DE19628715C1

DE19628715C1 - Verfahren zur Herstellung von nahtlosen Stahlrohren

Info

Publication number: DE19628715C1
Application number: DE1996128715
Authority: DE
Inventors: Ronald Dr Ing Claus; Stefan Dr Ing Meimeth; Heinz Dipl Ing Sanders; Jens Dr Ing Schroeder; Ingo Von Dr Ing Hagen
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: WO1998001589A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nahtlosen Stahlrohren durch Warmwalzen eines Rundblocks in mehreren Schritten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-FZ.: Stahl und Eisen 104, 1984, Nr. 25-26, Seiten 1339-1343 bekannt.

Die Herstellung nahtloser Stahlrohre gehört seit vielen Jahren zum allgemeinen Stand der Technik. Der als Einsatzmaterial verwendete Rundblock wird dabei üblicherweise n einem Ofen auf eine Temperatur im Bereich von 1220 bis 1350°C erwärmt und dann durch Schrägwalzen gelocht, so daß sich ein Hohlblock ergibt. Dieser Hohlblock wird unmittelbar anschließend durch Streckwalzen zu einem längeren rohrförmigen Zwischenprodukt gestreckt. Das Streckwalzen kann z. B. in einem Rohrkontiwalzwerk oder in einem Stopfenwalzwerk stattfinden. Danach wird dieses Zwischenprodukt wieder in einen Ofen eingesetzt und auf eine Temperatur im Bereich von 30 bis 50 K oberhalb Ar3 nachgewärmt. Anschließend erfolgt eine weitere Warmverformung in einem Streckreduzierwalzwerk oder in einem Maßwalzwerk, in dem das Rohr zu einem bereits verwendbaren Endprodukt umgeformt wird. Es ist weiterhin bekannt, in dieser Weise hergestellte nahtlose Stahlrohre in ihren Abmessungen (Durchmesser und Wanddicke) durch Kaltverformung zu nahtlosen Präzisionsrohren weiter zu reduzieren.

Aus der US 5 200 005 ist ein Verfahren bekannt, mit dem Bleche mit erhöhter Festigkeit und Duktilität aus einem sog. IF-Stahl (Interstitial Free) hergestellt werden können. Derartige Stähle sind zur Herstellung von Tiefziehblechen seit vielen Jahren bekannt. In einer ersten Variante sieht die US 5 200 005 die Herstellung von Stahlband durch Vorwalzen bei einer Temperatur von 1260°C und Fertigwalzen bei etwa 710°C vor. Nach einer zweiten Verfahrensvariante erfolgt das Vorwalzen bei 850°C und das Fertigwalzen bei etwa 700°C.

Eine Herstellung von Stahlrohren aus IF-Stählen ist bisher nicht bekannt geworden. Dies dürfte einerseits durch den Umstand bedingt sein, daß IF-Stähle von Natur aus eine vergleichsweise geringe Festigkeit aufweisen. Andererseits lassen sich solche Stähle unter den üblichen Verfahrensbedingungen der Herstellung nahtloser Stahlrohre durch Warmwalzen nicht bearbeiten, da ihr Verformungswiderstand zu gering ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem Stahlrohre angehobener Festigkeit und vergleichsweise hoher Duktilität herstellbar sind. Insbesondere sollen sich diese Rohre für eine mit möglichst geringem Aufwand durchführbare Weiterverarbeitung durch Kaltumformung eignen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.

