DE2205694A1

DE2205694A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Flachmaterial sowie Stützwalze hierfür

Info

Publication number: DE2205694A1
Application number: DE19722205694D
Authority: DE
Inventors: Roland Bliss Pittsburgh Pa. Snow (V.StA.)
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1971-02-08
Filing date: 1972-02-07
Publication date: 1972-08-24
Also published as: RO59208A; FR2124525A1; JPS5551007B1; DE2205694C2; YU28672A; CA959386A; FR2124525B1; GB1389852A; IT949029B; YU41417B

Description

Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Flachmaterial sowie Stützwalze hierfür

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Hochtemperaturbehandlung von metallischem Flach- bzw. Streifenmaterial, beispielsweise aus Siliziumstahl, sowie auf eine Stützwalze hierfür zur Verwendung bei hohen Temperaturen, mit einem Walzenkörper.

Die Erfindung eignet sich allgemein für die die Wärmebehandlung von metallischem Flach- oder Streifenmaterial bei verhältnismäßig hohen Temperaturen in Wärmebehandlungsöfcn, in welchen' das Streifenmaterial über Stützrollen laufb.

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In Durchlauf-Glühöfen für Flachmaterial hat man bisher Förderrollen bzw. Förderwalzen verwendet, an denen sich aus dem Streifen Material anlagerte, so daß der anschließend über bzw. um die Walzen herumgeführte Streifen Eindrücke erhielt bzw. in anderer Weise beschädigt wurde. Diesen Schwiesigkeiten kam besonders Bedeutung bei der Wärmebehandlung von Siliziumstählen und anderen Stählen zu, die eine verhältnismäßig hohe Glühtemperatur, beispielsweise im Bereich von über etwa 55O⁰C bis über etwa 87O⁰C₁ erforderlich machen. Derartige Anlagerungen ergeben sich aus einem komplizierten Vorgang, der außerdem beeinflußt wird durch die Dehnung des um die Rollen herumgeführten Streifens bzw. Blechs, durch dessen chemische Zusammensetzung sowie durch die Zusammensetzung und die Temperatur der Ofenatmosphäre und schließlich durch die Eigenschaften der Walzenoberfläche. Gerade der letztgenannte Faktor hat für die Erfindung besondere Bedeutung.

An Ofen-Förderelementen hat man bereits feuerbeständige bzw. hitzbeständige Einsätze, beispielsweise Siliziumkarbid, verwendet, an denen sich das durch den Ofen laufende Flach- bzw. Streifenmaterial abstützte. Derartige Elemente sind in der US-Patentschrift 1 951 766 beschrieben. Zwar bildet sich an Siliziumkarbid-Einsätzen keine Oxidschicht, so daß damit, ausgestattete Walzen beim Glühen von Flachmaterial zufriedenstellende Leistungen brachten. Bei Verwendung in Durchlauf-Glühöfen für Streifenmaterial, in denen sich dieses unter Dehnung um die Walzen wickelt, und insbesondere beim Glühen von Flachmaterial aus Siliziumstahl traten jedoch Anlagerungen an den Siliziumkarbid-Einsätzen auf. Außerdem war die Bereitstellung und Anbringung der feuerfesten Einsätze arbeite- und kostenmäßig sehr aufwendig. Zur Verhütung von Anlagerungen an den Lagerflächen für das Streifenmaterial beim Glühen unter hoher Temperatur hat man auch vorgeschlagen,' eine Walze mit einem wegnehmbaren Mantel aus Kohlenstoff zu versehen. Dan in der US-Patentschrift 2 603 578 angegebene Verfahren zur

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Wärmebehandlung von Siliziumstahl bediente sich entweder mit Graphit oder mit amorpher Kohle beschichteter Walzen. Die mit solchen Walzen erzielten Ergebnisse waren jedoch nicht für alle Atmosphären und auch nicht bei höherer Dehnungs- - >· bzw. Zugbeanspruchung des Flach- oder Streifenmaterials zufriedenstellend.

