DE102010024034A1

DE102010024034A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rohres, Rohr sowie Vorrichtung zur Herstellung eines Rohres

Info

Publication number: DE102010024034A1
Application number: DE102010024034A
Authority: DE
Inventors: Rudolph Schiessl
Original assignee: Schiessl Rudolph 98693
Current assignee: Schiessl Rudolph 98693
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres, bei dem ein Bandstahl zu einem Spaltrohr kontinuierlich verformt und der Spalt des Spaltrohrs anschließend verschweißt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Rohr (11) als Endlosrohr nach dem Verschweißen im Durchlaufverfahren einem kontinuierlichen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird, wobei der Wärmebehandlungsprozess abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Rohr gemäß Patentanspruch 13 sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Rohres gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.
Die Herstellung von geschweißten Rohren aus Bandstahl ist aus dem Stand der Technik bekannt. Ein auf sogenannten Abrollhaspeln aufgewickelter Bandstahl wird zunächst kontinuierlich im Durchlaufverfahren zu einem Spaltrohr verformt und der Spalt dieses Spaltrohrs anschließend durch einen kontinuierlichen Schweißvorgang verschweißt, so dass sich ein Endlosrohr mit einem umfangseitig geschlossenen Rohrkörper ergibt. Anschließend werden die nach innen bzw. außen von der Rohrwandung abstehenden Schweißnahtwülste durch spanabhebende Bearbeitung auf den Schweißrohrdurchmesser angearbeitet. Nach der Schweißnahtbearbeitung wird das Rohr einem Abkühlprozess unterzogen und durch einen daran anschließenden Reduzier- und Kalibrierprozess bezüglich der Form und des Außendurchmessers derart nachbearbeitet, dass ein Rohr mit der gewünschten Form und dem gewünschten Außendurchmesser entsteht.
Nachteilig am aufgezeigten Stand der Technik ist, dass sich bedingt durch die Abkühlung des Rohres in einem Abkühlabschnitt wie auch durch das im weiteren Prozess verwendete Kühlschmiermittel eine Aufhärtung der Schweißnaht etwa um 100% ergibt, so dass das Rohr im Schweißnahtbereich eine wesentlich höhere Materialhärte aufweist, als in den übrigen Rohrumfangsbereichen. Durch diese Schweißnahtaufhärtung ergibt sich zum einen ein erhöhter Verschleiß der Rollen innerhalb der Maßwalz- und Kalibrierstation und zu einer Standzeitverringerung der Trennelemente in den Trennprozessen zur Erzeugung der gewünschten Länge der Rohre, zum anderen müssen Rohre mit erhöhter Schweißnahtaufhärtung schweißnahtorientiert weiter verarbeitet werden. Dies führt zu aufwendigen und damit teuren Weiterverarbeitungsprozessen.
Es ist weiterhin bekannt, bereits auf eine bestimmte Länge zugeschnittene Rohre einer weiteren, vom eigentlichen Herstellungsprozess des Rohres getrennten Wärmebehandlung zu unterziehen, um mit Hilfe dieser Wärmebehandlung ein gleichmäßigeres metallurgisches Gefüge des Rohres zu erhalten. Nachteilig hierbei ist, dass sich die Rohre durch den Wärmebehandlungsprozess verziehen und daher nach dem Wärmebehandlungsprozess in einer Richtstation nachgerichtet werden müssen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Herstellung eines Rohres anzugeben, das rationell durchführbar ist und bei dem eine Aufhärtung des Schweißnahtbereichs reduziert bzw. wirksam vermieden wird. Die Aufgabe wird ausgehend von den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 15 jeweils durch deren kennzeichnende Merkmale gelöst.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Bandstahl zunächst zu einem Spaltrohr kontinuierlich verformt, der Spalt des Spaltrohrs anschließend zur Erzeugung des Rohres verschweißt und das Rohr als Endlosrohr nach dem Verschweißen bzw. Verrohren im Durchlaufverfahren einem kontinuierlichen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess unterzogen, wobei der Wärmebehandlungsprozess abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls gesteuert wird.
Durch die Verrohrung und Wärmebehandlung im Durchlaufverfahren, bei dem die Verformung des Bandstahls zum Spaltrohr, das Verschweißen des Spaltrohrs zum Schweißrohr sowie der Wärmebehandlungsprozess in aufeinander folgenden Stationen mit einem konstanten Massedurchsatz pro Zeiteinheit stattfinden, ergibt sich ein rationelles Herstellungsverfahren für Rohre, wobei durch die gezielte Wärmebehandlung keine oder nur eine geringfügige Aufhärtung des Schweißnahtbereichs gegenüber den übrigen Rohrumfangsbereichen ergibt und sich unabhängig vom Ausgangwerkstoff genau definierte physikalische Werkstoffeigenschaften einstellen lassen. Dadurch ergeben sich zum einen geringere Kosten durch den Einsatz von im Vorfeld nicht wärmebehandeltem Bandstahl, ein geringerer Verschleiß von Rollen insbesondere in der Maßwalz- und Kalibrierstation und eine Standzeiterhöhung der mechanischen Trennelemente, zum anderen muss die Weiterverarbeitung des Rohrs, bzw. des Rohrstücks nicht schweißnahtorientiert erfolgen.
