DE3212742C2

DE3212742C2 -

Info

Publication number: DE3212742C2
Application number: DE3212742A
Authority: DE
Inventors: Chihiro Amagasaki Hyogo Jp Hayashi
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1981-04-10
Filing date: 1982-04-06
Publication date: 1989-11-23
Also published as: CA1185814A; BE891932A; ATA132282A; AU527161B2; FR2503590A1; GB2096505A; JPS57168711A; JPS6059042B2; AT389827B; AU7928682A; GB2096505B; US4470282A; FR2503590B1; ES511187A0; DE3212742A1; ES8303947A1; IT1155144B; IT8267320A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schrägwalzgerüst nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Das Hohlwalzverfahren (Mannesmann-Verfahren) findet in der Herstellung nahtloser Rohre weit verbreitete Anwendung. Das Verfahren umfaßt eine Reihe von Stufen; zunächst wird ein auf die vorgeschriebenen Temperaturen vorgeheizter Knüppel durch ein Hohlwalzwerk hindurchgeschickt und zu einer hohlen Rohrluppe verarbeitet; diese wird mittels eines Streckwalzwerks (z. B. eines Stopfen- oder Dornwalzwerks) auf die gewünschte Wandstärke ausgewalzt, und die gewalzte Rohrluppe wird anschließend einem Arbeitsgang der Kalibrierung des Außendurchmessers mittels einer Kalibriervorrichtung oder Reckwalze unterworfen, wodurch die fertigen Rohre mit dem festgelegten Außendurchmesser (oder entsprechender Wandstärke) erhalten werden.

Da die vorliegende Erfindung nur auf den ersten dieser Arbeitsgänge, nämlich das Hohlwalzen, gerichtet ist, wird nachfolgend ein Überblick über Einzelheiten der bei der Herstellung nahtloser Rohre üblicherweise angewandte Methode des Hohlwalzens gegeben. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß, obwohl es eine Reihe verschiedener Hohlwalzverfahren gibt, wie die einzelnen Mannesmann-Verfahren mittels Stopfwalzenwerk, Assel- Walzenstraße, Dornwalzwerk, Pilgerwalzwerk und Vielständer- Rohrwalzwerk, allen diesen Verfahren der erste Arbeitsgang, nämlich das Hohlwalzen, gemeinsam ist.

Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen Abbildungen der Arbeitsweise üblicher Hohlwalzwerke in der Draufsicht, Seitenansicht bzw. im Stirnaufriß von der Auslaßseite der hohlen Rohrluppe her gesehen. Jede der Walzen 71 und 71′ ist faßförmig in der Weise, daß ihr Mittelteil den größten Durchmesser besitzt und daß der Durchmesser dieses Teils größer ist als die Länge des Fasses, wobei der Spannwinkel (face angle) α jeweils etwa 2° bis 4° auf der Einlaß- und Auslaßseite beträgt. Die Walzen 71, 71′ sind solchermaßen überkreuz angeordnet, daß ihre Achsen parallel zu einer senkrechten Ebene durch das Zentrum der Walzbahn sind, entlang derer sich ein Knüppel 73 während des Hohlwalzens bewegt, bis er in eine hohle Rohrluppe 78 umgewandelt worden ist, oder mit anderen Worten, die Achsen der Walzen und die Walzbahn sind auf dem in Fig. 7 dargestellten Grundriß parallel zueinander und weisen jeweils einen Vorschubwinkel (feed angle) β von etwa 6° bis 12° (einen Winkel, den die Walzenachse mit einer waagerechten Ebene durch das Zentrum der Walzenbahn bildet) relativ zu der waagerechten Ebene und in entgegengesetzter Richtung zueinander auf. Wie aus Fig. 9 (jedoch nicht aus Fig. 7) zu ersehen ist, sind zwischen den Walzen 71, 71′ Gleitschuhe 72, 72′ als Widerlager der äußeren Oberflächen der hohlen Rohrluppe 78 an deren oberer und unterer Seite angeordnet, die die obere und untere Lage der hohlen Rohrluppe 78 steuern, die als solche fortschreitend hohlgewalzt wird. Ein Stopfen 74, der von einem sich von dem Auslaßende für die hohle Rohrluppe 78 her sich erstreckenden Dorn 75 getragen wird, ist so angeordnet, daß die Position seines vorderen Endes jenseits des engsten Teils des Walzenspaltes zwischen den Walzen 71 und 71′ ist, wo sich Kehlen (Teile maximalen Walzendurchmessers, d. h. Gebiete minimalen Walzenspalts) in einander entgegengesetzter Lage befinden, und damit eine kleine Strecke in Richtung auf das Einlaßende für den Knüppel 73.

Wenn der Knüppel 73, auf die vorgeschriebene Temperatur erhitzt, in das Hohlwalzwerk eingeführt, wird er in den Walzenspalt zwischen den Walzen 71 und 71′ hineingetrieben, die sich in einer Drehbewegung in der in Fig. 7 durch die Pfeile bezeichneten Richtung befinden, durch die der Knüppel sich relativ zu den Walzen 71, 71′ in entgegengesetzter Richtung dreht. Das Vorhandensein des Vorschubwinkels β ermöglicht, daß sich der Knüppel 73 vorwärtsbewegt; währenddessen erleidet der Knüppel 73 eine wiederholte Walzverformung durch die Walzen 71, 71′. Unter der Walzverformungswirkung dieses Walzens wird der Knüppel 73 in einen solchen Zustand versetzt, daß er leicht zentral angestochen werden kann, und wird dann dem Lochungsvorgang durch Hohlwalzen und einer Aufweitung des Durchmessers durch den Stopfen 74 unterworfen. Der Stopfen 74 wird von dem Dorn 75 gehalten und dreht sich frei mit dem Knüppel 73 und setzt dabei den Lochungsarbeitsgang fort, ohne daß er zurückgezogen wird. Somit wird der Knüppel 73 einer Scherverformung aufgrund der wechselseitigen Einwirkung der Walzen 71, 71′ und des Stopfens 74 unterworfen, bis er in eine hohle Rohrluppe umgewandelt ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren der Umwandlung eines Knüppels 73 in eine hohle Rohrluppe 78 mittels Hohlwalzens wird der Knüppel Scherverformungen in drei Richtungen ausgesetzt, nämlich

(i) Längsscherverformung;
(ii) Oberflächenscherverformung unter Drehbeanspruchung; und
(iii) Umfangsscherverformung.

