DE2622551C3 - Einrichtung zum Härten von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung bclni/t eine Einrichtung zum Härten von langgestreckten Werkstücken in einem Härtebekken mit einer in dieses absenkbaren Vorrichtung zum Tragen der Werkstücke, wobei Wasser als Härtemittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist, der Düsenstöckc mit schräg auf die Werkstücke gerichteten Düsen, einen Überlauf am Härtebecken, eine Umwälzpumpe und einen Wärmetauscher umfaßt.

Die für die Härtung von großdimensionierten Werkstücken aus Stahl verwendeten Härtemedien (Wasser, öl, Salzlösungen oder Emulsionen) werden —

(,5 wenn keine anderen Umstände wie z. B. Verzug, Kühlung o. ä. zu berücksichtigen sind — ausgewählt mit Rücksicht auf die Härtecharakteristik bzw. die obere kritische Abkühlungsgeschwindigkeit der betreffenden Stahlqualitäten. Der Siedepunkt dieser Flüssigkeiten liegt unterhalb der Härtetemperatur des Werkstücks. Dies hat zur Folge, daß im Verlauf der Abkühlung zunächst die Dampfmantelphase, dann die Kochphase und schließlich die Konvektionsphase durchlaufen werden, was beim Betreiben von Großraumhärtebekken zu besonderen technischen und wirtschaftlichen Problemen führt

Die Dampfmantelphase, während der nur eine geringe Wärmeabfuhr durch Leitung oder Strahlung erfolgt, ist unerwünscht Sie kann zu Här*efehlern, Weichfleckigkeit und Ausschuß führen. — Für die Härtung besorders wichtig ist die Kochphase, in der die Wärmeabfuhr sehr groß ist und die Abkühlungsgeschwindigkeit mindestens den Wert der oberen kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit erreichen soll. In der Konvektionsphase wird die Wärmeabfuhr wieder langsamer. Sie erfolgt durch Konvektion und Leitung.

Wegen der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (spezifischi» Wärme, Wärmeleitfähigkeit, Verdampfungswärme, Siedebeginn, Viskosität) ist die Abschreckwirkung von Wasser größer als die von öl. Jedoch ist die nachteilige Wirkung des Dampfmantels bei Wasser ebenfalls größer als bei öl, weil die Beständigkeit des Dampfmantels zunimmt bei Annäherung an den Siedepunkt und der Siedepunkt von Wasser näher an der Härtebadtemperatur liegt als der von öl. Eine Erhöhung der Wasserbadtemperatur, wie sie beim Härten i. a. auftritt, vergrößert diesen Nachteil noch. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit des Wasserdampfes geringer als die des öldampfmantels. Deshalb ist die Temperatur des Wassers möglichst niedrig zu halten.

Weil die Temperatur des Ölbades weit unter dem Siedepunkt liegt, hat eine Erhöhung der Badtemperatur hier praktisch keinen Einfluß auf die Dauer der Dampfmantelphase. Die durch Temperaturanhebung bedingte Verringerung des Wärmegefälles vom Stahl zum öl wird mehr als ausgeglichen durch die Erniedrigung der Viskosität des Öles, wodurch die Wärmeabfuhr durch Konvektion verbessert wird, und durch die Erhöhung der spezifischen Wärme, weshalb eine Temperaturerhöhung des Ölbades auf /. B. 50-70 C angestrebt wird.

Aus der DE-AS 20 2b 586 ist eine t-.inrichlung /um ί tar ten von Werkstücken, insbesondere von schweren Fur binenläufern und schweren Walzen bekannt. In einem Härtebehalter sind in dessen Innerem über eine wesentliche Höhe des Mantels des Härtebehälters verteilt Düsen angebracht. Hierbei sind die Düsen in waagerechten und senkrechten Reinen angeordnet, wobei die Winkel einstellung und/oder der Abstand der Düsen /mn Werk stück veränderbar ist. Hierdurch besteht ιΚ· Möglich keit. das Werkstück, also den Turbinenlaufer oiler die Walze an einem K.ran hängend in den mit Öl gelullten Härtebehalter einzutauchen und das Werkstück im ölbad allseitig mit öl anzusprühen. Da die Winkeleinstellung und/oder der Abstand der Düsen zum Werkstück veränderbar sind, kann das Werkstück in etwa tangential angesprüht werden. Es ist auch möglich, das Werkstück außer horizontal auch vertikal anzusprühen.

