DE3719557A1 - Verfahren zum kontinuierlichen herstellen eines nahtgeschweissten metallrohrs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von nahtgeschweißten Metallrohren, insbesondere Stahlrohren.

Bei der kontinuierlichen Herstellung von nahtgeschweißten Stahlrohren wird von einer Bandspule ein Stahlband-Vorrat abgezogen, einer Rohrformung und anschließend einer Naht­ schweißung unterzogen. Vor dem Schweißen, und mithin wäh­ rend der Rohrformung, erfolgt ein vorläufiges Erhitzen eines wesentlichen Teils des Rohr-Zwischenprodukts mit Ausnahme der Grenzbereiche entlang der einander gegenüber­ liegenden Längskanten. Dies geschieht zu dem Zweck, durch plastische Dehnungen hervorgerufene Rest-Druckbeanspru­ chungen zu beseitigen, die während der Rohrformung in den Grenzzonen hervorgerufen werden. Die Beanspruchungen füh­ ren zu der nachteiligen Ausbildung von sogenannten Kanten­ wellungen, wie im folgenden noch näher erläutert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen eines nahtgeschweißten Metallrohrs zu schaffen, mit dem bzw. mit der die Entstehung von Kantenwellungen auf ein mögliches Minimum reduziert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 4 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer bereits konzipierten Anlage zum kon­ tinuierlichen Herstellen eines nahtge­ schweißten Metallrohrs, von welcher die vorliegende Erfindung ausgeht,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Bandspule und eines von dieser abgezogenen Metallbands, das zu einer Rohr-Vorform geformt wird,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm der Temperaturverteilung bei der herkömmlichen Anlage,

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Anordnung nach Fig. 5,

Fig. 7 ein ähnliches Diagramm wie Fig. 4, jedoch für den Fall der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5, die je­ doch hier eine erste Modifizierung des Haupt- und Standardausführungsbeispiels nach Fig. 5 und 6 darstellt,

Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6 einer zweiten modifizierten Ausführungsform der Erfindung.

Bevor eine detaillierte Beschreibung der Erfindung gegeben wird, soll eine bereits konzipierte Anlage beschrieben werden, wie sie in der Japanischen Patent-Offenlegungs­ schrift Sho-58-1 84 073 (veröffentlicht am 27.10.1983) be­ schrieben ist. Die Beschreibung erfolgt anhand der Fig. 1 bis 3.

Wie Fig. 1 zeigt, ist ein Stahlband 1 auf einem Bund oder einer Spule 1 a aufgewickelt.

Das Band 1 wird von der Spule 1 a über mehrere Führungswal­ zen 2 a, Kantenführungen 2 b, 2 c und weiter über Form- Walzenpaare 2 und eine Fertigwalzen-Gruppe 3 abgezogen, um nacheinander eine Band-Formung nach oben und eine Bandkan­ ten-Stoßverbindung durchzuführen und dadurch ein durch­ gehendes rohrförmiges Behandlungsgut 1 b zu erhalten. Die Längskanten des Bandes 1 sind mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Sie befinden sich in enger Nachbarschaft strom­ aufwärts bezüglich der Fertigwalzen-Gruppe 3. In einem gewissen Abstand von der Fertigwalzen-Gruppe 3 ist eine herkömmliche Schweißvorrichtung 5 angeordnet, die die einander gegenüberliegenden und aneinanderstoßenden Sei­ tenkanten 4 verschweißt, um eine durchgehende nahtge­ schweißte Rohrleitung entstehen zu lassen.

Wie an sich bekannt ist, unterliegt das Material des Behandlungsguts in der Nähe der Längskanten 4 höheren plastischen Zugbeanspruchungen T als in den übrigen Ab­ schnitten 6, während das Material zu einer Rohr-Vorform geformt wird, und daher werden in der Fertigwalzzone Rest- Druckbeanspruchungen in der Nähe der Kanten 4 hervorgeru­ fen, während im übrigen Teil 6 des Behandlungsguts Rest- Zugbeanspruchungen in Erscheinung treten, wodurch es zur Ausbildung von sogenannten Kantenwellungen in der Nähe dieser Kanten aufgrund von Knickbelastungen kommt. Es wurde herausgefunden, daß der Schweißvorgang durch das unmittelbare Vorhandensein solcher Kantenwellungen abträg­ lich beeinflußt wird.

