Zusammenfassung: Dieser Artikel erläutert den Mechanismus und die Prozessmerkmale der kontrollierten Walz- und Kühltechnologie, stellt das zur Verbesserung der Blechform entwickelte separate Kühl- und Schmiersystem, den dynamischen Walzprozess, die Ergebnisse der thermischen Simulation des neuen kontrollierten Walzprozesses für Wälzlagerstahl GCr15 sowie neue Entwicklungen bei kohlenstoffarmem Bainitstahl vor. Er zeigt auf, dass fortschrittliche Technologien des kontrollierten Walzens und der kontrollierten Kühlung aktiv aufgenommen und weiterentwickelt werden sollten, um hochfeste und zähe Stahlbleche zu entwickeln. Schlüsselwörter: kontrolliertes Walzen; kontrollierte Kühlung; kohlenstoffarmer Bainitstahl; verformungsinduzierte Degradation. Die moderne industrielle Entwicklung stellt immer höhere Anforderungen an die Eigenschaften warmgewalzter, nicht vergüteter Stahlbleche. Neben hoher Festigkeit müssen diese auch gute Zähigkeit, Schweißbarkeit und geringe Kaltversprödung aufweisen. Weltweit nutzen viele Länder derzeit kontrollierte Walz- und Kühlverfahren zur Herstellung von Stahlblechen für Öl- und Gaspipelines in kalten Regionen, niedriglegierte, hochfeste Stahlbleche mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und Niobgehalt, hochzähe Stahlbleche sowie Stahlbleche für den Schiffbau, Brückenbau und Druckbehälter. 1. Mechanismus und Eigenschaften des kontrollierten Walzprozesses: Beim kontrollierten Walzen werden Stahlblöcke im stabilen Austenitgebiet (Ar3) oder im metastabilen Gebiet (Ar3–Ar1) gewalzt und anschließend an der Luft oder mit kontrollierter Abkühlrate abgekühlt, um Ferrit- und Perlitstrukturen und in einigen Fällen Bainitstrukturen zu erhalten. Moderne kontrollierte Walzverfahren nutzen die Theorien der Rekristallisation und Nicht-Rekristallisation von Austenit. Durch die Reduzierung der Brammenerwärmungstemperatur, die Kontrolle des Umformgrades und der Walzendtemperatur werden Mischkristallverfestigung, Ausscheidungshärtung, Versetzungshärtung und Kornfeinung optimal genutzt, um die Kornfeinung im Stahlblech zu maximieren. Dies führt zu veränderter Tieftemperaturzähigkeit, erhöhter Festigkeit sowie verbesserter Schweißbarkeit und Umformbarkeit. Kontrolliertes Walzen ist somit ein umfassendes Härtungsverfahren, das Umformung und Phasenumwandlung kombiniert. Man unterscheidet im Allgemeinen zwei Arten des kontrollierten Walzens: temperaturkontrolliertes und thermomechanisches Walzen. Beim temperaturkontrollierten Walzen muss die Gesamtumformung innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs erfolgen, um den gewünschten Zielwert zu erreichen. Die Anfangstemperatur des ersten Walzstichs wird durch die Ofenaustrittstemperatur vorgegeben. Der Walztemperaturbereich wird durch die vorgegebene Walzendtemperatur bestimmt. Diese kann in der Regel nur gewährleistet werden, wenn der Walzprozess innerhalb einer bestimmten Zeit unterbrochen und das Walzgut auf einen Kühlplatz transportiert wird. Bei diesem Walzverfahren ist die Dicke des Stahlblechs zum Zeitpunkt der Walzunterbrechung nicht vorgegeben, und die übliche Normalglühung kann entfallen. Warmwalzen bezeichnet das Walzen innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs mit einer vorgegebenen Dickenreduktion und wird in zweistufiges und dreistufiges Walzen unterteilt. Beim zweistufigen Walzen wird der Walzprozess einmal unterbrochen, um das Walzgut auf die für die nächste Stufe erforderliche Temperatur abkühlen zu lassen. Beim dreistufigen Walzen wird der Walzprozess zweimal unterbrochen. Die Walzstufe wird