Zusätzlich zu den am Mantel des Härlcbchältcrs ungeordneten Düsenstöcken ist am Behälterboden eine Bodendüse vertikal angeordnet, die eine im wesentlichen geschlossene und unter hohem Druck stehende

Ölsäule für die Durchströmung von in dem Werkstück angeordneten Axialbohrungen auszubilden erlaubt. Das öl ist in einem geschlossenen Kreislauf geführt, in dem Umwälzpumpen angeordnet sind. Je nach Stellung der einzelnen Absperrorgane kann das aus dem Überlauf austretende Härteöl über einen Vorratsbehälter und über Pumpen unmittelbar wieder den Düsen zugeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Absperrorgane so einzustellen, daß das Öl zunächst über einen Kühler oder aber auch bei Bedarf über einen Vorwärmer geführt wird, bevor es den Düsen innerhalb des Härtebehälters wieder zugeführt wird.

In dem Fachbuch »Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe« von Heinrich Ruhfus, 1958, Verlag Stahleisen mbH, wird auf den Seiten 379 und 380 über Untersuchungen des Einflusses des Neigungswinkels eines Wasserstrahls auf die Werkstoffoberfläche berichtet Danach bietet ein schräg zur Oberfläche des zu härtenden Werkstuckes auftreibender flacher Wasserstrahl die Möglichkeit, eine Dampfblasenbildung zu verhindern. Bei einem bestimmten Wasserdruck muß auch eine bestimmte Schrägsteliung der Düsen eingehalten werden, um ein Zurückspritzen und damit nachteilige Wirbelbildung zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der einleitend genannten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, auf zwei getrennten Wegen die zum Härten erforderliche Turbulenz einerseits und die Einhaltung der erforderlichen Wärmebilanz andererseits zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kühlkreislauf und ein Umwälzkreislauf mit jeweils mehreren am Boden des Härtebeckens angeordncicn Düsenstöcken für das Wasser miteinander gekoppelt sind und daß der Wärmetauscher als Verdampfer ausgebildet ist und mit einem Verflüssiger und einem Kompressor /u einem geschlossenen Kältemittelkreislauf /usaminengeschaltet ist.

Bei Härteverfahren dieser Art ist es ein wesentliches Ziel, die Dampfmantelbildung zu unterbinden. Diese Dampfmantelbildung wird zum einen durch eine kräftige Umwälzung unterdrückt und ist zum anderen von der Temperaturdifferenz zwischen dfr Badtemperatur und der Siedetemperatur des Härtemittels abhängig, so daß die Dampfmantelbildung sich dadurch günstig un- !erdrücken läßt, daß diese Temperaturdifferenz lYiöglichsi hoch ist. Diese beiden Zielsetzungen werden gemülJ der Erfindung voneinander getrennt. Das bedeutet, daß ein Kreislauf dazu dienen kann, die "1 empcatur des Härtemittels niedrig /u halten, während der andere Kreislauf du/.ti dient, eine große Umwälzung des Härteniitiels vor/iiiK-hmn. da /um Erreichen der Wärmebi l;in/ lediglich eine geringe I 'mwälzung notwendig ist, se d.ili dementsprechend die Kühleinrichtung klein dimensioniert werden kann

In weilerer Ausgestaltung der Erfinciurig können Temperaturfühler im Härtebecken angeordnet sein, übt! ü!c die Durchfluümcngc und/oder die Temperatur des Kältemittels im Wärmetauscher regelbar ist. Auch kann ein Temperaturfühler im Kältemittelkreislauf angeordnet sein, über den die Temperatur des Wärmeträgers regelbar ist.

Zweckmäßig sind dir Kühlkreislauf und der Umwälzkreislauf über Magnetventile gekoppelt, die durch einen Tcmcpraturfühler steuerbar sind, der in dem Härtebekkcn und/oder in einem Vorratsbehälter für Wasser angeordnet ist.

Zum Unterstützen des möglichst frühen Zusammen

bruchs der Dampfmantelphase im Härtebecken können Umwälzer angeordnet sein, die auch mit der Vorrichtung zum Tragen der Werkstücke in das Härtebecken absenkbar sein können. Auch kann das Härtebecken innen an seinen Längsseiten Leitbleche aufweisen, die mit Durchtrittsöffnungen für Umwälzer versehen sind, die sich unterhalb der zu behandelnden Werkstücke befinden, so daß die Umwälzer für einen Kreislauf des Härtemittels im Härtebecken selbst um die Leitbleche herum sorgen. Zusätzlich ist es möglich, daß die absenkbare Vorrichtung zum Tragen der Werkstücke reversierbar im Härtebecken beweglich ist.