Diese Formen der Scherbeanspruchung werden in Fig. 10 schematisch dargestellt. Die Längsverformung ist eine Erscheinung, bei der, unter der Annahme, daß der Knüppel aus scheibenförmigen Segmenten mit Endflächen senkrecht zu seiner Achse besteht, wie in Fig. 10 (a) gezeigt wird, ein Metallfluß innerhalb der Knüppelstruktur verursacht wird, der durch eine Verschiebung der Grenzen der einzelnen Segmente in Längsrichtung (d. h. in Richtung auf das Ende des Knüppeleinlasses des Hohlwalzwerks hin) gekennzeichnet ist, wie in Fig. 10 (a′) gezeigt wird. Eine derartige Verformung ist unvermeidlich, da der Knüppel der Streckung in Längsrichtung unterworfen wird.

Die Oberflächenscherverformung unter Drehbeanspruchung ist eine Erscheinung, bei der, unter der Annahme, daß der Knüppel ein Teilelement besitzt, das parallel zu der Achse des Knüppels ist, wie in Fig. 10 (b) gezeigt wird, ein Metallfluß innerhalb der Knüppelstruktur verursacht wird, der diese Teilelemente in solche von Spiralform verformt, wie in Fig. 10 (b′) gezeigt wird. Diese Scherverformung ist unerwünscht, da sie zur Entwicklung von äußeren Nahtkanten (einem Fehler, der von der Bildung einer Naht auf der Knüppeloberfläche unter der Oberflächendrehbeanspruchung herrührt) auf der Außenseite des fertigen Rohres führen kann.

Die Umfangsscherverformung ist eine Erscheinung, bei der, unter der Annahme daß der Knüppel ein Teilelement besitzt, das seinem Durchmesser vergleichbar ist, wie in Fig. 10 (c) gezeigt wird, ein Metallfluß stattfindet, der eine Verschiebung in Umfangsrichtung sowohl auf der zentralen Seite als auch auf der peripheren Seite des Teilelements verursacht, wie in Fig. 10 (c′) gezeigt wird. Diese Scherverformung ist ebenfalls unerwünscht, da sie das Auftreten von Fehlern in der Innenbohrung im Inneren des fertigen Rohres bewirken kann.

Der Grund dafür, daß Oberflächenverformung unter Drehbeanspruchung oder Umfangsscherverformung, je nachdem, zur Entwicklung von Säumen und Bohrungsfehlern auf den Oberflächen der Außen- oder Innenwand des Rohres führen, liegt darin, daß diese Verformung, d. h. ein unter Scherbeanspruchung stehendes Feld, wenn es in dem Knüppel vorliegt, über einen Einschluß in dem Knüppel einen Riß verursacht und ein solcher Riß sich beim Walzen des Knüppels in dem Feld der Scherbeanspruchung sich zu Nähten oder Bohrungsfehlern entwickelt.

Solche Fehler bedingen eine verminderte Ausbeute an einwandfreien Erzeugnissen. Aus diesem Grunde besteht ein dringendes Bedürfnis nach einer Hohlwalzmethode, die das Auftreten der Oberflächenscherverformung unter Drehbeanspruchung und der Umfangsscherverformung auf ein Mindestmaß begrenzen oder vollständig ausschalten kann, um Nahtbildung und Bohrungsfehler in den fertigen Rohren zu vermindern.

Seitens der Anmelderin wurde bereits ein Verfahren zur Herstellung nahtloser Stahlrohre entwickelt, das frei von einer Oberflächenverformung unter Drehbeanspruchung arbeitet (wie es in der JP-PS 23473/1974 offenbart wurde). Bei diesem Verfahren unter Einsatz eines Hohlwalzwerks mit plattenförmigen Gleitschuhen kann die Entwicklung einer Oberflächenverformung unter Drehbeanspruchung und/oder Umfangsscherverformung, wie sie oben beschrieben wurden, dadurch vollständig vermieden oder wesentlich herabgesetzt werden, daß der Vorschubwinkel β und der Schrägwinkel γ für die Walzen (der Schrägwinkel ist als derjenige Winkel definiert, den die Walzenachse mit einer senkrechten Ebene durch das Zentrum der Walzbahn bildet, wie in Fig. 11 dargestellt ist) so festgelegt werden, daß die Winkel die nachstehende Bedingung erfüllen:

Der Gegenstand dieser früheren Erfindung wurde in der Weise praktisch ausgewertet, daß tatsächlich in Betrieb befindliche Hohlwalzwerke in entsprechender Weise ausgerüstet wurden. Als Ergebnis konnte beim Lochwalzen schwieriger bearbeitbarer Materialien wie von Cr-Mo- Stahl die Häufigkeit des Auftretens von Nahtkanten auf der Außenseite in erheblichem Maße vermindert werden. Gleichzeitig wurde gefunden, daß die Anordnung auch beträchtlich zu einer Verminderung des Auftretens von Bohrungsfehlern im Inneren beitragen konnte.

