DE3825918A1 - Verfahren zur herstellung eines elektrisch geschweissten rohres in warmem zustand - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines elektrisch geschweissten rohres in warmem zustandInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
elektrisch geschweißten Rohres.
Elektrisch geschweißte Rohre werden üblicherweise herge
stellt, indem ein flaches Stahlblech oder Stahlband durch
Kaltwalzen zu einem Rohr geformt und dann an der Naht des
Rohres in kaltem Zustand elektrisch verschweißt wird. Da
der Verformungswiderstand des Stahlbandes groß ist, muß
das Kaltwalzen nach und nach in mehreren Schritten in
neun oder zehn Walzgerüsten erfolgen. Die Walzgerüste
umfassen Vorbiege-Walzgerüste für die anfängliche Durch
biegung des zunächst flachen Stahlbandes und Haupt-Biege
walzgerüste, in denen das Band grob zu einem noch nicht
vollständig geschlossenen Rohr gebogen wird, sowie Fertig-
Walzgerüste wie beispielsweise Rippenstich-Walzgerüste.
(Unter "Rippenstich-Walzgerüsten" sollen Walzgerüste ver
standen werden, bei denen eine der Walzen in der Mitte
mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Rippe versehen
ist, die in die Lücke zwischen den Rändern des zu einem
Schlitzrohr gebogenen Stahlbandes eingreift und diese
Ränder stabilisiert. Mit Hilfe solcher Walzgerüste kann
die Breite des Schlitzes dann in mehreren Stichen kon
trolliert verringert werden, wobei ggf. auch eine Reduktion
in Umfangsrichtung des Rohres erfolgen kann). Herkömmlicher
weise werden die Ränder des Stahlbandes bei den (ersten)
Walzschritten durch seitliche Führungsrollen und der
gleichen gehalten. Der Walzenbiegevorgang läßt sich ein
fach und mit hoher Genauigkeit durchführen. Die optimale
Kaliberform und Kaliberfolge der Biegewalzen für dieses
Verfahren ist aufgrund eingehender Untersuchungen seit
langem bekannt.
Für das oben beschriebene Kaltwalzverfahren wird jedoch
eine große Anzahl von Walzgerüsten benötigt. Dies führt
unvermeidlich zu hohen Ausrüstungskosten und zu kompli
zierten und aufwendigen Bedienungs- und Wartungsarbeiten.
Hieraus ergeben sich hohe Herstellungskosten.
Es ist deshalb versucht worden, elektrisch geschweißte
Rohre in warmem Zustand, d.h., bei einer Temperatur ober
halb des Umwandlungspunktes A r 3, zu walzen, wobei der
Verformungswiderstand sehr klein ist und die Bearbeitung
in einer Anlage mit kleineren Abmessungen erfolgen kann.
Bisher ist das Warmwalzverfahren zur Erzeugung der rohr
förmigen Gestalt bei der Herstellung stumpfgeschweißter
Rohre mit dünnen Wänden und kleinen Durchmessern eingesetzt
worden. Die sogenannten elektrisch geschweißten Stahlrohre
haben demgegenüber jedoch eine größere Wanddicke und einen
größeren Durchmesser und erfordern einen komplizierteren
Rohr-Formungsprozeß. Es bestand die Meinung, daß das Warm
walzverfahren bei der Herstellung solcher elektrisch ge
schweißter Stahlrohre die nachstehend aufgeführten Nach
teile hat und daß ein stabiler Prozeßablauf und eine
hohe Herstellungsgenauigkeit mit diesem Verfahren nicht
zu erreichen sei.
a) Da der Verformungswiderstand des Ausgangs-Stahlbandes
in warmem Zustand gering ist, können die Ränder des Bandes
leicht beschädigt werden, so daß es nicht möglich ist,
seitliche Führungsrollen und dergleichen zum Halten der
Ränder einzusetzen. Ohne solche Führungsrollen ist es
jedoch schwierig, den Walzvorgang unter stabilen Bedin
gungen auszuführen.
b) Das Verformungsverhalten des warmen Stahlbandes unter
scheidet sich von dem Verformungsverhalten beim Kaltwalzen.
Es ist schwierig, bei der Warmverformung eine gleichmäßige
Herstellung von Rohren sicherzustellen, die nicht nur eine
exakte Form und genaue Abmessungen, sondern auch eine
Schweißnaht von hoher Qualität aufweisen.
c) Im Gegensatz zum Kaltwalzen ist beim Warmwalzen während
der Erwärmung und Verarbeitung die Bildung von Zunder unver
meidlich. Es sind deshalb zusätzliche Arbeiten zum Entfer
nen des Zunders erforderlich. Solche zusätzlichen Arbeiten
beeinträchtigen vielfach einen kontinuierlichen Herstellungs
prozeß. Der auf der Stahloberfläche zurückbleibende Zunder
wirkt sich nachteilig auf die Qualität des Produktes aus.
d) Das Warmwalzen wird zu einem Zeitpunkt ausgeführt, zu
dem das Stahlband einen Heizofen verlassen hat, und bevor
das gebogene Band zu einem Rohr verschweißt wird. Während
des Walzbiegevorgangs kühlt sich das Stahlband ungleich
mäßig ab, so daß sich eine ungleichmäßige Temperaturver
teilung auf dem Umfang des Rohres ergibt. Diese Temperatur-
Ungleichförmigkeit verhindert eine gleichmäßige Durchführung
des Herstellungsprozesses. Wenn die Anzahl der Walzgerüste
erhöht wird, um einen stabileren Walzvorgang zu ermöglichen,
so werden die Wärmeverluste und die Ungleichförmigkeit der
Temperaturverteilung erheblich, und im Ergebnis wird die
Qualität der Rohre sowie die Kontinuität des Herstellungs
prozesses beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes
und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung elektrisch
geschweißter Rohre durch Warmwalzen anzugeben, bei dem
eine hohe Qualität der Rohre und insbesondere eine hohe
Qualität der Schweißnähte sowie eine präzise Einhaltung
der Abmessungen der Rohre gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Gegen
stand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen
des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfinder haben Untersuchungen angestellt mit dem Ziel,
ein Verfahren zur Herstellung elektrisch geschweißter Stahl
rohre unter stabilen Bedingungen und zu geringen Kosten
zu finden, bei dem das Ausgangsmaterial in warmem Zustand
verformt wird, so daß das von dem Verformungsverhalten
beim Kaltwalzen völlig verschiedene Warmverformungsverhalten
des Materials ausgenutzt werden kann. Im Zuge dieser Unter
suchungen wurden die folgenden Ergebnisse gefunden.
