DE102021114866A1

DE102021114866A1 - Verfahren zum Ringwalzen

Info

Publication number: DE102021114866A1
Application number: DE102021114866.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2021-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Rings aus einem Rohling aus Metall mit einer Ringwalzmaschine, die mindestens ein erstes Walzenpaar mit einer Hauptwalze und einer Dornwalze, die einen radialen Walzspalt bilden, und vorzugsweise darüber hinaus ein zweites Walzenpaar mit zwei Axialwalzen, die einen axialen Walzspalt bilden, aufweist, wobei die Walzen der Walzenpaare relativ zueinander beweglich sind. Um die Gefügequalität zu verbessern, wird das Metall erfindungsgemäß für einen Zeitraum von mindestens 20% des Gesamtzeitraums, der zum Walzen des Rings benötigt wird, beim Walzen des Rings im Ringwalzspalt mit Ausnahme der Bereiche von der freien Oberfläche bis zu einer Tiefe von 15 mm, aber nicht tiefer als 10% der Höhe des Rings zu einem jeweiligen Zeitpunkt des Walzens, über die gesamte Dicke und/oder beim Walzen des Rings im Axialwalzspalt mit Ausnahme der Bereiche von der freien Oberfläche bis zu einer Tiefe von 15mm, aber nicht tiefer als 10% der Dicke des Rings, über die gesamte Höhe des Rings gleichzeitig in allen drei Dimensionen ausschließlich auf Druck beansprucht. Alternativ ist der Betrag einer sich in tangentialer Richtung des Rings im radialen Walzspalt ausbildenden Zugspannung während mindestens 50% der gesamten Ringwalzdauer, vorzugsweise mindestens 80% der gesamten Ringwalzdauer, besonders bevorzugt während der gesamten Ringwalzdauer geringer als der Betrag der Spannung, die gleichzeitig an gleicher Stelle des Rings in radialer Richtung wirkt, und/oder der Betrag einer sich in tangentialer Richtung des Rings im axialen Walzspalt ausbildenden Zugspannung während mindestens 50% der gesamten Ringwalzdauer, vorzugsweise mindestens 80% der gesamten Ringwalzdauer, besonders bevorzugt während der gesamten Ringwalzdauer geringer als der Betrag der Spannung, die gleichzeitig an gleicher Stelle des Rings in axialer Richtung wirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Rings aus einem Rohling aus Metall mit einer Ringwalzmaschine, die mindestens ein erstes Walzenpaar mit einer Hauptwalze und einer Dornwalze, die einen radialen Walzspalt bilden, und vorzugsweise darüber hinaus ein zweites Walzenpaar mit zwei Axialwalzen, die einen axialen Walzspalt bilden, aufweist, wobei die Walzen der Walzenpaare relativ zueinander beweglich sind.
Beim Ringwalzen werden nahtlose Ringe hergestellt. Ausgangsprodukt ist ein gestauchter und konzentrisch gelochter Vorring bzw. Rohling, der auf einer oder mehreren Ringwalzmaschinen aufgeweitet wird. Durch Reduktion der Ringdicke (radial) und gegebenenfalls auch der Ringhöhe (axial) nimmt der Ringdurchmesser unter Beibehaltung des Materialvolumens zu. Mit Hilfe von Ringwalzverfahren können nahtlose Ringe mit einem Durchmesser von ca. 100 Millimetern bis zu 16 Metern hergestellt werden. Gewalzte Ringe finden beispielsweise Verwendung in Lagern, Drehkränzen, Turbinenscheiben oder in Zahnradrohlingen. Weitere Beispiele für den Einsatz von Ringwalzprodukten sind Kegel- und Achsantriebsräder für die Automobilindustrie, den Getriebebau und den Turbinenbau (z. B. Turbinenscheiben in Flugzeugtriebwerken), Flansche im Maschinen- und Anlagenbau, Ringe für Turmflansche beispielsweise von Offshore-Windkraftanlagen und für den Wälzlagerbau.
Heutzutage werden als Ringwalzmaschinen regelmäßig Radial-Axial-Ringwalzwerke eingesetzt. In einem Radial-Axial-Ringwalzwerk werden die gekrümmten Ringflächen eines Rohlings sowie seine Stirnflächen gleichzeitig gewalzt. In einem ersten radialen Walzspalt zwischen einer auf die Ringinnenseite wirkenden Dornwalze und einer auf die Ringaußenseite wirkenden Hauptwalze wird der Ring in radialer Richtung gewalzt. In einem zweiten, sogenannten Axialwalzspalt auf der dem Radialwalzspalt gegenüberliegenden Seite des Rings wird der Ring in axialer Richtung gewalzt. Der Axialwalzspalt besteht zwischen zwei kegelförmigen Walzen in einem Axialgerüst, wobei die obere Axialwalze gegen die untere Axialwalze zugestellt wird. Das Axialgerüst ist entlang einer Richtung, die durch die Rotationsachsen der Haupt- und Dornwalze sowie der Längsachsen der Axialwalzen definiert ist, verschieblich, so dass die Axialwalzen der Position des zu walzenden Ringabschnitts folgen kann, die sich aufgrund der Zunahme des Ringdurchmessers durch das Walzen im Radialwalzspalt und/oder im Axialwalzspalt kontinuierlich ändert. Darüber hinaus sind von außen auf den Ring wirkende Zentrierrollen vorgesehen, mit denen, ggf. auch durch Variation der Drehzahlen der Axialwalzen, die Zentrierung des Rings im Walzwerksrahmen gesteuert werden kann. Um die Innen- und Außenseite des Rings sowie die beiden Stirnseiten zu profilieren, können die Haupt- und Dornwalze und/oder die Axialwalzen nach Bedarf profiliert sein. Mit Radial-Axial-Ringwalzwerken können sowohl hülsenförmige Ringe, bei denen die Ringhöhe größer als die Ringdicke ist, als auch scheibenförmige Ringe, bei denen die Ringdicke größer als die Ringhöhe ist, erzeugt werden. Entsprechend der angestrebten Endform des zu walzenden Rings werden dabei der Radialwalzspalt und/oder der Axialwalzspalt während der Dauer des Walzens von einer Anfangsweite auf eine Endweite verändert. Dabei muss der Walzspalt nicht unbedingt kleiner werden. Es ist beispielsweise durchaus möglich, dass die Endform des zu walzenden Rings eine gleiche oder größere Ringhöhe haben soll, was bei der Einstellung der Weite des Axialwalzspalts während des Walzprozesses berücksichtigt wird.