Als absenkbare Vorrichtung zum Tragen der Werkstücke kommt insbesondere ein Rollgang in Frage, mit dem langgestreckte rotationssymmetrische Werkstücke wie Stangen und Rohre befördert werden.

Durch eine derartige Einrichtung wird erreicht, daß bei Verwendung von Wasser als Härtemittel die Badtemperatur so niedrig wie möglich gehalten werden kann, während die Dampfmantelphase zugunsten der Kochphase unterdrückt bzw. zeitlich möglichst weitgehend begrenzt werden kann.

Mittel' der erfindungsgemäßen Einrichtung können Härtebecken mit einer Länge von beispielsweise über 10 m und einem Fassungsvermögen von über 50 0001 wirtschaftlich unter Erzielung reproduzierbarer Härteergebnisse betrieben werden, da das Härtemittel über die gesamte Länge der Becken eingedüst und durch die Bewegung des Härtemittels im Becken eine gleichmäßige Härtung auch langgestreckter Werkstücke erzielt werden kann. Aufgrund des vorgesehenen Kühlkreislaufes und des Umwälzkreislaufes wird das Wasser mit konstanter Temperatur und Geschwindigkeit an allen Düsen der Düsenstöcke am Boden des Hartebeckens eingebracht, wobei außerdem die Kapa/nat des Werkswassernetzes bei Verwendung von Wasser als Härtemittel nicht durch die erforderlichen großen Härtemittelmengen beeinträchtigt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Härtebecken gemäß Her vorliegenden Erfindung im Längsschnitt.

F i g. 2 ist ein senkrechter Querschnitt durch das Härtebecken von Fig. I.

F ι g. 3 zeigt einen Kreislauf, bei dem vorzugsweise Wasser als Härtemittel verwendbar ist.

In Fig. 1 ist ein Rollenherddurchlaufofen 1 mit seinem Austrittsende dargestellt, der mit einem Rollgang 2 ausgerüstet ist. auf dem das wärmezubehandel.ide Gut (nicht dargestellt), etwa Stabstahl, Rohre oder dgl. kontinuierlich auf einen Abschreckrollgang 5 befördert wird, der Rollen 6 aufweist, die über ein Getriebe 4 angetrieben werden, wobei der Abschreckrollgang 5 an das Getriebe für den Rollgang 2 des Ofens 1, beispielsweise ein PIV-Getriebe, angekuppelt werden kann. Der Rollgang 5 ist in einer Rahmenkonstruktion 7 angeordnet, die auch das Getriebe 4 für den Rollgang 5 trägt. Ferner ist das Endstück des Rollgangs 2 vordem PIV-Antrieb abkuppelbar, wobei dieses Endstück in seiner Lage derart bemessen ist, daß eine Lage aus zu behandelnden Werkstücken gerade auf ihm Platz hat. Die Abkupplung geschieht beispielsweise elektromagnetisch. Das Endstück des Rollgangs 2 wird nach erfolgter Abkupplung mit einem besonderen nicht dargestellten Motor angetrieben, so daß das auf diesem Teil des Rollgangs liegende Material rait hoher Geschwindigkeit auf den mit gleicher Geschwindigkeit durch

das Getriebe 4 angetriebenen Rollgang 5 befördert und mit diesem hydraulisch in ein unter dem Rollgang befindliches Härtebecken 21 abgesenkt wird. Zu diesem Zweck sind Hubzylinder 22 vorgesehen, die die Rahmenkonstruktion 7 absenkbar tragen. Nachdem das zu behandelnde Material ins Härtebecken abgesenkt wurde, wird die vorher geöffnete Ofenauslauftür wieder geschlossen und das Endstück des Rollgangs 2 erneut an das PI V Getriebe angekuppelt.

An der Trennstelle zwischen dem als Schnellantriebsteil ausgebildeten Endteil und dem übrigen Teil des Rollgangs 2 kann eine Lichtschranke angebracht sein, mittels der festgestellt wird, wann eine Materiallage vollkommen auf dem Schnellantriebsteil liegt, wodurch dann über ein entsprechendes Relais oder dgl. zunächst die Ofenauslauftür hochgefahren und dann der Schnellantnebsteii des Kollgangs 2 und der Rollgang 5 in Bewegung gesetzt werden, wonach dann, wenn die zu behandelnden Werkstucke auf dem Rollgang 5 liegen, dieser ins Härtebecken 21 abgesenkt wird. Mittels eines Zeitrelais kann die Zeitdauer des Eintauchens genau begrenzt werden. Sobald das Material eingetaucht ist, wird über einen Endschalter oder dgl. die Ofentür wieder geschlossen und der Schnellantriebsteil des Rollgangs 2 wieder an den Pl V-Antrieb angekuppelt.