I) Ein präzises Zusammenführen der Ränder des durch Walz
biegen zu einem Rohr verformten Stahlbandes ohne seitliche
Führungsrollen kann erreicht werden, wenn in dem Biegewalzen
system eine Kaliberanordnung mit konstanter Walzbahnlinie
eingesetzt wird. Diese Kaliberanordnung zeichnet sich da
durch aus, daß das Stahlband in Bezug auf die Ebene des
ursprünglich flachen Bandes nur in Teilbereichen nach oben,
in anderen Teilbereichen dagegen nach unten verformt wird,
so daß die Biegeverformung gleichmäßig in Bezug auf eine
gerade (und horizontale) Linie, die sogenannte Walzbahn
linie, erfolgt, die durch die Mitte des zugeführten flachen
Bandes am Eingang des ersten Walzgerüstes und durch die
Achse des fertigen Rohres am Ausgang des letzten Walz
gerüstet verläuft. Eine solche Kaliberanordnung ist bisher
niemals für die Herstellung elektrisch geschweißter Rohre
eingesetzt worden. Vielmehr wird in der Literatur generell
eine Kaliberanordnung mit konstanter Bodenlinie beschrieben,
bei der die Mittellinie des zugeführten flachen Stahlbandes
und die untere Scheitellinie des fertigen Rohres auf
gleichem Niveau liegen. Die besondere Bedeutung der
Verwendung einer Kaliberfolge mit konstanter Walzbahnlinie
liegt darin, daß hierdurch die Randdehnung des Materials
verringert wird.
Zur näheren Erläuterung dieser Zusammenhänge soll bereits
hier auf die Zeichnungen Bezug genommen werden.
Bei der herkömmlichen Herstellung elektrisch geschweißter
Rohre durch Kaltwalzen wird eine Kaliberfolge mit konstan
ter Bodenlinie verwendet, da sich dabei die Positionen
der Walzgerüste bzw. Walzenpaare einfach ausrichten lassen.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt, bei der
der Mittelbereich des zugeführten Stahlbandes 1, d.h.,
der Boden des Stahlbandes auf konstanter Höhe bleibt.
Wenn diese Anordnung jedoch bei der Herstellung elek
trisch geschweißter Rohe durch Warmwalzen benutzt wird,
so ergibt sich eine große Auslenkung der Randbereiche
des Bandes,und demgemäß treten starke Änderungen in der
Dehnung der Ränder auf.
Dies führt zu einer ausgeprägten Wellenbildung an den
Rändern des durch Biegewalzen verformten Bandes, so daß
die gegenüberlegenden Ränder nicht gleichmäßig zusammen
geführt und gegeneinander gedrückt werden können. Wenn
dagegen die in Fig. 3 veranschaulichte Kaliberanordnung
mit konstanter Walzbahnlinie verwendet wird, bei der die
Walzbahnlinie auf gleicher Höhe bleibt, so ist die Aus
lenkung und Verformung der Randbereiche des Bandes nur
verhältnismäßig gering, so daß sich nur geringe Änderungen
in der Randdehnung ergeben und eine gleichmäßige Verformung
gewährleistet ist. Auf diese Weise ermöglicht die Verwen
dung des Kalibersystems mit konstanter Walzbahnlinie eine
präzise Formung des Rohres durch Warmwalzen, so daß der
Verformungswiderstand des Materials gering ist und nur
eine kleine Anzahl von Walzgerüsten benötigt wird. Außerdem
läßt sich durch dieses Verfahren eine feste und genaue
gegenseitige Anlage der Ränder des gebogenen Bandes und
eine ausreichende Biege- und Andruckkraft erreichen.
Darüber hinaus wird nicht zuletzt wegen der verringerten
Anzahl der Walzgerüste eine gleichmäßige Abkühlung des
Materials erreicht, und es ergibt sich eine gleichmäßige
Temperaturverteilung auf dem Umfang des Rohres. Insgesamt
wird so eine erhöhte Produktivität sowie eine hohe Qualität
des Produktes erreicht.
II) Wenn ein elektrisch geschweißtes Rohr durch Warmwalzen
hergestellt wird, müssen die Probleme gelöst werden, die
sich aus der Zunderbildung, aus der Verwendung von Kühl
wasser bei der Nachbehandlung der Schweißzone und der
gleichen ergeben. Diese Probleme lassen sich jedoch ein
fach und vollständig dadurch lösen, daß ein Biegesystem
verwendet wird, bei dem die Ränder des Stahlbandes abwärts
gebogen werden, so daß der Schlitz und die spätere Schweiß
naht des Rohres an dessen Unterseite liegen. Ein solches
Abwärts-Biegeverfahren ist bisher nicht bei der Herstellung
elektrisch geschweißter Rohre in industriellem Maßstab
eingesetzt worden. Es gibt lediglich Berichte, daß einige
stumpfgeschweißte Rohre mit kleinem Durchmesser nach einem
solchen Abwärts-Biegeverfahren hergestellt wurden.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, lagert sich bei dem herkömm
lichen Aufwärts-Biegesystem der beim Erwärmen in einem
Heizofen gebildete Zunder, der bei der weiteren Zunder
bildung von der Oberfläche des Stahlbandes abblättert,
auf der inneren Oberfläche des Rohres ab, so daß ein
nicht gezeigtes Schneidwerkzeug zum Beseitigen eines
inneren Randwulstes durch den abgelagerten Zunder be
schädigt werden kann. Darüber hinaus sammelt sich Kühl
wasser für dieses Schneidwerkzeug im Inneren des Rohres,
und es tritt unvermeidlich eine lokale Abkühlung in
Teilen des Bodenbereiches des Rohres auf. Wenn im Gegen
satz dazu das in Fig. 5 veranschaulichte Abwärts-Biege
system verwendet wird, so werden der abgeblätterte Zunder
und das Kühlwasser für das Schneidwerkzeug gleichmäßig
durch die im Bereich des Bodens gebildete Öffnung des
vorgeformten Rohres abgeführt, so daß die oben erwähnten
Probleme vermieden werden.
