigen Schleifen des Stahldrahts in einer Im wesentlichen waagrechten Ebene liegen, wenn die Schleifen durch die Wirbel be t'tzonen'

wandern. . : ^:

6. Verfahren nach-Anspruch 4 oder 5» dadurch ge— kennzeichnet, daß. die schraubenförmigen Schleifon d©@ Stahldrahts seitlich vorschoben vrordeti, ' wenn sie durch die Wirbelbettzonen wandern.

BAD ORIGINAL

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