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EP0345205B1 - Verfahren zum Härten eines zylindrischen Hohlkörpers aus Stahl - Google Patents

Verfahren zum Härten eines zylindrischen Hohlkörpers aus Stahl Download PDF

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Publication number
EP0345205B1
EP0345205B1 EP89730122A EP89730122A EP0345205B1 EP 0345205 B1 EP0345205 B1 EP 0345205B1 EP 89730122 A EP89730122 A EP 89730122A EP 89730122 A EP89730122 A EP 89730122A EP 0345205 B1 EP0345205 B1 EP 0345205B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hollow body
cooling
bath
process according
cooling medium
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.)
Expired - Lifetime
Application number
EP89730122A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0345205A1 (de
Inventor
Wolfgang Dipl.-Ing. Hengstenberg
Wilhelm Lüdecke
Christoph Dr. Ing. Prasser
Ingo Dr. Ing. Von Hagen
Klaus Dr. Ing. Prochaska
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
Priority claimed from DE19883818878 external-priority patent/DE3818878A1/de
Application filed by Mannesmann AG filed Critical Mannesmann AG
Priority to AT89730122T priority Critical patent/ATE71153T1/de
Publication of EP0345205A1 publication Critical patent/EP0345205A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0345205B1 publication Critical patent/EP0345205B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C21D1/63—Quenching devices for bath 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
    • C21D1/63—Quenching devices for bath quenching
    • C21D1/64—Quenching devices for bath quenching with circulating liquids

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening a cylindrical hollow body made of steel according to the preamble of patent claim 1.
  • the immersion depth of a container closed on both sides depends on the extent to which its ends have to be cooled
  • the practical immersion depth for pipes ie for hollow bodies that are open at the ends, depends on how uniform the material properties should be in the longitudinal direction of the pipe.
  • the uniformity of the cooling on the outside of the tube does not depend on the immersion depth. This is different, however, when cooling the inside of the tube, since the coolant flowing in at the ends is exposed its way to the center is heated so that the cooling effect weakens towards the center. However, with increasing immersion depth, this effect becomes less pronounced.
  • the cooling effect on the inside is sufficiently uniform over the entire length of the tube, even for tubes with a length of 60 times the diameter, in order to achieve continuous martensitic hardening, provided the wall thickness is not too great (e.g. for one Tempering steel 34 CrMo 4 smaller than approx. 28 mm). For this reason, correspondingly large immersion depths can be regarded as advantageous for achieving uniform properties.
  • a complete immersion of a pipe to be cooled should be avoided, however, since vapor bubbles form inside the pipe, which can escape only with difficulty when immersed and can lead to different cooling windings.
  • a method for hardening thick-walled, large-format tubular steel tubular bodies is known from US-A-3695598.
  • the hollow body lying horizontally with its longitudinal axis is immersed with a part of its surface in a coolant bath.
  • the part protruding from the coolant bath is heated to approximately 700 ° C. by inductive heating, in which a low-frequency inductor is arranged on the inner and outer surface of the hollow body. Further heating up to about 900 ° C takes place by a second inductor, which is operated at high frequency, only to a certain depth of penetration.
  • the hollow body is rotated slowly and slowly during the treatment, so that the heated parts are immersed in the coolant bath and cooled rapidly. Part of the hollow body is thus constantly cooled while another part is being heated. By repeating heating and cooling several times, i.e. by repeated turning around the longitudinal axis, the treated hollow bodies are to obtain significantly improved mechanical properties.
  • This method is not comparable to rotary diving according to DE-PS 3721685, in particular because initially not the entire hollow body, i.e. its length, its wall thickness and its circumference, is heated to the austenitizing temperature and only then is it accelerated overall, but rather heating and cooling in each case zone by zone and to a certain depth in the hollow body wall in several heating / cooling cycles.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for its implementation, with which the cooling of hollow bodies during rotary diving can be significantly intensified and more evened out.