durch die vorgegebene Dickenreduktion in dieser Stufe und den Temperaturbereich, in dem diese Dickenreduktion erreicht wird, bestimmt. Dies führt zu Zwischendicken und Walzzeiten zwischen den Stufen. Ziel des kontrollierten Walzens ist die Herstellung von Stahl mit guter Zähigkeit und hoher Festigkeit unter Warmwalzbedingungen durch Verfeinerung der Ferritkörner. Beispielsweise erreicht man mit dem normalen Walzprozess die Ferritkorngröße der Güteklasse 7-8 mit einem Durchmesser von über 20 µm, während man mit dem kontrollierten Walzprozess die Güteklasse 12 mit einem Durchmesser von 5 µm erzielt. Diese feine Korngröße ist der größte Vorteil des kontrollierten Walzens. Der kontrollierte Walzprozess kann zudem die Wirkung von Spurenelementen optimal nutzen. Normaler kohlenstoffarmer Stahl mit Spurenelementen wie Nb, V und Ti kann durch kontrolliertes Walzen eine bessere Gesamtleistung erzielen. 2 Neues Verfahren zum kontrollierten Walzen von Blechen und Bändern Die Qualität von Blechen und Bändern hängt maßgeblich von der Kontrolle des Walzprozesses ab. Herkömmliche Verfahren weisen viele Nachteile auf. Die Einstellung der ursprünglichen Wölbung kann die Walzteile unterschiedlicher Spezifikationen und Materialien nicht erfassen und steuern; die ungleichmäßige Kühlung hat den Nachteil einer langsamen Reaktionszeit. Die David McKee Company hat ein einzigartiges System zur automatischen Formkontrolle und eine Kühlmittelsprühvorrichtung entwickelt. Das System zur getrennten Kühlung und Schmierung (SLC) und das dynamische Walzprozesssystem (DSS) haben gute Ergebnisse erzielt. 2.1 System zur getrennten Kühlung und Schmierung (SLC) Beim Blech- und Bandwalzen wird meist eine Emulsion zur Kühlung und Schmierung eingesetzt. Dabei treten häufig Probleme wie geringe Emulsionsstabilität, kurze Lebensdauer und insbesondere das Nichterreichen einer optimalen Oberflächenqualität des gewalzten Bandes auf. Durch den Einsatz eines separaten Kühl- und Schmiersystems lassen sich die durch herkömmliche Emulsionskühlung und -schmierung verursachten Defekte vermeiden. Dieses System besteht aus zwei miteinander verbundenen Stahlkühlkästen. Jeder Kühlkasten dichtet die Walzenflächen der oberen Arbeitswalze und Stützwalze sowie die Walzenflächen der unteren Arbeitswalze und Stützwalze ab und bildet so für jedes Walzen-Kühlkasten-Paar ein voneinander getrenntes System. Zwischen den oberen und unteren Kühlkästen befindet sich ein Spalt, durch den das zu walzende Band zum Walzspalt gelangt. Die Trennung der Kühl- und Schmiersysteme während des Walzprozesses ermöglicht neben integrierten Kühl- und Schmierfunktionen deren Konfiguration entsprechend ihrer spezifischen Funktionen. Das SLC-System maximiert die Kühl- und Schmierfunktionen und erhöht dadurch die Leistungsdichte des Walzwerks erheblich. 2.2 Dynamisches Walzsystem (DSS): Die David McKee Corporation nutzte Computer, um die Hauptprozesse des Bandwalzens vorherzusagen. Die vollständige Nutzung von Computern zur Erstellung mathematischer Modelle des Walzprozesses entspricht im Wesentlichen der Online-Modellparameterbestimmung. Das typischste Beispiel hierfür ist das Dynamische Walzsystem (DSS). Dieses System wird primär in Warmwalzwerken zur Steuerung der Blechform und des Querschnitts eingesetzt. Basierend auf einem mathematischen Modell und einem Programm sowie auf Vorhersagen regelt die adaptive Funktion des Walzwerks den Prozess kontinuierlich. Im Gegensatz zu typischen, rückkopplungsbasierten AGC-Systemen nutzt dieses System zwei grundlegende Anpassungsebenen. Die erste Ebene