DE69729488T2 - Stopfen und dornstange zum walzen eines nahtlosen stahlrohres und verfahren zur herstellung eines nahtlosen stahlrohres - Google Patents

Stopfen und dornstange zum walzen eines nahtlosen stahlrohres und verfahren zur herstellung eines nahtlosen stahlrohres Download PDF

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21BROLLING OF METAL
    • B21B25/00Mandrels for metal tube rolling mills, e.g. mandrels of the types used in the methods covered by group B21B17/00; Accessories or auxiliary means therefor ; Construction of, or alloys for, mandrels or plugs

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Dorn und eine Dornstange mit Dorn für den Walzvorgang bei nahtlosen Stahlrohren und ein Verfahren zum Herstellen von nahtlosen Stahlrohren. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Fertigen eines Dorns, dessen Äußeres geschoßförmig ist, und eines stangenartigen Teils, das dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen, bzw. den Durchmesser eines Rohrs zu erweitern oder ein rohes Rohr zu vergrößern, wobei die Teile als Werkzeug in eine Rohrwalzmaschine eingebaut sind, beispielsweise eine Lochwalzmaschine, eine Längungsmaschine, ein Stopfenwalzwerk, eine Glättungsmaschine, ein Stangenrohr-Walzwerk usw., und das Herstellen von nahtlosen Stahlrohren mit Hilfe dieser Materialien.
  • In dieser Beschreibung der Erfindung wird der Dorn, der in jeder der genannten Rohrwalzmaschinen verwendet wird, korrekt als Lochdorn, als Längungsdorn usw. bezeichnet, indem der Name der Rohrwalzmaschine hinzugefügt wird. Zudem entspricht im Fall des Stangenrohr-Walzwerks das genannte stangenartige Teil einem Dorn einer weiteren Walzmaschine und wird Dornstange mit Dorn genannt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Zum Herstellen eines nahtlosen Stahlrohrs nach dem Mannesmann-Verfahren wird beispielsweise zuerst ein rundes Stahlstück (im Weiteren als Barren bezeichnet) auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und mit dem genannten Dorn durchstoßen, und zwar durch den Einsatz einer Schrägbohrmaschine, die als Lochwalzmaschine bezeichnet wird, und anschließend gewalzt, um ein hohles rohes Rohr herzustellen (im Weiteren als hohles Teil bezeichnet). Daraufhin wird das hohle Teil unter Verwendung eines Dorns oder einer Dornstange mit Dorn gewalzt (im Weiteren einfach als Stange bezeichnet), und zwar mit einer Vergrößerungs- und Walzmaschine, beispielsweise einer Längungsmaschine, einem Stopfenwalzwerk, einer Glättungsmaschine, einem Stangenrohr-Walzwerk usw. wie oben beschrieben, damit die Wandstärke des hohlen Teils geringer wird. Zudem wird je nach Erfordernis nach dem erneuten Aufheizen des gewalzten Rohrs dessen Außendurchmesser verringert, ohne dass irgendein Dorn verwendet wird, und zwar in einer Quetschwalzmaschine oder einer nichtproportionalen Walzmaschine, beispielsweise einer Reduziermaschine und einer Kalibriermaschine. In diesem Fall wird das hohle rohe Rohr, das von einem Stopfenwalzwerk, einer Glättungsmaschine, einem Stangenrohr-Walzwerk usw. gewalzt wird, als Hülse bezeichnet.
  • Der Dorn ist durch die fortdauernde Berührung mit dem erhitzten Barren bzw. dem hohlen Teil stets hohen Temperaturen und Belastungen ausgesetzt, d. h. während des Durchstoß- und des Walzvorgangs, den die erwähnte Lochwalzmaschine ausführt. Dies führt dazu, dass der Dorn sehr leicht Verschleiß und Abbrand erleidet. Gemäß dem Stand der Technik wurde der Dorn, da er aus Stahl besteht, gegen Verschleißverluste bei ungefähr 900 bis 1000°C wärmebehandelt, und eine Zunderschicht von einigen 10 bis 100 μm Dicke wurde ausgebildet. Wird jedoch ein derartiger Dorn zum Herstellen von Rohren aus hochlegiertem Stahl verwendet, der 5 Gewichtsprozent an Cr enthält, und nach denen die Nachfrage insbesondere in den letzten Jahren zugenommen hat, so hält der Dorn nur einigen Barren stand, und seine Lebensdauer ist beachtlich gering.
  • Es werden verschiedene Vorgehensweisen zum Verbessern der Lebensdauer des Dorns vorgeschlagen, die eine Veränderung der Materialbeschaffenheit des Dorns beinhalten. In der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Sho 60-159156 oder der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Sho 60-208458 wird vorgeschlagen, dem Rohmaterial des Dorns, einem Stahl mit 3 Gewichtsprozent Cr und 1 Gewichtsprozent Ni, Mo oder W zuzusetzen. Die Verbesserung der Lebensdauer des Dorns einer Lochwalzmaschine lediglich durch den Gebrauch eines Stahlsystem-Materials mit dieser Beschaffenheit ist jedoch beschränkt. Wird beispielsweise ein Barren mit 110 mm Durchmesser und 2,5 m Länge aus austenitischem rostfreiem Stahl SUS304 mit einem Dorn aus dem angegebenen Rohmaterial durchstoßen und gewalzt, so beträgt die Standzeit des Dorns lediglich 3 Stück/Einheit (mit einem Dorn können drei Barren durchstoßen und gewalzt werden).
  • Zusätzlich wird in der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Sho 63-203205 bzw. der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Hei 5-85242 vorgeschlagen, eine Legierung der Mo-Gruppe am äußersten Ende des Dorns anzubringen, um die Wärmebeständigkeitseigenschaften und die Verschleißeigenschaften zu verbessern. Ferner wird in der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Sho 62-244505 (JP-A-62244505) im Wesentlichen das Gleiche vorgeschlagen, nämlich ein besonders hartes Material am äußersten Ende des Dorns anzubringen und eine Keramik durch Schmelzspritzen auf der Dornoberfläche anzubringen. Weiterhin wird in der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Sho 62-238011 (JP-A-62238011) vorgeschlagen, das Kernmaterial des Dorns aus Keramik herzustellen und eine Metallpulverschicht isotropisch heiß zu pressen (in der Regel als HIP-Verfahren bezeichnet). Ein Dorn mit dem beschriebenen Aufbau hat jedoch den Nachteil, dass die Verbindung der Rohmaterialien während des Walzvorgangs nicht erhalten bleibt, und dass seine Standzeit kürzer ist als bei einem herkömmlichen Dorn.
  • In der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Hei 2-156037 (JP-A-2156037) wird noch vorgeschlagen, einen Dorn mit besonders guter Hitzebeständigkeit bereitzustellen, der aus einem Sinterteil mit einer harten Phase (einem Borit-Thermet) und einer Verbindungsphase besteht, die hauptsächlich Ni und Mo aufweist. Wurde beispielsweise ein Barren aus Stahl mit einem Cr-Anteil von 13 Gewichtsprozent unter Verwendung dieses Dorns durchstoßen, so konnten zwölf Barren mit einem Dorn durchstoßen werden. Dieser Verbesserungsgrad reicht jedoch für den Betrieb nicht aus.