Vorzugsweise wird als Bandstahl ein thermisch unbehandelter Stahl mit der Legierung eines Stahles nach DIN 10305-3, DIN EN 10268, bzw. DIN EN 10338 u.a. verwendet, der eine Schweißbarkeit gewährleistet, d. h. vorzugsweise ein Kohlenstoffäquivalent kleiner als 0,5% besitzt. Diese Stähle sind grundsätzlich dazu geeignet, einen Mehrphasenstahl ausbilden. Wird dieser Stahl anschließend dem mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess unterzogen, bildet sich durch den Wärmebehandlungsprozess ein metallurgisches Gefüge mit mehreren Phasen. Dadurch wird der Wärmebehandlungsprozess zur Verringerung der Schweißnahtaufhärtung bzw. weiterer Prozess- und Weiterverarbeitungsnachteile vorteilhafterweise mit dem Wärmebehandlungsprozess zur Herstellung des Mehrphasenstahls kombiniert.
Besonders bevorzugt wird der Wärmebehandlungsprozess in einer Wärmebehandlungsvorrichtung mit zumindest einem Heizabschnitt, mit zumindest einem Temperaturhalteabschnitt und mehreren Abkühlabschnitten durchgeführt, wobei der Heizabschnitt, der Temperaturhalteabschnitt und die Abkühlabschnitte derart ansteuerbar sind, dass das Rohr abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls mit einem definierten, zeitabhängigen Temperaturverlauf beaufschlagt wird. Dadurch wird während des Rohrherstellungsprozesses die endgültige Werkstoffqualität im Rohr über den integrierten Wärmebehandlungsprozess sichergestellt. Insbesondere können über den Wärmebehandlungsprozess die Martensit-, Banit-, Perlit- und Ferrit-Gefügeanteile des Rohres durch die Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses festgelegt werden, so dass definierte Werte für die Härte, die Zugfestigkeit, die Streckgrenze, die Fließfähigkeit und die Kerbschlagarbeit abhängig vom Einsatzbereich des Rohres erreicht werden.
Vorzugsweise wird der Wärmebehandlungsprozess in einer Wärmebehandlungsvorrichtung mit zumindest einem Heizabschnitt mit mehreren Heizelementen, mit zumindest einem Temperaturhalteabschnitt mit mehreren Temperierelementen und mehreren Abkühlabschnitten mit jeweils mehreren Abkühlelementen durchgeführt, wobei die Heizelemente, die Temperierelemente und/oder die Abkühlelemente redundant und einzeln zuschaltbar und/oder steuerbar bzw. regelbar sind. Dadurch ist es zum einen möglich, dass die wirksame Längen des Heizabschnitts, des Temperaturhalteabschnitts oder der Abkühlabschnitte abhängig von der Legierung des Bandstahls bzw. abhängig von den gewünschten Gefügeanteilen des wärmebehandelten Rohres in ihrer räumlichen Erstreckung variabel sind. Durch die Steuerung bzw. Regelung der Heizelemente, der Temperierelemente und der Abkühlelemente, insbesondere durch den Massedurchsatz der Temperiermedien kann der Temperaturgradient, d. h. die Steigung des Temperaturanstiegs bzw. des Temperaturabfalls über der Zeit variiert und damit ein vorgegebener Temperaturverlauf gemäß einem Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm (ZTU-Diagramm) erreicht werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wärmebehandlungsprozess derart ausgebildet, dass das Rohr in einem ersten Abschnitt auf eine Temperatur bis maximal 930°C aufgeheizt, in einem zweiten Abschnitt auf Temperatur gehalten oder auf etwa 800°C abgekühlt, in einem dritten Abschnitt auf etwa 300°C abgekühlt und in einem vierten Abschnitt auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Durch einen derartigen Temperaturverlauf lässt sich insbesondere ein Rohr aus Mehrphasenstahl herstellen, wobei der als Ausgangsmaterial verwendete Bandstahl eine Legierungszusammensetzung für einen Stahl nach DIN 10305-3, DIN EN 10268, bzw. DIN EN 10338 u.a. aufweist, der jedoch thermisch unbehandelt ist.
Bevorzugt wird ein Bandstahl verwendet, dessen Oberfläche mit einer Nickelbeschichtung und/oder einer Kupferbeschichtung versehen ist. Diese Beschichtung weist vorzugsweise eine Dicke von maximal 6 μm auf. Diese Benickelung bzw. Bekupferung, die auch während des Schweißprozesses erhalten bleibt, führt zu einer vollumfänglichen Korrosionsbeschichtung des Rohres. Des Weiteren wird durch die Nickel- bzw. Kupferschicht, die die Oberflächenhärte des Rohres nach der Wärmebehandlung verringert, vermieden, dass sich bei der Verrohrung des Bandstahls bzw. beim Kalibrieren und Maßwalzen des Rohres in der Kalibrier- und Maßwalzstation durch Abrieb ein Belag auf den Formwerkzeugen, insbesondere den Walzen, bildet, der zu einer Reduzierung der Oberflächengüte des Rohres führt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Rohr während des Wärmebehandlungsprozesses platzsparend geführt. Dies kann insbesondere durch eine schlangenförmige Verlegung der Wärmebehandlungsstrecke aus mehreren in einer Ebene ausgebildeten, parallel zueinander geführten Wärmebehandlungsabschnitten erfolgen. Besonders bevorzugt wird die platzsparende Führung durch eine schraubenlinienförmige gewendelte Führung des Rohres während des Wärmebehandlungsprozesses erreicht. Aufgrund einer Schweißgeschwindigkeit von bis zu 200 m/min und einem Wärmebehandlungsprozess, der abhängig von der Legierung des Bandstahls bzw. der gewünschten Gefügeanteile eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, ergibt sich eine Länge der Wärmebehandlungsvorrichtung größer als 100 m, die die Unterbringung der in einer Linie verlaufenden Wärmebehandlungsvorrichtung in einer Halle erschwert. Durch die platzsparende Verlegung der Wärmebehandlungsstrecke, insbesondere durch die Ausnutzung des Raumes durch eine schraubenlinienförmige Wendelung kann die Länge der Wärmebehandlungsvorrichtung deutlich reduziert werden.
