Schmiermittel zum Warmwalzen von Stahlprofilen in einem Walzgerüst

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Schmiermittel zum Warmwalzen von Stahlprofilen in einem Walzgerüst bestehend aus einer Borat und Phosphat enthaltenden wässrigen Lösung.

[0002] Derartige Schmiermittel, auch Kalibertrennmittel oder Kaliberschmiermittel genannt, sind bereits aus der DE-AS 1 050 486 bekannt. Sie dienen dazu, Walzgut und Walzenwerkstoff beim Durchlauf des Walzgutes durch das Walzgerüst möglichst frei von Verschweißungen zwischen dem Walzgut und dem Walzenwerkstoff des Walzenwerkzeugs zu halten sowie den Reibungswiderstand zwischen dem Walzgut und dem Walzenwerkzeug zu verringern,um dadurch einerseits eine glatte Oberfläche des Walzgutes und andererseits eine möglichst geringe Werkzeugabnutzung sowie einen innerhalb wirtschaftlich vertretbarer Grenzen liegenden Arbeitsaufwand zu erreichen. Der zuvor verwendete Begriff Kaliber bezeichnet in der Walztechnik den zwischen umlaufenden Rillen der einen Walze und den Rillen der Gegenwalze sich ergebenden Querschnitt, den das Walzgut beim Durchlauf des Walzgerüstes annehmen soll.

[0003] Der Begriff Kalibrieren bezeichnet in diesem Zusammenhang die Ermittlung der zur Umformung erforderlichen Querschnittsform und ihre Aufeinanderfolge.

[0004] Üblicherweise werden die Walzenkörper beim Warmwalzen der Stahlprofile mittels Kühlwasser gekühlt. Dadurch kann ein Verdünnungseffekt des Schmiermittels verursacht werden, so daß dieses keine ausreichende Schmierwirkung mehr gewährleisten kann. Aus diesem Grund hat das bekannte Borat und Phosphat enthaltende Schmiermittel bislang keine Verbreitung in der Praxis gefunden. Um die geforderte Schmier- und Trennwirkung zu gewährleisten, ist es beim Warmwalzen von Stahlprofilen außerdem erforderlich, daß das aus einer Salzlösung der beiden vorgenannten Komponenten bestehende Schmiermittel eine ausreichend hohe Salzkonzentration aufweist. Eine wässrige Lösung allein auf Borat- und Phosphatbasis kann diese Forderung nicht erfüllen, da in einer solchen Lösung lediglich Sättigungskonzentrationen von ca. 7 Gew.-% bei Raumtemperatur erreichbar sind.

[0005] Als Kaliberschmiermittel werden in der Praxis überwiegend Gemische auf Mineralölbasis, zum Beispiel Öl-Bitumen-Gemische, eingesetzt. Solche Gemische ermöglichen zwar eine gute Trennung zwischen dem Walzenkörper und dem Walzgut, weil die beim Verbrennen entstehenden Crack-Produkte Verschweißungen zwischen dem Walzgut und dem Walzenwerkstoff des Walzenkörpers vermeiden und dadurch eine bessere Haltbarkeit der Walzen gewährleisten. Andererseits verursachen Schmiermittel auf Mineralölbasis beim Warmwalzen von Stahlprofilen in einem Walzgerüst eine starke Rauch- und Qualmentwicklung, die zum einen zu einer gesundheitsschädlichen Belastung für das Personal und zum anderen zu einer großen Umweltbelastung infolge verschmutzten Abwassers und belasteter Abluft führen kann. Eine solche Rauch- und Qualmentwicklung kann auch zur Sichtbehinderung für das Personal führen. Um derartige negative Folgen zu vermeiden und damit den heutigen Anforderungen der Arbeitsmedizin und der Umwelttechnik zu genügen, ist bereits vorgeschlagen worden, siehe H. Matthes, Tribologische Probleme und darauf abgestimmte neuere Schmierstoffe beim Warm- und Halbwarm-Umformen, in Technische Akademie Esslingen, 3. Internationales Kolloquium "Schmierstoffe in der Metallbearbeitung", 1982, Band I, Seite 28.1 bis 28.5, die entstehenden Dämpfe abzusaugen und in Filtern zu reinigen. Die Verwendung eines solchen Schmiermittels führt deshalb letztlich zu hohen Investitions- und Betriebskosten der gesamten Walzanlage. Im übrigen können sich die Mineralölprodukte dieses Schmiermittels bei den beim Warmwalzen auftretenden hohen Temperaturen thermisch zersetzen, so daß das Walzgut anschließend auch von den bei der thermischen Zersetzung entstehenden Produkten, zum Beispiel Ölkohle, zu säubern ist.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schmiermittel der eingangs angegebenen Art zu schaffen, das eine Schmierwirkung auch unter extremen Walzbedingungen aufrecht erhält und umweltfreundlicher als die bekannten Schmiermittel auf Mineralölbasis ist.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schmiermittel der oben erwähnten Art dadurch gelöst, daß die wässrige Lösung ferner Ethylenglykol (C₂H₄(OH)₂) enthält.

