DE1282425B - Verfahren zum Herstellen nahtloser Rohre - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B 23 ρ

Deutsche Kl.: 491-13/00

Nummer: 1282 425

Aktenzeichen: P 12 82 425.8-14 (C 34681)

Anmeldetag: 17. Dezember 1964

Auslegetag: 7. November 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur besonders wirtschaftlichen Herstellung nahtloser Rohre hoher Qualität, wie sie z. B. in Dampfkesseln, besonders in Hoehdruckdampfkesseln, verwendet werden. Kesselrohre, auch Überhitzerrohre, deren Durchmesser zwischen etwa 19 mm und 100 mm schwankt, bestehen aus kohlenstoffhaltigem Stahl und hochbelastbaren eisenhaltigen Legierungen und sind hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Solche Rohre werden vorzugsweise nahtlos hergestellt. Beim Herstellen dieser Rohre ist es notwendig, durch den Einsatz möglichst weniger Maschinen und Verfahrensschritte praktisch und wirtschaftlich zu arbeiten. Es ist auch wichtig, auf wirtschaftliche Weise einen Rohling bestimmter Größe und solcher Qualität herzustellen, daß er die nachfolgenden Schmiedevorgänge bis zum fertigen Rohr übersteht. Bei hochlegiertem Material, z. B, rostfreiem oder warmbrüchigem Stahl, ist es auch schwierig, auf wirtschaftliche Weise saubere hohle Gußblöcke einer Größe herzustellen, die wirtschaftlich zu Rohren geschmiedet werden können, wie sie in Dampfkesseln verwendet werden.

Es ist z. B. aus der deutschen Patentschrift 566 714 bekannt, einen Rohrrohling durch Schleudergießen herzustellen und diesen unter Wandstärkeverringerung und Längung warm zu verformen.

Die Erfindung geht auch von einem Verfahren zum Herstellen nahtloser Rohre endlicher Länge aus, bei dem durch Schleudergießen um eine horizontale Achse ein zylindrischer Rohling bestimmter Abmessungen hergestellt wird, dessen Wandstärke anschließend durch Verformen erheblich verkleinert und dessen Länge gleichzeitig vergrößert wird und der dann im warmen Zustande auf den Durchmesser des fertigen Rohres verformt wird.

Gemäß der Erfindung erfolgt das Verkleinern der Wandstärke und das Vergrößern der Länge des Rohlings in einem einzigen Verformungsvorgang und in kaltem Zustande.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird also zunächst kaltverformt und dann warmverformt. Manche Materialien, die nach dem Guß im warmen Zustande bearbeitet werden können, werden gar nicht oder nur sehr schwer warmbearbeitungsfähig, nachdem sie geschmiedet wurden. Deshalb wird der im Schleudergießverfahren hergestellte Rohling zunächst kalt bearbeitet und erst dann erhitzt. Er befindet sich dann in derjenigen metallurgischen Form in bezug auf Korngröße und Struktur, die die Warmbearbeitung in dem Dehnungswalzwerk gestattet. Darin liegt der Vorteil der Erfindung. Viele dieser Werkstoffe Verfahren zum Herstellen nahtloser Rohre

Anmelder:

Combustion Engineering, Inc.,

Windsor, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

7000 Stuttgart 1, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:
Edward Corbin Chapman,
Lookout Mountain, Tenn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Dezember 1963
(331 715)

sind wegen der Schwierigkeiten, den ursprünglichen Rohling zum fertigen Rohr zu walzen, in der Bearbeitung sehr teuer. Die heute vielbenutzte Nickel-Chromlegierung kostet etwa 18,— DM je kg bei 38 mm Durchmesser und 0,5 mm Wandstärke. Im Endzustand mit den Abmessungen 16 mm bis 19 mm Durchmesser, 1,2 mm bis 2,5 mm Wandstärke kostet sie bis zu 55,— DM. Dieser große Preisunterschied ergibt sich durch die Anzahl der Kaltverformungsschritte und der dazwischenliegenden Glüh- und Beizvorgänge, die beim vorliegenden Verfahren vermieden werden.