III) Wenn gemäß der obigen Beschreibung nicht nur eine
Kaliberanordnung mit konstanter Walzbahnlinie, sondern
auch ein Abwärts-Biegesystem verwendet wird, ist es mög
lich, elektrisch geschweißte Rohre durch Warmwalzen in
industriellem Maßstab herzustellen. Eine besonders vor
teilhafte Herstellung elektrisch geschweißter Rohre
nach diesem Verfahren ist möglich, wenn die Bedingungen
für die Kaliber, die Walzenspalte und der V-Winkel an
der Schweißstelle geeignet eingestellt werden. Unter
"V-Winkel" ist in diesem Zusammenhang der Winkel zu
verstehen, unter dem die Ränder des gebogenen Stahl
bandes an der Schweißstelle zusammenlaufen, wie in
Fig. 6 gezeigt ist.
Durch entsprechende Einstellung dieser Parameter wird
sowohl die Produktivität als auch die Qualität der
Produkte verbessert. Das erfindungsgemäße Warmwalzver
fahren zur Herstellung elektrisch geschweißter Rohre
erweist sich unter diesen Umständen sowohl hinsichtlich
der Beherrschbarkeit des Verfahrensablaufs, der Produkt
ausbeute als auch hinsichtlich der Produktqualität als
vorteilhaft.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden die oben erwähnten Parameter und
Bedingungen wie folgt gewählt.
(i) Für die anfängliche Durchbiegung des zunächst flachen
Stahlbandes werden waagerecht orientierte Vorbiegewalzen
eingesetzt, deren Kaliber einen Krümmungsradius von 265
bis 285 mm aufweist.
(ii) Die weitere Verformung erfolgt mit Hilfe von vertikal
orientierten Biegewalzen, deren Kaliber im oberen Bereich
oberhalb des Mittelpunkts des Kalibers einen Krümmungs
radius R A und im unteren Bereich unterhalb des Mittelpunkts
einen Krümmungsradius R B aufweist, wobei das Verhältnis
R B /R A zwischen 1,3 und 1,4 liegt. Der Umfangswinkel, den
das gebogene Band nach dem Durchlauf durch diese Biege
walzen überspannt, liegt zwischen 210 und 240°. Der
Mittelpunkt des Kalibers liegt in einem Abstand C unter
halb der Ebene der Walzbahnlinie (Walzbahnebene), wobei
das Verhältnis C/R A zwischen 0,18 und 0,25 liegt.
(iii) Die weitere Verformung erfolgt in ersten Rippenstich-
Walzen, deren Rippenbreite, die die Breite der Lücke
zwischen den umgebogenen Kanten des Bandes bestimmt, einem
Umfangswinkel (Rippenwinkel) von 45 bis 65° entspricht.
Diese waagerecht orientierten Walzen sind so gestaltet,
daß in Richtung der Breite des Bandes eine Reduktion
eintritt, die an der neutralen Achse oder Neutrallinie
des Bandes 2,0 bis 3,5% beträgt. Die Kantenfläche des
Bandes wird (durch die Rippe) so geformt, daß sie mit
der angrenzenden äußeren Umfangsfläche des Bandes einen
Winkel (Kantenformwinkel) zwischen 80 und 90° bildet.
(iv) In einem zweiten (oder allgemein dem letzten) Rippen
stich-Walzensatz mit horizontal orientierten Walzen wird
das Band weiter verformt. Der Querschnitt oder das Kaliber
dieses Walzensatzes hat die Form einer in waagerechter
Richtung langgestreckten Ellipse mit einem Achsenver
hältnis von 1,05 bis 1,13. Der Rippenwinkel liegt zwischen
22 und 35°, und die Reduktion an der neutralen Achse des
Bandes beträgt 1,3 bis 2,5%. Der Kantenformwinkel beträgt
80 bis 90°. Zwischen dem unteren Scheitel des Kalibers
dieser Rippenstich-Walzen und dem unteren Scheitel des
Kalibers eines nachfolgenden Quetschwalzensatzes erfolgt
eine Niveauerhöhung von 2,0 bis 4,0 mm ,während zwischen
den oberen Scheiteln dieser Kaliber eine Niveauabsenkung
von 3,0 bis 5,0 mm erfolgt.
(v) Die Quetschwalzen sind vertikal orientierte Walzen,
deren Kaliber die Form einer in senkrechter Richtung lang
gestreckten Ellipse mit einem Achsenverhältnis zwischen
1,01 und 1,025 hat. Die an der Schweißnaht des Rohres
anliegenden Kanten an den Flanschbereichen der Quetsch
walzen sind abgerundet und haben einen Krümmungsradius
zwischen 2,0 und 4,0 mm. Die Reduktion durch die Quetsch
walzen beträgt an der neutralen Achse des Bandes 1,5 bis
2,5%.
(vi) Im Anschluß an die Quetschwalzen ist ein Satz Auszieh
walzen vorgesehen, die ein kreisförmiges Kaliber aufweisen
und eine Reduktion an der neutralen Achse des Stahlbandes
zwischen 0,7 und 1,5% bewirken.
(vii) Der Walzenspalt der vertikal orientierten Biegewalzen
(des zweiten Walzgerüstes) beträgt zwischen 0,5 und 1,0 mm,
während der Walzenspalt bei den Rippenstich-Walzen, den
Quetschwalzen und den Ausziehwalzen zwischen 1,0 und 2,0 mm
liegt. Der V-Winkel, unter dem die Ränder des Stahlbandes
an der Schweißstelle zusammenlaufen, beträgt zwischen 2
und 4%.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1(a) eine schematische Seitenansicht
einer Walzenanordnung zur Durch
führung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
Fig. 1(b) die Walzenanordnung gemäß Fig. 1(a)
in der Draufsicht;
Fig. 2 eine Graphik zur Veranschaulichung
der Auslenkungen des Mittelbereichs
und der Randbereiche eines Stahl
bandes während eines Walzenbiege
vorgangs bei einer Kaliberfolge,
bei der die Bodenlinie des gebogenen
Stahlbandes auf konstanter Höhe
bleibt.