[0008] Ein derartiges Schmiermittel ermöglicht auf der einen Seite die umweltfreudliche Verwendung von Salzen bei der Warmumformung von Metallen und gewährleistet auf der anderen Seite eine ausreichende Schmierwirkung in allen Temperaturbereichen des zu bearbeitenden Stahlprofils von ca. 500 bis 1200°C. Zur Aufrechterhaltung der Schmier- bzw. Trennwirkung sind bei eutektischen Salzgemischen nur geringe Auftragsmengen erforderlich, da diese Gemische keine hydrodynamische Schmierung hervorrufen, sondern sogenannte monomolekulare Gleitschichten bilden. Die Zugabe von Ethylenglykol verbessert die Löslichkeit des Borats in der wässrigen Lösung, so daß diese eine erhöhte Kältestabilität aufweist. Somit kann das erfindungsgemäße Schmiermittel auch bei winterlichen Temperaturen um etwa 0°C unproblematisch gelagert werden. Eine bei den bekannten Schmiermitteln erforderliche Aufheizung auf ca. 30 bis 40°C zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Viskosität ist damit entbehrlich. Insbesondere bei aufgesprühten Schmiermitteln kann es bei Abkühlung nicht zu Ausfällungen und dadurch bedingten Verstopfungen der Düsen kommen.

[0009] Vorteilhafterweise beträgt der Anteil des Ethylenglykols in der wässrigen Lösung 16 bis 50 Gew.-%. Dadurch ist eine ausreichende Schmierwirkung selbst dann gewährleistet, wenn die zur Kühlung der Walzen erforderlichen Kühlwassermengen einen nicht unbeträchtlichen Verdünnungseffekt des Schmiermittels bewirken.

[0010] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist das Borat ein Alkalitetraborat, vorzugsweise Natriumtetraborat (Na₂B₄O₇) mit einem Anteil von 6 bis 20 Gew.-% in der wässrigen Lösung,und das Phosphat ein Alkaliphosphat, vorzugsweise Natriumphosphat (Na₂HPO₄) mit einem Anteil von 3 bis 10 Gew.-% in der wässrigen Lösung. Diese Salze sind wärmebeständig, öl- und fettfrei sowie wasserlöslich. Sie bilden beim Aufgeben auf die umzuformenden Stahlprofile auch bei hohen Temperaturen keinen Qualm oder Rauch, sind deshalb insbesondere für das Personal aus arbeitsmedizinischer Sicht unproblematischer als Schmiermittel auf Mineralölbasis. Darüber hinaus können diese Gemischkomponenten leicht aufgefangen, regeneriert und wiederverwertet oder entsorgt werden.

[0011] Vorzugsweise besteht die wäßrige Lösung aus 13,3 Gew.-% Borat, 6,7 Gew.-% Phosphat, 33,3 Gew.-% Ethylenglykol und 46,7 Gew.-% Wasser. Ein eine derartige wäßrige Lösung enthaltendes Schmiermittel hat sich im praktischen Einsatz zur Schmierung eines Walzgerüstes bewährt, da es auch bei walztechnisch schwierigen, tief eingeschnittenen Profilen eine gute Schmierung und damit eine problemlose Walzung zum Beispiel eines Spundbohlenprofils ohne Rauch- und Qualmentwicklung bei möglichst umweltschonenden Anteilen der Salzkomponenten und des Ethylenglykols ermöglicht.

[0012] Vorzugsweise enthält die wäßrige Lösung ein Verdickungsmittel, beispielsweise ein thixotropes Verdickungsmittel auf Xanthan-Basis. Dadurch ist eine Verminderung des Schmiermittelverbrauchs und eine Verbesserung der Haftfähigkeit des Schmiermittels auf dem jeweiligen Stahlprofil möglich.

[0013] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Schmiermittels beträgt der Anteil des Verdickungsmittels in der wäßrigen Lösung etwa 0,5 Gew.-%, wobei die wäßrige Lösung vorzugsweise 9,0 Gew.-% Borat, 6,0 Gew.-% Phosphat, 28,0 Gew.-% Ethylenglykol, 0,5 Gew.-% Verdickungsmittel und 56,5 Gew.-% Wasser enthält. Bei einem solchen Schmiermittel ist eine Verminderung des Schmiermittelverbrauchs um ca. 2,5 kg pro Tonne Stahlprofil möglich, wobei der Schmiermittelverbrauch bei einer wäßrigen Lösung ohne Verdickungsmittel etwa 6 bis 8 kg Pro Tonne Stahlprofil beträgt.

