DE102004059092A1

DE102004059092A1 - Verfahren und Werkzeug zur Herstellung eines warmgefertigten nahtlosen Rohres aus hochwarmfesten Stählen

Info

Publication number: DE102004059092A1
Application number: DE200410059092
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Groß-Weege; Klaus Kraemer; Mark van der Logt; Walter Michael Dr. Kaluza
Original assignee: V&M Deutschland GmbH
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2006-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von warmgefertigten nahtlosen Rohren aus hochwarmfestem Stahl, mit den Arbeitsschritten: DOLLAR A - Erwärmen eines Gussblockes auf Umformtemperatur, DOLLAR A - Lochen zu einem dickwandigen Hohlkörper mit Boden, DOLLAR A - Durchstoßen des Bodens im warmen Zustand zu einem dickwandigen Rohrkörper, DOLLAR A - Strecken auf einem Schrägwalzwerk mit zwei Schrägwalzen, DOLLAR A - Warmpilgern zum Warmrohr, DOLLAR A - Glätten in einem Maßwalzwerk auf die Endabmessung, DOLLAR A - Endwärmebehandlung (Vergüten). DOLLAR A Dabei wird nach dem Durchstoßen des Bodens das dickwandige Rohr wieder erwärmt und anschließend in der zum Lochen verwendeten Standard-Lochpresse auf eine Abmessung aufgeweitet, die nahe der Einsatzabmessung für das Warmpilgern liegt, wobei das Strecken auf dem Schrägwalzwerk auf die Einsatzabmessung zum Warmpilgern mit nur einem Schrägwalzstich erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung nahtloser Rohre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein gattungsgemäßes Rohrherstellungsverfahren wird beispielsweise im Stahlrohr Handbuch (Vulkan-Verlag, Essen, 12. Auflage 1995, S.97–101) beschrieben.
Mit dem als Schrägwalz-Pilgerschrittverfahren bezeichneten Rohrherstellungsverfahren für nahtlose Rohre sind Rohre im Durchmesserbereich bis etwa 711 mm, mit Wanddicken bis etwa 100 mm, bei Rohrlängen bis zu 28 m herstellbar.
Als Ausgangsmaterial werden für schwere Pilgerstraßen vornehmlich Rund-Gussblöcke mit einem Gewicht bis ca. 7 t eingesetzt. Die Einsatzblöcke sind hinsichtlich Durchmesser, Länge und Gewicht auf die zu fertigende Rohrabmessung abgestimmt.
Nach Erwärmen auf Umformtemperatur werden die Gussblöcke auf einer meist senkrechten Lochpresse in eine runde Matrize eingebracht und mit Hilfe eines zylindrischen Lochstempels von etwa halbem Matrizendurchmesser zu einem dickwandigen Hohlkörper mit Boden umgeformt.
Üblicherweise wird in einer sich daran anschließenden, meist horizontal angeordneten Durchstoßpresse, der Boden des Hohlblockes durchstoßen und für den Schrägwalzvorgang vorbereitet. Alternativ ist das Durchstoßen des Bodens jedoch auch im Schrägwalzwerk möglich.
Als nächster Arbeitsgang folgt eine Wanddickenreduzierung des dickwandigen Rohrkörpers im Schrägwalzwerk mit leichter Streckung auf einem Dorn als Innenwerkzeug. Die Streckung des Materials beträgt dabei etwa 1,3 bis 2 bzw. die Querschnittabnahme etwa 23 bis 50%.
Im Anschluss an den Schrägwalzvorgang wird der Rohrkörper in gleicher Walzhitze im Pilgergerüst auf einem Pilgerdorn als Innenwerkzeug zum fertigen Rohr ausgewalzt. Die Streckung liegt dabei zwischen 3 und 10, entsprechend einer Querschnittsabnahme von etwa 67 bis 90%.
Nach beendetem Walzvorgang wird das fertige Rohr vom Pilgerdorn abgezogen. Der verbleibende, unverformte Rest des Hohlkörpers, der sogenannte Pilgerkopf, sowie der ungleichmäßig verformte Pilgerfuß, werden durch eine Warmsäge vom Rohr abgetrennt.
Anschließend wird das Rohr im Regelfall einem Maßwalzwerk zugeführt, wo die geforderten Rohrendabmessungen erzeugt werden. Falls gefordert, wird anschließend noch eine Endwärmebehandlung, wie z. B. eine Vergütung, durchgeführt.
Die Herstellung nahtloser Rohre aus einem hochwarmfesten Stahl, z. B. X10CrMoVNb9-1, bekannt auch unter der Typenbezeichnung T91 bzw. P91 (ASTM) mit 9% Chromgehalt und 1 % Molybdängehalt sowie Vanadin- und Niob-Zusätzen und ggf. Wolfram-Zusätzen, stellt eine besondere Herausforderung dar.
Dieser Stahl ist stark rissanfällig, sobald größere Schubspannungen bei der Warmumformung auftreten, wie es für das Schrägwalzen typisch ist. Aus diesem Grund wird versucht, den Umformgrad im Schrägwalzwerk so gering wie möglich zu halten.
In der DE 100 20 131 C1 wird eine Verfahrensweise offenbart, bei der ein großer Teil der bisher notwendigen Wanddickenreduzierung vom Schrägwalzwerk zur Lochpresse hin verlagert wird. Dabei wird der Umstand genutzt, dass bei der Umformung in der Lochpresse ein nahezu einachsiger Spannungszustand vorliegt, wodurch so gut wie keine Zugspannungen auftreten, die zu Warmrissen führen könnten. Der Umformgrad für die Querschnittsverformung in der Lochpresse soll hierbei mindestens 25% betragen.