  • In der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Sho 60-137511 (JP-A-60137511) wird auch ein Dorn zum Herstellen nahtloser Stahlrohre vorgeschlagen, bei dem ein äußerstes Ende aus Keramik am Stahlsubstrat des Dorns befestigt ist. In der Regel zeigt der Dorn ein unterschiedliches Verhalten gegen ein gepresstes Teil abhängig vom besonderen Ort, beispielsweise dem äußersten Ende, dem Arbeitsteil, dem Glättungsteil usw.; dies wird im Weiteren erläutert. Beispielsweise erfolgt der Durchstoß- und Walzvorgang an der Lochwalzmaschine derart, dass der Barren am äußersten Ende durchstoßen wird, die Wandstärke des erzeugten rohen Rohrs im Arbeitsteil rasch verringert wird und anschließend die Wandstärke des rohen Rohrs im Glättungsteil eingestellt wird. Stellt man jedoch nur das äußerste Ende aus Keramik her, so zeigt sich häufig, wie in der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Sho 60-137511 beschrieben ist, dass der Arbeitsteil oder der Glättungsteil beschädigt wird. Insbesondere wird der Arbeitsteil beträchtlich beschädigt. Wird ein wie oben aufgebauter Dorn für Durchstoß- und Walzvorgänge verwendet, so verlängert sich seine Standzeit nicht so stark wie erwartet, und die Form der Innenfläche des hohlen Teils wird durch den beschädigten Arbeitsteil nicht verbessert.
  • Als Gegenmaßnahme zum Verlängern der Lebensdauer des Dorns wird ein Verfahren zum Gebrauch des Dorns zusätzlich zur beschriebenen Veränderung der Materialbeschaffenheit des Dorns bereitgestellt. Sowohl in der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Sho 51-133167 als auch in der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Hei 1-180712 wird beispielsweise eine Vorgehensweise vorgeschlagen, bei der das Durchstoßen und Walzen erfolgt, während ein Schmiermittel vom äußersten Ende des Dorns eingespritzt wird. Zudem wird in der Patentschrift des veröffentlichten japanischen Patents Nr. Hei 5-138213 eine Vorgehensweise vorgeschlagen, bei der das Durchstoßen und Walzen erfolgt, nachdem vorab die Oberfläche des Dorns mit einem Schmiermittel überzogen worden ist. Bei der Vorgehensweise, bei der ein Schmiermittel vom äußersten Ende des Dorns eingespritzt wird, tritt jedoch die Schwierigkeit auf, dass das Einspritzloch am äußersten Ende verstopft wird. Bei der Vorgehensweise, bei der ein Schmiermittel vor dem Durchstoßen und Walzen aufgetragen wird, tritt die Schwierigkeit auf, dass man nur eine begrenzte Menge an Schmiermittel gleichförmig auf der Oberfläche des Dorns auftragen kann. Zudem tritt bei beiden Vorgehensweisen ein gemeinsames wirtschaftliches Problem auf. Durch die Anwendung des Schmiermittels steigen die Herstellungskosten des Rohrs, so dass diese Vorgehensweisen hinsichtlich ihrer industriellen Anwendbarkeit wohl weniger geeignet sind.
  • Die Dokumente JP-A-03165904, JP-A-62170779 und EP-A-0385439 offenbaren den Gebrauch von keramischen Materialien bei Dornen zum Walzen nahtloser Rohre, damit die Widerstandsfähigkeit der Dorne erhöht wird.
  • Der beschriebene Stand der Technik betrifft die Dorne von Lochwalzmaschinen, mit denen der Barren durchstoßen und gewalzt wird. Im Gegensatz dazu wurden für die Dorne, die in Schrägwalzmaschinen verwendet werden, beispielsweise in Längungsmaschinen und Glättungsmaschinen, verschiedene Arten verbesserter Technologien hinsichtlich des Rohmaterials und der Einsatzart der Dorne vorgeschlagen, und zwar in gleicher Weise wie für die Dorne der Lochwalzmaschine. Diese vorgeschlagenen Technologien (sie werden nicht beschrieben) führen jedoch nicht zu einer Lebensdauer der Dorne, die eine Rohrfertigungsfirma zufriedenstellen könnte. Zudem lässt sich bei den Dornen für Stopfenwalzwerke und bei den Dornstangen mit Dorn oder ähnlichen Teilen, die zum Walzen der Innenfläche der hohlen Teile verwendet werden, eine Standzeit der Dorne oder der Stangen in einer Durchlochungs-Walzmaschine (z. B. einem Stopfenwalzwerk, einem Stangenrohr-Walzwerk usw.), die ausreichend angepasst ist, nicht in der beschriebenen Weise erzielen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In Anbetracht der beschriebenen Randbedingungen haben die Erfinder tatkräftig nach einer Verlängerung der Standzeiten für Dorne und Stangen gesucht, die beim Herstellen nahtloser Stahlrohre verwendet werden. Die Untersuchung erfolgte derart, dass das gewalzte Material, d. h. der gewählte Barren aus hochlegiertem Stahl, und das Mo dellwalzwerk gegenüber der tatsächlichen Maschine um ungefähr den Faktor 3 verkleinert wurden. Es wurden verschiedene Versuche zum Durchstoßen und Walzen und zum Vergrößern und Walzen durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse wurden anschließend auf der tatsächlichen Maschine bestätigt.
  • Die Gegenmaßnahmen, die darauf beruhen, den Dorn zusammen mit einem Schmiermittel zu verwenden, verursachen Probleme, die ziemlich schwierig zu lösen sind, beispielsweise das Verstopfen des Einspritzlochs, das durch das Schmiermittel verursacht wird, oder die gestiegenen Kosten. Es hat sich hingegen gezeigt, dass die Veränderung der Materialbeschaffenheit des Dorns zu einer gewissen Verbesserung führt, wenn man neuere Entwicklungen oder ein verbessertes Ausgangsmaterial einsetzt.
  • Anders ausgedrückt ist es wünschenswert, neue Dorne und neue Stangen zum Gebrauch beim Walzen nahtloser Stahlrohre bereitzustellen, deren Lebensdauer gegenüber dem Stand der Technik beträchtlich höher ist, und dies auch unter harten Einsatzbedingungen, bei denen sie stets hohen Temperaturen und hohen Belastungen ausgesetzt sind. Unter Verwendung dieser Teile stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, mit dem man nahtlose Stahlrohre erhält, die eine bessere Beschaffenheit aufweisen als herkömmliche Rohre.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein geschoßförmiger Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs bereitgestellt, wobei der Dorn dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen oder den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser eines durchstoßenen rohen Rohrs einzustellen, und der Dorn umfasst:
    einen äußersten Endteil;
    einen Arbeitsteil;
    einen Glättungsteil; und
    einen Parallelteil, wobei zumindest eine Oberflächenschicht des äußersten Endteils und zumindest eine Oberflächenschicht des Arbeitsteils aus einem keramischen Material hergestellt sind, und die Oberflächenschicht des äußersten Endteils mindestens 3 mm dick ist, und es sich bei dem keramischen Material um Al2O3 handelt, das eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 800°C hat.