[0014] Das Kälteverhalten des das Verdickungsmittel enthaltende Schmiermittels ist im Vergleich zu einem Schmiermittel ohne Verdickungsmittel verbessert.

[0015] Auch aufgrund der unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten des Walzenkörpers im Flankenbereich hervorgerufene tribologisch kritische Bereiche werden von dem erfindungsgemäßen Schmiermittel gut benetzt und geschmiert. Die erhaltenen Profile zeigen im Vergleich zu den konventionell geschmierten Werkstücken eine entzunderte und leicht phosphatierte Oberfläche gleichmäßiger Struktur. Es ist aber auch möglich, eine höher konzentrierte oder eine niedriger konzentrierte wäßrige Lösung für das Schmiermittel zu verwenden.

[0016] Die höher konzentrierte Lösung enthält vorzugsweise

20 Gew.-%	Borat
10 Gew.-%	Phosphat
50 Gew.-%	Ethylenglykol
20 Gew.-%	Wasser.

[0017] Eine niedriger konzentrierte wässrige Lösung enthält vorzugsweise

10 Gew.-%	Borat
5 Gew.-%	Phosphat
28 Gew.-%	Ethylenglykol
57 Gew.-%	Wasser.

[0018] Selbst eine nochmalige Verdünnung der wässrigen Lösung auf

6,7 Gew.-%	Borat
3,3 Gew.-%	Phosphat
16,7 Gew.-%	Glykol
73,3 Gew.-%	Wasser

entfaltet zumindest bei den ersten Durchläufen (Stichen) des Walzgutes durch das Walzgerüst eine ausreichende Schmierwirkung.

[0019] Das Verdickungsmittel ist vorzugsweise ein Polysaccharid hoher Molmasse und wird in der Praxis unter dem Namen Kelzan^R vertrieben. Dieses auf Xanthan basierende Verdickungsmittel eignet sich besonders für wäßrige Lösungen, zum Beispiel in Hydroschmiermitteln, Reinigern und Entfettern.

[0020] Die jeweilige Zusammensetzung der wäßrigen Lösung ohne Zugabe eines Verdickungsmittels beeinflußt die Verbrauchswerte an Schmiermittel pro Tonne Stahlprofil nur unwesentlich, wie anhand experimenteller Untersuchungen festgestellt worden ist.

[0021] Versuche im praktischen Einsatz haben gezeigt, daß das erfindungsgemäße Schmiermittel besonders vorteilhaft mittels Düsen auf das Walzgut bzw. den/die Walzenkörper aufgesprüht werden kann. Es hat sich gezeigt, daß die Wahl von Sprühdüsen mit im Vergleich zu Sprühdüsen für herkömmliche Schmiermittel reduzierten Strömungsquerschnitten bei gleichem Sprühdruck zu besseren Schmier- und Trennergebnissen führt. Damit läßt sich die Auftragsmenge an wässriger Lösung im Hinblick auf möglichst niedrige Verbrauchswerte optimieren. Damit ist es unter Beibehaltung der geforderten Schmier- und Trennwirkung möglich, die erforderliche Verbrauchsmenge an Schmiermittel zu reduzieren, so daß insgesamt eine geringere Umweltbelastung und geringere Herstellungskosten erzielt werden können.

Ansprüche

1. Schmiermittel zum Warmwalzen von Stahlprofilen in einem Walzgerüst, bestehend aus einer Borat und Phosphat enthaltenden wäßrigen Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung ferner Ethylenglykol (C₂H₄(OH)₂) enthält.

2. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Ethylenglykols in der wäßrigen Lösung 16 bis 50 Gew.-% beträgt.

3. Schmiermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Borat ein Alkalitetraborat, vorzugsweise Natriumtetraborat (Na₂B₄O₇) ist.

4. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Borats in der wäßrigen Lösung 6 bis 20 Gew.-% beträgt.

5. Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphat ein Alkaliphosphat, vorzugsweise Natriumphosphat (Na₂HPO₄) ist.

6. Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Phosphats in der wäßrigen Lösung 3 bis 10 Gew.-% beträgt.

7. Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung

13,3 Gew.-%	Borat
6,7 Gew.-%	Phosphat
33,3 Gew.-%	Ethylenglykol
46,7 Gew.-%	Wasser

enthält.

8. Schmiermittel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung ein Verdickungsmittel, vorzugsweise ein thixotropes Verdickungsmittel auf Xanthan-Basis enthält.

9. Schmiermittel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Verdickungsmittels in der wäßrigen Lösung etwa 0,5 Gew.-% beträgt.

10. Schmiermittel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung

9,0 Gew.-%	Borat
6,0 Gew.-%	Phosphat
28,0 Gew.-%	Ethylenglykol
0,5 Gew.-%	Verdickungsmittel
56,5 Gew.-%	Wasser

enthält.