Vorzugsweise ist das Rohr zumindest während des Wärmebehandlungsprozesses außenumfangseitig durch Halte- und Führungseinrichtungen mit Führungsrollen, Antriebsrollen und/oder Führungszwischenelementen geführt. Durch diese Halte- und Führungseinrichtungen wird das Rohr während des Wärmebehandlungsprozesses formerhaltend geführt, so dass insbesondere im Heizabschnitt und im Temperaturhalteabschnitt ein Kollabieren des Rohres wirksam vermieden wird. Innerhalb dieser Halte- und Führungseinrichtungen oder zwischen diesen Halte- und Führungseinrichtungen können die Heizelemente, die Temperierelemente oder die Abkühlelemente vorgesehen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Rohr, das herstellbar ist durch

– die Bereitstellung eines Bandstahls aus einer Stahllegierung mit maximal 0,32 Masseprozent Kohlenstoff, maximal 2,2 Masseprozent Silizium, maximal 2,5 Masseprozent Mangan, maximal 0,12 Masseprozent Phosphor, maximal 0,015 Masseprozent Schwefel, maximal 2 Masseprozent Aluminium, maximal 1,2 Masseprozent in der Summe aus Chrom und Nickel, maximal 0,2 Masseprozent in der Summe aus Niob und Titan, maximal 0,22 Masseprozent Vanadium und maximal 0,005 Masseprozent Bor;
– die kontinuierliche Verformung eines Bandstahls zu einem Spaltrohr;
– die Verschweißung des Spaltes des Spaltrohres zur Erzeugung eines Rohres (11) und
– die Beaufschlagung des als Endlosrohr vorliegenden Rohres (11) mit einem kontinuierlichen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess nach der Verschweißung im Durchlaufverfahren, wobei der Wärmebehandlungsprozess abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls gesteuert und/oder geregelt wird.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Rohres im Durchlaufverfahren umfassend zumindest eine Abrollstation für einen Bandstahl, eine Verformungseinrichtung zur Formung eines Spaltrohres aus dem Bandstahl und eine Schweißstation zum Verschweißen des Spaltes des Spaltrohres, wobei erfindungsgemäß nach der Schweißstation und vor den Maßwalz-, Kalibrier- und Richtstationen eine Wärmebehandlungsvorrichtung mit mehreren Abschnitten vorgesehen ist und die Wärmebehandlungseinrichtung zur Beaufschlagung des als Endlosrohr vorliegenden Rohres mit einem kontinuierlichen mehrstufigen Wärmebehandlungsprozesses ausgebildet ist, wobei die Abschnitte der Wärmebehandlungsvorrichtung abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls steuerbar und/oder regelbar sind.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zumindest ein Heizabschnitt, zumindest ein Temperaturhalteabschnitt und zumindest zwei Abkühlabschnitte vorgesehen, wobei der Heizabschnitt, der Temperaturhalteabschnitt und die Abkühlabschnitte derart ansteuerbar sind, dass das Rohr abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls mit einem definierten, zeitabhängigen Temperaturverlauf beaufschlagt wird. Dadurch wird bereits während des Rohrherstellungsprozesses die endgültige Werkstoffqualität im Rohr über den integrierten Wärmebehandlungsprozess sichergestellt, und zwar abhängig von der Legierung des verwendeten Bandstahls. Insbesondere können über den Wärmebehandlungsprozess die Martensit-, Banit-, Perlit- und Ferrit-Gefügeanteile des Rohres durch die Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses festgelegt werden, so dass definierte Werte für die Härte, die Zugfestigkeit, die Streckgrenze, die Fließfähigkeit und die Kerbschlagarbeit abhängig vom Einsatzbereich des Rohres erreicht werden.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Rohr innerhalb der Wärmebehandlungsvorrichtung platzsparend, insbesondere schraublinienförmig gewendelt geführt. Dadurch kann der für die Wärmebehandlungsvorrichtung benötigte Aufstellraum bzw. die Aufstellfläche entscheidend reduziert werden.