Fig. 3 eine Graphik zur Veranschaulichung
der Auslenkungen des Mittelbereichs
und der Randbereiche des Stahlbandes
bei einer Kaliberanordnung, bei der
die Walzbahn auf konstantem Niveau
bleibt;
Fig. 4 die Formänderungen des Stahlbandes
bei einem Aufwärts-Walzenbiegevor
gang, bei dem die Kaliberfolge
so gewählt ist, daß die Bodenlinie
des Stahlbandes auf konstantem
Niveau bleibt;
Fig. 5 die Änderung der Form des Stahl
bandes bei einem Abwärts-Walzen
biegevorgang, bei dem die Kaliber
folge so gewählt ist, daß die Walz
bahn auf konstantem Niveau bleibt;
Fig. 6 einen sogenannten V-Winkel zwischen
den miteinander zu verschweißenden
Rändern des Stahlbandes am Schweiß
punkt;
Fig. 7 eine Teilansicht einer Vorbiegewalze;
Fig. 8 eine Aufwölbung des Stahlbandes, die
gelegentlich bei einem Walzenbiege
vorgang auftritt;
Fig. 9 eine schematische Darstellung der
Form von Haupt-Biegewalzen;
Fig. 10 die Bildung von Randkrempen, die
häufig an Stahlbändern währen des
Walzenbiegevorgangs auftritt;
Fig. 11 eine Darstellung einer ersten Rippen
stich-Walze;
Fig. 12 eine Veranschaulichung eines Knick
punktes, wie er gelegentlich in
den Rändern des Stahlbandes auf
tritt;
Fig. 13 eine Graphik zur Illustration des
Kantenformwinkels an der Rippen
stich-Walze;
Fig. 14 eine Darstellung einer zweiten
Rippenstich-Walze;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer
Quetschwalze;
Fig. 16 eine Darstellung des Quetschwalzen
profils in den an den Schweißrändern
anliegenden Bereichen; und
Fig. 17 eine Graphik der Dickenverteilung
im Bereich in der Nähe der Ränder
eines Stahlbleches, entsprechend
Versuchsergebnissen bei einem Aus
führungsbeispiel des erfindungs
gemäßen Verfahrens.
Wie eingangs erwähnt wurde, sind gemäß einem wesentlichen
Merkmal der Erfindung die Biegewalzen so angeordnet, daß
ihre Kaliber eine konstante (geradlinig auf konstantem
Niveau liegende) Walzbahn (Pass Line) definieren und daß
die Ränder des Stahlbandes abwärts gebogen werden.
Die Gründe für diese Maßnahmen sollen nachfolgend mit Bezug
auf die in Fig. 1 gezeigte Walzenanordnung erläutert wer
den.
Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Walzenanordnung dient
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Her
stellung elektrisch geschweißter Rohre in warmem Zustand.
Fig. 1(a) ist eine Seitenansicht der Walzenanordnung, wäh
rend Fig. 1(b) dieselbe Walzenanordnung in der Draufsicht
zeigt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden zum groben
Biegen des Stahlbandes bis zu einem Biegewinkel (Umfangs
winkel des Querschnitts des gebogenen Stahlbandes) von
210 bis 240° Vorbiegewalzen 2 und Biegewalzen 3 einge
setzt.
Rippenstich-Walzen (Fin Pass Rolls) 4 1, 4 2 sind waagerecht
in zwei Gerüsten angeordnet. Es können jedoch auch drei
Rippen-Stiche und somit drei Rippenstich-Walzgerüste
vorgesehen sein. Bei den Rippen-Stichen werden die Rand
linien des vorgebogenen Stahlbandes 1 begrenzt bzw. einge
spannt. Es wird so eine Schweißzone gebildet, in der die
miteinander zu verschweißenden Ränder des Stahlbandes
V-förmig zusammenlaufen, und der Winkel (V-Winkel), unter
dem die Ränder aufeinandertreffen, wird eingestellt.
Nachdem die Formgebung dieser V-förmigen Zone abgeschlossen
ist und die Ränder des Stahlbandes eingespannt sind, werden
die Ränder mit Hilfe der Induktionsspule 5 eines Hoch
frequenz-Induktionsheizgerätes erhitzt, und die Ränder
werden mit Hilfe von Quetschwalzen 6 miteinander ver
schweißt. Das geschweißte Rohr wird dann mit Hilfe von
Ausziehwalzen 7 stromabwärts ausgezogen.
Bei der in Fig. 1(a) und 1(b) gezeigten Anordnung beträgt
der Abstand zwischen den benachbarten Walzgerüsten 350 bis
800 mm, und der Abstand vom Ausgang des Heizofens zu den
Ausziehwalzen ist nicht größer als 7 m, so daß Wärmever
luste so klein wie möglich gehalten werden.
Die Formänderungen des Stahlbandes während des Biegevor
gangs sind in Fig. 5 veranschaulicht.
Die Kaliber der Walzen sind so gewählt, daß ihre Quer
schnitte auf konstanter Höhe bleiben, so daß eine geradlinig
auf konstanter Höhe bleibende Walzbahn definiert wird,
und die Ränder des Stahlbandes werden abwärts gebogen.
Diese Maßnahmen sind vorteilhaft für die Herstellung
elektrisch geschweißter Rohre in heißem Zustand.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Bedin
gungen jedes Walzensatzes und die Ränder der V-förmigen
Schweißzone in der nachfolgend beschriebenen Weise bestimmt.
Dies ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren gleich
mäßig und unter stabilen Bedingungen auszuführen.
Die Bedingungen und die Gründe für die Wahl dieser Bedin
gungen werden nachfolgend im einzelnen erläutert.
