DE3406841C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schrägwalzwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei sogenannten Hochreduktions-Schrägwalzwerken, bekannt als Planetenschrägwalzwerk mit rotierendem Walzgerüst und nichtrotierendem Rohr oder als Drei­ walzenkegelschrägwalzwerk für die Hochreduktion von Rohren mit stehendem Walzgerüst und rotierendem Rohr kommt der Wirkung des bei allen Schrägwalzver­ fahren erforderlichen Glättkalibers besondere Be­ deutung zu. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß diese Hochreduktionswalzwerke für die Erzeugung der Wanddickentoleranzen bereits die Fertigstufe darstellen, d. h., daß keine weitere Verformung mit einem Innenwerkzeug vorgesehen ist.

Somit kann die bei Schrägwalzprozessen typische Wellig­ keit - die als Wandverdickung schraubenlinienförmig um das Rohr herumläuft - insbesondere bei dünnen Wänden nicht toleriert werden.

Die gleiche Forderung an den Glätteffekt besteht zwar auch bei den bekannten Asselwalzwerken, aber mit dem Unterschied, daß Streckung und Vorschub sehr gering sind und daß die räumliche Lage der Walzenachse nur einen sehr kleinen Winkel β gegenüber der Walzgutachse auf­ weist. Damit wird die Glättwirkung bei dimensionsab­ hängigen Walzenanstellungen nur unwesentlich beeinflußt.

Eine völlig andere Situation ergibt sich bei den Hoch­ reduktions-Schrägwalzwerken, bei denen ein Hohlblock über eine zylindrische Dornstange zur Rohrluppe ausge­ streckt wird. Die Möglichkeit, sehr große Streckungen zu erzielen, ergibt sich bei beiden Walzwerken aus den günstigen Geschwindigkeitsverhältnissen als Folge der besonderen räumlichen Walzenlage. Es ist hier ohne Belang, daß im Falle des Planetenschrägwalzwerkes die Walzen planetenartig um das Rohr laufen, während im Falle des Dreiwalzenkegelschrägwalzenwerkes das Rohr rotiert. Es wird daher nachfolgend das sich drehende Walzgut beschrieben, ebenso wird immer nur eine der drei Walzen betrachtet.

Die eigentliche Walzenkalibrierung kann, wie bei Schrägwalzwerken üblich, in die drei Bereiche Streck­ zone, Glättzone und Rundezone unterteilt werden. Die Fig. 1 zeigt den Walzspalt eines Dreiwalzen-Kegel­ schrägwalzwerkes mit der Walze 1′, der Streckzone 2′, der Glättzone 3′ und der Rundezone 4′, bei dem sich zur Vereinfachung der Darstellung Walzen- und Walzgut­ achse im Punkt X berühren. In der Rohrluppe 6 befindet sich die Walzstange 7.

In der Streckzone wird in einem, zwischen Innenwerkzeug und Walzenoberfläche gebildeten, sich in Walzrichtung verengenden Walzspalt die Hohlblockwanddicke zwangs­ läufig auf die vorgegebene Rohrluppenwanddicke redu­ ziert, während sich der Hohlblockumfang in Abhängigkeit von den Spannungs-, Geschwindigkeits- und Reibungs­ verhältnissen in unterschiedlichem Maße zum Rohrluppen­ umfang aufweitet.

Das Ende der Streckzone, das nach Fig. 1 auch als Walzenschulter 5 ausgebildet sein kann, bestimmt die Rohrluppenwanddicke, d. h. hier ergibt sich die engste Stelle des Walzspaltes.

Die Notwendigkeit des Glättkalibers wird deutlich, wenn man von der wendelförmigen Vorschubbewegung des Walz­ gutes ausgeht und gleichzeitig das im Walzspalt der Streckzone erzeugte Wanddickenprofil betrachtet.

