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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von warmgewalzten Profilen aus der Walzhitze, insbesondere von Profilen mit einer im Querschnitt unterschiedlichen Massenverteilung, wobei die Abkühlung der Profile synchron zum Walzvorgang erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei den thermomechanischen Verfahren (TMB) werden gezielt bestimmte Eigenschaftsmerkmale eines Werkstoffes, insbesondere die Festigkeit und Zähigkeit, durch die Kombination von plastischer Verformung und thermischer Behandlung verbessert. Durch die plastische Deformation des Austenits im Umformprozess und die nachfolgende gezielte Umwandlung des Austenits in der thermischen Behandlung werden Stahlprodukte hergestellt, die sich durch ein feines Korn und hohe Streckgrenzen auszeichnen. Bei der TMB wird das Temperatur-Zeit-Regime konventioneller Wärmebehandlungen durch eine zusätzliche technologische Einflussgröße, die Umformung, ergänzt. Dadurch werden die Kombinationsmöglichkeiten zur gezielten Beeinflussung von Gefügemechanismen, die für die Einstellung anwendungsspezifischer Eigenschaftsmerkmale maßgeblich sind, im Vergleich zu den Spielräumen einer konventionellen Wärmebehandlung wesentlich erweitert. Durch Anwendung der TMB wird das Spektrum zur Einstellung gewünschter Gefügestrukturen breiter, und es werden zudem neue Wege zur Realisierung sinnvoller Eigenschaftskombinationen erschlossen, die durch konventionelle Wärmebehandlung oder Umformung allein nicht erreichbar sind.
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Um die Vorteile einer thermomechanischen Behandlung in Produktionsprozessen optimal nutzen zu können, müssen Werkstoffzusammensetzung und Umform-Temperatur-Zeit-Regime der TMB genauestens aneinander angepasst werden. Daraus ergeben sich für die praktische Umsetzung der TMB zahlreiche Anforderungen und Restriktionen hinsichtlich Verfahrensführung und Auslegung sowie Anordnung der erforderlichen Anlagentechnik.
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Der Herstellungsprozess, beispielsweise von Eisenbahnschienen unterliegt aufgrund der außergewöhnlichen Produktabmessungen generell besonderen Anforderungen. Für moderne Schienenwalzwerke gehört es heutzutage fast zur Normalität, Schienen mit einer Länge von 120 m herzustellen. Abgesehen von den Besonderheiten im Walzprozess, ist allein die Übergabe der warmgewalzten Schienen solcher Länge nach dem Austritt aus dem Walzspalt an nachfolgende Bearbeitungsschritte, wie zum Beispiel Warmrichten, Zuschnitt oder Kühlbehandlung, mit einem Durchlauf der Walzprodukte durch sehr großräumig ausgelegte Transport- und Handhabeanlagen verbunden, der logischerweise mit beträchtlichem Zeitaufwand einhergeht.
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Bei der thermomechanischen Behandlung von Eisenbahnschienen großer Länge wird das für optimale Behandlungseffekte vorausgesetzte enge Zusammenspiel der Umform-Temperatur-Zeit-Regime durch die objektiv gegebenen Transport- und Handhabebedingungen erheblich erschwert. So besteht beispielsweise die Gefahr, dass die im Umformprozess eingestellten optimalen Austenitstrukturen zum Zeitpunkt der Umwandlung des Austenits zu Perlit im nachfolgenden beschleunigten Abkühlprozess nicht mehr vorhanden sind, weil sich im Verlauf einer zu großen Zeitspanne zwischen Austritt des Walzgutes aus dem Walzspalt und Beginn des gezielten Abkühlvorgangs die zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaftsmerkmale des umgeformten Austenits bereits negativ verändert haben.
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Ein markantes Beispiel für derartige zeit- und temperaturabhängige Gefügevorgänge ist das Kornwachstum. Allgemein wird die Einstellung eines feinkörnigen Endgefüges angestrebt, weil damit wesentliche Voraussetzungen zur Ausbildung gewünschter Produkteigenschaften geschaffen werden.
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Im optimalen Ablauf einer thermomechanischen Behandlung wird durch beschleunigte Abkühlung aus der Walzhitze einerseits das Wachstum der bei der Rekristallisation entstehenden feinen Austenitkörner behindert und damit andererseits die Ausbildung eines feinstrukturierten Endgefüges bei der Umwandlung des Austenits zu Perlit begünstigt.
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Werden jedoch die Umform-Temperatur-Zeit-Regime nicht präzise aufeinander abgestimmt und ist beispielsweise der Zeitraum zwischen dem letzten Walzstich und dem Beginn der beschleunigten Abkühlung aus technologischen und/oder anlagentechnischen Gründen unzulässig groß, setzt im umgeformten Austenit noch vor Beginn einer gezielten Abkühlung Kornwachstum ein. Die grobkörnige Austenitstruktur verschlechtert die Ausgangsbedingungen für die Perlitumwandlung im Rahmen der beschleunigten Abkühlung beträchtlich, und die ursprünglichen Zielstellungen der TMB werden unter diesen Umständen nicht oder nur bedingt erreicht.
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Es sind Verfahren zur Herstellung perlitischer Schienen mit sehr guten Eigenschaftsmerkmalen hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Duktilität bekannt, in denen die komplexen Zusammenhänge zwischen Werkstoffzusammensetzung, Umform- und Wärmebehandlungsparameter ausführlich berücksichtigt werden, beispielsweise
EP 2 045 341 A1 ,
EP 1 730 317 B1 ,
EP 2 071 044 A1 und
EP 1 493 831 A1 . Die einzelnen Lösungsvarianten dieser Verfahren unterscheiden sich durch spezifische Einstellungen der Umformparameter, wie zum Beispiel Umformtemperatur, Gesamtumformgrad, Umformung pro Stich, Anzahl Stiche und Stichintervalle und durch unterschiedliche Abläufe im Abkühlprozess, wie Kühlrate, Kühldauer und Kühlmedien. In den Verfahrensbeschreibungen wird auch auf die Gefahr des Kornwachstums nach Austritt des Walzgutes aus dem letzten Walzgerüst eingegangen. Zur Begrenzung des Kornwachstums werden definierte Zeitspannen zwischen Austritt aus dem Walzgerüst und Eintritt in die Abkühlvorrichtungen empfohlen. Die Skala der in diesem Zusammenhang empfohlenen Zeitparameter reicht von der verbalen Aussage „möglichst kurze Zeitspannen” über 60 s und 100 s bis hin zu der Vorgabe, dass diese Zeitspanne nicht größer als 150 s sein sollte. Zudem wird darauf hingewiesen, dass Schienenstähle mit höheren C-Gehalten in einem Zeitfenster größer 100 s nachdem letzten Umformschritt zu eutektoiden Zementitausscheidungen neigen, die Schwingfestigkeit und Zähigkeit der Schienen herabsetzen. In den Verfahrensbeschreibungen sind jedoch keinerlei Angaben darüber enthalten, mit welchen technologischen und anlagentechnischen Mitteln diese kurzen Zeitspannen realisiert werden.
