EP1412543B1 - Verfahren zur kühlung von werkstücken insbesondere von profilwalzprodukten aus schienenstählen - Google Patents

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EP1412543B1
EP1412543B1 EP02776916A EP02776916A EP1412543B1 EP 1412543 B1 EP1412543 B1 EP 1412543B1 EP 02776916 A EP02776916 A EP 02776916A EP 02776916 A EP02776916 A EP 02776916A EP 1412543 B1 EP1412543 B1 EP 1412543B1
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EP
European Patent Office
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cooling
temperature
modules
work piece
rail
Prior art date
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Revoked
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EP02776916A
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English (en)
French (fr)
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EP1412543A1 (de
Inventor
Klaus Küppers
Meinert Meyer
Thomas Nerzak
Uwe Plociennik
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SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Meer GmbH
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Publication date
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    • 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
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • 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
    • C21D9/04—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rails
    • 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
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • C21D11/005—Process control or regulation for heat treatments for cooling

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling workpieces, in particular for the cooling of rolled products and here of rolled profile products from rail steels with a fine perlitic or ferritic / pearlitic structure, wherein the warm workpiece, i. Workpiece with austenitic structure, through a Cooling section with an inlet and an outlet area out and a cooling process is subjected to a conversion into a pearlitic or undergoes ferritic / pearlitic structure.
  • Rail steels are used essentially for the production of rails and their Connecting or fastening elements.
  • the over the wheel to the rail acting vertical and lateral forces such as normal, guidance, acceleration and braking forces lead to the immediate impact area very high dynamic loads and usually a plastic one Deformation of the steel.
  • These stresses cause signs of wear in the form of Materialabschiebungen, abrasion, material outbreaks, local Material fatigue or cracks.
  • An improvement in the resistance of a Rail against signs of wear can be increased by increasing its yield strength and tensile strength as well as their fatigue strength in connection with a be achieved as fine-grained pearlitic structure.
  • rail steels Under normal cooling conditions on a prior art cooling bed, rail steels undergo transformation into a pearlitic structure.
  • rail steels with a ferritic-pearlitic structure have tensile strengths in a range of 700 to 900 N / mm 2 , while steels with purely pearlitic structure achieve tensile strength values of more than 900 N / mm 2 .
  • the essential properties of rail steels are determined by the proportion of the structure of ferrite / perlite and by their morphological formation. In the case of ferritic / pearlitic as well as perlitic steels, the lamella distance plays a role.
  • EP 0 725 152 A1 discloses a method and a device for cooling known from hot-rolled rail profiles. With the help of a computer system a cooling power adapted to the profile geometry is calculated, in particular considers the geometry of the rail head in relation to the foot becomes. The cooling then takes place in such a way that the transformation of the microstructure in the Head and foot in ferrite and / or perlite with the least possible time lag, to prevent distortion of the rail.
  • US-A-4 486 248 also relates to the cooling of rail profiles.
  • the rail head is substantially cooled.
  • Intermediate zones is reheated by the residual heat held in the rail foot.
  • a target structure is pearlitic microstructure with a low Volume fraction of bainite can be adjusted.
  • US Pat. No. 4,638,851 relates to the cooling of a metal strip, for example in continuous belt annealing or strip galvanizing.
  • the invention has the object to provide adeverfähren to Production of workpieces, in particular profile rolling products, from rail steel, with improved mechanical properties and a fine-grained pearlite or ferrite / pearlite structure.
  • the workpiece for example a Rolled or optionally extruded product, coming from the (rolling) heat, by a Cooling section
  • a Cooling section is guided, resulting from individual independent cooling modules with independently adjustabledeparametem composed, whereby between the Cooling modules Intermediate areas for thermal compensation or thermal Relaxation is available with means for actual temperature determination of the respective Workpiece in these intermediate areas, and depending on the respective actual temperature values of one or each intermediate area the specific cooling parameters, in particular.
  • the cooling intensity at least of each following cooling module for setting a defined (ObeT inhabit-) Temperature of the workpiece during the entire run of the cooling section be regulated, the defined temperature of the workpiece each above a critical temperature at which bainitic microstructures form.