Es gibt auch Werkstoffe, die wegen ihrer metallurgischen Eigenschaft einer warmen Endbearbeitung unterzogen werden sollten. Sie besitzen dann eine sehr hohe Temperatur, und deshalb bleiben bestimmte chemische Elemente in Lösung und geben dem Material besondere Stärke. Da die kalte Endverformung zur Zeit üblicherweise der letzte Verfahrensschritt bei der Herstellung von Rohren enger Toleranzen ist und diese Bearbeitung die große Fertigkeit des Materials zerstört, muß sich daran nochmals eine Warmbehandlung anschließen, um die Fertigkeit des Materials bis zu einem gewissen Grade bei hohen Temperaturen wieder herzustellen. Dies hat die Nachteile, daß ζ. Β. besondere Warmbehandlungsvorrichtungen bereitgestellt werden und die Möglichkeit

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besteht, daß das Material während der Behandlung oxydiert. Es können sich auch unerwünschte metallurgische Eigenschaften ergeben, z.B. ein großes Korn. Es ist daher vorteilhaft, daß das vorliegende Verfahren eine Endbehandlung im warmen Zustande gestattet, bei der die Arbeitstemperaturen hoch genug sind, um die gewünschte Stärke zu erzielen. Nach dem Verfahren der Erfindung ergeben sich also unerwartete Vorteile, die auch in der Ausschaltung oder Verminderung der besonderen Warmbehandlung und der gleichzeitigen Erzielung besonders enger Toleranzen liegen.

Das Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn hochlegiertes, ziemlich teures Material verwendet fläche der gegossenen Muffe, die sich unter anderem durch Feuchtigkeit, Sauerstoff oder Stickstoff aus der Luft bilden könnten, werden ausgeschlossen.

Beim Gießvorgang wird eine vorbestimmte Menge des geschmolzenen Metalls entsprechend den Abmessungen des Rohlings mit einer vorbestimmten und sorgfältig überwachten Geschwindigkeit durch die Nase 14 der schnell rotierenden Form 16 zugeführt, die über Rollen 22 angetrieben wird. Die Form 16, die aus Metall bestehen kann, ist mit einem porösen keramischen Material ausgekleidet. Dadurch wird eine sehr glatte Außenfläche des Rohlings erzielt, so daß die anschließende Bearbeitung möglichst geringfügig ist. Andererseits wirkt die Auskleidung auch als

wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß"bei sorg- _l5 Isolator gegen "eine rasche Abkühlung der Außen-

fältiger Steuerung des Gießvorganges Abgüsse erzielt fläche des geschmolzenen Metalls, wenn es in die

werden können, die innen und außen sehr glatt sind.

Es müssen dann durch Schleifen oder Drehen nur 3 bis 2 mm an der Innen- und Außenseite abgetragen werden, um einen im wesentlichen narbenfreien Rohling zu erhalten.

Einige Unregelmäßigkeiten am Ende des Rohlings sind nicht bedeutsam, da sie in dem Bereich auftreten, der nachher doch als Ausschuß wegfällt. Es sei noch bemerkt, daß der Ausschuß sehr gering ist und beim _{25 o}d_er fertigen Rohr in der Größenordnung von 1,20 m bei einer gesamten Rohrlänge von über 90 m beträgt, geeignet ist, z. B. eine eisenhaltige Legierung mit 1 bis 20 % Chrom, 0,5 bis 5 % Molybdän und 0,1 bis 1 %

Kohlenstoff oder 15 bis 30 % Chrom und 7 bis 35 % ₃₀ durch ergibt sich eine Begrenzung für den inneren Nickel besteht. Das Verfahren ist auch geeignet für Durchmesser des Rohlings, die auch dadurch bedingt

daß eine gewisse Miridestzentrifugalkraft erfor-

Form fließt. Diese Auskleidung kann durch Sprühen oder Schleudern in die vorgewärmte Form eingebracht werden und wird wenigstens teilweise mit dem Rohling aus der Form herausgezogen. Die zylindrische Form ist mit Endstücken 24 und 26 mit einer Mittelöffnung versehen, deren Durchmesser etwa gleich dem inneren Durchmesser des gegossenen Rohlings ist. Um Abkühlungen und Überlappungen kalte Einschüsse zu vermeiden, muß die Schmelze dem Inneren der Form mit einer vor-, bestimmten Geschwindigkeit zugeführt werden, und die Öffnung am Endstück 26 muß groß genug zur Aufnahme eines entsprechenden Ausgusses sein. Da-