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Ferner ist eine Vielzahl von Schienenherstellungsverfahren bekannt, bei denen durch beschleunigte Abkühlung des Walzgutes aus der Walzhitze heraus belastungsorientierte Eigenschaftsprofile hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Widerstand gegen Rollkontaktermüdung an den Schienen eingestellt werden. Diese Verfahren lassen sich nach der Art des Abkühlvorgangs in Tauch- und Sprühkühlverfahren unterteilen. Beide Verfahrensvarianten weisen in der Regel die Gemeinsamkeit auf, dass die Schienen nach Verlassen des Walzspaltes nur mit relativ großem anlagentechnischen und logistischen Aufwand in die Behandlungsposition der jeweiligen Abkühlvorrichtung gebracht werden können. Bei den Tauchverfahren, wie aus der
AT 505 930 B1 ,
AT 410 549 B ,
AT 409 268 B und
WO 2010/089325 A1 bekannt, durchlaufen die Schienen beispielsweise Rollgänge, Quertransportmittel, Vorrichtungen zum axialen Drehen sowie Manipulatoren zum axialen Ausrichten und querschnittsfluchtenden Halten bis sie schließlich zu den Positioniermitteln mit Haltekomponenten gelangen, welche die Schienen während des Tauchvorgangs horizontal im Tauchbecken fixieren.
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Ein ähnlich großer Transport- und Handhabeaufwand ist bei den Sprühkühlverfahren erforderlich, unabhängig davon, ob im Durchlauf oder Pendelbetrieb gearbeitet wird, um die Schienen nach dem Walzvorgang in den Sprühkühleinrichtungen zu positionieren, wie aus der
EP 1 900 830 B1 ,
AT 407 057 B und
US 7 217 329 B2 bekannt. Auch bei diesen Verfahren passieren die Schienen unterschiedliche Transporteinrichtungen, Schienenheber und Kippvorrichtungen zum Drehen der Schienen bevor sie eingespannt in Zentrier- und Klemmvorrichtungen in stehender oder hängender Position dem Abkühlprozess unterzogen werden.
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Aus
AT 504 706 A1 ist beispielsweise bekannt, dass der Temperaturverlust der Schienen zwischen Austritt aus dem Walzspalt und Einlauf in die Abkühleinrichtung aufgrund der Transport- und Handhabevorgänge und des damit einhergehenden Zeitverlaufs so groß ist, dass das verbliebene Temperaturniveau als Starttemperatur für eine beschleunigte Abkühlbehandlung nicht geeignet ist. In dem beschriebenen Verfahren wird deshalb zur Vermeidung einer zu kalten Einlauftemperatur oder zum Zwecke eines notwendigen Temperaturausgleichs über die Schienenlänge eine induktive Erwärmung der Schiene vor dem Einlauf in die Kühleinrichtung vorgenommen.
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Die Effekte einer thermomechanischen Behandlung können nur dann optimal ausgeschöpft werden, wenn die Umform-Temperatur-Zeit-Regime der technologischen Kette Umformung und Abkühlung genauestens aufeinander abgestimmt werden. Gemäß Stand der Technik sind die bekannten Verfahren zur Abkühlung von Schienen aus der Walzhitze aufgrund des hohen anlagentechnischen sowie logistischen Aufwands und der damit einhergehenden notwendigen Handling-Zeiten an der Nahtstelle zwischen Umformung und beschleunigter Abkühlung nicht geeignet, um die Kombinationsmöglichkeiten aus plastischer Verformung und thermischer Behandlung zur gezielten Einstellung gewünschter Gefügestrukturen und Eigenschaftsmerkmale im Rahmen der TMB unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten umfassend zu nutzen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der thermomechanischen Behandlung von Profilen bereitzustellen, bei dem die Vorzüge der TMB durch einen gezielten spezifischen Verfahrensablauf umfassend umgesetzt werden können.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch eine Vererbung der Korngrößen aus der Walzhitze und Einstellung eines Temperaturgradienten zwischen Profiloberfläche und Kernbereich der massereichen Profilabschnitte zeitnah beim Eintritt in das Perlitumwandlungsgebiet ein graduiertes feinperlitisches Gefüge im massereichen Profilabschnitt entsteht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den Unteransprüchen erläutert.
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Mit der Erfindung werden die vorgenannten Schwierigkeiten umgangen, indem die warmgewalzten Profile unmittelbar nach dem Austritt aus dem letzten Walzgerüst zeitnah einem gezielten Abkühlvorgang unterzogen werden und dabei der umgeformte Austenit unter Beibehaltung seiner aus der plastischen Umformung herrührenden vorteilhaften Gefügestruktur mit geringer Korngröße zu einem feinperlitischen Gefüge umwandelt.
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Hierzu wird ein Profilstahl auf Umformtemperatur erwärmt und in einem kontinuierlich arbeitenden Profilwalzwerk durch mehrere Stiche zu einem Profil, beispielsweise einer Eisenbahnschiene umgeformt. Unmittelbar nach Auslauf des vorderen Profilabschnitts aus dem Walzspalt wird das Profil synchron zum weiteren Walzvorgang über Führungsrollen in eine dem Walzgerüst nachgeordnete Kühleinrichtung eingefahren, um die Einstellung eines Temperaturgradienten zwischen Profiloberfläche und Kernbereich der massereichen Profilabschnitte zeitnah beim Eintritt in das Perlitumwandlungsgebiet vorzunehmen, sodass ein graduiertes feinperlitisches Gefüge im massereichen Profilabschnitt entsteht.
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Durch die unmittelbar nach dem letzten Umformschritt einsetzende beschleunigte Abkühlung des Profils wird das Wachstum der bei der Rekristallisation entstehenden feinen Austenitkörner behindert. Aufgrund der kurzen Zeitspanne zwischen Austritt des Profils aus dem Walzspalt und Einlauf in die Kühleinrichtung bleibt die im Rahmen der plastischen Umformung eingestellte vorteilhafte Austenit-Gefügestruktur bis zum zeitnah einsetzenden Abkühlvorgang aufrechterhalten. Dadurch werden bei der im weiteren Abkühlverlauf einsetzenden Umwandlung des Austenits zu Perlit die vorteilhaften Gefügemerkmale des Austenits auf den sich bildenden Perlit vererbt und die Ausbildung eines feinkörnigen Endgefüges wird begünstigt.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperaturführung auf Grundlage hinterlegter Werkstoffdaten und online erfasster Walz- und Kühlprozessdaten zur Bestimmung der erforderlichen Kühldauer und Kühlintensität und Regelung der Abkühlprozesse erfolgt. Hierbei wird durch die Einstellung eines bestimmten Temperaturgradienten zwischen der Profiloberfläche und dem Kernbereich der massereichen Profilabschnitte in Abhängigkeit der online erfassten Walz- und Kühlprozessdaten sichergestellt, dass die Korngröße möglichst unverändert auf den Umwandlungsprozess vererbt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und ein Gefügemodell, die wesentliche Bestandteile eines Steuerungssystems sind, geregelt wird. Durch die Berücksichtigung der Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang in Kombination mit einem Temperatur- und Gefügemodell können die erforderlichen Parameter für den eigentlichen Abkühlprozess ermittelt und die Kühlmenge berechnet werden, um eine gezielte Beeinflussung des Kornwachstums bis zum Eintritt in das Perlitumwandlungsgebiet vorzunehmen und darüber hinaus den erforderlichen Temperaturgradienten zwischen Profiloberfläche und Kernbereich einzustellen.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlparameter in den einzelnen Kühlphasen so eingestellt werden, dass die Oberfläche anfänglich kontinuierlich abkühlt und die Bedingungen für eine Bainitumwandlung umgangen werden und anschließend die Temperaturkurve des Oberflächenbereiches isotherm in das Perlitumwandlungsgebiet geführt wird.