In der US-Patentschrift 2 778 872 ist vorgesehen, Walzenmantel zu verwenden, die im wesentlichen aus zusammengebackenen Graphitteilchen und einem Bindemittel bestehen. Obgleich derartige Kohelnstoff-Walzenmäntel mit mäßigem Erfolg eingesetzt wurden, ergaben sich Schwierigkeiten durch die ungleichmäßige Oxydation des Kohlenstoffmantels. An der Walze entstanden nämlich "harte Stellen", die an dem anschließend über die Walze geführten Streifenmaterial Vertiefungen verursachten, so daß die Walzen ausgebaut und die Walzenmäntel nachgearbeitet werden mußten. Ein weiterer Nachteil bestand bei diesen mit Kohlenstoffmäntein ausgerüsteten Walzen darin, daß die Walzen nicht ohne vorherige Abkühlung aus dem Ofen entnommen werden konnten, denn wenn die Walzen bei hohen Temperaturen ausgebaut wurden, so verbrannten die Mäntel an der Luft.

"ZT-^s ist daher ein wichtiges Ziel der Erfindung, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik die einfache und ^irtschaftlicbä Wärmebehandlung von metallischem Flach- oder Streifenmaterial zu ermöglichen, ohne es schädlichen Einflüssen auszusetzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß das Streifenmaterial während der Wärmebehandlung an einer Fläche abgestützt wird, die aus einem Werkstoff besteht, der Sinter-Qtfarzglas bzw. Siliziumdioxid und/oder Schamotte-Sintergranulat enthält, vorzugsweise Sintern-Quax'zglas mit einem Anteil von bis zu 20% an Schamotte, CaO, MgO, ZrSiO^ und/oder Cr₂O,..

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Eine Walze bzw. Stützrolle zur Verwendung bei hohen Temperaturen ist nach der Erfindung so ausgebildet, daß der Walzenkörper von einem porösen Mantel umschlossen ist, der aus Sinter-Quarzglas und/oder Schamotte-Sintergranulat besteht, vorzugsweise aus Sinter-Quarzglas mit einem Anteil bis zu 20% an Schamotte, CaO, MgO, Al₃O,, ZrSiO^ und/oder Cr₂O₅.

Die Stützfläche für die Hochtemperaturbehandlung nach der Erfindung hat mithin einen metallischen Walzenkörper und einen Walzenmantel aus einem nichtoxydierenden Werkstoff, nämlich beispielsweise aus gesintertem Quarzglas-Grus, aus Quarzglas-Teilchen im Gemisch mit Teilchen anderer, mit kolloidalem Quarz bzw. Zement versinterten Oxiden bzw. aus Schamotte-Sintergranulaten. Der so erzeugte Mantel erfährt bei Temperaturänderungen ein Geringstmaß an Ausdehnung bzwi- Zusammenziehung, so daß die damit ausgestalteten Wärmeöfen-Förderrollen bzw. -Förderwalzen sich zum Abstützen von metallischen Flach- bzw. Streifenmaterial in Durchlauf-, beispielsweise Glühofen, eignen, in denen das Material auf verhältnismäßig hohe Temperatur gebracht wird, ohne daß es schädliche Einflüssen unterworfen ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht der den Walzenkörper aus Metall umschließende Walzenmantel aus einem nichtoxydierenden Material, das aus Quarzglas-Grus hergestellt ist, dem zwischen 0,5 und 20,0% mit kolloidalem Quarz und/oder Zement bzw. anderen kalthärtenden Bindemitteln versinterte Oxide zugemischt sind.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung' ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungcbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

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Pig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Walze nach der Erfindung und

Fig. 2 eine Stirnansicht der Walze nach Fig. 1

In der Zeichnung ist mit 2 die Gesamtheit einer Walze in erfindungsgemäßer Ausbildung bezeichnet. Die Walze 2 besitzt einen hohlen, tonnenförmigen Walzenkörper 8 aus Metall, der von einem porösen Keramikmantel fest umschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Keramikmantel im wesentlichen aus feinverteilten bzw. kleingemahlenen SiOp-Glasteilchen, die mit kolloidalem Siliziumdioxid vermischt und zu einem Walzenmantel geformt und gebrannt werden, vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 980 ° C, so daß sich ein Mantel aus Sintern-Quarzglas ergibt, der gegen Metallabrieb von dem über den Walzenmantel geführten Streifen widerstandsfähig ist. Der Sintermantel 6 bildet den Teil der Walze, der am Werkstück angreift und mit*seiner äußeren Zylinderfläche 40 durch den Ofen laufendes metallisches Flach- bzw. Streifenmaterial abstützt·

