DE60115061T2 - Verfahren zum verringern und masswalzen von eisenwarmwalzprodukten - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein derartiges Verfahren ist aus U.S.-Patent Nr.5,325,697 bekannt. Sie betrifft insbesondere das kontinuierliche Warmwalzen von Eisen-Langerzeugnissen, einschließlich Rund,Achteck-, Viereck und ähnlicher Erzeugnisse.
• Stand der Technik
• Wie hier für das Walzen von Rundelementen angewendet, bezeichnet der Ausdruck "Maßwalzen" einen Vorgang, bei dem in der letzten Phase des Walzens eine abschließende Verformung aufgebracht wird, um einen fertigen Nennproduktdurchmesser innerhalb einer bestimmten Standardtoleranz zu erreichen, die üblicherweise etwa ±0,1 mm Durchmessertoleranz und 0,1 mm Ovalität oder besser ist. Und der Ausdruck "freies Maßwalzen" bezeichnet für unsere Zwecke das Vornehmen von Anpassungen an den Walzenteilungen von Maßwalzstationen zur Herstellung von Fertigproduktdurchmessern, die etwas größer oder etwas kleiner als der für die Walzenkaliber vorgesehene Nenndurchmesser sind, wohl aber Durchmesser, die innerhalb akzeptabler Toleranzen für den erzielten Durchmesser sind.
• Zum Maßwalzen und freien Maßwalzen von Eisenlangerzeugnissen wurden unterschiedliche Techniken entwickelt. Beispielsweise ist aus U.S.-Patent Nr. 4,907,438 vom 13. März 1990 an Sasaki et al. bekannt, Rundbearbeitungsabschnitte durch zwei aufeinander folgende Maßwalzstationen zu walzen, mit einer Rund-Rund-Durchgangssequenz und einer Konfiguration der Walzdurchgänge auf relativ leichte Verringerungen in der Größenordnung von 8-15% pro Durchgang.
• Durch Beschicken der Maßwalzstationen mit Rundelementen unterschiedlicher Durchmesser aus unterschiedlichen Stationen in den vorgeschalteten Zwischen- oder Endfertigungsabschnitten des Werks und durch Ändern der Walzendurchmesser und Kaliberkonfigurationen lässt sich eine Bandbreite von Produkten maßwalzen.
• Ein gewisses Ausmaß an freiem Maßwalzen ist ebenfalls möglich, wenn auch in einem relativ engen Spielraum, was an den Beschränkungen liegt, die durch die beim Walzen in zwei Walzdurchgängen unweigerlich auftretende Schwankung bedingt sind.
• Ein weiterer Nachteil der Rund-Rund-Durchgangssequenz nach Sasaki et al. ist die Entwicklung einer doppelten Mikrostruktur in bestimmten Produkten, wobei die Körnungen im Querschnitt des Produkts um mehr als etwa 2 ASTM Körnungsnummern variieren (gemessen nach ASTM E112-84).
• Es wird allgemein anerkannt, dass eine Variation von mehr als etwa 2 ASTM Körnungsnummern im Querschnitt eines Produkts ein Aufreißen und Oberflächeneinrisse verursachen kann, wenn das Produkt nachfolgenden Biege- und Kaltziehvorgängen unterzogen wird. Solche Körnungsvariationen tragen auch zu schlechten Tempereigenschaften bei, die sich wiederum nachteilig auf Kaltformungsprozesse auswirken.
• Wie später bekannt wurde, ist die Entwicklung doppelter Mikrostrukturen auf die Unfähigkeit der Rundmaßwalzdurchgänge mit leichter Verringerung zurück zu führen, adäquate Deformationen im gesamten Produktquerschnitt in ausreichend kurzer Zeit zu erreichen. Dieses Problem wurde anhand der Technik in U.S.-Patent Nr. 5,325,697 vom 5. Juli 1994 an Shore et al. behandelt. Hier geht einer Zweiwalzen-Rund-Rund-Leichtverringerungs-Maßwalzsequenz ein Starkverringerungs-Zweiwalzen-Oval-Rund-Maßwalzdurchgang unmittelbar voraus. Die Starkreduktionen in der Oval-Rund-Durchgangssequenz erzeugen ein Verformungsmuster, das mit hohen Spannungen in die Mitte des Produkts vordringt. Ehe die begleitenden Belastungen infolge mikrostruktureller Rekristallisation und Erholung nachlassen, wird das Walzen in den unmittelbar nachfolgenden Leichtverringerungs-Zweiwalzen-Durchgängen fortgesetzt.