Vereinfacht dargestellt, verläßt ein bestimmtes Wand­ dickenprofil den Walzspalt einer Walze und tritt nach 120° Drehung in den Spalt der nächsten Walze ein. Da mit der Drehung ein Materiallängsvorschub verbunden ist, wird das vordere Ende des Wanddickenprofils nicht mehr von der Streckzone der Walze erfaßt, in die es einläuft. Die nicht erfaßte Länge entspricht dabei dem zu einer 120°-Drehung gehörenden Längsvor­ schub.

Würde also die Walze mit der Streckzone enden, so hätte die erzeugte Wanddicke einen sägezahnähnlichen schraubenlinienförmigen Verlauf, wobei die Wanddicken­ unterschiede von der ausgetretenen Profillänge und der Profilhöhendifferenz abhängig wären.

Dem auf die Streckzone folgenden Glättkaliber fällt somit die Aufgabe zu, eine konstante Rohrluppenwand­ dicke zu erzeugen. Dies geschieht in der Art, daß Innenwerkzeug und Walzenoberfläche einen Walzspalt bilden, der der Rohrluppenwanddicke entspricht und dessen Länge mindestens gleich dem Längsvorschub ist, der sich bei einer 120°-Rohrdrehung ergibt.

Anders gesagt, wird das Glättkaliber dadurch erzeugt, daß über eine vorgegebene Länge der Abstand zwischen der Oberfläche des Rotationskörpers "Walze" und der Walzgutachse konstant bleibt. Die Berührungslinie zwischen Walzgut und Walze ist damit eine räumliche Kurve auf der Mantelfläche eines gedachten Zylinders. Der Zylinderdurchmesser entspricht dabei dem Durch­ messer des Innenwerkzeuges plus zweimal der Rohr­ luppenwanddicke.

Die Glättzone der Walze hat somit in Wirklichkeit keine gerade Mantellinie, sondern, wie es auch von Schrägrollenrichtmaschinen für Rundmaterialien be­ kannt ist, eine hyperboloide Form. Diese Walze 1 ist in Fig. 2 dargestellt, die aus der Streckzone 2, der Glättzone 3 und der Rundezone 4 besteht. Die Schulter wurde zur Vereinfachung weggelassen.

Bei der Herstellung unterschiedlicher Wanddicken er­ geben sich, wie bereits erwähnt, unterschiedliche Aus­ trittsdurchmesser für die erzeugten Rohrluppen in der Weise, daß dickwandige Rohre nur wenig, dünnwandige Rohre dagegen beträchtlich aufgeweitet werden. Bei einem großen min/max-Wanddickenbereich, der ein we­ sentliches Argument für den Einsatz der Hochreduktions- Schrägwalzwerke ist, ergeben sich Durchmesserunter­ schiede in einer Größenordnung, die den Einsatz dieser Rohrluppen in ein nachfolgendes Maß- oder Streck­ reduzierwalzwerk insofern unwirtschaftlich machen, als hier eine Vielzahl von Walzkalibern vorrätig ge­ halten werden müßte. Aus diesem Grund, und weil es eben­ falls wirtschaftlich nicht tragbar ist, für jede Rohr­ luppenwanddicke im Hochreduktionswalzwerk einen speziellen Dornstangendurchmesser bereitzuhalten, ergibt sich die Notwendigkeit, die Arbeitswalzen dieses Walzwerkes entsprechend anzustellen.

Diese für den praktischen Betrieb sinnvolle Ver­ fahrensweise steht und fällt aber mit den Anstell­ möglichkeiten, die am Walzwerk vorhanden sind.

Eine theoretische Untersuchung der Verhältnisse am Planetenschrägwalzwerk zeigt, daß es durch das hier vorhandene Anstellsystem nicht möglich ist, mit einem einzigen Walzenkaliber einen ausreichenden minimalen/maximalen Rohrluppendurchmesserbereich zu walzen. Es fehlt eine Anstellung, mit der die Walzen so eingestellt werden können, daß die schraubenlinien­ förmigen Wandverdickungen unterdrückt werden. Auf Grund der konstruktiven Eigenheiten eines Planeten­ schrägwalzwerkes ist es nicht möglich, eine derartige Anstellung zu schaffen.

