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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von längsnahtgeschweißten Rohren gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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Längsnahtgeschweißte Rohre werden im einfachsten Fall gefertigt durch Schweißen des Rohres, Glühen des Rohres, Reduzieren des Rohres auf Endabmessung und Endglühen des Rohres. Die Rohre müssen mithin mindestens vier Produktionsschritte durchlaufen.
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Es zählt aber auch zum Stand der Technik, Rohre durch Kaltziehen zu reduzieren, bei welchem der Rohrstrang in einem kontinuerlichen Durchgang nacheinander mehrere, in Abständen hintereinander geschaltete Ziehwerkzeuge und diesen jeweils nachgeordnete, einzeln elektromotorisch angetriebene Rohrziehtrommeln durchläuft und dabei auf jeweils stufenweise kleinere Durchmesser reduziert wird (
DE 25 58 671 C2 ). Interne Versuche haben jedoch gezeigt, dass mit der in der
DE 25 58 671 C2 beschriebenen Einrichtung Rohre nur hohlgezogen werden können, da durch die Kombination der Ziehstufen mit innenliegendem Dorn, der kritische Anstrengungsgrad überschritten wird, was zu Strangabrissen und/oder zum Ablösen der Schweißnaht vom Grundwerkstoff führte. Daher wurde auf die innenliegenden Dorne verzichtet, mit der Folge, dass eine innenseitige Glättung der Schweißnahtüberstände nicht möglich war.
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Nach heutigem Stand der Technik werden Rohre daher in einer Trommelziehanlage, in der ein Rohrstrang durch hintereinander geschaltete Ziehwerkzeuge kontinuierlich in Linie über Hohlzug reduziert wird (EN DIN 10205-3), hergestellt.
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Zum Stand der Technik ist die
DE 35 42 681 A1 zu nennen, betreffend ein Verfahren zur Herstellung bezogener Qualitätsrohre, wobei eine induktive Rohrdurchlaufglühe mit Schnellabkühlung unter Schutzgas einer Rohrziehvorrichtung mit integrierten Stopfenzug vorgeschaltet ist.
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Ferner zählt durch die
DE 101 51 827 A1 sowie die
DE 10 2004 053 021 A1 ein Verfahren zur Herstellung von längsnahtgeschweißten Metallrohren zum Stand der Technik, bei welchen in das noch offene Schlitzrohr ein Schmiermittel mit einer Lanze eingebracht wird. Das Ende der Lanze liegt hinter der Schweißnahteinrichtung, mit der das Schmiertmittel bezüglich seiner Schmiereigenschaften durch die Schweißhitze nicht beeinträchtigt wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, die Herstellung von Rohren (in Linie) ohne inneren Schweißnahtüberstand gemäß der EN DIN 10305-2 zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Patentanspruch 1 betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von längssnahtgeschweißten Rohren. Die Vorrichtung umfasst zunächst eine Rohrformstation, welche dazu vorgesehen ist, aus einem Bandmaterial ein Rohr zu formen. Das geformte Rohr wird in einer Schweißstation zu einem Rohr verschweißt. Beispielsweise können die einander gegenüberliegenden Längskanten des Bandmaterials induktiv miteinander verschweißt werden. An die Schweißstation schließt sich eine Kühlstation an, in welcher das durch den Schweißprozess erwärmte Rohr abgekühlt wird und nachfolgend mehreren hintereinander geschalteten Ziehstufen zugeführt wird, die zur Durchmesserreduzierung vorgesehen sind. Es sind mindestens zwei Ziehstufen vorgesehen. In wenigstens einer Ziehstufe ist ein Ziehwerkzeug vorgesehen, das eine Matrize und einen fliegenden Innendorn umfasst. Dieser Innendorn wird durch Zuführung eines Schmierstoffes geschmiert.