  • the solution according to the invention provides for a swirling of the coolant below the rotating hollow body to be cooled (eg pipe).
  • the swirling which could also be achieved, for example, by circulating pumps, is expediently brought about by introducing compressed air, for example with the aid of a nozzle tube arranged below the hollow body.
  • This nozzle tube is located, for example, at the bottom of the coolant tank and runs parallel to the longitudinal axis of the hollow body to be cooled.
  • the vapor layer (film evaporation) on the surface of the hollow body which occurs in the first cooling phase at a high temperature level is destroyed and in the second cooling phase the resulting vapor bubbles (bubble evaporation) are detached from the surface more quickly.
  • the cooling effect of the coolant is significantly increased.
  • the vapor layer collapses and the vapor bubbles detach at low relative speeds between the cooling medium and the surface of the hollow body (e.g. pipe or container) Depends in particular on the nature of this surface (eg roughness), an increase in this relative speed due to the swirling in the case of unevenly formed surfaces has the effect of making the cooling effect on the surface more uniform.
  • the intensified cooling effect leads to a considerable reduction in cooling times, that is to say, a greater deterrent. This is achieved with extremely simple means (e.g. compressed air introduction). This means that the application area of existing rotary immersion systems can be expanded significantly without great effort. Not only can hollow bodies with thicker walls than previously be quenched, but it is also possible to successfully quench pipes or containers made of steel materials with low contents of alloy elements with the same wall thickness.
  • the cooling effect can be reduced when the martensite start temperature is reached by simply switching off the compressed air supply.
  • more gentle cooling can be set if necessary by increasing the speed of the hollow body to be cooled.
  • the reduction in the immersion depth of the hollow body also results in a reduction in the cooling intensity; however, the risk increases that hollow bodies that are open on one or both sides cool faster on the inside at the open ends.
  • One way of eliminating these different cooling effects on the inside of the hollow body is fundamentally possible by preventing the coolant from entering the interior of the hollow body from the outset. This can be done by temporarily fitting suitable caps on the open end faces of the hollow body. However, such a measure requires considerable handling and apparatus expenditure and therefore appears to be less desirable.
  • the internal cooling which is reinforced at the open ends by the inflowing coolant is at least approximately compensated for by a corresponding weakening of the external cooling in this area.
  • This is ensured by the swirling of the coolant bath in these end areas e.g. due to local reduction in the pressure of the compressed air supplied for swirling or the coolant supplied with increased pressure (e.g. pressurized water).
  • This enables even microstructure formation (bainite) to be achieved with intercepting cooling even with sensitive materials.
  • Pieces of steel tube of 178 mm in diameter, 14.5 mm in wall thickness and 1500 mm in length were uniformly heated to 980 ° C. in an oven and inserted at a starting temperature of 960 ° C. in a rotary immersion system with a water bath.
  • the rotary immersion device could be lowered so that the pipe sections could be lifted out of the water bath after predetermined quenching times in order to be able to determine the pipe compensation temperature.
  • the immersion depth was 90% of the pipe diameter and the speed of the pipe was 80 rpm.
  • FIGS. 5 and 6 The effectiveness of the invention in a procedure according to claim 6 can be seen in the measurement results in FIGS. 5 and 6, which were determined on another steel tube which was cooled on a system which is shown schematically in FIG.
  • the material and pipe dimensions corresponded to those of the comparative test according to FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 4 a large number of arrows indicate that the compressed air supply for swirling the coolant bath below the immersed pipe 1 in the area of the pipe start 1a and the pipe end 1b into individual nozzle strips 2a and 2b 2b is divided, which can be subjected to different pressures.
  • 8 individual nozzle strips 2a and 2b each with an individual length of 350 mm have been provided on the two pipe ends 1a, 1b.
