DE2435832A1 - Verfahren zur regelung der temperatur und durchmischung von schmelzen - Google Patents

Verfahren zur regelung der temperatur und durchmischung von schmelzen

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DE2435832A1 DE2435832A DE2435832A DE2435832A1 DE 2435832 A1 DE2435832 A1 DE 2435832A1 DE 2435832 A DE2435832 A DE 2435832A DE 2435832 A DE2435832 A DE 2435832A DE 2435832 A1 DE2435832 A1 DE 2435832A1
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Hermann-Josef Dr Boeckenhoff
Berthold Dipl Ing Dr Kranz
Walter Schaeffer
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Arbed F & G Drahtwerke
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Description

PATENTANWÄLTE Dip...-ING. ALEX STENGER
D-4000 DÜSSELDORF 1 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE
Vialkastenstraße 2 DIPL.-ING. HEINZ J. RING
Unser ZeicÜeet 15 37& Datum: 24.7.1974
ARBED-P&G Drahtwerke Köln GmbH, pooo ^ülri 80, Schanzenstr .28
Verfahren zur Regelung d&r Temperatur
und Durchmischung von Schmelzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Temperatur und Durchmischung von zur './ärnebehandlung von Metallworen dienenden Schmelzen,die insbesondere für die g-steuerte AbKÜhlung zum Zwecke der Gefugeupvandlung vor. warmgewalzte·!·: Jtahldraht eingesetzt werden.
^s ist bereits vorgeschlagen worden, den 7/alzoraht .nach Verlassen des letzten Gerüstes einer Walzstrasse urd gegebenenfalls nach Durchlaufen einer Vorkühlstrecke in Salzschmelzen mit einer Temperatur von 45o° bis 6oo° C einzuführen, um ihn kurzfristig in den der gewünschten Gefügeumwandlung entsprechenden Temperaturbereich herunterzukühlen und bis mi-n Umwand lungs ende auf konstanter Temperatur zu halten. Der auf diese Weise behandelte Draht besitzt ein zur Kaltverformung durch Ziehen gut geeignetes sorbitisches Gefüge.
Dieses vorgeschlagene V/ar me beb. and lungs verfahren hat infolge einer Reihe von ungelösten technologischen Problemen bisher keine Anwendung in großindustriellen. Produktionsanlagen finden können. Eines dieser Probleme besteht darin,die durch den zu behandelnden Draht eingebrachte große Wärmemenge derart abzuführen, daß die Temperatur der Schmelze im Takt der Walzstrasse in engen Grenzen derart konstant gehalten wird, daß ein optimaler und reproduzierbarer Gefügezustand erreicht wird. Die Heizung und insbesondere Kühlung der Schmelze muß zu diesem Zweck ständig
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Telefon (0211) 36 05-14 · Telegrammtdrem: Dabspatent - Foitechcckkonto Köln 227610
^ . , ν. X-J* έ^Ο ORIGINAL ,
iiurziTrLStig, insbesondere öom Takt der 'Jalzstrasse entsprechend, ver l'xiöer t "erd en.
.-•iin ve:\tercs Probler; ergibt sich dadurch, daß es notwendig ist, die oGhmel^"2 so zu bevrogen und zu durchmischen, daß Wärrnestauungen weder in unmittelbarer '"Iahe des eintretenden Drahtes noch im Bereich des sich ergebenden Drahtringes auftreten,weil durch lokale Temperaturerhöhungen einerseits die reaktionsaktiveren Schmelzen einer unerwünschten thermischen Zerfall erleiden können und Nebenreaktionen nit dem ^ehältermaterial und dem zu behandelnden Gut zu befürchten sind und andererseits schwankende Kühlbedingungen Qualitätsbtei'-.trl'chtigungeH durch ungleichmäßige Gefügeausbildung mit sich bringen.
Die zur V/armeabfuhr üblicherweise vorgesehener äußeren Kreislaufsysteme mit dar ir integrierten B1OTd er pumpen und Wärmeaustauschern können in der Praxis die notwendige Wärmeabfuhr, die erforderliche Umwälzung der Schmelze und insbesondere die kurzfristige Anpassung der Kühl- bzw.Heizwirkung nicht erfüllen. Weiterhin ergeben sich bei der Verwendung äußerer Kreislaufsysteme betriebstechnische Schwierigkeiten infolge von Verkrustungen und Verstopfungen. Neben einem teuren Unterhalt sind derartige Anlagen steuerungstecnnisch und baulich äußerst aufwendig.