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Durch unterschiedliche Kühldauer und unterschiedliche Kühlintensität in den einzelnen Kühlphasen kann der Temperaturverlauf, beispielsweise im Schienenkopf einer Eisenbahnschiene so gesteuert werden, dass zwischen Kopfoberflächen- und Kerntemperatur ein gezielter Temperaturgradient eingestellt wird und dadurch die Umwandlung von Austenit zu Perlit im Oberflächen- und Kernbereich des Schienenkopfes bei unterschiedlichen Starttemperaturen und Startzeiten erfolgt. Auf diese Weise wird beim gesteuerten Abkühlvorgang ein zwischen Oberflächen- und Kernbereich graduiertes feinperlitisches Gefüge eingestellt.
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Die Durchlaufgeschwindigkeit des Profils durch die Kühlvorrichtung entspricht hierbei der Endwalzgeschwindigkeit, wobei die Zeitspanne zwischen Auslauf aus dem letzten Fertiggerüst und Einlauf in die Kühlvorrichtung so gering wie möglich gehalten wird, vorzugsweise unter 100 Sekunden liegt.
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Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens können Profile, insbesondere Profile mit im Querschnitt unterschiedlichen Massenverteilungen nach erfolgter mechanischer Behandlung einer nachfolgenden Thermobehandlung unterzogen werden. Dieses Verfahren eignet sich hierbei besonders für Schienenprofile, die sich durch einen großen Schienenkopf auszeichnen. Soweit Schienenprofile nach diesem Verfahren behandelt werden, ist zur Eindämmung des Schienenverzugs vorgesehen, dass die einzelnen Profilteile der Schiene (Kopf, Steg, Fuß) während des gesamten Abkühlvorgangs in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Temperaturgradienten zwischen diesen Profilteilen differenziert gekühlt werden. Zur Optimierung der gefügespezifischen Zusammenhänge zwischen Umform- und Kühlbedingungen wird der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage online erfasster Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein komplexes Steuerungssystem geregelt. Kernstück dieses Steuerungssystems ist die Kopplung eines Online-Temperaturmodells mit einem Online-Gefügemodell.
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Hierbei ist vorgesehen, dass die Umform-Temperatur-Zeit-Regime der jeweiligen thermomechanischen die über ein Online-Temperaturmodel und ein Online-Gefügemodell sowie online erfasster Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang zeitnah und unmittelbar an die relevanten Daten des aktuellen Profilwerkstoffs angepasst werden. Zur Erzielung der gewünschten Gefügestruktur erfolgt eine simultane Verknüpfung der beiden thermomechanischen Behandlungen Walzen und Abkühlung, wobei die Walz- und Kühlprozessdaten für die Profile, beispielsweise einem Schienenprofil, an die unterschiedlichen Querschnittsabschnitte angepasst und die einzelnen Querschnittsabschnitte getrennt erfasst werden. Somit können die einzelnen Querschnittsbereiche eines Schienenprofils, und zwar Kopf-, Steg- und Fußbereich in Abhängigkeit vom jeweils aktuellen Temperaturgradienten zwischen diesen Querschnittsbereichen differenziert gekühlt werden, um einen Verzug zu vermeiden. Ferner kann speziell der Temperaturverlauf im Schienenkopf so gesteuert werden, dass zwischen Kopfoberflächen- und Kerntemperatur ein gezielter Temperaturgradient eingestellt werden kann. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass der Abkühlprozess so gesteuert wird, dass der Oberflächenbereich und der Kernbereich des Schienenkopfes unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten unterliegt, und dass die Kühlintensität in den einzelnen Kühlphasen über die gesamte Kühldauer zur Realisierung eines gezielten Verlaufs der Abkühlkurven des Oberflächen- und Kernbereiches des Schienenkopfes differenziert eingestellt wird. Unter Berücksichtigung eines retrograd dimensionierten Schienenkopfes wird der Kühlprozess hierbei so gesteuert, dass zunächst eine Beaufschlagung der Schienenoberfläche mit einem Kühlmittel größter Kühlintensität erfolgt, um einen möglichst hohen Temperaturgradient zwischen Kopfoberfläche und Kernbereich einzustellen. Danach erfolgt der differenzierte Abkühlprozess bis zum Erreichen des Perlitumwandlungsgebietes.
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Aufgrund der hohen Belastungen des Schienenprofils im späteren Einsatz ist es notwendig, bei der thermomechanischen Behandlung sicherzustellen, dass sich ein besonderes stabiles Gefüge im Schienenkopf ausbildet. Hierbei ist es wesentlich, das Gefüge des aus der Walzhitze austretenden Stahls während der Abkühlphase zu kennen oder zu bestimmen. Zu diesem Zweck stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. So ist beispielsweise eine Bestimmung der Temperatur während des Abkühlvorgangs dazu geeignet, Rückschlüsse auf die Gitterstruktur zu ziehen. Hierzu ist es weiterhin notwendig, eine Simulation des Abkühlverhaltens in Verbindung mit dem Ausbilden bestimmter Gitterstrukturen durchzuführen. Anhand von zumindest zwei Temperaturmesspunkten kann damit eine Vorhersage der sich ausbildenden Gitterstruktur vorgenommen werden. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Gitterstruktur ist besonders einfach, da lediglich die Temperatur des Stahls nach dem Austritt aus der Walzhitze und während des Abkühlvorgangs bestimmt werden muss. Die Temperatur kann dabei einfach mit bekannten Messgeräten bestimmt werden, wie beispielsweise einen Laserinterferenzthermometer.
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Zur genaueren Bestimmung und Kontrolle des sich ausbildenden Gefüges sind direkte Verfahren vorzuziehen. Beispielsweise können Wirbelstromsensoren verwendet werden, um Veränderungen in der Gitterstruktur festzustellen. Zur Unterstützung der experimentellen Gestaltung ist ein Modell zur numerischen Berechnung von Feldverteilungen im Werkstoff notwendig. Hierdurch werden die Wirkungszusammenhänge in Abhängigkeit der äußeren Bedingungen systematisch erfasst. Zur Induktion geeigneter Wirbelstromverteilungen sind Feldberechnungen für unterschiedlich aufgebaute Sensoren notwendig. Die numerischen Berechnungen werden durch Vorversuche bestätigt. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Berechnungen ist somit ein Sensorsystem realisierbar, welches es erlaubt, mithilfe der Wirbelstrommessungen die Gitterstruktur zu bestimmen. Hierbei ist es notwendig, Wirbelstromindikationen von Störsignalen durch Oberflächeneinflüsse zu unterscheiden. Lokale ferromagnetische Werkstoffeigenschaften können Störsignale erzeugen, diese werden identifiziert und können durch die Anwendung einer Oberwellenanalyse während der Wirbelstrommessung berücksichtigt werden.
