DE2424425A1

DE2424425A1 - Verfahren und vorrichtung zum haerten von stahlrohren

Info

Publication number: DE2424425A1
Application number: DE2424425A
Authority: DE
Inventors: Yoshihisa Fujii; Akio Fujiwara
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1973-05-21
Filing date: 1974-05-20
Publication date: 1975-01-09
Also published as: FR2230738B1; GB1468909A; FR2230738A1; US3937448A; JPS53724B2; IT1012683B; DE2424425B2; CA1020437A; JPS506511A

Description

Patentanwälte Dd'L-Ing ETeickmann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke D1PL.-ING. F. A. ¹WeICKMANn, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Case SUMlKIN-156
(H/ cm)

SUMITOMO METAL INDUSTRIES LIMITED Osaka, Japan

"Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Stahlrohren"

Priorität: 21. Mai 1973, Japan, Nr. 57585/48

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Stahlrohren durch Aufsprühen von Kühlwasser auf die Innen- und Außenfläche des Stahlrohres. Im Verfahren der Erfindung entsteht bereits nach kurzer Zeit und mit relativ ger-ingen Kühlwassermengen eine homogene Martensit-Kristallstruktur über die gesamte Dicke des Rohrs.

Das, Härten von Stahlrohren mit Kühlwasser erfolgt derzeit üblicherweise mit einem äußeren Kühlkopf, der auf der nach innen gewandten Oberfläche zahlreiche Wasserstrahldüsen aufweist,, und einem zylindrischen Innenkühlkopf mit zahl-

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reichen Wasserstrahldüsen auf der Außenfläche.· Das nach innen und außen gesprühte Kühlwasser trifft auf entsprechende Bereiche der Innen- und Außenfläche des Stahlrohrs, da das Kühlwasser gleichzeitig aus beiden Kühlköpfen auf das bewegte Stahlrohr sprüht.

Es ist bekannt, daß'beim gleichzeitigen Abschrecken der Innen- und Außenfläche eines Stahlrohrs im Vergleich zum alleinigen Abschrecken der Außenfläche die Kühlgeschwindigkeit höher liegt und ein verbesserter Härtungseffekt sowie eine stabilere Qualität des gehärteten Stahlrohres erzielt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine erhöhte Kühl- bzw. Här- -töHgsgeschwindigkeit und eine verbesserte Härtung erlauben.

Bekannte Härtungsvorrichtungen weisen innere und äußere Kühlköpfe mit zahlreichen Strahldüsen auf, aus denen das Kühlwasser im rechten Winkel versprüht wird. Diese Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie mehr Kühlwasser als notwendig erfordern. Ferner füllt ein großer Teil des aus dem Kühlwasser entwickelten Dampfes die nicht abgeschreckten Bereiche aus und verursacht so Schwankungen in der Oberflächenhärte. Es ist daher äußerst schwierig, eine homogene Härte über den gesamten Querschnitt des Stahlrohrs zu erzielen.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß, vorgeschlagen, die Wasserstrahldüsen des äußeren und inneren Kühlkopfes so anzuordnen, daß sie in der Bewegungsrichtung des Rohrs einen Winkel von 30±10 mit der Rohrachse bilden, die Strahldüsen des inneren Kühlkopfes so anzuordnen, daß sie im ersten Drittel des Kopfes in hoher Dichte und in den hinteren zweiDritteln des Kopfes in geringer Dichte vorhanden sind, den vorderen Teil des inneren Kühlkopfes mit einem konischen

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Körper zu versehen, der während des Abschreckens den Eintritt des Kühlwassers in den noch nicht abgeschreckten Bereich und dessen Zurückströmen unter dem Druck des in grossen Mengen entwickelten Dampfes verhindert, den inneren und äußeren Kühlkopf so anzuordnen, daß der erste Berührungspunkt des Innenkühlwassers mit der Innenfläche um 20 bis
150 mm hinter dem ersten Berührungspunkt des auf die Rohraußenfläche gesprühten Kühlwassers mit der Außenfläche liegt, und das Stahlrohr bei einer Temperatur wenig unterhalb des A-, -Umwandlungspunktes abzuschrecken.

Unter diesen Bedingungen gelingt eine wirksame Härtung der Rohrinnenfläche bereits mit äußerst geringen Kühlwassermengen.

