EP3092087A1 - Walzstange als innenwerkzeug beim herstellen von nahtlosen metallischen hohlkörpern und verfahren zur herstellung eines metallischen hohlkörpers - Google Patents

Walzstange als innenwerkzeug beim herstellen von nahtlosen metallischen hohlkörpern und verfahren zur herstellung eines metallischen hohlkörpers

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EP3092087A1
EP3092087A1 EP15700041.5A EP15700041A EP3092087A1 EP 3092087 A1 EP3092087 A1 EP 3092087A1 EP 15700041 A EP15700041 A EP 15700041A EP 3092087 A1 EP3092087 A1 EP 3092087A1
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EP
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rolling
rod
rolling rod
hollow block
hollow
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EP15700041.5A
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EP3092087B1 (de
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Nils Schäfer
Rolf Kümmerling
Stéphanie Demars
Hélène Dalmont
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Vallourec Deutschland GmbH
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Vallourec Deutschland GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B25/00—Mandrels 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B17/00—Tube-rolling by rollers of which the axes are arranged essentially perpendicular to the axis of the work, e.g. "axial" tube-rolling
    • B21B17/02—Tube-rolling by rollers of which the axes are arranged essentially perpendicular to the axis of the work, e.g. "axial" tube-rolling with mandrel, i.e. the mandrel rod contacts the rolled tube over the rod length
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention relates to a rolling rod as an internal tool in the manufacture of seamless metallic hollow bodies, in particular when stretching metallic hollow blocks to seamless pipes by means of a multi-stand rolling mill, with a surface having a nitriding layer. Furthermore, the invention relates to a method for producing a seamless hot-rolled metallic hollow body, in particular steel tube, in which a previously produced hollow block on a threaded therein roll bar according to the present invention, in a
  • Plug rolling process and bar rolling process In the first rolling stage, a skew rolling mill produces a so-called hollow block out of a usually massive block. In exceptional cases, pre-drilled blocks can be used instead of solid blocks. In the second rolling stage of the hollow block is stretched, which today predominantly Pegerüstige
  • Bar rolling mills are used.
  • the stretching of the incoming into the rolling mill about 1000 to 1200 ° C hot block takes place via a rolling rod.
  • the rolling rod is threaded into the hollow block and usually transported via a driven transport roller to the first rolling stand.
  • the number of rolls per framework is usually at least two, today often three, where the process flow is as follows.
  • Rod mills are distinguished on the one hand by the way in which the
  • Rod speed is controlled, and on the other by the number of rollers per scaffold, where two or three rollers may be present. There are always several scaffolds connected in series. At the considered here
  • the rolling rod moves during the actual rolling process at a constant speed through the mill. For this purpose, this must be withheld by an electromechanical system and for the constant
  • Roll bar speed can also be controlled.
  • the restraint system is called a retainer.
  • a lubricant In order for the hollow block to be rolled to be able to slide on the rolling bar after the rolling rod has been threaded into the hollow block during the longitudinal stretching during rolling, it must first be provided with a lubricant.
  • a graphite-containing lubricant in liquid form is sprayed onto the roll bar and dried at temperatures of 80 to 130 ° C. At lower temperatures the lubricant does not dry out completely, at higher temperatures the so-called Leidenfrost effect occurs, whereby a uniform layer does not occur and parts of the surface remain unlubricated. It is therefore attempted to carry out the drying at temperatures below 100 ° C.
  • EP 1 775 038 B1 prior to the drawing operation in the bar rolling mill, sprays the hollow blocks to be rolled internally with a deoxidizer (e.g., borax) to dissolve the scale formed after rolling the hollow block, the dissolved scale acting as an additional lubrication.
  • a deoxidizer e.g., borax
  • the disadvantage here is the use of borax, which can act genver Snd and on the
  • the hollow block located on the rolling rod is then rolled in the bar mill to a so-called mother tube. Mother tube, because in the third rolling stage by misconductwalzen or stretching reduced from the same
  • the rolling rod itself usually consists of a working part and a blind part.
  • the dummy part is required to bridge the necessary process distances. On the blind part of the rolling rod is therefore not rolled.
  • bar length will be used for the length of the working part.