Wie aus der OS 27 48 770 entnommen werden kann, sind bei einem Planetenschrägwalzwerk für die Hochreduktion zwei Verstellmöglichkeiten vorhanden, und zwar ein­ mal das Schwenken des Walzkopfes um die Achse der Pla­ netenradwelle, zum anderen die Verstellung der Walze selbst in Längsrichtung der Walzenachse. Die OS 30 44 672 zeigt eine weitere Verstellanordnung, die jedoch im Prinzip die Wirkung des in der OS 27 48 770 beschriebenen Verstell-Systems hat. Neu ist hier, daß gegenüber dem vorherigen Stand alle 3 Walzen gleichzeitig betätigt werden.

Ein weiteres System wurde in der OS 31 12 781 offen­ bart. Aber auch hier wurde nicht die Wirkung geändert, sondern nur eine weitere Variation eines Anstellungs­ mechanismus gezeigt.

Bei einem Planentenschrägwalzwerk ist es unvermeidlich, daß das auf der Planetenradwelle sitzende Kegelritzel und das mit ihm kämmende, auf der Walzenachse sitzende, Kegelrad im geometrisch genauen Zahneingriff bleiben. Hervorgerufen durch diese unumstößliche Bedingung sind, wie es sich aus der OS 27 48 770 ergibt, nur zwei Freiheitsgrade zur Ausbildung eines Walzenver­ stellsystems möglich. Um eine hyperboloide Walzenform bzw. den hyperboloiden Glätteil einer Walze im Drei­ walzensystem so auf Rohrluppen verschiedener Durch­ messer anstellen zu können, daß die räumlich gekrümmte Berührungslinie zwischen Walze und Rohr auf der ganzen Länge den gleichen Abstand vom Rohrmittelpunkt hat, ist ein dritter Freiheitsgrad erforderlich. Dies kann man sich vereinfachend an der hyperboloiden Walze einer Schrägrollenrichtmaschine vorstellen, die bei Änderung des Rohrdurchmessers um eine Achse geschwenkt wird, die im rechten Winkel zur Rohrachse und zur Rollenlängsachse liegt und die beide berührt. Die Fig. 3 zeigt die kegelförmige Walze 1 eines Planeten­ schrägwalzwerkes, deren Glättzone 3 im Walzspalt auf dem Außendurchmesser der Rohrluppe 6 a aufliegt und die um die Achse y-y geschwenkt werden müßte, wenn der Außendurchmesser der Rohrluppe 6 a geändert wird. Die Rohrluppe 6 befindet sich auf der Walzstange 7. Da diese Schwenkmöglichkeit am Planetenschrägwalz­ werk fehlt, müssen die Walzen selbst an die unter­ schiedlichen Rohrdurchmesser angepaßt werden, um ein Rohr ohne schraubenlinienförmige Wandverdickung walzen zu können. Dies ist aber in der Praxis nicht durchführbar, da eine Vielzahl von Walzen vorrätig gehalten werden müßte und der häufige Walzenwechsel die Stillstandzeit der Anlage erhöhen würde. Unge­ löst ist in jedem Fall das Problem einer erforder­ lichen Anstellkorrektur der Walzen, wenn diese nicht maßhaltig sind oder bei Verschleiß nachgestellt werden müßten. In diesen Fällen wirkt sich das Fehlen des 3. Freiheitsgrades auf jeden Fall nachteilig aus.

Die Erfindung stellt sich dabei die Aufgabe, den Einsatzbereich der Walzen, den praktischen Notwendig­ keiten entsprechend, zu vergrößern, ohne daß hierbei Bedingungen im Glättkaliber auftreten, die zu un­ gleichmäßigen Rohrluppenwanddicken bzw. zur Schrau­ benlinienwelligkeit der Außen- und/oder Innenober­ flächen führen, bzw. hierfür vorgegebene tolerierbare Grenzwerte überschreiten.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale.

Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erste Schritt auf diesem Weg ist die Verwendung eines Dreiwalzen-Kegelschrägwalzwerkes mit stehen­ dem Walzgerüst statt eines Planetenschrägwalzwerkes mit rotierendem Walzgerüst. Dadurch entfällt der Planetenantrieb und damit die Abhängigkeit der Walzenlage vom genau definierten Zahneingriff zwischen dem auf der Planeten­ radwelle sitzendem Kegelritzel und dem Kegelrad auf der Walzenachse.

Ein Dreiwalzenkegelschrägwalzwerk unterscheidet sich von einem Dreiwalzenplanetenschrägwalzwerk durch das stehende Walzgerüst bei gleicher oder ähnlicher Walzen­ stellung und Walzenform. Gegenüber dem Planetenschräg­ walzwerk hat das Dreiwalzenkegelschrägwalzwerk wesent­ liche Vorteile, die zwar nicht unmittelbar mit der nachstehend beschriebenen Erfindung im Zusammenhang stehen, zum besseren Verständnis der Verhältnisse aber kurz genannt werden sollen.

Beim Planetenschrägwalzwerk rotiert eine große Masse um das Rohr - bei einem max. Rohrdurchmesser von 9 ⁵/₈″ etwa 100 bis 150 t - die durch die Fliehkraft in der Drehzahl beschränkt ist. Dadurch wird die Walzgutaus­ trittsgeschwindigkeit begrenzt, die beim Dreiwalzen­ kegelschrägwalzwerk wegen dieser fehlenden Beschränkung um den Faktor 3 höher liegen kann. Weiter eignet sich das Planetenschrägwalzwerk nur für relativ kleine Rohrdurchmesser, da das Gewicht des Rotors mit größer werdendem Rohrdurchmesser steigt. Es beträgt bei einem 14″-Rohr etwa 300 bis 400 t. Abgesehen von dem nicht zu rechtfertigenden technischen Aufwand ist auch ein erhebliches Sicherheitsrisiko vorhanden, weil eine mit Höchstdrehzahl rotierende Masse dieser Größenordnung eine hohe kinetische Energie speichert, die im Falle eines Versagens freigesetzt wird.

Die vom Planetenschrägwalzwerk herstellbare Rohr­ luppenlänge von 100 m und mehr beruht weitgehend auf theoretischen Überlegungen, da in der Praxis die Rohrlängen einmal durch das max. Einsatzgewicht, zum anderen durch die installierte Kapazität des Erwär­ meofens in Verbindung mit der maximal herzustellenden Anzahl von Rohren pro Stunde begrenzt werden. Obwohl das Planetenschrägwalzwerk im Durchschnitt eine größere Rohrlänge als das Dreiwalzenkegelschrägwalzwerk her­ stellen kann, hat das letztere infolge seiner höheren Walzgutaustrittsgeschwindigkeit eine insgesamt größere Produktivität ausgedrückt in Tonnen Rohr pro Jahr.

Erfindungsgemäß wird das Dreiwalzenkegelschrägwalz­ werk mit einem Walzenanstellsystem ausgerüstet, das drei Freiheitsgrade besitzt. Die Fig. 4 zeigt in Walzrichtung gesehen eine Ansicht des Walzgerüstes 23 mit den drei Walzen 1, 1 a und 1 b. Die Walzen 1, 1 a und 1 b sind in Walzenstühlen gelagert. Dieser Walzen­ stuhl 8 der Walze 1 ist in der Fig. 5 dargestellt. Dieser Walzenstuhl 8 ist mit seinem vorderen Dreh­ zapfen 9 im Einbaustück 13 gelagert, mit seinem hinteren Drehzapfen 10 im hinteren Einbaustück 14. Die Einbaustücke 13 und 14 gleiten gemäß Fig. 4 im vorderen und hinteren Fenster 24, 25 des Walzen­ ständers 23. Nach Fig. 5 werden die Einbaustücke 13 und 14 über die Anstellgetriebe 15 und 16 und die Spindeln 17 und 18 angestellt. Das Anstellsystem ist so ausgelegt, daß die Anstellspindeln 17 und 18 ent­ weder gleiche Wege fahren - dann ist die Bedingung Abstand A 1 = Abstand A 2 eingehalten und der Winkel β bleibt unverändert (Freiheitsgrad 1) - oder ungleiche Wege - dann ist die Bedingung Abstand A 1 = Abstand A 2 eingehalten und der Winkel β wird verändert (Frei­ heitsgrad 2).

