Verfahren zur Herstellung von geschweissten Rohren aus Kupfer

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrift ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren aus Cu und Cu-Legierungen in einer kombinierten Fertigungslinie, bestehend aus einem in Linie angeordneten Schmelzofen, einem Gießofen, einer Bandgießanlage, einem Warmwalzwerk, einer Kühlstrecke, einem Kaltwalzwerk und einer Coileinrichtung, sowie anschließender Rohreinform- und Schweißstrecke mit ggf. nachfolgender Zieheinrichtung für das geschweißte Rohr. Ein solches Verfahren ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 197 34 780.0 beschrieben.

[0002] Das beschriebene Verfahren ist vorteilhaft, weil es in einem kontinuierlichen Verfahrensablauf wirtschaftlich in der Lage ist, geschweißte Kupferrohre und Rohre aus Kupferlegierungen in niedriger bis hoher Kapazität herzustellen. Die kontinuierliche Verfahrensabfolge unter Einsatz von Gießmaschinen mit sehr hohen Gießgeschwindigkeiten ermöglicht einerseits die hohe Kapazität, ohne andererseits die Qualität der Rohre negativ zu beeinflussen. Damit wird erstmals ein in der Praxis brauchbares Verfahren zum Herstellen geschweißter Ne-Metallrohre geschaffen, das infolge seiner hohen Kapazität, seiner Flexibilität und seinen niedrigen Kosten wirtschaftlich einsetzbar ist

[0003] Zur Herstellung von Halbzeugen aus Kupfer in kontinuierlichen Gießverfahren wird wegen der hohen Reinheitsanforderungen an den Werkstoff weitgehend elektrolytisch raffiniertes Kupfer in Form von Kathoden eingesetzt. Kupferkathoden enthalten geringe Mengen an Sauerstoff, u. a. aus anhaftenden Sulfatresten. Da Sauerstoff einerseits in kleinen Mengen nur einen geringen schädlichen Einfluß auf die elektrischen, mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Kupfers hat und andererseits der Sauerstoff andere Verunreinigungen oxidiert, vermindert seine Anwesenheit die Leitfähigkeit und Kaltumformbarkeit des Kupfers kaum. Aus diesem Grunde wird in der Elektrotechnik meist sauerstoffhaltiges Kupfer verwendet. Beim Löten und Schweißen von sauerstoffhaltigem Kupfer besteht jedoch die Gefahr der Wasserstoffversprödung, deshalb können derartige Kupfersorten für die Herstellung von Rohren nicht eingesetzt werden. Hier ist ein sauerstofffreies Kupfer erforderlich.

[0004] Nun ist es grundsätzlich bekannt, zur Herstellung von sauerstofffreiem Kupfer dem geschmolzenen Metall besondere Reduktionsmittel, auch als Desoxidationsmittel bezeichnet, wie zum Beispiel Phosphor zuzusetzen. Sie verbinden sich mit dem Sauerstoff zu Oxiden, die als Schlacke aufsteigen. Liegen die Desoxidationsmittel im Überschuß vor, verringern sie zwar die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit; diese Verringerung wird in der Rohrtechnik, d.h. im Bauwesen und Apparatebau, aber zu Gunsten der Schweißbarkeit hingenommen. Es wird daher in der Regel ein Kupfer mit einem kleinen Überschuß an Phosphor eingesetzt.

[0005] Zur Herstellung von Bändern für die Erzeugung von geschweißten Kupferrohren hat sich ein Verfahren als besonders wirtschaftlich herausgestellt, bei dem in einem Schachtschmelzofen Vormaterial erschmolzen und über einen beheizten Gießofen einer kontinuierlich arbeitenden Gießwalzanlage zugeführt wird. Auf dieser Gießwalzanlage wird ein Band einer bestimmten Abmessung gegossen, in Linie warmgewalzt, anschließend in Linie gekühlt, oberflächendesoxidiert und in einem Kaltwalzwerk auf die Dicke des Schweißrohrbandes reduziert. Nach dem Kaltwalzen wird das Band aufgewickelt und einer Rohrschweißanlage zugeführt. Die gewalzte Bandbreite entspricht der Breite des Schweißrohrbandes plus einer Besäumzugabe. Dieses Rohr würde nach dem Schweißen auf unterschiedliche Rohrfertigabmessungen heruntergezogen werden.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs beschriebene Verfahren zur Herstellung von geschweißten Kupferrohren durch weitere Verfahrensschritte zu optimieren, die die Schweißbarkeit des gewalzten Bandes verbessern und somit die Herstellung eine längsnahtgeschweißten Rohres hoher Qualität ermöglichen.