ist die Anpassung der Walzwerkssteuerung, die Walzenbiegekraft, Reduktionsmethode, Walzengeschwindigkeit und Kühlmittelverteilung umfasst und so eine gleichbleibende Produktqualität gewährleistet. Die zweite Ebene ist die Anpassung der Koeffizienten des Vorhersagemodells. Dies erfolgt durch Trendregressionsanalyse anhand von während des Walzens gemessenen Parametern. Die Modellkoeffizienten werden anschließend mithilfe der Abweichung zwischen den Messwerten und den vom Modell vorhergesagten Werten als Funktion angepasst. Hauptziel des DSS-Systems ist die Herstellung von Produkten mit gleichmäßiger Querdicke. 3. Simulationsstudie eines neuen kontrollierten Walzprozesses für GCr15. In den letzten Jahren haben Forscher die Warmumformeigenschaften, die Verformungssphäroidisierung und die Rekristallisation von Wälzlagerstahl untersucht und quantitativ den Zusammenhang zwischen Fließspannung und Bruchdehnung sowie den Variablen (Dehnung, Dehnungsrate, Temperatur und Phasenumwandlung) während der Verformung bestimmt. Sie untersuchten auch die Verformungssphäroidisierung im Austenit-Zementit-Zweiphasengebiet und stellten fest, dass die Verformungstemperatur und der Verformungsgrad die Hauptfaktoren für die Sphäroidisierung sind und dass eine Verformung nach der Austenitisierung die Verformungssphäroidisierung im Zweiphasengebiet begünstigt. Mithilfe einer Warmtorsionsprüfmaschine mit Pausenverformungsmethode untersuchten sie das Rekristallisationsverhalten von Wälzlagerstahl während des Warmwalzens und ermittelten den Zusammenhang zwischen statischer und dynamischer Rekristallisation und Verformungstemperatur, Walzstichdehnung und Walzstichintervall sowie das im Zweiphasengebiet auftretende dynamische Erweichungsphänomen. Diese Studienreihe liefert eine wissenschaftliche Grundlage für die korrekte Formulierung kontrollierter Walzprozesse für Wälzlagerstahl. Unter den verschiedenen Herstellungsverfahren für Wälzlagerstahl gilt das Walzen im einphasigen Austenitgebiet oberhalb von 900 °C mit anschließender schneller Abkühlung in das zweiphasige Gefüge auf 850–800 °C zum erneuten Walzen als vielversprechendstes neues Verfahren. Dieses Verfahren ist von großer Bedeutung für die Förderung und Anwendung des kontrollierten Walzens, die Verbesserung der Wälzlagerstahlqualität, die Erhöhung der Dauerfestigkeit und die Energieeinsparung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen: (1) Das neue Verfahren des kontrollierten Walzens von Wälzlagerstahl mit simulierter Warmumformung wurde mithilfe einer Warmtorsionsprüfmaschine realisiert. Es konnte bestätigt werden, dass der Wälzlagerstahl zunächst im einphasigen Austenitgebiet bei hohen Temperaturen, anschließend im zweiphasigen Austenit-Zementit-Gefüge und schließlich einer schnellen Kugelglühung unterzogen wurde. Der Karbidgehalt und die Härte des Wälzlagerstahls entsprachen den Normen für metallurgische Produkte. (2) Zwischen den Walzstichen fand im einphasigen Austenitgebiet bei hohen Temperaturen eine statische Rekristallisation statt. Der Rekristallisationsgrad stieg mit zunehmender Anzahl der Umformstiche. Die Spannungsakkumulation durch partielle Rekristallisation förderte die dynamische Rekristallisation. Im Zweiphasengebiet aus Austenit und Karbid kann neben statischer und dynamischer Rekristallisation auch die Verformungssphäroidisierung der Karbide eine signifikante dynamische Erweichung bewirken. (3) Die für Wälzlagerstahl im neuen kontrollierten Walzverfahren erforderliche Walzkraft und das Walzdrehmoment wurden anhand der Formel zur Berechnung der mittleren rheologischen Spannung abgeschätzt und lagen etwa 40 % höher als beim herkömmlichen Walzverfahren. 