  • Das keramische Material (Al2O3) kann zudem eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C haben, und der Dorn kann in einer Glättungsmaschine bereitgestellt werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein geschoßförmiger Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs bereitgestellt, wobei der Dorn dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen oder den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser eines durchstoßenen rohen Rohrs einzustellen, und der Dorn umfasst:
    einen äußersten Endteil;
    einen Arbeitsteil;
    einen Glättungsteil; und
    einen Parallelteil, wobei zumindest eine Oberflächenschicht des äußersten Endteils und zumindest eine Oberflächenschicht des Arbeitsteils aus einem keramischen Material hergestellt sind, und die Oberflächenschicht des äußersten Endteils mindestens 3 mm dick ist, und es sich bei dem keramischen Material um SiC handelt, das eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 800°C hat.
  • Das keramische Material (SiC) kann zudem eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C haben, und der Dorn kann in einem Stopfenwalzwerk bereitgestellt werden.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein geschoßförmiger Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs bereitgestellt, wobei der Dorn dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen oder den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser eines durchstoßenen rohen Rohrs einzustellen, und der Dorn umfasst:
    einen äußersten Endteil;
    einen Arbeitsteil;
    einen Glättungsteil; und
    einen Parallelteil, wobei zumindest eine Oberflächenschicht des äußersten Endteils und zumindest eine Oberflächenschicht des Arbeitsteils aus einem keramischen Material hergestellt sind, und die Oberflächenschicht des äußersten Endteils mindestens 3 mm dick ist, und es sich bei dem keramischen Material um ZrO2 handelt, das eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 800°C hat.
  • Das keramische Material (ZrO2) kann zudem eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C haben, und der Dorn kann in einer Längungsmaschine bereitgestellt werden.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein geschoßförmiger Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs bereitgestellt, wobei der Dorn dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen oder den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser eines durchstoßenen rohen Rohrs einzustellen, und der Dorn umfasst:
    einen äußersten Endteil;
    einen Arbeitsteil;
    einen Glättungsteil; und
    einen Parallelteil, wobei zumindest eine Oberflächenschicht des äußersten Endteils und zumindest eine Oberflächenschicht des Arbeitsteils aus einem keramischen Material hergestellt sind, und die Oberflächenschicht des äußersten Endteils mindestens 3 mm dick ist, und es sich bei dem keramischen Material um Si3N4 handelt, das eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1200°C hat.
  • Das keramische Material (Si3N4) kann zudem eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1300°C haben, und es kann ferner eine Biegefestigkeit von 400 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1200°C haben. Der Dorn kann in einer Lochwalzmaschine bereitgestellt werden.
  • Eine Ausführungsform dieser Aspekte wird bei einem Dorn zum Walzen nahtloser Stahlrohre gemäß irgendeinem der Aspekte eins bis vier bereitgestellt, wobei eine Oberflächenschicht des Glättungsteils ebenfalls aus keramischem Material hergestellt ist.
  • Bereitgestellt wird auch ein Verfahren zum Durchstoßen und Walzen eines Stahlstücks, damit mit Hilfe eines Dorns nach irgendeinem Aspekt oder irgendeiner Ausführungsform der Erfindung ein nahtloses Stahlrohr gebildet wird.
  • Man kann also Keramik als Ausgangsmaterial für den Dorn und die Stange bei einem nahtlosen Stahlrohr verwenden, wodurch die Standzeit dieser Teile beträchtlich verbessert wird. Zudem ist in der Anordnung, in der der beschriebene Dorn bzw. die beschriebene Stange zum Herstellen nahtloser Stahlrohre verwendet wird, die benötigte Zeit zum Auswechseln dieser Teile kürzer, und die Produktivität ist verglichen mit dem Stand der Technik wesentlich höher.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigt:
  • 1 eine Darstellung der äußeren Form eines Dorns einer Lochwalzmaschine;
  • 2 eine Darstellung der äußeren Form eines Dorns einer Längungsmaschine;
  • 3 eine Darstellung der äußeren Form eines Dorns einer Stopfenwalzmaschine;
  • 4 eine Darstellung der äußeren Form eines Dorns einer Glättungsmaschine;
  • 5 eine Darstellung der äußeren Form einer Dornstange mit Dorn;
  • 6 eine Darstellung der äußeren Form eines Dorns, der am äußersten Ende und am Arbeitsteil mit Keramik versehen ist;
  • 7 eine Darstellung der äußeren Form eines Dorns, der zudem am Glättungsteil mit Keramik versehen ist;
  • 8 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Dornstandzeit einer Lochwalzmaschine (verglichen mit der Standzeit eines herkömmlichen Dorns) und der Biegefestigkeit der Keramik;
  • 9 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Dornstandzeit einer Längungsmaschine (verglichen mit der Standzeit eines herkömmlichen Dorns) und der Biegefestigkeit der Keramik;
  • 10 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Dornstandzeit einer Stopfenwalzmaschine (verglichen mit der Standzeit eines herkömmlichen Dorns) und der Biegefestigkeit der Keramik; und
  • 11 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Dornstandzeit einer Glättungsmaschine (verglichen mit der Standzeit eines herkömmlichen Dorns) und der Biegefestigkeit der Keramik.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
  • Vor der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die Form eines jeden verwendeten Dorns und einer jeden verwendeten Stange für die genannten Versuche und die Verfahren der Versuche dargestellt.
