EP0703014B1 - Verfahren zum Walzen von Hohlblöcken auf einem Asselwalzwerk - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren des Außendurchmessers und der Wanddicke durch Walzen eines zylindrischen Hohlblockes der mit seinem vorderen Teil in ein Asselwalzwerk eingeführt wird, wobei in Einlaufrichtung gesehen vor dem Asselwalzwerk eine Einrichtung zum Reduzieren des Durchmessers und/oder der Wanddicke des hinteren Endteiles des auf eine Dornstange aufgefädelten Hohlblockes vorgesehen ist, deren das Hohlblockende reduzierende Vorreduktionswalzen gegen den Hohlblock anstellbar und von diesem wegführbar sind.
• Nahtlose Rohre, insbesondere aus Stahl werden in drei Hauptumformschritten hergestellt, und zwar Lochen, Strecken und Fertigwalzen. Dabei werden häufig massive Rundblöcke zunächst in einem Mannesmann-Schrägwalzwerk gelocht und später in das sogenannte Maß- oder Streckreduzierwalzwerk zum Fertigwalzen eingeführt. Für das dazwischenliegende Strecken sind verschiedene Verfahren bekannt; als eigenständiges Verfahren, mit dem sich die vorliegende Erfindung befaßt, hat sich das Assel-Verfahren etabliert. Es findet Anwendung bei der Herstellung von Rohren mit mittleren und starken Wanddicken und insbesondere solchen, die einwandfreie Oberflächen und enge Toleranzen haben sollen, wie das beispielsweise für das Herstellen von Wälzlagerstahlrohren der Fall ist. Das Asselwalzwerk arbeitet nach dem Prinzip des Schrägwalzens über Dornstangen, wobei drei konische Arbeitswalzen im Eingriff sind, die um jeweils 120 Grad gegeneinander versetzt gegenüber der Walzachse schräg gelagert sind. Darüber hinaus sind die Arbeitswalzen senkrecht zur Walzenachse verstellbar, so daß eine Vielzahl von Rohrdurchmessern auf einem Asselwalzwerk herstellbar sind. Die Arbeitswalzen des Asselwalzwerkes bestehen im wesentlichen aus einem Einlaufkegel, einem Arbeitsteil (der Arbeitsschulter),aus einem Glätteil und einem Auslauf und Rundungsteil. Der Glätteil hat den Zweck, das Rohr teilweise von der Dornstange zu lösen und
• 1. die Rohroberfläche zu glätten und
• 2. Wanddickenunterschiede auszugleichen.
• Beim Walzen insbesondere dünnwandiger Rohre hat es sich als nachteilig erwiesen, daß sich durch den Assel-Walzprozeß am hinteren Luppenende eine Trompete ausbildet, die zumeist im Querschnitt dreieckig ist. Man spricht von der Triangulation, die letztlich ein abzutrennendes Schrottende am gewalzten Rohr bedeutet. Bei besonders starker Triangulation kann die Luppe im Asselwalzwerk stecken bleiben, so daß ein Öffnen der Walzen mit allen denkbaren Nachteilen erforderlich ist.
• Die Ursache der Triangulation liegt in der Tendenz zur Aufweitung im Walzwerk begründet und ist verfahrensbedingt. Sinkt zum hinteren Walzgutende hin die Längszugspannung in der Luppe ab, weil sich nicht mehr genügend umzuformendes Material im Einlaufkonus des Asselwalzwerkes befindet, so verstärkt sich die Tendenz zur Vergrößerung des Anteils der tangentialen Umformung. Das heißt, die radiale Umformung bewirkt mehr tangentiale und weniger longitudinale Umformung. Das wiederum bewirkt eine Durchmesservergrößerung. Wird die tangentiale Austrittsgeschwindigkeit zwischen Walzen und Dorn größer als die Einzugsgeschwindigkeit der folgenden Walze, so kommt es zu einem Materialstau in den freien Räumen zwischen den drei Walzen, der zum Blockieren der Längsvorschubbewegung führen kann.
  Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der WO 90/00449 bekannt.Zur Lösung der beschriebenen Probleme wurde dort vorgeschlagen,