Vorzugsweise ist der Mantel 6 durch Formgießen aus Quarzglas-Grus mit einem kolloidalen Siliziumdioxid, baw. einem Zementbindemittel und nachfolgendes Brennen hergestellt, so daß eine Sinterbindung guter Haltbarkeit entsteht. Zur Darstellung des Gruses werden Quarzteilen (SiO₂) zu Glas verschmolzen, das anschließend abgeschreckt und pulverisiert. Das Glaspulver wird dann mit einem kolloidalen Quarz bzw. Siliziumdioxid und/ oder einem Zementbindemittel in Form und Größe dem Mantel 6 entsprechend vergossen und sodann gesintert. Es ergibt sich ein poröser Mantel von guter Festigkeit, der ausgezeichnete Temperaturwechselbestandigkeit hat und ohne Schaden zu nehmen in einen heißen Ofen eingesetzt bzw. aus diesem ausgebaut werden kann."

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Ein aus Siliziumdioxid hergestellter Mantel 6 zeigt gegenüber herkömmlichen Siliziumstahl-Einsätzen bzw. Kohlenstoffbeschicli— tungen bzw. Kohlenstoff-Mänteln eine geringe Wärmeleitfähigkeit, d.h. der aus Quarzglas hergestellte Mantel 6 nach der Erfindung überträgt auf den Walzenkörper weniger Wärme, was zu erhöhter Betriebszuverlässigkeit bzw. Stabilität des Walzen-' aufbaues beiträgt. Quarzglas-Grus ist verhältnismäßig billig und bringt daher beträchtliche Kosteneinsparungen. Der daraus hergestellte Mantel 6 muß außerdem nicht regelmäßig aus dem Ofen zur Instandsetzung unter Aufbringen einer Mantelkrone ausge-

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baut werden. Ferner rekristallisiert bzw. entglast-die Oberfläche eines ^^g^as-l/älzenkÖEper-Mantels 6 bei Temperaturen im Bereich von etwa 980 ⁰C, so daß Walzenmantel aus diesem Werkstoff auch in Wärmebehandlungsöfen senkrechter Bauart verwendbar sind, wie sie Pig. 1 der US-Patentschrift 2 603 darstellt.

Das gesinterte Quarzglas-Material des Mantels "6 -hat eine Füll- bzw. Schüttdichte von etwa 1760 bis 1920 kg/m^,\was praktisch einen Maximalwert für aus Keramikschlicker bzw. gießfähigen Aufschlammungen hergestelltes Material darstellt. Pie geringe Wärmeleitfähigkeit dieses Materials von etwa 0,670 kcal/m h grd bringt Einsparungen in der Be-Jtißizung des Ofens, da weniger Wärme auf den Stahlkern der Walze übertragen wird. Mit einer Veränderung des Füll- bzw. Schüttdichte des befestigten Walzenmantels ändert sich auch dieser Wert. Das Sinter-Quarzglasmaterial hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, nämlich rund 0,3.10 bei einer Temperaturänderung im Bereich von etwa -17>5°C bis 980 ⁰C (entsprechend 0 bis 1800 ⁰F). Dadurch ist es möglich, heiße Walzen ohne Gefahr von Rissebildung am Keramikmantel auszutauschen. Selbst wenn metallische Zubrände bzw. Anlagerungen auftreten, so lösen sich diese von dem Mantel 6 infolge ihrer gegenüber dem Sinter-Quarzglas größeren Zusammenziehung bei der

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Abkühlung auf Raumtemperatur bzw. bei Temperaturveränderungen während der Ofenbehandlung. Alle derartigen metallischen Anlagerungen zeigen die Form von überwiegend länglichen Verkrustungen, die etwa 1,6 bis 12,7 rom messen. Diese Zubrände/" bilden jedoch keine den Mantel umschließende durchgehende Schicht. Der Wärmeausdehnungskoeffizient liegt vorzugsweise bei etwa O,3·10 bzw. darunter, kann jedoch auch bis zu 0,5·10" betragen.

Das Nacharbeiten der Oberfläche an aus gesintertem Siliziumdioxid hergestellten Walzenmänteln nach der Erfindung isb einfacher als bei aus anderen Materialien hergestellten Mänteln. Sollten am Mantel metallische Verkrustungen bzw. Eisen- · oxid-Anlagerungen vorhanden sein, die sich beim Abkühlen nicht von allein lösen, so ist der Mantel aus Sinter-Quarzglas in einfacher Weise nachschleifbar. In vielen Fällen reicht es schon aus, derartige Matall-Anlagerungen, falls vorhanden, mit feinkörnigem Sandpapier zu entfernen.