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Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Schmierstofflanze den Schmierstoff in einen Bereich einbringt, in welchem das Bandmaterial bereits zu einem Rohr verschweißt ist. Die Schmierstofflanze erstreckt sich hierbei in Produktionsrichtung der Fertigungslinie durch die Schweißstation, wobei der Bereich der Schmierstoffeinbringung in oder hinter der Kühlstation liegt.
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Der Bereich der Schmierstoffeinbringung fällt insbesondere mit einer endseitigen Öffnung in der Schmierstofflanze zusammen. Die Schmierstofflanze wird also bereits im Bereich der Rohrformstation, bevor das Bandmaterial zu dem Rohr verschweißt wird, in das Rohr mündend angeordnet und reicht relativ tief in das Rohr hinein.
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Die Schmierstofflanze fördert den Schmierstoff so weit in das zu fertigende Rohr hinein, dass ein hinreichender Abstand von der Schweißstation besteht. Eine Zufuhr des Schmierstoffes in dem Bereich des Schweißpunktes oder kurz dahinter, würde zu Rauchentwicklung und könnte sogar zum Entflammen des als Schmierstoff eingesetzten Ziehöls führen. Das soll/muss daher vermieden werden. Es ist vorgesehen, den Schmierstoff in einem Bereich einzubringen, in welchem bestimmte maximale Öltemperaturen nicht überschritten werden. Dieser Bereich beginnt in der sich unmittelbar an die Schweißstation anschließenden Kühlstation. Bei der Kühlstation handelt es sich insbesondere um ein Wasserbad, welches die Außenseite und somit aber auch das Innere des Rohrs kühlt. Die Öltemperatur kann dadurch so niedrig gehalten werden, dass es nicht zu einer störenden Rauchentwicklung kommt. Vorzugsweise wird die Öltemperatur unter 100°C gehalten. Die genaue Temperatur ist jedoch abhängig von der Sorte und der spezifischen Viskosität des Schmierstoffes.
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Bevorzugt erstreckt sich die Schmierstofflanze in Fertigungsrichtung bis in die der Schweißstation abgewandte Hälfte der Kühlstation. Dadurch ist sichergestellt, dass die Temperatur an den Innenwänden des längsnahtgeschweißten Rohres soweit reduziert worden ist, dass keine Rauchentwicklung erfolgt.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die erste zu durchlaufende Ziehstufe eine Hohlzugstation zur Reduzierung des Rohrdurchmessers, wobei die darauffolgende weitere Ziehstufe dafür vorgesehen ist, unter dem Einfluss des mit dem Schmiermittel geschmierten fliegenden Innendorns eine Schweißnaht des Rohres innenseitig zu glätten. Abschließend kann in einer weiteren Ziehstufe in einem reinen Hohlzug, also kein Innenzug mit Dorn, eine Reduzierung auf Endabmessungen erfolgen.
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Die erste Ziehstufe dient somit der Rohreinrundung. Die erste Ziehstufe umfasst nicht nur ein Ziehwerkzeug, sondern zudem eine erste Rohrziehtrommel, um welche das Rohr herumgeführt wird. Dadurch, dass es sich bei der ersten Ziehstufe um einen reinen Hohlzug zur Rohreinrundung handelt, ergibt sich der Effekt, dass durch den Zug ohne Zwischenglühen, eine Einbuchtung am Rohrumfang entsteht. Diese Einbuchtung ergibt sich durch das unterschiedliche Ziehverhalten der harten Längsnaht gegenüber dem weichen Grundwerkstoff. Dadurch ergibt sich in dem nachfolgenden Zug mit Innendorn die Möglichkeit, die nach innen vorstehende Längsnaht einzuglätten. In der Zugstufe mit Innendorn findet mithin eine Reduktion der Rohrwand vorzugsweise nicht statt, sondern nur ein Glätten.