Es wurde jedoch auch gefunden, daß es selbst mit diesem Verfahren nahezu unmöglich war, das Lochwalzen extrem schwer bearbeitbarer Materialien mit sehr schlechter Warmverarbeitbarkeit, beispielsweise nichtrostender Stähle wie austenitischer, ferritischer, martensitischer und zweiphasiger sowie hitze- und korrosionsbeständiger Stähle, z. B. Inconel und Hastealloy, in effektiver Weise durchzuführen, wenn dabei die Wirtschaftlichkeit der Produktion in Betracht gezogen wird. Soweit es sich um die Herstellung von Stahlrohren aus diesen hochlegierten Materialien handelt, gibt es nach dem Stand der Technik keine andere Möglichkeit als den Einsatz des Ugine-Sejournet-Verfahrens an Stelle von Lochwalzverfahren, die für die Massenherstellung Vorteile bieten. Dies liegt darin begründet, daß das Ugine-Sejournet-Verfahren so gut wie keine Möglichkeit für die Verursachung einer Oberflächenverformung unter Drehbeanspruchung und/oder Umfangsscherverformung des bei dem Verfahren zur Herstellung von Rohren verarbeiteten Materials in sich birgt; dementsprechend ist die Gefahr, wenn sie überhaupt besteht, nur gering, daß Nahtkanten und Bohrungsfehler auf den Oberflächen der Außen- bzw. Innenseite der Rohre entstehen. Bei der praktischen Durchführung Ugine-Sejournet-Verfahrens ist es jedoch notwendig, daß vorher maschinell ein Führungsloch durch das Zentrum jedes Knüppels über dessen ganze Länge hinweg gebohrt wird. Das bedeutet zwangsläufig eine Erhöhung der Zahl der Arbeitsgänge und damit eine Verminderung der Wirtschaftlichkeit und des Ausstoßes der Knüppelherstellung. Es ist unvermeidlich, daß alle diese Faktoren wegen des hohen Stempeldrucks und der stark erhöhten Kosten Nachteile bedingen.

Weiterhin sind aufgrund neuerer Entwicklungen auf dem Gebiet der Herstellung von Stahlrohren zwei schwierig zu lösende Probleme aufgetreten, von denen das eine die Seite der Materialversorgung und das andere die Nachfrage nach Stahlrohren betrifft. Hinsichtlich der Materialversorgung ist die Knüppelherstellung zur Zeit in einer Übergangsphase, in der das Verfahren der Fertigung von Gußblöcken immer mehr von dem Strangguß-Verfahren abgelöst wird. Es erübrigt sich festzustellen, daß mittels Strangguß hergestellte Knüppel zum großen Teil so beschaffen sind, daß die Mittenporosität aufweisen; prinzipiell sind solche Knüppel nicht für das Lochwalzen geeignet. Auf der Abnehmerseite besteht zunehmende Tendenz der Nachfrage nach Rohren aus hochlegierten Stählen. Betrachtet man beispielsweise den Bedarf an Rohren für Ölbohrungen, so nimmt die Zahl der Tiefbohrungen rasch zu, was eine erhöhte Belastung unter einer Atmosphäre mit hoher Schwefel-Konzentration bedeutet; dementsprechend steigt der Bedarf an Rohren aus hochlegierten Stählen, wie Incoloy und Hastealloy, die diesen härteren Bedingungen standhalten können, progressiv. Aufgrund der beschriebenen Lage besteht ein dringendes Bedürfnis nach einem neuen Lochungsverfahren, das die Massenherstellung derartiger Rohre aus hochlegierten Stählen unter den Arbeitsbedingungen eines Lochwalzverfahrens ermöglicht.

Aus der FR-PS 770 039 ist ein Schrägwalzgerüst zum Lochwalzen von Knüppeln zu Rohrluppen mit zwei einander gegenüberliegenden drehangetriebenen Arbeitswalzen bekannt, deren Achsen in bezug auf die Walzgutachse unter einem Vorschubwinkel β und einem Schrägwinkel γ verlaufen, mit zwei zwischen den Arbeitswalzen vertikal oder horizontal beiderseits des Walzguts einander gegenüberliegenden Scheiben, wobei deren äußerer Durchmesser größer ist als der maximale Durchmesser der Arbeitswalzen. Die das Walzgut berührende Fläche der Scheibenwalzen ist mit einem Durchmesser D ausgekehlt. Die Scheibenwalzen werden während des Lochwalzens gegen das Walzgut gepreßt und unabhängig von den Arbeitswalzen angetrieben. Zwischen den Arbeitswalzen und den Scheibenwalzen ist ein Lochdorn angeordnet.

Nur einseitig gelagerte Walzen, wie in der FR-PS 770 039 beschrieben, weisen eine verringerte Steifheit auf, wodurch beim Walzen die Tendenz besteht, die Walzenachse geringfügig zu öffnen, so daß nicht nur der Außendurchmesser des herzustellenden Rohres, sondern auch die Wandstärke des Rohres tendenziell vergrößert wird. Außerdem entsteht hierdurch eine deutliche Spiralmarkierung auf der Rohrluppe. Diese Markierung bildet sich dabei nicht nur auf der Außenfläche sondern auch auf der Innenfläche, wodurch eine erhebliche Wanddickenschwankung nicht nur in Längsrichtung, sondern auch in Umfangsrichtung der Rohrluppe erzeugt wird.

Ein weiterer Nachteil der einseitigen Walzenlagerung besteht in dem Auftreten von Vibrationen während des Lochvorgangs, die sich mit weiteren Grundschwingungen der Maschine überlagern und zu komplizieren Außendurchmesserschwankungen und Wanddickenschwankungen sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung führen.

Wenn der Lochungsvorgang derartig unstabil wird, wird Rohrmaterial in einen Spalt zwischen die Kegelwalzen und die Scheibenwalzen gepreßt und erzeugt das Phänomen des Rohraufweitens (flaring phenomenon). Zusätzlich wird das Rohrmaterial zu einer Kante der Hohlkehle der Scheibenwalze gezogen, wodurch das Ablösephänomen (peeling phenomenon) entstehen kann.