Unter normalen Betriebsbedingungen undohne Abkühlung des Ofens wurden metallische Anlagerungen' bei Temperaturen zwischen etwa 1030 und 1070 ⁰C in einer Atmosphäre mit hohem Wasser- *·■ dampfanteil durch zur Verflüssigung der Masse führende chemische Reaktion des Siliziumdioxids der Walze mit dem durch die Oxydation des Eisens in der Anlagerung gebildeten FeO entfernt. Die sich ergebende Flüssigkeit ist verhältnismäßig dünnflüssig; das flüssige Oxid verläuft über die Oberfläche während der Drehung der Walze, so daß das Oxid selbst in die Poren zwischen den Sinter-Quarzteilchen eindringen kann. Bei anderen für Walzenmäntel verwendeten Oxidkeramiken, beispielsweise bei reinem Aluminiumoxid (Al^O,), ergäbe sich ein festes Eijsenoxid-Reaktionsprodukt und die Anlagerung würde _f größer werden. Jedoch kann eine geringe Merge AIpO₇ in den Poren des Mantels bzw. des Walzenkörpers das Abstoßen dieser

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Anlagerungen unterstützen, da begrenzte Mengen Al^O, den Übergang der Reaktion zwischen PeO und Siliziumoxid in die flüssige Phase schon bei niedrigen Temperaturen bewirken.

Dem Quarzglas können Teilchen anderer Oxide, beispielsweise von Schamotte, CaO, MgO, AIpO,, ZrSiO^ und/oder Cr₂O, in Anteilen zwischen 0,5 und 20% zugesetzt werden, ohne daß dadurch eine größere Beeinflussung der günstigen Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit bzw. Temperaturwechselheständigkeit des aus ähnlichen Sinterquarz hergestellten Mantels einträte.. Jedes dieser Oxide bzw. jede Kombination daraus kann infolge der Auswirkung auf die thermischen Eigenschaften des fertigen Körpers nur in beschränktem Maße verwendet werden. Ton, z.B. in Form von calciniertem Kaolin (AlpSipO,-,), kann in größten Mengen zugesetzt werden.

Es ist auch möglich, die chemischen Eigenschaften 'der WaI-zenobeifläche durch teilweises bzw. vollständiges Imprägnieren der Oberflächenporen des Quarzglas-Mantels mit einem Material zu verändern, das bei Erhitzen zerfällt und chemische Verunreinigungen in den Porenlöchern niederschlägt. Nach dem Erhitzen auf etwa 420 ?C wird z.B. in die Poren eindringepde Chromsäure HpCrO^ in CrpO, umgewandelt. Andere chemische Stoffe, wie z.B. Aluminiumchlorid, sind zur Veränderung der chemischen Beschaffenheit der Walzenoberfläche verwendbar, ohne daß die allgemeinen Eigenschaften der Sinter-Quarzglas-Teilchen im Walzenmantel dadurch beeinflußt würden.

Bei Bedarf ist zum Formen des Mantels 6 eine abgewandelte Zusammensetzung verwendbar, beispielsweise mit Zement bzw. anderen kalthärtenden Bindemitteln versintertes Schamottegranulat.

Der Walzenkörper 8 weist zwei kegelige V/ellenenden· 10 auf. An jedem Ende des Walzenkörpers 8 ist ein dieses umschließender Mitnehmerring 12 sowie eine Abschlußplatte 14 angeordnet.

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Jedes Wellenende 10 ist mit Isoliermaterial 16 gefüllt. Der Walzenkörper 8, die Wellenenden 10, die Mitnohmerringe 12 und die Abschlußplatten 14 sind zweckmäßig aus einer beliebigen, eisenhaltigen oder eisenfrei, hpchtemperatuffbeständigen Legierung hergestellt, wie sie gewöhnlich für Ofen-För&erelemente Verwendung findet.

Am Walzenkörper 8 dienen als Auflage bzw. Abstützung für den Mantel 6 im axialen Abstand voneinander angeordnete, aus dem Umfang heraustretende Vorsprünge bzw. Stege .18. Für den Walzenkörper 8 ist keine Belüftung erforderlich, da durch das zur Herstellung des Mantels 6 Sintern des .Quarz-Gruses oder des Gemische aus Quarzglas-Grus und anderen Oxiden bzw. des Schamottegranulats der Mantel 6 eine ausreichende 'Porosität erhält. Die Wellenden 10 weisen innerhalb des Endbereichs des Walzenkörper 8 zylindrische Abschnitte 22, kegelige Abschnitte 24 sowie zylindrische Endabschnitte 26 und 28 von verhältnismäßig großem bzw. kleinem Durchmesser auf. Die V/alze 2 kann in herkömmlicher Weise drehbar in einem Wärmebehandlungsofen angeordnet werden.

