DE3900995A1 - METHOD FOR HARDENING A CYLINDRICAL HOLLOW BODY - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten eines zylindrischen Hohlkörpers aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for hardening a cylindrical Hollow body made of steel according to the preamble of patent claim 1.

Ein derartiges Verfahren ist Gegenstand der Patentanmeldung DE-P 38 18 878.3, das auf die gleiche Anmelderin zurückgeht und einsetzbar ist für das Härten von Rohren und Druckbehältern aus Stahl, d. h. für Hohlkörper, die auf einer (Behälter) oder beiden Stirnseiten (Rohre) offen oder auf beiden Stirnseiten geschlossen (Behälter) sein können. Beim Härten derartiger Gegenstände ist es wichtig, daß die Abkühlung möglichst ohne wesentliche 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).Such a method is the subject of the patent application DE-P 38 18 878.3, which goes back to the same applicant and can be used for hardening steel pipes and pressure vessels, d. H. for hollow bodies on one (container) or both faces (Pipes) open or closed on both ends (container) can. When hardening such objects, it is important that the Cooling as far as possible without significant local differences in the Cooling effect takes place, so that overall a uniform structure is ensured. Locally different cooling effects can be due to of the different specific volumes of the structure types Deform the hollow body. This doesn't just do one often complex post-processing of the hollow body required, but complicates z. B. in the case of steel pipes often further processing (e.g. transport disruptions due to curved pipes).

Die Gleichmäßigkeit der Kühlwirkung ist beim gattungsgemäßen Verfahren über den Umfang der zylindrischen Hohlkörper gesehen von vornherein gegeben. In Längsrichtung der Hohlkörper ist dies jedoch nicht immer der Fall. Dies gilt insbesondere bei Hohlkörpern, die auf einer oder auf beiden Stirnseiten offen sind, weil das Kühlmittel beim Eintauchen in das Kühlmittelbad durch die offene Stirnseite bzw. Stirnseiten in das Innere des Hohlkörpers eindringt und dort eine zusätzliche Innenkühlung hervorruft, die jeweils im Bereich der offenen Enden am stärksten ist und zur Mitte bzw. zur geschlossenen Stirnseite hin schwächer wird. The uniformity of the cooling effect is in the generic method seen from the outset over the circumference of the cylindrical hollow body given. In the longitudinal direction of the hollow body, however, this is not always the case Case. This applies in particular to hollow bodies that are on or on Both ends are open because the coolant is immersed in the coolant bath through the open end face or end faces into the Penetrates inside the hollow body and there an additional internal cooling causes, which is strongest in the area of the open ends and weakens towards the middle or towards the closed end face.  

Bei Rohren mit relativ großem Durchmesser (oberhalb etwa 240 mm Durchmesser) findet allerdings dennoch 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 2 a in Fig. 1). Bei einer martensitischen Durchhärtung (Kurven 1-3 in Fig. 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.In the case of pipes with a relatively large diameter (above approximately 240 mm diameter), however, a relatively uniform internal cooling and therefore also a uniform overall cooling takes place. However, the situation is problematic for pipes with smaller diameters or for containers that are open on one side, since the thermal and fluidic conditions are considerably less favorable. This is particularly true in the case of scavenging cooling to obtain a bainite structure having favorable after quenching readily tempering mechanical properties (see FIG. 2 curve a in Fig. 1). In the case of a martensitic hardening (curves 1-3 in Fig. 1), that is, when quenching to coolant temperature, a uniform structure can usually be ensured by a suitable choice of material for the hollow body, so that even larger cooling effect differences are still manageable.

Eine Möglichkeit zur Ausschaltung unterschiedlicher Kühlwirkungen auf der Innenseite der Hohlkörper wäre grundsätzlich dadurch realisierbar, daß man den Zutritt des Kühlmittels in das Innere des Hohlkörpers von vornherein ausschließt. Dies könnte durch das vorübergehende Anbringen geeigneter Verschlußdeckel an den offenen Stirnflächen der Hohlkörper erfolgen. Eine solche Maßnahme würde jedoch einen erheblichen Handhabungs- bzw. Apparateaufwand erfordern und erscheint deswegen weniger erstrebenswert.One way to turn off different cooling effects the inside of the hollow body would basically be possible that the entry of the coolant into the interior of the hollow body excludes in advance. This could be due to the temporary attachment suitable sealing cover on the open end faces of the hollow body respectively. However, such a measure would be a significant one Handling and apparatus expenditure require and therefore appears less desirable.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das gattungsgemäße Verfahren nach Patentanmeldung DE-P 38 18 878.3 mit möglichst einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, daß Hohlkörper, die auf einer oder auf beiden Stirnseiten offen sind, insbesondere Stahlrohre mit einem Durchmesser unter 240 mm, mit einer örtlich gleichmäßigen Kühlwirkung abgekühlt werden können, so daß bei einer abfangenden Kühlung auch bei empfindlicheren Werkstoffen eine gleichmäßige Gefügeausbildung (Bainit) erzielt wird. The object of the invention is therefore to follow the generic method Patent application DE-P 38 18 878.3 with the simplest possible means to improve that hollow body on one or both End faces are open, in particular steel pipes with a diameter less than 240 mm, cooled with a locally uniform cooling effect can be, so that with intercepting cooling also more sensitive materials an even structure (bainite) is achieved.  