Aus diesen genannten Gründen ist der Materialfluß des Rohrmetalls bei nur einseitig gelagerten Kegelwalzen äußerst unstabil und führt hinsichtlich der Scherverformung in Umfangsrichtung zu unterschiedlichen Ergebnissen. Entsprechend existieren derzeit keine Schrägwalzwerke mit einseitiger Lagerung der Kegelwalzen mehr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schrägwalzwerk zu schaffen, das die Herstellung nahtloser Rohre aus schwer verarbeitbaren Stählen, insbesondere ohne innere Fehlstellen, ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Hauptanspruchs.

Erfindungsgemäß können austenitische, martensitische Stähle sowie Edelstähle und hochlegierte Stähle gelocht werden, ohne innere Fehlstellen zu erzeugen. Sogar ferritische Stähle können ohne Erzeugung innerer Fehlstellen bei einem großen Schräg- und Vorschubwinkel gelocht werden, obwohl Rohre aus derartigen Stählen bisher nur durch ein Stranggußverfahren hergestellt wurden.

Einige martensitische und Zweiphasen-Edelstähle können ohne Erzeugung von inneren Fehlstellen selbst in den Fällen gelocht werden, in denen ein Lochungsverhältnis (das ist das Verhältnis der Länge des Knüppels zur Länge der Rohrluppe) sehr gering ist, wenn einer der Winkel, nämlich der Schrägwinkel oder der Vorschubwinkel, einen hohen Wert aufweisen.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Lochung, das die Herstellung von Rohren aus schlechter verarbeitbaren und/oder außerordentlich schwierig warm zu verarbeitenden hochlegierten Stählen mittels eines Lochwalzverfahrens ermöglicht.

Hohle Rohrluppen können ohne Auftreten von Oberflächentorsionsverformung und/oder Umfangsscherverformung aus hochlegierten Stählen, die die Fertigung von Stahlrohren hoher Güte erlauben, hergestellt werden. Die Stahlrohre sind außen und innen frei von Nahtkanten, wobei kaum Ausschuß erzeugt wird.

Die hergestellten Metallrohre sind praktisch frei von äußeren Zunderfehlern.

Bei Kegelwalzen wird die Umfangsgeschwindigkeit der Walze kontinuierlich von der Einlaßseite zur Auslaßseite erhöht, so daß auch eine Axialkomponente der Umfangsgeschwindigkeit der Walze gleichzeitig derart gesteigert wird, daß sie der Geschwindigkeit des Rohmaterials angepaßt ist. Dies bedeutet, daß die Walze selbst eher eine Zugwirkung als eine Bremswirkung auf das Rohmaterial erzeugt.

Wenn in diesem Fall zusätzlich eine Scheibenwalze verwendet wird, wird das Rohrmaterial aufgrund des Druckwalzeffektes der Scheibenwalze bemerkenswert gleichförmig fortbewegt, wodurch die Scherdeformation in der Umfangsrichtung γ _r R merklich verringert wird.

Bei einer faßförmigen Hauptwalze in Kombination mit der Scheibenwalze läßt sich der erfindungsgemäße Effekt nicht erzielen, sondern nur bei einer Kombination einer Kegelwalze mit einer Scheibenwalze.

Bei faßförmiger Hauptwalze wird die Geschwindigkeit des Rohrmaterials kontinuierlich von der Einlaßseite zur Auslaßseite erhöht (die Geschwindigkeit des Materials wird genauso stark erhöht wie beim Lochen), während die Umfangsgeschwindigkeit der Walze, die dem Rohrmaterial die progressive Geschwindigkeit gibt, vom Einlaß zum Auslaß fast konstant ist. Dies besagt, daß in diesem Fall die Walze selbst die Fortbewegung des Rohmaterials bremst. Das Rohmaterial ist schwer vorzubewegen und rotiert lediglich, wodurch die Scherdeformation in der Umfangsrichtung γ _r R mit einem gesteigerten Wert auftritt. Wenn in diesem Fall das Walzen unter Verwendung einer Scheibenwalze anstelle eines Führungsschuhs durchgeführt wird, rutscht das Rohrmaterial lediglich und ist schwer vorzubewegen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die Walzenanordnung einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Seitenansicht der gleichen Ausführungsform,

Fig. 3 ist eine Stirnansicht der gleichen Ausführungsform von der Auslaßseite der Rohrluppe her gesehen.

Fig. 4 ist eine Stirnansicht der gleichen Ausführungsform von der Einlaßseite des Knüppels her gesehen.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkungen des Vorschubwinkels und des Schrägwinkels auf die Möglichkeiten einer Umfangsscherverformung zeigt.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung des Vorschubwinkels und des Schrägwinkels auf die Entstehung von Bohrungsfehlern auf der Oberfläche der Innenseite der Stahlrohre zeigt.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine bekannte Walzenanordnung.

Fig. 8 ist eine Seitenansicht dieser bekannten Ausführungsform.

Fig. 9 ist eine Stirnansicht dieser bekannten Ausführungsform von der Auslaßseite der Rohrluppe her gesehen.

Fig. 10 ist eine erläuternde Darstellung, die verschiedene Arten der Scherverformung zeigt.

Fig. 11 ist eine Draufsicht zur Erläuterung der Einstellung des Schrägwinkels.

Bei der Herstellung nahtloser Rohre wird ein erhitzter Knüppel in den Walzenspalt zwischen gegenüberliegenden Walzen eingeführt und unter Drehung um die eigene Achse und Fortbewegung in axialer Richtung mittels eines zwischen den Walzen angeordneten Stopfens zentral aufgebohrt, bis er in eine hohle Rohrluppe umgewandelt worden ist. Hierzu wird ein Hohlwalzwerk eingesetzt, das einander gegenüberliegende Hauptwalzen in horizontaler oder vertikaler Anordnung mit dazwischen liegender Walzbahn des Knüppels/der hohlen Rohrluppe und zwischen den Hauptwalzen einander gegenüber liegende Scheibenwalzen in vertikaler oder horizontaler Anordnung beiderseits der Walzbahn besitzt und bei dem die Hauptwalzen so angeordnet sind, daß der Vorschubwinkel β und der Schrägwinkel q die folgenden Bedingungen erfüllen

3° < β < 25°
3° < γ < 25°
15° < β + γ < 45°,

und die Scheibenwalzen während des Hohlwalzenvorgangs gegen Knüppel und hohle Rohrluppe gepreßt werden.