Es gibt auch Ringwalzwerke, die nur eine Dorn- und eine Hauptwalze mit einem radialen Walzspalt, aber kein axial wirkendes Walzenpaar haben.
Ringwalzen kann je nach Anforderung warm oder kalt erfolgen.
Es ist regelmäßig wünschenswert, die mechanischen Eigenschaften der gewalzten Ringe zu verbessern, um entweder ihre Einsatzmöglichkeiten zu erhöhen oder um gegebenenfalls auch Material einsparen zu können, indem die Höhe der Ringe oder ihre Wandstärke reduziert werden kann. Eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften wird beispielsweise durch eine Auswahl von für den Walzprozess optimierten Metalllegierungen angestrebt. Außerdem wird regelmäßig angestrebt, die Produktionskapazität eines Ringwalzwerks so gut es geht auszunutzen, indem beispielsweise sowohl die Ringdickenabnahme am radialen Walzspalt und/oder die Ringhöhenabnahme am axialen Walzspalt als auch die Antriebsgeschwindigkeit der Walzen so gut es geht maximiert werden. Gleichzeitig sind die Anforderungen an die geometrische Qualität eines Rings immer hoch.
Die Ansprüche an das Ringwalzen als Umformtechnologie sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Ringe für hochtechnologische Anwendungen werden regelmäßig aus teuren Materialien wie Legierungen auf Nickel- oder Titanbasis gefertigt. Aus Kostengründen muss das teure Material immer effizienter eingesetzt werden. Man ist bestrebt, die Ringquerschnitte immer mehr an die für den Einsatz des Rings tatsächlich benötigten Querschnitte anzupassen. Das führt zu komplexen Profilformen, aber auch zu einer deutlich komplexeren verfahrenstechnischen Umsetzung. Die verfahrenstechnische Umsetzung, beispielsweise die Bestimmung einer optimierten Form des Rohlings, um möglichst effizient das gewünschte gewalzte Ringprofil zu erhalten, beruht dabei im Wesentlichen auf Empirie.
Darüber hinaus stellt die Forderung nach immer größer dimensionierten Ringen eine besondere Herausforderung an die Mess- und Regeltechnik von Ringwalzmaschinen. So werden mittlerweile regelmäßig Ringe in Dimensionen am Markt gefordert, die bis vor kurzem aufgrund der fehlenden Stabilität des Ringkörpers während des Walzens als nur schwer oder gar nicht walzbar angesehen wurden. Auch die Einschätzung, ob ein Ring aufgrund seiner Dimension noch walzbar oder nicht mehr walzbar ist, beruht auf Empirie. Eine Fehlentscheidung, die dazu führt, dass ein fertig gewalzter Ring nicht verwendbar ist, führt zu erheblichen Kosten, da nicht nur der Walzprozess aufwendig ist, sondern das einmal ringgewalzte Material nur mit erheblichem Aufwand wiederverwertet werden kann.
Eine Aufgabe des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die mechanischen Eigenschaften der durch Ringwalzen hergestellten Ringe zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Metall in mindestens einem der Walzspalte für einen Zeitraum von mindestens 20% des Gesamtzeitraums, der zum Walzen des Rings benötigt wird, beim Walzen des Rings im radialen Walzspalt mit Ausnahme der Bereiche der freien Oberfläche bis zu einer Tiefe von 15 mm, aber nicht tiefer als 10% der Höhe des Rings, über die gesamte Dicke und/oder beim Walzen des Rings im axialen Walzspalt mit Ausnahme der Bereiche der freien Oberfläche bis zu einer Tiefe von 15mm, aber nicht tiefer als 10% der Dicke des Rings, über die gesamte Höhe des Rings gleichzeitig in allen drei Dimensionen ausschließlich einer Druckspannung unterliegt.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 2 bei einem Verfahren der eingangs genannten Art auch dadurch gelöst, dass der Betrag einer sich in tangentialer Richtung des Rings im radialen Walzspalt ausbildenden Zugspannung während mindestens 50% der gesamten Ringwalzdauer, vorzugsweise mindestens 80% der gesamten Ringwalzdauer, besonders bevorzugt während der gesamten Ringwalzdauer geringer ist als der Betrag der Spannung, die gleichzeitig an gleicher Stelle des Rings in radialer Richtung wirkt, und gemäß Anspruch 3 bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass der Betrag einer sich in tangentialer Richtung des Rings im axialen Walzspalt ausbildenden Zugspannung beim Walzen eines scheibenförmigen Ringes während mindestens 50% der gesamten Ringwalzdauer, vorzugsweise mindestens 80% der gesamten Ringwalzdauer, besonders bevorzugt während der gesamten Ringwalzdauer geringer ist als der Betrag der Spannung, die gleichzeitig an gleicher Stelle des Rings in axialer Richtung wirkt.