Es ist zweckmäßig, die Endstücke des Walzenkörpers 8 mittels Schweißverbindungen 30 und die Abschlußplatten 14 mittels · Schweißverbindungen 32 an die Wellenenden 10 anzuschließen. Die Mitnehmerringe 12 sind zweckmäßig am Walzenkörper 8 durch Schweißverbindungen 34 befestigt. Jedoch wird einer der Mitnehmerringe 12 erst dann am tonnenförmigen Körper aufgesetzt und mit diesem verschweißt, wenn der Mantel 6 auf den' Walzenkörper 8 aufgezogen ist. Jeder Mitnehmerring 12 besitzt eine Anzahl längs des Umfanges im Abstand voneinander angeordneter, radial und axial gerichteter Vorsprünge 36* deren jeder in einen zu diesem Zweck an einem der Enden des Mantels 6 vorgesehenen Schlitz 38 eingreift und dadurch den Mantel mit dem Walzenkörper 8 verriegelt, so daß V/alze und Mantel eine Einheit bilden. Die Schlitze 38 können bereits bei der Herstellung bzw.

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Formung des Mantels 6 geformt oder nach dem Gießen und Einbrennen des Mantels gebohrt werden.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten,
räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombipation erfindungswesntlich sein.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Hochtempera tur/behandlung von metallischen Flach- bzw. Streifenmaterial» beispielsweise aus Siliziua.-stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Streifenmaterial während der Wärmebehandlimg an einer Fläche abgestützt wird, die aus einem Werkstoff besteht, der Sinter-Quarzglas bzw. Siliziumdiöxid und/oder Schamotte-Sintergranulat enthält, so daß an der Stützfläche„keine Anlagerungen entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,' daß zur Wärmebehandlung bei Temperaturen über etwa 550 ⁰C das Sinter-Quarzglas bis zu 20% an Schamotte, CaO, MgO, Al₂O₅, ZrSiO^ und/oder Cr₃O₅ enthält.

3- Stützwalze zur Verwendung bei hohen Temperaturen, mit einem Walzenkörper, dadurch gekennz eichnet, daß der Walzenkörper (8) von einem porösen Mantel (6) umschlossen ist, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, der Sinter-Quarzglas und/oder Schamotte- Sintergranulat enthält.

4. Walze nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Sinter -Quarzglas bis zu 20% an Schamotte, CaO, MgO, Al₂O₅, ZrSiO^ und/oder Cr₃O₅ enthält.

5· Walze nach Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (6) einen größten Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 0,5.10 :
etwa -17,5°C bis 980 ⁰C besitzt.

koeffizienten von etwa 0,5.10 im Temperaturbereich von

6. Walze" nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kantel (6) einen größten Wärme ausdehnur.£i.-r koeffizienten von etwa 0,3·10" im Temperaturbereich von etwa -17,5°C bis 980 ⁰C besitzt.

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7. Walze nach wenigstens einem der Ansprüche 3 "bis 6, dadurch gekenn ζ e i chn e t, daß der Mantel (6) im wesentlichen aus Sintern-QuarzglaG-Gruü mit einem !colloidalcn Siliziumdioxid-Bindemittel bestellt.

8. V/alze nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (6) im weeentliehen aus Sinter-Quarzglas-Gruö mit einem Zementbindemittel besteht.

9. Walze wenigstens nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (6) im wesentlichen aus einem Gemisch aus SJnter-Quarzflas-Grus und bis zu 20% an Schamotte, CaO, MgO, Al₅O₅ , ZrSiO₄ und/oder

Cr₀O₂ besteht und daß das Gemisch mit einem kolloidalen έ 3

Quarz-Bindemittel gesintert ist.

10. Walze wenigstens nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennz eich.net, daß der Mantel (6) im wesentlichen aus einem Gemisch von Quarz-Grus und bis zu 20% an Schamotte, CaO, MgO, Al₂O₅, ZrSiO^ und/oder Cr₂O₅ besteht und daß das Gemisch mit einem Zementbindemittel gesintert ist.

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