  • the basic idea is thus a regulation of the cooling of a workpiece Rail steel in a cooling section under the proviso that the surface temperature of the workpiece is cooled from a rail steel so that the set desired pearlitic or ferritic / pearlitic microstructure, wherein by Go through relaxation phases and a constant check of the
  • Temperature conditions in preferably each intermediate area and possibly regulation the cooling parameter of the individual cooling modules ensures that the temperature not a critical temperature falls below and thus the hypothermia is not so high that a Bainitumwandlung takes place and thus undesirable form bainitic microstructure shares.
  • the cooling process is a function of the continuous cooling modules individual cooling process steps and depending on the passing intermediate areas for structural relaxation from temporal phases of reheating and / or from temporal phases of the thermal holding and / or from temporal Phases of a slow cooling together.
  • the workpiece in all intermediate areas an equal or in different intermediate areas go through different periods of relaxation.
  • the reheating this happens either by the inside of the workpiece remaining heat and / or external heat supply.
  • To this Way is set in a roughly sawtooth cooling, which is favorable on the self-adjusting final structure and thus the mechanical properties effect.
  • the bainite formation is counteracted by the parameters of Cooling distance can be adjusted so that at no time during the cooling process can use bainit formation.
  • the specific cooling parameters the subsequent cooling zone and at the same time the cooling parameters of the previous Cooling module regulated.
  • a workpiece or rolled product provided it is from a given setpoint temperature that makes it a given Date or in an intermediate area, deviates, by a specific change of the cooling parameters in the subsequent cooling module again adjusted to the target temperature and at the same time for subsequent Workpieces the previous cooling module is adjusted.
  • the surface temperature of the workpiece is at the end of the intermediate region, i.e. after the end of the area for structural relaxation, measured.
  • the temperature measurement in the intermediate areas can also be used for quality control be used.
  • the surface temperature measurement takes place by means of an optical and non-contact measurement, i. by means of a pyrometer.
  • the regulation of the cooling parameters and in particular the cooling intensity takes place preferably by regulating the pressure with which the cooling medium to the surface of the workpiece, and / or by means of regulated adjustment of the temperature the cooling medium and / or by means of regulated adjustment of the volume flow the cooling medium by selecting the cooling nozzle geometry.
  • a cooling medium Preferably, cooling water comes into question.
  • the pressure control is preferably carried out by a pressure control valve in the supply line to the nozzles, which are arranged on cooling bars.
  • the cooling intensity is too by controlling a different number of nozzles per chilled beam or Chilled beam arrangements possible.
  • the cooling medium i. especially the Cooling water, preheated so far before occurrence on the workpiece surface, that a drop below the Leidenfrosttemperatur not or only very late.
  • the non-wetting behavior becomes one Liquid understood when the temperature of the body touched above the Boiling temperature of the liquid is.
  • water is replaced by a Gas skin from evaporated water protected from further evaporation and loses the cooling effect for a certain time. Due to the cooling water supply temperature the suffering frost temperature can be affected.
  • the Leidenfrost temperature increases with higher cooling water inlet temperature, and cooling is getting weaker. Thus a fall below the Leidenfrosttemperatur not or only very late, it is proposed to preheat the cooling water. This offers the advantage that the cooling is weaker and thus more reproducible.
  • the temperature of the workpiece measured before entering or entering the cooling section and this temperature value to presetting the cooling parameters used to preset the Cooling parameters of the individual cooling modules, in particular the setting of Pressure, with which the cooling medium impinges on the workpiece surface to reach.
  • the cooling section 1 shown in FIG. 1 adjoins a profile rolling section (not shown), for example to a rolling line for rail profiles made of rail steels, at.
  • the cooling section 1 is set in the embodiment shown five cooling modules 2a-e together, but not on this number of cooling modules limited.
  • the individual cooling modules 2a-e are constructed, for example, that they comprise one or more cooling bars or cooling nozzle arrangements.
  • the pressure at which the cooling water escapes from the individual nozzles is above a pressure control valve 3a-e adjustable.
  • the current pressure is measured by the pressure gauges 4a-e measured.
  • Between the individual cooling modules 2a-e are intermediate areas 5a-e arranged.
  • Each at the end of an intermediate region 5a-e is a pyrometer 6a-e for non-contact optical measurement of the surface temperature of the rolled product located in this intermediate region, where in a rail profile, the surface temperature at the rail head is measured.
  • an additional pyrometer 6f is arranged before the first cooling module 2a at the beginning or inlet region (12) of the cooling path 1.