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Die Nahteinformung durch den Innendorn erfolgt unter dem Einfluss des Innendorns, aber letzlich durch die hydrodynamische Schmierung, die durch eine permanente Schmierstoffzuführung sicher gewährleistet ist. Der verwendete Innendorn ist hinsichtlich seiner Geometrie auf die Anforderungen der hydrodynamischen Schmierung angepasst. Der vom Ziehgut infolge seiner Reibung mitgenommene Schmierstoff wird durch den speziell ausgelegten Innendorn auf so hohe Drücke im Ringspalt zwischen der Rohrinnenoberfläche und dem Innendorn gebracht, dass es zu einem Einglätten der Längsschweißnaht kommt. Bevorzugt kommt ein Innendorn zum Einsatz, der aus einem geeigneten Hartstoff gefertigt ist, wie z. B. Hartmetall, Diamant, Keramik, Werkzeugstahl.
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Zusätzlich kann der Innendorn mit einer geeigneten Beschichtung versehen sein, die speziell dem Verschleiß bei dem durch Mischreibung gekennzeichneten Anfahrprozess entgegenwirkt. Die Beschichtung ist in der Lage, ohne negative Anhaftungen oder Abrieb, den Bereich der Mischreibung zu überwinden, um das Entstehen von Riefen an der Innenwand zu vermeiden. Bei dem Innendorn handelt es sich insbesondere um einen Hartmetalldorn. Es können auch geeignete Stähle eingesetzt werden, die extrem gut formbar sind (Zusammensetzung der EN 10305). Durch eine spezielle thermische Endglühbehandlung können mechanische Kennwerte erfüllt werden, die dieser Norm entsprechen. Diese Dorne besitzen eine hohe Standfestigkeit.
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Es hat sich gezeigt, dass bereits mit einer Dornlänge von 60 mm hohe Standzeiten erreicht werden können. Es können aber auch Innendorne mit einer Länge von über 100 mm eingesetzt werden, wodurch sich noch wesentlich höhere Standzeiten erreichen lassen. Diese Dornlängen beziehen sich auf den Außendurchmesser des Rohres von ca. 15 mm. Der Innendorn ist bevorzugt spiegelsymmetrisch aufgebaut, damit er durch einfaches Umdrehen beiderseits mit der Matrize zusammenwirken kann und dadurch noch länger einsetzbar ist.
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In alternativer Ausführungsform ist es möglich, den Innendorn bereits in der ersten Ziehstufe einzusetzen. Das setzt allerdings eine vorhergehende Einrundung voraus. Der ersten Ziehstufe ist mithin eine Kalibrierstufe vorgeschaltet, die für die Einrundung des längsnahtgeschweißten Rohres sorgt. Durch die Glättung der Schweißnaht mittels des fliegenden Innedorns kann in den nachfolgenden Ziehstufen der auf den Rohrstrang wirkende Anstrengungsgrad reduziert werden. Es können dünnere Wandstärken von unter 0,5 mm prozesssicher hergestellt werden.
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In einer dritten Ziehstation erfolgt durch reinen Hohlzug das Reduzieren auf die Endabmessung. Der Prozessschritt des Glühens vor dem Reduzieren des Rohres auf Endabmessung kann entfallen, wodurch das Herstellungsverfahren insgesamt signifikant kostengünstiger ist. Auch die Vorrichtung zur Herstellung der kaltgezogenen Rohre ist dadurch kostengünstiger realisierbar.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass den Matrizen der Ziehwerkzeuge Mittel für einen Drehantrieb während des Ziehvorganges zugeordnet sind, wobei die Drehzahl der Matrize in einem Bereich größer als 800 und insbesondere größer als 1000/min liegt. Durch diese sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Matrize und durch die Rohrgeschwindigkeit ergeben sich bestimmte Relativgeschwindigkeiten im Wirkpunkt zwischen der Rohroberfläche und der Matrize. Da die nur vom Reibwert und der Normalspannung abhängige Schubspannung im Betrag konstant bleibt aber die Richtung der Spannung geändert wird, verringert sich der Reibanteil in Zugrichtung des Rohres. Dies ermöglicht es, zusätzliche Reibanteile einzubringen, ohne dass es beim Rohrstrang zum Abriss kommt. Dadurch wird das Einsetzen eines Innenwerkzeugs, d. h. des Innendorns, möglich.