[0007] Erfindungsgemäß wird das bekannte Verfahren dadurch verbessert, daß als Vormaterial für die geschweißten Rohre Rücklauf- oder Kathodenmaterial eingeschmolzen und über eine Zuführrinne in den Gießofen geleitet wird, wobei zur Desoxidation der Kupferschmelze zu sauerstofffreiem Kupfer Phosphor in geringer Menge als Reduktionsmittel in den Gießofen oder unmittelbar in die Zuführrinne eingeführt wird. Hier wird der Überschuß an Phosphor vom festen Kupfer unter Mischkristallbildung aufgenommen. Auf diese Weise erhält man ein SF-Kupfer nach DIN 1708 bzw. 1787, das aus US-Normen auch als DHP-Copper bekannt ist.

[0008] Mit der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, das bisher ausschließlich für die Erzeugung von Stromleitern (Gießwalzdraht) aus Elektrolytkupfer verwendet wird, welches ebenfalls unter der Bezeichnung SE-Kupfer in der vorgenannten DIN enthalten ist. Für sauerstofffreies Kupfer zur Herstellung von geschweißten Rohren sind solche Gießwalzverfahren bislang nicht im industriellen Einsatz.

[0009] Es hat sich gezeigt, daß es nicht ausreicht, wenn der Phosphorgehalt des späteren Walzmaterials zwar innerhalb der von den Normen genannten Werten liegt, aber in einer unerwünschten Bandbreite schwankt. Gerade beim Schweißen von Kupferrohren hat sich gezeigt, daß aus Gründen einer gleichmäßigen Qualität der Schweißnaht, insbesondere beim Schweißen mittels hochfrequentem Strom, der Phosphorgehalt nur in einem kleinen Bereich schwanken darf. Bei größeren Schwankungsbreiten besteht, insbesondere bei dünnwandigen Rohren und hohen Schweißgeschwindigkeiten, die Gefahr von Fehlschweißungen, die in der Regel zum Ausschuß des Rohres führen. Grund für diese Fehlschweißungen ist die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit, die durch örtlich unterschiedliche Phosphorgehalte des Kupferbandes hervorgerufen wird.

[0010] Erfindungsgemäß sollte deshalb für längsnahtgeschweißte Rohre ein sauerstoffreies Kupfer mit 0,015 bis 0,040 % Phosphor in einer Schwankungsbreite von ± 30 ppm verwendet werden..

[0011] Die bekannten Gießwalzdrahtverfahren für Elektrolytkupfer arbeiten in der Regel mit gasbeheizten Gießöfen. Diese sind für sauerstofffreies Kupfer nachteilig; denn auf Grund der ungenügenden Badbewegung der Schmelze in derartigen Öfen ist das enge Toleranzfeld des Rest-Phosphorgehaltes, das für die Herstellung von geschweißten Rohren unerläßlich ist, nicht einzuhalten. Aus diesem Grund schlägt die Erfindung nach einem anderen Merkmal vor, daß die Durchmischung der Schmelze in dem Gießofen oder in der Zuführrinne mittels elektromagnetischer Wechselfelder einer induktiven Rührspule erfolgt. Durch die gleichmäßige Verteilung des Phosphors in der Schmelze wird erreicht, daß beim Schweißen des Rohres auf Grund konstanter Leitfähigkeit im Schweißrohrband weniger Fehler auftreten, die Qualität des Rohres besser wird und die Ausschußquote sinkt.

[0012] Der Gießofen oder die Zuführrinne können erfindungsgemäß gasbeheizt oder auch induktiv beheizt werden. Bei Verwendung eines gasbeheizten Gießofens kann das Bad der Schmelze durch eine zusätzliche induktive Rührspule in Bewegung versetzt werden. Bei einem induktiv beheizten Gießofens ist eine Kombination der Heizspule mit der Rührspule denkbar; geeignet sind induktiv beheizte Gießöfen, welche mit Rinnen- oder Tiegelinduktoren ausgerüstet sind, deren elektromagnetische Wechselfelder dazu benutzt werden, die Kupferschmelze intensiv so gut durchzumischen, daß der Phosphorgehalt nur noch eine Schwankungsbreite von ± 30 ppm aufweist.