Weiterhin bevorzugt ist eine Anwalzstation zum Anwalzen der vom Rohrumfang abstehenden Schweißnaht vorgesehen. Diese Anwalzstation ist vorzugsweise unmittelbar in die Schweißstation integriert. Das Verschweißen des Spaltes des Spaltrohrs wird vorteilhafterweise bei geringem Anschmiededruck der sich einander gegenüberliegenden Längskanten des Bandstahls durchgeführt. Diese Längskanten sind hierbei derart angestellt, dass sich nach außen nur eine geringe Schweißnahtwulst bildet, so dass sich diese anschließend ohne spanabhebendes Verfahren durchmessergleich anwalzen lässt. Vorzugsweise bleibt durch die geringere Schweißnahtwulst die Nickel- bzw. Kupferschicht im Schweißnahtbereich erhalten. Durch den Verzicht auf ein spanabhebendes Verfahren werden Oberflächenfehler auf dem Rohr durch ein Mitschleppen von Spanteilen in die Maßwalz- und Kalibrierstationen vermieden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Zudem ergeben sich Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung keinesfalls auf die angegebenen Beispiele beschränkt sein soll. Es zeigen
1 beispielhaft eine erfindungsgemäße Rohrfertigungsanlage in einer schematischen Seitendarstellung;
1a beispielhaft eine erfindungsgemäße Rohrfertigungsanlage in einer schematischen Draufsichtdarstellung;
2 beispielhaft eine erfindungsgemäße Rohrfertigungsanlage mit schraublinienförmig ausgebildeter Wärmebehandlungsvorrichtung in einer schematischen Seitendarstellung;
2a beispielhaft eine erfindungsgemäße Rohrfertigungsanlage mit schraublinienförmig ausgebildeter Wärmebehandlungsvorrichtung in einer schematischen Draufsichtdarstellung;
3 beispielhaft eine schematische Seitendarstellung der schraublinienförmig ausgebildeten Wärmebehandlungsvorrichtung;
4 beispielhaft eine schematische Querschnittsdarstellung einer Halte- und Führungseinrichtung zur Führung des Rohrs durch die Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß 3;
5 beispielhaft eine schematische Schnittdarstellung durch ein Heizelement des Heizabschnitts;
6 beispielhaft eine schematische Schnittdarstellung durch ein Abkühlelement eines Abkühlabschnitts;
7 beispielhaft eine schematische Schnittdarstellung in Durchführrichtung durch ein Temperierelement eines Temperaturhalteabschnitts;
7a beispielhaft eine schematische Schnittdarstellung in senkrecht zur Durchführrichtung des Rohres verlaufender Richtung durch ein Temperierelement eines Temperaturhalteabschnitts;
In den 1 und 1a ist jeweils mit dem Bezugszeichen 1 eine Rohrfertigungsanlage gezeigt. Die Rohrfertigungsanlage 1 ist zur Fertigung eines Endlosrohres im Durchlaufverfahren ausgebildet, wobei ein Bandstahl zu einem Spaltrohr kontinuierlich verformt und der Spalt des Spaltrohrs anschließend verschweißt wird.
Die Rohrfertigungsanlage 1 besteht aus mehreren, vorzugsweise in Reihe angeordneten Komponenten. Der Bandstahl, der als Rohmaterial für die Herstellung des Rohres 11 dient, ist in einer Abrollstation 2 auf einer Abrollhaspel aufgewickelt. Daran schließt sich vorzugsweise eine Anschlussschweißstation 3 an, mittels der ein Ende des Bandstahls mit einem Bandanfang einer Folgehaspel verschweißt werden kann, so dass auch bei Wechsel der Abrollhaspel ein ununterbrochenes Rohr 11 fertigbar ist. In Fertigungsrichtung FR folgend ist ein Bandstahlspeicher 4 vorgesehen, der als Zwischenpuffer für eventuelle Schwankungen der Durchlaufgeschwindigkeit beim Rohrherstellungsprozess dient.
Das im Bandstahlspeicher 4 zwischengepufferte Bandstahl wird anschließend kontinuierlich im Durchlaufverfahren in einer Verformungseinrichtung 5, die vorzugsweise aus mehreren, schraublinienförmig angeordneten Rollenpaaren besteht, zu einem Spaltrohr umgeformt, wobei die Längskanten des Bandstahls zueinander parallel und beabstandet verlaufen, so dass durch diese Längskanten der Spalt des Spaltrohres begrenzt wird. In der auf die Verformungseinrichtung 5 folgenden Schweißstation 6 wird daran anschließend automatisch der Spalt des Spaltrohres im Durchlaufverfahren verschweißt. Hierbei können jegliche aus dem Stand der Technik bekannte Schweißtechniken, insbesondere Hochfrequenzschweißen oder Laserschweißen angewandt werden.
Erfindungsgemäß schließt sich an die Schweißstation eine Wärmebehandlungsvorrichtung 7 an, innerhalb der das verschweißte Rohr 11 als Endlosrohr im Durchlaufverfahren einem kontinuierlichen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird. Dieser Wärmebehandlungsprozess weist vorzugsweise zumindest eine Aufheizphase und zumindest zwei Abkühlphasen auf.
An den Wärmebehandlungsprozess in der Wärmebehandlungsvorrichtung 7 schließt sich in Förderrichtung FR eine Maßwalz- und Kalibrierstation 13 an, in der das nach wie vor als Endlosrohr vorliegende Rohr 11 gerichtet und auf Maß gewalzt und dabei in seinen Außenmaßen reduziert wird. Hierbei durchläuft das Rohr 11 so genannte Kalibrier- und Richtgerüste, die mehrere konkav gewölbte Rollenpaare aufweisen, die unter Druckeinwirkung das Rohr 11 richten und auf Maß auswalzen. Dabei wird das Rohr 11 vorzugsweise mit einem Kühl-Schmier-Mittel beaufschlagt bzw. umspült. Nach Durchlaufen der Kalibrier- und Maßwalzstation 13 wird das Endlosrohr in einer Sägestation 14 in Rohre von gewünschter Länge zersägt und beispielsweise einer Sortier- und Verpackungsstation 16 zugeführt.
Vorzugsweise wird ein Bandstahl mit einer Legierungszusammensetzung verwendet, die einen Mehrphasenwerkstoff ausbilden kann. Insbesondere wird eine Legierungszusammensetzung verwendet, die nach einer definierten zeitabhängigen Temperatureinwirkung innerhalb der Wärmebehandlungsvorrichtung 7 zu einem Mehrphasenstahl führt, also beispielsweise einem Dualphasen-, Komplexphasen- oder TRIP-Stahl. Derartige Mehrphasenstähle zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Festigkeit und Dehnbarkeit aus, wobei sich die Stähle durch plastische Verformung gezielt verfestigen, so dass Mehrphasenstähle aufgrund ihrer positiven Wirkung auf die Crashsicherheit insbesondere in der Automobilindustrie häufig Anwendung finden.