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Anzumerken ist, dass während des gesamten Prozesses der Rohrstrang beim Reduzieren innerhalb der Ziehwerkzeuge auf einem Gleitfilm bewegt wird. Es findet also kein unmittelbarer metallischer Kontakt zwischen dem Rohrstrang und den Ziehwerkzeugen statt. Hierzu trägt letzlich auch die Beschichtung des fliegenden Innendorns bei, die zu diesem Zweck über die gesamte Länge des Dorns vorgesehen ist. Als Beschichtungswerkstoff kommt z. B. Titan-Carbon-Nitrit (TiCN) zur Anwendung.
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Es hat sich gezeigt, dass durch geringere Rotationsgeschwindigkeiten, von z. B. 40 Umdrehungen/Minute eine unbedeutende Abnahme der Reibungsspannung (unter 0,1%) bewirkt wird. Erst durch schnelle Drehgeschwindigkeiten der Matrize, die über ein Vielfaches höher liegen als der vorgenannte Wert, ergibt sich eine signifikante Reduzierung der Reibspannung. Optimale Drehzahlen liegen in einem Bereich von ca. 1000 U/min und höher.
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Abweichend zum Stand der Technik (
DE 25 58 671 A1 ) ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass in dem wenigstens einen Dorn keine Längsbohrung eingebracht ist, da eine permanente Schmierstoffzuführung für das erfindungsgemäße Verfahren sonst nicht sicher gewährleistet werden kann. Vorzugsweise gibt es nur einen einzigen fliegenden Innendorn, weil es bevorzugt nur eine Ziehstufe mit Innenzug gibt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Patentanspruchs 6. Es basiert auf einer Vorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist. In einem ersten Verfahrensschritt wird in einer Rohrformstation ein Bandmaterial zu einem Rohr geformt. Dadurch werden in einer Schweißstation einander gegenüberliegende Längskanten des umgeformten Bandmaterials miteinander verschweißt Anschließend durchläuft das Rohr eine Kühlstation, insbesondere in Form eines Wasserkastens. Es schließen sich dann mehrere, in Abständen hintereinander geschaltete Ziehstufen an, die bei diesen insgesamt kontinuierlichen Fertigungsverfahren durchlaufen werden. Es handelt sich um eine Fertigungslinie.
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Das Ziehwerkzeug einer Ziehstufe umfasst eine Matrize und einen fliegenden Innendorn, welcher durch Zuführung eines Schmierstoffes geschmiert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem bereits längsnahtgeschweißten Rohr eine Schmierstofflanze angeordnet, die den Schmierstoff tief in das Rohr einbringt. Der Schmierstoff wird erst in oder nach der Kühlstation in das Rohr eingebracht, d. h. in Bereichen, in denen eine Rauchentwicklung oder eine Entzündung des Schmierstoffes ausgeschlossen werden kann. Der Schmierstoff soll demnach in einem Bereich eingebracht werden, in welchem die Temperatur des Schmierstoffes unmittelbar nach dem Einbringen in das Rohr 100°C nicht übersteigt. Der Schmierstoff wird daher vorzugsweise in der zweiten Hälfte der Kühlstation in das Rohr eingebracht. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Schmierstoff endseitig der Schmierstofflanze austritt.
