DE2105886A1

DE2105886A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abschreckhärten von Rohren

Info

Publication number: DE2105886A1
Application number: DE19712105886
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 4000 Düsseldorf?; Landgraf Helmut Dipl.-Phys. 4136 Rumein. M Förster
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1971-02-01
Filing date: 1971-02-01
Publication date: 1972-08-24
Also published as: IT946636B; GB1385243A; CA946269A; FR2124278A1; FR2124278B1

Description

M/La Fall 3161

Mannesmann Aktiengesellschaft, 4 Düsseldorf, Mannesmannufer 2

¹¹ Verfahren''zum Abschreckhärten von Rohren"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschreckhärten von Rohren aus Stahl, insbesondere von Rohren mit großen Durchmessern und entsprechender Wanddicke. Der Röhrenstahl enthält meistens nur einen kleinen Kohlenstoffgehalt und kaum Legierungsbestandteile, so daß eine hohe Abkühlgeschwindigkeit zum Abschreckhärten erforderlich ist.

Es ist bekannt, ein auf Austenitisierungstemperatur erwärmtes Rohr von innen und außen gleichzeitig abzukühlen. Das Abkühlen erfolgt entweder durch Eintauchen des Rohres in ein Wasserbad, oder indem das Rohr durch Strahlen von Abschreckmittel hindurchbewegt wird, wobei es um seine Längsachse gedreht wird. Das Abschrecken mit Wasserbrausen nur von außen läßt bei Wanddicken über etwa 10 mm nur eine mäßige, für die Härtung unzureichende¹· Abkühlgeschwindigkeit an der Rohrinnenoberfläche erwarten. Das Abschrecken mit Wasserbrausen von innen und außen mit senkrecht angeordneter Längsachse des Rohres ist umständlich in der Handhabung.

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Es ist deswegen auch schon vorgeschlagen worden, das auf Austenitisierungstemperatur erwärmte Rohr in horizontaler Lage durch außen und innen im Rohr angeordnete Abschreckbraüsen hindurch zu führen, wobei das Abschreckmittel zur Vermeidung einer Dampfschicht unter hohem Druck und in großer Menge aufgebracht werden soll. Um die erforderlichen Wassermengen durchzusetzen, sind die für dieses Verfahren benutzten Abschreckköpfe im Rohrinnern mehrreihig mit Düsenöffnungen besetzt.

Ein derartiges Verfahren zeigt in der Praxis einige Nachteile, die durch die in das Rohrinnere eingebrachte große Menge an Abschreckmittel verursacht werden. Der Vorlauf und der Ablauf des Abschreckmittels an der Sohle des Rohrquerschnittes bewirken einen unkontrollierten Abkühlungsbeginn und Verzug des Rohres in der Längsachse.

Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, diese Nachteile zu vermeiden. Dabei geht die Erfindung aus von dem bekannten Verfahren zum Abschreckhärten von Rohren durch Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur und nachfolgendes Abschrecken durch Aufbringen eines Abschreckmittels auf Außen- und Innenoberfläche des relativ zur Abschreckeinrichtung um seine Längsachse schraubenförmig bewegten Rohres und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckung des Rohres innen mit einer höchstens halb so großen Menge Abschreckmittel je Flächeneinheit erfolgt wie die Abschrekkung von außen (asymmetrische Abkühlung).

Die Abschreckung von außen wird auf die jeweilige Rohrabmessung und -qualität abgestimmt. Angenommen bei ungeliertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt bis etwa 0,25 % wird eine für ausreichend angesehene Härtung erreicht, wenn der Wärmeübergangskoeffizient beispielsweise mindestens 10.000 kcal/m h°C beträgt. Wird erfindungsgemäss dabei für die Abschreckung von innen ein Wärmeübergangskoeffizient von beispielsweise 2.000 kcal/m h°G angestrebt, so ist dafür eine so kleine Menge an Abschreckmittel erforderlich, daß diese ganz oder zum größten Teil sofort verdampft und

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im übrigen ohne unerwünschte Nebenwirkungen aus dem Rohr abgeführt werden kann. Untersuchungen haben gezeigt, daß gegenüber der Abschreckung mit gleichgroßen Mengen von innen und außen (symmetrische Kühlung) dabei eine Verschiebung des am langsamsten abgekühlten Durchmessers in der Rohrwand zum Rohrinnern hin stattfindet. Dagegen ist die Zeit bis zum Erreichen der kritischen Temperatur unter 500 C auch dieses am langsamsten abgekühlten Durchmessers bei asymmetrischer Kühlung nur geringfügig verlängert, wovon man sich auch theoretisch unter Beachtung des kleinen Temperaturgradienten in der Wandmitte überzeugen kann«,