  auf der Einlaufseite des Asselwalzwerkes eine Vorreduktionseinrichtung zu installieren, die aus drei oder vier anstellbaren Vorreduktionswalzen besteht, deren Achsen zur Walzgutachse bzw. Gerüstachse des Asselwalzwerkes eine leichte Neigung aufweisen. Dieser Neigungswinkel kann verstellbar oder fest sein und orientiert sich am mittleren Vorschubwinkel des Asselwalzwerkes. Mit dieser bekannten Vorreduktionseinrichtung läßt sich die Triangulation am hinteren Luppenende beim Asselprozeß vermeiden oder verringern, so daß die Luppe störungsfrei aus dem Asselwalzwerk austreten kann, ohne daß die Walzen gelüftet werden müssen. Dies bewirkt eine in der Vorreduktionseinrichtung durchgeführte Durchmesser- und/oder Wanddickenredukion am Ende des in das Asselwalzwerk einlaufenden Hohlblockes. Es ist also Ziel dieser Vorreduktion, die verursachende Triebkraft für die Endenaufweitung, nämlich die radiale Umformung in der Umformzone des Asselwalzwerkes möglichst abzubauen, mindestens jedoch soweit zu verringern, daß es nicht mehr zu Störungen im Asselwalzwerk und zu hohen Endenverlusten kommt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Geschwindigkeits-und Umformungsbedingungen und damit die Wirkung der Vorreduktion zu optimieren.
  Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
  Die vorliegende Erfindung hat erkannt, daß es nicht ausreicht, einfach nur die Enden der Hohlblöcke vor dem Einlauf in das Asselwalzwerk beliebig zu reduzieren, vielmehr müssen dabei bestimmte Geschwindigkeits- und Umformbedingungen eingehalten werden, wenn es durch die Vorreduktion nicht zu einer Verschlechterung der Hohlblockenden oder gar zur Aufhebung der beabsichtigten Wirkung kommen soll. Auch wurde gefunden, daß die Verhältnisse davon abhängig sind, welche Rohrdurchmesser und Wanddicken jeweils im Asselwalzwerk verwalzt werden.
• Erfindungsgemäß wird ausgehend von den beschriebenen Problemen und Nachteilen und den Unzulänglichkeiten bestehender Einrichtungen vorgeschlagen, die Walzen der Vorreduktionseinrichtung langsam und kontinuierlich gegen den Hohlblock anzustellen und dabei die im Patentanspruch 1 niedergelegten Bedingungen für den axialen Weg für die Wirkung der Vorreduktionseinrichtung einzuhalten. Wenn diese Bedingungen beachtet werden, so sind optimale Ergebnisse im Sinne der Aufgabenstellung erreichbar. Wird der Weg zu kurz gewählt, so erreichen die Walzen der Vorreduktionseinrichtung nicht ihre Endposition, das bedeutet, daß die Wanddicke nicht genügend reduziert wird und Triangulation eintritt. Ist hingegen die reduzierte Länge zu lang, so entsteht ein Bauch, d. h. eine Verdickung des Hohlblockes am Ende, so daß auch dort eine Triangulation eintreten kann. Es sei bemerkt, daß das hintere Hohlblockende möglichst senkrecht zur Längsachse verlaufen sollte, am besten werden gesägte Blöcke eingesetzt. Schräge Hohlblockenden und große Wanddickenunterschiede am Ende führen ebenfalls zu teilweiser (einseitiger) Triangulation.
  Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wurde herausgefunden, daß dem Durchmesser des Tangentialkreises zwischen den Walzen der Vorreduktionseinrichtung im angestellten Zustand eine besondere Bedeutung zukommt. Günstige Ergebnisse sind zu erwarten, wenn die im Patentanspruch 2 angegebenen Richtwerte eingehalten werden. In Verbindung mit der Lehre des 1. Patentanspruches entsteht bei Einhaltung der vorgegebenen Kriterien ein Hohlblockende, das nach einem konisch verlaufenden Übergang mit einer zylindrisch verlaufenden reduzierten Hohlbockwand ausläuft. Im Extremfall kann die Länge des zylindrischen Teils des reduzierten Hohlblockendes gleich Null sein.
• Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden Vorschubwinkel für die Walzen des Asselwalzwerkes angegeben, die ebenfalls in Verbindung mit den vorstehend erläuterten Merkmalen der Erfindung die Aufweitung verringern. Es wurde erkannt, daß neben der Wanddickenreduktion auch der Vorschubwinkel die Aufweitung beeinflußt, dieser Winkel muß möglichst zumindest für das Auswalzen des hinteren Hohlblockendes ausreichend klein sein, damit nicht zu viel Material je Umdrehung in den Walzspalt eintritt. Patentanspruch 3 gibt einen vorzugsweisen Vorschubwinkel γ zwischen 3,5 und 6 Grad an, bei dem die Erfindung besonders günstig ausgeführt werden kann. Ist allerdings der Vorschubwinkel zu klein, so ist die axiale Austrittsgeschwindigkeit niedrig, zum anderen erschwert die dadurch auftretende zu geringe Aufweitung das Lösen der Luppe von der Dornstange.
• Nach einem weiteren die Erfindung ausgestaltenden Merkmal wird im 4. Patentanspruch vorgeschlagen, die Walzenumfangsgeschwindigkeit zwischen 1,5 und 6 m/s., vorzugsweise zwischen 4,0 und 4,5 m/s. einzustellen.
