Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Hohlblocks aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der
Nahtlose Rohre insbesondere aus Stahl werden im Regelfall in drei Hauptumformschritten hergestellt und zwar durch Lochen, Strecken und Fertigwalzen. Dabei werden häufig massive Rundblöcke zunächst in einem Schrägwalzwerk zu einem Hohlblock gelocht und später in das sogenannte Maß- oder Streckreduzierwalzwerk zum Fertigwalzen eingeführt. Für das dazwischen liegende Strecken sind verschiedene Verfahren bekannt, wie z.B. das Stoßbankverfahren.
Aus der
Bekannt ist aus der
Durch leicht aufweitendes Walzen kann mit dem bekannten Verfahren aus einem massiven Rundblock mit einem Durchmesser von 180 mm Durchmesser ein Hohlblock mit einem Durchmesser von 186 mm erzeugt werden bei einem Aufweitegrad von 3,3%. Um das erzeugbare Walzspektrum signifikant zu erhöhen, wären allerdings mindestens doppelt so große Durchmesser-Vergrößerungen oder mehr erforderlich, ohne die Walzen zu diesem Zwecke wechseln zu müssen.
Während gemäß
Der Einlaufwinkel beschreibt dabei den Winkel zwischen der Walzenachse und der Mantellinie des Walzenkörpers im Einlaufbereich.
Der Auslaufwinkel ist der Winkel zwischen der Walzenachse und der Mantellinie des Walzenkörpers im Auslaufbereich.
Beim Ein- und Auslaufwinkel ist zu unterscheiden zwischen dem durch die Kalibrierung der Walzen vorgegebenen Ein- und Auslaufwinkel und dem effektiven Ein- und Auslaufwinkel mit dem das Walzgut in den Einlaufteil der Walzen einläuft.
Der Einlaufwinkel der Walzen wird gebildet durch den Winkel zwischen der Walzenlängsachse und der Mantellinie des Walzenkörpers im Einlaufbereich der Walze. Entsprechend wird der Auslaufwinkel durch den Winkel zwischen der Walzenlängsachse und der Mantellinie des Walzenkörpers im Auslaufbereich der Walze gebildet.
Der effektive Einlaufwinkel, mit dem das Walzgut in den Einlaufteil der Walzen einläuft, ergibt sich durch den eingestellten Spreizwinkel zwischen der Walzenlängsachse und der Längsachse des Walzgutes bzw. Walzwerksmittenachse. Bei einem Spreizwinkel von 0° entspricht dann der Einlaufwinkel der Walzen dem effektiven Einlaufwinkel. Entsprechendes gilt für den effektiven Auslaufwinkel.
Im Falle eines Transportwinkels von Null Grad und eines Spreizwinkels von Null Grad entsprechen die effektiv im Walzwerk wirksamen Ein- und Auslaufwinkel den in die Walze kalibrierten Winkeln. Änderungen des Spreizwinkels führen zu Änderungen der effektiven Ein- und Auslaufwinkel. Im Falle eines gleichen in den Walzenkörper kalibrierten Ein- und Auslaufwinkels von 3,5° führt die Reduzierung des Spreizwinkels um 1° zur Reduzierung des effektiven Einlaufwinkel auf 2,5° und zur Erhöhung des effektiven Auslaufwinkels auf 4,5°.
Der Spreizwinkel beschreibt den Winkel zwischen Walzen- und Walzgutachse bei einem Transportwinkel von Null Grad. Schneiden sich die beiden Achsen vor der Einlaufseite des Schrägwalzwerkes, ergibt sich ein positiver Spreizwinkel. Liegt der Schnittpunkt auf der Auslaufseite, so ist der Spreizwinkel negativ.
Der Transportwinkel, der den Vorschub des Walzgutes relativ zum Lochdorn im Walzwerk vorgibt, beschreibt den Winkel, um den die Walzen um eine zur Walzwerksmittenachse senkrechte Schwenkachse verschwenkt sind.