Die Erfindung sieht vor, als Einsatzmaterial für die Herstellung nahtloser Stahlrohre Rundblöcke aus einem IF-Stahl zu verwenden. Derartige IF-Stähle zeichnen sich durch sehr geringe Massenanteile der Elemente Kohlenstoff und Stickstoff aus, die sich auf Zwischengitterplätzen im Eisenkristallgitter (interstitiell) einlagern. Die Rundblöcke werden in einem Ofen auf Walztemperatur erwärmt. Erfindungsgemäß liegt die Erwärmungstemperatur erheblich unter den üblichen Temperaturen für Stahlrundblöcke. Die Ofenziehtemperatur liegt nämlich lediglich im Bereich zwischen 1060 und 1200°C, vorzugsweise bei 1080 bis 1130°C. Mit dieser Temperatur beginnt das Schrägwalzen, bei dem aus dem Stahlrundblock ein Hohlblock erzeugt wird. Nach dem Verlassen des Schrägwalzwerks erfolgt ein Strecken dieses Hohlblocks in einem Streckwalzwerk. Dieses Streckwalzen findet zweckmäßigerweise auf einem Rohrkontiwalzwerk oder auf einem Stopfenwalzwerk statt. Die Temperatur liegt dabei oberhalb Ar3. Danach wird der gestreckte Hohlblock in einen Nachwärmofen eingesetzt, um seine Temperatur zu homogenisieren und um eine Kornfeinung durch Rekristallisation sicherzustellen. Die Hohlblocktemperatur liegt dabei im Bereich von 780 bis 880°C. Ein besonders bevorzugter Bereich für die Homogenisierungstemperatur liegt in der Spanne 70 K unterhalb Ar1 bis Ar1. Unmittelbar danach wird der homogenisierte Hohlblock fertiggewalzt, und zwar wahlweise durch Streckreduzierwalzen oder durch Maßwalzen. Der Umformgrad bei diesem Fertigwalzen wird dabei ausreichend groß gewählt, um eine Korngröße von mindestens der Güte ASTM6 bis zu ASTM9 zu erreichen. Anschließend können die so erzeugten nahtlosen Stahlrohre an Luft abgekühlt werden.

Die Zusammensetzung des im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten IF-Stahls ist zweckmäßigerweise wie folgt:

Die erfindungsgemäß durch Warmwalzen hergestellten nahtlosen Stahlrohre lassen sich in hervorragender Weise durch Kaltumformung zu Präzisrohren weiterverarbeiten. Bisher wurden solche Präzisrohre üblicherweise aus nahtlosen oder geschweißten Luppen konventioneller Baustähle durch Kaltziehen hergestellt. Diese Baustähle enthalten Kohlenstoffanteile, die ganz wesentlich über 0,005% liegen, und werden daher als Kohlenstoffstähle bezeichnet. Infolge ihres eingeschränkten Kaltumformvermögens muß das Kaltziehen derartiger Stahlrohre in sehr vielen Teilschritten (Einzelzüge) durchgeführt werden, wenn Rohre mit besonders kleinem Durchmesser erzeugt werden sollen, wie dies beispielsweise bei Präzisrohren der Fall ist, die als Kraftstoffeinspritzrohre oder als Vormaterial zur Niet-Herstellung eingesetzt werden sollen. Bei Kraftstoffeinspritzrohren wird üblicherweise nach jedem Kaltzug eine Normalisierungsglühung und anschließend ein Beizen und Bondern durchgeführt. Der bekannte Verfahrensablauf ist wegen der vielen Arbeitsschritte außerordentlich kostenintensiv. Hinzu kommt, daß bei der Werkstoffklasse der Baustähle werkstoffbedingt jede Festigkeitssteigerung mit einer deutlichen Verminderung an Duktilität verbunden ist. In vielen Anwendungsfällen für Präzisrohre möchte man aber gleichzeitig gute Festigkeits- und Duktilitätswerte haben. Hier bieten Präzisrohre aus IF-Stählen den Vorteil, daß die Duktilität infolge Kaltverformung nur vergleichsweise wenig beeinträchtigt wird.