Der Vorschubwinkel β ist der Winkel, den die Achse jeder Hauptwalze mit einer waagerechten Ebene (wenn die Hauptwalzen so angeordnet sind, daß sie sich horizontal gegenüber stehen) oder einer senkrechten Ebene (wenn die Hauptwalzen so angeordnet sind, daß sie sich vertikal gegenüber stehen) durch das Zentrum der Walzbahn bildet. Der Schrägwinkel γ ist der Winkel, den die Achse jeder Hauptwalze mit einer senkrechten Ebene (wenn die Hauptwalzen so angeordnet sind, daß sie sich horizontal gegenüber stehen) oder einer waagerechten Ebene (wenn die Hauptwalzen so angeordnet sind, daß sie sich vertikal gegenüber stehen) durch das Zentrum der Walzbahn bildet.

Die Hauptwalzen 11, 11′, die beiderseits der Walzbahn einander gegenüber angeordnet sind, sind kegelförmig und besitzen jeweils einen einlaßseitigen Spannwinkel α₁ auf der Einlaßseite (für den Knüppel 13) und einen auslaßseitigen Spannwinkel α₂ auf der Auslaßseite, wobei an der Schnittstelle oder Grenze zwischen der einlaßseitigen Walzenoberfläche und der auslaßseitigen Walzenoberfläche eine Kehle gebildet wird. Der Durchmesser jeder Walze ist an ihrem auslaßseitigen Ende am größten. Die Walzenspindel wird an ihren beiden Enden durch (nicht eingezeichnete) Lager gehaltert. Wenn die Walzenspindeln nur an ihrem einen Ende gehaltert werden, ist es sehr wahrscheinlich, daß die Walzen während des Lochwalzvorgangs in Schwingungen geraten, was eine Ursache auftretender Exzentrizität der Wand sein kann. Derartige Schwingungen beeinflussen auch den Zustand der Rohrluppe nachteilig, und zwar sowohl außen als auch innen. Die Walzen sind in einer solchen Weise angeordnet, daß die Verlängerungen ihrer Achsen sich in entgegengesetzten Richtungen unter den gleichen Spannungswinkeln β relativ zu einer waagerechten Ebene durch die Mitte der Walzbahn erstrecken, die der Knüppel 13 durchläuft, und daß diese Verlängerungen sich unter symmetrischen Schrägwinkeln γ relativ zu einer senkrechten Ebene durch die Mitte der Walzbahn kreuzen. Die Hauptwalzen drehen sich mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit in der gleichen Richtung, wie durch die Pfeile angezeigt wird. Wie Fig. 3 zeigt, sind zwischen den Hauptwalzen 11, 11′ Scheibenwalzen 12, 12′ angeordnet, die so justiert sind, daß sie auf die hohle Rohrluppe 18 sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite her Druck längs einer Geraden senkrecht zur Walzbahn ausüben. Der äußere Durchmesser jeder der beiden Scheibenwalzen 12, 12′ ist etwa 2 bis 3 mal so groß wie der maximale Durchmesser jeder der beiden Hauptwalzen 11, 11′. Die Scheibenwalzen werden von einem eigenen Motor, getrennt von den Hauptwalzen, angetrieben und drehen sich in solcher Richtung, daß sie den Knüppel 13 in Richtung der Kehle vorwärtstreiben. Ihre Drehgeschwindigkeit wird relativ zu sin β festgelegt. Der Vorschubwinkel β variiert in Abhängigkeit von dem zu lochenden Knüppel, und der sin β oder der Sinus des Vorschubwinkels β bestimmt die auf den Knüppel oder die hohle Rohrluppe zur Einwirkung zu bringende Vorwärts- Antriebskraft bzw. dessen/deren Wanderungsgeschwindigkeit in axialer Richtung. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, die Umfangsgeschwindigkeit oder Rotationsgeschwindigkeit der Scheibenwalzen 12, 12′ relativ zu sin β festzulegen, so daß sie in Beziehung zu der Wanderungsgeschwindigkeit des Knüppels oder der hohlen Rohrluppe steht. Konkret kann bei Änderung von sin β die Umfangsgeschwindigkeit der Scheibenwalzen proportional zu D.sin β (wobei D der Durchmesser der Kehle ist) verändert werden. Angebracht ist ein Lochstopfen 14, dessen vorderes Ende sich an einer Stelle in geringem Abstand von der Kehle in Richtung der Einlaßseite für den Knüppel 13 befindet, wobei der Stopfen an seinem rückwärtigen Ende durch einen Dorn 15 gehalten wird.

Allgemein gilt, daß, je größer die Vorschub- und Schrägwinkel β und γ sind, desto größer ihre Wirkung in bezug auf eine Verhinderung der Umfangsscherverformung ist. Naturgemäß gibt es für diese Winkel obere Grenzwerte aufgrund der mechanischen Grenzen, die zwangsläufig die Konstruktion von Hohlwalzwerken gesetzt sind. Wenn eine Winkel-Einstellung von 25° überschritten wird, können Lager zur Halterung der Walzenspindeln nicht im Gehäuse des Hohlwalzwerks untergebracht werden, wodurch es praktisch unmöglich wird, die Konstruktion einer beidseitigen Halterung der Walzen beizubehalten. Des weiteren würde das Verbindungsglied zwischen der Walzenspindel und der Spindel, die die Antriebskraft auf die Walze überträgt, der Rohrluppe mechanisch im Wege sein. Vom Standpunkt der mechanischen Konstruktion betrachtet ist es deshalb nahezu unmöglich, eine darüber hinaus gehende obere Grenze der Winkel-Einstellung zu verwirklichen.