Der Verschiebung des am langsamsten abkühlenden Durchmessers kann erfindungsgemäß durch zeitlich nacheinander beginnende Abkühlung von inr>?n und außen entgegengewirkt oder Vorschub geleistet werden. Beginnt die Abschreckung von außen vor der von innen, kommt es in dem besonders wichtigen Temperaturbereich um 750⁰C in den oberflächennahen Schichten der Innenwand zu Verbesserungen der Abkühlgeschwindigkeit und zu Druckspannungen an der Rohrinnenoberfläche, womit zusätzlich Innenfehler vermeidbar sind.

Wegen der kleine¹} auf die Rohrinnenoberfläche aufzugebenden Menge an Abschreckmittel (Wasser) wird es möglich, neben der einfachen Verdüsung des Abschreckmittels dieses auch zu kleinen Tropfen verdüst mittels eines Trägermediums (Luft) aus Zweistoffdüsen mit hoher Geschwindigkeit und ggf. in ungleich großen Mengen auf dem Rohrumfang aufzubringen. Dabei soll vornehmlich im Bereich der Sohle des Rohrquerschnittes die Menge an Abschreckmittel kleiner als im Bereich des Scheitels sein.

Zur Unterstützung der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird außerdem vorgeschlagen, daß das Rohr während seiner axialen Verschiebung um einen Rohrdurchmesser mindestens einmal um seine Längsachse gedreht und im Rohrinnern im Bereich des Abschreckkopfes eine im wesentlichen axiale Luftströmung zum abgeschreckten Rohrende hin zu erzeugen. Hierdurch werden die Einflüße des sich auf der Sohle des Rohrquerschnittes sammelnden Restes des Abschreckmittels

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vergleichmäßigt, dessen Vorlauf verhindert und der Ablauf begünstigt.

Eine Vorrichtung zum Abschrecken eines auf Austenisierungstemperatur erwärmten Rohres, insbesondere eines Großrohres an der Innenoberfläche durch ein flüssiges Abschreckmittel, die aus einem in das Rohr eingeführten, in dessen abgeschreckten Teil geführten und den Rohrquerschnitt weitgehend ausfüllenden Abschreckkopf und Mitteln zur Fortbewegung und Drehung des Rohres besteht, gehört ebenfalls zum Gegenstand der Erfindung» Am Abschreckkopf sind Düsen ringförmig angeordnet, deren Strahlrichtungen von der radialen Richtung in die Durchlaufrichtung des Rohres geneigt sind.

Gekennzeichnet ist die Vorrichtung dadurch, daß Unterstützungen des Abschreckkopfes vorhanden sJnd, die nachgiebig oder entfernbar sind und beispielsweise vom Rohr verdrängt werden. Außerdem sind am Abschreckkopf auf der Zulaufseite des Rohres Mittel angeordnet, die mit dem Rohr einen engen Ringspalt bilden, in dem es zu einer im wesentlichen axialen Luftströmung kommt oder in dem eine solche erzeugt wird.

Durch diese Merkmale gelingt es von Anfang an, also auch bevor die Führung des Abschreckkopfes im abgeschreckten Rohr wirksam ist, gleichen Düsenabstand und gleichweiten Ringspalt rund*um im Rohr und damit eine gleichmäßige Abschreckung zu erzielen. Dies ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn die Vorrichtung verfahrensgemäß mit relativ kleinen Kühlmittelmengen betrieben wird. Überdies werden ganz allgemein die oben genannten Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermieden und das Abschrekken von Rohren von innen und außen in horizontaler Lage technisch möglich.

Die Ausbildung des den Ringspalt bildenden Mittels am Abschreckkopf kann dabei verschiedenartig Fein, wofür die speziellen Ausführungsformen Beispiele sind. Wesentlich ist, daß ein enger

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gleichmäßiger Ringspalt entsteht-, in dem mit geringem Aufwand eine axiale Luftströmung zum abgeschreckten Teil des Rohres hin entweder sich durch die Anordnung der Düsen ergibt oder durch Zufuhr von Druckluft erzeugt wird.