Da nach Fig. 4 die vorderen Anstellgetriebe 15, 15 a und 15 b mechanisch durch eine Gelenkwellenreihe 21 miteinander verbunden sind, ebenso wie die hinteren in dieser Fig. 4 unsichtbaren Anstellgetriebe 16, 16 a und 16 b durch die Gelenkwellenreihe 22, werden alle drei Walzen 1, 1 a und 1 b synchron und symmetrisch durch die Anstellmotoren 19 und 20 um das gleiche Maß verstellt. Die Verstellung des dritten Freiheitsgrades ist in der Fig. 6 dargestellt. Diese Figur zeigt das Walzgerüst gegen die Walzrichtung gesehen, jedoch ohne die vordere Walzständerhälfte. Wie bereits be­ schrieben wurde, sind die Walzenstühle 8, 8 a und 8 b mit vorderen Schwenkzapfen 9, 9 a und 9 b sowie auf gleicher Achse liegend mit hinteren Schwenkzapfen 10, 10 a und 10 b versehen. Die Walzenstühle 8, 8 a und 8 b werden durch die Anstellgetriebe 26, 26 a und 26 b über die Spindeln 27, 27 a und 27 b um die Schwenk­ zapfenachse geschwenkt. Die Anstellgetriebe 26, 26 a und 26 b werden durch den Motor 28 angetrieben und sind durch die Gelenkwellenreihe 29 mechanisch mit­ einander verbunden.

Zum Ausgleich der räumlichen Schwenkbewegung der Walzenstühle 8, 8 a und 8 b sind, wie in Fig. 5 bei­ spielhaft gezeigt wird, die Schwenkzapfen 9 und 10 mit Kugelhülsen 11 und 12 versehen sowie nach Fig. 6 die Anstellspindeln 27, 27 a und 27 b mit den Laschen 39, 39 a und 39 b.

Der Walzenantrieb ist nach Fig. 7 so ausgebildet, daß die Schwenkbewegung der Walzenstühle nicht auf den Antrieb übertragen wird. Am Beispiel der Walze 1 mit dem Walzenstuhl 8 ist erkennbar, daß die Antriebsachse durch das Kegelradpaar 30 und 31 in die horizontale Lage gebracht wird und die Gelenkwelle 32 die Schwenkbewegungen so ausgleicht, daß der Antriebs­ motor 33 fest installiert werden kann.

Wie bereits beschrieben wurde, gleiten die Einbau­ stücke des Walzenstuhls in Fenstern des Walzenstän­ ders. Die Fig. 8 zeigt ausschnittsweise ein Stück des Walzenständers 23, das Ständerfenster 24, das vor­ dere und hintere Einbaustück 13 und 14 mit den vor­ deren und hinteren Schwenkzapfen 9 und 10, die An­ stellgetriebe 15 und 16 mit den Anstellspindeln 17 und 18 sowie der Walze 1. Die Walze 1 wird abhängig vom Rohrluppendurchmesser um die in der Fig. 5 dargestellten Achse z-z geschwenkt, wodurch der Winkel a in Fig. 8 in α 1 verändert wird. Eine mathe­ matisch genaue Anlage der Glättzone 3 der Walze 1 aus Rohrluppenumfang 6 b nach Fig. 3 wird jedoch nur dann erzielt, wenn - wie in Fig. 5 dargestellt - der Winkel β geändert werden kann, ohne die Abstände A 1 und A 2 der Schwenkachse z-z von der Walzgutlängsachse zu ändern. Dies ist kein Widerspruch zu der bereits gemachten Aussage, daß zur Erzielung des 2. Freiheits­ grades der Walzenanstellung die Bedingung "Abstand A 1 = Abstand A 2" eingehalten werden muß, da diese Be­ dingung primär durch die Möglichkeit erfüllt wird, den Winkel β ändern zu können. Die Änderung der Ab­ stände A 1 und A 2 gemäß Fig. 5 ist nur eine Folge der hier dargestellten konstruktiven Ausführung der Walzenanstellung.