Stähle, die etwa den deutschen Normstählen 4401 bzw. 4550 nach DIN 17 007 entsprechen oder für nichteisenhaltige Legierungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt.

Mit dem vorliegenden Verfahren können also bessere Rohre wirtschaftlicher hergestellt werden. Dies gilt besonders für die Herstellung langer Rohre von mehr als 45 m, aus hochlegierten oder rostfreien Stählen bei kleinem Durchmesser von weniger als 100 mm und vergleichsweise großen Wandstärken, wie sie für Kesselrohre benötigt werden. • Die Erfindung wird zum besseren Verständnis äff Hand der Zeichnungen erläutert. Es stellt dar ■ Fig. 1 ein Schema des Schleudergießvorganges, ; '■■Fig. 2 einen Schnitt und

^; F i g: 3 eine Ansicht der gegossenen Muffe, ' Fig. 4 ein Schema des Glättungsvorganges,

»^: ist, derlich ist, um den entsprechenden Druck für einen sauberen Abguß zu erzeugen. Die Gießgeschwindig-

keit ist auch kritisch, weil.sie einerseits groß genug sein muß, um Gußfehler durch zu schnelle Abküh-

"* lung zu vermeiden und andererseits bei zu hoher Geschwindigkeit die Auskleidung weggewaschen werden kann. Für einen Rohling, der etwa 2,50 m lang ist, einen Durchmesser von 125 mm und eine Wandstärke von etwa 25 mm besitzt, sollte der Gießvorgang

■^; innerhalb von 30 Sekunden abgeschlossen sein. Die Form kann dann schnell abgekühlt werden, so daß die Erstarrung- und Schrumpfung.des Rohlings seine

Entfernung aus der Form ermöglicht. ; -

Der gegossene Rohling besteht aus .schmiedefähigem Metall, das je nach seiner Zusammensetzung anschließend warm oder kalt geschmiedet werden kann. Dank.der Anwendung des Schleudergießver-

Fi g. 5 eine Endänsieht der geglätteten Muffe,

■ F i g. 6 ist ein schematischer Schnitt, der die Ver-· 50 fahrens hat der Rohling eine, dichte homogehe Strukringerung der Wandstärke und des Durchmessers auf tür und ist frei von Einschlüssen oder anderen Fehkaltem Wege erkennen läßt; · lern, die die Weiterverarbeitung zu Rohren

F i g. 7 ist eine Endänsieht des Rohres, das verrin- beeinträchtigen .würden. Warmbrüchiger Stahl, 2;. B. gerte Wandstärke besitzt; der oben erwähnten Normtypen, bereitet Schwierig-

Fig. 8 zeigt schematisch, wie das Rohr im Redu- 55 keiten, wenn er unmittelbar nach dem Gießvorgang zierwalzwerk gestreckt wird; ^:. warm bearbeitet wird. Beim vorliegenden Verfahren

Fig. 9 zeigt das Ende des Rohres im Reduzierwalzwerk.

Abweichend von der vereinfachten Darstellung des Ofens 10, der Gießrinne 12 und des Ausgusses 14 sollte die Speisung der Gießform 16 für den Rohling aus dem Ofen 10 einschließlich des Inneren 20 der Gießform von einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre umgeben sein. Zu diesem Zweck verwendet man Argon oder Wasserstoff, so daß Verunreinigungen vermieden werden, die sich in der Bildung von Schlacken oder Hammerschlag auswirken ■ würden. Auch andere Verunreinigungen der Innenkann aber auch solches Material anschließend friedenstellend warm bearbeitet werden.