• Letzten Endes umfassen die Verringerungen in den vier aufeinanderfolgenden Durchgängen deshalb einen im Wesentlichen kontinuierlichen Prozess mit einer resultierenden Spannungsfigur über den Produktquerschnitt, die die Entwicklung einer doppelten Mikrostruktur verhindert.
• Auch hier ist aber der verfügbare Spielraum für freies Maßwalzen aufgrund der Schwankungen beim Walzen in zwei Walzdurchgängen beschränkt.
• Auch der Einsatz von drei und vier Walzdurchgängen in Rund-Rund-Maßwalzsequenzen ist bekannt. Diese ermöglichen eine größere Bandbreite an freiem Maßwalzen, weil die Produkte in den Walzdurchgängen enger beschränkt sind und deshalb weniger Schwankungen als bei zwei Walzdurchgängen unterliegen.
• Jedoch sind drei und vier Walzdurchgänge im Vergleich zu zwei Walzdurchgängen wesentlich weniger effizient, wenn es darum geht, eine ausreichende Durchdringung der Verformung in die Mitte des Produkts zu erreichen. Eine solche Durchdringung ist erforderlich, um eine gleichförmige Körnungsstruktur von der Mitte zur Oberfläche des Produkts zu erreichen. Dies ist insbesondere wichtig für Produkte, die ihre Eigenschaften aus der Körnungsverfeinerung beziehen.
• In U.S.-Patent Nr. 6,085,565 wird eine Fertigwalzstation einer Walzmaschine zur Produktion von Rundstabmaterial offenbart, die als Achtwalzentyp mit vier Frontwalzen und vier Heckwalzen in einem Gehäuseblock ausgeführt ist, die einem Werkstück reduzierte Rundquerschnitte verleihen.
• In dem Artikel "Hein O. et al: 'Precision Rolling System (PRS) – a new Dimension in Sizing Systems', Aise Steel Technology, Aise, Pittsburgh, PA, US, vol 77, no. 9, September 2000 (2000-09), Seite 41-43, XP000977065; ISSN: 0021-1559" werden unterschiedliche Methoden zum Fertigwalzen von Eisenwerkstücken offenbart. Zu diesen Methoden gehören:
• • Eine Dreidurchgangssequenz oval/rund/rund, in der die Durchgänge von zwei Walzen definiert werden;
• • Eine Zweidurchgangssequenz oval/rund, in der die Durchgänge von zwei Walzen definiert werden;
• • Eine Dreidurchgangssequenz rund/rund/rund/, in der alle Durchgänge von drei Walzen definiert werden;
• • Eine Zweidurchgangssequenz rund/rund, in der alle Durchgänge von vier Walzen definiert werden; und
• • eine Dreidurchgangssequenz tetragonal/tetragonal/rund, in der die ersten zwei Durchgänge von zwei Walzen und der letzte Durchgang von drei Walzen definiert werden.
• Es ist folglich ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Warmwalzen von Langerzeugnissen zu schaffen, das in der Lage ist, Maßwalztoleranzen und im Wesentlichen gleichförmige Mitte-Oberfläche-Körnungsstrukturen zu erreichen und das auch eine größere Bandbreite für freies Maßwalzen ermöglicht.
• Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 verwirklicht.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein runder Eisenbearbeitungsabschnitt zuerst in ersten und zweiten Zweiwalzendurchgängen bei erhöhter Temperatur zwischen etwa 650 und 1000°C gewalzt, um eine kombinierte Starkverringerung der Querschnittfläche von mindestens etwa 20 – 55% zu bewirken, mit einer begleitenden effektiven Spannungsfigur, die durch eine Konzentration der maximalen effektiven Spannung in einem mittleren Bereich des Produkt-Querschnitts gekennzeichnet ist. Bevor es zu mikrostrukturellen Änderungen infolge von Rekristallisation und Erholung kommt und während die effektive Spannungsfigur von einer Konzentration der maximalen effektiven Spannung in einem mittleren Bereich des Produktquerschnitts dominiert bleibt, wird das Produkt in mindestens dritten und vierten Walzdurchgängen gewalzt, von denen ein jeder von mindestens drei Walzen definiert wird, um eine weitere kombinierte, relativ leichte Verringerung der Produktquerschnittsfläche von nicht mehr als etwa 4-25% zu bewirken.
• Beim Walzen eines runden Bearbeitungsabschnitts zu einem fertigen Rundelement in der beschriebenen Art und Weise, z. B. einer Stange oder eines Stabes, erzeugt der erste Walzdurchgang einen ovalen Querschnitt, und der zweite Walzdurchgang erzeugt einen runden Bearbeitungsquerschnitt.
• Die dritten und vierten Walzdurchgänge vervollständigen die Formung des Bearbeitungsabschnitts mit rundem Querschnitt zu einem Fertigrundelement mit nicht mehr als ±0,1 mm Durchmessertoleranz und 0,1 mm Ovalität oder ¼ ASTM Stab- oder Stangentoleranz, was immer besser sein mag. Nach dem Abkühlen auf einen thermischen Ausgleichszustand hat das sich ergebende Produkt eine Körnungsvariation über seinen Querschnnitt von nicht mehr als etwa 2 ASTM Körnungsnummern.
• Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detaillierter und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist eine diagrammatische Veranschaulichung zweier alternativer Durchgangssequenzen gemäß der vorliegenden Erfindung;
• 2A - 2D sind Simulationen auf Basis des fertigen Elements der Werte der effektiven plastischen Spannung infolge der Verformung des Produkts in aufeinanderfolgenden Walzdurchgängen P₁, P₂, P₃, P₄, wie in 1 dargestellt; und
• 3A - 3B sind Simulationen auf Basis des fertigen Elements der Werte der effektiven plastischen Spannung infolge der Verformung des Produkts in Walzdurchgängen P₃ und P₄, nachdem das Produkt zuerst den Walzdurchgängen P₁ und P₂ unterzogen worden war.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIE-LE
• Zunächst Bezug nehmend auf 1, umfasst eine Durchgangssequenz gemäß der vorliegenden Erfindung vier Walzdurchgänge P₁-P₄, die so konfiguriert sind, dass ein Rundbearbeitungsabschnitt 10a zu einem fertigen Rundelement 10e gewalzt wird. Der Walzdurchgang P₁ wird von zwei Arbeitswalzen 12 definiert, deren Kaliber 14 so konfiguriert sind, dass der Rundbearbeitungsabschnitt 10a in ein Oval 10b gewalzt wird.
• Der Walzdurchgang P₂ ist durch zwei Arbeitswalzen 16 mit Kalibern 18 definiert, die so konfiguriert sind, dass das Oval 10b zu einem Prozessrundelement 10c gewalzt wird. Je nach dem angewendeten Walzplan werden die Walzdurchgänge P₁, P₂ so dimensioniert, dass sie kombinierte Verringerungen zwischen etwa 20-55% bewirken, wobei etwa 11 bis 28% im Walzdurchgang P₁ und etwa 10 bis 23% im Walzdurchgang P₂ stattfinden.
• Der Walzdurchgang P₃ ist durch drei Arbeitswalzen 20 mit Kalibern 22 definiert, die so konfiguriert sind, dass das Prozessrundelement 10c zu einem weiteren Prozessrundelement 10d gewalzt wird. Der Walzdurchgang P₄ ist ebenfalls durch drei Arbeitswalzen 24 mit Kalibern 26 definiert, die so konfiguriert sind, dass das Prozessrundelement 10d zum Fertigrundelement 10e gewalzt wird.