  • a continuous nozzle strip 2 is arranged in the central region of the tube 1. In principle, this makes it possible to cool a partial length of approximately 3 m each at the two pipe ends to different degrees compared to the central region.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten eines zylindrischen Hohlkörpers aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiges Verfahren ist aus der auf die gleiche Anmelderin zurückgehenden DE-PS 3721665 bekannt. Dieses Verfahren sieht vor, zur Vermeidung von Härterissen beim Drehtauchen die Drehzahl des abzukühlenden Hohlkörpers bei Erreichen der Martensitstarttemperatur deutlich zu erhöhen. Insbesondere bei Behältern, also bei Hohlkörpern mit geschlossenen Stirnflächen hat dieses Verfahren gute Ergebnisse erbracht.
  • Beim Härten derartiger Gegenstände ist es aber auch wichtig, daß die Abkühlung möglichst ohne zu starke örtliche Unterschiede der Kühlwirkung erfolgt, damit insgesamt eine einheitliche Gefügeausbildung sichergestellt ist. örtlich unterschiedliche Kühlwirkungen können wegen der verschiedenen spezifischen Volumina der Gefügearten zu erheblichen Deformierungen des Hohlkörpers führen. Dies macht nicht nur eine vielfach aufwendige Nachbearbeitung der Hohlkörper erforderlich, sondern erschwert z.B. im Falle von Stahlrohren häufig die Weiterverarbeitung (z.B. Transportstörungen durch krumme Rohre).
  • Während sich die Eintauchtiefe eines beidseitig geschlossenen Behälters danach bestimmt, in welchem Maße seine Enden gekühlt werden müssen, richtet sich die zweckmäßige Eintauchtiefe bei Rohren, d.h. bei an den Enden offenen Hohlkörpern danach, wie gleichmäßig die Werkstoffeigenschaften in Längsrichtung des Rohres sein sollen. Die Gleichmäßigkeit der Kühlung auf der Außenseite des Rohres hängt nicht von der Eintauchtiefe ab. Anders ist dies jedoch bei der Kühlung der Innenseite des Rohres, da das an den Enden einströmende Kühlmittel auf seinem Weg zur Mitte hin erhitzt wird, so daß sich die Kühlwirkung zur Mitte hin abschwächt. Mit zunehmender Eintauchtiefe wird dieser Effekt jedoch immer weniger ausgeprägt. Bei Eintauchtiefen über 80% des Durchmessers ist die Kühlwirkung auf der Innenseite selbst bei Rohren mit einer Länge des 60-fachen Durchmessers über die gesamte Rohrlänge ausreichend gleichmäßig, um eine durchgehende martensitische Härtung zu erzielen, sofern die Wanddicke nicht zu groß ist (z.B. bei einem Vergütungsstahl 34 CrMo 4 kleiner als ca. 28 mm). Aus diesem Grund sind entsprechend große Eintauchtiefen als vorteilhaft anzusehen für die Erzielung gleichmäßiger Eigenschaften. Ein vollständiges Eintauchen eines abzukühlenden Rohres sollte jedoch vermieden werden, da sich Dampfblasen im Rohrinneren ausbilden, die im getauchten Zustand nur schwer entweichen und zu unterschiedlicher Kühlwickung führen können.
  • Bei Rohren mit relativ großem Durchmesser (oberhalb etwa 240 mm Durchmesser) findet meistens trotz geringer Eintauchtiefe noch eine relativ gleichmäßige Innenkühlung und damit auch eine gleichmäßige Gesamtkühlung statt. Problematisch sind die Verhältnisse jedoch bei Rohren mit kleineren Durchmessern oder bei einseitig offenen Behältern, da die wärme- und strömungstechnischen Bedingungen dabei erheblich ungünstiger sind. Dies gilt insbesondere für den Fall einer abfangenden Kühlung zur Erzielung eines bainitischen Gefüges, das nach dem Abschrecken ohne weiteres Anlassen günstige mechanische Eigenschaften aufweist (vgl. Kurve 2a in Figur 1). Bei einer martensitischen Durchhärtung (Kurven 1-3 in Figur 1), d.h. bei einer Abschreckung bis auf Kühlmitteltemperatur kann eine einheitliche Gefügeausbildung dagegen in der Regel durch eine geeignete Werkstoffauswahl für den Hohlkörper sichergestellt werden, so daß auch größere Kühlwirkungsunterschiede noch verkraftbar sind.