Bei den nach der Erfindung hergestellten warmgefertigten nahtlosen Stahlrohren ergeben sich demgegenüber bei einer anschließenden Weiterverarbeitung durch Kaltumformung ganz wesentliche Kosteneinsparungen. Diese Kaltumformung kann beispielsweise durch Kaltziehen mit oder ohne Innenwerkzeug erfolgen. Bei jedem Einzelzug ergibt sich eine Erhöhung der Festigkeit, also eine Erhöhung des Formänderungswiderstands. Diese Erhöhung ist allerdings erheblich geringer als bei einem Kohlenstoffstahl. Aus diesem Grunde lassen sich Stahlrohre aus IF-Stählen mit vergleichsweise deutlich geringerer Anzahl an Einzelzügen auf eine bestimmte Abmessung reduzieren, als dies bei einem Kohlenstoffstahl der Fall ist. Der Umformgrad bei jedem Einzelzug kann also größer sein. Weiterhin ist als wesentlich zu beachten, daß im Mittel deutlich mehr Einzelzüge hintereinander durchgeführt werden können, ohne daß zuvor durch eine Glühung eine Reduzierung des Formänderungswiderstandes herbeigeführt werden muß, damit die weitere Kaltumformung auf noch kleinere Abmessungen erfolgen kann. Zweckmäßigerweise beträgt das Verhältnis der Anzahl der Verformungsschritte zur Anzahl der Glühungen mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5. Die Glühung findet vorzugsweise jeweils unterhalb der Normalisierungstemperatur statt, insbesondere bei 680-720°C, so daß die Festigkeitssteigerungen infolge Kaltverformung weitgehend erhalten bleiben. Um nach der Kaltumformung eine besonders hohe Festigkeit des erzeugten Präzisrohres zu erreichen, kann nach der letzten Glühung noch eine Kaltumformung in mindestens 3 Verformungsschritten folgen. Dadurch lassen sich ohne weiteres Festigkeitsstufen erreichen, die mit denen üblicher Baustähle (St37) vergleichbar sind, wobei diese günstigen Festigkeitswerte begleitet sind von ausgezeichneten Werten der Duktilität. Insoweit sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten nahtlosen Präzisrohre den bekannten Präzisrohren aus Kohlenstoffstahl sogar überlegen. Ihre Herstellung ist insgesamt deutlich billiger, obwohl für die Herstellung des Stahlvormaterials ein höherer Aufwand getrieben werden muß, da die Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff auf sehr niedrige Werte abgesenkt werden müssen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Durch Stranggießen auf einer Rundstranggießanlage wurde ein Rundblock mit 177 mm Durchmesser aus einem IF-Stahl hergestellt, der folgende Zusammensetzung aufwies:

C\|0,003%
Si	0,01%
Mn	0,11%
P	0,007%
S	0,005%
Al_ges	0,024%
Cu	0,05%
Cr	0,04%
Ni	0,03%
Mo	0,01%
V	<0,002%
Ti	0,064%
Nb	0,0020%
B	<0,0003%
N	0,0046%
Fe	Rest

Dieser Rundblock wurde in einen Drehherdofen eingesetzt und auf etwa 1130°C erwärmt. Der bei dieser Temperatur aus dem Ofen gezogene Rundblock wurde dann auf einem Schrägwalzwerk gelocht und unmittelbar anschließend auf einem Rohrkontiwalzwerk zu einem Vorrohr von 119 mm Durchmesser und 6,5 mm Wanddicke ausgestreckt. Durch diese hohe Verformung stellte sich in dem Vorrohr eine mittlere Korngröße ein, die etwa der Güte ASTM5 bis ASTM6 entspricht. Nach Durchlaufen des Rohrkontiwalzwerks wurden die Vorrohre während einer Dauer von 10 min bei etwa 820°C in einem Nachwärmofen hinsichtlich ihrer Temperatur homogenisiert. Danach erfolgte das Fertigwalzen in einem Streckreduzierwalzwerk auf einen Durchmesser von 42,4 mm und eine Wanddicke von 5,6 mm. Das so erzeugte nahtlose Stahlrohr wies eine mittlere Korngröße der Güte ASTM6 auf. Anschließend konnte das Stahlrohr in insgesamt sechs Einzelzügen auf einer Ziehbank auf eine Endabmessung von 6,0 mm Durchmesser und 2,0 mm Wanddicke reduziert werden. Nach dem dritten Kaltzug erfolgte eine Glühung bei 680 bis 720°C. Hätte man ein vergleichbares Rohr aus einem Stahl St37 hergestellt, wäre eine Kaltverarbeitung ebenfalls in sechs Kaltzügen möglich gewesen. Allerdings hätten mindestens drei Zwischenglühungen oberhalb Ac3 erfolgen müssen, um den Formänderungswiderstand des Materials auf einen für die benutzte Ziehbank zulässigen Wert zu vermindern.