  • the individual pyrometers 6a-f are connected via signal lines 7a-g to a computer unit 8.
  • the computer unit 8 is via corresponding control lines 9a e to change the individual Control valves 3a-e connected to the coolant nozzles.
  • the cooling medium in particular Cooling water (KW)
  • KW Cooling water
  • For the adjustment of the Pressure values is also a control loop of the pressure gauges 4a-e with the computer unit 8 provided (signal lines 11a-e).
  • a current surface temperature value is recorded by means of the first pyrometer 6f, for example a two-color pyrometer.
  • This first surface temperature value is forwarded to the computer unit 8, which already causes a preset (presetting) of the individual control valves for adjusting the cooling water pressure and the cooling water temperature as a function of this individual value.
  • the rail profile After passing through the first cooling module 2a and the first cooling step, the rail profile enters the first intermediate region 5a, in which a relaxation phase for the microstructure takes place.
  • a further surface temperature measurement is carried out by means of a second pyrometer 6a, for example a two-color pyrometer.
  • This recorded actual value is transferred via the signal lines 7a and 7g to the computer unit 8 and there carried out a difference calculation between a setpoint (T setpoint) and the actual value (T actual ).
  • T setpoint a setpoint
  • T actual the actual value
  • the target value is always above a material-specific temperature at which bainite formation can occur.
  • the setpoints are alloy-specific and can be determined from experiments.
  • a guideline for this critical temperature which should not be undercut in a cooling process for rail steels, is about 450-500 ° C.
  • FIGS. 2 and 3 show the cooling curves with the aid of temperature-time diagrams a rail head made of a material with 0.8% carbon with Regulation and without regulation.
  • the designation C80W60 or C80W65 makes clearly that the cooling rate in the core of the rail head (example Rail form according to AREA 136 [delivery specification of American railway Engineering Association]) is less high than in the peripheral areas and thereby in the Kem Kunststoff the conversion of austenite in perlite or ferrite perlite at higher Temperatures takes place.
  • the temperature over time is at five different measuring points determined on the rail head.
  • 1 is a measuring point in the core of the rail head, 2, a measuring point located 5 mm below the surface, 3 a Measuring point, which is located 5 mm below the side surface, 4 a measuring point on the side surface and 5 a measuring point on the head surface. It is obvious that at no time at any measuring point the structure of the rail head undergoes cooling such a subcooling that bainite in the structure can form.
  • the simulated cooling section can be individually controlled with five modules.
  • the individual cooling curves in Fig. 2 show that never a critical temperature at which Bainit Bear would fall below.
  • the sawtooth Cooling process with a reheating in the intermediate or compensation zones clear.
  • Fig. 3 shows in comparison a cooling section with five cooling modules, not individually are controllable, so that it falls below the Bainittemperatur in the near-surface areas (curves 4 and 5) of the rail head comes.
  • the proposed method is achieved that in the cooling of Rail steels from the rolling heat a fine perlitic or ferritic / pearlitic Structure without the mechanical properties, in particular the wear resistance, Negatively affecting Bainitanteile can be adjusted.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Werkstücken, insbesondere zur Kühlung von Walzprodukten und hier von Profilwalzprodukten aus Schienenstählen mit einem feinperlitischen oder ferritisch/perlitischen Gefüge, wobei das warme Werkstück, d.h. Werkstück mit austenitischem Gefüge, durch eine Kühlstrecke mit einem Eintritts- und einem Austrittsbereich geführt und einem Abkühlprozeß unterworfen wird und hierbei eine Umwandlung in ein perlitisches oder ferritisch/perlitisches Gefüge durchmacht.
Schienenstähle dienen im wesentlichen zur Herstellung von Schienen sowie deren Verbindungs- bzw. Befestigungselementen. Die über das Rad auf die Schiene einwirkenden senkrechten und seitlichen Kräfte wie Normal-, Führungs-, Beschleunigungs- und Bremskräfte führen im unmittelbaren Einwirkungsbereich zu sehr hohen dynamischen Beanspruchungen und in der Regel zu einer plastischen Verformung des Stahls. Durch diese Belastungen entstehen Verschleißerscheinungen in Form von Materialabschiebungen, Abrieb, Materialausbrüchen, örtlicher Werkstoffermüdung oder Anrissen. Eine Verbesserung des Widerstandes einer Schiene gegen Verschleißerscheinungen kann durch eine Erhöhung ihrer Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie ihrer Dauerfestigkeit in Verbindung mit einem möglichst feinstreifigen perlitischen Gefüge erreicht werden.