  • Ein Dorn 1 einer Lochwalzmaschine, siehe 1, ist so aufgebaut, dass die einzelnen Segmente des Dorns definiert sind als: äußerster Endabschnitt 10 (Länge 3 mm, R 10 mm), Arbeitsabschnitt 11 (Länge 40 mm), Glättungsabschnitt 12 (Länge 50 mm, Abschrägungswinkel 3,25°) und Parallelabschnitt 13 (Länge 15 mm, Durchmesser 42 mm). Jeder dieser Abschnitte hat eine andere Aufgabe. Der äußerste Endabschnitt 10 ist ein Teil, mit dem ein Loch in den mittleren Teil des Barrens gestoßen wird. Der Arbeitsabschnitt 11 ist ein Teil, mit dem die Wandstärke des Rohrs verringert wird, wobei ein Zwischenraum zur Walze verbleibt. Der Glättungsabschnitt 12 ist ein Teil, mit dem die Wandstärke des Rohrs fertig bearbeitet wird, wobei ein Zwischenraum zur Walze ver bleibt. Der Parallelabschnitt 13 ist ein Teil, mit dem die Abnahme des hohlen Teils vom Dorn gleitend erfolgt. Diese Positionen unterscheiden sich abhängig von der Form des Dorns. Dies kann man sehen anhand: eines Dorns 2 einer Längungsmaschine in 2, dessen äußere Form sich von der Form des Dorns 1 der Lochwalzmaschine unterscheidet (Länge des äußersten Abschnitts 5 mm, R 10 mm, Länge des Arbeitsabschnitts 30 mm, Länge des Glättungsabschnitts 45 mm, Abschrägungswinkel 3,75°, Länge des Parallelabschnitts 15 mm, Durchmesser 48 mm), eines Dorns 3 eines Stopfenwalzwerks in 3 (eine vorne und hinten symmetrische Form, mit einem äußersten Endabschnitt mit 2 mm Länge und R 5 mm, einer Länge des Arbeitsabschnitts von 5 mm, einer Länge des Glättungsabschnitts von 10 mm, einem Abschrägungswinkel von 10° und einer Länge des Parallelabschnitts von 20 mm, Durchmesser 49 mm) und eines Dorns 4 einer Glättungsmaschine in 4 (mit einem äußersten Endabschnitt mit 3 mm Länge und R 10 mm, einer Länge des Arbeitsabschnitts von 20 mm, einer Länge des Glättungsabschnitts von 60 mm, einem Abschrägungswinkel von 11,5° und einer Länge des Parallelabschnitts von 15 mm, Durchmesser 53 mm). Die Durchmesserangabe in den Klammern gibt den Außendurchmesser des größten Abschnitts an. Wie beschrieben bildet die Dornstange mit Dorn 5 in 5 ein stabartiges Teil, in dem der Dorn und die den Dorn haltende Stange zu einem einzigen Teil verbunden sind (Länge des äußersten Endabschnitts 3 mm, R 26,5 mm, Länge des Arbeitsabschnitts 3000 mm, Durchmesser 53 mm). Die Rohrwandstärke, siehe 5, in einem Teil der Dornstange mit Dorn, deren äußere Gestalt ungefähr parallel ist, ist verringert, so dass man den parallelen Teil der äußeren Form der Dornstange mit Dorn als Arbeitsabschnitt bezeichnet.
  • Bei einem Versuch mit Dornen, die vollständig aus Keramik bestehen, wurden vier verschiedene Keramikpulver für die genannten Keramiken verwendet, nämlich SiC, ZnO2, Al2O3 und Si3N4. Die Dorne wurden dann dadurch hergestellt, dass jedes dieser Keramikpulver einzeln geformt, gebrannt und anschließend mit einem Schleifvorgang auf die endgültigen Formen bearbeitet wurde, die in 1 und 2 bis 5 dargestellt sind. In diesem Vorgang erfolgte die Formung derart, dass das Keramikpulver mit einem Sinterkörper vermischt wurde, beispielsweise Glas. Anschließend wurde das Keramikpulver in die Form des fertigen Dorns gebracht (Rohform in Anbetracht des Schrumpfens aufgrund des Brennvorgangs). Der Brennvorgang erfolgte durch Brennen und Verfestigen in einem Ofen (ein atmosphärischer Ofen oder ein atmosphärisch geregelter Ofen oder ein isohydraulischer Ofen oder eine ähnliche Vorrichtung). Anschließend erfolgte ein Schleifvorgang mit einer Diamantschleifscheibe, um die endgültige Form durch Schleifen herzustellen. Man kann den Dorn abhängig von den Walzbedingungen auch in einem Zu stand belassen, in dem er nicht durch Schleifen endbearbeitet wird, sondern im Zustand nach dem Brennen verbleibt.
  • Daraufhin erfolgte ein Walzversuch mit Hilfe dieser in 1 bis 5 dargestellten Dorne oder Stangen, und die Materialzusammensetzung des gesamten Dorns oder der gesamten Stange wurde wie folgt verändert.
  • Zuerst wurde ein Barren aus SUS304 mit 50 mm Durchmesser auf 1250°C erwärmt und mit einer Modell-Lochwalzmaschine zu einem hohlen Teil mit einem Außendurchmesser von 55 mm gewalzt. Nach diesem Vorgang wurde das hohle Teil mit Luft gekühlt und nacheinander den folgenden Schritten 1 und 2 unterworfen, um ein Hülsenteil herzustellen. Anschließend wurde die Standzeit des Dorns und der Stange ermittelt, die in jedem Modellwalzwerk verwendet wurden.
  • Schritt 1: Nach dem erneuten Erwärmen auf 1050°C wurde das Material mit einem Stangenrohr-Walzwerk mit 5 Gerüsten zu einer Hülse von 50 mm Durchmesser gewalzt.
  • Schritt 2: Nach dem erneuten Erwärmen auf 1150°C wurde das Material in der Längungsmaschine auf ein hohles Teil mit 60 mm Durchmesser gewalzt, mit Luft gekühlt und erneut auf 1050°C erwärmt. Anschließend wurde es mit dem Stopfenwalzwerk zu einem Hülsenteil mit 57,5 mm gewalzt und mit Luft gekühlt. Danach wurde es nochmals auf 1000°C erhitzt und mit einer Glättungsmaschine zu einer Hülse mit 60 mm gewalzt.
  • In diesem Fall hatten die herkömmlichen Dorne, deren Standzeit mit der Standzeit obigen Dorne und Stangen verglichen wurde, jeweils die gleiche Form wie die Dorne in 1 bis 5. Ihre Materialzusammensetzung wird im Folgenden angegeben.
  • Der Dorn der Lochwalzmaschine und der Dorn der Längungsmaschine wurden aus Stahlguss mit 0,3 Gewichtsprozent C, 0,3 Gewichtsprozent Cr und 0,1 Gewichtsprozent Ni hergestellt. Auf der Oberfläche wurde durch eine Wärmebehandlung ein Oxidationszunder erzeugt. Die Dornstange mit Dorn entsprach den JIS-Standards (SKT6) und wurde ebenfalls wärmebehandelt, um einen Oxidationszunder auf der Oberfläche zu erzeugen. Anschließend wurde sie mit einem Schmiermittel aus dem Graphitsystem beschichtet. Der Dorn des Stopfenwalzwerks bestand aus Stahlguss mit 1,5 Gewichtsprozent C, 18 Gewichtsprozent Cr und 1,5 Gewichtsprozent Ni. Auf der Oberfläche wurde durch eine Wärmebehandlung ein Oxidationszunder erzeugt, und sie wurde mit einem Schmiermittel aus dem Graphitsystem beschichtet. Der Dorn der Glättungsmaschine wurde aus dem Stahlgusssystem mit 3 Gewichtsprozent C, 0,6 Gewichtsprozent Cr und 0,4 Gewichtsprozent Ni hergestellt und wurde während der Bearbeitung nicht wärmebehandelt.
  • Es werden nun die Versuchergebnisse bei der Anwendung der obigen Dorne und Stangen und der herkömmlichen Teile angegeben.