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Wie vorstehend beschrieben, wird in einer ersten Ausführungsform des Verfahrens das Rohr in einer ersten Ziehstufe hohlgezogen und in einer weiteren Ziehstufe unter Einwirkung des mit dem Schmiermittel geschmierten fliegenden Innendorn innenseitig geglättet. Das ist bei der Erfindung möglich, weil die Reibspannungen reduziert werden können, was insbesondere durch Rotation der Matrize eines des zugehörigen Ziehwerkzeuges möglich ist, in dem diese mit mehr als 800 Umdrehungen und insbesondere mehr als 1000 U/min um die Längsachse des Rohrstrangs rotiert wird. Als dritte und abschließende Ziehstufe, kann sich genau wie in der ersten Ziehstufe, ein Hohlzug anschließen.
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Typische Durchmesser für einen solchen dreistufigen Ziehvorgang sind 16 mm nach der ersten Ziehstufe, 14,98 mm nach der zweiten Ziehstufe und 12 mm nach der dritten Ziehstufe bei Wanddicken von etwa 1,0 mm. Selbstverständlich sind auch weitere Hohlzugstufen möglich, um das Rohr auf einen Enddurchmesser von 8 oder 6 mm zu reduzieren. Es hat sich gezeigt, dass dieses Verfahren insbesondere mit Stählen realisierbar ist, die einen sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt von 0,06 Gew.-% aufweisen.
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In einer alternativen zweiten Ausführungsform des Verfahrens wird das Rohr in der ersten Ziehstufe nicht hohlgezogen, sondern mittels des geschmierten fliegenden Innendorns innenseitig geglättet. Da die Einrundungen vor dem Glätten nunmehr nicht durch eine vorgeschaltete Ziehstufe erfolgt, ist eine vorhergehende Kalibrierung des Rohrs zur Einrundung erforderlich. Die Kalibrierung dient auch zur Sicherstellung, dass sich die Schweißnaht in einer 12-Uhr-Position befindet. Wenn die erste Ziehstufe bereits zur Glättung der Schweißnaht dient, ist die zweite oder wenigstens eine weitere nachfolgende Ziehstufe als reiner Hohlzug vorgesehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Ziehstufen I bis III und
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2 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs II der 1.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in Form einer Fertigungslinie zum Ziehen von längsnahtgeschweißten Rohren 1 in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess. Das fertige Rohr 1 wird aus einem Bandmaterial 2 hergestellt, das in einer Rohrformstation 3 zu einem Rohr 1 umgeformt wird. Die sich gegenüberliegenden Längskanten des Bandmaterials 2 werden in der sich anschließenden Schweißstation 4 zu einem längsnahtgeschweißten Rohr 1 miteinander verschweißt. Das durch den Schweißvorgang erhitzte Rohr 1 tritt dann in eine Kühlstation 5 ein, bei welcher es sich um einen Wasserkasten handeln kann. In dieser Kühlstation 5 wird das durch Schweißen erhitzte Rohr 1 heruntergekühlt, bevor es in den mit I bis III bezeichneten Ziehstufen durch Kaltziehen auf das gewünschte Endmaß reduziert wird. Jede Ziehstufe I, II, III umfasst eine Ziehtrommel 6, 7, 8, welche die notwendigen Zugspannungen zum Ziehen des Rohrstranges durch das jeweils vor der Ziehtrommel 6, 7, 8 vorgelagerten Ziehwerkzeug 9 und 10 ermöglichen.
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In der ersten Ziehstufe I erfolgt ausschließlich ein Hohlzug, bei welchen ausschließlich durch äußere Krafteinwirkung das längsnahtgeschweißte Rohr 1 eingerundet wird. Das Rohr 1 wird also durch eine Matrize 15 gezogen.
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Bei der zweiten Ziehstufe II handelt es sich um einen Innenzug mit Innendorn 11, so wie es in der vergrößerten Darstellung A in 2 dargestellt ist.
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In der dritten Ziehstufe III schließt sich ein abschließender Kalibrierzug an, in welchem das Rohr 1 auf die gewünschte Endabmessung reduziert wird.
