DE102014105815A1

DE102014105815A1 - Innenkonturnahe Kühlwasserführung in Lochdornen

Info

Publication number: DE102014105815A1
Application number: DE102014105815.1A
Authority: DE
Inventors: Kazim Serin; Hans Joachim Pehle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lochdorn für die Herstellung von Hohlblöcken im Rahmen der Nahtlosrohrfertigung. Der Lochdorn weist eine Führungseinrichtung für Kühlwasser auf, die bei der Rückführung des Kühlwassers für hohen Druck, großer Fließgeschwindigkeit und ununterbrochenen Kontakt zwischen Wasser und Dorninnenoberfläche und somit für eine effektive Kühlung an der Innenoberfläche des Lochdornes sorgt.

Description

Nahtlose Stahlrohre werden in der Regel durch Warmwalzen hergestellt, wobei in einer ersten Umformstufe ein auf ca. 1200°C erwärmter Vollkörper in Form eines gegossenen oder vorgewalzten Stahlblockes durch Schrägwalzen in einen Hohlkörper, den Hohlblock, umgeformt wird. Beim Schrägwalzen wird der Block mittels gegenüber der Walzlinie schräg gestellter Walzen in eine Rotationsbewegung mit Vorschub in Walzrichtung versetzt. In dieser Weise wird der Block über einen Lochdorn (1) getrieben, der einen Hohlraum im Innern des Blockes ausformt. Der Lochdorn ist hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt und muß diesen während des gesamten Umformprozesses Stand halten, ohne Schaden zu nehmen. Beschädigungen des Lochdornes, wie Deformationen, Risse und Ausbrüche, führen zu Fehlern an der Innenoberfläche des Walzgutes und können auch die Dimensionsgenauigkeit des Walzgutes beeinträchtigen. Lochdorne sollen möglichst viele Lochprozesse schadlos überstehen, denn sie beeinflussen die Produktionskosten infolge der Werkzeugkosten und die Produktionsleistung infolge von Werkzeugwechselzeiten.
Das Ziel, die Werkzeugkosten gering und die Standzeit möglichst hoch zu halten, wird am besten mit Lochdornen aus Warmarbeitsstahl erreicht, die mit einer wärmeisolierenden, harten Eisenoxidschicht (2 in 1) versehen und im Innern hohl gestaltet sind sowie effektiv mittels Wasser gekühlt werden. Die Wanddicke der innen hohl gestalteten Lochdorne wird einerseits möglichst klein gewählt, um eine bestmögliche Kühlung zu erreichen, andererseits aber groß genug, damit der Lochdorn den mechanischen Belastungen widerstehen kann. In der Regel wird die Wanddicke mit etwa 20 % bis 30 % des lokalen Durchmessers des Lochdornes bemessen.
Bekannt ist, Wasser mittels eines Rohres (7) unter hohem Druck (bis etwa 20 bar) im Innern des Lochdornes bis in die Nähe der Dornfront (9) zu führen. Der hohe Druck erhöht die Verdampfungstemperatur des Wassers und verhindert den Leidenfrost-Effekt, d.h. die Bildung einer Wasserdampfschicht an der Innenoberfläche des Lochdornes, die den Wärmeübergang vom Lochdorn in das Kühlwasser behindern würde. Ein hoher Wasserdurchsatz sorgt für eine große Wärmeaufnahme, indem ein konstant großer Temperaturgradient vorhanden ist, der für einen größtmöglichen Wärmeübergang sorgt.
In der beschriebenen Weise wird der Dornfrontbereich (9) effektiv gekühlt. Außerhalb dieses Bereiches nimmt die Kühlwirkung jedoch drastisch ab. Das liegt daran, daß der Hohlraum, in dem das Wasser hier zurück fließt, erheblich größere Querschnitte aufweist als das Zuführrohr. Infolge der Zunahme des zum Zurückfließen verfügbaren Volumens nehmen Druck und Fließgeschwindigkeit des Wassers deutlich ab. Auch der Kontakt des Kühlwassers zur Dorninnenoberfläche kann infolge des größeren Volumens oder des einsetzenden Leidenfrost-Effektes verloren gehen. Als Folge der unzureichenden Kühlwirkung steigt die Temperatur in diesem Bereich des Lochdornes an und kann nach mehreren Lochprozessen Werte erreichen, die zu einer Entfestigung des Lochdornwerkstoffes führen. Plastische Deformationen an der Dornoberfläche treten dann auf. Darüber hinaus behindert die Erwärmung im hinteren Bereich des Lochdornes auch die Kühlung im Frontbereich.