Die drei Dimensionen im Walzspalt werden hier und im Folgenden durch eine radiale Richtung, eine tangentiale Richtung und eine axiale Richtung definiert. Die radiale Richtung ist die Richtung, die radial zu den Rotationsachsen beider den radialen Walzspalt bildenden Walzen steht. Die tangentiale Richtung verläuft tangential zur Krümmung des Rings und entspricht der Walzrichtung, also der Richtung, in der der Ring durch den Walzspalt läuft. Die axiale Richtung verläuft rechtwinklig zu der radialen und der tangentialen Richtung parallel zur Rotationsachse des Rings. In axialer Richtung bestimmt sich die Höhe des Rings, in radialer Richtung die Dicke des Rings. Bei in axialer Richtung profilierten Ringen variiert die Dicke des Rings und/oder sein Durchmesser über seine Höhe, bei in radialer Richtung profilierten Ringen variiert die Höhe des Rings über seine Dicke.
Unter dem Betrag der Spannung wird hier und im Folgenden der absolute Betrag verstanden, unabhängig von der Richtung, also Zug oder Druck. Dementsprechend fordern die Ansprüche 2 und 3, dass, wenn während des Walzens an einer Stelle im Walzspalt in tangentialer Richtung eine Zugspannung besteht, dass diese Zugspannung betragsmäßig kleiner ist als der Betrag der Druckspannung, die an gleicher Stelle im radialen Walzspalt in radialer Richtung bzw. im axialen Walzspalt in axialer Richtung wirkt. Demnach soll der Walzprozess so gesteuert werden, dass für einen Großteil der Walzdauer eine Druckspannung in Richtung der Dicken- bzw. Höhenabnahme im Walzspalt vorherrscht, die größer ist als eine etwaige Druck- oder Zugspannung in tangentialer Richtung.
Unter den Bereichen von den freien Oberflächen im radialen Walzspalt werden die Bereiche von der Oberseite und der Unterseite des Rings bis zu jeweils einer Tiefe von 15mm oder vorzugsweise 10 mm der gesamten Ringhöhe, aber keinesfalls tiefer als 10% der gesamten Höhe des Rings zu einem jeweiligen Zeitpunkt des Walzens verstanden. Unter den Bereichen von den freien Oberflächen im axialen Walzspalt werden die Bereiche von der Außenseite und der Innenseite des Rings bis zu jeweils einer Tiefe von 15mm oder vorzugsweise 10 mm, aber keinesfalls tiefer als 10% der gesamten Ringdicke zu einem jeweiligen Zeitpunkt des Walzens, verstanden.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, den Spannungszustand im Metallgefüge während des Ringwalzprozesses zu kontrollieren, um so entweder ein möglichst gleichmäßiges Gefüge im Ringmaterial zu erzeugen, oder um das Gefüge im Ringmaterial gezielt zu beeinflussen. Es wurde erkannt, dass die bisherige Herangehensweise beim Walzen von Ringen, insbesondere beim Walzen von profilierten Ringen, bei dem im Walzwerk der noch mess- und regelungstechnisch beherrschbare größtmögliche Walzdruck aufgebracht und gleichzeitig eine möglichst hohe Walzgeschwindigkeit angestrebt wurde, zwangsläufig dazu geführt hat, dass der die Gefügehomogenität maßgeblich beeinflussende Spannungszustand innerhalb des resultierenden Rings sehr große Spannungsunterschiede aufweist. Bei der Analyse des Problems wurde des Weiteren festgestellt, dass beim Ringwalzen bei möglichst hohem Walzdruck und hoher Walzgeschwindigkeit über einen großen Teil der Walzdauer in der Mitte des Walzspalts in Richtung des radialen Walzspalts der Walzdruck im Wesentlichen Null ist, während gleichzeitig in Walzrichtung eine hohe Zugspannung anliegt, die davon herrührt, dass sich das gewalzte Material aufgrund des Walzdrucks nahe der Walzen sehr stark in Walzrichtung ausdehnt mit der Folge, dass der innere Teil des Ringmaterials vom äußeren Material in tangentialer Richtung gezogen wird. Dadurch werden im inneren Teil des Ringmaterials hohe Zugspannungen induziert, die ein inhomogenes Gefüge im fertiggestellten Ring zur Folge haben, welches vielfach auch Ursache für Rissbildungen in dieser Kernzone ist.