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Das besondere bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. bei dem mit dieser Vorrichtung duchgeführten Verfahren ist, dass eine Schmierstofflanze 12 zur Zuführung von Schmierstoff 13 in das innere des Rohrs 1 vorgesehen ist, die bis in die Kühlstation 5 ragt. Der Schmierstoff 13, wie er in 2 zu erkennen ist, fließt in einem Bereich in das Rohr 1 ein, in welchem es nicht zu einer Rauchentwicklung oder einer Entzündung des Schmierstoffes 13 kommen kann. Das ist insbesondere in der hinteren Hälfte der Kühlstation 5 der Fall, da hier die Temperatur der Rohrinnenseite 16 auf weniger als 100°C heruntergekühlt worden ist, so dass der Schmierstoff 13 unmittelbar nach dem Einbringen in das Rohr 1 durch eine endseitige Öffnung in der Schmierstofflanze 12 auf ebenfalls unter 100°C gehalten wird.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schmierstofflanze 12 noch länger zu gestalten und den Schmierstoff 13 erst hinter der Kühlstation 5 einzubringen. Für die Eignung eines Bereichs, in den der Schmierstoff 13 eingebracht werden kann, ist die lokale Temperatur maßgeblich. Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, austauschbare Schmierstofflanzen 12 zu verwenden, die in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser und in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und Viskosität des Schmierstoffes 13, diesen eher zu Beginn der Kühlstation 5 oder eher gegen Ende der Kühlstation 5 in das Rohr 1 einbringen.
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2 zeigt in vergrößerter Darstellung den Bereich A der 1, d. h. die Ziehstufe II, bei der ein Innenzug mittels des Innendorns 11 erfolgt. Bei dem Innendorn 11 handelt es sich um einen im Wesentlichen zylindrischen Körper, dessen Enden an die Innengeoometrie einer rotierenden Matrize 15 angepasst sind. Der Innendorn 11 zeichnet sich durch einen relativ langen zylindrischen Mittelteil aus. Die Länge dieses Mittelteils ist um ein vielfaches größer als der Durchmesser des zu ziehenden Rohrs 1. Dadurch bildet sich ein hydrodynamischer Schmierstofffilm 14 zwischen dem Innendorn 11 und der Innenseite 16 des Rohres 1 aus.
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Um die Standzeit des Innendorns 11 zu erhöhen, kann dieser um 180° gedreht werden. Er ist entsprechend symmetrisch ausgebildet.
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Die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierstofffilms 14 ist wesentlich zur Reduzierung der Reibwerte, damit das Rohr 1 überhaupt im Bereich der Matrize 15 umgeformt werden kann. Hierzu ist ein entsprechendes Schmierstoffdepot 17 vor dem Innendorn 11 auszubilden. Hierbei handelt es sich um von der Innenseite 16 des Rohres 1 mitgeschleppten Schmierstoff 13, der sich vor der Stirnseite des Innendorns 11 staut. Durch den sich bildenden Schmierstofffilm 14 erfolgt eine innenseitige Glättung der Schweißnaht des längsnahtgeschweißten Rohrs 1. Die Wanddicke des Rohrs 1 wird hierbei nicht reduziert.
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Als weitere Maßnahme zur Reduzierung der Reibspannungen ist vorgesehen, die Matrize 15 mit relativ hoher Drehzahl zu rotieren. Die Matrize 15 rotiert vorzugsweise mit 1000 U/min oder mehr.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohr
- 2
- Bandmaterial
- 3
- Rohrformstation
- 4
- Schweißstation
- 5
- Kühlstation
- 6
- Ziehtrommel
- 7
- Ziehtrommel
- 8
- Ziehtrommel
- 9
- Ziehwerkzeug
- 10
- Ziehwerkzeug
- 11
- Innendorn
- 12
- Schmierstofflanze
- 13
- Schmierstoff
- 14
- Schmierstofffilm
- 15
- Matrize
- 16
- Innenseite
- 17
- Schmierstoffdepot
- I
- Ziehstufe
- II
- Ziehstufe
- III
- Ziehstufe