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Grundlage der Wirbelstromprüfung ist die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften eines Systems aus Spule und Werkstoff in Abhängigkeit induzierter magnetischer Wechselfelder. Dabei wird eine Spule mit einem sich zeitlich ändernden elektrischen Strom verwendet, wobei sich ein Primärfeld innerhalb der Spule ausbildet. Entsprechend dem Induktionsgesetz bildet sich eine Wirbelstromverteilung im elektrisch leitfähigen Werkstoff aus. Dieses Wirbelstromfeld im Werkstoff ist dabei von einem sekundären magnetischen Feld begleitet, welches dem erregenden Primärfeld entgegengesetzt wirkt. Aus der Überlagerung der primären und sekundären Felder ergibt sich ein resultierender magnetischer Fluss durch die Spulenwicklungen. Bei einer Messung wird der induktive Widerstand und der Spulenwiderstand in der Impedanzebene bestimmt. Wesentliche Einflussgrößen sind dabei die elektrische Leitfähigkeit und die magnetische Permeabilität. Diese verändert sich mit der Gitterstruktur des Werkstoffes. Damit kann unter Zuhilfenahme der numerischen Berechnungen aus der Induktivitätsänderung auf die Gitterstruktur des Werkstoffes zurückgeschlossen werden. Dieses Verfahren erlaubt damit eine genaue Bestimmung der Gefügestruktur während des Austritts an dem Walzspalt und während der Abkühlphase des Schienenprofils.
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Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Gitterstruktur des Schienenprofils stellt die Röntgenstrukturanalyse dar. Dabei wird eine Röntgenstrahlquelle auf einer Seite des Schienenprofils und auf der gegenüberliegenden Seite ein entsprechendes bildgebendes System angeordnet. Das bildgebende System kann dabei beispielsweise ein Halbleiterdetektor sein. Zur Analyse der Gitterstruktur wird die von der Röntgenstrahlquelle ausgehende Röntgenstrahlung im Werkstoff gestreut und die gestreute Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von einem Streuwinkel durch den Detektor sowie deren Intensität gemessen. Entsprechend dem Bragg'schen Streugesetz ergibt sich aus dem Streuwinkel die Gitterstruktur, insbesondere der Gitterabstand. Das von dem Detektor aufgenommene Signal wird mithilfe einer Rechnereinheit zu einem Beugungsmuster weiterverarbeitet: Daraus kann anschließend die Gitterstruktur berechnet werden. Diese ergibt sich aus der Geometrie einer Elementarzelle der Gitterstruktur. Die Elementarzelle kann dabei vollständig anhand der Winkel abgeleitet werden, unter denen Beugungsmaxima auftreten. Aus der Stärke der Beugungsmaxima kann mittels verschiedener mathematischer Methoden die Anordnung der Atome innerhalb der Elementarzelle berechnet werden. Damit erhält man die vollständigen Informationen über die Gitterstruktur des Schienenprofils durch Röntgenstrukturanalyse. Durch dieses Verfahren kann somit festgestellt werden, welche Gitterstruktur sich nach der Walzhitze in den Schienenprofilen ausbildet und durch mehrmaliges Wiederholen während des Abkühlprozesses kann sichergestellt werden, dass die gewünschte Gitterstruktur eingestellt wird.
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Die Röntgenstrukturanalyse ist technisch aufwändiger als die zuvor genannten Verfahren, jedoch kann hierbei auf eine zuvor durchgeführte Modellrechnung verzichtet werden. Damit erlaubt die Röntgenstrukturanalyse einen direkten Zugang zur Gitterstruktur des Werkstoffes, wodurch diese eindeutig bestimmt wird. Somit liegt ein sicheres Verfahren zur Überwachung der Gitterstruktur während des Abkühlprozesses vor.
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Durch die vorgenannten Verfahren zur Gitterstrukturanalyse wird eine konstant hohe Qualität der hergestellten Schienenprofile sichergestellt, um den späteren hohen Belastungen standzuhalten.
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Das Wirbelstromverfahren eignet sich im Weiteren dazu das Abkühlverhalten des Schienenprofils auf dem Kühlbett zu überwachen. Hierbei kann nach der Intensivkühlung an der ruhenden Schiene der Perlitisierungsgrad des Kopfgefüges ermittelt werden. Die erzielten Ergebnisse können dazu verwendet werden, um als Korrekturwert für die Kühlparametereinstellung der nachfolgenden Schienenprofile verwendet zu werden.
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Die Erfindung weist im Vergleich zu anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur thermischen Behandlung von Profilen, beispielsweise Eisenbahnschienen, aus der Walzhitze heraus beträchtliche Vorteile auf.
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Der markanteste Vorteil besteht darin, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren alle Umform-Temperatur-Zeit-Regime der jeweiligen thermomechanischen Behandlung über ein Online-Temperaturmodell und ein Online-Gefügemodell zeitnah und unmittelbar an die relevanten Daten des aktuellen Profilwerkstoffs angepasst werden. Dadurch können die vorteilhaften Möglichkeiten der TMB zur gezielten Einstellung bestimmter Eigenschaftsmerkmale durch Kombination von Gefügeeffekten aus plastischer Umformung und thermischer Behandlung umfassend ausgeschöpft werden. Da der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch das Temperatur- und Gefügemodell geregelt wird, kann beispielsweise auf unvorhersehbare Schwankungen im Walzprozess, zum Beispiel veränderte Walztemperatur, aktuell reagiert werden.
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Durch die sehr geringe Zeitdifferenz zwischen Austritt des Profils aus dem Walzspalt und Beginn der gesteuerten Abkühlung wird das zeit- und temperaturabhängige Austenit-Kornwachstum unterdrückt und die im Umformprozess eingestellten optimalen Austenitstrukturen bleiben als Startbedingungen für die Umwandlung des Austenit zu Perlit erhalten. Die unmittelbare Aufeinanderfolge von Walz- und Abkühlvorgang bietet zudem die optionale Möglichkeit, mit abgesenkten Endwalztemperaturen zu arbeiten.
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Besonders deutlich werden die erfindungsgemäßen Vorteile im Vergleich mit bekannten Verfahren zur Herstellung von Profilen, beispielsweise Schienen mit heute üblicher großer Länge von bis zu 120 Meter. So kann beispielsweise eine 120 Meter lange Schiene in Abhängigkeit von der Walzgeschwindigkeit und der Endwalztemperatur nach ihrem vollständigen Austritt aus dem Walzspalt an der Kopfoberfläche einen Temperaturkeil zwischen 50°C und 100°C über ihre Länge aufweisen. An der Steg- beziehungsweise Fußoberfläche kann dieser Temperaturgradient über die Schienenlänge sogar noch größer sein. Laufen diese Schienen mit ihrem axial ausgeprägten Temperaturkeil in die Kühlvorrichtung ein, liegen natürlich sehr ungleiche Ausgangsbedingungen für die folgenden Umwandlungsvorgänge vor.