Unter normalen Abkühlbedingungen auf einem Kühlbett nach dem Stand der Technik durchlaufen Schienenstähle die Umwandlung in ein perlitisches Gefüge. Hierbei weisen Schienenstähle mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge Zugfestigkeiten in einem Bereich von 700 bis 900 N/mm2 auf, während Stähle mit rein perlitischer Struktur Zugfestigkeitswerte von über 900 N/mm2 erreichen. Die wesentlichen Eigenschaften der Schienenstähle werden durch den Anteil des Gefüges an Ferrit/Perlit sowie durch deren morphologische Ausbildung bestimmt. Sowohl bei den ferritisch/perlitischen als auch bei den perlitischen Stählen spielt der Lamellenabstand eine Rolle.
Aus der EP 0 725 152 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abkühlen von warmgewaizten Schienen-Profilen bekannt. Mit Hilfe eines Rechnersystems wird eine an die Profilgeometrie angepasste Kühlleistung errechnet, wobei insbesondere die Geometrie des Schienenkopfes im Verhältnis zum Fuß berücksichtigt wird. Die Abkühlung erfolgt dann derart, dass die Umwandlung des Gefüges im Kopf und im Fuß in Ferrit und/oder Perlit mit möglichst geringem Zeitversatz abläuft, um Verzug der Schiene zu verhindern.
Die US-A-4 486 248betrifft ebenfalls die Kühlung von Schienenprofilen. Bei diesem Verfahren wird der Schienenkopf im Wesentlichen abgekühlt. In sich anschließenden Zwischenzonen findet eine Wiedererwärmung durch die Restwärme im Schienenfuß statt. Als Zielgefüge soll perlitisches Gefüge mit einem geringen Volumenanteil von Bainit eingestellt werden.
Die US 4,638,851 schließlich betrifft die Kühlung eines Metallbandes, beispielsweise bei einer kontinuierlichen Band-Vergütung oder Band-Galvanisierung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlverfähren vorzuschlagen zur Herstellung von Werkstücken, insbesondere Profilwalzprodukten, aus Schienenstahl, mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und einem feinstreifigen Perlit- bzw. Ferrit-/Perlitgefüge.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Verfahrensgemäß wird vorgeschlagen, daß das Werkstück, beispielsweise ein Walz- oder ggf. Strangprofilprodukt, aus der (Walz-)hitze kommend, durch eine Kühlstrecke geführt wird, die sich aus einzelnen unabhängigen Kühlmodulen mit unabhängig einstellbaren Kühlparametem zusammensetzt, wobei zwischen den Kühlmodulen Zwischenbereiche zum thermischen Ausgleich bzw. zur thermischen Entspannung vorhanden sind mit Mitteln zur Ist-Temperaturbestimmung des jeweiligen Werkstückes in diesen Zwischenbereichen, und wobei in Abhängigkeit der jeweiligen Ist-Temperaturwerte eines oder eines jeden Zwischenbereichs die spezifischen Kühlparameter, insbesondere. die Kühlintensität, mindestens des jeweils nachfolgenden Kühlmoduls zur Einstellung einer definierten (ObeTflächen-) Temperatur des Werkstücks während des gesamten Durchlaufs der Kühlstrecke geregelt werden, wobei die definierte Temperatur des Werkstücks jeweils oberhalb einer kritischen Temperatur, bei der sich bainitische Gefügeanteile bilden, liegt.
Grundgedanke ist damit eine Regelung der Abkühlung eines Werkstücks aus Schienenstahl in einer Kühlstrecke unter der Maßgabe, daß die Oberflächentemperatur des Werkstücks aus einem Schienenstahl so abgekühlt wird, daß sich das gewünschte perlitische bzw. ferritisch/perlitische Gefüge einstellt, wobei durch Durchlaufen von Entspannungsphasen sowie einem stetigen Überprüfen der
Temperaturverhältnisse in vorzugsweise jedem Zwischenbereich und ggf. Regulierung der Kühlparameter der einzelnen Kühlmodule gewährleistet ist, daß die Temperatur nicht eine kritische Temperatur unterschreitet und damit die Unterkühlung nicht so hoch ist, daß eine Bainitumwandlung stattfindet und somit sich unerwünschte bainitische Gefügeanteile bilden.