Die Erfindung wird anhand, beispielhafter Ausführungsformen in den Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie
H-II in Fig. 1;

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch den äußeren und inneren Kühlkopf in Fig. 1; in

Fig. 4 ist der Neigungswinkel der Strahldüsen für das Kühlwasser dargestellt; in

Fig. 5 sind verschiedene Abschreckgeschwindigkeiten für Stahlrohre im erfindungsgemäßen
Verfahren und in bekannten Verfahren graphisch dargestellt, und in

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Fig. 6 ist die Härte über den Rohrquerschnitt wiedergegeben.

In Fig. 1 ist der äußere Kahlkopf 1 in einen Sockel 3 eingepaßt, der nahe einer nicht gezeigten Vorrichtung angeordnet ist, aus der das Stahlrohr 26 unter Drehung austritt. Der äußere Kühlkopf-weist in bestimmten Abständen Strahldüsen 4 für das Kühlwasser auf, die in einem Winkel α = 30±10° in Bewegungsrichtung des Rohrs gegen die Rohrachse geneigt sind (siehe Fig. 4). Das Kühlwasser wird deshalb in einem Winkel α aufgesprüht, um ein Zusammenwir ken mit dem inneren Kühlkopf zu erreichen und um ein Zurückfließen des Kühlwassers in den nicht-abgeschreckten Bereich zu verhindern. In Fig. 3 ist der innere Kühlkopf 2 mit einem konischen Körper 5 am vorderen Ende versehen, der ein Zurückströmen des Kühlwassers und ein Einströmen des beim Abschrecken entwickelten Dampfes in den nicht-abgeschreckten Teil verhindert. Die Strahldüsen 6 für das Kühlwasser sind so angeordnet, daß sie im ersten Drittel des Kopfes in hoher Dichte und in den hinteren zwei Dritteln des Kopfes in geringer Dichte vorhanden sind. Der Einstellwinkel der Strahldüsen ist so gewählt, daß diese um 30+10° nach hinten gegen die Rohrachse geneigt sind. Das Kühlwasser des inneren Kühlkopfs wird somit zuerst mit hoher Dichte und dann mit geringerer Dichte versprüht. Diese Unterteilung der versprühten Kühlwassermenge erfolgt aus folgendem Grund: Sowohl der innere als auch der äußere Kühlkopf sind nicht beweglich, während sich das Rohr nach hinten bewegt, um abgeschreckt zu werden. Während sich bei einem besonders kurzen Kopf keine Probleme ergeben, wird bei einiger Länge des Kopfes und bei Anordnung der Strahldüsen in bestimmten Abständen über den gesamten Kopf der zunächst abgeschreckte Teil wieder mit viel mehr Kühlwasser besprüht, als erforderlich wäre. Versprüht man dagegen das Kühlwasser zunächst in hoher Dichte und dann mit geringerer Dichte, so wird bei guter Abschreckwirkung die Kühlwassermenge verrin-

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gert. Der innere Kühlkopf 2 ist an einem langen Versorgungsrohr 7 befestigt. Das Versorgungsrohr ist in vertikaler Richtung drehbar über eine Welle 11 mit dem hinteren Ende eines beweglichen Gestells 10 verbunden, das im rechten Winkel zur Leitungsachse auf Schienen 9' verschiebbar ist und auf einem Schlitten 8 befestigt ist, der in Richtung der Leitungsachse bewegbar ist. An dem auf den Schienen 9 laufenden Schlitten 8 ist an der Vorderachse 16 und der Hinterachse 17 ein Seil 15 befestigt, das über zwei am Boden angeordnete Blöcke 13 und 14 läuft. Über einen vorwärts und rückwärts laufenden Motor 18, der einen Rollenblock antreibt, läßt sich der Schlitten in Richtung der Leitungsachse vorwärts und rückwärts bewegen. Hierdurch läßt sich die relative Lage des inneren Kühlkopfes 2 und des äußeren Kühlkopfes 1 mit hoher Präzision einstellen. Die Justierung kann natürlich auch auf andere Weise als über Rollenblöcke erfolgen. . Am vorderen Ende des beweglichen Gestells 10 ist eine senkrechte Platte 19 befestigt. Auf der Vorderfläche der Platte 19 ist eine auf den Schienen 22 senkrecht bewegliche Bodenplatte 23 befestigt, auf der ein Zylinder 21 zum öffnen und Schließen eines Greifers 20 für das yersorgungsrohr 7 angeordnet ist. Die Bodenplatte 23 wird durch einen am oberen Teil der senkrechten Platte 19 befestigten Zylinder 24 gehalten, mit dem sich das Versorgungsrohr 7 heben und senken läßt. Zum Einstellen der Versorgungsrohrhöhe befindet sich auf der Rückseite der senkrechten Platte 19 ein Zylinder 25. Ein Stab 28 des Zylinders 25 berührt an einem Ende die Außenfläche des Versorgungsrohrs 7, so daß sich dieses nicht nach oben bewegen kann. Während die Auf- und Abwärtsbewegungen des Stahlrohrs durch den Stab 28 und den Greifer 20 reguliert werden, dienen die Zylinder 24 und 25 zum Zentrieren des innneren Kühlkopfes 2 und zum Halten des Versorgungsrohrs 7 für eine gewisse Zeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft folgendermaßen ab: Zu-