Eine mathematische genauere Anstellung wird in Fig. 9 gezeigt. Hier liegt der Walzenstuhl 38 (der Walzen­ stuhl 38 ist nur in Fig. 10 sichtbar) mit seinen beiden Enden 40 und 41 und der Walze 1 in zwei vor­ deren und zwei hinteren Schwenkstücken 34, 36 und 35, 37. Da hier die Schwenkachse Z′-Z′ trotz Verstellen des Walzenstuhles 38 ihre konstante Lage beibehält, d. h. der in Fig. 10 dargestellte Abstand B 1 und B 2 der Schwenkachse Z′-Z′ von der Walzgutachse bleibt un­ verändert, obwohl der Winkel β geändert wird, liegen Schwenkachse Z′-Z′ und Walzgutlängsachse immer parallel zueinander. Dadurch kann die Bedingung eingehalten werden, daß jeder Punkt der räumlichen Berührungslinie der in Fig. 3 gezeigten Glättzone 3 der Walze 1 von der zylindrischen Oberfläche der Rohrluppe 6 a im Walzspalt stets den gleichen Abstand hat, bzw. von der Walzgutachse.

Die drei Freiheitsgrade des Walzenanstellsystems müssen in der Regel in einem bestimmten Verhältnis zueinander verstellt werden, um die wendelförmige Wandverdickung der Rohrluppe zu eliminieren, d. h. jede der drei Anstellmöglichkeiten muß um einen genau definierten Weg bzw. Winkel verstellt werden.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Anstellsystem mit einem programmierbaren Rechner zu koppeln, der die verschiedenen Anstellparameter ausrechnet und die Anstellantriebe steuert. Der Rechner wiederum kann in Verbindung mit einer berührungslosen Wand­ stärkenmeßeinrichtung arbeiten, die ein Profil der wendelförmigen Wandstärkenverdickung oder eine Ab­ weichung der Wanddicke von Sollmaß registriert und zur Auswertung unmittelbar in den Rechner eingibt, der die Ergebnisse in Impulse zur Korrektur der Walzen­ anstellung umsetzt.

Claims (3)

1. Schrägwalzwerk für die Hochreduktion von Rohren mit in einem stehenden Walzgerüst symmetrisch um einen Mittelpunkt zueinander versetzt angeordneten, vorzugsweise drei kegligen Walzen, deren Schräglage zur Walzgutachse - bezeichnet durch den Winkel β - vorzugsweise 50° beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Walze (1, 1 a, 1 b) - wie bei Planetenschrägwalz­ werken bekannt - in einem verschwenkbaren Walzenstuhl (8, 8 a, 8 b) gelagert ist, dessen Schwenkachse (Z-Z) in einer durch die Walzgutachse verlaufenden Ebene in zur Walzgutachse parallele sowie dazu geneigte Lagen verstellbar ist.

2. Schrägwalzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenstuhl (8, 8 a, 8 b) beidseitig Schwenkzapfen (9, 10) aufweist, die in Kugelhülsen (11, 12) in Einbau­ stücken (13, 14) des Walzgerüstes (23) gelagert, gleich­ zeitig oder unabhängig von der Walzgutachse weg bzw. zu dieser hin bewegbar sind.

3. Schrägwalzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstellorgane aller Walzen gekoppelt sind.