• Günstig für das Walzen dünnwandiger Luppen ist es, wenn der Glätteil der Asselwalze bei großem Auslaufwinkel der Walzen relativ kurz ist. Patentanspruch 5 gibt Abmessungsbereiche für die Länge der Glätteile bezogen auf unterschiedliche Hohlblockdurchmesser an. Der Auslaufwinkel bezogen auf den Glätteil der Asselwalze soll dabei 4 bis 6 Grad betragen. Es ist günstig, wenn der Übergang zwischen Glätteil und Auslaufteil durch einen Radius abgerundet wird, also eine scharfe Kante vermieden wird. Es ist auch möglich, den gesamten Auslaufteil kurvenförmig zu gestalten, d.h., den konischen bzw. linearen Teil vollständig durch einen gerundeten Teil zu ersetzen.
• Schließlich hat sich in einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Maßnahmen bewährt, wenn beim Walzen dünnwandiger Luppen der Spreizwinkel δ, der bei herkömmlichen divergenten Asselwalzwerken beispielsweise 3 Grad beträgt, leicht geöffnet wird, d. h. um 0,3 bis 0,7 Grad auf dann 3,3 bis 3,7 Grad vergrößert wird.
• Ein anderer Vorschlag der Erfindung sieht vor, vor dem Schließen der Walzen der Vorreduktionseinrichtung die Walzen bereits in eine Position nahe der Hohlblockoberfläche zu fahren. Entsprechende Angaben sind im Patentanspruch 7 gemacht. Diese Voranstellung der Walzen der Vorreduktionseinrichtung hat den Vorteil, daß die Walzen eine zusätzliche Führung des Hohlblockes beim Walzen im Asselwalzwerk darstellen und eine größere Sicherheit zum Erreichen der notwendigen reduzierten Länge erzielt wird.
• Mit einer Vorreduktionseinrichtung, die einem Asselwalzwerk zum Walzen von vorzugsweise dünnwandigen Rohren vorgeschaltet ist, lassen sich mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren günstige Ergebnisse erzielen, wobei die Triangulation am Ende des gewalzten Hohlblockes weitgehend vermieden und mindestens so stark reduziert werden kann, daß sie sich nicht mehr störend auf den Prozeßablauf auswirkt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend erläutert; zum besseren Verständnis des Verfahrens wird auf die Zeichnungsfigur verwiesen. In der schematischen Darstellung sind zwei von drei mit 1 bezeichneten Asselwalzen eines Asselwalzwerkes erkennbar, die den Hohlblock 2 durchmesser- und wandickenreduzierend bearbeiten. Den Asselwalzen 1 ist die nicht näher bezeichnete Vorreduktionseinrichtung vorgeschaltet, deren drei Walzen mit 3 bezeichnet sind. Im Inneren des Hohlblockes 2 ist der Dom 4 erkennbar. Die Walze des Asselwalzwerkes besteht aus dem Einlaufteil 5, dem Arbeitsteil (Schulter) 6, dem Glätteil 7und dem Auslauf- oder Rundungsteill 13. Der Spreizwinkel der Walzen 1 ist mit δ bezeichnet.
• Die zur Walzenachse weisenden Oberflächen der drei Walzen 3 der Vorreduktionseinrichtung werden in ihrer dargestellten Arbeitsstellung durch einen Tangentialkreis berührt, der den Durchmesser D_NEL aufweist. Dabei wird der Hohlblock 2 auf einen Außendurchmesser reduziert, der bei 8 gestrichelt angedeutet ist. Beim Vorschub des Hohlblockes in der bei 9 angedeuteten Richtung durch den Antrieb der Asselwalzen in der bei 10 angedeuteten Richtung und dem Anstellen der Walzen 3 der Vorreduktionseinrichtung entsteht ein konischer Übergangsbereich von dem Außendurchmessers des Hohlblockes D_H auf den dem Tangentialkreis entsprechenden Durchmesser D_NEL, wie unterhalb der Walzen 3 ausschnittweise dargestellt. Der konische Übergangsbereich ist dort mit 11 bezeichnet. Die Gesamtlänge zwischen dem Beginn des konischen Bereichs 11 im Anschluß an den Hohlblockdurchmesser D_H bis zum Ende des Hohlblockes 12 beträgt L_NEL.
• Desweiteren ist in der Prinzipskizze die Wanddicke S_H sowie der Tangentialkreis im "hohen Punkt" der Asselwalzen eingezeichnet und mit D_HP bezeichnet. Der Außendurchmesser der das Asselwalzwerk verlassenden Luppe ist mit D_L bezeichnet, die Wanddicke der Luppe ist mit S_L bezeichnet. Der Durchmesser der Domstange ist bei D_M eingezeichnet.
• Ein Asselwalzwerk nach der Erfindung, wie es in der Zeichnungsfigur schematisch dargestellt ist, kann beispielsweise folgende Abmessungen und Werte aufweisen:

D_H =

185,7 mm vom Lochwalzwerk kommend

S_H =

17,9 mm vom Lochwalzwerk kommend

D_M =

139,7 mm Domstangendurchmesser

D_HP =

158,8 mm Abstand der Asselwalzen im hohen Punkt (Tangentialkreisdurchmesser)

D_L =

177,8 mm Durchmesser der das Asselwalzwerk verlassenden Luppe

S_L =

9,5 mm Wandstärke der das Asselwalzwerk verlassenden Luppe

γ =

4,5 Grad Vorschubwinkel des Asselwalzwerkes

δ =

3,7 Grad Spreizwinkel des Asselwalzwerkes

v_U =

4,2 mm/sek. Umfangsgeschwindigkeit der Asselwalze im hohen Punkt

D_W =

403 mm Durchmesser der Asselwalze am hohen Punkt

t_NEL =

0,4 sek. Schließzeit der Walzen der Vorreduktionseinrichtung vom ersten Kontakt bis zur Endstellung

D_NEL =

155,2 mm vorgewählter Abstand der Walzen (Tangentialkreisdurchmesser) der Vorreduktionseinrichtung ohne Einwirkung der Umformkraft

L_NEL =

230 mm Weg der Wirkung der Vorredukionseinrichtung

L_K =

32 mm Länge des Glätteils der Asselwalze



• Eine Vorreduktionseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet hydraulisch. Die maximale Druckkraft der Walzen der Vorreduktionseinrichtung ist bei gegebenen Hydraulikzylinder und Wahl des Druckes vorgegeben, der Hydraulikdruck ist in der Regel konstant. Die Schließgeschwindigkeit kann mittels Ventil über die Durchflußmenge je Zeiteinheit eingestellt werden, wobei mit kleinen Geschwindigkeiten gearbeitet wird. Der Beginn des Schließvorganges der Walzen der Vorreduktionseinrichtung kann durch Fotozellen ausgelöst werden, der Schließzeitpunkt muß in Abhängigkeit vom Hohlblockdurchmesser gewählt werden. Es ist auch denkbar, die Axialgeschwindigkeit im Einlauf mit zwei Sensoren und einem Mikroprozessor über eine Zeitmessung für eine definierte Meßstrecke zu ermitteln. So kann der Beginn des Schließvorganges der Geschwindigkeit angepaßt werden. Das Öffnen der Walzen der Vorreduktionseinrichtung kann ebenfalls durch eine Fotozelle ausgelöst werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Reduzieren des Außendurchmessers und der Wanddicke durch Walzen eines zylindrischen Hohlblockes, der mit seinem vorderen Teil in ein Asselwalzwerk eingeführt wird, wobei in Einlaufrichtung gesehen vor dem Asselwalzwerk eine Einrichtung zum Reduzieren des Durchmessers und/oder der Wanddicke des hinteren Endteiles des auf eine Dornstange aufgefädelten Hohlblockes vorgesehen ist, deren das Hohlblockende reduzierende Vorreduktionswalzen gegen den Hohlblock anstellbar und von diesem wegführbar sind,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Vorreduktionswalzen langsam und kontinuierlich mit einer solchen Anstellgeschwindigkeit gegen den Hohlblock angestellt werden, daß der axiale Weg (L_NEL) für die Wirkung der Vorreduktionswalzen gemessen vom Auftreffpunkt der Vorreduktionswalzen auf die Hohlblockoberfläche bis zum Hohlblockende $$\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\text{L}}_{\text{NEL}}{\text{= 0,8......2,0 D}}_{\text{H}}\\ {\text{vorzugsweise L}}_{\text{NEL}}{\text{= 1.0......1,25 D}}_{\text{H}}\end{array}\end{array}$$