[0013] Um den Phosphorgehalt in der Schmelze automatisch konstant zu halten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Sauerstoffgehalt und/oder der durchschnittliche Restphosphorgehalt der Schmelze gemessen werden und an Hand der gemessenen Werte die Mengenzugabe des Phosphors in die Schmelze bestimmt wird, die benötigt wird, um den restlichen Sauerstoff im flüssigen Kupfer zu binden und den Gesamt-Phosphorgehalt auf den geforderten Wert anzuheben.

[0014] Die Messung des Sauerstoffgehaltes in der Schmelze erfolgt vor der Zugabe von Phosphor. Vorzugsweise wird der Phosphorgehalt der Schmelze auf Werte zwischen 0,018 % und 0,030 % eingestellt.

[0015] Das Verfahren funktioniert wie folgt:
Zur Erzeugung der Kupferschmelze wird der Schmelzofen entweder nur mit Kathoden oder mit zusätzlichem Rücklaufmaterial chargiert. Stammt das Rücklaufmaterial aus der Rohrherstellung, besitzt es bereits einen bestimmten Phosphorgehalt. Wird dieser Phosphorgehalt vor dem Chargieren gemessen und ist das Gewichtsverhältnis zwischen Kathodenkupfer und Rücklaufmaterial bekannt, läßt sich der durchschnittliche Restphosphorgehalt der Schmelze ermitteln. An Hand des gemessenen Sauerstoffgehaltes der Schmelze kann jetzt auch die Mengenzugabe von Phosphor bestimmt werden, das vorzugsweise in Form von Phosphor-Kupfergranulat zugeführt wird und mit dem der restliche Sauerstoff im flüssigen Kupfer gebunden wird, um den Gesamt-Phosphorgehalt auf einen den Vorschriften entsprechenden Wert anzuheben

[0016] Die Messung kann kontinuierlich oder in angemessenen Zeitabständen über eine unter Umgebungsluftabschluß arbeitende Phosphordosiereinrichtung erfolgen, mit der die zur Desoxidation erforderliche Menge von Phosphor als Phosphor-Kupfer-Granulat an die Schmelze abgeführt wird.

Ansprüche

1. Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von geschweißten Rohren aus Cu und Cu-Legierungen in einer kombinierten Fertigungslinie, bestehend aus einem in Linie angeordneten Schmelzofen, einem Gießofen, einer Bandgießanlage, einem Warmwalzwerk, einer Kühlstrecke, einem Kaltwalzwerk und einer Coileinrichtung, sowie anschließender Rohreinform- und Schweißstrecke mit ggf. nachfolgender Zieheinrichtung für das geschweißte Rohr,
dadurch gekennzeichnet,
daß Rücklauf- oder Kathodenmaterial im Schmelzofen zu Vormaterial für die geschweißten Rohren erschmolzen und über eine Zuführrinne in den Gießofen geleitet wird, daß zur Desoxidation der Schmelze zu sauerstofffreiem Kupfer als Reduktionsmittel Phosphor in geringer Menge in den Gießofen oder unmittelbar in die Zuführrinne eingeführt wird und daß die Schmelze in dem Gießofen oder in der Zuführrinne mit dem Phosphor durchmischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge des eingeführten Phosphors so dosiert wird, daß in der desoxidierten Schmelze 0,015 bis 0,040 % Phosphor in einer Schwankungsbreite von ± 30 ppm enthalten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Durchmischung der Schmelze in dem Gießofen oder in der Zuführrinne mittels elektromagnetischer Wechselfelder einer induktiver Rührspulen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gießofen oder die Zuführrinne gasbeheizt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gießofen oder die Zuführrinne induktiv beheizt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoffgehalte und/oder der durchschnittliche Restphosphorgehalt der Schmelze gemessen werden und an Hand der gemessenen Werte die Mengenzugabe des Phosphors in die Schmelze bestimmt wird, die benötigt wird, um den restlichen Sauerstoff im flüssigen Kupfer zu binden und den Gesamt-Phosphorgehalt auf den geforderten Wert anzuheben

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messungen kontinuierlich oder in angemessenen Zeitabständen erfolgen und der Phosphorgehalt in der Schmelze durch Dosierung des zugeführten Phosphors automatisch konstant gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß über eine unter Umgebungsluftabschluß arbeitende Phosphordosiereinrichtung die zur Desoxidation erforderliche Menge von Phosphor als Phosphor-Kupfer-Granulat an die Schmelze abgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Phosphorgehalt der Schmelze auf Werte zwischen 0,018 % und 0,030 % eingestellt wird.