Es wurde darüber hinaus erkannt, dass dann, wenn der Spannungszustand des Materialgefüges im Walzspalt beim Walzprozess berücksichtigt und gezielt kontrolliert wird, ein möglichst gleichmäßiges Gefüge über die Höhe und Dicke des Rings erzeugt werden kann, so dass sich eine über die nahezu gesamte Höhe und Dicke des Rings verbesserte d.h. homogenere Materialqualität, insbesondere hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften, gezielt verbessern lässt.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Ringmaterial während des Walzens im Walzspalt in allen drei Dimensionen mindestens während einer bestimmten Dauer des Walzens in allen drei Dimensionen nahezu vollständig einer Druckspannung unterliegt. Wenn die Bereiche nahe der freien Oberflächen des Rings ausgenommen sind, ist dies der Tatsache geschuldet, dass der Spannungszustand nahe der freien Oberflächen nicht wie im restlichen Querschnitt kontrolliert werden kann. Physikalisch ist zwangsläufig, dass die Spannung in Richtung der freien Oberfläche zu Null wird, die in tangentialer Richtung wirkende Spannung ist damit zwangsläufig eine Zugspannung. Allerdings spielt dieser Bereich nahe der freien Oberflächen in aller Regel keine für die Qualität des gewalzten Rings entscheidende Rolle, da sie im Rahmen einer Nachbearbeitung des Rings mechanisch entfernt werden können, indem sie beispielweise mit einem spanenden Fertigungsverfahren abgetragen werden.
Es kann somit wesentlich sein, das Metall über die gesamte Dicke des Rings gleichzeitig in allen drei Dimensionen ausschließlich auf Druck zu beanspruchen, muss es allerdings nicht. Es kann ebenso wirksam sein, den Spannungszustand innerhalb des Materials im Walzspalt zumindest während eines Teils des Ringwalzprozesses, vorzugsweise während der gesamten Dauer des Ringwalzprozesses, so zu kontrollieren, dass eine etwaige sich im Walzspalt in tangentialer Richtung ausbildende Zugspannung in Walzrichtung betragsmäßig für einen überwiegenden Teil der Walzdauer kleiner ist als eine an gleicher Stelle in radialer Richtung bei einem radialen Walzspalt bzw. in axialer Richtung in einem axialen Walzspalt wirkende Druckspannung. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Abweichung der in unterschiedliche Richtungen wirkenden Spannungen nicht zu groß wird, so dass auch hierdurch eine deutliche Gefügehomogenisierung erreicht wird.
Wird angestrebt, das Metall über die gesamte Dicke des Rings (ausgenommen in den Bereichen nahe der freien Oberflächen) gleichzeitig in allen drei Dimensionen ausschließlich auf Druck zu beanspruchen, endet der Zeitraum, in dem das Metall im Walzspalt gleichzeitig in allen drei Dimensionen über die gesamte Dicke bzw. Höhe des Rings ausschließlich auf Druck beansprucht ist, vorzugsweise nicht vor Beginn der Walzendphase, in der in beiden Walzspalten nur noch kleinere Stichabnahmen erfolgen. Die Ringumdrehungen am Ende des Walzprozesses werden auch als Rundierungsphase bezeichnet, in der lediglich Unrundheitseffekte beseitigt werden sollen. Die Walzendphase beginnt bei hohen Ringwalzgeschwindigkeiten nach etwa 85% der Gesamtwalzdauer (Gesamtzeitraum, der für das Walzen benötigt wird) und bei geringen Ringwalzgeschwindigkeiten nach etwa 95% der Gesamtwalzdauer, so dass der Zeitraum, in dem das Metall im Walzspalt gleichzeitig in allen drei Dimensionen über die gesamte Dicke bzw. Höhe des Rings ausschließlich auf Druck beansprucht ist, vorzugsweise nicht vor Ablauf von 85%, vorzugsweise nicht vor 90% oder 95% der Gesamtwalzdauer endet. Dem liegt die Annahme zu Grunde, dass die vor Ende des Walzprozesses in das Metall eingebrachte Knetarbeit die endgültige Gefügestruktur am meisten beeinflusst. Dementsprechend ist es darüber hinaus bevorzugt, dass der Zeitraum mindestens 30% des Gesamtzeitraums beträgt. Es wäre demnach noch erstrebenswerter, wenn der Zeitraum mindestens 50% oder sogar mindestens über 70% des Gesamtzeitraums beträgt.
Um den Spannungszustand im radialen Walzspalt während des Walzens kontrollieren zu können, werden vorzugsweise sowohl die Ringdickenänderung Δs und/oder die Ringhöhenänderung Δh als auch die Walzgeschwindigkeit v_HW an der Hauptwalze in Abhängigkeit vom gewünschten Spannungszustand im jeweiligen Walzspalt gesteuert.
Die Ringdickenänderung Δs bestimmt sich aus Δs = s_0R - s_1R, wobei s_0R die Dicke des Ringmaterials vor dem Eintritt in den radialen Walzspalt und s_1R die Dicke des Ringmaterials nach dem Austritt aus dem radialen Ringspalt ist. Die Ringhöhenänderung Δh bestimmt sich aus Δh = h_0A - h_1A, wobei h_0A die Höhe des Ringmaterials vor dem Eintritt in den axialen Walzspalt und h_1A die Höhe des Ringmaterials nach dem Austritt aus dem axialen Ringspalt ist. Die notwendigen Steuergrößen können bei fehlender analytischer Beschreibung dabei beispielsweise über eine Simulation des Walzprozesses mit einem marktüblichen Finite-Elemente-Programm für die Simulation plastischer Deformationen für metallische Werkstoffe bestimmt werden.