Der Bandstahl mit der Legierung eines Mehrphasenstahls wird in thermisch unbehandelter Form der Verformungseinrichtung 5 zur Bildung des Spaltrohrs zugeführt, so dass der Bandstahl zwar die für Mehrphasenstahl typischen Legierungsbestandteile aufweist, jedoch der Bandstahl noch nicht dem Wärmeprozess unterzogen wurde, der zu dem mehrphasigen Gefüge eines Mehrphasenstahls führt. Diese die Mehrphasigkeit bewirkende Wärmebehandlung wird an die Schweißstation 6 anschließend in der Wärmebehandlungseinrichtung 7 durchgeführt, und zwar ebenfalls im Durchlaufverfahren, wobei der Bandstahl mit gleich bleibender Durchlaufgeschwindigkeit in das Spaltrohr umgewandelt, verschweißt und dem mehrstufigen Wärmeprozess unterzogen wird. Die Durchlaufgeschwindigkeit kann hierbei beispielsweise bis zu 200 m/min betragen.
Aus Gründen der Produktionsstabilität kann es erforderlich sein, zwischen der Schweißstation 6 und der Wärmebehandlungseinrichtung 7 eine Puffereinrichtung vorzusehen, in der ein Teilstück des bereits verschweißten Rohrs zwischengepuffert wird. Dadurch können kleinere Verzögerungen bzw. Stopps während des Schweißprozesses und/oder der Bandnachführung kompensiert werden, die ohne eine derartige Puffereinrichtung zu einem längeren Verbleib des Rohres in der Wärmebehandlungseinrichtung 7, damit zu einer Abweichung vom gewünschten Wärmebehandlungsprozess und unter Umständen zu einem Ausschuss des während der Verzögerung bzw. des Stopps in der Wärmebehandlungseinrichtung 7 geführten Rohrstücks führen würde.
Vorzugsweise weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 7 mehrere Wärmebehandlungsabschnitte auf, und zwar zumindest einen Heizabschnitt 7.1, einen darauf folgenden Temperaturhalteabschnitt 7.2 und zwei daran anschließende Abkühlabschnitte 7.3, 7.4, in denen das Rohr 11 mit unterschiedlichen Temperaturgradienten abgekühlt wird. Mittels dieser Heiz-, Temperaturhalte- und Abkühlabschnitte 7.1–7.4 kann das Rohr 11 im Durchlaufverfahren abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit und/oder der Legierung des Bandstahls und/oder der Rohrmasse und/oder abhängig von der gewünschten Metallstruktur bzw. den mechanischen Eigenschaften des fertigen Rohres 11 mit einem definierten, zeitabhängigen Temperaturverlauf beaufschlagt werden, so dass sich bedingt durch den eingestellten Temperaturverlauf das mehrphasige Gefüge innerhalb der Metallstruktur einstellt.
Zur Einstellung eines definierten, zeitabhängigen Temperaturverlaufs kann der Heizabschnitt 7.1 mit mehreren Heizelementen 8, der Temperaturhalteabschnitt 7.2 mit mehreren Temperierelementen 9 und die Abkühlabschnitte 7.3, 7.4 mit mehreren Abkühlelementen 10 in Fertigungsrichtung FR beabstandet versehen sein, so dass die Heizelemente 8, die Temperierelemente 9 und/oder die Abkühlelemente 10 redundant ausgebildet, und darüber hinaus einzeln steuerbar, regelbar bzw. zu- oder abschaltbar sind. Durch die hintereinander angeordneten Heiz-, Temperaturhalte- und Abkühlabschnitte 7.1– 7.4 ist es insbesondere möglich, das Rohr 11 vorzugsweise programmgesteuert nach Vorgabe eines Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramms (ZTU-Diagramm) zu beaufschlagen und dadurch eine gewünschte Metallstruktur bzw. gewünschte mechanische Eigenschaften des fertigen Rohrs in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit bzw. der Legierung zu erreichen.
Bevorzugt wird das verschweißte Rohr 11 im Heizabschnitt 7.1 mit einem Temperaturgradienten von etwa 77°C/sec auf eine Temperatur von etwa 930°C aufgeheizt, anschließend im Temperaturhalteabschnitt 7.2 mittels Temperierelemente 9 auf Temperatur gehalten oder auf etwa 800° mit einem Temperaturgradienten von etwa –5,5°C/sec leicht abgekühlt und daran anschließend in zwei Abkühlabschnitten 7.3, 7.4 abgekühlt, vorzugsweise im ersten Abkühlabschnitt 7.3 mit einem Temperaturgradienten von etwa –50°C/sec auf etwa 300° und im daran anschließenden, zweiten Abkühlabschnitt 7.4 mit einem Temperaturgradienten von etwa –11°C/sec auf Raumtemperatur. Mittels eines derartigen Wärmebehandlungsprozesses liegt nach der Wärmebehandlungsvorrichtung 7 ein verschweißtes Rohr 11 aus Mehrphasenstahl vor, das sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass das Rohr 11 im Schweißnahtbereich keine extreme Aufhärtung, insbesondere keine Schweißnahtaufhärtung größer als 100% aufweist. Somit zeichnen sich die derart hergestellten Rohre 11 aus Mehrphasenstahl durch eine entlang des Umfangs gleichmäßige, homogene Gefügestruktur aus, so dass die weiteren Verarbeitungsschritte bzw. die Verarbeitung des Rohrs 11 durch den Endabnehmer nicht schweißnahtorientiert erfolgen müssen.