  • Tabelle 1 zeigt jeweils die Lebensdauer des Dorns und der Stange. In diesem Fall wird die Lebensdauer (bezeichnet als Standfestigkeitszahl) bezogen auf die Anzahl der gewalzten Teile (Barren, hohles Teil oder Hülse) angegeben, die gewalzt werden, bis bei andauerndem Gebrauchseinsatz entweder der Dorn oder die Stange verschlissen ist und das verschlissene Teil durch ein anderes Teil ersetzt wird.
  • Tabelle 1
    Figure 00110001
  • Aus Tabelle 1 geht klar hervor, dass die Dorne und Stangen, die vollständig aus Keramik hergestellt sind, eine längere Lebensdauer aufweisen als das herkömmliche Produkt, und zwar unabhängig von der Art der verwendeten Walzmaschine. Während dieses Vorgangs zeigte das Rohr, das mit dem Dorn und der Stange aus Vollkeramik gewalzt wurde, keinerlei Brandflecke (Begutachtungsverfahren: Sichtprüfung an der Werkzeugoberfläche nach dem Ausführen eines Walzvorgangs und Wasserkühlung). Derartige Brandflecke wurden beim Walzvorgang mit dem herkömmlichen Produkt erzeugt, und zwar für jedes erste bis dritte Rohr in der Lochwalzmaschine, jedes dritte bis sechste Rohr in der Längungsmaschine und dem Stopfenwalzwerk, jedes zehnte bis fünfzehnte Rohr in der Glättungsmaschine und jedes fünfzigste bis siebzigste Rohr im Stangenrohr- Walzwerk.
  • Hinsichtlich der obigen Angaben und der Versuchergebnisse erfordern die im Versuch verwendeten Dorne und Stangen zunächst, dass der gesamte Dorn bzw. die gesamte Stange aus Keramik hergestellt werden. Werden die tatsächlichen Dorne und Stangen, die zum Walzen der nahtlosen Stahlrohre verwendet werden, wie beschrieben hergestellt, so kann man erwarten, dass die Lebensdauer dieser Teile einen Wert ähnlich den Versuchsergebnissen erreichen kann.
  • Zudem darf man einen ähnlichen Effekt erwarten, wenn nicht der gesamte Dorn oder die gesamte Stange aus Keramik hergestellt wird, sondern nur Teile davon. Wird ein Dorn mit der äußeren Form nach 1 beispielsweise als Dorn in einer Längungsmaschine oder einer Glättungsmaschine verwendet, so kann man erwarten, dass der Dorn ungefähr die Lebensdauer hat wie ein Dorn, der vollständig aus Keramik besteht, wenn man jedes der Teile, das die äußere Form in 2 und 3 bestimmt (den äußersten Endabschnitt 10 und den Arbeitsabschnitt 11 oder auch den Glättungsabschnitt 12) durch Keramik ersetzt. Da man annehmen darf, dass der durch die Keramik erzielte Effekt dadurch verursacht wird, dass Verformungen an der Dornoberfläche und Ausschmelzungen bei hoher Temperatur verglichen mit dem Fall des verzunderten Stahls kaum auftreten, so kann ein gangbarer Weg auch darin bestehen, nur die Oberflächenschicht des Dorns ohne den inneren Bereich, d. h. nur den Teil, in dem die Keramik auch benutzt wird, aus Keramik herzustellen. Anders ausgedrückt wird der innere Bereich des Dorns genauso wie bei herkömmlichen Dornen aus dem Rohmaterial Stahl hergestellt.
  • Um hinsichtlich des Gesagten diese Erwartung zu bestätigen, führten die Erfinder einen Walzversuch mit einem Dorn einer Lochwalzmaschine aus, bei dem der äußerste Endabschnitt 10 und der Arbeitsabschnitt 11, siehe 6(a), einen Dornabschnitt darstellen, der aus Keramik hergestellt ist (schraffierte Bereiche). Die Oberflächenschicht mit 6 mm Stärke im äußersten Endabschnitt 10 und im Arbeitsabschnitt 11, siehe 6(b), ist aus Keramik hergestellt (schraffierte Bereiche). Die restlichen Abschnitte sind aus einem Material mit der gleichen Beschaffenheit wie beim herkömmlichen Produkt gefertigt. Zusätzlich führten die Erfinder einen Walzversuch mit einem Dorn einer Lochwalzmaschine aus, bei dem der Dorn vom äußersten Endabschnitt 10 bis zum Glättungsabschnitt 12, siehe 7(a), aus Keramik hergestellt ist (schraffierte Bereiche). Dabei besteht nur die Oberflächenschicht mit 5 mm Stärke vom äußersten Endabschnitt 10 bis zum Glättungsabschnitt 12, siehe 7(b), aus Keramik (schraffierte Bereiche). Die inneren Abschnitte und die anderen restlichen Abschnitte sind aus einem Material mit der gleichen Beschaffenheit wie beim herkömmlichen Produkt gefertigt. Damit bestehen die Oberflächenschichten aus Keramik. Die Größe des Gesamtdorns und die Bedingungen des Versuchs stimmten mit dem vorhergehenden Versuch überein.
  • Bei einem Dorn oder einer Stange, die die obige zusammengesetzte Struktur aufwiesen, wurde ein wärmebeständiges Klebemittel aus Silika-Tonerde verwendet (Silika: Siliciumoxid, Tonerde: Aluminiumoxid), um die Keramiken (schraffierte Bereiche) mit dem herkömmlichen Stahlteil (nicht schraffierte Bereiche) zu verbinden. Führt man die Verbindung wie beschrieben aus, so ist eine Trennung der unterschiedlichen Rohmaterialien voneinander während des Einsatzes sehr wenig wahrscheinlich, wenn ein Dorn oder eine Stange mit dem zusammengesetzten Aufbau verwendet werden. Die Dorne der Erfindung sind jedoch nicht auf dieses Verbindungsverfahren beschränkt. Man könnte auch andere Verbindungsverfahren verwenden, beispielsweise eine Sinterverbindung oder eine Schraubverbindung.
  • Die Ergebnisse des Versuchs sind in Tabelle 2 angegeben, und zwar anhand der Standfestigkeitszahl bei der Rohrherstellung mit fortlaufender Anwendung des Dorns. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass die teilweise aus Keramik hergestellten Dorne eine beträchtliche Verbesserung der Lebensdauer bewirken. Kann man die Verbindungsfestigkeit zwischen den Keramiken und den anderen Materialien über einem geforderten Wert halten, der von den Einsatzbedingungen der Dorne abhängt, so stellt man die Stellen, an denen ein beträchtlicher Verschleiß erwartet wird, aus einer geeigneten Keramik her. Die anderen Teile können aus anderen Materialien gefertigt werden, beispielsweise Stahl, Kohlenstoff usw. Die anderen Materialien können ein einziges Material sein oder aus mehreren Materialien bestehen.