• Je nach dem angewendeten Walzplan sind auch hier die Walzdurchgänge P₃, P₄ so dimensioniert, dass kombinierte Verringerungen zwischen etwa 3-25% erzielt werden, wobei etwa 1,8 bis 17% im Walzdurchgang P₃ und etwa 1,2 bis 10% im Walzdurchgang P₄ stattfinden.
• Wenn bei dieser Durchgangssequenz der Bearbeitungsabschnitt 10a beispielsweise einen Durchmesser von 14,032 mm hat und das Fertigrundelement einen Durchmesser von 10,0 mm haben soll, sind die progressiven Flächenverringerungen in den Walzdurchgängen P₁-P₄ 22%, 18%, 10% bzw. 8%.
• In der Regel findet das Walzen in den Walzdurchgängen P₁-P₄ bei erhöhten Temperaturen zwischen etwa 650 und 1000°C statt.
• In 2A - 2D sind die effektiven Spannungsfiguren des Produkts dargestellt, wenn es von den sukzessiven Walzdurchgängen gemäß Abbildung in 1 austritt. Wie in 2A dargestellt, hat das vom stark verringernden Zweiwalzendurchgang P₁ aus tretende Oval 10b eine effektive Spannungsfigur, die von einer Konzentration der maximal effektiven Spannung in einem mittleren Bereich a₁ dominiert ist. Aufeinander folgend vom mittleren Bereich a₁ auswärts angeordnet sind die Bereiche b₁, c₁, d₁ und e₁ mit zunehmend geringeren effektiven Spannungswerten, wobei der geringste effektive Spannungswert in den Bereichen f₁ angrenzend an die Außengrenzen der Produktquerschnittfläche gegeben ist.
• In 2B ist dargestellt, dass das aus dem zweiten Zweiwalzendurchgang P₂ mit starker Verringerung austretende Prozessrundelement 10c eine effektive Spannungsfigur aufweist, die von einem mittleren Bereich a₂ mit maximaler effektiver Spannung dominiert wird, mit zunehmend geringeren Spannungswerten in den umgebenden Bereichen b₂-f₂.
• In 2C ist die effektive Spannungsfigur im Prozessrundelement 10d dargestellt, das aus dem Dreiwalzen-Maßwalzdurchgang P₃ mit leichter Verringerung austritt. Der maximale effektive Spannungswert bleibt im Mittelbereich a₃, der wiederum von den Bereichen b₃-f₃ mit zunehmend geringeren effektiven Spannungswerten umgeben ist.
• Im abschließenden Leichtverringerungs-Dreiwalzendurchgang P₄ gemäß Darstellung in 2D wird die effektive Spannungsfigur im austretenden Rundelement 10e weiterhin von der maximalen effektiven Spannung im Bereich a₄ dominiert, bei zunehmend niedrigeren wirksamen Werten in den umgebenden Bereichen b₄-f₄.
• Die kleinste Korngröße ist demnach im Bereich a₄ angeordnet, mit zunehmend größeren Körnern in den umgebenden Bereichen b₄-f₄. Wenn das fertige Rundelement 10e dann abkühlen kann, nimmt die Abkühlungsrate über seinen Querschnitt von einem Maximum in den äußersten Bereichen f₄, wo die Körner größer sind, zu einem Minimum im innersten Bereich a₄, wo die Körner kleiner sind, ab. Während des Kühlens wachsen die Körner in den einzelnen Bereichen in einem Ausmaß, das proportional zu der Zeit ist, die die einzelnen Bereiche zum Abkühlen benötigen, wodurch sich der Unterschied in der Korngröße zwischen den innersten und den äußersten Bereichen verringert, woraus sich eine Variation der Korngröße über den Querschnitt des Produkts von nicht mehr als etwa 2 ASTM Korngröße ergibt.