Der Krümmungsradius des Kalibers der Vorbiegewalzen (Fig. 7)
liegt zwischen 265 und 285 mm, weil bei einem Krümmungs
radius von weniger als 265 mm der Walzwiderstand infolge
zu starker Verformung des Materials übermäßig groß wird,
während andererseits bei einem Krümmungsradius von mehr
als 285 mm es infolge zu geringer Vorbiegung leicht zu
einer Aufwölbung des Stahlbandes (Fig. 8) am nächsten
Walzgerüst, d.h., an den Biegewalzen kommt.
Gemäß Fig. 9 liegt das Verhältnis R B /R A des Krümmungs
radius R B für den unteren Teil des Kalibers unterhalb des
Kalibermittelpunkts zu dem Krümmungsradius R A für den
oberen Teil des Kalibers oberhalb des Kalibermittelpunkts
zwischen 1,3 und 1,4. Wenn dieses Verhältnis kleiner ist
als 1,3, so kommt es am nächsten Walzgerüst, d.h., bei
dem ersten Rippen-Stich, leicht zu einer Krempenbildung
des Stahlbandes, da die Randbereiche des Stahlbandes gemäß
Fig. 10 übermäßig stark nach innen gebogen werden. Wenn
dagegen das Verhältnis größer ist als 1,4, wird der Form
prozeß infolge übermäßiger Verformung am nächsten Walz
gerüst instabil.
Darüber hinaus liegt der Mittelpunkt des Kalibers der
Biegewalzen in einer bestimmten Position unterhalb der
Walzbahnebene, so daß die Ungleichung 0,18 C/R A 0,25
gilt, wobei C den Abstand zwischen der Walzbahnebene und
dem Mittelpunkt des Kalibers angibt (Fig. 9). Wenn das
Verhältnis C/R A in dem oben genannten Bereich liegt, so
ist das Ausmaß der Materialdehnung im Mittelbereich des
Stahlbandes gleich dem Ausmaß der Materialdehnung in den
Randbereichen. Wenn das Verhältnis außerhalb dieses Be
reiches liegt, überwiegt entweder die Dehnung in den
Randbereichen oder im Mittelbereich.
Der Biegewinkel der Biegewalzen (der Winkel R in Fig. 9)
beträgt zwischen 210 und 240°. Wenn dieser Winkel kleiner
ist als 210°, ergibt sich am nächsten Walzgerüst, d.h.,
bei dem ersten Rippen-Stich, eine übermäßige Verformung
und somit ein instabiler Betrieb der Anlage. Wenn der
Winkel größer ist als 240°, so neigt das Stahlband dazu,
sich in dem nachfolgenden Walzgerüst an dem Rippenteil
der Rippenstich-Walzen aufzuwölben, weil die Randbereiche
des Stahlbandes zu stark nach innen gebogen werden.
Der Rippenwinkel R (Fig. 11) der ersten Rippenstich-Walze
liegt zwischen 45 und 65°. Wenn der Winkel außerhalb dieses
Bereiches liegt, so tritt an den Randlinien des Stahlbandes
an der Stelle des zweiten Rippenstich-Walzgerüstes eine
Knickstelle auf (Fig. 12), und es ergibt sich ein insta
biler Formvorgang.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß das Stahlband einge
spannt, indem während der Verformung in dem Rippenstich-
Walzgerüst in Richtung der Breite wirkende Kräfte ausge
übt werden, und die Reduktion liegt an der Neutrallinie des
Stahlbandes im Bereich von 2,0 bis 3,5%. Wenn die Reduk
tion kleiner ist als 2%, so reicht die Einspannkraft
nicht aus, eine Bewegung des Stahlbandes in Richtung
der Breite zu unterdrücken. Wenn andererseits die Reduk
tion größer ist als 3,5%, kommt es durch übermäßige
Stauchung leicht zu einer Aufwölbung des Stahlbandes
im Bereich der Ränder.
Der Kantenformwinkel oder Kantenabschrägungswinkel α des
Stahlbandes (Fig. 11 und 13) liegt zwischen 80 und
90°. Wenn im Anschluß an den Schweißvorgang die inneren
und äußeren Schweißwülste mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs
entfernt werden, so muß die Bildung eines verdünnten Wand
bereichs infolge übermäßiger Abspanung vermieden werden.
Zu diesem Zweck werden die Randbereiche des Stahlbandes
zuvor in den Rippen-Stichen verdickt. Je kleiner der
Kantenformwinkel α ist, desto größer ist die Reduktion
an der Innenseite und damit die Zunahme der Wanddicke.
Wenn jedoch der Winkel kleiner als 80° ist, so wird die
Reduktion an der Innenseite so groß, daß sich die Außen
seite nach dem Schweißen nicht mehr ausreichend anwalzen
läßt. Wenn der Winkel größer ist als 90°, ergibt sich eine
unzureichende Reduktion an der Innenseite. Aus diesem Grund
wird erfindungsgemäß der Kantenformwinkel zwischen 80 und
90° gewählt.
Wie in Fig. 14 gezeigt ist, ist der Querschnitt oder das
Kaliber der zweiten (letzten) Rippenstich-Walzen elliptisch,
so daß der Abstand zwischen den in den ersten Rippenstich
Walzen geformten Stahlband und den (äußeren) Flansch
bereichen der zweiten Rippenstich-Walzen kleiner ist
als der Abstand am Schlitzboden oder Schlitzrohr-Boden.
Die Verformung des Bandes beginnt deshalb am Schlitzrohr-
Boden und endet an den Flanschbereichen der Walzen, so
daß sich eine kurze Berührungslänge zwischen dem Band
und den Flanschbereichen ergibt und weniger Material
defekte hervorgerufen werden. Wenn das Achsenverhältnis,
d.h., das Verhältnis W/H in Fig. 14, kleiner ist als
1,05, kann die Entstehung von Walzfehlern oder -defekten
nicht verhindert werden, und wenn das Verhältnis größer
ist als 1,13, kommt es leicht zu einer oszillierenden
Bewegung des Bandes in Richtung seiner Breite, d.h., einem
Rollen, während des Verformungsvorgangs im nächsten Walz
gerüst, also an den Quetschwalzen.