Die untere Grenze von 3° für den Winkel wurde in Relation zu dem Lochungsverhältnis festgelegt. Als Parameter, der den Arbeitsgrad eines Lochwalzwerks angibt, wird das Lochungsverhältnis als das Verhältnis der Länge der hohlen Rohrluppe zu der Länge des Knüppels definiert. Je größer das Lochungsverhältnis ist, desto dünner ist die Wandung der hohlen Rohrluppe. Deshalb bedeutet ein größeres Lochungsverhältnis, daß das Material einer stärkeren Bearbeitungsbeanspruchung unterworfen wird, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Bohrungsfehlern auf der inneren Oberfläche zunimmt. Aus diesem Grunde wird das Lochungsverhältnis im allgemeinen innerhalb eines Bereichs von 1,5 bis 4,5 festgelegt. Um ein Lochungsverhältnis innerhalb eines solchen Bereichs zu erhalten, wird die untere Grenze für die Winkel β und γ bei 3° festgesetzt.

Hinsichtlich des Wertebereichs für β + γ ist festzustellen, daß die Entstehung von Bohrungsfehlern auf der Innenseite unvermeidlich werden würde, wenn dieser Wert kleiner als 15° ist; darüber hinaus würde auch die Zuführungsgeschwindigkeit des Knüppels mit der Folge abzunehmender Produktionsleistung verringert. Wenn er 45° übersteigt, würde eine zunehmende gegenseitige Störung von hohler Rohrluppe und Kupplung zwischen Spindel und Walzenspindel bedingt und dadurch ein zufriedenstellender Lochwalzvorgang verhindert. Aus diesem Grunde wird der Auswahlbereich für β + γ so festgelegt, daß er von 15° bis 45° reicht.

Das Auftreten von Bohrungsfehlern im Inneren infolge von Umfangsscherverformung wird zuverlässig verhindert. Dies ist vor allem der Verwendung der Scheibenwalzen 12, 12′ zuzuschreiben. Wie in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt wird, sind die Scheibenwalzen 12, 12′ zwischen den Hauptwalzen 11 und 11′ in einer solchen Weise angeordnet, daß sie auf den Knüppel 13 und die hohle Rohrluppe 18 von der Ober- und Unterseite her drücken und, durch Drehung in Richtung der Pfeile 20, 21, den Knüppel zwangsweise von der Einlaßseite her zur Auslaßseite hin bewegen. Fig. 4 ist eine fragmentarische Schnittansicht der Anordnung in Form eines Schnittes senkrecht zur Walzenbahn im wesentlichen in der Mitte des Stopfens 14 in Längsrichtung von der Einlaßseite her gesehen. Wie aus der Abbildung zu ersehen ist, haben die Scheibenwalzen 12, 12′ auf ihren Rollflächen unsymmetrische Kantenprofile. An den einander entgegengesetzten Kantenteilen an den Stellen, an denen bei fortschreitendem Walzen infolge der Drehung der Hauptwalzen 11, 11′ und des Stopfens 14 Abfallmetall aus der hohlen Rohrluppe 18 aus der Lücke zwischen den Hauptwalzen und dem Stopfen heraus extrudiert wird, werden vorspringende Oberflächen 22, 22′ gebildet, wohingegen an den einander entgegengesetzten Kantenteilen an den Stellen, an denen solches Abfallmetall in die Lücke zwischen den Hauptwalzen 11, 11′ und dem Stopfen hineingezogen wird, fliehende Oberflächen 23, 23′ gebildet werden. Mit anderen Worten: Der Umfang der Scheibenwalzen 12, 12′ ist in der Rotationsrichtung der hohlen Rohrluppe diametral verkleinert.

Bei dem herkömmlichen Verfahren des Lochwalzens werden plattenförmige Gleitschuhe zwischen den Hauptwalzen angebracht. Jeder Gleitschuh ist so ausgelegt, daß er mit seiner Oberfläche Abfallmetall von der hohlen Rohrluppe drückt, wenn sie im aufgeblähten Zustand austritt. Da die Gleitschuhe an dem Hohlwalzwerk befestigt sind, ist es wahrscheinlich, daß die hohle Rohrluppe während ihrer Fortbewegung in Längsrichtung sich an den Gleitschuh- Oberfläche reibt. Der dabei auftretende Reibungswiderstand begünstigt die Tendenz zur Entwicklung einer Umfangsscherverformung. Im Gegensatz hierzu wird bei dem Schrägwalzgerüst ein Druck auf die hohle Rohrluppe 18 durch zwangsweise in Rotation versetzte Scheibenwalzen 12, 12′ ausgeübt, und dadurch die Reibungskraft gegen den in der Bewegungsrichtung der hohlen Rohrluppe wirkenden Schub naturgemäß vermindert; dementsprechend kann im wesentlichen der gleiche Metallfluß erzielt werden wie im Fall der Anwendung des Ugine-Sejournet-Strangpreßverfahrens.

Zur weiteren Erläuterung werden die folgenden Beispiele angegeben.

Beispiel 1

Hauptwalzen:
maximaler Durchmesser 350 mm
Rotationsgeschwindigkeit 60 min^-1

β: variabel in 8 Stufen von 6° bis 20°
q: variabel in 5 Stufen von 0° bis 20°

Scheibenwalzen:
Durchmesser 900 mm
Rotationsgeschwindigkeit variabel proportional zu D · sin β (ca. 3,3 bis 9,9 min^-1)

Stopfen:
Durchmesser 50 mm

Test-Knüppel:
Material: Kohlenstoff-Stahl (0,50% C)
Durchmesser 70 mm und 72 mm
Die Knüppel sollten zu hohlen Rohrluppen von 70 mm bis 71 mm Durchmesser gelocht werden.

Das Lochwalzen wurde unter diesen Bedingungen durchgeführt. Die Wirkungen des Vorschubwinkels β und des Schrägwinkels γ auf die Umfangsscherverformung γ _r _R wurden untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt. Die Umfangsscherverformung γ _r _R wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt

in der
r den äußeren Radius der hohlen Rohrluppe,
t die Wandstärke der hohlen Rohrluppe und
R den Verschiebungswinkel im Bogenmaß bezeichnen.