Vorteilhafterweise werden Ringdickenänderung Δs und Walzgeschwindigkeit der Antriebswalze v_HW in Echtzeit in Abhängigkeit vom gewünschten Spannungszustand im radialen Walzspalt geregelt, wobei die Eingangsdicke des Rings in tangentialer Richtung vor dem radialen Walzspalt und die Ausgangsdicke des Rings in Walzrichtung hinter dem radialen Walzspalt ebenso wie ein Maß für die Walzkraft und die Antriebsleistung in die Bestimmung der Regelgrößen für Ringdickenänderung Δs und Walzgeschwindigkeit v_HW einfließen.
Dementsprechend wird bevorzugt die Ringhöhenänderung Δh und Walzgeschwindigkeit der antreibenden Axialwalze v_AW in Abhängigkeit vom gewünschten Spannungszustand im axialen Walzspalt geregelt, wobei die Eingangshöhe des Rings in Walzrichtung vor dem axialen Walzspalt und die Ausgangshöhe des Rings in Walzrichtung hinter dem axialen Walzspalt ebenso wie ein Maß für die Walzkraft und ein Maß für die Antriebsleistung in die Bestimmung der Regelgrößen für Ringhöhenänderung Δh und Walzgeschwindigkeit v_AW einfließen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft zum Erzeugen von profilierten Ringen und/oder von Ringen mit einem Innendurchmesser von mindestens 500 mm und insbesondere von mindestens 1500 mm.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigen

1a eine Prinzipskizze eines Ringwalzwerks mit einem Rohling für einen Ring in einem Zustand zu Beginn des Walzens;
1b eine Prinzipskizze des in 1a dargestellten Ringwalzwerks mit dem gewalzten Ring in einem Zustand am Ende des Walzprozesses;
1c eine Prinzipskizze des in 1a dargestellten Ringwalzwerks in Aufsicht;
2 eine Skizze eines einen radialen Walzspalt bildenden Walzenpaares mit profilierten Walzen und einem zu walzenden, profilierten Ring;
3a - 3d Diagramme zu den Spannungszuständen in drei verschiedenen Dimensionen, die nicht den bevorzugten Spannungszuständen entsprechen;
4a - 4d Diagramme zu den Spannungszuständen in drei verschiedenen Dimensionen, die den bevorzugten Spannungszuständen entsprechen; und
5a - 5d Diagramme zum Verlauf der Prozessparameter in einem beispielhaften erfindungsgemäßen Ringwalzverfahren.

In den 1a und 1b sind die wesentlichen Elemente eines Radial-Axial-Ringwalzwerks gezeigt, nämlich ein erstes, einen radialen Walzspalt 1 bildendes Walzenpaar mit einer innen am zu walzenden Ring 2 angreifenden, zustellbaren Dornwalze 3 und einer außen am Ring 2 ortsfest angreifenden Hauptwalze 4 sowie ein zweites, einen axialen Walzspalt bildendes Walzenpaar mit einer oberen Axialwalze 5 und einer unteren Axialwalze 6, deren einander zugewandte Oberflächen die Stirnseiten des Rings 2 kontaktieren. Der radiale Walzspalt und der axiale Walzspalt liegen (in ihrem engsten Bereich) in der gleichen Ebene auf der Walzwerksachse. Die obere Axialwalze 5 ist axial auf den Ring 2 zustellbar. Außerdem ist das hier nicht dargestellte, das zweite Walzenpaar tragende Walzenpaar radial in Richtung der Ebene der Walzspalte verschieblich, so dass das zweite Walzenpaar der Durchmesservergrößerung des Rings während des Walzens folgen kann. In 1a ist ein Zustand in einer früheren Phase des Walzprozesses dargestellt, in der der Ring noch vergleichsweise dick (Dicke S) und der Ringdurchmesser vergleichsweise klein sind, während in 1 b ein Zustand in einer späteren Phase des Walzprozesses gezeigt ist, in der der Ringdurchmesser deutlich größer und die Dicke S des Rings deutlich verringert sind. Auch ist die Höhe H des Rings in 1b gegenüber der Höhe H in 1a reduziert. Es ist erkennbar, dass das axiale Walzenpaar dem sich vergrößernden Durchmesser des Rings 2 gefolgt ist.
In 1c ist das in den 1a und 1 b dargestellte Radial-Axial-Ringwalzwerk in Aufsicht dargestellt. Zusätzlich zu den in den 1a und 1b dargestellten Elementen des Ringwalzwerks sind noch Führungsrollen bzw. -walzen 7, 8 dargestellt, mit denen der Ring während des Walzens zentriert werden kann.
2 zeigt ein aus einer Dornwalze 11 und einer Hauptwalze 12 bestehendes Walzenpaar mit einem profilierten Ring 13, hier beispielhaft ein konischer Ring mit nicht konstanter Wanddicke.