  • Es ist bekannt, daß die kühlwirkung flüssiger Kühlmittel sehr stark von der Oberflächentemperatur des abzukühlenden Gegenstandes abhängt. Je höher diese Temperatur ist, umso geringer ist die Abschreckwirkung. Beim Vergüten von Gegenständen aus Stahl kommt es häufig aber gerade darauf an, den hohen Temperaturbereich, d.h. den Bereich zwischen Austenitisierungstemperatur und Martensitstarttemperatur bzw. einsetzender Bainitbildung schnell zu durchfahren, um das Entstehen unerwünschter Gefügebestandteile (z.B. Ferrit und Perlit) zu verhindern. Auf der anderen Seite sollte der Temperaturbereich der Martensitbildung möglichst langsam durchfahren werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Wanddicke zu gewährleisten und damit die Entstehung von Eigenspannungen in der Rohrwand möglichst zu vermeiden.
  • Insbesondere hinsichtlich der Steuerung einer Verminderung der Abkühlintensität führt die Verfahrensweise gemäß DE-PS 3721665 zu guten Ergebnissen. Dagegen besteht (insbesondere bei der Behandlung dickwandiger Rohre) vielfach der Wunsch, die Kühlwirkung beim Drehtauchen der abzuschreckenden Hohlkörper über das bisher als realisierbar angesehene Maß zu erhöhen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Kühlwirkung aufgrund unregelmäßiger Oberflächenbeschaffenheit der abzuschreckenden Hohlkörper (z.B. durch Zunder) die Kühlwirkung ungleichmäßig ausfällt.
  • Aus der EP 0086988 A1 ist es für eine Abkühlvorrichtung, in der stillstehende Rohre in einem bewegten Kühlmittelbad innen und außen mit Kühlwasser beaufschlagt werden, bekannt, eine Verminderung der Kühlwirkung infolge Dampfblasenansammlung auf der Innenseite der vollständig eingetauchten Rohre dadurch zu vermeiden, daß in das durch eine Düse an der Rohrstirnseite in einer schraubenlinienförmigen Strömung zugeführte Wasser Druckluft injiziert wird. Auf eine Steigerung der Kühlwirkung durch Druckluft bei einer Rohraußenkühlung ergeben sich daraus keine Hinweise.
  • Aus der US-A-3695598 ist ein Verfahren zum Härten von dickwandigen, großformatigen rohrförmigen Stahlrohrkörpern bekannt. Der mit seiner Längsachse horizontal liegende Hohlkörper taucht dabei mit einem Teil seiner Oberfläche in ein Kühlmittelbad ein. Der aus dem Kühlmittelbad herausragende Teil wird durch induktive Beheizung, bei der an der inneren und äußeren Oberfläche des Hohlkörpers ein Niederfrequenzinduktor angeordnet ist, auf etwa 700°C erwärmt. Eine weitere Erwärmung bis auf etwa 900°C findet dabei durch einen zweiten Induktor, der mit Hochfrequenz betrieben wird, lediglich bis zu einer gewissen Eindringtiefe statt. Der Hohlkörper wird während der Behandlung ständig langsam gedreht, so daß die erwärmten Teile in das Kühlmittelbad eingetaucht und beschleunigt abgekühlt werden. Dabei wird also ständig ein Teil des Hohlkörpers abgekühlt, während ein anderer Teil erwämt wird. Durch mehrfaches Wiederholen von Erwärmung und Abkühlung, d.h. durch mehrfaches Drehen um die Längsachse sollen die behandelten Hohlkörper erheblich verbesserte mechanische Eigenschaften erhalten.