Sollen nach dem Stand der Technik zum Beispiel aus demselben Rundblock dickwandige Hohlblöcke mit einem Durchmesser von 155 mm bis 192 mm hergestellt werden, war es bislang notwendig, zwei verschiedene Walzensätze einzusetzen. Als dickwandig gelten Hohlblöcke mit einer Wanddicke über 25 mm. Allerdings konnte mit diesen Maßnahmen noch kein stabiler Walzprozess erreicht werden. Zudem müssen teure Walzensätze mit zwei verschiedenen Kalibrierungen vorgehalten und entsprechende Umrüstzeiten von bis zu acht Stunden für das Schrägwalzwerk in Kauf genommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Hohlblocks aus Stahl aus einem massiven Rundblock durch Schrägwalzen mittels eines Drei-Walzen-Schrägwalzwerkes anzugeben, bei dem mittels eines einzigen Walzensatzes gleichermaßen Hohlblöcke stark reduzierend als auch stark aufweitend gelocht werden können. Die mit einem Blockdurchmesser erzeugten Hohlbiockdurchmesser sollen variabel einstellbar sein und im Durchmesser um bis zu 35% voneinander abweichen können. Desweiteren sollen mit dem Verfahren die Umrüstzeiten und damit Lagerhaltungskosten für zusätzlich kalibrierte Walzen deutlich reduziert werden.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.
Die Lehre der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Hohlblocks aus einem massiven Rundblock aus Stahl mit einem Hohlblock-Durchmesser, der durch reduzierendes oder aufweitendes Walzen kleiner oder größer gewalzt wird als der eingesetzte massive Rundblock, bei dem mittels eines Drei-Walzen-Schrägwalzwerkes über einen zwischen den Walzen gehaltenen, einen Lochteil und mindestens einen Glättteil aufweisenden Lochdorn der Hohlblock erzeugt wird, wobei zur Herstellung des Hohlblocks mit einem im Vergleich zum eingesetzten Rundblock verringerten oder vergrößerten Durchmesser, insbesondere der lichte Abstand der Walzen im engsten Querschnitt ("hoher Punkt") in Relation zum Durchmesser des eingesetzten Rundblockes und die Lage der Lochdornspitze in Bezug auf den hohen Punkt (Dornvorlage) sowie der effektive Einlaufwinkel eingestellt werden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass unter Verwendung eines identischen Walzensatzes für das reduzierende und aufweitende Walzen die Einstellungen für die Walzen und den Lochdorn durch folgende Gleichungen ermittelt und vorgenommen werden:
Die gewünschten Hohlblockdurchmesser im Bereich zwischen den Grenzwerten für das reduzierende und aufweitende Walzen können dann ohne Änderung der Walzenkalibrierung unter Anpassung der Dornvorlage, des Durchmessers am hohen Punkt und durch Variation des Spreizwinkels realisiert werden, wodurch sich andere effektive Ein-und Ausiaufwinkel ergeben.
Soll beispielsweise der Durchmesser des Hohlblockes gleich dem des massiven Rundblockes sein, müsste der Spreizwinkel so gewählt werden, dass sich im Falle einer gleichen Länge des Ein- und Auslaufteils auf der Walze auch gleiche Ein- und Auslaufwinkel von ca. 3,5°bis 4,0° ergeben. Der Durchmesser am hohen Punkt würde ca. 85% betragen, die Domvorlage ca. 0,25 x Blockdurchmesser.
Es gilt der Grundsatz, je größer der gewünschte Hohlblockdurchmesser, desto größer der Spreizwinkel, desto kleiner der effektive Einlaufwinkel, desto größer der Auslaufwinkel, desto größer der Durchmesser am hohen Punkt und desto kleiner die Dornvorlage.
Versuche haben überraschend gezeigt, dass nur durch eine kombinierte Veränderung des effektiven Einlaufwinkels, der Dornvorlage und des Durchmessers im hohen Punkt, ein breites Spektrum an Hohlblockdurchmessern gewalzt werden kann.
Gegebenenfalls sind für große Durchmesser-Variationen des Hohlblockes die Lochdorne entsprechend neu zu kalibrieren.