Bei der herkömmlichen Methode wird das Behandlungsgut in den übrigen Bereichen 6 einer Warmbehandlung unterzogen, die den Zweck hat, eine entsprechende thermische Expansion in dem Behandlungsgut hervorzurufen, während dieses der Rohrformung und Nahtschweißung ausgesetzt wird. Zweck der Behandlung ist das Beseitigen der übermäßigen Rest- Druckbeanspruchungen, die ansonsten in den Kantenzonen auftreten würden. Weiterhin sollen kritische und störende Ausbildungen von Kantenwellungen unterdrückt werden (vgl. US-Anmeldung S.N. 7 54 202).

Es ist zu beachten, daß, wenn die Erzeugung der oben erwähnten Art von Kantenwellungen durch Verwendung spe­ ziell induzierter Wärmebeanspruchungen unterdrückt werden soll, mit folgenden Schwierigkeiten zu rechnen ist: Es wurde beobachtet, daß die beabsichtigt eingeführten ther­ mischen Beanspruchungen zum Zweck der Beseitigung der ursprünglich in der Nähe der Bandkanten auftretenden Druckbeanspruchungen abhängen von der Temperaturdifferenz Δ T (vgl. Fig. 4), gemessen zwischen der höchsten Tempe­ ratur im erhitzten Bereich des Behandlungsguts und der Temperatur in den Grenzbereichen, die die Längskanten 4 umfassen, und daß, wenn lediglich der wesentliche Teil des Behandlungsguts mit Ausnahme der die Längskanten umfassen­ den Randbereiche erhitzt wird, diese Bereiche, wie in Fig. 4 gezeigt ist, aufgrund der Wärmeleitung einer beträchtli­ chen Temperaturerhöhung unterworfen sind, was zu einer unzureichenden Temperaturdifferenz Δ T führt. In Fig. 4 ist mit "0" die untere mittlere Stellung des rohrförmigen Behandlungsguts bezeichnet, während mit "P" das äußere Ende der Kantenzone im Behandlungsgut-Querschnitt bezeich­ net ist.

Als Gegenmaßnahme kommt in Betracht, die maximale Erwär­ mungstemperatur _Tmax anzuheben. Wenn diese maximale Erwär­ mungstemperatur T _max jedoch zu sehr angehoben wird, würde aufgrund der übermäßigen Flüssigkeits-Verdampfung eine beträchtliche Verringerung der zum Kühlen verwendeten Kühlflüssigkeit und der Schmierung der Behandlungsgut- Oberfläche eintreten, mit der Folge, daß das Biege-Moment erhöht würde, was das Formen des Behandlungsguts erschwer­ te. Deshalb stellt diese Gegenmaßnahme lediglich eine unzulängliche Maßnahme dar.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 in Verbindung mit Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung erläutert werden.

Wie bei der obigen Beschreibung, ist mit dem Bezugszeichen 1 b ein rohrförmiges Zwischenprodukt, d.h. eine Rohr-Vor­ form bezeichnet, die aus einem geformten Metallband 1 hergestellt wurde, indem das Metallband durch eine Reihe von Vorkaliber-Walzpaaren 2 geleitet wurde. In dem darge­ stellten Zustand befindet sich die Rohr-Vorform nun in der Fertigwalzzone. Dargestellt ist der stationäre Zustand. Tatsächlich wird die Rohr-Vorform 1 b ebenso wie das Me­ tallband 1 kontinuierlich transportiert. Wie im Stand der Technik ist eine Schweißvorrichtung 5 vorgesehen.

Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine bogenförmige, gekrümmte Heizvorrichtung bezeichnet. Die Heizvorrichtung ist um­ fangsmäßig um die Rohr-Vorform 1 b herum angeordnet und so ausgebildet, daß sie einen wesentlichen Teil der Rohr- Vorform 1 b erwärmt, ausgenommen die die einander gegen­ überliegenden Kanten beinhaltenden Kantenzonen. Als Heiz­ vorrichtung 10 kommt im Grunde genommen jede herkömmliche Heizvorrichtung in Betracht, z.B. eine Hochfrequenz-Induk­ tionsheizung, ein oder mehrere Gasbrenner, eine Infrarot- Strahlungsheizung oder dergleichen. Die Heizvorrichtung 10 ist am unteren Teil der Rohr-Vorform 1 b und in wesentli­ chen Bereichen der Seitenteile angeordnet. Die durch die Heizvorrichtung 10 erbrachte Heiztemperatur ist so einge­ stellt, daß der wesentliche Teil der Rohr-Vorform auf eine Temperatur erhitzt wird, die die Zimmertemperatur um etwa 50 bis 200°C übersteigt. Der zu erhitzende wesentliche Teil macht beispielsweise etwa 75% des Umfangs der Rohr- Vorform 1 b aus, und die Heiztemperatur beträgt beispiels­ weise etwa 100°C, wenn die Dicke des Metallbands zwischen 0,75% und 1% des Rohrdurchmessers beträgt. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß die Formvorrichtung eine Standardanlage ist.

Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Kühlvorrichtung, die entlang den Kantenzonen des rohrförmigen Behandlungsguts 1 b angeordnet ist und dazu dient, diese Kantenzonen zu kühlen. Als Kühlvorrichtung 11 kommt im Grunde genommen jede herkömmliche Kühlvorrichtung in Betracht, z.B. ein Luftstrahlkühler, ein Wasserstrahlkühler oder ein Flüssig­ stickstoff-Gaskühler. Ein Paar Kühlvorrichtungen 2 ist entlang den Durchlaufwegen der Kantenzonen angeordnet, um einen Temperaturanstieg der Kantenzonen zu verhindern. Jedoch könnte stattdessen auch eine einzige Kühlvorrich­ tung zum Kühlen der beiden einander gegenüberliegenden Kantenzonen anstelle eines Kühler-Paares verwendet werden.

Die Kühlvorrichtung 11 ist derart ausgebildet, daß sie die Kantenzonen auf einer Temperatur hält, die von Zimmertem­ peratur bis zu einer Temperatur von etwa 50°C unterhalb der Zimmertemperatur reicht.

Die durch die Heizvorrichtung 10 erzeugte maximale Heiz­ temperatur T _max muß so ausgewählt werden, daß eine wesent­ liche, durch Verdampfung bedingte Verringerung der Schmiermittel-Menge oder der Kühlflüssigkeit, die auf die Oberfläche des Behandlungsguts 1 b aufgebracht wird, ver­ mieden wird, da es ansonsten zu einer möglichen Zunahme des Biege-Moments und mithin zu Schwierigkeiten bei der Formung kommt. Andererseits muß die Auswahl der durch die Kühlvorrichtung 11 bewirkten Kühltemperatur Tc derart er­ folgen, daß die Temperatur höher ist als eine Temperatur, bei der es zu einer abträglichen Frostbildung an den Behandlungsgut-Kanten 4 kommt, insbesondere dann, wenn die Längskanten des Behandlungsguts 1 b durch sogenannte T 1 G- Schweißung verschweißt werden.

Mit einer in der obigen Weise erreichten, gezielten Kühlung der die Kanten 4 enthaltenden Kantenzonen erhält man eine Temperaturverteilung, wie sie in Fig. 7 skizziert ist. Gemäß dieser Verteilung erhält man einen etwa recht­ winkligen Verlauf ohne Temperaturanstieg mit einer größe­ ren Temperaturdifferenz Δ T zur Einführung von Wärmebean­ spruchungen als bei dem herkömmlichen Vergleichsbeispiel. Auch hier stellt das Symbol "0" die untere Mittelposition des rohrförmigen Behandlungsguts dar, während das Symbol "P" das äußere Ende der Kantenzone im Querschnitt des rohrförmigen Behandlungsguts 1 b darstellt.

Wie oben erwähnt, kann erfindungsgemäß die Temperatur­ differenz Δ T wesentlich erhöht werden, was zu einer be­ trächtlichen weiteren Herabsetzung der Rest-Druckbean­ spruchungen in den die Kanten 4 enthaltenden Kantenzonen führt, verglichen mit den herkömmlichen Maßnahmen. Deshalb wird es durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mög­ lich, selbst dann, wenn das Metallband-Behandlungsgut eine ziemlich geringe Wandstärke aufweist, nahtgeschweißte Metallrohre im kontinuierlichen Durchlaufverfahren her­ zustellen, ohne daß dabei die herkömmlichen, durch Kanten­ wellungen hervorgerufenen Schwierigkeiten entstehen.

Fig. 8 zeigt eine erste modifizierte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Heizvor­ richtung 10 untertellt in mehrere Heizeinheiten 10 a, 10 b ..., die parallel und umfänglich um das rohrförmige Be­ handlungsgut 1 b verteilt angeordnet sind. Diese Einheiten 10 a, 10 b ... sind so ausgestaltet und angeordnet, daß sie getrennt steuerbar sind, obschon dies in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.

Bei der zweiten modifizierten Ausführungsform nach Fig. 9 sind die Kühlvorrichtung 10 und mehrere getrennte Teil- Heizeinheiten 10 a, 10 b ... stufenweise nacheinander in Längsrichtung des rohrförmigen Behandlungsguts 1 b ange­ ordnet.

Durch Verwendung der oben beschriebenen modifizierten Ausführungsformen der Erfindung lassen sich ähnliche Wir­ kungen erzielen wie bei der eingangs beschriebenen Haupt- Ausführungsform.