2 und 2a zeigen ebenfalls eine Rohrfertigungsanlage 1 zur Herstellung eines Rohres 11 aus Mehrphasenstahl. Der wesentliche Unterschied zur Rohrfertigunganlage 1 der 1 und 1a besteht darin, dass die Wärmebehandlungsvorrichtung 7 platzsparend angeordnet ist, und zwar vorzugsweise derart, dass das verschweißte Rohr schraublinienförmig bzw. spiralförmig durch die Wärmebehandlungsvorrichtung 7 geführt ist. Durch diese Wendelung ergibt sich bei einer durch den Wärmebehandlungsprozess für Mehrphasenstähle und der Durchlaufgeschwindigkeit resultierenden, vom Rohr 11 zu durchlaufenden Wegstrecke eine kürzere Längsausdehnung L der Wärmebehandlungsvorrichtung 7, so dass sich auch bei Durchlaufgeschwindigkeiten von bis zu 200 m/min des Rohres 11 und Wärmebehandlungsprozessen von etwa 70 Sekunden eine Längsausdehnung L der Wärmebehandlungsvorrichtung 7 erreichen lässt, die eine platzsparende Aufstellung der Rohrfertigungsanlage 1 beispielsweise in Hallen ermöglicht.
3 zeigt schematisch eine Wärmebehandlungsvorrichtung 7 mit schraubenlinienförmig gewendelter Führungslinie 7.5 für das Rohr 11. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 7 weist vier Abschnitte 7.1–7.4 auf, wobei der erste Abschnitt ein Heizabschnitt 7.1, der zweite Abschnitt ein Temperaturhalteabschnitt 7.2, der dritte Abschnitt ein erster Abkühlabschnitt 7.3 und der vierte Abschnitt ein zweiter Abkühlabschnitt 7.4 ist. Entlang der schraubenlinienförmig gewendelten Führungslinie 7.5 für das Rohr 11 sind den jeweiligen Abschnitten 7.1–7.4 die Heizelemente 8, die Temperierelemente 9 bzw. die Abkühlelemente 10 (nicht dargestellt) zugeordnet.
Die Führung des Rohrs 11 entlang der schraubenlinienförmig gewendelten Führungslinie 7.5 erfolgt mittels einer Vielzahl von Halte- und Führungseinrichtungen 12, wobei eine derartige Halte- und Führungseinrichtung 12 in 4 gezeigt ist. Die Halte- und Führungseinrichtung 12 besteht aus einem inneren und einem äußeren Kreisring, die durch Führungsrollen 12.1, zumindest eine Antriebsrolle 12.2 und zwischen diesen Rollen 12.1, 12.2 liegenden Führungszwischenelementen 12.3 gebildet sind. Der innere Kreisring aus Führungsrollen 12.1, zumindest einer Antriebsrolle 12.2 und dazwischenliegenden Führungszwischenelementen 12.3 liegt innenumfangsseitig am Rohr 11, der äußere Kreisring außenumfangsseitig am Rohr 11 an.
Vorzugsweise sind die Führungsrollen 12.1, die Antriebsrollen 12.2 und/oder die Führungszwischenelemente 12.3 mit ihrer Außenwölbung an die umfangseitige Wölbung des Rohres 11 angepasst, sodass insbesondere im Heizabschnitt 7.1 und im Temperaturhalteabschnitt 7.2 ein Kollabieren des Rohres 11 wirksam vermieden wird.
Die Halte- und Führungseinrichtungen 12 weisen zumindest in regelmäßigen Abständen innerhalb der Wärmebehandlungsvorrichtung 7 zumindest eine innenumfangsseitig und eine außenumfangsseitig an der Wandung des Rohres 11 anliegende Antriebsrolle 12.2 auf, wobei sich die Antriebsrollen 12.2 vorzugsweise gegenüberliegen. Diese Antriebsrollen 12.2 können abhängig von dem gewünschten Temperatur-Zeit-Verlauf bzw. von der spezifischen Wärmeausdehnung des Rohres 11 in dem zumindest einen Heizabschnitt 7.1, dem zumindest einen Temperierabschnitt 7.2 und den zumindest zwei Abkühlabschnitten 7.3, 7.4 mit unterschiedlicher, geregelter Geschwindigkeit angetrieben werden. Dadurch kann eine temperaturbedingte Längsdehnung des Rohres 11 ausgeglichen werden. Bei den Halte- und Führungseinrichtungen 12, die keine Antriebsrollen 12.2 aufweisen, sind die Antriebsrollen 12.2 durch Führungsrollen 12.1 ersetzt.
In 5 ist ein Heizelement 8 zum Einsatz in einer Heizeinrichtung 7.1 der Wärmebehandlungsrichtung 7 gezeigt. Die Heizeinrichtung 8 besteht aus mehreren um die Führungslinie 7.5 des Rohres 11 gewendelt angeordneten Spulenwicklungen 8.1, die von elektrischem Strom durchflossen eine Induktionsheizung für das durchlaufende Rohr 11 bilden. Eine derartige Induktionsheizung eignet sich insbesondere zum äußerst schnellen Aufheizen des Rohres 11 innerhalb einer sehr kurzen Zeit. In der Spulenwicklung 8.1 verläuft vorzugsweise ein Kanal 8.2, der von einem Kühlmedium durchflossen werden kann und dabei die Spulenwicklungen 8.1 kühlt.