Für die Anwendung von Druckluft wird das den Ringraum bildende Mittel zweckmäßigerweise nicht ein zylindrischer Teil sein, sondern so ausgebildet sein, daß sich eine bessere Sperrwirkung zum warmen Teil des Rohres ergibt. Bei den vorgeschlagenen Formen des Innenkopfes genügt es in der Regel eine oder mehrere Druckluftöffnungen im Bereich der Sohle des Querschnittes in dem den Ringspalt bildenden Mittel anzuordnen und mit kleinsten Luftmengen zu betreiben. Eine derartige Vorrichtung verhindert auch das Vorlaufen von Abschreckmittel, wenn große Mengen Abschreckmittel, die nicht auf die Menge zur Abschreckung von außen abgestimmt sind, verwendet werden. Für diese Vorrichtung wird deshalb ein selbstständiger Patentschutz begehrt.

An dem Abschreckkopf kann auf der Zulaufseite des Rohres ggf. in Verbindung mit dem Mittel zur Bildung des Ringspaltes ein Stützarm befestigt sein, der das abzuschreckende Rohr im Scheitelbereich unterstützt. Der Stützarm kann in Arbeitsstellung bis an oder in die Brwärmungszone hineinreichen und mit einer oder mehreren Rollen besetzt sein. Diese Ausbildung kann bei dünnwandigen, wenig formstabilen Rohren erforderlich sein, da sich bei diesen ungleiche Düsenabstände von der Rohrinnenwand und Ungleichmäßigkeiten des Ringraumes besonders nachteilig auswirken.

Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 3*erläutert, die folgendes darstellen:

Fig. 1 Temperaturverlauf über der Wanddicke bei gleichzeitig beginnender asymmetrischer Abkühlung von innen und außen

Fig. 2 Temperaturverteilung über der Wanddicke bei um 5 see später beginnender Abkühlung von innen gegenüber der von. außen

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Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des Abschreckkopfes im Längsschnitt.

In dem Diagramm in Figur 1 ist über der Wanddicke die Temperatur aufgetragen und zwar für die als Parameter angegebene Zeit, die . von dem Zeitpunkt der innen und außen gleichzeitig beginnenden Abkühlung an gezählt ist. Für die Abkühlung ist außen ein 10-fach größerer Wärmeübergangskoeffizient als für innen zugrundegelegt. Man erkennt die Verschiebung des am langsamsten abkühlenden Durchmessers aus der Mitte der Wanddicke zur Innenwand hin.

In dem Diagramm in Figur 2 ist unter denselben Bedingungen ebenso aufgetragen die Temperaturverteilung in der Wand, wenn die Abkühlung des Rohres von innen 5 see nach der von außen beginnt. Der Zeitparajfrneter im Diagramm läuft vom Beginn der Abschreckung von außen. Die Temperaturverteilung in der inneren·Hälfte der Wanddicke ist sehr gleichmäßig, ohne daß sich die Abkühlung an irgendeiner Stelle im Vergleich zur gleichzeitig beginnenden Abkühlung wesentlich verlangsamt.

Figur 3 zeigt die Vorrichtung zum Abschreckhärten von Rohren in Arbeitsstellung. Sie besteht aus einem Ofen 1 zum Erwärmen der Rohre 2 auf Austenitisierungstemperatur. Das Rohr wird in Pfeilrichtung 3 durch und über die Abschreckvorrichtung geschoben. Das Abschrecken von außen bewirkt ein das Rohr 2 umfassender Düsenring 4. Innerhalb des Rohres befindet sich zusätzlich ein Abschreckkopf 5, der an einem Halterohr 6 befestigt ist. Das Halterohr seinerseits ist in einem ggf. verfahrbaren Widerlager 7 gefesselt und kann überdies von den Stützrollen 8 gehalten werden. Die Stützrollen 8 sind ausschwenkbar und werden zurückgezogen, sobald das Rohr 2 diese erreicht. Das Halterohr 6 trägt außerdem Führungsmittel 9 mit Rollen, die das Rohr zum Abschreckkopf ausrichten. Die Führungsmittel 9 mit Rollen können mehrfach auf der Länge des Halterohres fest angeordnet sein und sich ebenfalls auf ausschwenkbare Lager 10 abstützen.

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Am vorderen, freien Ende trägt das Halterohr 6 den Abschreckkopf 5, der aus einem Düsenring 11 mit einer Zuführung 19 des Abschreckmittels durch das Halterohr 6, dem Mittel 12 zur Bildung eines Ringraumes im Düsenbereich und dem Stützarm 13 mit den Rollen 14, 15 im Scheitel des Rohres 2 lieht. Der Durchmesser des Düsenringes 11 und seine äußere Kontur sind auf die von dem Mittel freigelassenen Ringspalte so abgestimmt»' daß in dem Ringraum 16 eine in Richtung des Pfeiles 3 gerichtete Luftströmung entsteht« Ii -praktischen Ausführungen ist es gelungen ohne weitere Hilfsmittel in dem Ringraum 16 vor den Düsen einen ausreichenden Unterdruck von einigen mm Wassersäule zu erzeugen.