In den 3a bis 3d und 4a bis 4d sind verschiedene dreidimensionale Spannungszustände in einem im radialen Walzspalt zwischen einer Dornwalze 21 und einer Hauptwalze 22 zu walzenden Ring 23 (dargestellt mit Mittellinie) skizziert. Es werden jeweils drei Graphen über einer vertikal verlaufenden Nulllinie gezeigt, die die Spannung im Ringmaterial in einer der Dimensionen über die Dicke des Rings in der Ebene des radialen Walzspalts darstellen. Ist der Wert eines Graphen links von der Nulllinie, entspricht das einer Druckspannung, ist er rechts von der Nulllinie, einer Zugspannung. Liegt der Wert des Graphen auf der Nulllinie, besteht an dieser Stelle im Ringmaterial keine Spannung. Der jeweils linke der drei Graphen ist mit einer durchgehenden Linie dargestellt und stellt die Spannung im Gefüge in radialer Richtung über die Dicke des Rings im Walzspalt dar (siehe Richtung der vertikalen Schraffur). Der jeweils rechte, mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Graph stellt die Spannung im Gefüge in tangentialer Richtung über die Dicke des Rings im Walzspalt dar (siehe Richtung der horizontalen Schraffur). Schließlich stellt der jeweils mittlere, gepunktete Graph die Spannung im Gefüge in axialer Richtung über die Dicke des Rings im Walzspalt dar.
Darüber hinaus sind in jeder der 3a bis 3d und 4a bis 4c jeweils ein Radius 24 der Dornwalze 21 und ein Radius 25 der Hauptwalze 22 eingezeichnet, der die Walzoberfläche an der Stelle trifft, an der das Ringmaterial eingangsseitig die Walzen zuerst kontaktiert. Die Schnittpunkte der Radien mit den Walzoberflächen sind über eine Linie 26 miteinander verbunden.
In den 3a bis 3c sind typische, bei herkömmlichen Ringwalzprozessen während der Dauer des Walzens überwiegend auftretende Spannungszustände dargestellt. Während die in radialer Richtung wirkende Spannung aufgrund des durch die Walzen aufgebrachten Drucks in den Randbereichen eine hohe Druckspannung ist, ist sie in einem mittleren Bereich des Ringmaterials nahe Null oder Null. Auch in den anderen beiden Richtungen herrscht in den Randbereichen des zu walzenden Rings nahe den Walzen eine Druckspannung vor. Allerdings baut sich die Druckspannung in Richtung zur Mitte des Ringmaterials hin rapide ab, und im mittleren Bereich des Rings herrscht eine Zugspannung vor. Die Zugspannung resultiert daher, dass das Ringmaterial an der Oberfläche sehr stark auseinandergequetscht wird und sich damit schnell ausdehnt und das Ringmaterial im mittleren Bereich des Rings aufgrund des fehlenden Drucks nicht in gleichem Maße bzw. überhaupt nicht auseinander gedrückt wird, das Material im mittleren Bereich des Rings aber von dem Material in den äußeren Bereichen mitgezogen wird. Auch der in 3d dargestellte Spannungszustand ist typisch. Er unterscheidet sich von den in den 3a bis 3c dargestellten Spannungszuständen lediglich darin, dass die radiale Druckspannung im mittleren Bereich des Ringmaterials nicht ganz auf null absinkt. Gleichwohl ist hier wie auch in den Spannungszuständen der 3a bis 3c der Betrag der Zugspannung in Walzrichtung immer deutlich größer als der Betrag der in der Mitte des Ringmaterials in radialer Richtung wirkenden Druckspannung.
Dies ist anders in den in den 4a bis 4c dargestellten Spannungszuständen, die erfindungsgemäß während des Walzprozesses angestrebt werden. In 4a ist zwar das Ringmaterial in seinem mittleren Bereich in Walzrichtung noch auf Zug belastet, allerdings ist das Maß der Zugbeanspruchung gegenüber der an gleicher Stelle in radialer Richtung bestehenden Druckspannung deutlich geringer. So verringert sich die Druckspannung in radialer Richtung zwar zur Mitte des Ringmaterials hin, sie bleibt aber dennoch vergleichsweise hoch.
In 4b ist die Druckspannung über die gesamte Dicke des Ringmaterials sehr ähnlich und steigt in Richtung zur Dornwalze hin leicht an. Gleiches gilt für die Druckspannung in Richtung der Höhe des Rings. Die Spannung in Walzrichtung ist hier von einem mittleren Bereich des Ringmaterials bis hin zur Hauptwalze 22 nahezu Null, während vom mittleren Bereich ausgehend in Richtung zur Dornwalze 21 eine Druckspannung leicht ansteigt und sich kurz vor der Dornwalze wieder etwas verringert.
In 4c ist ein Spannungszustand gezeigt, bei dem in allen drei Dimensionen keine Zugspannung besteht. Stattdessen wird die Druckspannung von den Oberflächen des Ringmaterials bis zu seinem mittleren Bereich immer größer, wobei das Ringmaterial in Walzrichtung an den Kontaktoberflächen der Walzen nicht unter Zugspannung steht.
Bei dem in 4d dargestellten Spannungszustand besteht im Bereich der Oberfläche, die die Hauptwalze kontaktiert, in tangentialer Richtung eine geringe Zugspannung. Im Übrigen liegt in allen Richtungen eine Druckspannung vor, die insbesondere im mittleren Bereich des Rings in allen Richtungen hoch ist.
Es ist deutlich erkennbar, dass bei den in den 4a bis 4d dargestellten Spannungszuständen das Ringmaterial die Walzen walzeneingangsseitig deutlich früher kontaktiert als in den 3a bis 3d. Damit ist die Ringdickenabnahme Δs deutlich größer als bei den in den 3a bis 3d dargestellten Spannungszuständen. Gleichzeitig ist die Walzgeschwindigkeit v_HW derart angepasst, dass die dynamische Regelbarkeit des Prozesses erhalten bleibt. Dadurch wird ermöglicht, dass sich über die gesamte Dicke des Rings im Walzspalt in allen drei Dimensionen weitestgehend eine möglichst homogene Druckspannung ausbilden kann, oder aber eine sich im mittleren Bereich des Ringmaterials in tangentialer Richtung ausbildende Zugspannung vergleichsweise gering ist.