Speziell wird bei Anwendung der in Fig. 9 gezeigten zwei­ ten modifizierten Ausführungsform, bei der die Kühlvor­ richtung 11 in der sogenannten Fertigwalz-Zone angeordnet ist, die notwendige Temperaturdifferenz Δ T in exakt be­ herrschbarer und gezielter Weise erreicht.

Aus der obigen Beschreibung wird ersichtlich, daß durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ein wesentlicher Abschnitt des rohrförmigen Behandlungsguts mit Ausnahme der Grenz-Kan­ tenzonen, die die Seitenkanten enthalten, einer Erwärmung ausgesetzt wird, während die Kantenzonen zwangsweise ge­ kühlt werden, um dadurch eine wirksame Temperaturdifferenz zur Hervorrufung notwendiger Wärmebeanspruchungen und der dadurch bewirkten Beseitigung der sonst in Erscheinung tretenden übermäßigen Druckbeanspruchungen in den Grenz­ zonen des Behandlungsguts zu erreichen. Dies ermöglicht die Vermeidung der sogenannten Kantenwellungen auch bei geringeren Metallband-Dicken. Dies wiederum führt zu qualitativ hochstehenden Metallrohren.

Claims (11)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines naht­ geschweißten Metallrohrs, bei dem von einer Bandspule (1 a) ein Metallband (1) abgezogen wird, das transportierte Metallband mittels einer Reihe von etwa in einer Linie angeordneten Walzgruppen (2, 3) zu einer Rohr-Vorform geformt wird, deren Längskanten (4) einander gegenüberlie­ gen und aneinanderstoßen, die gegenüberliegenden Längskan­ ten beim Vorschub der Rohr-Vorform verschweißt werden, und ein wesentlicher Teil der Rohr-Vorform vor dem Schweißen erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen in einem wesentlichen Teil mit Ausnahme der die Längskanten (4) enthaltenden Kantenzonen auf eine Temperatur von etwa 50 bis 200°C über Zimmertemperatur erfolgt, während gleichzeitig die Kantenzonen der Rohr- Vorform (1 b) beim Vorschub gekühlt werden, damit sie auf einer Temperatur gehalten werden, die von Zimmertemperatur bis zu einer etwa 50°C unterhalb der Zimmertemperatur liegenden Temperatur reicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erhitzen an Stellen (10 a, 10 b) erfolgt, die über den Umfang des Rohrs (1 b) beabstandet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erhitzen an Stellen (10 a, 10 b) durchgeführt wird, die sowohl in Um­ fangsrichtung als auch in Längsrichtung des Rohrs (1 b) versetzt sind.

4. Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen eines nahtgeschweißten Metallrohrs, mit einer Reihe von Walz­ gruppen (2, 3), die etwa in einer Linie angeordnet sind, um einen von einer Bandspule (1 a) abgezogenen Metallstrei­ fen (1) zu einer Rohr-Vorform (1 b) zu formen, bei der die Längskanten (4) einander gegenüberliegen und aneinander­ stoßen, einer Einrichtung (5) zum Verschweißen der einan­ der gegenüberliegenden Längskanten (4), während die Rohr- Vorform transportiert wird, und einer Einrichtung (10), die bezüglich der Schweißeinrichtung (5) stromaufwärts ange­ ordnet ist, um einen wesentlichen Teil der Rohr-Vorform (1 b) zu erhitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz-Einrichtung (10) derart angeordnet und ausge­ bildet ist, daß sie die Rohr-Vorform (1 b) mit Ausnahme der die Längskanten (4) enthaltenden Kantenzonen erhitzt, und daß am Durchlaufweg der Längskanten (4) und etwa parallel zu der Heizeinrichtung (10) eine Kühlvorrichtung (11) zum Abkühlen der Kantenzonen - quer zur Rohrachse betrachtet - vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Kühlvorrich­ tung (11) und die Heizeinrichtung (10) etwa in einer gemeinsamen Umfangsebene der Rohr-Vorform (1 b) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Heizeinrich­ tung (10) und die Kühlvorrichtung (11) in abgestuften Positionen (10 a, 10 b) - quer zur Rohr-Längsachse betrach­ tet - angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Heizeinrich­ tung (10) in mehrere Heizeinheiten (10 a, 10 b) unterteilt ist, die entlang dem Umfang der Rohr-Vorform (1 b) angeord­ net sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Teil-Heiz­ einheiten (10 a, 10 b) - betrachtet in Querrichtung zur Rohr-Vorform-Längsachse - abgestuft angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der die Kühlvorrichtung (11) ein Luftstrahl-Kühler ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der die Kühlvorrichtung (11) ein Wasserstrahl-Kühler ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (11) ein Flüssig­ stickstoff-Kühler ist.