6 zeigt ein Abkühlelement 10, das in die Abkühlabschnitte 7.3, 7.4 der Wärmebehandlungsvorrichtung 7 integrierbar ist. Dieses Abkühlelement 10 weist eine Düse 10.1 auf, über die ein Abkühlmedium, insbesondere Wasser, an das Rohr 11 herangeführt werden kann. Bevorzugt ist die Düse 10.1 in ein Führungszwischenelement 12.3 der Halte- und Führungseinrichtung 12 eingebracht, sodass die Düsen 10.1 gezielt das Abkühlmedium an die Außenumfangsseite des Rohres 11 heranführen können. Bevorzugt ist der Durchfluss des Abkühlmediums derart geregelt bzw. gesteuert, dass ein definierter Abkühlgradient bzw. negativer Temperaturgradient in Fertigungsrichtung FR in den Abkühlabschnitten 7.3, 7.4 erzielt werden kann.
7 und 7a zeigen jeweils ein Temperierelement 9 zur Anordnung im Temperaturhalteabschnitt 7.2 der Wärmebehandlungsvorrichtung 7. Dieses Temperierelement 9 weist eine kreisförmige Öffnung 9.1 auf, durch die das Rohr 11 hindurchführbar ist. Des Weiteren ist im Temperierelement 9 ein Hohlraum 9.2, insbesondere ein kreisringförmiger Hohlraum 9.2 ausgebildet, in dem beispielsweise unter Druck stehender Stickstoff aufgenommen ist, der zur Temperierung des durchlaufenden Rohrs 11 durch die Temperierelemente 9 dient.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel findet ein beidseitig oberflächenvernickelter oder oberflächenbekupferter Bandstahl als Ausgangsmaterial Verwendung. Die Nickel- bzw. Kupferschicht ist hierbei vorzugsweise maximal 6 μm dick. Zum einen führt die Beschichtung, die auch im Schweißbereich erhalten bleibt, zu einem vollständigen Korrosionsschutz des Rohres 11 entlang der gesamten Innen- und Außenumfangsseiten. Zum anderen wird durch die Benickelung bzw. Bekupferung vermieden, dass sich bei der Verrohrung des Bandstahls bzw. beim Kalibrieren und Maßwalzen des Rohres 11 in der Kalibrier- und Maßwalzstation 13 durch Abrieb Belag auf den Formwerkzeugen, insbesondere den Walzen bildet, der einerseits einen erhöhten Wartungsaufwand der Formwerkzeuge mit sich bringt und andererseits auch zu einer Verringerung der Oberflächengüte des Rohres 11 selbst führt, sodass durch die Beschichtung der galvanische Nachbehandlungsaufwand der Rohre 11 hinfällig oder zumindest stark reduziert wird.
Weiterhin vorteilhaft erfolgt das Verschweißen des Spaltes des Spaltrohrs bei geringem Anschmiededruck, wobei die einander gegenüberliegenden Längskanten des Bandstahls, die den Spalt bilden, derart angestellt sind, dass außen nur eine geringe Schweißnahtwulst entsteht. Aufgrund des geringen Abstehens der Schweißnahtwulst kann diese ohne spanabhebendes Verfahren lediglich durch Anwalzen in einer Anwalzstation 6.1 in der Schweißstation 6 durchmessergleich angewalzt werden.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Modifikationen und Änderungen der Erfindung möglich sind, ohne dass hierdurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Rohrfertigungsanlage
2: Abrolistation
3: Anschlussschweißstation
4: Bandstahlspeicher
5: Verformungseinrichtung
6: Schweißstation
6.1: Anwalzstation
7: Wärmebehandlungsvorrichtung
7.1: Heizabschnitt
7.2: Temperaturhalteabschnitt
7.3: Abkühlabschnitt
7.4: Abkühlabschnitt
7.5: Führungslinie
8: Heizelement
8.1: Spulenwicklung
8.2: Kanal
9: Temperierelement
9.1: Öffnung
9.2: Hohlraum
10: Abkühlelement
10.1: Düse
11: Rohr
12: Halte- und Führungseinrichtung
12.1: Führungsrolle
12.2: Antriebsrolle
12.3: Führungszwischenelement
13: Kalibrier- und Maßwalzstation
14: Sägestation
15: Sortier- und Verpackungsstation
FR: Fertigungsrichtung
L: ängsausdehnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 10305-3 [0008]
DIN EN 10268 [0008]
DIN EN 10338 [0008]
DIN 10305-3 [0011]
DIN EN 10268 [0011]
DIN EN 10338 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rohres, bei dem Bandstahl zu einem Spaltrohr kontinuierlich verformt und der Spalt des Spaltrohrs anschließend zur Erzeugung des Rohrs (11) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) als Endlosrohr nach dem Verschweißen im Durchlaufverfahren einem kontinuierlichen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird, wobei der Wärmebehandlungsprozess abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Werkstoffs des Bandstahls gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bandstahl ein thermisch unbehandelter Stahl mit einer Legierung zur Ausbildung eines Mehrphasenwerkstoffs verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsprozess derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass durch den Wärmebehandlungsprozess ein Rohr aus Mehrphasenstahl entsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsprozess in einer Wärmebehandlungsvorrichtung (7) mit zumindest einem Heizabschnitt (7.1), mit zumindest einem Temperaturhalteabschnitt (7.2) und mehreren Abkühlabschnitten (7.3, 7.4) durchgeführt wird, wobei der Heizabschnitt (7.1), der Temperaturhalteabschnitt (7.2) und die Abkühlabschnitte (7.3, 7.4) derart ansteuerbar sind, dass das Rohr (11) abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls mit einem definierten, zeitabhängigen Temperaturverlauf beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsprozess in einer Wärmebehandlungsvorrichtung (7) mit zumindest einem Heizabschnitt (7.1) mit mehreren Heizelementen (8), mit zumindest einem