Der Abkühlprozeß setzt sich in Abhängigkeit der durchlaufenden Kühlmodule aus einzelnen Abkühlprozeßschritten und in Abhängigkeit der durchlaufenden Zwischenbereiche zur Gefügeentspannung aus zeitlichen Phasen der Wiederaufwärmung und/oder aus zeitlichen Phasen des thermischen Haltens und/oder aus zeitliche Phasen einer langsamen Abkühlung zusammen. Hierbei kann das Werkstück in allen Zwischenbereichen eine gleiche oder in verschiedenen Zwischenbereichen unterschiedliche zeitliche Phasen der Entspannung durchlaufen. Die Wiedererwärmung geschieht hierbei entweder durch die im Inneren des Werkstücks noch vorhandene Restwärme und/oder durch externe Wärmezufuhr. Auf diese Weise wird ein in etwa sägezahnartiger Abkühlverlauf eingestellt, der sich günstig auf das sich einstellende Endgefüge und damit die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Der Bainitbildung wird entgegengewirkt, indem die Parameter der Kühlstrecke so eingestellt werden, daß zu keinem Zeitpunkt des Kühlprozesses die Bainitbildung einsetzen kann.
Es ist ebenfalls von der Erfindung eingeschlossen, daß die Zwischenbereiche für einen thermischen Ausgleich über das Werkstück, insbesondere Walzprodukt, oder für ein Abkühlen mit langsamen Abkühlgeschwindigkeiten genutzt werden.
Vorzugsweise werden in Abhängigkeit des jeweiligen gemessenen lst-Temperaturwertes eines jeden Zwischenbereichs die spezifischen Kühlparameter der jeweils nachfolgenden Kühlzone und gleichzeitig die Kühlparameter des vorherigen Kühlmoduls geregelt. Dies bedeutet, daß ein Werkstück bzw. Walzprodukt, sofern es von einer vorgegebenen Soll-Temperatur, die es zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. in einem Zwischenbereich aufweisen sollte, abweicht, durch eine spezifische Änderung der Kühlparameter im nachfolgenden Kühlmodul wieder auf die Soll-Temperatur eingeregelt und gleichzeitig für nachfolgende Werkstücke das vorherige Kühlmodul eingeregelt wird.
Vorzugsweise wird die Oberflächentemperatur des Werkstücks am Ende des Zwischenbereichs, d.h. nach Ende des Bereichs zur Gefügeentspannung, gemessen. Die Temperaturmessung in den Zwischenbereichen kann auch für die Qualitätsüberwachung genutzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Oberflächentemperaturmessung mittels einer optischen und berührungslosen Messung, d.h. mittels eines Pyrometers.
Die Regelung der Kühlparameter und hier insbesondere der Kühlintensität erfolgt bevorzugt mittels Regelung des Druckes, mit dem das Kühlmedium auf die Oberfläche des Werkstücks auftrifft, und/oder mittels regulierter Einstellung der Temperatur des Kühlmediums und/oder mittels regulierter Einstellung des Volumenstroms des Kühlmediums durch Auswahl der Kühldüsengeometrie. Als Kühlmedium kommt vorzugsweise Kühlwasser in Frage.
Die Druckregelung erfolgt vorzugsweise durch ein Druckregelventil in der Zuleitung zu den Düsen, die an Kühlbalken angeordnet sind. Die Kühlintensität ist auch durch Ansteuerung einer unterschiedlichen Anzahl an Düsen pro Kühlbalken oder Kühlbalkenanordnungen möglich.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Temperaturregelung des Kühlmediums wird vorgeschlagen, daß das Kühlmedium, d.h. insbesondere das Kühlwasser, vor Auftritt auf die Werkstückoberfläche soweit vorgewärmt wird, daß eine Unterschreitung der Leidenfrosttemperatur nicht oder erst sehr spät erfolgt.