Anstelle einer Lichtschranke kann auch eine Kontaktrolle oder dgl. od.. aber eine gekühlte Fersehkamera, deren Bild elektronisch ausgewertet wird, verwendet werden.

Während des Härtens, das sich in wesentlich kürzerer Zeit als der Durchlauf der Werkstücke durch den Ofeii 1 abspielt, wandert die nächste Lage von Werkstücken mit der am PIV-Antrieb eingestellten Geschwindigkeit langsam auf den inzwischen wieder angekuppelten Schnellantriebsteil des Rollgangs 2 zu, wonach der Vorgang von neuem beginnt, sobald sich die Werkstücke vollkommen auf dem Schnellantriebsteil befinden. Auf diese Weise läßt sich der Härtevorgang kontinuierlich unter Verwendung eines Härtebeckens gestalten.

An der Rahmenkonstruktion 7 können Umwälzer 10 angeordnet sein, die mit der Rahmenkonstruktion 7 in das Härtebecken absenkbar und über einen Endschalter beim oder unmittelbar nach dem Absenken der Rahmenkonstruktion 7 in Gang setzbar sind, um das Härtemittel im Härtebecken 21 zusätzlich umzuwälzen.

Auch kann der Härterollgang 5 reversierbar beweglich sein, damit die Werkstücke im Härtebecken relativ zum Härtemittel hin- und herbewegbar sind, um auch auf diese Weise eine bessere Wärmeabfuhr von den Werkstücken zu gewährleisten.

Zur eigentlichen Bewegung des Härtebades zur Erzielung einer optimalen Wärmeabfuhr durch Konvektion befinden sich am Boden über die gesamte Länge des Härtebeckens 21 Düsenstöcke 23 mit Düsen 24, deren Austrittsöffnungen, wie aus F i g. 1 ersichtlich, schräg gegen das zu behandelnde Gut angestellt sind. Das Härtebecken 21 ist längs seines oberen Randes mit e.nem Oberlauf 34 versehen, in den das zur Härtung verwendete Wasser fließt von wo es über einen Rücklauf 35 in den Vorratsbehälter 33 zurückgeführt wird. Zusätzlich isi der Wasserbehälter 37 mit einer Frischwasscr/ufuhr 39 verbunden.

Gemäß Fig.4 besitzt das Härtebecken 21 zwei Düsenstöcke 23. die jeweils rechteckig angeordnet sind, wobei sich ein Düsenstock innerhalb des anderen am Boden des Härtebeckens 21 befindet. Die beiden Düsenstöcke sind an unterschiedliche Wasserkreisläufe angeschlossen. Der innere Düsenstock 23 wird von einer

< Pumpe 32 mit Wasser beaufschlagt, das einem Vorratsbehälter 50 entnommen wird. Dem Vorratsbehälter 50 wird Wasser aus dem über den Rücklauf 35 mit dem Härtebecken 21 verbundenen Sammelbecken 33 über eine Pumpe 51 zugeführt. Dieser Kreislauf dient

ι» vor allem zur starken Umwälzung des Härtemittels im Härtebecken 21 mit großer Umwälzleistung weshalb sehr starke Pumpen 32 und 51 vorgesehen sind. Der zweite Kreislauf, der den /weiten Düsenstock 23 im Härtebecken 21 beinhaltet, dient zum Halten der

κ Temperatur des Härtemittels z. B. auf 5°C und führt von dem Düsenstock 23 über den Rücklauf 35 zum Sammelbecken 33 und von dort über eine Pumpe 52 zu einem Wärmetauscher 53, der seinerseits über ein Magnetventil 54 mit dem Düsenstock 23 verbunden ist.