Grundvoraussetzung für die Anwendung der Erfindung ist ein Drei-Walzen-Schrägwalzwerk, in dem der Spreizwinkel der Walzen geändert werden kann. Dieser beschreibt den Winkel zwischen Walzen- und Walzgutachse bei einem Transportwinkel von Null Grad. Schneiden sich die beiden Achsen vor der Einlaufseite des Schrägwalzwerkes, ergibt sich ein positiver Spreizwinkel. Liegt der Schnittpunkt auf der Auslaufseite, so ist der Spreizwinkel negativ.
Sämtliche vorstehenden Angaben zu Ein- und Auslaufwinkel beziehen sich auf einen theoretischen Transportwinkel von Null Grad, der das Schwenken der Walzen um die Senkrechte zur Walzachse beschreibt. Dadurch ergeben sich im dreidimensionalen Raum nochmals veränderte (größere) Ein- und Auslaufwinkel, die aufgrund der Komplexität nicht gesondert ausgewiesen sind.
Der große Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, dass mit der gleichen Walzenkalibrierung von stark reduzierend bis stark aufweitend gelocht werden kann, wobei die erzielten Hohlblockdurchmesser mit einer Walzenkalibrierung um bis zu 35% voneinander abweichen können. Damit verbunden sind erhebliche Zeiteinsparungen für nicht mehr benötigte Walzenwechsel sowie das Vorhalten entsprechender Walzensätze. Zudem lässt sich die Anzahl der erforderlichen Rundblockformate für die zu erzeugenden Hohlblockdurchmesser reduzieren, was den Logistikaufwand erheblich verringert.
Für das stark aufweitende Walzen ist neben der erfindungsgemäßen Variation der Walzeneinstellung nur ein entsprechend kalibrierter Dorn mit einem zusätzlichen Aufweiteteil einzusetzen.
Beispielsweise kann auf diese Weise aus einem Rundblock mit 180 mm Durchmesser ein Hohlblock mit einem Durchmesser von 155 mm oder ein Hohlblock mit einem Durchmesser von 192 mm hergestellt werden. Dies entspricht einem realisierten Reduktionsgrad von ca. 14 % bzw. einem Aufweitegrad von ca. 7%.
Der Aufweitegrad ist dabei definiert als Differenz der Durchmesser von Hohlblock und Rundblock dividiert durch den Durchmesser des Rundblocks.
Im Zuge der durchgeführten Versuche wurde erkannt, dass mit den ursprünglich für das Reduzieren vorgesehenen Walzen ein stark aufweitendes Walzen mit einem Aufweitegrad von deutlich über 5% oder sogar über 15% möglich ist, wenn der Spreizwinkel zwischen Walzenlängsachse und Walzuverksmittenachse und der Abstand der Walzen im hohen Punkt derart angepasst wird, dass sich eine deutliche Verringerung des effektiven Einlaufwinkels ergibt.
Beim reduzierenden Walzen ist darauf zu achten, dass der Lochdorn ohne Aufweiteteil kalibriert wird, so dass der Dorn nur einen Loch- und einen Glättteil aufweist.
Bei der Spreizwinkeleinstellung ist darauf zu achten, dass ein großer effektiver Einlaufwinkel und eine größtmögliche Länge im Einlaufteil der Walze genutzt werden können, um eine Reduktion des Durchmessers des einlaufenden Rohblocks unter der des geforderten Hohlblockdurchmessers zu realisieren.
Im anschließenden Auslaufteil erfolgt nur noch die erforderliche Mindest-Aufweitung, um den Hohlblock sicher über den Lochdorn zu transportieren.
Beim aufweitenden Walzen ist der Spreizwinkel so einzustellen, dass sich ein entsprechend kleinerer Winkel im Einlauf- und ein entsprechender größerer Winkel im Auslauf ergeben.
Eigene Untersuchungen zeigten, dass die aus der
Bei der Spreizwinkeleinstellung ist darauf zu achten, dass ein kleiner Einlaufwinkel und eine möglichst kurze Länge des Einlaufteils beim Walzen genutzt werden, so dass die maximale Reduktion des einlaufenden Rohblockdurchmessers am hohen Punkt nicht unter 85% sinkt.