  • Tabelle 2
    Figure 00140001
  • Die Vorschläge für oberflächenbeschichte Dorne beruhen auf diesem technischen Konzept. Setzt man sie anstelle der genannten Vollkeramikdorne für die Herstellung nahtloser Stahlrohre ein, so kann man mit ihnen ähnliche Effekte erzielen wie mit Vollkeramikdornen. Um einen Dorn und eine Stange zu erhalten, die eine beträchtlich längere Lebensdauer aufweisen als herkömmliche Teile, ist es also nur erforderlich, das äußerste Ende des Dorns und den Arbeitsteil aus Keramik auszubilden. Zudem kann man den gleichen Effekt erzielen, wenn man nur die Oberflächenschicht vom äußersten Ende des Dorns bis zum Arbeitsteil aus Keramik herstellt. In diesem Fall ist die Oberflächenschicht zwischen dem äußersten Ende und dem Arbeitsabschnitt mehr als 3 mm dick. Der Glättungsabschnitt weist mehr als 3 mm Dicke am Übergang zum Arbeitsteil auf und mehr als 1 mm Dicke am Übergang zum Parallelteil. Eine geringere Dicke wird nicht bevorzugt, weil dann der Keramikabschnitt bei Einwirkung einer äußeren Belastung einer innen (am Übergang zum Stahlmaterial) erzeugten Zugkraft möglicherweise nicht standhalten kann und beschädigt werden könnte.
  • Die Erfinder haben zusätzlich die Hochtemperatur-Biegeprüfung (JIS R 1601 Dreipunkt-Biegetest) für die Keramik zusammen mit dem genannten Walzversuch ausgeführt, die Ergebnisse geordnet und einen Zusammenhang zwischen der Biegefestigkeit der Keramik und der Standzeit des Dorns erhalten. In diesem Fall ändern sich die Biegefestigkeiten der Keramiken aufgrund der unterschiedlichen Bedingungen beim Herstellen und Brennen. Als Herstellungsbedingungen gelten die kristallinen Partikelformen der Keramiken (Flocke, Partikel, Kugelform) zusammen mit der Korngröße und dem Mischglasbinder (Aluminiumsystem, Borsäure und andere oder Mischungen daraus). Als Brennbedingungen gelten die Haltetemperatur (700°C bis 1600°C), die Abkühlgeschwindigkeit, die Atmosphäre, die Presskraft usw.
  • 8, 9, 10 und 11 stellen jeweils (bezogen auf den Stand der Technik) einen Zusammenhang zwischen der Standzeit des Dorns einer Lochwalzmaschine, des Dorns einer Längungsmaschine, des Dorns eines Stopfenwalzwerks und des Dorns einer Glättungsmaschine und der Biegefestigkeit der Keramik in dieser Folge her. In diesen Abbildungen ist beispielsweise die Biegefestigkeit bei 1000°C als "Festigkeit bei 1000°C" bezeichnet.
  • Die Biegefestigkeitsanforderungen wurden anhand der Ergebnisse von Hochtemperatur-Biegeprüfungen für derartige Keramiken erfüllt. Dabei werden die Keramiken für die Dorne anhand der bevorzugten Hochtemperatur-Biegefestigkeiten für die Anwendung in einer Walzmaschine ausgewählt, beispielsweise einer Lochwalzmaschine, einer Längungsmaschine oder einer Glättungsmaschine. Sämtliche Gründe für die Auswahl werden im Folgenden beschrieben.
  • Es folgt die Beschreibung der ersten Biegefestigkeitsergebnisse (Dorn der Lochwalzmaschine).
  • Die Standzeit des Dorns der Lochwalzmaschine, siehe 8, verbessert sich mit zunehmender Biegefestigkeit der verwendeten Keramik. Die Verlängerung der Lebensdauer nimmt bei einem Festigkeitswert von mehr als 200 MPa bei 1200°C zu. Bei einer Festigkeit von mehr als 400 MPa bei 1200°C oder mehr als 200 MPa bei 1300°C kann man eine Standzeit erzielen, die um mehr als den Faktor 50 über dem herkömmlichen Produkt liegt. In diesem Fall wird als Keramik beispielsweise Si3N4 verwendet.
  • Bevorzugte ausgewählte Dorne umfassen damit einen Dorn für Lochwalzmaschinen, bei dem die Hochtemperatur-Biegefestigkeit der Keramik einen bevorzugten Bereich von mehr als 200 MPa bei 1200°C aufweist, und einen Dorn für Lochwalzmaschinen, der eine Festigkeit von mehr als 400 MPa bei 1200°C aufweist, und einen Dorn für Lochwalzmaschinen, der eine Festigkeit von mehr als 200 MPa bei 1300°C aufweist.
  • Es folgt die Beschreibung der zweiten Biegefestigkeitsergebnisse (Dorn der Längungsmaschine).
  • Die Standzeit des Dorns der Längungsmaschine, siehe 9, verbessert sich mit zunehmender Biegefestigkeit der verwendeten Keramik. Die Standzeit lässt sich bei ei ner Festigkeit von mehr als 200 MPa bei 800°C erhöhen. Bei einer Festigkeit von mehr als 200 MPa bei 1000°C kann man eine Lebensdauer erzielen, die um mehr als den Faktor 50 über dem herkömmlichen Produkt liegt. Im Allgemeinen überschreitet die Walztemperatur während des Walzens in der Längungsmaschine nicht 1200°C. In diesem Fall verwendet man als Keramik beispielsweise ZnO2.
  • Es folgt die Beschreibung der dritten Biegefestigkeitsergebnisse (Dorn des Stopfenwalzwerks).
  • Die Standzeit des Stopfenwalzwerks, siehe 10, verbessert sich mit zunehmender Biegefestigkeit der verwendeten Keramik. Die Standzeit lässt sich bei einer Festigkeit von mehr als 200 MPa bei 800°C erhöhen. Bei einer Festigkeit von mehr als 200 MPa bei 1000°C kann man eine Lebensdauer erzielen, die um mehr als den Faktor 30 über dem herkömmlichen Produkt liegt. Im Allgemeinen ist es nicht möglich, dass die Walztemperatur während des Walzvorgangs des Stopfenwalzwerks 1200°C überschreitet. In diesem Fall verwendet man als Keramik beispielsweise SiC.
  • Als bevorzugten Bereich der Hochtemperatur-Biegefestigkeit für die Keramik des Dorns der Längungsmaschine oder des Dorns des Stopfenwalzwerks haben die Versuche den Bereich von mehr als 200 MPa bei 800°C ergeben. Als besonders bevorzugten Bereich haben die Versuche mehr als 200 MPa bei 1000 bis 1200°C ergeben.
  • Es folgt die Beschreibung der vierten Biegefestigkeitsergebnisse (Dorn der Glättungsmaschine).
  • Die Standzeit der Glättungsmaschine, siehe 11, verbessert sich mit zunehmender Biegefestigkeit der verwendeten Keramik. Die Standzeit lässt sich bei einer Festigkeit von mehr als 200 MPa bei 800°C erhöhen. Bei einer Festigkeit von mehr als 200 MPa bei 1000°C kann man eine Lebensdauer erzielen, die um mehr als den Faktor 100 über dem herkömmlichen Produkt liegt. Im Allgemeinen ist es unwahrscheinlich, dass die Walztemperatur beim Walzvorgang auf der Glättungsmaschine 1000°C überschreitet. In diesem Fall verwendet man als Keramik beispielsweise Al2O3.