Die notwendigen Verfahrensparameter zum Erzeugen eines bevorzugten Spannungszustands während des Ringwalzens lassen sich beispielsweise bei fehlender analytischer Beschreibung mit einem Finite-Elemente-Verfahren simulieren, indem beispielsweise in Kenntnis der mechanischen Eigenschaften des Metallwerkstoffs eine vergleichsweise hohe, mit einer Walzmaschine erzielbare Ringdickenabnahme Δs festlegt und dann eine vergleichsweise niedrige Hauptwalzengeschwindigkeit v_HW angenommen wird und überprüft wird, ob der gewünschte Spannungszustand damit in der Simulation eintritt. Eine geeignete Kombination aus Ringdickenabnahme Δs und Walzgeschwindigkeit v_HW bei einer gegebenen Materialdicke lässt sich so iterativ ohne weiteres bestimmen. Ebenso lässt sich so ein geeigneter Verlauf von der Ringdickenabnahme Δs und der Walzgeschwindigkeit v_HW über die gesamte Walzdauer, ausgehend von einer Anfangsdicke des Ringmaterials bis hin zu einer Enddicke des fertiggewalzten Rings, bestimmen. Aus dem Verlauf der der Ringdickenabnahme Δs über die Zeit ergibt sich dann der Verlauf der an der Walzmaschine einzustellenden Walzkraft bzw. anderer Steuerdaten über die Zeit. Entsprechendes gilt für ein Walzen des Rings im axialen Walzspalt zur Bestimmung der Ringhöhenabnahme Δh und der Walzgeschwindigkeit v_HW.
In den 5a bis 5d sind die Prozessparameter für das erfindungsmäße Verfahren zum Walzen eines Rings dargestellt. Sie gelten für das Walzen eines Rings aus einem Rohling mit einem Gewicht von etwa 6.750 kg. Der Außendurchmesser des Rohlings beträgt 1418,53 cm, der Innendurchmesser 505 cm, seine Wanddicke 456,76 cm und seine Höhe 646,56 cm. Der Endaußendurchmesser des Rings soll 6000 mm betragen, seine Endhöhe 600 mm und die resultierende Endwanddicke 80 mm. Die maximale Walzkraft des Radialwalzenpaares des Walzwerks beträgt 6300 kN, ebenso wie die des Axialwalzenpaares. Die Ringwalzgeschwindigkeit beträgt konstant 750 mm/s.
5a zeigt Kurven zur Leistungsausnutzung des Walzwerks in % relativ zu den Maschinengrenzen über die Entwicklung des mittleren Ringdurchmessers. Im Einzelnen zeigen

Kurve 51 einen Werteverlauf zum Spannungszustand im radialen Walzspalt (in %);
Kurve 52 die radiale Walzkraft (in %);
Kurve 53 die axiale Walzkraft (in %);
Kurve 54 das radiale Walzmoment (in %);
Kurve 55 das axiale Walzmoment (in %);
Kurve 56 die radiale Durchzugsbedingung (in %);
Kurve 57 die axiale Durchzugsbedingung (in %);
Kurve 58 die Ringwachsgeschwindigkeit (in %); und
Kurve 59 den Eintritt in die Walzendphase.

5b zeigt Kurven zu den radialen und axialen Abnahmen und Vorschüben über die Entwicklung des mittleren Ringdurchmessers, auch in Bezug zu den Werteverläufen für die Spannungszustände im radialen und im axialen Walzspalt. Im Einzelnen zeigen

Kurve 51 einen Werteverlauf zum Spannungszustand im radialen Walzspalt (in %);
Kurve 59 den Eintritt in die Walzendphase.
Kurve 61 die radiale Abnahme Δs (in mm, linke vertikale Skala);
Kurve 62 die axiale Abnahme Δh (in mm, linke vertikale Skala);
Kurve 63 den radialen Vorschub x5 (in mm/s, linke vertikale Skala); und
Kurve 64 den axialen Vorschub x5 (in mm/s, linke vertikale Skala).

5c zeigt den Verlauf des Innendurchmessers, des mittleren Durchmessers und des Außendurchmessers (jeweils in mm, linke vertikale Skala) während des Walzens über die Zeit (Kurven 66, 67, 68), ebenso wie den Verlauf der Ringwachsgeschwindigkeit (Kurve 69, in mm/s, rechte Skala).
5d zeigt den Querschnittsverlauf des Rings während des Walzens (Ringhöhe über Ringwanddicke).
Wie insbesondere in den 5a und 5b zu sehen ist, beträgt der angegebene Wert für den Spannungszustand im radialen Walzspalt ab einem mittleren Ringdurchmesser von 1840 mm bis zu einem mittleren Ringdurchmesser von etwa 5350 mm genau 100 %. Bei diesem Wert von 100 % wird das Ringmaterial im radialen Walzspalt mit Ausnahme der Bereiche in allernächster Nähe zu den freien Oberflächen in allen drei Richtungen ausschließlich auf Druck belastet, wobei der Druck in radialer Richtung über die Ringdicke um maximal +/- 5% variiert. Bei etwa 5350 mm mittlerem Ringdurchmesser fällt der Wert für den Spannungszustand ab. Ab diesem mittleren Ringdurchmesser beginnt die Ringwalzendphase.