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In der Regel schließen sich bei den bekannten Verfahren nach Ablage der warmgewalzten Schiene auf dem Rollgang weitere Transport- und Handhabevorgänge an, so dass mit der gezielten thermischen Behandlung der Schiene etwa erst 150 s nach deren Austritt aus dem Walzspalt oder später begonnen werden kann. Da die natürliche Abkühlung der Schiene aber bereits unmittelbar nach Verlassen des letzten Walzspalts beginnt, wird der Handlungsspielraum einer erst 150 s später einsetzenden gezielten Einflussnahme auf den Verlauf des Abkühlvorgangs in Abhängigkeit vom zeit- und temperaturspezifischen Umwandlungsverhalten des aktuellen Schienenwerkstoffs erheblich eingeschränkt.
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Zur Eindämmung der oben genannten Nachteile und zur Eliminierung des Temperaturkeils über die Schienenlänge wird deshalb in einigen bekannten Schienen-Herstellungsverfahren eine erneute austenitisierende Erwärmung unmittelbar vor dem Abkühlprozess vorgeschlagen. Neben den positiven Effekten dieser zusätzlichen Erwärmung ist jedoch zu berücksichtigen, dass dabei die durch plastische Deformation im Austenit eingestellten vorteilhaften Gefügemerkmale teilweise verloren gehen und somit nicht oder nur bedingt auf den Umwandlungsvorgang Austenit/Perlit übertragen werden können. Zudem belastet die zumeist mittels Induktionsanlagen vorgenommene Erwärmung die energetische Bilanz dieser Verfahren und verschlechtert dadurch ihre Wirtschaftlichkeit erheblich.
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Die insbesondere bei der Herstellung von Schienen großer Länge zu beobachtenden technologischen und energetischen Schwachstellen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise umgangen.
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Durch die simultane Verknüpfung der beiden thermomechanischen Behandlungskomponenten Walzen und Abkühlung ergibt sich ein weiterer Vorteil. Bei der erfindungsgemäßen Technologie durchläuft die Schiene mit Endwalzgeschwindigkeit die Kühlvorrichtung, sodass der Kühlzyklus dem Walzzyklus entspricht und damit die Durchsatzleistung der Schienen-Fertigungskette gegenüber anderen Verfahren bedeutend erhöht wird.
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Bei den bekannten Verfahren muss zur eigentlichen Abkühlzeit noch ein beträchtliches Zeitfenster für Transport- und Handhabungsvorgänge hinzuaddiert werden. Der Umfang des technologisch notwendigen Gesamt-Zeitrahmens übersteigt in der Regel die Taktfolgen des jeweiligen Schienenwalzwerkes, sodass der Kühlprozess mit seinen vorgelagerten Logistikschritten zum Nadelöhr bei der Schienenherstellung wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zur praktischen Umsetzung der TMB durch einen relativ geringen, verfahrenstechnisch notwendigen Anlagenaufwand und Platzbedarf aus. In den bekannten Verfahren wird die warmgewalzte Schiene üblicherweise nach Austritt aus dem Walzspalt auf einem Rollgang, Querschlepper oder anderen Aufnahmemittel abgelegt. Darüber hinaus werden je nach Verfahrensart ferner Ausricht-, Kipp- und Hebevorrichtungen sowie Klemm- und Halteeinrichtungen benötigt, um die Schiene in die vorgesehene Abkühlposition zu bringen.
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Im vorliegenden Verfahren wird die Schiene nach Austritt aus dem Walzspalt in ihrer seitlichen Lage von einem Führungsrollensystem aufgenommen und von diesem durch die Kühleinrichtung mit Walzgeschwindigkeit hindurchgeführt. Der thermische Behandlungsprozess erfordert lediglich eine Kühlvorrichtung und ein nachgelagertes Kühlbett zur Aufnahme der wärmebehandelten Schiene.
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Zur Anwendung und Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und ein Gefügemodell regelbar ist. Weitere besondere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Die bereits herausgestellte Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der gesamte Abkühlprozess auf der Grundlage von Echtzeit-Prozessdaten aus dem Walz- und Kühlvorgang durch ein Temperatur- und ein Gefügemodell geregelt wird. Aus diesem Grunde ist die Vorrichtung mit einem Steuerungssystem und einem Prozessrechner ausgestattet, der die aus dem Walz- und Kühlvorgang ermittelten Prozessdaten in Echtzeit verarbeitet. Hierbei wird ein Temperatur- sowie ein Gefügemodell zugrunde gelegt, welches die Bestimmung des jeweils aktuellen Gefüges ermöglicht. Mithilfe des Gefügemodells und des Temperaturmodells kann somit der Kühlvorgang in der Form gesteuert werden, dass das vorhandene Gefüge unter Beibehaltung seiner aus der plastischen Umformung herrührenden vorteilhaften Gefügestruktur zu einem feinperlitischen Gefüge umgewandelt werden kann. Nach dem letzten Umformschritt wird durch eine beschleunigte Abkühlung des Profils das Wachstum der bei der Rekristallisation entstehenden feinen Austenit-Körner behindert, wodurch aufgrund der kurzen Zeitspanne zwischen Austritt des Profils aus dem Walzspalt und Einlauf in die Kühleinrichtung die im Rahmen der plastischen Verformung eingestellte vorteilhafte Austenit-Gefügestruktur bis zum zeitnah einsetzenden Abkühlvorganges aufrecht erhalten. Danach werden bei der im weiteren Abkühlverlauf einsetzenden Umwandlung des Austenits zu Perlit die vorteilhaften Gefügemerkmale des Austenits auf den sich bildenden Perlit vererbt und die Ausbildung eines feinkörnigen Endgefüges erreicht.
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Zu diesem Zweck ist in weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung vorgesehen, dass für den thermischen Behandlungsprozess eine Kühlvorrichtung und ein nachgelagertes Kühlbett zur Aufnahme des wärmebehandelten Profils verwendet wird. Nach Austritt des Profils aus dem Walzspalt wird zunächst sichergestellt, dass die Oberfläche kontinuierlich abkühlt und die Bedingungen für eine Banitumwandlung umgangen werden, wobei anschließend die Temperaturkurve des Oberflächenbereiches isotherm in das Perlitumwandlungsgebiet geführt wird. Auf dem nachgelagerten Kühlbett erfolgt eine kontinuierliche Abkühlung des wärmebehandelten Profils bis zur Endtemperatur.
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Um die Profilschiene einer optimalen Wärmebehandlung zu unterziehen, insbesondere für den Fall, dass beispielsweise ein Schienenprofil gewalzt wird, welches Querschnittsbereiche mit unterschiedlichen Massenverteilungen aufweist, ist im Weiteren vorgesehen, dass die Profilschiene nach dem Austritt aus dem Walzspalt in kaliberbedingten Seitenlage von einem Führungsrollensystem aufgenommen und mittels dieser Einrichtung durch eine nachgeschaltete Intensivkühlstrecke hindurchgeführt wird. Die Durchlaufgeschwindigkeit des Profils durch die Kühlstrecke entspricht hierbei der Endwalzgeschwindigkeit. Das Führungsrollensystem ermöglicht hierbei eine sichere Lagerung der Profilschiene, ohne dass eine Beeinträchtigung der Walzgeschwindigkeit eintritt.