Die Domvorlage ist beim Aufweiten im Vergleich zum Reduzieren deutlich zu verkleinern, so dass der gesamte Aufweiteprozess im Auslaufteil des Schrägwalzwerkes erfolgt. Hier ist die maximal mögliche Länge des Auslaufteils für den Umformprozess zu nutzen.
Bei einer Walze mit einer Einlauflänge von 300 mm und einer Auslauflänge von 200 mm, beträgt damit die Dornvorlage beim reduzierenden Walzen 60 bis 120 mm und beim aufweitenden Walzen 15 bis 45 mm.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Lochdorn beim aufweitenden Walzen zwischen Lochteil und Glättteil einen zusätzlichen Aufweiteteil aufweist, der bewirkt, dass besonders viel Wanddickenabnahme hinter dem hohen Punkt erfolgt, die wiederum in eine Durchmesseraufweitung umsetzbar ist.
Besondere Anforderungen an den Transportwinkel bezüglich der Anwendung der Erfindung bestehen nicht. Dieser kann entsprechend den Möglichkeiten des Walzwerkes im Bereich von 5,5° bis 12° genutzt werden.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Rohblockdurchmessers von 180 mm auf. Mit SPW ist der Spreizwinkel, mit DM Anstich ist der Anstichdurchmesser des Rundblockes, mit DHP der Durchmesser am hohen Punkt, mit DM Ende der Durchmesser des erzeugten Hohlblockes und mit DM Änderung die erzielte Durchmesseränderung gekennzeichnet. Nicht aufgeführt sind die entsprechend eingestellten Dornvorlagen für das reduzierende und aufweitende Walzen.
Die Ergebnisse belegen eindrucksvoll das nun erzielbare sehr breite Walzspektrum, um mit einem Rundblockdurchmesser Durchmesseränderungen des Hohlblockes von -30% bis +15% zu erzeugen. Daraus ergeben sich Arbeitsbereiche für ein und denselben Walzensatz von -22%...+12%, -30%...+6° oder -20..+16% für die Durchmesseränderung.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand schematischer Darstellungen näher erläutert.
In
Das Drei-Walzen-Schrägwalzwerk besteht aus drei Walzen 2, mit denen der Rundblock 1 über einen Lochdorn 3a zu einem Hohlblock 4a mit einem gegenüber dem Ausgangsdurchmesser des Rundblockes 1 stark reduzierten Durchmesser gewalzt wird. Der engste Querschnitt zwischen den drei Walzen 2 kennzeichnet den hohen Punkt 6 und gibt den erzeugten Durchmesser des Hohlblocks 4a vor.
Die Spitze des Lochdorns 3a steht mit einem Abstand 7 in Walzrichtung gesehen vor dem hohen Punkt 6 der Walzen 2. Die Spitze des Lochdorn 3a nimmt dabei eine Lage ein, die sicherstellt, dass der Rundblock 1 fehlerfrei reduzierend gelocht wird.
Der Abstand 7 wird auch als Dornvorlage bezeichnet. Den zum reduzierenden Walzen erfindungsgemäß verwendeten Lochdorn 3a zeigt
Für das stark aufweitende Lochen zeigt
Erfindungsgemäß zeigt
Den erfindungsgemäß für das stark reduzierende Lochen eingesetzten Lochdorn 3b zeigt
In
Der kalibrierte Ein- und Auslaufwinkel der Walzen 2 ist in
Der Einlaufwinkel 15 beschreibt den Winkel zwischen der Walzenachse 8 und der Mantellinie der Walzen 2 im Einlaufbereich. Auch hier gibt der Pfeil die Einlaufrichtung des Rundblocks in die Walzen 2 an.
Der Auslaufwinkel 16 ist der Winkel zwischen der Walzenachse 8 und der Mantellinie der Walzen 2 im Auslaufbereich.
Bei einem Spreizwinkel von 0° entspricht dann der kalibrierte Ein- und Auslaufwinkel dem effektiven Ein- und Auslaufwinkel, mit dem das Walzgut, also der Rundblock 1, in die Walzen 2 ein- bzw. hinausläuft.
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