Um das geschilderte Problem zu lösen und die Standzeit der Lochdorne zu erhöhen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Querschnitt zum Zurückführen des Kühlwassers im Lochdorn kleiner als den um 20% erhöhten Querschnitt zum Zuführen des Kühlwassers einzustellen. Die Einstellung des Querschnittes zum Zurückführen des Kühlwassers wird erreicht durch Verwendung einer an die Innenkontur des Lochdornes angepaßten Wasserführungseinrichtung (11). Die Wasserführungseinrichtung ist in der Regel mit der den Lochdorn tragenden Lochdornstange (3) verbunden. In jedem Querschnitt des auf Dornstange und über der Wasserführungseinrichtung montierten Lochdornes ist die Fläche zwischen Lochdorninnenkontur und der Außenkontur der Wasserführungseinrichtung gleich der Fläche im Innern des Rohres zum Zuführen des Kühlwassers oder maximal um 20% größer. In dieser Weise wird erreicht, daß Druck und Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers und damit die Kühlwirkung auch im hinteren Bereich des Lochdornes, in dem das Kühlwasser zurück geführt wird, ausreichend hoch sind, ein vollständiger Kontakt zwischen Kühlwasser und Lochdorninnenoberfläche gewährleistet ist und kein Leidenfrost-Effekt auftritt. Die Lebensdauer der Lochdorne, gemessen in Anzahl der fehlerfreien Lochprozesse, wird so mit Hilfe der beanspruchten Vorrichtung erhöht, die Werkzeug- und Produktionskosten verringert sowie die Qualität der Umformprodukte verbessert und sicher gestellt.
In 1 ist der vorbekannte Stand der Technik beispielhaft dargestellt. Der Lochdorn (1) mit der Schutzschicht (2) auf der Außenoberfläche ist mittels Adapter (4), Gleitlager (5) und Dichtung (6) auf der Lochdornstange (3) befestigt. Im Innern von Lochdornstange und Lochdorn wird Kühlwasser mittels eines Rohres (7) bis in die Nähe der Front (9) des Lochdornes geführt (8). Das Kühlwasser nimmt im Kontakt zur Innenoberfläche des Lochdornes Wärme auf und fließt außerhalb des Zuführrohres wieder zurück (10). Die Querschnitte des Hohlraums zwischen der Innenoberfläche des Lochdornes und des Zuführrohres ist groß im Vergleich zum Querschnitt des Zuführrohres. Infolgedessen nehmen Druck und Geschwindigkeit des Kühlwassers hier ab und die Kühlwirkung ist gering.
In 2 ist eine Ausführung der beanspruchten Lösung dargestellt. Die Zurückführung des Kühlwassers erfolgt in einem Bereich, in dem die Kühlung des Lochdornes noch wichtig ist, in einem ringförmigen Spalt zwischen Innenoberfläche des Lochdornes und einer Wasserführungseinrichtung. Der Querschnitt des ringförmigen Spaltes ist so bemessen, daß er kleiner, gleich oder nur maximal 20% größer ist als der Querschnitt in Innern des Zuführrohres. In dieser Weise wird der Querschnitt des fließenden Kühlwassers konstant gehalten und infolgedessen werden Druck und Geschwindigkeit sowie die Kühlwirkung gleich gehalten.
Bezugszeichenliste

1: Lochdorn
2: Beschichtung
3: Lochdornstange
4: Adapter
5: Gleitlager
6: Dichtung
7: Zuführrohr
8: Wasserzuführung
9: Frontbereich des Lochdornes
10: Wasserrückführung
11: Wasserführungseinrichtung gemäß Patentansprüchen

Claims

Lochdorn für die Herstellung nahtloser Stahlrohre durch Schrägwalzen mit einer im Innern der hohl gestalteten Lochdorne befindlichen Einrichtung zur Führung von Kühlwasser, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Rückführung des Kühlwassers vorhanden ist, mit der der Querschnitt beim Zurückführen des Kühlwassers kleiner als der um 20% erhöhten Querschnitt zum Zuführen des Kühlwassers eingestellt ist.