Wie kühlt man ein Stahlrohr mit großem Durchmesser nach dem Abschreckprozess ab?

Stahlrohre werden zum Transport von Flüssigkeiten und Pulvern, zum Wärmeaustausch sowie zur Herstellung von Maschinenteilen und Behältern verwendet und sind zudem eine wirtschaftliche Stahlsorte. Der Einsatz von Stahlrohren für Tragwerkskonstruktionen, Pfeiler und mechanische Träger reduziert das Gewicht und spart 20–40 % Metall ein. Dadurch wird eine industrienahe und mechanisierte Bauweise ermöglicht. Auch im Brückenbau sparen Stahlrohre Stahl, vereinfachen die Konstruktion und reduzieren die Fläche der Schutzschichten erheblich, was Investitions- und Wartungskosten senkt. Stahlrohre mit großem Durchmesser sind Hohlprofile, deren Länge deutlich größer ist als ihr Durchmesser oder Umfang. Je nach Querschnittsform unterscheidet man kreisförmige, quadratische, rechteckige und Sonderprofilrohre; je nach Material unterscheidet man zwischen Baustahlrohren aus Kohlenstoffstahl, niedriglegiertem Baustahl, legiertem Stahl und Verbundstahl. Stahlrohre finden Anwendung in der Wärmetechnik, der petrochemischen Industrie, im Maschinenbau, bei geologischen Bohrungen, in Hochdruckanlagen usw. Nach dem Herstellungsverfahren werden sie in nahtlose und geschweißte Stahlrohre unterteilt. Nahtlose Stahlrohre werden wiederum in warmgewalzte und kaltgewalzte (gezogene) Rohre unterteilt, geschweißte Stahlrohre in geradnahtgeschweißte und spiralnahtgeschweißte Stahlrohre.

1. Was ist das Wärmebehandlungsverfahren vonStahlrohre mit großem Durchmesser?
(1) Bei der Wärmebehandlung wird die geometrische Veränderung von Stahlrohren mit großem Durchmesser durch die Wärmebehandlungsspannung verursacht. Wärmebehandlungsspannungen sind ein komplexes Thema. Sie sind nicht nur Ursache von Defekten wie Verformungen und Rissen, sondern auch ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Dauerfestigkeit und Lebensdauer der Werkstücke.
(2) Daher ist es von großer Bedeutung, den Mechanismus und die Gesetzmäßigkeiten der Wärmebehandlungsspannungen zu verstehen und die Methoden zur Kontrolle innerer Spannungen zu beherrschen. Wärmebehandlungsspannungen bezeichnen die Spannungen, die im Werkstück aufgrund von Wärmebehandlungsfaktoren (thermischer Prozess und Gewebeumwandlungsprozess) entstehen.
(3) Es handelt sich um ein Eigengleichgewicht im gesamten oder einem Teil des Werkstückvolumens; daher spricht man von innerer Spannung. Wärmebehandlungsspannungen lassen sich nach ihrer Wirkungsweise in Zug- und Druckspannungen unterteilen; nach ihrer Wirkungsdauer in Momentanspannungen und Eigenspannungen; und nach ihrer Entstehungsursache in thermische Spannungen und Gewebespannungen.
(4) Thermische Spannungen entstehen durch die asynchrone Temperaturänderung 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, da Wärme über die Oberfläche aufgenommen und abgegeben wird.
(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 entstehen während des Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesses Zugspannungen und innere Spannungen. Je größer die Temperaturdifferenz im Werkstück ist, desto größer ist die thermische Spannung.

2. Wie kühlt man das Stahlrohr 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 des Abschreck- und Abkühlprozesses, große thermische Spannungen. Wird eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 26 mm nach dem Erhitzen auf 700 °C in Wasser abgekühlt, so ergeben sich Temperaturänderungen an Oberfläche und Kern.
(2) In der Anfangsphase der Abkühlung ist die Abkühlungsrate der Oberfläche deutlich höher als die des Kerns, und die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kern nimmt kontinuierlich 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 die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kern verringert sich allmählich, bis der Kern vollständig abgekühlt ist und auch die Temperaturdifferenz verschwindet. Dies ist der Prozess der Erzeugung von thermischen Spannungen während der schnellen Abkühlung.
(4) In der frühen Abkühlungsphase kühlt die Oberflächenschicht rasch ab, wodurch ein Temperaturunterschied zum Kern entsteht. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Wärmeausdehnung und Kältekontraktion muss sich das Volumen der Oberflächenschicht zuverlässig zusammenziehen. Da der Kern jedoch eine hohe Temperatur und ein großes spezifisches Volumen aufweist, wird die freie Kontraktion der Oberflächenschicht nach innen behindert. Dies führt zu thermischen Spannungen, die die Oberflächenschicht dehnen und das Herz zusammendrücken.
(5) Mit fortschreitender Abkühlung nimmt die oben genannte Temperaturdifferenz weiter zu, und die daraus resultierende 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 bei der entsprechenden Temperatur, tritt keine plastische Verformung, sondern lediglich eine geringe elastische Verformung ein.
(6) Bei weiterer Abkühlung verlangsamt sich die Abkühlungsrate der Oberfläche, während die Abkühlungsrate des Kerns entsprechend zunimmt. Dadurch verringert sich die Temperaturdifferenz und die thermische Spannung nimmt allmählich ab. Mit sinkender thermischer Spannung verringert sich auch die oben beschriebene elastische Verformung.