  • Dieses Verfahren ist mit einem Drehtauchen gemäß DE-PS 3721685 insbesondere deswegen nicht vergleichbar, weil zunächst nicht der gesamte Hohlkörper, also über seine Länge, seine Wanddicke und seinen Umfang auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und erst dann insgesamt beschleunigt abgekühlt wird, sondern Erwärmung und Abkühlung jeweils nur zonenweise und bis zu einer gewissen Tiefe in der Hohlkörperwand in mehreren Heiz/Kühl-Zyklen erfolgt. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, mit dem die Abkühlung von Hohlkörpern beim Drehtauchen wesentlich intensiviert und stärker vergleichmäßigt werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-7 gekennzeichnet. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 ausgestattet. Die Ansprüche 9 und 10 geben zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.
  • "Im folgenden wird die Erfindung u.a. anhand der Figuren 1-6 noch näher erläutert Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein ZTU-Schaubild für Stahl,
    Fig. 2
    einen Temperaturverlauf entlang der Rohrlänge beim konventionellen Drehtauchen,
    Fig. 3
    einen Festigkeitsverlauf entlang der Rohrlänge beim konventionellen Drehtauchen,
    Fig. 4
    einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Drehtauchanlage,
    Fig. 5
    einen Temperaturverlauf entlang der Rohrlänge bei erfindungsgemäßem Drehtauchen und
    Fig. 6
    einen Festigkeitsverlauf entlang der Rohrlänge bei erfindungsgemäßem Drehtauchen."

  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Durchwirbelung des Kühlmittels unterhalb des abzukühlenden, sich drehenden Hohlkörpers (z.B. Rohr) vor. Die Durchwirbelung, die z.B. auch durch Umwälzpumpen erreicht werden könnte, wird zweckmäßigerweise durch Einleitung von Druckluft z.B. mit Hilfe eines unterhalb des Hohlkörpers angeordneten Düsenrohres bewirkt. Dieses Düsenrohr befindet sich z.B. am Boden des Kühlmittelbeckens und verläuft parallel zur Längsachse des abzukühlenden Hohlkörpers. An seiner Oberseite befinden sich zahlreiche Bohrungen, durch die die Druckluft entweichen kann, die auf dem Weg zur Oberfläche des Kühlmittelbades für eine starke Durchwirbelung sorgt. Hierdurch wird offenbar die in der ersten Abkühlphase auf hohem Temperaturniveau auftretende Dampfschicht (Filmverdampfung) auf der Oberfläche des Hohlkörpers zerstört und werden in der zweiten Abkühlphase die entstehenden Dampfblasen (Blasenverdampfung) schneller von der Oberfläche abgelöst. Als Folge wird die Kühlwirkung des Kühlmittels deutlich erhöht. Da das Zusammenbrechen der Dampfschicht und das Ablösen der Dampfblasen bei niedrigen Relativgeschwindigkeiten zwischen Kühlmedium und der Oberfläche des Hohlkörpers (z.B. Rohr oder Behälter) insbesondere von der Beschaffenheit dieser Oberfläche (z.B. Rauhigkeit) abhängt, wirkt sich eine Erhöhung dieser Relativgeschwindigkeit infolge der Durchwirbelung bei ungleichmäßig beschaffenen Oberflächen im Sinne einer Vergleichmäßigung der Kühlwirkung auf der Oberfläche aus.
  • Die intensivierte Kühlwirkung führt zu einer erheblichen Reduzierung der Kühlzeiten, also zu einer stärkeren Abschreckung. Dies wird mit äußerst einfachen Mitteln (z.B. Drucklufteinleitung) erreicht. Damit kann der Anwendungsbereich bestehender Drehtauchanlagen ohne großen Aufwand wesentlich erweitert werden. Es können nämlich nicht nur Hohlkörper mit dickeren Wänden als bisher abgeschreckt werden, sondern es ist auch möglich, bei gleicher Wanddicke Rohre oder Behälter aus Stahlwerkstoffen mit geringen Gehalten an Legierungselementen erfolgreich abzuschrecken.