• Wir kehren zurück zu 1. Das aus dem Walzdurchgang P₂ austretende Prozessrundelement 10c kann alternativ auch in Vierwalzendurchgängen P₃, und P₄, maßgewalzt werden. Der Walzdurchgang P₃, ist durch vier Arbeitswalzen 20' mit Kalibern 22' definiert, die so konfigurier sind, dass sie das Prozessrundelement 10c zu einem anderen Prozessrundelement 10d' walzen. Der Walzdurchgang P₄. ist ebenfalls durch vier Arbeitswalzen 24' mit Kalibern 26' definiert, die so konfiguriert sind, dass das Prozessrundelement 10d' zu einem Fertigrundelement 10e' gewalzt wird.
• Die effektiven Spannungsfiguren des Produkts, wenn es aus den Walzdurchgängen P₁ und P₂ austritt, ist so wie oben beschrieben und in 2A und 2B dargestellt. Die effektiven Spannungsfiguren des Produkts, wenn es aus den Walzdurchgängen P₃, und P₄, austritt, sind in 3A und 3B dargestellt. Es zeigt sich, dass auch hier der Prozessabschnitt 10d' eine effektive Spannungsfigur aufweist, die von einer maximalen effektiven Spannung im Bereich a₃, dominiert wird, umgeben von den Bereichen b₃,-f₃, mit zunehmend geringeren Spannungswerten.
• In 3B ist dargestellt, dass die selbe Grundfigur im Fertigprodukt 10e' vorliegt, das aus dem Walzdurchgang P₄, austritt.

Claims (4)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Fertigwalzen eines Eisenwerkstücks zu einem Fertigrundelement, umfassend: Walzen des Werkstücks (10) in aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Walzdurchgängen (P1, P2) bei erhöhter Temperatur zwischen 650 und 1000°C, wobei die ersten und zweiten Walzdurchgänge (P1, P2) jeweils von zwei Arbeitswalzen (12, 16) begrenzt werden und so dimensioniert sind, dass sie eine kombinierte große Verringerung in der Querschnittfläche des Werkstücks von mindestens etwa 20 –55% bewirken, mit einer begleitenden effektiven Spannungsfigur, die durch eine Konzentration der maximalen effektiven Spannung in einem mittleren Bereich der Querschnittfläche gekennzeichnet ist; während die effektive Spannungsfigur durch eine Konzentration der maximalen effektiven Spannung in einem mittleren Bereich der Querschnittfläche bestimmt bleibt, das fortgesetzte Walzen des Werkstücks in mindestens dritten und vierten aufeinanderfolgenden Walzdurchgängen (P3, P4); wobei das Werkstück einen runden Querschnitt hat, der erste und zweite Walzdurchgang (P1, P2) so konfiguriert sind, dass sie dem Werkstück zunehmend verringerte ovale und runde Querschnitte vermitteln, und wobei die dritten und vierten Walzdurchgänge (P3, P4) so konfiguriert sind, dass sie dem Werkstück einen weiteren zunehmend verringerten runden Querschnitt mitteilen; dadurch gekennzeichnet, dass der dritte und der vierte Walzdurchgang (P3, P4) durch mindestens drei Walzen (20, 24) definiert und so dimensioniert sind, dass eine weitere kombinierte Reduzierung der Querschnittfläche des Werkstücks bewirkt wird, die im Vergleich mit der großen Verringerung relativ klein ist und nicht mehr als 3 – 25% beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Walzen in den dritten und vierten Walzdurchgängen (P3, P4) vor dem Auftreten mikrostruktureller Veränderungen infolge von Rekristallisation und Erholung fortgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Werkstück aus dem letzten der mindestens dritten und vierten Walzdurchgänge (P3, P4) als Fertigrundelement mit einer Durchmessertoleranz von nicht mehr als ±0,1 mm und einer Ovalität von nicht mehr als 0,1 mm herauskommt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Abkühlen zu einem Zustand des thermischen Gleichgewichts das Werkstück eine Korngrößenvariation über seinen Querschnitt von nicht mehr als etwa 2 ASTM Korngrößennummern aufweist.