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Nach der erforderlichen Intensivkühlung wird das Profil von dem Kühlbett aufgenommen, auf dem die weitere Abkühlung an ruhender Luft bis auf die Umgebungstemperatur erfolgt. Durch die Größe und Anordnung des Kühlbettes ist hierbei gleichzeitig sichergestellt, dass mehrere Profile, insbesondere Schienenprofile, nebeneinander in dem Kühlbett aufgenommen werden können, sodass die laufende Produktion mit einem synchronen Walz- und Kühlvorgang nicht unterbrochen zu werden braucht.
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Zur Erreichung der erforderlichen Temperaturgradienten ist die als Sprüh-Durchlaufkühlung ausgelegte Intensivkühlstrecke mit einer definierten Anzahl von aufeinanderfolgenden und einzeln ansteuerbaren Kühlsegmenten ausgestattet. Mithilfe der steuerbaren Kühlsegmente kann eine gezielte Abkühlung der einzelnen Bereiche des Profils, insbesondere des Schienenprofils, vorgenommen werden, wobei zwischen den Kühlsegmenten Führungsvorrichtungen zur Führung des Schienenprofils angeordnet sind. Durch die Führungsvorrichtungen wird einerseits ein kontrollierter Weitertransport des Schienenprofils ermöglicht und gleichzeitig der Abkühlprozess mithilfe der Intensivkühlstrecke in Gang gesetzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und eine komplexe Steuerungsvorrichtung zur Regelung des Abkühlprozesses werden anhand von Zeichnungen nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigt
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1 den Verlauf der Abkühlkurve und
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2 ein Steuerungssystem zur Regelung des Abkühlvorgangs.
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1 zeigt den Verlauf der Abkühlkurven des Oberflächen- und Kernbereiches des Schienenkopfes während der Intensivkühlung und während der nachfolgenden Abkühlung auf dem Kühlbett an ruhender Luft. Die Abkühlkurven sind zum besseren Verständnis der Umwandlungsabläufe in das kontinuierliche und isotherme ZTU-Schaubild des erfindungsgemäß verwendeten mikrolegierten Schienenstahls mit 0,4% Chrom projiziert.
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Das aus einem mikrolegierten Schienenstahl mit 0,4% Cr bestehende Vormaterial wird auf Walztemperatur erwärmt und in einem kontinuierlich arbeitenden Schienenwalzwerk in mehreren Stichen zu Schienen ausgewalzt. Die warmgewalzte Schiene wird unmittelbar nach Austritt aus dem letzten Walzgerüst in kaliberbedingter Seitenlage von einem Führungsrollensystem erfasst und mittels dieser Einrichtung durch eine nachgeschaltete Intensivkühlstrecke hindurchgeführt. Die Durchlaufgeschwindigkeit der Schiene durch die Kühlstrecke entspricht der Endwalzgeschwindigkeit. Nach Verlassen der Intensivkühlstrecke wird die Schiene von einem Kühlbett aufgenommen, auf dem die weitere Abkühlung an ruhender Luft bis auf Umgebungstemperatur erfolgt.
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Die Intensivkühlstrecke kann wenige Meter nach dem letzten Gerüst der Kontistraße angeordnet werden. Das konkrete Anlagen-Layout hängt von den Platzverhältnissen des jeweiligen Schienenwalzwerkes ab.
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Die für Sprüh-Durchlaufkühlung ausgelegte Intensivkühlstrecke besteht aus einer definierten Anzahl aufeinander folgender, einzeln ansteuerbarer Kühlsegmente. Zwischen den Kühlsegmenten sind Führungsvorrichtungen zur Führung der Schiene angeordnet.
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Ihre Gesamtlänge hängt vom gewählten Kühlregime und von der Endwalzgeschwindigkeit ab. So muss beispielsweise die Länge der Kühlstrecke bei einer Durchlaufgeschwindigkeit der Schiene von 2 m/s und bei Gewährleistung einer gewählten Prozesslaufzeit der Intensivkühlung von 60 s (jeder in Längsrichtung gesehene Oberflächenpunkt der Schiene ist für 60 s dem Intensivkühlvorgang ausgesetzt) 120 Meter betragen.
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Mit der Intensivkühlung der warmgewalzten Schiene ist eine gezielte Einstellung einer differenzierten Gefügezusammensetzung über den Schienenquerschnitt und eine nahezu verzugsfreie Abkühlung der gesamten Schiene bis auf Raumtemperatur möglich, sodass die Aufgabenstellung zufriedenstellend gelöst wird.
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Da der Schienenkörper über den Querschnitt sehr unterschiedliche spezifische Volumen- und damit auch unterschiedliche Wärmemengenanteile aufweist, muss diese Spezifik der einzelnen Querschnittsbereiche bei der Intensivkühlung berücksichtigt werden. Die ein völlig unterschiedliches Abkühlverhalten aufweisenden Querschnittsbereiche Kopf, Steg und Fuß müssen deshalb sehr differenziert gekühlt werden, um den Temperaturgradienten zwischen ihnen möglichst gering zu halten.
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Geregelt wird der gesamte Abkühlprozess durch ein später noch näher erläutertes komplexes Steuerungssystem, das auf der Grundlage online erfasster Echtzeit-Prozessdaten arbeitet und die Realisierung differenzierter Abkühlvorgänge ermöglicht. Das komplexe System berechnet zeitnah in jeder Phase des Abkühlvorgangs für die einzelnen Profilteile den zur Durchsetzung einer bestimmten technologischen Zielstellung notwendigen Wärmeentzug und veranlasst die Beaufschlagung des jeweiligen Profilteils mit Kühlmedium in der dafür erforderlichen Intensität.
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Der Abkühlprozess wird so gesteuert, dass Oberflächenbereich und Kernbereich des Schienenkopfes unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten unterliegen. Daraus resultieren aber auch unterschiedliche Umwandlungsabläufe in diesen beiden Bereichen. Entsprechend dem Verlauf der Abkühlkurven 1 und 2 wird davon ausgegangen, dass der Kernbereich im Wesentlichen kontinuierlich abgekühlt wird. Der Oberflächenbereich wird zunächst kontinuierlich abgekühlt und daran schließt sich ein Zeitfenster des isothermen Haltens an, in dem bereits die Perlitumwandlung einsetzt. Um das Umwandlungsverhalten bei diesen beiden unterschiedlichen Abkühlregimen im Kern- und Kopfbereich folgerichtig abzubilden, wird in 1 sowohl das kontinuierliche als auch das isotherme ZTU-Schaubild des verwendeten Schienenstahls hinterlegt. Der markanteste Unterschied zwischen den beiden Schaubildern besteht beispielsweise darin, dass isotherme Zustände den Beginn der Perlitumwandlung 4 deutlich zu kürzeren Abkühlzeiten verschieben.