  • Die Verringerung der Abkühlwirkung bei Erreichen der Martensitstarttemperatur ist durch einfaches Abschalten der Druckluftzufuhr möglich. Darüber hinaus kann auch durch Erhöhung der Drehzahl des abzukühlenden Hohlkörpers bei Bedarf eine schonendere Kühlung eingestellt werden. Schließlich bringt auch die Verminderung der Eintauchtiefe des Hohlkörpers eine Verringerung der Kühlintensität mit sich; allerdings erhöht sich dabei die Gefahr, daß einseitig oder beidseitig offene Hohlkörper auf der Innenseite an den offenen Enden schneller abkühlen. Eine Möglichkeit zur Ausschaltung dieser unterschiedlichen Kühlwirkungen auf der Innenseite der Hohlkörper ist grundsätzlich dadurch realisierbar, daß man den Zutritt des Kühlmittels in das Innere des Hohlkörpers von vornherein ausschließt. Dies kann durch das vorübergehende Anbringen geeigneter Verschlußdeckel an den offenen Stirnflächen der Hohlkörper erfolgen. Eine solche Maßnahme erfordert jedoch einen erheblichen Handhabungs- bzw. Apparateaufwand und erscheint deswegen weniger erstrebenswert.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist daher insbesondere für Stahlrohre unter 240 mm Durchmesser vorgesehen, daß die an den offenen Enden durch das einströmende Kühlmittel dort verstärkte Innenkühlung zumindest annähernd durch eine entsprechende Abschwächung der Außenkühlung in diesem Bereich kompensiert wird. Dies wird dadurch gewährleistet, daß die Durchwirbelung des Kühlmittelbades in diesen Endbereichen z.B. durch örtliche Verringerung des Drucks der zur Durchwirbelung zugeführten Druckluft oder des mit erhöhtem Druck zugeführten Kühlmittels (z.B. Druckwasser) weniger stark erfolgt. Damit läßt sich selbst bei empfindlichen Werkstoffen bei einer abfangenden Kühlung eine gleichmäßige Gefügeausbildung (Bainit) erzielen. Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiele näher erläutert.
    • 1. Beispiel
  • Stahlrohrstücke von 178 mm Durchmesser, 14,5 mm Wanddicke und 1500 mm Länge wurden einheitlich auf 980°C in einem Ofen aufgeheizt und mit einer Starttemperatur von 960°C in eine Drehtauchanlage mit Wasserbad eingesetzt. Die Drehtauchvorrichtung war absenkbar, so daß die Rohrstücke nach vorgegebenen Abschreckzeiten wieder aus dem Wasserbad herausgehoben werden konnten, um die Rohrausgleichstemperatur feststellen zu können. In einem ersten Vergleichsversuch betrug die Eintauchtiefe jeweils 90% des Rohrdurchmessers und die Drehzahl des Rohres 80 U/min.
  • Bei herkömmlicher Verfahrensweise stellte sich nach einer Kühlzeit von 18 sek eine Ausgleichstemperatur im Rohr von 575°C ein; bei erfindungsgemäßer Druckluftzufuhr von 0,25 bar Überdruck dagegen lag die Ausgleichstemperatur nach nur 10 sek bereits bei 510°C und nach 12 sek bei 450°C.
    • 2. Beispiel
  • In einem zweiten Versuch wurden zwei gleiche Rohre bei gleicher Einsatztemperatur wie im ersten Versuch, aber mit einer Eintauchtiefe von jeweils 50% des Rohrdurchmessers eingetaucht und bei 80 U/min unter Drucklufteinleitung in der Drehtauchanlage abgekühlt. Der Überdruck der Druckluft betrug beim ersten Rohr 0,25 bar und beim zweiten 0,5 bar. Nach 12 sek Abschreckzeit stellte sich im ersten Rohr eine Ausgleichstemperatur von 600°C und im zweiten eine Ausgleichstemperatur von 453°C ein.