Durch ein Schneidwerkzeug, d.h. durch Drehen oder auch durch Schleifen, werden die geringen Fehler der Oberfläche, die beispielsweise durch Unregelmäßigkeiten in der keramischen Auskleidung auf der Außenfläche des Rohlings entstehen und der Harn? riierschlag und andere Verunreinigungen an der Innenfläche vorhanden sind, entfernt. Der Rohling 18 erhält so konzentrische Wandungen und einheitliche Abmessungen über die ganze Länge und den Umfang. Er hat einen äußeren Durchmesser, der ein

Mehrfaches des Durchmessers des fertigen Rohres betragen kann. Dies gilt auch für die Wandstärke.

Zur Überführung in ein langes Rohr verkleinerter Abmessungen wird der Rohling einer Wärmebehandlung unterworfen, um die Konstruktur bei einigen Materialien zu verbessern und/oder um Spannungen, die sich aus der Kaltbehandlung ergeben könnten, zu entfernen. Die Wandstärke kann am besten reduziert werden, indem man das Rohr einem kalten Walzoder Streckprozeß unterwirft. In einer Rohrreduziermaschine oder Ziehvorrichtung 28 kann die Wandstärke beim einmaligen Durchgang um 70 oder 80 % vermindert werden, indem das Rohr zwischen Rollen oder Ziehringen 28 und einem Dorn 30 hindurchgezogen wird. Durch diese Bearbeitung wird sowohl der äußere und innere Durchmesser, als auch die Wandstärke des Rohres ganz wesentlich reduziert. Für einige Materialien ist die Wärmebehandlung vor dem Reduziervorgang nicht notwendig.

Durch diesen Reduziervorgang kann die Wand- ao stärke mit großer Genauigkeit der endgültigen Wandstärke angenähert werden. Weiterhin wird die Konzentrizität verbessert.

Es entsteht ein Halbfertigprodukt 36, dessen Durchmesser noch größer ist als der gewünschte Enddurchmesser, dessen Konzentrizität und Wandstärke jedoch über die ganze Länge und den ganzen Umfang im wesentlichen den Werten des endgültigen Rohres entsprechen. Diese Kaltbearbeitung, gegebenenfalls gefolgt von Erwärmung, verdichtet und verbessert im übrigen 'die Kornstruktur des schon sehr dichten Abgusses und erzeugt ein Produkt, das in einem einzigen weiteren Schmiedevorgang zu dem endgültigen Rohr verarbeitet werden kann.

Versuche, die bisher schon gemacht wurden, um Rohre unmittelbar aus Abgüssen des Schleudergußverfahrens herzustellen, sind entweder vom wirtschaftlichen oder qualitativen Standpunkt enttäuschend gewesen. Diese Mißerfolge scheinen im wesentlichen daran gelegen zu haben, daß man keine Abgüsse herstellen konnte, die den anschließenden Schmiedevorgängen standhielten oder daran, daß man die Schmiede- und Gießvorgänge nicht in das richtige Verhältnis zueinander setzte, um ein Rohr wirtschaftlich herzustellen. Das Verfahren verliert nämlich die wirtschaftlichen Vorteile, wenn der Abguß von solcher Größe oder die Schmiedevorgänge derart sind, daß zwei oder mehr Reduktionen der Wandstärke erforderlich sind, zusätzlich zur Reduktion des Durchmessers oder wenn das Rohr, das gezogen wird, so kurz ist, daß ein erheblicher Teil abfällt. Um einen Abguß schmiedbarer Qualität zu erzeugen, müssen die verschiedenen Gießbedingungen sorgfältig gesteuert werden, und es muß auf die Größe des Abgusses in bezug auf das fertige Produkt geachtet werden. Die einheitliche Qualität des Schleudergusses und das Vermeiden nicht metallischer Einschlüsse oder Schrumpfungshohlräume sind eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung des kalten Reduziervorganges. Bei diesem wird das Metall plastisch ohne Erwärmung verformt. Um diese starke Belastung aushalten zu können, darf der Abguß keine makroskopischen, d. h. Abmessungsfehler haben, da diese beim Reduktionsvorgang zum Bruch führen würden. Die Abgüsse des Schleudergießverfahrens sind von solcher Qualität, daß sich nach der Reduktion des Rohres ein warmer Reckvorgang ohne Narbenbildung anschließen kann. Das bedeutet, daß das Material auf Grund der Kornverfeinerung nicht warmbrüchig ist und daß die kalte Reduzierung keine Narben und Risse zur Folge gehabt hat, die die anschließende Warmbehandlung unmöglich machen würde.