Die schwache Umformung auf dem Schrägwalzwerk wird im Wesentlichen nur noch für das Entzundern genutzt, um sicherzustellen, dass beim anschließenden Warmpilgern keine noch fest anhaftenden Zunderreste mit eingewalzt werden.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass nicht mehr die im Pilgerwalzwerk zur Verfügung stehenden Standard-Lochpressen verwendet werden können, da die erforderliche Presskraft für den notwendigen Umformgrad von 25% für die hochwarmfesten Stähle nicht mehr gegeben ist.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist, dass die Erwärmung des zu lochenden Gussblockes aus dem oben beschriebenen hochwarmfesten Werkstoff, aus einem aufwändigen zweistufigen Verfahren bestehen muss, um Warmrissbildung zu vermeiden. Dazu wird nach der Lochung in einer ca. 24 Stunden dauernden Abkühlphase der Hohlblock kontrolliert abgekühlt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit dem die beschriebenen Nachteile vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren verwendet, bei dem nach dem Durchstoßen des Bodens, der dickwandige Rohrkörper wieder erwärmt und anschließend in der zum Lochen verwendeten Standard-Lochpresse auf eine Abmessung aufgeweitet wird, die nahezu der Einsatzabmessung für das Warmpilgern entspricht, wobei das Strecken auf dem Schrägwalzwerk auf die Einsatzabmessung zum Warmpilgern mit nur einem Schrägwalzstich erfolgt.
Vorteil dieser Verfahrensweise ist, dass der aufzuweitende Gussblock nunmehr auf den standardmäßig im Pilgerwalzwerk vorhandenen Lochpressen, nach Einsetzen eines Aufweitewerkzeuges, aufgeweitet wird.
Durch Vermeidung einer externen Lochung auf Spezial-Lochpressen werden Transportkosten und Zeit eingespart, wodurch die Rohrfertigung kostengünstiger wird. Weiterhin werden die eigenen Fertigungskapazitäten besser ausgenutzt und damit die Wertschöpfung des Produktes erhöht.
Vorteilhaft werden zur Minimierung von Fertigungszeit- und -kosten die Verfahrensschritte so ausgelegt, dass der Boden des dickwandigen Hohlkörpers nach dem Lochen in gleicher Hitze durchstoßen wird.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist das Verfahren in der Weise ausgestaltet, dass zur Vermeidung von rissauslösenden Spannungen die Streckung des dickwandigen Rohrkörpers beim Aufweiteprozess nahe bei 1,0 liegt.
Erfindungsgemäß wird für das Aufweiten in der Standard-Lochpresse ein Aufweitewerkzeug mit entsprechender geometrischer Ausbildung verwendet. Es besteht im Wesentlichen aus einer zylindrischen Dornstange mit einem verdickten Kopf, der vorzugsweise stumpfkegelig ausgebildet ist. Der Übergangsbereich zwischen der Dornstange und dem verdickten Kopf ist kerbmindernd gestaltet, was zur Verminderung von Spannungskonzentrationen und damit zu einer verlängerten Lebensdauer führt.
Damit der dickwandige Rohrkörper erfindungsgemäß aufgeweitet werden kann, ist der kleinste Durchmesser des Kopfes kleiner, als der Lochdurchmesser des dickwandigen aufzuweitenden Rohrkörpers. Dies ist notwendig, um das Aufweitewerkzeug in die Lochöffnung einführen und damit zentrieren zu können.
Weiterhin ist der größte Durchmesser des Kopfes so groß, dass der mit dem Aufweitewerkzeug aufgeweitete dickwandige Rohrkörper einen Innendurchmesser aufweist, der nahe der Einsatzabmessung für das Warmpilgern liegt.
Erfindungsgemäß weist der Kopf eine optimierte Form auf, wobei der stumpfkegelige Abschnitt einen Neigungswinkel von etwa 15° aufweist. Mit dieser Geometrie wird einerseits die für das Aufweiten notwendige Axialkraft der Presse begrenzt, andererseits wird der Reibwiderstand reduziert, wodurch erreicht wird, dass beim Einschieben des Aufweitewerkzeuges in den dickwandigen Rohrkörper kein Material aufgeschoben wird.
Je nach aufzuweitendem Werkstoff können jedoch auch andere Neigungswinkel erforderlich werden, um ein optimales Ergebnis zu erreichen.
Da der Kopf einem hohen Verschleiß ausgesetzt ist, kann dieser vorteilhaft lösbar mit der Dornstange verbunden sein, wodurch Transport- und Lagerkosten der aufzuarbeitenden oder zu ersetzenden Verschleißteile reduziert werden können.
Zur Reduzierung der Verschleißrate ist der Kopf nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal mit einem Verschleißschutz versehen, der z. B. aus einer gehärteten Oberfläche oder einer aufgebrachten Panzerung bestehen kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der einzigen Figur.
Das erfindungsgemäße Aufweitewerkzeug 1, besteht aus einer zylindrischen Dornstange 2, an die sich an einem Ende ein stumpfkegelig ausgebildeter Kopf 3 anschließt.
Der endseitige, kleinste Durchmesser des Kopfes 3 ist so ausgelegt, dass dieser kleiner ist, als der Lochdurchmesser des dickwandigen Rohrkörpers, um das Einführen und die Zentrierung des Aufweitewerkzeugs 1 zu ermöglichen. Vorteilhaft weist deshalb die Stirnkante eine Abrundung auf.
Der größte Außendurchmesser des Kopfes 3 ist so groß, dass der aufgeweitete dickwandige Rohrkörper einen Innendurchmesser aufweist, der nahe der Einsatzabmessung für das Warmpilgern liegt.
Erfindungsgemäß weist der stumpfkegelig ausgebildete Kopf 3 einen Neigungswinkel 5 von etwa 15° auf, mit dem ein den Anforderungen entsprechendes optimales Aufweiten des drckwandigen Rohrkörpers erreicht werden kann.
Zur Optimierung des Spannungszustandes beim Aufweiten und der damit verbundenen Erhöhung der Lebensdauer des Aufweitewerkzeuges 1, ist der Übergang des Kopfes 3 zur zylindrischen Dornstange 2 kerbmindernd ausgestaltet und vorzugsweise mit einem entsprechenden Radius 4 bzw. 4' versehen.
Bezugszeichenliste