  • Diese Ergebnisse zeigen bereits deutlich, daß die Kühlwirkung durch die Einleitung von Druckluft erheblich gesteigert werden konnte. Die Kühlzeit verminderte sich gegenüber dem bisherigen Stand der Technik bis auf etwa die Hälfte.
    • 3. Beispiel
  • Die Unzulänglichkeit der bisherigen Vorgehensweise beim Abkühlen von Hohlkörpern mit offenen Stirnseiten in einer konventionellen Drehtauchanlage zeigt sich an den in Figur 2 und 3 dargestellten Meßergebnissen an einem Stahlrohr mit 178 mm Durchmesser, 14 mm Wanddicke und 15 m Länge. Dieses Rohr wurde gezielt von 920°C auf eine mittlere Temperatur von 450°C abgeschreckt, un ein bainitisches Gefüge zu erzielen. Die tatsächliche Temperaturverteilung war jedoch, wie Figur 2 zeigt, extrem unterschiedlich. Während an den Enden bereits Temperaturen unter 400°C vorlagen, war der mittlere Bereich noch auf Temperaturen um bzw. oberhalb 600°C. Das heißt die vorliegenden Temperaturdifferenzen betrugen bis zu 250 K. Dies führte zu einer entsprechend unterschiedlichen Gefügeausbildung, die sich z.B. in den in Figur 3 dargestellten über die Rohrlänge stark unterschiedlichen Streckgrenzenwerten Rt0,5 dokumentieren.
  • Während die Werte an den Enden bei etwa 700 N/mm² liegen, weil dort das angestrebte bainitische Gefüge entstanden ist (entsprechend Kurve 2/2a in Fig. 1), sind im mittleren Bereich (ca. 2-3 m von den Rohrenden entfernt) Werte von 465-495 N/mm² festzustellen, die auf ein überwiegend ferritisch/perlitisches Gefüge hindeuten (entsprechend Kurve 3/3a in Fig. 1).
  • Die Wirksamkeit der Erfindung bei einer Verfahresweise gemäß Anspruch 6 zeigt sich in den Meßergebnissen in Figur 5 und 6, die an einem anderen Stahlrohr ermittelt wurden, das auf einer Anlage abgekühlt wurde, welche schematisch in Figur 4 dargestellt ist. Werkstoff und Rohrabmessungen entsprachen denen des Vergleichsversuchs gemäß Figur 2 und 3. In Figur 4 ist durch eine Vielzahl von Pfeilen angedeutet, daß die Druckluftzufuhr zur Verwirbelung des Kühlmittelbads unterhalb des eingetauchten Rohres 1 im Bereich des Rohranfangs 1a und des Rohrendes 1b in einzelne Düsenleisten 2a bzw. 2b aufgeteilt ist, die mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt werden können. Im vorliegenden Beispiel sind jeweils 8 einzelne Düsenleisten 2a bzw. 2b von 350 mm Einzellänge an den beiden Rohrenden 1a, 1b vorgesehen worden. Im mittleren Bereich des Rohres 1 ist eine durchgehende Düsenleiste 2 angeordnet. Dadurch ist es prinzipiell möglich, eine Teillänge von jeweils etwa 3 m an den beiden Rohrenden unterschiedlich stark gegenüber dem mittleren Bereich zu kühlen.
  • Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 5 und 6 wurden lediglich jeweils die zwei äußersten Düsenleisten 2a, 2b mit Druckluft beaufschlagt, deren Druck auf 1,3 bar abgesenkt war, während alle anderen Düsenleisten 2a, 2b und die durchgehende Düsenleiste 2 mit Druckluft von 2,5 bar betrieben wurden. Die Länge der weniger intensiv von außen gekühlten Rohrenden betrug somit an jeder Seite etwa 700 mm. Die Tauchtiefe des Rohres 1 war mit 90% festgesetzt worden.