Die Umfangsscherverformung q _r _R wurde auf folgende Weise gemessen: In jeden Knüppel wurden in Teilstücke in bestimmten Abständen Stäbchen in radialer Richtung eingebettet, und die Stellen der Stäbchen wurden nach dem Lochungsvorgang untersucht.

Wie Fig. 5 erkennen läßt, zeigen die Vorschubwinkel β beachtliche Auswirkungen auf die Umfangsscherverformung γ _r _R. In dem Maße, in dem der Vorschubwinkel größer wird, ergibt sich eine bemerkenswerte Abnahme der Umfangsscherverformung γ _r _R. In ähnlicher Weise nimmt die Umfangsscherverformung γ _r _R signifikant mit der Zunahme des Schrägwinkels γ ab. Besonders beachtlich ist, daß in den Fällen, in denen der Vorschubwinkel β≦14° bei einem Schrägwinkel γ=15° oder β≦10° bei einem Schrägwinkel γ=20° beträgt, die Umfangsscherverformung vollständig ausgeschaltet wird, so daß γ _r _R=0. So wurde im wesentlichen der gleiche Metallfluß wie bei der Anwendung des Ugine-Sejournet-Verfahrens erreicht.

Beispiel 2

Die Auswirkung des Vorschubwinkels β und des Schrägwinkels γ auf das Auftreten von Bohrungsfehlern auf der Innenseite der hohlen Rohrluppe wurde untersucht.

Die Lochungsbedingungen waren die gleichen wie in Beispiel 1. Als Test-Material wurde ein nichtrostender austenitischer Stahl mit Nb-Zusatz (Cr: 17 bis 20%; Ni: 9 bis 13%; Nb: 1%, Rest im wesentlichen Fe), ein nichtrostender Stahl, der als derjenige mit der schlechtesten Warmverarbeitbarkeit bekannt ist. Die Erfahrungen mit diesem Material gehen dahin, daß bei seiner Verwendung zur Herstellung hohler Rohrluppen mittels des konventionellen Mannesmann-Hohlwalzverfahrens im allgemeinen beachtliche Bohrungsfehler auf der Oberfläche der Innenseite auftreten und, was noch schlimmer ist, häufig sogar die Wandung der Rohrluppe durchbrochen ist, so daß sich die Bohrungsfehler bis zur äußeren Oberfläche hin erstrecken.

Die Test-Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt, in der das Zeichen ⚫ bedeutsame Bohrungsfehler auf der Innenseite, das Zeichen ⊗ unbedeutende Bohrungsfehler auf der Innenseite und das Zeichen o einen zufriedenstellenden Zustand der Innenseite bezeichnen. Wie aus der graphischen Darstellung unschwer zu erkennen ist, zeitigen der Vorschubwinkel β und der Schrägwinkel γ bemerkenswerte Auswirkungen. Die Bohrungsfehler auf der Innenseite nehmen in deutlichem Verhältnis zum Anstieg des Vorschubwinkels β und des Schrägwinkels γ ab. Es ist wichtig festzustellen, daß die Änderungen der Größenordnung der Bohrungsfehler auf der Innenseite denjenigen der Größenordnung der Umfangsscherverformung, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind, entsprechen. Offenbar besteht eine signifikante Beziehung zwischen der Umfangsscherverformung und dem Auftreten von Bohrungsfehlern auf der Innenseite.

Beispiel 3

Außerordentlich schwerbearbeitbare Werkstoffe wurden unter gleichen Bedingungen dem Lochungsvorgang gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sowie mittels des herkömmlichen Verfahrens (drei Bedingungen) unterworfen. Die erhaltenen hohlen Rohrluppen wurden zu fertigen Rohren weiterverarbeitet. Die Ausbeuten der Güteprüfung wurden verglichen. Die Zusammensetzungen der Werkstoffe sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Folgende Lochungsbedingungen wurden angewandt:

(1) Knüppel-Durchmesser\|72 mm
(2) Lochungsverhältnis	2,7 mm
(3) Ausdehnungsverhältnis	3%
(4) Lochungstemperatur	1200°C

Die Ausbeuten der Güteprüfung sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Ausbeuten der Güteprüfung (%)

Allgemein zeigten Stähle mit höheren Cr- und Ni-Gehalten eine stärkere Tendenz zu schlechter Warmbearbeitbarkeit, die in zunehmendem Maße Nahtkanten und Bohrungsfehler, sowohl auf der Außen- als auch auf der Innenseite, und eine Abnahme der Ausbeuten bei der Güteprüfung zur Folge hatten. Die mit dem beschriebenen Schrägwalzgerüst hergestellten Erzeugnisse zeigten jedoch sehr befriedigende Ergebnisse der Güteprüfung mit Ausbeuten von 100% oder im wesentlichen ähnlichen Ausbeuten, und zwar unabhängig von der Art des verwendeten Stahl-Werkstoffs. Betrachtet man die Ergebnisse besonders im Hinblick auf den Grad der erzielten Verbesserung, so ist festzustellen, daß sich die größeren Ausbeute-Verbesserungen bei Materialien mit materialbedingt schlechterer Warmverarbeitbarkeit ergaben. Dieses Ergebnis lehrt, daß das Schrägwalzen wirkungsvoller ist, wenn es zum Lochwalzen von Stählen mit schlechterer Warmverarbeitbarkeit eingesetzt wird.