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 3 gekennzeichnet. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist die Merkmale des Patentanspruchs 4 auf.According to the invention, this object is achieved by the characterizing Features of claim 1. Advantageous further developments of this Procedures are characterized in the subclaims 2 to 3. A Device for performing the method has the features of Claim 4 on.

Der Kern der Erfindung liegt darin, 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.The essence of the invention is that the through at the open ends the inflowing coolant there at least increased internal cooling approximately by a corresponding weakening of the external cooling in this area is compensated. This is ensured by the fact that the swirling of the coolant bath in these end areas z. B. by local reduction in the pressure of the swirls supplied Compressed air or the coolant supplied with increased pressure (e.g. Pressure water) takes place less strongly.

Die Unzulänglichkeit der bisherigen Vorgehensweise beim Abkühlen von Hohlkörpern in einer konventionellen Drehtauchanlage zeigt sich an den in Fig. 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, um ein bainitisches Gefüge zu erzielen. Die tatsächliche Temperaturverteilung war jedoch, wie Fig. 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 Fig. 3 dargestellten über die Rohrlänge stark unterschiedlichen Streckgrenzenwerten R _t0,5 dokumentieren. The inadequacy of the previous procedure when cooling hollow bodies in a conventional rotary immersion system can be seen from the measurement results shown in FIGS . 2 and 3 on a steel tube with 178 mm diameter, 14 mm wall thickness and 15 m length. This tube was specifically quenched from 920 ° C to an average temperature of 450 ° C in order to achieve a bainitic structure. However, as shown in Fig. 2, the actual temperature distribution was extremely different. While at the ends temperatures were already below 400 ° C, the middle range was still around or above 600 ° C. That is, the temperature differences were up to 250 K. This led to a correspondingly different structure, which z. For example, document the yield point values R _t0.5 , which differ greatly across the pipe length, as shown in FIG .

Während die Werte an den Enden bei etwa 700 N/mm² liegen, weil dort das angestrebte bainitische Gefüge entstanden ist (entsprechend Kurve 2/2 a 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 3/3 a in Fig. 1) .While the values at the ends are around 700 N / mm ² , because this is where the desired bainitic structure has arisen (corresponding to curve 2/2 a in Fig. 1), the middle range (approx. 2-3 m from the pipe ends removed) values of 465-495 N / mm ² , which indicate a predominantly ferritic / pearlitic structure (corresponding to curve 3/3 a in Fig. 1).

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt sich in den Meßergebnissen in Fig. 5 und 6, die an einem anderen Stahlrohr ermittelt wurden, das auf einer Anlage abgekühlt wurde, welche schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. Werkstoff und Rohrabmessungen entsprachen dem Vergleichsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3. In Fig. 4 ist durch eine Vielzahl von Pfeilen angedeutet, daß die Druckluftzufuhr zur Verwirbelung des Kühlmittelbads unterhalb des eingetauchten Rohres 1 im Bereich des Rohranfangs 1 a und des Rohrendes 1 b in einzelne Düsenleisten 2 a bzw. 2 b aufgeteilt ist, die mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt werden können. Im vorliegenden Beispiel sind jeweils 8 einzelne Düsenleisten 2 a bzw. 2 b von 350 mm Einzellänge an den beiden Rohrenden 1 a, 1 b 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.The effectiveness of the method according to the invention is shown 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. 4. The material and pipe dimensions corresponded to the comparative example according to FIGS . 2 and 3. In 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 1 a and the pipe end 1 b in detail Nozzle bars 2 a and 2 b is divided, which can be acted on with different pressure. In the present example, 8 individual nozzle strips 2 a and 2 b each with an individual length of 350 mm have been provided at the two pipe ends 1 a , 1 b . 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.

Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 und 6 wurden lediglich jeweils die zwei äußersten Düsenleisten 2 a, 2 b mit Druckluft beaufschlagt, deren Druck auf 1,3 bar abgesenkt war, während alle anderen Düsenleisten 2 a, 2 b 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 also etwa 700 mm. Die Tauchtiefe des Rohres 1 war mit 90% festgesetzt worden. In the case of the exemplary embodiment according to FIGS. 5 and 6, only the two outermost nozzle strips 2 a , 2 b were acted upon with compressed air, the pressure of which was reduced to 1.3 bar, while all the other nozzle strips 2 a , 2 b and the continuous nozzle strip 2 were operated with compressed air of 2.5 bar. The length of the pipe ends, which are cooled less intensively from the outside, was therefore about 700 mm on each side. The depth of immersion of tube 1 was set at 90%.

Unter diesen Bedingungen ergab sich die sehr gleichmäßige Temperaturverteilung über die Rohrlänge von etwa 15 m, wie sie in Fig. 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 Fig. 6.Under these conditions, the very uniform temperature distribution over the pipe length of about 15 m resulted, as shown in FIG. 5. The scattering range has shrunk to a range of about 30 K, so that the desired temperature for the intercepting cooling was practically reached everywhere. The resulting bainitic structure is correspondingly uniform. This can be seen from the uniform yield strength values of 670-690 N / mm ² according to FIG. 6.

Um eine Abkühlanlage gemäß Fig. 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.To a cooling system according to FIG. 4 z. B. for steel pipe production as effectively and flexibly as possible (different pipe dimensions and materials), an electronic control system is available that measures the length of the pipe to be cooled when it exits the austenitizing furnace and takes into account the depth, temperature, and material , the diameter and the wall thickness of the tube, the position and length of the zones to be cooled to a greater or lesser extent are determined and finally the appropriate nozzle strips are pressurized.

Claims (4)

1. Verfahren zum Härten eines zylindrischen Hohlkörpers aus Stahl im Rahmen einer Vergütungsbehandlung, wobei der auf Austenitisierungstemperatur erwärmte Hohlkörper in einem Kühlmittelbad, insbesondere einem Wasserbad, in der Weise abgekühlt wird, daß er mit seiner Längsachse parallel zum Badspiegel des Kühlmittelbades ausgerichtet wird, nur mit einem Teil seiner Oberfläche in das Kühlmittelbad eingetaucht und um seine Längsachse gedreht wird, wobei das Kühlmittelbad unterhalb des Hohlkörpers zumindest zeitweilig durchwirbelt wird, nach Patentanmeldung DE-P 38 18 878.3, 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. 1. A method for hardening a cylindrical hollow body made of steel as part of a heat treatment, the hollow body heated to the austenitizing temperature being cooled in a coolant bath, in particular a water bath, in such a way that its longitudinal axis is aligned parallel to the bath level of the coolant bath, only with a part of its surface is immersed in the coolant bath and rotated about its longitudinal axis, the coolant bath being at least temporarily whirled beneath the hollow body, according to patent application DE-P 38 18 878.3, characterized in that when the hollow body, which is open at least on one end face, cools down, the swirling less in each case in the region of the end or ends with an open end face than in the middle region and possibly in the end region with the end face of the hollow body closed, the weakening of the vortex being metered in such a way that the associated sw about the increased internal cooling corresponds chere external heat dissipation in these end regions. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchwirbelung durch Druckluftzufuhr mit zonenweise unterschiedlichem Druck vorgenommen wird.2. The method according to claim 1, characterized, that the vortexing by compressed air supply with zones different pressure is made. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchwirbelung zeitweilig nur im mittleren Bereich und ggf. im Bereich der geschlossenen Stirnseite vorgenommen wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the vortex is only temporarily in the middle and if necessary in the area of the closed end face. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Behälter zur Aufnahme eines Kühlmittelbades, mit einer Drehvorrichtung zur Drehung horizontal liegender zylindrischer Hohlkörper in dem Kühlmittelbad und mit einem unterhalb der gedachten Achse des zylindrischen Hohlkörpers und unterhalb des vorgesehenen Badspiegels des Kühlmittels angeordneten System von Düsen, durch die Druckgas in das Kühlmittelbad einblasbar ist, nach Patentanmeldung DE-P 38 18 878.3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (2, 2 a, 2 b) einzeln oder zonenweise zusammengefaßt mit voneinander unterschiedlichen Betriebsdrücken beaufschlagbar sind.4. An apparatus for performing the method according to claim 1 with a container for receiving a coolant bath, with a rotating device for rotating horizontally lying cylindrical hollow body in the coolant bath and with a system arranged below the imaginary axis of the cylindrical hollow body and below the intended bath level of the coolant Nozzles through which compressed gas can be blown into the coolant bath according to patent application DE-P 38 18 878.3, characterized in that the nozzles ( 2 , 2 a , 2 b ), individually or in zones, can be acted upon with different operating pressures.