Wie kühlt man Stahlrohre mit großem Durchmesser nach dem Abschreckprozess ab?

Stahlrohre dienen nicht nur dem Transport von Flüssigkeiten und pulverförmigen Feststoffen, dem Wärmeaustausch und der Herstellung von Maschinenteilen und Behältern, sondern stellen auch eine wirtschaftliche Stahlsorte dar. Der Einsatz von Stahlrohren für Tragwerkskonstruktionen, Pfeiler und mechanische Träger reduziert das Gewicht, spart 20–40 % Metall und ermöglicht eine industrienahe, mechanisierte Fertigung. Im Brückenbau sparen Stahlrohre nicht nur Stahl und vereinfachen die Konstruktion, sondern verringern auch die Fläche der Schutzbeschichtung erheblich, was Investitions- und Wartungskosten senkt. Stahlrohre mit großem Durchmesser sind Hohlprofile und ihre Länge ist deutlich größer als ihr Durchmesser oder Umfang. Je nach Querschnittsform werden sie in runde, quadratische, rechteckige und Sonderprofilrohre unterteilt; je nach Material in Baustahlrohre aus Kohlenstoffstahl, niedriglegiertem Baustahl, legiertem Stahl und Verbundstahl; und je nach Verwendungszweck in Transportleitungen, Ingenieurbau, Stahlrohre für thermische Anlagen, die petrochemische Industrie, den Maschinenbau, geologische Bohrungen, Hochdruckanlagen usw. Nach dem Herstellungsverfahren werden sie in nahtlose und geschweißte Stahlrohre unterteilt. Nahtlose Stahlrohre werden wiederum in warmgewalzte und kaltgewalzte (gezogene) Rohre unterteilt. Es gibt zwei Arten von geschweißten Stahlrohren: geradnahtgeschweißte Stahlrohre und spiralnahtgeschweißte Stahlrohre.

1. Wie sieht das Wärmebehandlungsverfahren für Stahlrohre mit großem Durchmesser aus?
(1) Die Veränderung der geometrischen Form von Stahlrohren mit großem Durchmesser während der Wärmebehandlung ist auf die Wärmebehandlungsspannungen zurückzuführen. Wärmebehandlungsspannungen sind ein komplexes Phänomen. Sie verursachen nicht nur Defekte wie Verformungen und Risse, sondern sind auch ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Dauerfestigkeit und Lebensdauer der Werkstücke.
(2) Daher ist es wichtig, den Mechanismus und die Änderungsgesetze der Wärmebehandlungsspannungen zu verstehen und die Methoden zur Kontrolle von Eigenspannungen zu beherrschen. Wärmebehandlungsspannungen bezeichnen die Spannungen, die im Werkstück aufgrund von Wärmebehandlungsfaktoren (thermischer Prozess und Strukturumwandlungsprozess) entstehen.
(3) Sie ist im gesamten oder einem Teil des Werkstückvolumens selbstausgleichend und wird daher als innere Spannung bezeichnet. Wärmebehandlungsspannungen werden nach ihrer Wirkungsweise in Zug- und Druckspannungen unterteilt; nach ihrer Wirkungsdauer in Momentanspannungen und Eigenspannungen; und nach ihrer Entstehungsursache in thermische Spannungen und Gewebespannungen.
(4) Thermische Spannungen entstehen durch die synchronen Temperaturänderungen in verschiedenen Bereichen des Werkstücks während des Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesses. Beispielsweise erwärmt sich bei einem massiven Werkstück die Oberfläche beim Erhitzen stets schneller als der Kern, und der Kern kühlt beim Abkühlen langsamer ab als die Oberfläche. Dies liegt daran, dass Wärmeaufnahme und -abgabe über die Oberfläche erfolgen.
(5) Bei Stahlrohren mit großem Durchmesser, deren Zusammensetzung und Strukturzustand sich nicht ändern, ändert sich das spezifische Volumen bei unterschiedlichen Temperaturen, solange der Längenausdehnungskoeffizient ungleich null ist. Daher entsteht während des Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesses ein Spalt zwischen der Oberfläche und dem Kern des Werkstücks. Die entstehenden inneren Spannungen wirken aufeinander. Je größer die Temperaturdifferenz im Werkstück ist, desto größer ist die thermische Spannung.

2. Wie kühlt man Stahlrohre mit großem Durchmesser nach dem Abschreckprozess ab?
(1) Beim Abschrecken muss das Werkstück auf eine höhere Temperatur erhitzt und schneller abgekühlt werden. Daher entstehen beim Abschrecken, insbesondere während der Abkühlphase, große thermische Spannungen. Die Temperaturänderungen an der Oberfläche und im Inneren einer Stahlkugel mit 26 mm Durchmesser beim Abkühlen in Wasser nach Erhitzen auf 700 °C werden dargestellt.
(2) Im Anfangsstadium der Abkühlung ist die Abkühlungsgeschwindigkeit der Oberfläche deutlich höher als die des Kerns, und die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kern nimmt stetig zu. Mit fortschreitender Abkühlung verlangsamt sich die Abkühlungsrate der Oberfläche, während die des Kerns relativ zunimmt. Sobald die Abkühlungsraten von Oberfläche und Kern nahezu gleich sind, erreicht ihre Temperaturdifferenz einen großen Wert.
(3) Anschließend ist die Abkühlrate des Kerns höher als die der Oberfläche, und der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern verringert sich allmählich, bis er verschwindet, wenn der Kern vollständig abgekühlt ist. Dies ist der Prozess der Erzeugung von thermischer Spannung während der schnellen Abkühlung.
(4) In der Anfangsphase der Abkühlung kühlt die Oberflächenschicht rasch ab, wodurch ein Temperaturunterschied zum Kern entsteht. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Wärmeausdehnung und -kontraktion müsste sich das Oberflächenvolumen verringern. Da die Kerntemperatur jedoch weiterhin hoch und das spezifische Volumen groß ist, kann sich die Oberfläche nicht frei nach innen zusammenziehen. Dadurch entsteht eine thermische Spannung, die zu einer Dehnung der Oberfläche und einer Stauchung des Kerns führt.
(5) Mit fortschreitender Abkühlung nimmt die oben genannte Temperaturdifferenz weiter zu, und die entstehende Wärmespannung steigt entsprechend. Erreicht die Temperaturdifferenz einen hohen Wert, ist auch die Wärmespannung hoch. Liegt die Wärmespannung zu diesem Zeitpunkt unterhalb der Streckgrenze des Stahls unter den entsprechenden Temperaturbedingungen, tritt keine plastische Verformung auf, sondern lediglich eine geringfügige elastische Verformung.
(6) Bei weiterer Abkühlung verlangsamt sich die Abkühlungsrate der Oberflächenschicht, die Abkühlungsrate des Kerns beschleunigt sich entsprechend, die Temperaturdifferenz nimmt ab und die thermische Spannung sinkt ebenfalls allmählich. Mit abnehmender thermischer Spannung verringert sich auch die oben beschriebene elastische Verformung.