Beispiel 2

Aus einem Rundblock gleicher Abmessung und gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel 1 wurde in gleicher Weise wiederum ein Vorrohr von 119 mm Durchmesser und 6,5 mm Wanddicke hergestellt. Auch die Homogenisierung der Temperatur dieses Vorrohres erfolgte unter gleichen Bedingungen. In einem Streckreduzierwalzwerk wurde dann ein Warmrohr unter deutlich stärkerer Verformung hergestellt. Es wies einen Durchmesser von 33,7 mm und eine Wanddicke von 2,6 mm auf. Die mittlere Korngröße dieses nahtlosen Warmrohres entsprach der Güte ASTM7. Auch dieses Nahtlosrohr wurde einer Kaltweiterverarbeitung unterworfen. Es wurden insgesamt 11 Kaltzüge durchgeführt, wobei jeweils nach dem 3., 6. und 8. Zug die Rohre bei 680 bis 720°C geglüht wurden. Die Kaltumformung führte zu Rohren mit nur noch 2,5 mm Durchmesser und 0,25 mm Wanddicke. Im Falle einer Herstellung derartiger Präzisrohre in der konventionellen Weise aus einem St37 wären insgesamt 13 Kaltzüge und 5 Glühungen notwendig geworden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von nahtlosen Stahlrohren durch Warmwalzen eines Rundblocks in mehreren Schritten, wobei

- ein Rundblock eingesetzt und in einem Ofen erwärmt wird,
- der erwärmte Rundblock dann zur Erzeugung eines Hohlblocks einem Schrägwalzen unterzogen wird,
- der Hohlblock anschließend einem Streckwalzen unterzogen wird,
- der gestreckte Hohlblock anschließend zur Homogenisierung seiner Temperatur für das weitere Walzen und zur Kornfeinung durch Rekristallisation in einen Nachwärmofen eingesetzt wird,
- der homogenisierte Hohlblock einem Fertigwalzen durch Streckreduzierwalzen oder Maßwalzen unterzogen wird, und
- die so erzeugten nahtlosen Stahlrohre an Luft abgekühlt werden,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Rundblock aus IF-Stahl (interstitial free) besteht,
daß der Rundblock auf eine Temperatur (Ofenziehtemperatur) im Bereich von 1060 bis 1200°C erwärmt wird,
daß der Hohlblock bei Temperaturen oberhalb Ar3 streckgewalzt wird,
daß im Nachwärmofen eine Temperatur im Bereich von 780 bis 880°C im Hohlblock eingestellt wird und
daß beim Streckreduzierwalzen der Umformgrad des Fertigwalzens so groß gewählt ist, daß eine Korngröße von ASTM6 bis ASTM9 erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenziehtemperatur 1080 bis 1130°C beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungstemperatur auf einen Wert eingestellt wird, der maximal bei Ar1 und minimal 70 K unterhalb Ar1 liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein IF-Stahl mit folgender Zusammensetzung eingesetzt wird:

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der IF-Stahl folgende Zusammensetzung aufweist:

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlrohre nach dem letzten Warmumformschritt einer Rekristallisationsglühung unterzogen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die abgekühlten Stahlrohre durch Kaltumformung mit oder ohne Innenwerkzeug in Durchmesser und Wanddicke weiter reduziert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltumformung in einer Vielzahl von Verformungsschritten erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach mehreren Verformungsschritten jeweils eine Glühung bei 680 bis 720°C erfolgt, wobei das Verhältnis der Anzahl der Verformungsschritte zur Anzahl der Glühungen mindestens 3 beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach der letzten Glühung mindestens noch 3 Verformungsschritte folgen.