Der Rippenwinkel liegt zwischen 22 und 35°. Andernfalls
würde der Verformungsvorgang instabil infolge der Ent
stehung einer Knickstelle in den Randbereichen des Stahl
bandes.
Die Reduktion an der neutralen Achse des Stahlbandes
beträgt 1,3 bis 2,5%. Wenn die Reduktion in der Breite
kleiner ist als 1,3%, so ist die auf das Band wirkende
Spannkraft nicht ausreichend, und es tritt eine oszillie
rende Bewegung in Richtung der Breite während des Verfor
mungsvorgangs auf. Wenn die Reduktion größer ist als
2,5%, so kommt es infolge übermäßiger Stauchung zu Auf
wölbungen in den Randbereichen des Bandes.
Der Kantenformwinkel α liegt zwischen 80 und 90°, da bei
einem Kantenformwinkel von weniger als 80° die Reduktion
auf der Innenseite so groß wird, daß die Reduktion auf
der Außenseite während des Schweißvorgangs nicht mehr aus
reicht, und da bei einem Kantenformwinkel von mehr als
90° die Reduktion auf der Innenseite deutlich unterhalb
des gewünschten Wertes liegt.
Wenn das Stahlband die Quetschwalzen durchläuft, so kann
das Aneinanderdrücken der Ränder schonend und gleichmäßig
ausgeführt werden, da durch einen unteren Abstand "A"
(Fig. 14) zwischen den zweiten Rippenstich-Walzen (Fertig-
Rippenstich) und den Quetschwalzen eine Spannung erzeugt
wird. Wenn der Abstand "A" kleiner ist als 2,0 mm, so
werden die Randbereiche wellig, da die Spannung unzureichend
ist, und wenn der Abstand mehr als 4,0 mm beträgt, so können
wegen der großen Berührungslänge zwischen den Flanschen
der Quetschwalzen und den Randbereichen des Stahlbandes
leicht Walzdefekte entstehen. Deshalb wird für den unteren
Abstand zwischen dem Boden der letzten Rippenstich-Walzen
und dem Boden der Quetschwalzen ein Wert zwischen 2,0 und
4,0 mm gewählt. Wenn der entsprechende Abstand "B" (Fig.
14) am oberen Scheitel der Walzenkaliber mehr als 5,0 mm
beträgt, wird die Berührungslänge zwischen den Flanschen
der Quetschwalzen und den Randbereichen des Stahlbandes
so groß, daß leicht Walzdefekte entstehen. Wenn jedoch
der obere Abstand kleiner ist als 3,0 mm, so kommt es
infolge unzureichender Spannung leicht zu oszillierenden
Bewegungen in Richtung der Breite des Bandes (rollen).
Der obere Abstand "B" hat deshalb einen Wert zwischen
3,0 und 5,0 mm.
Das Achsenverhältnis des Quetschwalzenkalibers (das Verhält
nis W/H in Fig. 15) liegt zwischen 1,01 und 1,025. Wenn
dieses Verhältnis kleiner ist als 1,01, so ist die Berührungs
länge zwischen den Quetschwalzen (insbesondere in den
oberen und unteren Flanschbereichen derselben) so groß,
daß Walzdefekte entstehen, wenn das in den zweiten (letzten)
Rippenstich-Walzen zu einer waagerecht langgestreckten
Ellipse verformte Band die Quetschwalzen passiert. Wenn
dagegen das Achsenverhältnis größer als 1,025 ist, so
kann leicht eine oszillierende Bewegung des Bandes in
Richtung der Breite (rollen) auftreten.
Der Krümmungsradius R (Fig. 16) der Ränder der Quetsch
walzen, die die Schweißkanten des Stahlbandes berühren,
liegt zwischen 2,0 und 4,0 mm. Bei einem kleineren
Krümmungsradius treten unvermeidlich Walzdefekte an den
Kanten auf, und bei einem größeren Krümmungsradius als
4,0 mm werden die Randbereiche nach außen gebogen, so daß
sich ein unzureichender Andruck der Randbereiche des Bandes
ergibt.
Die Reduktion an der neutralen Achse des Stahlbandes liegt
zwischen 1,5 und 2,5%, da bei einer kleineren Reduktion
der geschmolzene Stahl beim Schweißvorgang nicht aus
reichend angepreßt wird, so daß häufig Schweißfehler
auftreten, während bei einer Reduktion um mehr als 2,5%
leicht Aufwölbungen der Randbereiche des Bandes infolge
übermäßiger Stauchung auftreten.
Die durch die Ausziehwalzen erzeugte Reduktion des Stahl
bandes an der neutralen Achse beträgt 0,7 bis 1,5%. Bei
einer kleineren Reduktion tritt unvermeidlich eine oszillie
rende Bewegung in Richtung der Breite (rollen) infolge
einer Abnahme der Spannkräfte auf. Wenn die Reduktion
größer ist als 1,5%, so treten unvermeidlich lokale
Verdickungen in der Wand des erzeugten Rohres auf, da
die Temperatur der Schweißzone hoch und der Verformungs
widerstand gering ist.
Der Walzenspalt an den einzelnen Walzgerüsten, d.h., der
Abstand zwischen den Flanschen der einander gegenüber
liegenden Walzen, wird für die Vorbiegewalzen abhängig
von der Dicke des ursprünglichen Stahlbandes auf einen
geeigneten Wert eingestellt, und für die (Haupt-)Biege
walzen wird der Walzenspalt so klein wie möglich einge
stellt, da keine genaue Anpassung dieses Walzenspaltes
erforderlich ist. Wenn allerdings der Walzenspalt der
Biegewalzen 3 kleiner ist als 0,5 mm, besteht die Gefahr,
daß die einander gegenüberliegenden Flansche einander
berühren, während die Verformungskräfte ausgeübt werden,
so daß es zu Beschädigungen der Walzen kommt. Wenn dagegen
der Walzenspalt größer ist als 1,0 mm, kommt es unvermeid
lich zu einem Auspressen des Stahlbandes zwischen den
Flanschbereichen. Aus diesem Grund wird für den Walzen
spalt ein Wert zwischen 0,5 und 1,0 mm gewählt.