Claims

Verfahren zur Herstellung von warmgefertigten nahtlosen Rohren aus hochwarmfestem Stahl, mit den Arbeitsschritten: – Erwärmen eines Gussblockes auf Umformtemperatur, – Lochen zu einem dickwandigen Hohlkörper mit Boden, – Durchstoßen des Bodens im warmen Zustand zu einem dickwandigen Rohrkörper, – Strecken auf einem Schrägwalzwerk mit zwei Schrägwalzen, – Warmpilgern zum Warmrohr, – Glätten in einem Maßwalzwerk auf die Endabmessung, – Endwärmebehandlung (Vergüten) dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchstoßen des Bodens, das dickwandige Rohr wieder erwärmt und anschließend in der zum Lochen verwendeten Standard-Lochpresse auf eine Abmessung aufgeweitet wird, die nahe der Einsatzabmessung für das Warmpilgern liegt, wobei das Strecken auf dem Schrägwalzwerk auf die Einsatzabmessung zum Warmpilgern mit nur einem Schrägwalzstich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Streckung des dickwandigen Rohres beim Aufweiten nahe bei 1,0 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des dickwandigen Hohlkörpers nach dem Lochen in gleicher Hitze durchstoßen wird.
Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für das Aufweiten in der Lochpresse eine Dornstange (2) mit einem verdickten Kopf (3) verwendet wird.
Werkzeug nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der verdickte Kopf (3) stumpfkegelig ausgebildet ist.
Werkzeug nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (3) lösbar mit der Dornstange (2) verbunden ist.
Werkzeug nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der stumpfkegelig ausgebildete Kopf (3) einen Neigungswinkel (5) von 15° aufweist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 4–7 dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Durchmesser des Kopfes (3) kleiner ist, als der Lochdurchmesser des dickwandigen Rohrkörpers.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 4–7 dadurch gekennzeichnet, dass der größte Durchmesser des Kopfes (3) so groß ist, dass der mit dem Aufweitewerkzeug (1) aufgeweitete dickwandige Rohrkörper einen Innendurchmesser aufweist, der nahe der Einsatzabmessung für das Warmpilgern liegt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 5–9 dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich zwischen der Dornstange (2) und dem Kopf (3) mit einem kerbmindernden Übergang (4, 4') versehen ist.