Unter dem Leidenfrost-Phänomen wird das nicht benetzende Verhalten einer Flüssigkeit verstanden, wenn die Temperatur des berührten Körpers oberhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeit liegt. Wasser beispielsweise wird durch eine Gashaut aus verdampftem Wasser vor dem weiteren Verdampfen geschützt und verliert damit für eine bestimmte Zeit die Kühlwirkung. Durch die Kühlwasservorlauftemperatur kann die Leidenfrosttemperatur beeinflußt werden. Die Leidenfrosttemperatur steigt mit höherer Kühlwasservorlauftemperatur, und die Kühlung wird schwächer. Damit eine Unterschreitung der Leidenfrosttemperatur nicht oder erst sehr spät erfolgt, wird vorgeschlagen, das Kühlwasser vorzuwärmen. Dies bietet den Vorteil, daß die Kühlung schwächer wird und damit besser reproduzierbar.
Nach einem bevorzugten Verfahrensschritt wird die Temperatur des Werkstücks vor Eintritt oder beim Eintritt in die Kühlstrecke gemessen und dieser Temperaturwert zum Presetting der Kühlparameter verwendet, um eine Voreinstellung der Kühlparameter der einzelnen Kühlmodule, insbesondere die Einstellung des Drucks, mit dem das Kühlmedium auf die Werkstückoberfläche auftrifft, zu erreichen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden. Dabei sind neben den oben aufgeführten Kombinationen von Merkmalen auch Merkmale alleine oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich. Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische Übersicht über eine Kühlstrecke, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird;
Fig. 2
ein Temperatur-Zeit-Diagramm mit den Abkühlkurven von fünf Meßpunkten in bzw. am Schienenkopf eines üblichen Schienenstahls mit etwa 0,8%C und 1,0% Mn, der in einer Kühlstrecke verfahrensgemäß einem solchen Kühlverlauf unterworfen wird, daß die Bainittemperatur nicht unterschritten wird;
Fig. 3
zum Vergleich ein Temperatur-Zeit-Diagramm der fünf Abkühlkurven eines ungeregelten Abkühlverlaufs mit einer Unterschreitung der Bainittemperatur.
Die in Fig. 1 gezeigte Kühlstrecke 1 schließt sich an eine Profilwalzstrecke (nicht gezeigt), beispielsweise an eine Walzstrecke für Schienenprofile aus Schienenstählen, an. Die Kühlstrecke 1 setzt sich bei der gezeigten Ausführungsform aus fünf Kühlmodulen 2a-e zusammen, ist aber nicht auf diese Anzahl an Kühlmodulen beschränkt. Die einzelnen Kühlmodule 2a-e sind beispielsweise so aufgebaut, daß sie einen oder mehrere Kühlbalken oder Kühldüsenanordnungen umfassen. Der Druck, mit dem das Kühlwasser aus den einzelnen Düsen austritt, ist über je ein Druckregelventil 3a-e einstellbar. Der aktuelle Druck wird mittels der Durckmeßgeräte 4a-e gemessen. Zwischen den einzelnen Kühlmodulen 2a-e sind Zwischenbereiche 5a-e angeordnet. Jeweils am Ende eines Zwischenbereichs 5a-e ist ein Pyrometer 6a-e zur berührungslosen optischen Messung der Oberflächentemperatur des sich in diesem Zwischenbereich befindlichen Walzproduktes angeordnet, wobei bei einem Schienenprofil die Oberflächentemperatur am Schienenkopf gemessen wird.
Vor dem ersten Kühimodul 2a am Anfang bzw. Eintrittsbereich (12) der Kühlstrekke 1 ist ein zusätzliches Pyrometer 6f angeordnet. Die einzelnen Pyrometer 6a-f sind über Signalleitungen 7a-g mit einer Rechnereinheit 8 verbunden. Die Rechnereinheit 8 ist über entsprechende Steuerleitungen 9a- e zur Änderung der einzelnen Regelventile 3a-e der Kühlmitteldüsen verbunden. Das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser (KW), wird über ein gemeinsames Zuführrohr 10 mit Ableitungen 10a-e an die einzelnen Kühlmodule 2a-e geführt. Zur Einregelung der Druckwerte ist ebenfalls ein Regelkreis der Druckmeßgeräte 4a-e mit der Rechnereinheit 8 vorgesehen (Signalleitungen 11a-e).