Der Walzenspalt für jeden der Rippenstich-Walzensätze,
die Quetschwalzen und die Ausziehwalzen wird so einge
stellt, daß er innerhalb eines Bereiches von 1,0 bis
2,0 mm liegt. Einerseits ist es notwendig, mindestens
einen Walzenspalt von 1,0 mm vorzusehen, und andererseits
kommt es leicht zu einem Auspressen des Stahlbandes an
den Flanschbereichen, wenn der Spalt größer als 2,0 mm
ist.
Der V-Winkel der V-förmigen Schweißzone wird auf einen Wert
von 2 bis 4° eingestellt. Als "V-Winkel" ist dabei der
Winkel definiert, den die Ränder des aus den zweiten
(letzten) Rippenstich-Walzen austretenden Stahlbandes
an dem Punkt miteinander bilden, an dem diese Ränder
durch die Quetschwalzen zusammengedrückt werden. Dieser
V-Winkel hat einen hohen Einfluß auf die Schweißqualität
und wird bestimmt auf der Grundlage der zuvor beschriebenen
Abmessungen und Positionen der Walzenkaliber der letzten
Rippenstich-Walzen und der Quetschwalzen. Die optimalen
Werte für diesen Winkel liegten zwischen 2 und 4°. Wenn
der V-Winkel kleiner ist als 2°, so ist der Abstand
zwischen den einander gegenüberliegenden Rändern des
Stahlbandes so klein, daß es bei Schwankungen der Ver
formungsgeschwindigkeit und der Spannung leicht zu einer
vorzeitigen Berührung der Ränder kommen kann, was zu
einem Kurzschluß und damit zu Schweißdefekten führt.
Wenn der V-Winkel größer ist als 4°, so entstehen leicht
wellige Ränder, da die Länge der Randlinie (in der Schweiß
zone) relativ lang ist und die Randdehnung zunimmt.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die Erfin
dung auch für die Herstellung von heißgewalzten geschweiß
ten Rohren nach einem Verfahren anwendbar ist, bei dem
die Ränder des Stahlbandes aufwärts gebogen werden. Die
Anwendbarkeit der Erfindung ist auch nicht von Bedingungen
des Walzbiegevorgangs wie etwa der Walzengröße oder den
Eigenschaften des ursprünglichen Stahlbandes abhängig.
Als Ausgangswerkstücke können im Rahmen der Erfindung
verschiedene Arten von Stahlbändern oder Blechen ver
wendet werden, und das Ergebnis ist in jedem Fall ein
elektrisch geschweißtes Rohr hoher Qualität.
Einige Anwendungsbeispiele der Erfindung sollen nach
folgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben
werden.
Ein Stahlband mit einer Dicke von 4,0 mm und einer Breite
von 420 mm aus beruhigt vergossenem Si-Al-Stahl (0,7% C,
0,20% Si, 0,25% Mn) diente zur Herstellung eines Schweiß
naht-Rohres mit einem Außendurchmesser von 114,3 mm. Zur
Herstellung wurde die in Fig. 1 gezeigte Anlage verwendet,
und die Verformungsbedingungen waren wie folgt gewählt:
- a) der Krümmungsradius R des Kalibers der Vorbiegewalzen betrug 271 mm;
- b) der Krümmungsradius R A des Bereichs oberhalb des Kali ber-Mittelpunkts der Biegewalzen 3 betrug 110,125 mm, und der Krümmungsradius R B des Bereichs unterhalb des Kaliber-Mittelpunkts betrug 147,925 mm (R B /R A =1,34); der Abstand "C" zwischen der Walzbahnebene und dem Kaliber-Mittelpunkt betrug 22,0 mm (C/R A=0,2), und der Biegewinkel R betrug 220°;
- c) die Reduktion (in der Breite) an der neutralen Achse (in der neutralen Fläche des Stahlbandes) an den ersten Rippenstich-Walzen 4 1 betrug 3,19%, der Rippenwinkel betrug 47°, und der Kantenformwinkel α betrug 86°;
- d) das Achsenverhältnis W/H der zweiten Rippenstich-Walzen betrug 1,06, der untere Abstand "A" zum unteren Scheitel des Quetschwalzenkalibers betrug 3,0 mm, und der obere Abstand "B" zum oberen Scheitel des Quetschwalzenkali bers betrug 3,64 mm, die Reduktion an der neutralen Achse des Stahlbandes betrug 1,5%, der Rippenwinkel R betrug 24,3°, und der Kantenformwinkel α betrug 83°;
- e) das Achsenverhältnis W/H des Quetschwalzenkalibers betrug 1,015, der Krümmungsradius an den Rändern der Quetschwalzen betrug 3,0 mm, und die Reduktion an der neutralen Achse des Stahlbandes betrug 1,72%;
- f) die Reduktion durch die Ausziehwalzen betrug an der neutralen Achse des Stahlbandes 0,77%;
- g) die Walzenspalte betrugen 0,57 mm für die Biegewalzen 3, 142 mm für die ersten Rippenstich-Walzen 4 1, 1,27 mm für die zweiten Rippenstich-Walzen 4 2, 1,35 mm für die Quetschwalzen und 1,49 mm für die Ausziehwalzen, und der V-Winkel der Schweißzone betrug 2,05°.
Die Ausgangstemperatur des Stahlbandes an der Einlaßseite
des Vorbiegewalzengerüstes betrug 900°C, und die Temperatur
auf der Ausgangsseite des Ausziehwalzengerüstes betrug
850°C.
Es wurde bestätigt, daß nach dem erfindungsgemäßen Ver
fahren elektrisch geschweißte Rohre mit hoher Qualität
in effizienter und wirtschaftlicher Weise hergestellt
werden konnten.
Fig. 17 ist eine graphische Darstellung von Meßergebnissen
zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel und zeigt
die Dickenverteilung in einem Bereich in der Nähe der
Ränder des Stahlbandes.