Die Luftströmung im Ringraum 16 kann auch durch eine in diesen mündende Öffnung 17 oder mehrere Öffnungen im Bereich der Rohrsohle durch dort angeblasene Druckluft unterstützt oder erzeugt werden. Die Zufuhr der Druckluft erfolgt durch die Zuleitung 18 im Halterohr 6.

Die Figur 3 zeigt die Vorrichtung in Arbeitsstellung, wenn von innen mit geringerer Kühlintensität als von außen gearbeitet wird und das Abschrecken von innen erst nach der Abschreckung von außen beginnt und die auf der Stützfläche 10 aufliegende Stützrolle 9 unmittelbar von dem durch das abgeschreckte Rohr betätigten Ausschwenken te steht. Die Mittel, das Rohr in axialer Richtung zu bewegen und um sein Längsachse zu drehen, sind nicht dargestellt.

- Patentansprüche - 8 -

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Claims

Fall 3161 - M/Zi Patentansprüche;

1. Verfahren zum Abschreckhärten von Rohren durch Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur und nachfolgendes Abschrecken durch Aufbringen eines Abschreckmittels auf die Außen- und Innenoberfläche des relativ zur Abschreckeinrichtung um seine Längsachse schraubenförmig bewegten Rohres, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckung des Rohres innen mit einer höchstens halb so großen Menge an Abschreckmittel je Flächeneinheit erfolgt, wie die Abschreckung von außen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken von der Innen- und Außenoberfläche her zeitlich nacheinander beginnt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken von der Außenoberfläche zuerst beginnt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschreckmittel tropfenförmig auf die Innenoberfläche aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit feststehender Abschreckeinrichtung gearbeitet wird und die innen aufgebrachte Menge an Abschreckmittel auf dem Rohrumfang ungleichmäßig, insbesondere an der Rohrsohle kleiner ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr während seiner Axialverschiebung um einen Rohrdurchmesser mindestens einmal um seine Längsachse gedreht und im Rohrinnern im Bereich des Abschreckkopfes ein im wesentlichen axialer Luftstrom zum abgeschreckten Ende des Rohres hin erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Luftstrom durch die Strömung des Abschreckmittels selbst erzeugt wird.

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8. Vorrichtung zum Abschrecken eines auf Austenitisierungstemperatur erhitzten Rohres, insbesondere Großrohres an der Innenoberfläche durch ein flüssiges Abschreckmittel bestehend aus einem in das Rohr eingeführten und in dessen abgeschrecktem Teil geführten Abschreckkopf, an dem Düsen, deren Strahlrichtungen von der radialen Richtung in die Durchlaufrichtung des Rohres geneigt sind, ringförmig angeordnet sind und aus Mitteln zur Fortbewegung und Drehung des Rohres, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nachgiebige oder entfernbare Unterstützungen (8, 10) vorgesehen und während des Anfahrens zur Führung des Abschreckkopfes wirksam sind und daß am Abschreckkopf (5) im Bereich der Düse Mittel (12) vorhanden sind, die den freien Rohrquerschnitt auf einen engen Ringraum .begrenzen.

9. Vorrichtung nach Anspruch B, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Zulaufsei te des Rohres am Abschreckkopf vorgesehene Mittel (12) ein starres, dem Durchmesser des abzuschreckenden Rohres angepaßtes zylindrisches Teil ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Zulaufseite des Rohres am Abschreckkopf vorgesehene Mittel (12) aus an diesem beweglich befestigten, ringförmig angeordneten Blechstreifen besteht, die spreizbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Zulaufseite des Rohres am Abschreckkopf vorgesehene Mit te L (12) aus mehreren mit: Abstand zueinander und senkrecht zur Rohrachse angeordneten Blechstreifen besteht.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise im Sohlenbereich des Ringspaltes Öffnungen (17) für das Einlassen von Luft vorhanden sind.

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13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Abschreckkopf (5) auf der Zulaufseite des Rohres ein das abzuschreckende Rohr im Scheitelbereich angreifender Stützann (15) befestigt ist, der bis an oder in die Erwärmungszone hineinreicht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß daß der Stützarm (13) ein Teil des den Ringraum bildenden Mittels (12) ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützarm (13) mit einer oder mehreren Rollen (14, 15) besetzt ist.

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