Die Verbesserung der Ausbeuten der Güteprüfung, wie sie aus dem Vorstehenden zu ersehen ist, ist naturgemäß in erster Linie darauf zurückzuführen, daß Bohrungsfehler auf der Innenseite und Nahtkanten auf der Außenseite dadurch im wesentlichen vollständig ausgeschaltet werden, daß die Oberflächenverformung unter Torsionsbelastung ebenso wie die Umfangsscherverformung ganz erheblich herabgesetzt werden. Ein weiterer Gurnd für diese Verbesserung der Ausbeute liegt darin, daß die Entwicklung von Zunderfehlern auf der äußeren Oberfläche im wesentlichen verhindert wird. Bei den herkömmlichen Lochwalzverfahren unter Einsatz von Gleitschuhen oder von Scheibenwalzen einer Bauart, bei der die Walzenflächen Kantenprofile mit symmetrischen Kaliber aufweisen, lagert sich Zundermaterial, das während des Lochungsvorgangs von dem Knüppel oder der hohlen Rohrluppe abfällt, auf der Gleitschuh- oder Scheibwalzen-Fläche als solches ab und werden an die Oberfläche des Knüppels oder der hohlen Rohrluppe angeheftet und verwandeln sich dann im Zuge des Walzvorgangs in Zunderfehler. Bei dem Schrägwalzgerüst haben die Walzenflächen der Scheibenwalzen jedoch Kantenprofile mit fliehenden Flächen in Drehrichtung des Knüppels bzw. der hohlen Rohrluppe, so daß die Schuppen daran gehindert werden, sich auf der Walzenfläche abzulagern; dies ist der Grund dafür, daß gar keine oder nur eine geringe Möglichkeit des Auftretens von Zunderfehlern besteht.

Das Schrägwalzgerüst ist ebenfalls vorteilhaft unter dem Gesichtspunkt der Betriebsleistung. Bei dem herkömmlichen Verfahren unter Einsatz plattenförmiger Gleitschuhe ist es häufig erforderlich, Gleitschuhe auch während des Lochwalzvorgangs zu ersetzen, da sie starkem Verschleiß unterliegen. Aus diesem Grunde treten oft Fälle ein, in denen der Lochungsvorgang zum Ersatz der Schuhe unterbrochen werden muß. Hieraus folgt eine verminderte Betriebsleistung der gesamten Rohrfertigungsanlage. Dagegen ist die Möglichkeit eines Verschleißes der Scheibenwalzenfläche wesentlich vermindert, und es besteht wenig oder überhaupt keine Notwendigkeit, den Lochungsvorgang wegen Einbaus eines Ersatzteils zu unterbrechen. Dieses alles führt naturgemäß zu einer verbesserten Betriebsleistung.

Wie bereits beschrieben wurde, werden die kegelförmigen Hauptwalzen, die an beiden Enden der Walzenspindel gehaltert sind, so eingestellt, daß große Vorschub- und Schrägwinkel erhalten werden. Am besten werden Scheibenwalzen eingesetzt, um den Knüppel zwangsweise in seine Lage zu bringen, wobei die Entstehung einer Exzentrizität der Wand während des Lochwalzenvorgangs verhindert wird und sich dadurch Oberflächenverformung unter Torsionsbeanspruchung und Umfangsscherverformung vollständig ausschalten oder auf ein Mindestmaß herabsetzen lassen, so als ob das Ugine-Sejournet-Strangpreßverfahren angewandt worden wäre. Die Lochung von außerordentlich schwer bearbeitbaren Stählen, von denen bisher angenommen wurde, daß sie nicht gelocht werden können, wird ermöglicht. Dabei werden Bohrungsfehler auf der Innenseite und Nahtkanten auf der Außenseite gänzlich oder weitestgehend vermieden. Es läßt sich daher sagen, daß das vorliegende Schrägwalzengerüst eine Rationalisierung des Verfahrens zur Herstellung von Rohren und eine lange angestrebte Verbesserung der Ausbeute an einwandfreien Erzeugnissen erreicht. Es ermöglicht ein neues und sehr bedeutsames Verfahren des Lochwalzens in der Stahlrohrfertigung.

In der vorstehenden ausführlichen Beschreibung sind die Hauptwalzen waagerecht links und rechts von der dazwischen liegenden Walzbahn angeordnet, und die Scheibenwalzen sind in der Senkrechten, darüber und darunter, angebracht. Selbstverständlich ist es möglich, die Hauptwalzen senkrecht beiderseits der Walzbahn anzuordnen und die Scheibenwalzen waagerecht anzubringen. In beiden Fällen ist die physikalische Wirkung der Anordnung genau die gleiche.

Claims

1. Schrägwalzgerüst zum Lochwalzen von Knüppeln zu Rohrluppen

- mit zwei vertikal oder horizontal beiderseits des Walzguts einander gegenüberliegenden Kegelwalzen mit jeweils einer in bezug auf die Walzgutachse einlaufseitig konvergierenden und einer auslaufseitig divergierenden Mantelfläche, wobei die Achsen der Kegelwalzen in bezug auf die Walzgutachse unter einem Vorschubwinkel b und einem Schrägwinkel γ verlaufen,
- mit zwei zwischen den Kegelwalzen gegenüberliegenden Scheibenwalzen, die unabhängig von den Kegelwalzen angetrieben und während des Lochwalzens gegen das Walzgut gepreßt sind, deren äußerer Durchmesser größer ist als der maximale Durchmesser der Kegelwalzen, und
- mit einem zentral zwischen den Kegelwalzen und den Scheibenwalzen angeordneten Stopfen,

dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die beiden Kegelwalzen (11) beidseitig gelagert sind,
(b) die Achsen der Kegelwalzen (11) so angeordnet sind, daß der Vorschubwinkel β und der Schrägwinkel γ die folgenden Bedingungen erfüllen: 3° < β < 25°
3° < γ < 25°
15° < β + γ < 45°.

2. Schrägwalzgerüst nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenwalzen (12, 12′) ein unsymmetrisches Querschnittsprofil aufweisen, derart, daß jeweils der der Drehrichtung einer Kegelwalze (11, 11′) entgegenstehende Kantenbereich (22, 22′) der Scheibenwalzen (12, 12′) vorsteht, während der in Drehrichtung einer Kegelwalze (11, 11′) weisende Kantenbereich (23, 23′) zurückspringt.