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nächst wird das Versorgungsrohr 7 durch den Greiferbedienungszylinder 21, den Heb- und Senkzylinder 24 und den Höheneinstellzylinder 25 in einer bestimmten Höhe gehalten. Dann führt man den inneren Kühlkopf 2 mit Hilfe des Schlittenantriebsmotors 18 in den äußeren Kühlkopf 1 bis zu einer

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Stellung ein, bei'der erste Berührungspunkt des Kühlwasserstrahls mit der Innenfläche 20 bis 150 mm hinter dem ersten Berührungspunkt des Kühlwassers mit der Außenfläche liegt. Diese Stellung des inneren Kühlkopfs läßt sich leicht über den Außendurchmesser, die Dicke und die Zuführgeschwindigkeit des Stahlrohrs ermitteln. Das erhitzte Stahlrohr kommt aus dem Ofen und läuft durch den äußeren Kühlkopf 1 und über den inneren Kühlkopf 2. Beim Eintritt in die Abschreckzone muß das Stahlrohr die zur Umwandlung in die gewünschte kristallographische Struktur erforderliche Temperatur aufweisen, d.h. die Temperatur darf nicht unterhalb des A₃-Umwandlungs-Punktes liegen. Beim Eintritt des Stahlrohrs in die Abschreck- -zone wird zuerst das Kühlwasser aus dem äußeren Kühlkopf auf die Außenfläche gesprüht. Sobald die Innenflächentemperatur auf einen Wert gerade unterhalb des Ah-Umwandlungspunkts abgesenkt ist, wird auch Kühlwasser aus dem inneren Kühlkopf 2 versprüht. Die Zeitdifferenz zwischen dem Versprühen des Kühlwassers wird vorher experimentell in Einklang mit der Dicke, dem Außendurchmesser und der Zuführgeschwindigkeit des Stahlrohrs ermittelt. Sobald der Abschreckvorgang beginnt, öffnet man den Greifer 20 mit Hilfe des Zylinders 21, hebt die Grundplatte 23 und den Stab 28 mit Hilfe der Zylinder 24 bzw. 25 und löst die Halterung des Versorgungsrohrs Das Versorgungsrohr ist dann zwar frei, wird jedoch durch den Druck des aus dem Kopf gesprühten Kühlwassers und die nahe -der Düse angebrachten Rollen 27 im Zentrum des Stahlrohrs gehalten. Während des Abschreckens wird das Kühlwasser des inneren als auch des äußeren Kühlkopfes in einem Winkel von 30±10° zur Rohrachse nach hinten gesprüht. Im Rohrinnern verhindert der konische Körper 5 an der Spitze des Kühlkopfes 2 Jas Einströmen des Kühlwassers in den nicht-abgeschreck-

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ten Bereich unter dem Druck des entwickelten Dampfes. Es kommt daher zu keiner Temperaturänderung durch das rückströmende Kühlwasser und den Dampf, so daß eine stabilisierte Abschreckung gewährleistet ist.

Im Verfahren der Erfindung wird das Kühlwasser auf die Innenfläche zunächst in hoher Dichte und dann mit geringer Dichte versprüht. Hierdurch gelingt eine wirksame Abschrekkung unter Einsatz geringer Kühlwassermengen. Dies geht ' aus den Fig. 5 und 6 hervor. Fig. 5 zeigt beispielhafte Abschreckgeschwindigkeiten bei Stahlrohren. Es zeigt sich, daß die Abschreckung der Innen- und Außenflächen im erfindungsgemäßen Verfahren mehr als doppelt so schnell erfolgt als in bekannten Verfahren- Wie aus Fig, 6 hervorgeht, wird hierbei die Querschnittshärt'e eines dickwandigen Stahlrohrs, die vorher um HRC =14 schwankte, auf bis zu HRC = 2 verbessert. Somit erhält man ein Stahlrohr von gleichmäßig hoher Qualität.