   

   beträgt, wobei D_H den Außendurchmessers des Hohlblockes vor dem Einlauf in das Asselwalzwerk bezeichnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet
   daß als Richtwert für den Durchmesser des Tangentialkreises zwischen den Vorreduktionswalzen im angestellten Zustand folgende Beziehungen gelten:
      für mittlere Wanddicken ( ${\text{D}}_{\text{L}}{\text{/S}}_{\text{L}}\text{≤ 12}$

   

   ) $$\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\text{D}}_{\text{NEL}}{\text{= D}}_{\text{M}}{\text{+ (1,8......2) x S}}_{\text{H}}\\ {\text{SH}}_{\text{E}}{\text{= (0,9......1,0) x S}}_{\text{H}}\text{und}\end{array}\end{array}$$

   

   für kleine Wanddicken (D_L/S_L▷ 12 $$\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\text{D}}_{\text{NEL}}{\text{= D}}_{\text{M}}{\text{+ (2,0......2,2) x S}}_{\text{L}}\\ {\text{SH}}_{\text{E}}{\text{= (1,0......1,1) x S}}_{\text{L}}\text{sowie}\end{array}\end{array}$$

   

   für dünnwandige Hohlblöcke $${\text{D}}_{\text{NEL}}{\text{= a + b x D}}_{\text{HP}}\text{[mm],}$$

   

   dabei bedeuten:

   D_NEL   -der Durchmesser des Tangentialkreises zwischen den Vorreduktionswalzen im angestellten Zustand

   S_H   -die Wanddicke des Hohlblockes

   SH_E   -die theoretische reduzierte Wanddicke am Hohlblockende

   D_L   der Durchmesser des Hohlblockes nach dem Asselwalzwerk

   D_M   -der Dornstangendurchmesser

   S_L   -die Wanddicke des Hohlblockes nach dem Asselwalzwerk

   D_HP   -der Durchmesser des Tangentialkreises zwischen den Asselwalzen am hohen Punkt in Arbeitsstellung und wobei gilt:

   a = 0 bis 10, vorzugsweise 6,35

   b = 0,9 bis 1,0, vorzugsweise 0,938.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Walzen des Asselwalzwerkes mit einem kleinen Vorschubwinkel γ zwischen 3 und 14 Grad, vorzugsweise 3,5 bis 6,0 Grad betrieben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Umfangsgeschwindigkeit der Walzen des Asselwalzwerkes auf v_U = 1,5 bis 6,0 m/s, vorzugsweise 4,0 bis 4,5 m/s. eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß für das Walzen dünnwandiger Luppen bei einem kurzen Glätteil die Walzen mit einem großen Auslaufwinkel hergestellt werden, wobei bei einem am hohen Punkt gemessen Abstand D_HP der Walzen des Asselwalzwerkes voneinander von

   D_HP = 90......150 mm

   eine Glätteillänge L_K = 10......50 mm,

   vorzugsweise L_K = 20......30 mm vorgesehen wird
   und bei einem Abstand von

   D_HP 150......200 mm

   eine Glätteillänge L_K = 20......80 mm,

   vorzugsweise L_K = 30......40 mm vorgesehen wird

   wobei der Auslaufwinkel der Asselwalzen - bezogen auf den Glätteil - zwischen 4 und 6 Grad beträgt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß beim Walzen dünnwandiger Luppen gilt:: $${\text{δ = δ}}_{\text{Nenn}}\text{+ 0,0......1,5 Grad,}$$

   

   vorzugsweise ${\text{δ = δ}}_{\text{Nenn}}\text{+ 0,3......0,7 Grad}$

   

   ,

   wobei δ_Nenn den durch die Walzwerkskonstruktion für die Walzenkalibrierung festgelegten Spreizwinkel bezeichnet.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß vor dem Anstellen der Vorreduktionswalzen die Walzen in eine Position nahe der Hohlblockoberfläche gefahren werden, wobei für den Tangentialkreis der voreingestellten Walzen gilt: $$\begin{array}{c}\begin{array}{c}{\text{D}}_{\text{NEL0}}{\text{= D}}_{\text{H}}\text{+ 4......20 mm,}\\ {\text{vorzugsweise D}}_{\text{NEL0}}{\text{= D}}_{\text{H}}\text{+ 8.....16 mm.}\end{array}\end{array}$$

   

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