Der nächste Bearbeitungsvorgang ist ein Reduziervorgang durch Dehnung, bei dem das halbfertige Rohr 36 erhitzt und dann warm gedehnt und gewalzt wird, um den Rohrdurchmesser ohne wesentliche Veränderung der Wandstärke auf den des fertigen Rohres 38 zu reduzieren. Dieses Rohr soll konzentrische Wandungen haben und auch den gewünschten inneren und äußeren Abmessungen und der gewünschten Länge entsprechen. Die Erwärmung des kaltbearbeiteten Rohres 36 dient dem doppelten Zweck, die Kornstruktur zu verbessern und die Spannungen aufzuheben als auch das Rohr für den anschließenden Dehnungsvorgang in dem Reduzierwalzwerk ausreichend verformbar zu machen.

Das Reduzierwalzwerk besteht aus einer Anzahl von Walzgerüsten 32, 33, 34, deren Anzahl von der Größe der Reduzierung abhängt. Es können 24 oder mehr sein. Jeder Rollensatz reduziert den Durchmesser des Rohres, man kann jedoch in an sich bekannter Weise durch entsprechende Steuerung der Drehzahl eines jeden Rollensatzes auch die Wandstärke reduzieren, indem das Rohr unter Spannung gesetzt wird. Wenn die Walzen nicht einzeln angetrieben werden, kann bei einer gewissen Vergrößerung der Wandstärke nur der Durchmesser vermindert werden. Bei Kesselrohren und auch bei anderen Rohren ist eine Verringerung der Wandstärke erwünscht. Wenn man die Dehnung benutzt, kann ein Rohr größerer Wandstärke und größeren Gewichtes dem Dehnungswalzwerk zugeführt werden und dementsprechend ein längeres Rohr mit entsprechend geringeren Kosten hergestellt werden.

Das Dehnungswalzwerk hat den großen Vorteil, daß Hohlkörper verhältnismäßig großen Durchmessers in einem Durchgang bis auf einen praktisch unbegrenzt kleinen Durchmesser reduziert werden können. Es können beispielsweise Hohlkörper mit einem Durchmesser von etwa 180 mm in einem Durchgang auf 13 mm reduziert werden. Da im Schleudergießverfahren leichter Abgüsse größeren als kleineren Durchmessers herzustellen sind und das Gewicht direkt mit dem Durchmesser wächst, ist es klar, daß ein Dehnungswalzwerk in ganz besonderer Weise dazu geeignet ist, Rohre aus Abgüssen nach dem Schleudergießverfahren zu erzeugen. Vom Kostenstandpunkt ist es wünschenswert, daß im Dehnungswalzwerk Gußstücke möglichst großen Durchmessers und Gewichts bearbeitet werden. Das größtmögliche Gewicht verlangt größtmöglichen Durchmesser, größte Wandstärke und größte Länge des gegossenen Rohlings. Die Kosten je Längeneinheit fertigen Rohres sinken proportional mit dem Ansteigen des Gewichts des gegossenen Hohlkörpers.

Das mit Dehnung arbeitende Reduzierwalzwerk kann die Wandstärke nur begrenzt, den Durchmesser jedoch praktisch unbegrenzt reduzieren. Die maximal erzielbare Verkleinerung der Wandstärke liegt in der Größenordnung von 35%. Bezüglich der Länge ist das Dehnungswalzwerk nicht begrenzt. Die Längenbegrenzung beim vorliegenden Verfahren ergibt sich aus der größten Länge des im Schleuderguß herstellbaren Rohlings bei gegebenem Durchmesser und gegebener Wandstärke.