Ein weiteres bisher ungelöstes Problem ergibt sich dadurch, daß mit den behandelten Draht sehr beträchtliche Mengen der Schmelze ausgeschleppt werden. Die gewöhnlich aus Salz oder Salzmischungen bestehende und am Draht haftende Kruste muß vor der Weiterverarbeitung des Drahtes durch Spülen mit V/asser entfernt werden. Diese in hohem Maße salzhaltigen Spülwässer können aber weder in die Abwässer geleitet werden, noch ist ihre Aufarbeitung zwecks Wiedergewinnung des Salzes wirtschaftlich tragbar. Auch aus diesem Grunde ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Draht aus der Walzhitze mittels eines Salzbades bisher nicht verwirklicht worden.
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BAD ORIGINAL
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Temperatur und Durchmischung von zur Wärmebehandlung von Metallwaren dienenden Schmelzen zu schaffen, durch welches mit einfachen Mitteln sowie mit großer Schnelligkeit und Sicherheit die Temperatur der Schmelze durch Wärmeabfuhr in engen Grenzen gehalten und gleichzeitig eine wirkungsvolle Durchmischung der Schmelze bewerkstelligt werden kann. Das Verfahren soll darüber ainaus wirtschaftlich und umweltfreundlich sein,
um insbesondere bei der Verwendung für Salzschmelzen zur Wärmebehandlung von Draht jegliche Umweltbeeinträchtigung durch das Spülwasser auszuschließen.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine regelbare Menge eines gasförmigen und/oder bei der Schmelzentemperatur verdampfenden flüssigen Mediums unmittelbar in die unteren Bereiche der Schmelze eingeleitet wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die Wärmeaufnahme des Mediums eine Kühlung der Schmelze erzielt; durch das in der Schmelze emporsteigende Medium ergibt sich darüber hinaus eine gute Durchmischung der Schmelze, wodurch örtliche Temperaturunterschiede innerhalb der Schmelze vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird Wasser direkt in die Schmelze eingedüst. Das in die Schmelze eingedüste V/asser verdampft und entzieht hierbei der Schmelze Wärme. Durch den Entzug der Verdampfungswärme ergibt sich eine wirkungsvolle und gut regelbare Kühlungjentsprechend der zugeführten Wassermenge, wobei der in der Schmelze aufsteigende Wasserdampf gleichzeitig eine Durchmischung der Schmelze bewirkt. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Veränderung der Kühlwirkung ohne Minderung der Durchmischung dadurch erreichbar, daß der Wasserdampf bis zu loo$ durch ein Gas, beispielsweise Luft oder Stickstoff,ersetzt wird.
Der an der Oberfläche der Schmelze austretende Wasserdampf wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung aufgefangen und konden-
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siert. Das kondensierte Wasser wird über die Spülstufe in die Schmelze zurückgeführt. Auf diese V/eise wird das mit den Drahtringen aus der Schmelze in das Spülwasser eingeschleppte Salz restlos in die Schmelze zurückgeführt. Da der gebildete Wasserdampf aufgefangen und kondensiert und das Kondensat wieder in die Spülstufe zurückgeführt wird, ist einerseits der Wasserverbrauch infolge des geschlossenen Kreislaufes gering; andererseits wird eine Veränderung der Zusammensetzung der Schmelze durch mit Frischwasser eingeschleppte Mineralien ausgeschlossen.
Für die Schmelze eignen sich insbesondere wasserlösliche Alkali- und Erdalkalisalze sowie Mischungen derselben. Da deren Dichte und Viskosität im schmelzflüssigen Zustand gering sind,können der Gasdurchgang und die Durchmischung ohne Schwierigkeiten erfolgen. Die sich nach der Behandlung an den Metallwaren befindlichen Salzreste lassen sich mit Wasser leicht abspülen.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht bei der Wärmebehandlung von Stahldraht im Salzbad. Hierbei wird der Draht nach dem Verlassen des Walzwerkes und gegebenenfalls nach Vorkühlung zwecks Gefügeumwandlung in die Salzschmelze eingebracht. Nach erfolgter Gefügeumwandlung werden die Drahtringe aus der Salzschmelze herausgehoben, gespült und ihrer weiteren Verarbeitung zugeführt.