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Das Temperaturniveau der warmgewalzten Schiene entspricht beim Einlauf in die Intensivkühlstrecke etwa der Endwalztemperatur von 950°C. Unmittelbar nach Eintritt in die Kühlstrecke weist die Kopfoberfläche der Schiene unter dem Einfluss sehr hoher Kühlintensität nur noch eine Temperatur leicht unterhalb von 700°C auf. Die Kühlung mit hoher Intensität wird fortgesetzt, bis. die Oberflächentemperatur auf einen Wert leicht oberhalb 500°C abgesenkt worden ist. Bis zu diesem Zeitpunkt weist die Abkühlkurve der Kopfoberfläche einen kontinuierlichen Verlauf auf. Die Temperatur des Oberflächenbereiches wird ab diesem Zeitpunkt bis zum Austritt der Schiene aus der Intensivkühlstrecke in einem Temperaturkorridor isotherm gehalten, der unbedingt oberhalb der Bainitstarttemperatur geführt werden muss. Etwa 15 s nach Beginn der Intensivkühlung erreicht die Abkühlkurve der Kopfoberfläche 1 bei ca. 530°C den kritischen Punkt des Beginns der Perlitbildung bei isothermer Umwandlung 4 und im Oberflächenbereich des Schienenkopfes setzt die Umwandlung von Austenit zu Perlit ein. Dieser Umwandlungsprozess läuft bis zur vollständigen Perlitbildung im Wesentlichen im vorstehend genannten Temperaturkorridor ab.
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Unmittelbar nach Eintritt in die Intensivkühlstrecke weist der Kernbereich des Schienenkopfes noch Endwalztemperatur in Höhe von 950°C auf. Durch die intensive Abkühlung der Kopfoberfläche wird dem Kernbereich jedoch im weiteren Kühlprozess kontinuierlich Wärme entzogen. Die aus dem Kern Richtung Oberflächenbereich abfließende Wärme würde dort normalerweise zu einem Temperaturanstieg führen. Da der Oberflächenbereich aber weiterhin dem Einfluss des Kühlmediums unterliegt, wird die kontinuierlich aus dem Kern nachfließende Wärme über das Kühlmedium abgeführt. Die Kühlintensität wird so eingestellt, dass die Abkühlkurve des Oberflächenbereiches in dem oben genannten Temperaturkorridor isotherm gehalten wird. Die Abkühlkurve des Kernbereiches 2 entspricht weitestgehend einer kontinuierlichen Abkühlung.
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Der Kühlprozess wird so gesteuert, dass zunächst durch Beaufschlagung der Schienenoberfläche mit einem Kühlmedium größter Kühlintensität ein möglichst hoher Temperaturgradient zwischen Kopfoberfläche und Kernbereich eingestellt wird. Dabei darf zu keinem Zeitpunkt die Martensitstarttemperatur 6 unterschritten werden. Zudem muss die Oberflächentemperatur zum kritischen Zeitpunkt des Starts einer möglichen Bainitumwandlung oberhalb dieser Bainitstarttemperatur liegen. Im weiteren Verlauf der Intensivkühlung wird dem Schienenkopf eine beträchtliche Wärmemenge entzogen, so dass auf diese Weise permanent ein Temperaturausgleich zwischen dessen Oberflächen- und Kernbereich erfolgt.
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In der Intensivkühlphase wird ferner parallel zur gezielten Behandlung des Schienenkopfes auch die Temperaturführung im Steg und Fuß der Schiene gesteuert. In Abhängigkeit vom Temperaturgradienten zwischen Schienenkopf und den übrigen Profilteilen werden Steg und Fuß zur Verhinderung von Verzugserscheinungen differenziert gekühlt.
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Nachdem die Schiene die Intensivkühlstrecke verlassen hat, setzt sich der Wärmeausgleich zwischen Oberflächen- und Kernbereich des Schienenkopfes auf dem Kühlbett fort. Die Temperatur des Kernbereiches nimmt weiterhin ab und die Temperatur der nicht mehr gekühlten Oberfläche steigt aufgrund der abfließenden Wärme aus dem Kern wieder an.
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Die während der Intensivkühlung begonnene Gefügeumwandlung wird auf dem Kühlbett fortgesetzt. Die Abkühlkurve des Oberflächenbereiches bewegt sich weiterhin in der für isotherme Umwandlung geltenden Perlitbildungszone. Mit Erreichen des Kurvenverlaufs 5, der den Abschluss der Perlitumwandlung abbildet, ist im Oberflächenbereich des Schienenkopfes der Austenit vollständig zu Perlit umgewandelt. Fast zeitgleich tritt die Abkühlungskurve des Kernbereiches in das für kontinuierliche Abkühlung geltende Perlitumwandlungsgebiet ein und damit entsteht auch im Kernbereich des Schienenkopfes ein perlitisches Gefüge. Die Perlitbildung in der Kernzone erfolgt etwa in einem Umwandlungs-Temperaturbereich zwischen 590°C und 550°C.
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Da die Perlitbildung durch Diffusionsvorgänge beeinflusst wird, ist die Qualität des entstandenen Perlitgefüges von den jeweiligen Umwandlungstemperaturen abhängig. So bewirken sinkende Umwandlungstemperaturen abnehmende Diffusionswege, und sie führen somit in Verbindung mit vermehrter Keimbildung letztendlich zu einem Perlit mit kleineren Lamellenabständen.
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Im erfindungsgemäßen Abkühlprozess findet die Umwandlung von Austenit zu Perlit im Oberflächen- beziehungsweise Kernbereich des Schienenkopfes bei unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen statt. Der Umwandlungsvorgang im Oberflächenbereich erfolgt insgesamt in einem niedrigeren Temperaturband als die Umwandlung im Kernbereich. Durch die unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen wird zwischen diesen beiden Bereichen ein graduiertes feinperlitisches Gefüge eingestellt. Aufgrund der vorteilhafteren Umwandlungsbedingungen weist der Oberflächenbereich des Schienenkopfes vorwiegend feinst lamellaren Perlit auf, der in Richtung Kernbereich in ein Gefüge mit größerem Lamellenabstand übergeht.
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Die äußerst komplexe Aufgabe, den gesamten Kühlprozess so zu steuern, dass die Schiene die Intensivkühlstrecke mit den in Kopf, Steg und Fuß eingestellten gewünschten Eigenschaftsmerkmalen möglichst verzugsfrei verlässt, wird durch das in 2 schematisch dargestellte Steuerungssystem gelöst. Die wesentlichen Bestandteile des erfindungsgemäßen Steuerungssystems sind ein Online-Temperaturmodell und ein Online-Gefügemodell.
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Das FEM-basierte Online-Temperaturmodell berechnet die Schienentemperaturen für eine definierte Anzahl von Punkten über den Querschnitt sowie für eine festgelegte Anzahl an Querschnitten über die Schienenlänge während des gesamten Abkühlvorgangs.
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Aufgrund der Verteilung der Berechnungspunkte über Querschnitt und Länge der Schiene können sowohl die Temperaturverläufe in den Profilteilen Kopf, Steg und Fuß separat betrachtet als auch auftretende Längentemperaturgradienten verfolgt werden.
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Das Online-Gefügemodell berechnet die Gefügeentwicklungen in den einzelnen Querschnittsbereichen der Schiene für alle Abkühlphasen. Dabei werden insbesondere Gefügemengenverläufe für festgelegte kritische Punkte im Schienenkopfbereich bestimmt sowie Umwandlungswärme und Korngrößen berechnet.