Dieser Spannungszustand im Ringspalt, der über mehr als 75% der gesamten Ringwalzdauer von etwa 274 Sekunden vorliegt, ist Folge der Anpassung der Ringdickenabnahme. Sowohl die radiale Durchzugsbedingung als auch die Ringwachsgeschwindigkeit (beide s. 5a) sind nur zu Beginn des Ringwalzprozesses hoch und fallen mit Erreichen des Wertes von 100 % für den radialen Spannungszustand kontinuierlich ab. Die radiale Walzkraft und das radiale Walzmoment werden sogar nur unmittelbar nach Beginn des Walzprozesses bis zu einem Maximum oder nahezu-Maximum der Walzwerkskapazität getrieben und fallen dann auch kontinuierlich bis zum Ende des Ringwalzprozesses ab. Entsprechendes gilt für die axiale Walzkraft, das axiale Walzmoment und die axiale Durchzugsbedingung, allerdings bei deutlich geringeren Werten relativ zur möglichen Walzwerksleistung am axialen Walzenpaar.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Rings aus einem Rohling aus Metall mit einer Ringwalzmaschine, die mindestens ein erstes Walzenpaar mit einer Hauptwalze und einer Dornwalze, die einen radialen Walzspalt bilden, und vorzugsweise darüber hinaus ein zweites Walzenpaar mit zwei Axialwalzen, die einen axialen Walzspalt bilden, aufweist, wobei die Walzen der Walzenpaare relativ zueinander beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall für einen Zeitraum von mindestens 20% des Gesamtzeitraums, der zum Walzen des Rings benötigt wird, - beim Walzen des Rings im Ringwalzspalt mit Ausnahme der Bereiche von der freien Oberfläche bis zu einer Tiefe von 15 mm, aber nicht tiefer als 10% der Höhe des Rings zu einem jeweiligen Zeitpunkt des Walzens, über die gesamte Dicke und/oder - beim Walzen des Rings im Axialwalzspalt mit Ausnahme der Bereiche von der freien Oberfläche bis zu einer Tiefe von 15mm, aber nicht tiefer als 10% der Dicke des Rings, über die gesamte Höhe des Rings gleichzeitig in allen drei Dimensionen ausschließlich auf Druck beansprucht wird.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag einer sich in tangentialer Richtung des Rings im radialen Walzspalt ausbildenden Zugspannung während mindestens 50% der gesamten Ringwalzdauer, vorzugsweise mindestens 80% der gesamten Ringwalzdauer, besonders bevorzugt während der gesamten Ringwalzdauer geringer ist als der Betrag der Spannung, die gleichzeitig an gleicher Stelle des Rings in radialer Richtung wirkt.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 oder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag einer sich in tangentialer Richtung des Rings im axialen Walzspalt ausbildenden Zugspannung während mindestens 50% der gesamten Ringwalzdauer, vorzugsweise mindestens 80% der gesamten Ringwalzdauer, besonders bevorzugt während der gesamten Ringwalzdauer geringer ist als der Betrag der Spannung, die gleichzeitig an gleicher Stelle des Rings in axialer Richtung wirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder dem darauf rückbezogenen Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum nicht vor Beginn der Walzendphase oder vor Ablauf von 85, vorzugsweise 90 % oder 95% der Gesamtwalzdauer endet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum mindestens 30 % des Gesamtzeitraums beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum mindestens 50 % des Gesamtzeitraums beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum mindestens 70% des Gesamtzeitraum beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Ringdickenänderung Δs und/oder die Ringhöhenänderung Δh als auch die Walzgeschwindigkeit v_HW an der Hauptwalze in Abhängigkeit vom gewünschten Spannungszustand in dem jeweiligen Walzspalt gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdickenänderung Δs und die Walzgeschwindigkeit v_HW in Abhängigkeit vom gewünschten Spannungszustand im radialen Walzspalt geregelt werden, wobei die die Eingangsdicke des Rings in Walzrichtung vor dem radialen Walzspalt und die Ausgangsdicke des Rings in Walzrichtung hinter dem radialen Walzspalt ebenso wie ein Maß für die Walzkraft und ein Maß für die Antriebsleistung in die Bestimmung der Regelgrößen für Ringdickenänderung Δs und Walzgeschwindigkeit v_HW einfließen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringhöhenänderung Δh und die Walzgeschwindigkeit v_HW in Abhängigkeit vom gewünschten Spannungszustand im axialen Walzspalt geregelt wird, wobei die die Eingangshöhe des Rings in Walzrichtung vor dem axialen Walzspalt und die Ausgangshöhe des Rings in Walzrichtung hinter dem axialen Walzspalt ebenso wie ein Maß für die Walzkraft und ein Maß für die Antriebsleistung in die Bestimmung der Regelgrößen für Ringhöhenänderung Δh und Walzgeschwindigkeit v_HW einfließen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Erzeugen von profilierten Ringen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Erzeugen von Ringen mit einem Innendurchmesser von mindestens 500 mm und insbesondere von mindestens 1500 mm.