Die Salzschmelze hat hierbei bekanntlich zur Aufgabe, den Stahldraht, insbesondere solchen mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als o,~3%, möglichst schnell auf eine vorgegebene Temperatur,die je nach Kohlenstoffgehalt und sonstigen Legierungszusätzen des Drahtes zwischen 45o° und 6oo° C liegt, herunterzukühlen und so lange auf dieser Temperatur zu halten, bis die Gefügeumwandlung zu dem sich gut zur Kaltverformung durch Ziehen eignenden Sorbit beendet ist. Die Zielsetzung dieser Behandlung besteht darin,daß sonst vor dem Ziehen notwendige zusätzliche Bleibadpatentieren zu vermeiden. Die Durchführbarkeit und der Erfolg der Behandlung
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hängen maßgeblich mit der Wirksamkeit der Kühlung und der Gleichmässigkeit der Badtemperatur zusammen.
Der über einfache oder als Vorkühlstrecke ausgebildete Drahtzuführungen zum Salzbad gelangende Draht wird mittels eines über dem Bad angeordneten Schiingenlegers in Form von einzelnen,sich in kurzem Abstand folgenden und nahezu horizontalen Windungen direkt in die Salzschmelze eingebracht. Der Behälter zur Aufnahme der Schmelze wird so tief ausgelegt, daß eine freie Fallhöhe der einzelnen Drahti/indungen von mindestens 1,5 m aucri^zu Ende gewickeltem Ring zur Verfügung steht. Die einzelnen Drahtwindungen sinken frei schwebend ohne gegenseitige Berührung durch die auf konstanter Temperatur gehaltene und durchmischte Schmelze und erreichen während des Absinkens in der angegebenen strecke die Umwandlungstemperatur. Die auftretenden Sinkgeschwindigkeiten werden hierbei durch das spezifische Gewicht des Drahtes und der Schmelze sowie durch die Viskosität der Schmelze bei der jeweils vorhandenen Temperatur bestimmt.
Zu Beginn des Betriebes wird die Temperatur der beispielsweise aus Natriumnitrat bestehenden Schmelze durch eine am Behälter vorgesehene Heizeinrichtung, beispielsweise eine Induktionsheizung, auf die zwischen 45o° und 6oo C liegende Anfangstemperatur gebracht, Die während d-o;-s Betriebes durch die Schmelze von dem darin a bgekühlten Stahldraht aufgenommene V/arme wird kontinuierlich durch das ins Innere der Jchmelze eingedüste Medium abgeführt.
Auf de.·:1 Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der zur Durchführung des erfindungsgenäßcn /erfahrene verwendeten Vorrichtung dargestellt.
Die Zeichnung zeigt einen Schmelzbehälter l,der im unteren Bereich mit einem Düsenkranz 2 versehen ist. An diesen Düsenkranz 2 ist eine Zufuhrleitung 3 angeschlossen,die über ein einstellbares Ventil 4 mit einem Gasbehälter 5 in Verbindung steht.
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?'"her ein weiteres Ventil C ist die Zuführleitung ~j an einen Spülbehälter 7 angeschlossen, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch Trennwände S und Überströmleitungen 9 in mehrere Stufen unterteilt ist.
Oberhalb des Schmelzbehälters 1 befindet sich eine Auffanghaube lo,die selbstverständlich zum a-linbringen des wärmezubehandelnden Gutes entweder verschiebbar ist oder Durchführöffnungen aufweist, falls es sich bei dein wärmezubehandelnden Gut beispielsweise um Stahldraht handelt. Die Auffanghaube Io steht über eine Dampfleitung 11 mit einem Kondensator 12 in Verbindung, der wiederum über eine Kondensatleitung 13 mit dem Spülbehälter 1J verbunden ist.
Das zur Kühlung und Durchmischung der Schmelze bestimmte Medium wird über den Düsenkranz 2 in den unteren Bereich der Schmelze eingeleitet.Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Medium das aus dem Spülbehältc.-r 7 kommende V/asser verwendet, dessen. Menge euren das Ventil t regelbar ist. Zu diesem Zweck ist ein an sich bekannter Meß- und liege !kreis vorgesehen, der den Zufluß des Wassers über einen mit dem 7entil 6 gekoppelten Stellmotor in Funktion der von einem in die Schmelze eintauchenden,auf der Zeichnung nicht dargestellten Meßfühler gemessenen Sollwertabweichungen der Temperatur regelt.
Der an der Oberfläche der Schmelze entweichende Wasserdampf wird durch die Auffanghaube Io aufgefangen und über die Dampfleitung 11 dem Kondensator 12 zugeführt. Das im Kondensator 12 anfallende Kondensat wird über den Spülbehälter 7 im geschlossenen Kreislauf in den Schmelzbehälter 1 zurückgeführt. Das in der Schmelze v.'ärmebehandelte Gut wird entgegengesetzt zur Durchlauf richtung des Kondensats im Spülbehälter 7 von Schmelzresten befreit,die durch die Zufuhrleitung J5 wieder in die Schmelze zurückgeführt v/erden.