Nachdem das Stahlrohr vollständig aus.dem Heizofen getreten ist und abgeschreckt wurde, wird der Schlitten mit Hilfe des Motors 18 wieder zurückgestellt, so daß der innere Kühlkopf aus dem Stahlrohr geführt werden kann. Hierauf wird der Greiferbedienungszylinder 21, der, um die Bewegung des Stahlrohrs nicht zu hindern, nach oben gezogen worden war, mit Hilfe des Zylinders 24 wieder abgesenkt. Hierauf greift man das Versorgungsrohr 7 am vorderen Ende mit dem Greifer 20 und bewegt in diesem Zustand das Gestell IO seitlich auf den Schienen 9', so daß der Innenkühlkopf 2 außerhalb der Rohrtransportstrecke gebracht wird. Das abgeschreckte Stahlrohr wird dann dem nächsten Bearbeitungsschritt zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ein wirksames Absehrekken mit geringen Kühlwassermengen. Wie aus den Fig.- 5 und 6 hervorgeht, werden ausgezeichnete Abschreckcharakteristiken erzielt'. Man erhält bis zur Rohrinnenfläche eine getemperte

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Martensit-Strukturj die hohe Antisulfid-Korrosionsbruchfestigkeit besitzt.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Härten von Stahlrohren durch Abschrekken der Rohrinnen- und -außenfläche mit Kühlwasser, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) Kühlwasser in Bewegungsrichtung des Rohrs in einem Winkel yon 30±10° zur Rohrachse auf die Außenfläche des Stahlrohrs sprüht, und

(b] Kühlwasser in Bewegungsrichtung des Rohrs in einem Winkel von 30±10° zur Rohrachse zunächst in hoher Dichte und dann in geringer Dichte auf die Innenfläche des Stahlrohrs sprüht.

2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß man die Abschreckung in a) bei einer Temperatur des Stahlrohrs oberhalb des A^-Umwandlungspunkts durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abschreckung inb) bei einer· Temperatur der Stahlrohrinnenfläche gerade unterhalb des A^-Umwandlungspunkts durchführt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem ersten Berührungspunkt des Kühlwasserstrahls mit der Stahlrohraußenfläche in Schritt (a) und dem ersten Berührungspunkt des Kühlwasserstrahls mit der Stahlrohrinnenfläche in Schritt (b) 20 bis 150 mm beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch \₃ dadurch gekennzeichnet,

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daß man das Eindringen von Wasser und Wasserdampf in den nicht-abgeschreckten Bereich des Stahlrohrs verhindert.

6. Vorrichtung zum Härten von Stahlrohren, gekennzeichnet durch einen äußeren Kühlkopf (1) mit Wasserstrahldüsen (4), die in Bewegungsrichtung des Stahlrohrs (26) in einem Winkel von 30±10° gegen die Stahlrohrachse eingestellt sind, und einen innerhalb des Stahlrohrs (26) geführten Kühlkopf (2) mit Wasserstrahldüsen (6), die in Bewegungsrichtung des Stahlrohrs (26) in einem Winkel von 30±10° gegen die Stahlrohrachse eingestellt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Bewegen eines am Kühlkopf (2) befestigten Versorgungsrohrs (7) und eine Vorrichtung zum Zentrieren und Halten des Kühlkopfes (2).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsvorrichtung aus einem Schlitten (8) zum Bewegen des Versorgungsrohrs (7) in Richtung der Stahlrohrachse und einem beweglichen Gestell (10) besteht, an dessen einem Ende das Versorgungsrohr (7) befestigt ist und das auf dem Schlitten (8) stehend in rechtem Winkel zur Stahlrohrachse beweglich ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (8) auf Schienen (9) steht, und an der Vorderachse (17) sowie der Hinterachse (16) ein Seil (Ι5) befestigt ist, das über zwei am Boden befestigte Scheibenblöcke (13, 14) läuft, von denen einer durch einen vorwärts- und rückwärtslaufenden Motor (18) angetrieben wird.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrier- und Haltevorrichtung aus einem Zylinder (21) zum Öffnen und Schließen eines Greifers (20) für das Versorgungsrohr (7) des Kühlkopfes (2), einem Zylinder (24) zum Heben .und Senken des Zylinders (21) und einem Zylinder (25) besteht, der die Höhe des Versorgungsrohrs (7) einstellt und mit

• Hilfe eines Stabs (28) dessen Aufwärtsbewegung verhindert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wasserstrahldüsen im vorderen Teil des Kühlkopfes (2) zu denen im hinteren Teil 1:2 beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkopf (2) am vorderen Ende einen konischen Körper (5) aufweist.

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