4. Entwicklung von kohlenstoffarmem bainitischem Stahl. In der Anfangsphase des kontrollierten Walzens lag der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Stahlfestigkeit und der Erzielung feinerer Körner. Später wurden, basierend auf der hohen Festigkeit, entsprechende Anforderungen an die Zähigkeit gestellt. Aktuell liegt der Fokus auf höherer Festigkeit, besserer Zähigkeit und größerer Dicke bei gleichzeitiger Schweißbarkeit. Rohrleitungsstahl für den Erdgastransport erfordert eine hohe Speicherung von Querschlagenergie. Durch Erhöhung der gesamten Warmwalzverformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur lässt sich die Zähigkeit verbessern. Bei der Entwicklung von kontrolliert gewalztem, niobhaltigem Stahl durch Reduzierung des Kohlenstoff- und Erhöhung des Mangangehalts wurden kohlenstoffarme, manganreiche (0,06 %), umwandlungsgehärtete Stähle entwickelt, die als kohlenstoffarmer Bainitstahl und nadeliger α-Stahl bezeichnet werden. Im Vergleich zu herkömmlichem α-Perlitstahl weisen diese Stähle eine kontinuierliche Steigerung der Streckgrenze und Zugfestigkeit auf. Trotz des geringeren Kohlenstoffgehalts steigt die Streckgrenze nach der Rohrumformung. Bei Stählen mit relativ niedrigem Streckgrenzen-Festigkeits-Verhältnis kann die schnelle Kaltverfestigung die durch den Bauschinger-Effekt bedingte Reduzierung der Streckgrenze kompensieren. Das Mikrogefüge dieses Stahls besteht typischerweise aus nadeligem Ferrit oder kohlenstoffarmem Bainit. Nach dem konventionellen Walzen, d. h. nach der Phasenumwandlung der γ-Körner, bleiben die Korngrenzen der ursprünglichen Gefüge erhalten. 4.1 Niedrigkohlenstoffhaltiger bainitischer Stahl kann im normalen Walzzustand durch die Zugabe von Elementen wie Si, Mn, Cr, Ni und Mo die erforderliche Festigkeit erreichen. Alternativ kann durch beschleunigtes Abkühlen nach dem Normalglühen eine körnige Struktur im metallografischen Gefüge erzeugt werden. Diese Struktur besteht aus block- oder streifenförmigen M/A-Phasen, die in der α-Fe-Matrix verteilt sind und als körniger Bainit bezeichnet werden. Wird dieser körnige Bainit nicht durch Kornfeinung oder zusätzliches Anlassen vollständig zersetzt, beeinträchtigt dies die Zähigkeit des Stahls, und es ist schwierig, gleichzeitig hohe Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen. Daher wird ein kontrolliertes Walzverfahren angewendet, um die erforderliche Zähigkeit bei niedrigerem Kohlenstoffgehalt zu erhalten und gleichzeitig die Schweißbarkeit des Stahls zu verbessern. 4.2 Nadeliger ferritischer Stahl Um die Anforderungen an hohe Festigkeit, Tieftemperaturzähigkeit, Schweißbarkeit und gute Umformbarkeit von Werkstoffen für Öl- und Gaspipelineprojekte mit großem Durchmesser in kalten Regionen zu erfüllen, wurde nadeliger ferritischer C-Mn-Mo-Nb-Stahl (AF) entwickelt. Die Streckgrenze dieses Stahls kann beim kontrollierten Walzen 470–530 MPa erreichen, die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy 165 J und die 50%-Scherbruchtemperatur (FATT) liegt bei mindestens -60 °C. Verglichen mit ferritisch-perlitischen Pipeline-Stählen der ersten Generation weist er eine bessere Schweißbarkeit, Duktilität, Bruchfestigkeit, Beständigkeit gegen Schwefelwasserstoffkorrosion und wasserstoffinduzierte Rissbildung in Erdgas sowie eine höhere Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion auf. 4.3 Ultraniedriggekohlter bainitischer Stahl Durch die Optimierung des kontrollierten