  • Damit haben die Versuche einen bevorzugten Bereich der Hochtemperatur-Biegefestigkeit für die Keramiken des Dorns der Glättungsmaschine von mehr als 200 MPa bei 800°C ergeben, und als besonders bevorzugten Bereich, der sich für den tat sächlichen Einsatz besser eignet, von mehr als 200 MPa bei 800 bis 1200°C.
  • Zuletzt werden nun die Verfahren zum Herstellen nahtloser Stahlrohre mit den beschriebenen Dornen im Weiteren erläutert.
  • Der erste Verfahrensvorschlag betrifft ein Verfahren, bei dem ein Dorn gemäß den ersten Biegefestigkeitsergebnissen in einer Lochwalzmaschine dazu verwendet wird, ein Loch im Barren zu erzeugen und anschließend den Barren zu walzen. Die nachfolgenden Verarbeitungsschritte am hohlen Teil können mit irgendeinem beliebigen Walzverfahren erfolgen. Ein gangbarer Weg besteht also darin, sämtliche Dorne und Stangen aus den Versuchen in den Walzmaschinen nach der Längungsmaschine zu verwenden, wobei die bekannten herkömmlichen Produkte einsetzbar sind.
  • Entsprechend dem zweiten Verfahrensvorschlag geht man so vor, dass die Dorne gemäß der zweiten Biegefestigkeitsergebnisse in der Längungsmaschine zum Walzen des hohlen Teils verwendet werden, wobei der Durchstoßungsvorgang in der Lochwalzmaschine in der vorhergehenden Stufe bzw. die Verarbeitungsschritte in den nachfolgenden Stufen nicht besonders eingeschränkt sind.
  • Konform zum dritten Verfahrensvorschlag geht man derart vor, dass die Dorne gemäß der vierten Biegefestigkeitsergebnisse in der Glättungsmaschine zum Walzen des hohlen Teils verwendet werden. Beim vierten Verfahrensvorschlag wird zusätzlich so vorgegangen, dass die Dorne gemäß irgendeines der dritten Biegefestigkeitsergebnisse zum Walzen des hohlen Teils im Stopfenwalzwerk eingebaut werden. Beim fünften Verfahrensvorschlag geht man so vor, dass eine Dornstange mit Dorn zum Walzen des hohlen Teils in das Stangenrohr-Walzwerk eingebaut wird. In diesem Fall schränken die obigen Vorschläge während der Verarbeitung weder den Dorn noch die Stange auf ein Produkt ein, das von der Ziel-Walzmaschine abweicht.
  • Gemäß den Verfahrensvorschlägen werden nahtlose Stahlrohre unter Verwendung entweder der Dorne oder der Stangen hergestellt, die in den Versuchen eine beträchtlich längere Standzeit als die herkömmlichen Produkte erzielt haben. Damit können sich in der Industrie zahlreiche nützliche Auswirkungen ergeben, beispielsweise eine Kostensenkung, die durch eine verringerte Werkzeuganzahl verursacht wird, und eine erhöhte Produktivität, weil die Werkzeuge usw. seltener ersetzt werden müssen.
  • Beispiele
  • Sämtliche Keramikpulver der vier Keramiksorten, d. h. SiC, ZnO2, Al2O3 und Si3N4, wurden einzeln in Form gepresst und gebrannt, um bei 1000°C die angegebenen Werte von 1000 MPa, 1000 MPa, 450 MPa und 1000 MPa einzustellen. Anschließend wurde jedes Rohmaterial zu einem Endprodukt verarbeitet, bei dem das Material eine äußere Form zeigt, die jeweils den Vollkeramikdornen in 1 bis 5 entspricht, und zwar in vergrößertem Maßstab. Es wurden auch weitere, teilweise aus Keramik bestehende Produkte erzeugt, nämlich Dorne und Stangen, bei denen nur ein Teil der Oberflächenschicht aus Keramik besteht, das Innere jedoch nicht. Diese Produkte wurden in den folgenden Beispielen 1 und 2 verwendet.
  • Beispiel 1
  • Zum Herstellen von nahtlosen Stahlrohren wurde ein Barren (175 mm Durchmesser) aus hochlegiertem Stahl mit einer Verformungsfestigkeit, die über der eines Stahls mit 9 Gewichtsprozent Cr liegt, nacheinander mit den Dornen in 1 bis 5 in einer Lochwalzmaschine und einem Stangenrohr-Walzwerk gewalzt, wobei die Vergrößerungsrate den Wert drei hatte. Dabei wurden sowohl in der Lochwalzmaschine als auch in dem Stangenrohr-Walzwerk Dornstangen mit Dorn verwendet, bei denen die Oberflächenschicht ab dem Dorn der Lochwalzmaschine und dem Arbeitsabschnitt (der außen parallel aussehende Abschnitt), die vollständig aus Keramik hergestellt waren, bis zum Parallelabschnitt in einem Bereich von 35 mm aus Keramik hergestellt war.
  • In Tabelle 3 sind die Ergebnisse verglichen mit dem Einsatz herkömmlicher Produkte dargestellt. Die Bewertung der Dorne und Stangen erfolgte in Bezug auf die benötigte Anzahl zum Walzen von 40000 Stück der angegebenen Barren.
  • Tabelle 3
    Figure 00180001
  • Aus Tabelle 3 geht hervor, dass die benötigte Anzahl der Dorne und Stangen beträchtlich verringert wird und weniger als 1/100 für die Dorne der Lochwalzmaschine und weniger als 1/50 für die Dornstangen mit Dorn beträgt, wobei die Lebensdauer wesentlich erhöht wird. Die häufigen Auswechselvorgänge für diese Teile wurden beträchtlich reduziert und die Produktivität bei den nahtlosen Stahlrohren ist stark angestiegen. Zusätzlich verkürzten sich die Walzzeiten auf der Lochwalzmaschine um 20 Prozent, da der Dornwiderstand während des Walzvorgangs geringer war. Die Menge des für die Dornstange mit Dorn verbrauchten Schmiermittels verringerte sich um 30 Prozent.
  • Beispiel 2
  • Zum Herstellen von nahtlosen Stahlrohren wurde ein Barren (350 mm Durchmesser) aus hochlegiertem Stahl mit einer Verformungsfestigkeit, die über der eines Stahls mit 16 Gewichtsprozent Cr liegt, nacheinander mit den Dornen in 1 bis 5 in einer Lochwalzmaschine, einer Längungsmaschine, einem Stopfenwalzwerk und einer Glättungsmaschine gewalzt, wobei die Vergrößerungsrate auf den Wert 6,5 eingestellt wurde. Dabei wurden die Dorne in allen genannten Walzmaschinen eingesetzt. In der gesamten Lochwalzmaschine wurde ein Dorn verwendet, der bis zum Glättungsabschnitt vollständig aus Keramik bestand. In der Längungsmaschine wurde ein Dorn verwendet, bei dem die Oberflächenschicht bis 80 mm in den Bereich des Arbeitsabschnitts aus Keramik bestand. Im Stopfenwalzwerk wurde ein Dorn verwendet, bei dem die gesamte Oberflächenschicht von 70 mm aus Keramik bestand. In der Glättungsmaschine wurde ein Dorn verwendet, bei dem die Oberflächenschicht bis 25 mm in den Bereich des Glättungsabschnitts aus Keramik bestand.