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Temperatur- und Gefügemodell arbeiten im ständigen Daten-Informationsaustausch. So erhält das Temperaturmodell kontinuierlich Informationen über die Gefügeentwicklung im Kopfbereich der Schiene. Dabei werden vom Online-Gefügemodell kritische Umwandlungsdaten, beispielsweise Startzeit und Starttemperatur einer nicht gewünschten Perlit/Bainit Umwandlung, übermittelt und Informationen zur Umwandlungswärme geliefert.
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Die Arbeitsweise und das Leistungsvermögen des kompletten Modellsystems resultieren aus den drei funktionellen Ebenen des Systems.
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Die erste Ebene wird durch eine Werkstoff-Parameterdatenbank verkörpert. Sie versorgt das Modellsystem mit den notwendigen Kennwerten für wärmephysikalische und werkstofftechnische Berechnungen. Zudem werden in dieser Datenbank die Parameter sämtlicher relevanter Schienenwerkstoffe hinterlegt. Diese Werkstoffparameter können in die drei nachfolgend genannten Gruppen unterteilt werden:
- – Wärmephysikalische Kennwerte zur Temperatursimulation als Funktion der Temperatur (z. B. spezifische Wärme oder Dichte; Wärmeübergangszahlen als Funktion der Temperatur und des Kühlmediums).
- – Kennwerte zur Berechnung von Ver- und Entfestigungszuständen und von Korngrößen (dynamische und statische Rekristallisation, Kornwachstum).
- – Neuronale Netze zur Berechnung des Umwandlungsverhaltens und der Eigenschaften (Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit, Härte).
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In der zweiten Funktionsebene, auch Technologieebene genannt, werden die Zusammenhänge zwischen dem Walz- und Abkühlvorgang miteinander verknüpft. Hier werden die Walz- und Messdaten bereitgestellt und an das Temperaturmodell angekoppelt. Zudem stellt diese Funktionsebene alle Zeit-Temperatur-Umform-Beziehungen für die Gefügesimulation bereit. Ergebnisse aus der dritten Funktionsebene, der Gefügesimulation, werden hier aufbereitet und an den Prozessrechner für die Steuerung der einzelnen Kühlgruppen übergeben. Aus dieser Funktionsebene heraus erfolgt die Kommunikation mit dem Level II der Walzstraße und dem Level I der Intensivkühlstrecke.
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In der dritten Funktionsebene erfolgt die Gefügesimulation. In dieser Ebene wird das Umwandlungsverhalten während des gesamten Abkühlvorgangs simuliert. Darüber hinaus erfolgt hier die Berechnung der Umwandlungswärme und der Korngrößen. Aus dieser Ebene heraus werden Informationen über das Erreichen von Umwandlungszeitpunkten bzw. über -starttemperaturen an das Temperaturmodell übergeben.
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Beim Auslauf eines aktuell zu betrachtenden Schienenquerschnittes aus dem letzten Gerüst werden vom Walzprozess-Führungsrechner die jeweiligen Temperaturwerte für Kopf, Steg und Fuß der Schiene an die beiden Online-Modelle übergeben. Zusätzlich wird am Gerüstauslauf mittels Pyrometer eine Temperaturmessung an den drei Querschnittspositionen vorgenommen. Nach Abgleich und Verifikation der Temperaturdaten werden diese Werte als Starttemperaturen für Kopf, Steg und Fuß des jeweils aktuellen Schienenquerschnitts dem Temperaturmodell übergeben. Das Temperaturmodell besetzt mit diesen Startwerten eine interne Temperaturmatrix und startet die Temperaturberechnung für diesen Querschnitt über alle Phasen der Intensivkühlung.
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Während des gesamten Intensivkühlvorgangs steht das Temperaturmodell im ständigen Daten-Dialog mit dem Gefügemodell.
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Das Temperaturmodell überwacht beispielsweise die Einhaltung der Zielfunktion, die darin besteht, die Temperaturverläufe in den Querschnittsbereichen Kopf, Steg und Fuß möglichst dicht beieinander zu führen. Besonders in den Phasen der Umwandlungsvorgänge ist die Temperaturführung dieser drei Bereiche kritisch, weil es hier zu Volumenänderungen und in deren Folge zum Verzug der Schiene kommt. Zum Zeitpunkt der Gefügeumwandlung übermittelt das Gefügemodell Informationen über die entstandene Umwandlungswärme an das Temperaturmodell.
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Im Schienenkopf entsteht infolge der Intensivkühlung ein großer Temperaturgradient zwischen Oberflächen- und Kernbereich, weil die Oberfläche zu Beginn des Kühlvorgangs einer besonders intensiven Abkühlung ausgesetzt ist. Das Temperaturmodell überwacht den Verlauf des Temperaturgradienten und es erhält vom Gefügemodell ständig Informationen über die Gefügeentwicklung im Kopfbereich.
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Zudem bestimmt das Gefügemodell permanent die Gefügemengenverläufe für festgelegte kritische Punkte in diesem Bereich. Bei auftretenden Abweichungen gegenüber den Vorgaben, so z. B. bei einer zu niedrigen Oberflächentemperatur, die zu einem unerwünschten Bainitstart führen kann, werden über das Temperaturmodell Informationen zur Regelung der Kühlstrecke an den Prozessrechner übergeben. Mit dem erfindungsgemäßen Modellsystem können im Echtzeitbetrieb sowohl die Temperatur- als auch die Gefügeentwicklung überwacht und bei Bedarf korrigierend geregelt werden. Durch Kopplung der beiden Online-Modelle kann auf Änderungen der Randbedingungen während des vorausgegangenen Walzprozesses bzw. während der aktuellen Kühlbehandlung aktiv reagiert werden.
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Das vorgeschlagene Steuerungs- und Modellsystem gewährleistet, dass auch bei aktuellen technologischen Abweichungen im Walz- bzw. Abkühlprozess durch das Zusammenspiel von Temperatur- und Gefügemodell zeitnah Temperaturverläufe berechnet werden, die im Ergebnis der thermomechanischen Behandlung zur Einstellung eines vorgegebenen Zielgefüges und somit eines gewünschten Eigenschaftsprofils in der Schiene führen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abkühlkurve der Kopfoberfläche
- 2
- Abkühlkurve des Kernbereiches des Kopfes
- 3
- Perlitumwandlungsgebiet bei kontinuierlicher Abkühlung
- 4
- Beginn der Perlitumwandlung bei isothermer Umwandlung
- 5
- Abschluss der Perlitumwandlung bei isothermer Umwandlung
- 6
- Starttemperatur für Martensitbildung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2045341 A1 [0009]
- EP 1730317 B1 [0009]
- EP 2071044 A1 [0009]
- EP 1493831 A1 [0009]
- AT 505930 B1 [0010]
- AT 410549 B [0010]
- AT 409268 B [0010]
- WO 2010/089325 A1 [0010]
- EP 1900830 B1 [0011]
- AT 407057 B [0011]
- US 7217329 B2 [0011]
- AT 504706 A1 [0012]