Nachfolgend wird der Prozeß beschrieben. Vor Eintritt eines gewalzten Profils aus Stahl, beispielsweise eine Schiene, in die Kühlstrecke wird mittels des ersten Pyrometers 6f, beispielsweise ein Zweifarben-Pyrometer, ein aktueller Oberflächentemperaturwert aufgenommen. Dieser erste Oberflächentemperaturwert wird an die Rechnereinheit 8 weitergeleitet, die bereits in Abhängigkeit dieses individuellen Wertes eine Voreinstellung (Presetting) der einzelnen Regelventile zur Einstellung des Kühlwasserdruckes sowie der Kühlwassertemperatur bewirkt. Nach Durchlaufen des ersten Kühlmoduls 2a und erfolgtem ersten Abkühlschritt tritt das Schienenprofil in den ersten Zwischenbereich 5a ein, in dem eine Entspannungsphase für das Gefüge erfolgt. Am Ende des ersten Zwischenbereichs 5a wird mittels eines zweiten Pyrometers 6a, beispielsweise ein Zweifarben-Pyrometer, eine weitere Oberflächentemperaturmessung (TIST) vorgenommen. Dieser aufgenommene Ist-Wert wird über die Signalleitungen 7a und 7g an die Rechnereinheit 8 übergeben und dort eine Differenz-Rechnung zwischen einem Soll- (TSOLL) und dem ist-Wert (TIST) durchgeführt. Hierbei liegt der Soll-Wert immer oberhalb einer werkstoffspezifischen Temperatur, bei der Bainitbildung eintreten kann. Die Sollwerte sind legierungsspezifisch und können aus Versuchen ermittelt werden. Ein Richtwert für diese kritische Temperatur, die bei Schienenstählen bei einem Kühlprozeß nicht unterschritten werden sollte, liegt bei etwa 450-500°C.
Sofern eine Differenz zwischen dem Ist- und Sollwert vorliegt, wird oder werden das nachfolgende oder mehrere nachfolgende Kühimodule hinsichtlich ihrer Kühlparameter, hier des Drucks des auftreffenden Kühlwassers, durch Änderung der Druckregelventile 3a-e eingeregelt. Hierbei wird laufend eine Regelung der Druckwerte in Abhängigkeit der gemessenen Ist-Druckwerte durchgeführt.
Die beschriebene Regelung wiederholt sich in Abhängigkeit der in jedem weiteren Zwischenbereich 5b-5e aufgenommenen Temperatur-Werte. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß nicht nur das nachfolgende Kühlmodul, sondern auch das oder die vorherigen Kühlmodule für das nachfolgende zu kühlende Walzgut eingeregelt werden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen mit Hilfe von Temperatur-Zeit-Diagrammen die Abkühlungskurven eines Schienenkopfes aus einem Werkstoff mit 0,8% Kohlenstoff mit Regelung und ohne Regelung. Die Bezeichnung C80W60 bzw. C80W65 macht deutlich, daß die Abkühlgeschwindigkeit im Kern des Schienenkopfes (Beispiel Schienenform nach AREA 136 [Liefervorschrift der American Railway Engineering Association]) weniger hoch ist als in den Randbereichen und daß dadurch im Kembereich die Umwandlung von Austenit in Perlit bzw. Ferrit-Perlit bei höheren Temperaturen stattfindet.
Der Temperaturverlauf über die Zeit wird an fünf unterschiedlichen Meßpunkten am Schienenkopf ermittelt. Hierbei ist 1 ein Meßpunkt im Kern des Schienenkopfes, 2 ein Meßpunkt, der 5 mm unterhalb der Oberfläche angeordnet ist, 3 ein Meßpunkt, der 5 mm unterhalb der Seitenfläche angeordnet ist, 4 ein Meßpunkt auf der Seitenoberfläche sowie 5 ein Meßpunkt auf der Kopfoberfläche. Es ist ersichtlich, daß zu keiner Zeit an keinem Meßpunkt das Gefüge des Schienenkopfes durch die Abkühlung eine solche Unterkühlung erfährt, daß sich im Gefüge Bainit bilden kann.
Die simulierte Kühlstrecke ist mit fünf Modulen einzeln regelbar. Die einzelnen Abkühlungskurven in Fig. 2 zeigen, daß niemals eine kritische Temperatur, bei der Bainitbildung einsetzen würde, unterschritten wird. An den Abkühlkurven 4 und 5, die die Abkühlung an der Oberfläche des Schienenkopfes zeigen, wird der sägezahnartige Abkühlverlauf mit einem Wiedererwärmen in den Zwischen- bzw. Ausgleichszonen deutlich.