ßei dem Dehnungswalzverfahren fällt am Ende des Rohres Ausschuß an, weil eine Dehnung nur vom zweiten Walzensatz ab möglich ist. Das gleiche gilt am Ende des Rohres bezüglich des vorletzten Walzensatzes. Es ist daher vorteilhaft, Rohre solcher Länge herzustellen, daß der Ausschuß nur ein kleiner Bruchteil der Rohrlänge ist. Da die Größe des Ausschusses auch vom Abstand der Walzen abhängt, werden diese möglichst dicht nacheinander angeordnet. Rohre aus dem Dehnungswalzwerk sind 45 bis 150 m lang. Man spart also beträchtlich, wenn man eine größere Anzahl Rohrlängen von einem Rohr schneidet und nicht nur einfache oder doppelte Rohrlängen hergestellt werden.

^: Zur Herstellung eines möglichst langen Rohres ist also ein Abguß von höchstem Gewicht und größter Wandstärke erforderlich. Da das Dehnungswalzwerk bei der Verminderung der Wandstärke und andererseits des Schleudergießverfahrens bei der Länge des Abgusses begrenzt ist, ist es wünschenswert, zwischen dem Gießen und dem Dehnen die Wandstärke herabzusetzen und das Rohr soweit wie möglich zu verlängern. Die Verformung im kalten Zustand bewirkt eine erhebliche Verringerung der Wandstärke und eine kleinere Verringerung des Durchmessers des Abgusses. Insgesamt ist eine Verringerung des Querschnittes um mehr als 70 % möglich. Bei vielen Materialien ist aber auch eine Verringerung des Querschnittes um 80% möglich.

Erst durch die Einschaltung der Kaltverformung nach dem vorliegenden Verfahren werden die Schmiedevorgänge nach dem Guß wirtschaftlich. Die Rohlinge können z.B. leicht in einer Länge, einem Durchmesser, einer Konzentrizität und einer Wandstärke gegossen werden, die für die Herstellung der Rohre durch die folgenden Schmiedevorgänge geeignet ist. Diese Größe kann leicht so ausgewählt werden, daß .sich zur Herstellung des fertigen Rohrs nur zwei Schmiedevorgänge anschließen müssen. Durch richtige Wahl der Menge des Gießmetalls läßt sich eine Wandstärke erzeugen, die sehr gut den Möglichkeiten der Zieheinrichtung entspricht, so daß ein genau konzentrisches Rohr mit der Wandstärke des endgültigen Rohres entsteht, und zwar durch einen einzigen Bearbeitungsvorgang. Durch Auswahl der richtigen Größe der Schleudergießform kann auch ein Durchmesser erzielt werden, der den Möglichkeiten des Dehnungswalzwerkes entspricht, so daß bei genauer Konzentrizität und bei einmaligem Passieren die endgültige Größe des Rohres erzielt wird. Die Länge der Form kann so gewählt werden^ daß ein Rohling entsteht, der lang genug ist, um ein fertiges Rohr zu erzeugen, dessen Länge nur geringe Verluste beim Schneiden ergibt. Es ergibt sich also eine Kostenverringerung, weil sehr viel weniger Metall bis zur Herstellung des fertigen Rohres verlorengeht.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen nahtloser Rohre endlicher Länge, bei dem durch Schleudergießen um eine horizontale Achse ein zylindrischer Roh- - Iing bestimmter Abmessungen hergestellt, anschließend durch Verformen dessen Wandstärke erheblich verkleinert und gleichzeitig die Länge vergrößert und darauf der Rohling im warmen Zustand auf den Durchmesser des fertigen Rohres verformtwird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verkleinern der Wandstärke und das Vergrößern der Länge des Rohlings in einem einzigen Verformungsvorgang und im kalten Zustand erfolgen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 566 714.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   809 630/505 10.68 ® Bundesdruckerei Berlin