Walzprozesses kann der neue ultraniedriggekohlte bainitische Stahl eine gleichmäßige, feine Bainitstruktur mit einer hochdichten Versetzungsstruktur und umfassenden mechanischen Eigenschaften aufweisen, die hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit und Schweißbarkeit vereinen. Die chemische Zusammensetzung des kohlenstoffarmen bainitischen Stahls muss so beschaffen sein, dass selbst bei langsamer Abkühlung großer Querschnitte eine Phasenumwandlung in der Bainit-Umwandlungszone stattfindet und dadurch eine hohe Festigkeit erzielt wird. Umgekehrt darf sich bei hohen Abkühlgeschwindigkeiten kein Martensit bilden. Darüber hinaus muss dieser Stahl eine hohe Zähigkeit aufweisen, um Rissbildung und Sprödbruch zu verhindern. Wenn die Temperatur der γ-α-Phasenumwandlung durch eine geeignete chemische Zusammensetzung und schnelle Abkühlung während des Walzens erfolgreich gesenkt werden kann, kann das Walzen bei Temperaturen von 600–650 °C durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine weitere Festigkeitssteigerung durch Kornfeinung und hohe Versetzungsdichte. Um die Umwandlung zu Bainit zu erreichen, kann die Umwandlungszeit von Ferrit und Perlit durch Zugabe von Molybdän (Mo) und Bor (B) verzögert und die Umwandlungstemperatur durch Zugabe von Mangan (Mn) und Nickel (Ni) verändert werden. Niob (Nb) hat eine zweifache Wirkung: Im gelösten Zustand verzögert es die Ferritbildung, im ausgeschiedenen Zustand verringert es die Härtbarkeit durch Verfeinerung der Austenitkörner. Vanadium (V) und Titan (Ti) haben ähnliche, jedoch etwas schwächere Effekte. Eine Reduzierung des Kohlenstoffäquivalents hemmt zwangsläufig die Martensitbildung und ist insbesondere für die Verbesserung der Schweißbarkeit und Zähigkeit im Vergleich zu kohlenstoffreichem Bainit von Bedeutung. In diesem Bereich liegt der Kohlenstoffgehalt unter 0,01 % bis 0,10 %. Das Mikrogefüge von kohlenstoffarmem bainitischem Stahl besteht aus einem Gemisch aus oberem Bainit, unterem Bainit und Martensit. Bei einem Kohlenstoffgehalt unter 0,10 % treten zusätzlich weitere Komponenten mit uneinheitlichen Bezeichnungen auf, wie z. B. kohlenstofffreier Bainit, nadeliger Ferrit, entmischter Ferrit oder dichter Ferrit. Diese Struktur ist typischerweise durch nadelförmige Strukturen und zahlreiche Versetzungen aufgrund unregelmäßiger Elementarzellen gekennzeichnet. Sie ist von „echtem“ Bainit zu unterscheiden, da sie nicht durch die Zersetzung von Austenit entsteht und keine Carbide enthält. Im Gegensatz zu Martensit wird diese Struktur nicht durch einen Zersetzungsprozess, sondern primär durch einen schnellen Rediffusionsprozess gebildet. Methoden zur Verbesserung der Zähigkeit von oberen Bainitstrukturen umfassen die Kontrolle der Austenitkorngröße und die Reduzierung des Kohlenstoffgehalts. Obwohl dichter Ferrit eine höhere Festigkeit aufweist, besitzen Stähle mit polygonalem und dichtem Ferrit bei gleicher Korngröße die gleiche Sprödbruchübergangstemperatur. B-Mo-Stahl mit ca. 0,10–0,20 % Kohlenstoff besitzt eine Streckgrenze von ca. 500 MPa; die Zugabe von Niob, Vanadium und Titan sowie die Erhöhung des Mangangehalts können seine Zähigkeit deutlich verbessern. Weitere Entwicklungsziele sind: (1) Borfreier Mn-Mo-Nb-Stahl. Dieser Stahl weist ein sehr feines Mischgefüge aus polygonalem und dichtem Ferrit auf. Die Streckgrenze liegt im Walzzustand bei 550–600 MPa und kann durch Anlassen weiter erhöht werden. Anlassen führt zu Aushärtung und beseitigt die Spannungen an den bainitischen und martensitischen Korngrenzen. (2) Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,01 % und einem Mangangehalt von 5 %. Im Allgemeinen lässt sich die Sprödbruchtemperatur durch Reduzierung des Kohlenstoffgehalts und Erhöhung des Mangangehalts verbessern. Ein hoher Mangangehalt kann die Bildung von polygonalem Ferrit unterdrücken. Wird Mangan allein als Legierungselement verwendet, tritt Versprödung auf, da die durch Mikrolegierungselemente hervorgerufene Feinkornhärtung ausbleibt. Es wird erwartet, dass vergüteter Stahl mit kohlenstoffarmem bainitischem Gefüge und Molybdän durch kontrolliertes Walzen bei geringeren Dicken eine Streckgrenze von 680 MPa erreichen kann. Alternativ kann das kostengünstigere Legierungselement B einige der teureren Legierungselemente ersetzen. Da Stähle mit kohlenstoffarmem bainitischem Gefüge sehr niedrige Sprödbruchtemperaturen erreichen, können sie mit Nickellegierungs-Tieftemperaturstählen konkurrieren. Daher liegt der Entwicklungsschwerpunkt neben Festigkeit und Zähigkeit auf den Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften des Stahls während und nach dem Schweißen sowie unter Schwingungsermüdungsbelastung. Stähle mit extrem kohlenstoffarmem bainitischem Gefüge erreichen im Walzzustand eine Streckgrenze von 600 MPa und nach dem Anlassen von 700 MPa. Die zahlreichen Subkorngrenzen und die hohe Versetzungsdichte in diesem Stahltyp tragen zu seinem nadeligen Ferritgefüge bei. In den letzten Jahren haben Institutionen wie die Northeastern University die Gleeble-Thermosimulationsprüfmaschine eingesetzt, um das Hochtemperatur-Verformungsverhalten, das durch Dehnung induzierte Ausscheidungsverhalten und das kontinuierliche Abkühlungs-Phasenumwandlungsverhalten von Austenit in Versuchsstählen zu untersuchen. Auf dieser Grundlage untersuchten sie mithilfe eines Versuchswalzwerks die Auswirkungen von Walz- und Kühlprozessparametern auf die mechanischen Eigenschaften und das Mikrogefüge der Versuchsstähle. Die Ergebnisse zeigen, dass durch geeignete kontrollierte Walz- und Kühlprozesse ein von feinem Bainit dominiertes Mikrogefüge erzielt werden kann, wodurch ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Zähigkeit erreicht wird. Durch Anwendung eines dreistufigen kontrollierten Walzprozesses – mit Austenit-Rekristallisation, Nicht-Rekristallisation und Austenit-Ferrit-Zweiphasengebiet – und entsprechender Reduktionsraten stellte Wugang Steel erfolgreich den kohlenstoffarmen Bainitstahl WDB620 her, einen nichtmodulierten Stahl mit geringer Schweißnahtrissanfälligkeit. Das verformungsinduzierte Walzen verfeinert das Ferrit-Mikrogefüge signifikant und führt zu einem ultrafeinen Ferrit-Mikrogefüge mit einer Korngröße von 0,92 μm. Transmissionselektronenmikroskopische Analysen zeigten eine geringe Versetzungsdichte und eine geringe Anzahl von Kleinwinkelkorngrenzen im ultrafeinkörnigen Ferrit. 5. Fazit Die Praxis hat gezeigt, dass kontrolliertes Walzen und kontrollierte Kühlung die beste Methode zur Herstellung von hochfesten, zähen, gut schweißbaren und kostengünstigen Stahlblechen darstellen. Durch die Kombination von spannungsinduziertem Walzen mit konventionellen kontrollierten Walzverfahren lässt sich ein noch feineres, ultrafeinkörniges Gefüge erzielen. Wir können von fortschrittlichen nationalen und internationalen Verfahren zur Walzprozesssteuerung lernen, diese neuen Technologien integrieren und die Vorteile kontrollierter Walzverfahren voll ausschöpfen, um – im Rahmen der vorhandenen Ressourcen unseres Landes – hochfeste, zähe Stahlbleche, insbesondere solche mit guter Tieftemperaturzähigkeit, zu entwickeln.