  • Unter diesen Bedingungen ergab sich die sehr gleichmäßige Temperaturverteilung über die Rohrlänge von etwa 15 m, wie sie in Figur 5 dargestellt ist. Der Streubereich ist auf eine Bandbreite von etwa 30 K zusammengeschrumpft, so daß die angestrebte Temperatur bei der abfangenden Kühlung überall praktisch erreicht wurde. Dementsprechend gleichmäßig ist auch das entstandene bainitische Gefüge. Dies zeigt sich an den gleichmäßigen Streckgrenzenwerten von 670-690 N/mm² gemäß Figur 6.
  • Um eine Abkühlanlage gemäß Figur 4 z.B. für eine Stahlrohrproduktion möglichst effektiv und flexibel (unterschiedliche Rohrabmessungen und Werkstoffe) betreiben zu können, bietet sich eine elektronische Steuerung an, die die Länge des jeweils abzukühlenden Rohres beim Austritt aus dem Austenitisierungsofen mißt und unter Berücksichtigung der Tauchtiefe, der Temperatur, des Werkstoffs, des Durchmessers und der Wanddicke des Rohres die Lage und Länge der stärker bzw. weniger stark zu kühlenden Zonen ermittelt und schließlich die entsprechenden Düsenleisten mit dem erforderlichen Druck beaufschlagt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Härten eines zylindrischen Hohlkörpers aus Stahl im Rahmen einer Vergütungsbehandlung, wobei der insgesamt auf Austenitisierungstemperatur erwärmte Hohlkörper in einem Kühlmittelbad, insbesondere einem Wasserbad, in der Weise durch Drehtauchen abgekühlt wird, daß er mit seiner Längsachse parallel zum Badspiegel des Kühlmittelbades ausgerichtet wird, nur mit einem Teil seiner Oberfläche in das Kühlmittelbad eintaucht und während dieser Abkühlung mehrfach um seine Längsachse gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittelbad unterhalb des Hohlkörpers zumindest zeitweilig mittels Druckgas, insbesondere Druckluft durchwirbelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Durchwirbelung bei Erreichen der Martensitstarttemperatur beendet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchtiefe des Hohlkörpers bei Erreichen der Martensitstarttemperatur verringert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Hohlkörpers nach Erreichen der Martensitstarttemperatur erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen des mindestens an einer Stirnseite offenen Hohlkörpers die Durchwirbelung jeweils im Bereich des bzw. der Enden mit einer offenen Stirnseite weniger stark erfolgt als im mittleren Bereich und ggf. in dem Endbereich mit geschlossener Stirnseite des Hohlkörpers, wobei die Abschwächung der Durchwirbelung in der Weise dosiert ist, daß die damit verbundene schwächere äußere Wärmeabfuhr etwa der stärkeren Innenkühlung in diesen Endbereichen entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Durchwirbelung durch Druckluftzufuhr mit zonenweise unterschiedlichem Druck vorgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchwirbelung zeitweilig nur im mittleren Bereich und ggf. im Bereich der geschlossenen Stirnseite vorgenommen wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Behälter zur Aufnahme eines Kühlmittelbades und mit einer Drehvorrichtung zur Drehung horizontal liegender zylindrischer Hohlkörper in dem Kühlmittelbad, wobei unterhalb der gedachten Achse des zylindrischen Hohlkörpers und unterhalb des vorgesehenen Badspiegesl des Kühlmittels ein System von Düsen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (2, 2a, 2b) einzeln oder zonenweise zusammengefaßt mit Druckgas mit voneinander unterschiedlichem Betriebsdruck beaufschlagt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsensystem als horizontal angeordnetes Rohrstück ausgebildet ist, dessen Wand im Bereich seiner obersten Mantellinie zahlreiche Bohrungen aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehvorrichtung auf unterschiedliche Höhen gegenüber dem Badspiegel einstellbar ist.
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