Fig. 3 zeigt im Vergleich eine Kühlstrecke mit fünf Kühlmodulen, die nicht einzeln regelbar sind, so daß es zu einem Unterschreiten der Bainittemperatur in den oberflächennahen Bereichen (Kurven 4 und 5) des Schienenkopfes kommt.
Durch das vorgeschlagene Verfahren wird erreicht, daß bei der Abkühlung von Schienenstählen aus der Walzhitze ein feinperlitisches bzw. ferritisch/perlitisches Gefüge ohne die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Verschleißfestigkeit, negativ beeinflussende Bainitanteile eingestellt werden kann.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Kühlung von Werkstücken, insbesondere Profilwalzprodukten, aus Schienenstählen mit einem feinperlitischen oder ferritisch/perlitischen Gefüge,
    wobei das warme Werkstück durch eine Kühlstrecke (1) mit einem Eintritts- (12) und einem Austrittsbereich geführt und einem Abkühlprozeß unterworfen wird und hierbei eine Umwandlung in ein perlitisches oder ferritisch/perlitisches Gefüge durchmacht, wobei
    das Werkstück durch die Kühlstrecke, die sich aus einzelnen unabhängigen, über die Länge der Kühlstrecke hintereinander angeordneten Kühlmodulen (2a-e) mit unabhängig einstellbaren Kühlparametem zusammensetzt, geführt wird,
    wobei zwischen den Kühlmodulen (2a-e) Zwischenbereiche (5a-e) zur Gefügeentspannung vorhanden sind mit Mitteln zur Ist-Temperaturbestimmung (TIST) des jeweiligen Werkstückes in diesen Zwischenbereichen (5a-e), und
    wobei in Abhängigkeit der jeweiligen Ist-Temperaturwerte (TIST) des Werkstückes in einem Zwischenbereich (5a-e) die spezifischen Kühlparameter, insbesondere die Kühlintensität, mindestens des jeweils nachfolgenden Kühlmoduls (2b-e) zur Gewährleistung einer definierten Temperatur des Werkstückes während des gesamten Durchlaufs der Kühlstrecke (1) geregelt werden, wobei die definierte Temperatur (TSOLL) des Werkstückes jeweils oberhalb einer kritischen Temperatur, bei der sich bainitische Gefügeanteile bilden, liegt.
  2. Verfahren zur Kühlung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlprozeß sich in Abhängigkeit der durchlaufenden Kühlmodule in einzelne Abkühlprozeßschritte und in Abhängigkeit der durchlaufenden Zwischenbereiche zur Gefügeentspannung in zeitliche Phasen der Wiederaufwärmung und/oder in zeitliche Phasen des thermischen Haltens und/oder in zeitliche Phasen einer langsamen Abkühlung zusammensetzt.
  3. Verfahren zur Kühlung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des jeweiligen gemessenen Ist-Temperaturwerte (TIST) eines oder eines jeden Zwischenbereichs (5a-e) die spezifischen Kühlparameter des jeweils nachfolgenden Kühlmoduls (2b-e) und gleichzeitig die Kühlparameter des vorherigen Kühlmoduls (2a-d) geregelt werden.
  4. Verfahren zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur des Werkstücks am Ende des Zwischenbereichs (5a-e) gemessen wird.
  5. Verfahren zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Temperaturmessung (TIST) mittels einer optischen und berührungslosen Messung vorgenommen wird.
  6. Verfahren zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Kühlparameter, insbesondere der Kühlintensität, mittels Druckregelung und/oder Temperaturregelung des Kühlmediums erreicht wird.
  7. Verfahren zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, vor Auftritt auf die Werkstückoberfläche soweit vorgewärmt wird, daß eine Unterschreitung der Leidenfrosttemperatur nicht oder später als bei nicht vorgewärmten Kühlmedium erfolgt.
  8. Verfahren zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Werkstücks vor Eintritt oder beim Eintritt in die Kühlstrecke (1) gemessen wird und dieser Temperaturwert zum Presetting der Kühlparameter der einzelnen Kühlmodule verwendet wird.
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