Der Wärmetauscher 53 ist als Verdampfer ausgebildet und mit einem Verflüssiger 54a und einem Kompressor 55 in einem Kältemittelkreislauf geschaltet, in dem das vorher komprimierte Kältemittel in dem Verflüssiger 54;; kondensiert wird, um für die Kühlung des Härtemittels

2*· wieder ζμγ Verfügung zu stehen, wobei der Verflüssiger 54 mit einem sekundären Kühlwasserkreislauf mit Kühler 56, Sammelbehälter 57 und Pumpe 58 verbunden ist. Der Kühlwasserkreislauf, der den Wärmetauscher 53 aufweist, und lediglich zum Halte- der Temperatur des

3d Kühlmittels dient, benötigt keine große Wasserumwälzung, wodurch sich nur eine geringe Dimensionierung der Kühleinrichtung, bestehend aus dem Wärmetauscher 53 und den angeschlossenen Kreisläufen ergibt. Während das unter Hüttenflur befindliche Sammelbek-

J5 ken 33 nur ein solches Volumen zu haben braucht das erforderlich ist, um das über den Rand des Härtebek kens 21 übertretende Wasser aufzunehmen, besitzt der vorzugsweise als Hochbehälter ausgebildete Vorratsbe halter 50 ein möglichst großes Volumen, das auf die Durchsatzleistung des Härteofens und vor allen Dingen auf die Wasserumwälzleistung ausgerichtet sein muß. die benötigt wird. Hierdurch wird die Möglichkeit gegeben, daß nach Erzielen der vorgesehenen Temperatur im Härtebecken der Kaltwasserkreislauf über entsprechende Magnetventile 54,59, die durch einen im Härtebecken 21 befindlichen Temperaturfühler betätigt werden, mit dem Vorratsbehälter 50 verbunden werden, wodurch ein großer Vorrat an gekühltem Wassc für eine große Umwälzleistung im Härtebecken bereitgestellt wird. Da der Flüssigkeitsspiegel des Vorratsbehälters 50 im allgemeinen über dem des Härtebeckens 21 liegt, werden die verbindenden Rohrleitungen an einer beliebigen Stelle bis in Höhe der Oberkante des Vorratsbehälters 50 geführt, damit dieser etwa beim Versagen einer Rückschlagkappe einer Pumpe oder dgl. nicht leergesaugt werden kann und eine unerwünschte Überflutung auftritt

An der höchsten Stelle der Rohrleitung wird dabei ein Entlüftungs-ZBelüftungsventil 60 installiert

«J Erfindungsgemäß ergibt sich eine sehr starke Umwälzung des Härtemittels und damit eine günstige Wärmeabfuhr durch Konvektion, während die Dampfmantelphase im wesentlichen unterdrückt wird. Selbst bei Werkstoffen mit geringer Härtbarkeit ergeben sich

^(>s auch bei Großraumbecken optimale und reproduzierbare Härteergebnisse.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Härten von langgestreckten Werkstöcken in einem Härtebecken mit einer in dieses absenkbaren Vorrichtung zum Tragen der Werkstücke, wobei Wasser als Härtemittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist, der Düsenstocke mit schräg auf die Werkstücke gerichteten Düsen, einen Oberlauf am Härtebecken, eine Umwälzpumpe und einen Wärmetauscher umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkreislauf (52,53, 54) und ein Umwälzkreislauf (51, 50, 32, 60) mit jeweils mehreren am Boden des Härtebeckens (21) angeordneten Düsenstöcken (23) für das Wasser miteinander gekoppelt sind, und daß der Wärmetauscher (53) als Verdampfer ausgebildet ist und mit einem Verinissiger (54aj und einem Kompressor (55) zu einem geschlossenen Kältemittelkreislauf zusammengeschaltet ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturfühler im Härtebecken (21) angeordnet sind, über die die Durchflußmenge und/ oder die Temperatur des Kältr mittels im Wärmetauscher regelbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler im Kältemittelkreislauf angeordnet ist, über den die Temperatur Jes Kältemittels regelbar ist.

4. Einrichtung nach einem ^?r Ansprüche 1 bis 3, jo dadurch gekennzeichne' daß der Kühlkreislauf (52, 53,54) und der Umwälzkreislai;' (51,50,32,60) über Magnetventile (54, 59) gekoppelt sind, die durch einen Temperaturfühler steuerbar sind, der in dem Härtebecken (21) und/oder in einem Vorratsbehälter (50) für Wasser angeordnet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Härtebecken (21) mit Umwälzern (10) ausgerüstet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekenn· w zeichnet, daß die Umwälzer (10) mit der Vorrichtung (5, 7) zum Tragen der Werkstücke in das Härtebecken (21) absenkbar sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß das Härtebecken (21) innen an .|> seinen Längsseiten Leitbleche aufweist, die mit Durchtrittsöffnungen für Umwälzer versehen sind, die sich unterhalb der /u behandelnden Werkstücke befinden.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 7, mi dadurch gekennzeichnet, daß die absenkbare Vorrichtung (5, 7) zum Tragen der Werkstücke reversierbarim Härtebecken (21) beweglich ist.