Wie aus Fig. 17 hervorgeht, ergab sich bei dem erfindungs
gemäßen Verfahren zwar eine Abnahme der Wanddicke infolge
der Randdehnung beim Passieren der Biegewalzen, doch wurde
eine gleichmäßige Verdickung der Wandbereiche längs beider
Ränder erreicht, wenn das Band die Rippenstich-Walzen durch
lief, und es wurde eine stabile Anlage der zu verschweißenden
Ränder erreicht.
Darüber hinaus wurden zur Herstellung heißgewalzter elek
trisch geschweißter Rohre mit Durchmessern zwischen 21,7
und 115,3 mm im wesentlichen unter den gleichen Bedingungen
wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ver
schiedene Arten von Stahlbändern mit Dicken im Bereich
von 3,0 bis 8,0 mm verwendet. Der Schweißvorgang konnte
erfolgreich ausgeführt werden, und es ergab sich eine
zufriedenstellende Verbindung der verschweißten Ränder.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit geeignet, heiß
gewalzte elektrisch geschweißte Rohre von hoher Qualität
in einem stabilen Prozeß herzustellen.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrisch geschweißten
Rohres, bei dem ein Stahlband (1) in warmem Zustand konti
nuierlich in eine rohrförmige Form gebogen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß das Biegen und Formen des
Rohres in einer Walzenanordnung (2, 3, 4 1, 4 2, 6, 7) mit konstan
ter Walzbahnlinie erfolgt und daß die Ränder des Stahlbandes
(1) abwärts gebogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Walzenanordnung ein Paar Vorbiegewalzen (2),
ein Paar Haupt-Biegewalzen (3), wenigstens zwei Rippenstich
Walzenpaare (4 1, 42), ein Paar Quetschwalzen (6) und ein
Paar Ausziehwalzen (7) umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwei Rippen-Stiche ausgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Stahlband (1) vor dem
Walzenbiegevorgang auf eine Temperatur oberhalb des Umwand
lungspunktes A 3 erwärmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die folgenden Bedingungen
eingehalten werden:
- (i) die Vorbiegewalzen (2) sind mit ihren Achsen waagerecht orientiert und weisen ein Kaliber mit einem Krümmungs radius zwischen 265 und 285 mm auf;
- (ii) die Haupt-Biegewalzen (3) sind mit ihren Achsen senk recht orientiert, und ihr Kaliber weist im Bereich oberhalb des Kaliberzentrums einen Krünmungsradius R A und im Bereich unterhalb des Kaliberzentrums einen anderen Krümmungsradius R B auf, wobei das Verhältnis R B /R A zwischen 1,3 und 1,4 liegt; der Biegewinkel liegt zwischen 210 und 240°; und das Kaliberzentrum befindet sich in einem Abstand C unterhalb der Walzbahnebene, wobei das Verhältnis C/R A zwischen 0,18 und 0,25 liegt;
- (iii) die ersten Rippenstich-Walzen (4 1) sind mit ihren Achsen waagerecht orientiert; die Breite der Rippe entspricht einem Winkelausschnitt des Kalibers mit einem Zentriwinkel zwischen 45 und 65°; das Kaliber ist so gewählt, daß sich an der Neutrallinie des gebogenen Stahlbandes eine Reduktion von 2,0 bis 3,5% ergibt; und der Kantenformwinkel an der Rippe liegt zwischen 80 und 90°;
- (iv) die letzten Rippenstich-Walzen (4 2) sind mit ihren Achsen waagerecht orientiert und bilden einen in waagerechter Richtung langgestreckten Kaliberquer schnitt mit einem Achsenverhältnis zwischen 1,05 und 1,13; die Breite der Rippe der Walzen entspricht einem Winkelausschnitt des Kalibers mit einem Zentri winkel zwischen 22 und 35°; das Kaliber ist so ge wählt, daß die Reduktion an der Neutrallinie des gebogenen Bleches zwischen 1,3 und 2,5% liegt; der Kantenformwinkel an der Rippe beträgt 80 bis 90°; die Niveauerhöhung (A) zwischen dem unteren Scheitel des Kalibers der letzten Rippenstich-Walzen (4 2) und dem unteren Scheitel des Kalibers der Quetschwalzen (6) beträgt 2,0 bis 4,0 mm; und die Niveauabsenkung (B) zwischen dem oberen Scheitel des Kalibers der letzten Rippenstich-Walzen und dem oberen Scheitel des Kalibers der Quetschwalzen beträgt zwischen 3,0 und 5,0 mm;
- (v) die Quetschwalzen (6) sind mit ihren Achsen senkrecht orientiert und bilden einen in vertikaler Richtung langgestreckten elliptischen Kaliberquerschnitt mit einem Achsenverhältnis von 1,01 bis 1,025; der Krümmungsradius an den Kanten der Quetschwalzen, die an der Schweißnaht des gebogenen Stahlbandes anliegen, liegt zwischen 2,0 und 4,0 mm; und das Kaliber ist so gewählt, daß die Reduktion an der Neutrallinie des gebogenen Stahlbandes 1,5 bis 2,5% beträgt;
- (vi) die Ausziehwalzen (7) sind mit ihren Achsen waagerecht orientiert und haben ein kreisförmiges Kaliber, das so gewählt ist, daß die Reduktion an der Neutral linie des zu einem Rohr gebogenen Stahlbandes zwi schen 0,7 und 1,5% liegt; und
- (vii) der Walzenspalt der Haupt-Biegewalzen (3) beträgt zwischen 0,5 und 1,0 mm; und der Walzenspalt der Rippenstich-Walzen (4 1, 42), der Quetschwalzen (6) und der Ausziehwalzen (7) liegt jeweils im Bereich von 1,0 bis 2,0 mm; und der V-Winkel, unter dem die zu verschweißenden Ränder des Rohres zusammenlaufen, beträgt zwischen 2 und 4°.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten
Walzgerüsten 350 bis 800 mm beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Stahlband (1) vor dem Walzenbiege
vorgang in einem an der Walzstraße angeordneten Heizofen
erwärmt wird und daß der Abstand zwischen dem Ausgang
des Heizofens und den Ausziehwalzen nicht größer ist
als 7 m.
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