Temperaturhalteabschnitt (7.2) mit mehreren Temperierelementen (9) und mehreren Abkühlabschnitten (7.3, 7.4) mit jeweils mehreren Abkühlelementen (10) durchgeführt wird, wobei die Heizelemente (8), die Temperierelemente (9) und/oder die Abkühlelemente (10) redundant und einzeln zuschaltbar und/oder steuerbar und/oder regelbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsprozess in einer Wärmebehandlungsvorrichtung (7) mit vier Abschnitten (7.1–7.4) durchgeführt wird, wobei das Rohr (11) in einem ersten Abschnitt (7.1) auf eine Temperatur bis maximal 930°C aufgeheizt wird, in einem zweiten Abschnitt (7.2) auf Temperatur gehalten oder auf etwa 800°C abgekühlt wird, in einem dritten Abschnitt (7.3) auf etwa 300°C abgekühlt wird und in einem vierten Abschnitt (7.4) auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (7.1), Temperierelemente (7.2) und/oder Abkühlelemente (7.3, 7.4) in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Legierung des Bandstahls und/oder der erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Rohres (11) angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bandstahl mit einer Nickel- oder einer Kupferbeschichtung einer Stärke von maximal 6 μm verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) während des Wärmebehandlungsprozesses platzsparend geführt, insbesondere schraubenlinienförmig gewendelt geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) zumindest während des Wärmebehandlungsprozesses außenumfangsseitig durch eine Halte- und Führungseinrichtung (12) mit Führungsrollen (12.1), Antriebsrollen (12.2) und/oder Führungszwischenelemente (12.3) geführt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) nach dem Wärmebehandlungsprozess kalibriert und auf Maß gewalzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) den Wärmebehandlungsprozess als Endlosrohr durchläuft.
Rohr herstellbar durch – die Bereitstellung eines Bandstahls aus einer Stahllegierung mit maximal 0,32 Masseprozent Kohlenstoff, maximal 2,2 Masseprozent Silizium, maximal 2,5 Masseprozent Mangan, maximal 0,12 Masseprozent Phosphor, maximal 0,015 Masseprozent Schwefel, maximal 2 Masseprozent Aluminium, maximal 1,2 Masseprozent in der Summe aus Chrom und Nickel, maximal 0,2 Masseprozent in der Summe aus Niob und Titan, maximal 0,22 Masseprozent Vanadium und maximal 0,005 Masseprozent Bor; – die kontinuierliche Verformung eines Bandstahls zu einem Spaltrohr; – die Verschweißung des Spaltes des Spaltrohres zur Erzeugung eines Rohres (11) und – die Beaufschlagung des als Endlosrohr vorliegenden Rohres (11) mit einem kontinuierlichen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess nach der Verschweißung im Durchlaufverfahren – die Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls.
Rohr nach Anspruch 13, herstellbar durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 12.
Vorrichtung zur Herstellung eines Rohres im Durchlaufverfahren umfassend zumindest eine Abrollstation (2) für einen Bandstahl, eine Verformungseinrichtung (5) zur Formung eines Spaltrohres aus dem Bandstahl und eine Schweißstation (6) zum Verschweißen des Spaltes des Spaltrohres, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Schweißstation (6) eine Wärmebehandlungsvorrichtung (7) mit mehreren Abschnitten (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) vorgesehen ist, und dass die Wärmebehandlungseinrichtung (7) zur Beaufschlagung des als Endlosrohr vorliegenden Rohres (11) mit einem kontinuierlichen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess ausgebildet ist, wobei die Abschnitte (7.1, 7.2, 7.3, 7.4) der Wärmebehandlungsvorrichtung (7) abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls steuerbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heizabschnitt (7.1), zumindest ein Temperaturhalteabschnitt (7.2) und zumindest zwei Abkühlabschnitte (7.3, 7.4) vorgesehen sind, wobei der Heizabschnitt (7.1), der Temperaturhalteabschnitt (7.2) und die Abkühlabschnitte (7.3, 7.4) derart ansteuerbar sind, dass das Rohr (11) abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit, der Rohrmasse und der Legierung des Bandstahls mit einem definierten, zeitabhängigen Temperaturverlauf beaufschlagt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsvorrichtung (7) zumindest einen Heizabschnitt (7.1) mit mehreren Heizelementen (8), zumindest einen Temperaturhalteabschnitt (7.2) mit mehreren Temperierelementen (9) und mehreren Abkühlabschnitten (7.3, 7.4) mit mehreren Abkühlelementen (10) aufweist, wobei die Heizelemente (8), die Temperierelemente (9) und/oder die Abkühlelemente (10) redundant und einzeln zuschaltbar und/oder steuerbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (8), Temperierelemente (9) und/oder Abkühlelemente (10) in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit (11) und/oder der Legierung des Bandstahls und/oder der erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Rohres (11) ansteuerbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (11) innerhalb der Wärmebehandlungsvorrichtung (7) platzsparend, insbesondere schraubenlinienförmig oder spiralförmig gewendelt geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anwalzstation (6.1) zum Anwalzen der vom Rohrumfang abstehenden Schweißnaht vorgesehen ist.