Durch die Verdampfung des in die Schmelze eingedüsten Wassers« und durch das Hochsteigen des Wasserdampfes
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Ip. der Schmelze v;erden einerseits insbesondere durch den Entzug der Verdarr-pfungsv.'ärme eine wirkungsvolle Kühlung der Schmelze und andererseits eine intensive Durchmischung der Schmelze und danit eine Vergleichmässigung der Temperatur innerhalb der Schmelze erreicht. Um auch bei einer Verminderung oder vollständigen Abstellung der Wasserzufuhr eine genügende Durchmischung der Schmelze aufrechtzuerhalten,kann jederzeit ein Teil oder die vollständige Menge des Wassers durch Zufuhr von Gas aus dem Gasbehälter 5 ersetzt werden. Die Regelung der Gaszufuhr geschieht hierbei durch Einstellen des Ventils 4. Da die Wärmeabfuhr durch das Gas erheblich geringer ist,kann auch bei gedrosselter Kühlung eine ausreichende Durchmischung der Schmelze erzielt werden.
Aufgrund der regelbaren Kühlungsmöglichkeit der Schmelze kann dem zu behandelnden Draht die Wärme äußerst gleichmässig entzogen und der in wesentlich höheren Wärmeübergangszahlen gegenüber der Luftbehandlung liegende Vorteil der Schmelzbadbehandlung genutzt werden. Die steuerungstechnisch einfache und baulich mit geringem Aufwand auskommende Vorrichtung kann in unmittelbarer Kombination mit neuzeitlichen, mit großer Geschwindigkeit arbeitenden Drahtwalzwerken eingesetzt werden und ermöglicht die Herstellung von Walzdraht,der in seiner Qualität dem im Bleibad behandelten Draht gleichwertig ist. Durch die Verwendung von Wasser als Medium zum Kühlen und Durchmischen der Schmelze ergibt sich die Möglichkeit, dieses im geschlossenen Kreislauf zu führen und zum Spülen des behandelten Gutes zu verwenden,wobei die abgespülten Schmelzreste zwangsläufig in die Schmelze zurückgeführt werden,wodurch Probleme der Spülwasserbeseitigung und Wiedergewinnung von beim Spülen anfallenden Schmelzresten vollständig beseitigt werden.
Obwohl die .Erfindung in der Hauptsache bei der Wärmebehandlung von Stahldraht aus der Walzhitze Anwendung finden soll, kann sie jedoch sinngemäß auch bei sonstigen Schmelzen,insbesondere Salzbadschmelzen, verwendet werden, beispielsweise für die kontinuierliche oder diskontinuierliche Wärmebehandlung von Metallwaren oder für die Thermostatisierung von Reaktionsgefäßen.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche :
    /l.) VerfcJ .'-.■·■■ ;ur Regelung der Temperatur und Durchnischung von zur Wärmebehandlung von Metallwaren dienenden Schmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine regelbare Menge eines gasförmigen und/oder bei der Schmelztemperatur verdampfenden flüssigen Mediums unmittelbar in die unteren Bereiche der Schmelze eingeleitet wird .
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser unmittelbar in die Schmelze eingedüst wird.
  3. j5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Wärmebehandlung nachge^ordneten Spülstufe mit Salz beladenes V/asser entnommen und in die Salzschmelze eingeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Kühlwirkung ohne gleichzeitige Verminderung der Durchmischung der Wasserdampf bis zu loo$ durch ein Gas ersetzt wird.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Badoberfläche austretende Wasserdampf aufgefangen und kondensiert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß das kondensierte Wasser in die Spülstufe zurückgeführt wird.
  7. 7· Anwendung einer Salzschmelze, deren Temperatur und Durchmischung mit gasförmigen und/oder bei der Badtemperatur verdampfenden flüssigen Medien,welche unmittelbar in das Innere der Schmelze eingeführt werden, geregelt wird, für das Salzbadpatentieren von Stahldraht, der im warmen Zustand in Form von Windungen in das Schmelzbad eingehaspelt wird.
  8. 8. Anwendung einer Salzschmelze gemäß Anspruch 7,wobei während der Spülung der behandelten Metallwaren anfallendes,salzhaltiges Spülwasser in die Schmelze eingeleitet und von der Kondensation des an der Schmelzenoberfläche abgefangenen Wasserdampfes herrührendes Kondensat in die Spülstufe zurückgeführt wird ο
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