  • In Tabelle 4 sind die Ergebnisse verglichen mit dem Einsatz herkömmlicher Produkte in allen Walzmaschinen dargestellt. Die Bewertung der Dorne erfolgte in Bezug auf die benötigte Anzahl zum Walzen von 5000 Stück der angegebenen Barren.
  • Tabelle 4
    Figure 00200001
  • Aus Tabelle 4 geht hervor, dass die benötigte Anzahl der Dorne beträchtlich verringert wird und jeweils weniger als 1/100 für die Dorne der Lochwalzmaschine, der Längungsmaschine, des Stopfenwalzwerks und der Glättungsmaschine beträgt, wobei die Lebensdauer wesentlich erhöht wird. Die häufigen Auswechselvorgänge für diese Teile wurden beträchtlich reduziert und die Produktivität bei den nahtlosen Stahlrohren ist ebenfalls angestiegen. Da zudem die Oberfläche des Dorns glatt war, verbesserte sich die Oberflächenrauheit der Innenfläche der gewalzten Rohre im Mittel von Rmax = 35 μm auf Rmax = 5 μm. Zudem war die Auftrittswahrscheinlichkeit von Zundereinschlussflecken auf der Innenfläche des Rohrs um 75 Prozent geringer. Die Anzahl der Handhabungsschritte verringerte sich in gleichem Umfang.
  • Anwendbarkeit der Erfindung in der Industrie
  • Die Anwendung in der Industrie zeigt, dass der Verschleiß sowohl des Dorns als auch der Dornstange mit Dorn, die während der Herstellung von nahtlosen Stahlrohren jeweils in den Walzmaschinen eingebaut sind, verglichen mit herkömmlichen Produkten wesentlich geringer ist. Dadurch lässt sich die Lagerhaltung für diese Teile verringern, und es sinken nicht nur ihre Herstellungskosten, sondern sie müssen auch sehr viel seltener ausgewechselt werden. Damit verkürzt sich die erforderliche Zeit für die Auswechslungsarbeiten und die Produktivität für nahtlose Stahlrohre steigt. Da die Form des Dorns bzw. der Dornstange mit Dorn stabil ist, kann man nahtlose Stahlrohre erhalten, die eine hervorragende Beschaffenheit der Innenfläche und eine hervorragende Maßgenauigkeit aufweisen. Dieser Effekt ist besonders beim Herstellen von Stahlrohren aus hochlegierten Stählen beträchtlich, deren Verformungswiderstand groß ist, und die sich nur schwer walzen lassen.

Claims (15)

  1. Geschoßförmiger Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs, wobei der Dorn dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen oder den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser eines durchstoßenen rohen Rohrs einzustellen, und der Dorn umfasst: einen äußersten Endteil; einen Arbeitsteil; einen Glättungsteil; und einen Parallelteil, wobei zumindest eine Oberflächenschicht des äußersten Endteils und zumindest eine Oberflächenschicht des Arbeitsteils aus einem keramischen Material hergestellt sind, und die Oberflächenschicht des äußersten Endteils mindestens 3 mm dick ist, und es sich bei dem keramischen Material um Al2O3 handelt, das eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 800°C hat.
  2. Geschoßförmiger Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs, wobei der Dorn dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen oder den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser eines durchstoßenen rohen Rohrs einzustellen, und der Dorn umfasst: einen äußersten Endteil; einen Arbeitsteil; einen Glättungsteil; und einen Parallelteil, wobei zumindest eine Oberflächenschicht des äußersten Endteils und zumindest eine Oberflächenschicht des Arbeitsteils aus einem keramischen Material hergestellt sind, und die Oberflächenschicht des äußersten Endteils mindestens 3 mm dick ist, und es sich bei dem keramischen Material um SiC handelt, das eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 800°C hat.
  3. Geschoßförmiger Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs, wobei der Dorn dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen oder den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser eines durchstoßenen rohen Rohrs einzustellen, und der Dorn umfasst: einen äußersten Endteil; einen Arbeitsteil; einen Glättungsteil; und einen Parallelteil, wobei zumindest eine Oberflächenschicht des äußersten Endteils und zumindest eine Oberflächenschicht des Arbeitsteils aus einem keramischen Material hergestellt sind, und die Oberflächenschicht des äußersten Endteils mindestens 3 mm dick ist, und es sich bei dem keramischen Material um ZrO2 handelt, das eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 800°C hat.
  4. Geschoßförmiger Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs, wobei der Dorn dazu dient, ein Loch in ein Stahlstück zu stoßen oder den Innendurchmesser oder den Außendurchmesser eines durchstoßenen rohen Rohrs einzustellen, und der Dorn umfasst: einen äußersten Endteil; einen Arbeitsteil; einen Glättungsteil; und einen Parallelteil, wobei zumindest eine Oberflächenschicht des äußersten Endteils und zumindest eine Oberflächenschicht des Arbeitsteils aus einem keramischen Material hergestellt sind, und die Oberflächenschicht des äußersten Endteils mindestens 3 mm dick ist, und es sich bei dem keramischen Material um Si3N4 handelt, das eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1200°C hat.
  5. Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs nach Anspruch 1, wobei das keramische Material zudem eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C hat.
  6. Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs nach Anspruch 2, wobei das keramische Material zudem eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C hat.
  7. Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs nach Anspruch 3, wobei das keramische Material zudem eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1000 bis 1200°C hat.
  8. Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs nach Anspruch 4, wobei das keramische Material zudem eine Biegefestigkeit von 200 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1300°C hat.
  9. Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs nach Anspruch 4, wobei das keramische Material zudem eine Biegefestigkeit von 400 MPa oder mehr bei einer Temperatur von 1200°C hat.
  10. Dorn nach Anspruch 1 oder 5, wobei der Dorn in einer Glättungsmaschine bereitgestellt ist.
  11. Dorn nach Anspruch 2 oder 6, wobei der Dorn in einem Stopfenwalzwerk bereitgestellt ist.
  12. Dorn nach Anspruch 3 oder 7, wobei der Dorn in einer Längungsmaschine bereitgestellt ist.
  13. Dorn nach Anspruch 4, 8 oder 9, wobei der Dorn in einer Lochwalzmaschine bereitgestellt ist.
  14. Dorn zum Walzen eines nahtlosen Stahlrohrs nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Oberflächenschicht des Glättungsteils ebenfalls aus dem keramischen Material hergestellt ist.
  15. Verfahren zum Durchstoßen und Walzen eines Stahlstücks, damit ein nahtloses Stahlrohr geformt wird, wobei ein Dorn nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch verwendet wird.
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