  • high-temperature steels based on chromium Molybdenum are used, especially the difficult to transform materials are problematic to roll.
  • Such materials often contain chromium, such as 100 Cr6 or the corrosion-resistant steels for the energy sector with chromium contents greater than 5 wt .-%.
  • the rolling rod is stressed by these materials excessively thermal and abrasive and significantly reduces the service life of the rolling rod. As the chromium content of the steels increases, this problem increases. In addition, the risk of defects on the inner surface of the tubes is significantly increased by early worn rods. To minimize the coefficient of friction is known from German Patent Application DE 37 42 155 A1, to chrome plating the roll bar surface and apply a lubricant. Chrome plating, however, releases toxic and environmentally harmful chromium VI, which is why alternative solutions have been sought.
  • the nitrided layer is supplemented by an oxide layer to be applied thereto.
  • the layer thickness of the nitriding layer is specified as 50-500 micrometers, the oxide layer as 3-20 micrometers.
  • the object of the invention is, therefore, a rolling rod as an internal tool in the manufacture of seamless metallic hollow bodies, in particular when stretching metallic hollow blocks to seamless pipes by means of a
  • a rolling rod as an internal tool in the manufacture of seamless metallic hollow bodies, in particular when stretching metallic hollow blocks to seamless pipes by means of a
  • Rolling mill and a method for producing a seamless hot-rolled metallic hollow body, in particular steel pipe specify, which achieved in difficult to deform pipe materials, especially chromium-containing pipe materials, improved life of the rolling rod and effectively resulting from rolling errors on the inner surface of the tube can be minimized or avoided effectively.
  • Next is to be achieved in comparison with the known nitrided rolling rods a comparable or better life waiving the de-oxidation of the hollow block inner surface with borax-containing agents.
  • a rolling rod is used as an internal tool
  • Rolling mill used, with a surface having a nitriding layer, wherein the rolling rod is made of a heat-resistant steel material
  • Cr eq. % Cr +% Mo + 1, 5 x% Si + 0.5 x% Nb + 2 x% Ti (1),
  • the nitriding layer from the surface has a depth of more than 0.15 mm and a nitriding hardness of more than 950 HV 0.5. Furthermore, the invention provides a method for producing a seamless hot-rolled metallic hollow body, in particular steel tube, in which a previously produced hollow block via a threaded therein and previously described rolling rod according to the invention in a multi-stand rolling mill a
  • the rolling rod is threaded with a game in the sense of a circumferential circumferential clearance to the inner diameter of the hollow block of at least 10 mm and the hollow block has an average temperature of at least 1000 ° C immediately before the beginning of the insertion of the rod, and the rod velocity V S T when rolling in a rod mill in the sense of a maximum speed satisfies the following conditions:
  • V M min is the minimum velocity of the tube material when rolling in
  • a rod is to be obtained under a rolling rod, which, contrary to a mandrel rod, does not have a head with an enlarged diameter but is a rod with a round cross section of constant size.
  • the proposed method and the rolling rod used for it have the advantage that now hollow body made of difficult to convert materials with optimum inner surface can be produced economically at the same time significantly increased life of the rolling rod.
  • the rod surface In order to ensure the successful entry of rolling rods, the rod surface must have a certain minimum hardness before nitriding.
  • Diameter of the roll bar should still be at least 60% of the minimum hardness.
  • the application of the nitriding layer on the rolling rod is done according to an advantageous embodiment of the invention at a temperature which is at most 20% below the tempering temperature of the steel material of the rolling rod.
  • the method does not matter.
  • the only important factor is the formation of the nitriding layer in the required form. This should advantageously have a Nitrierhärtiefe of more than 0.15 mm.
  • a near-surface hardness of more than 950 HV 0.5 is necessary, measured on the cross sections of reference samples that follow the nitriding process.
  • Table 1 a shows the chemical composition of various tested rod materials.
  • the materials A, B and C have a chromium equivalent, which is above the
  • FIG. 1 shows which hardness and which nitriding layer depths were achieved during nitriding. It can be seen that the required minimum hardness of 200 HV 0.5 is certainly reached even at depths greater than 0.5 mm, starting from the surface of the rolling rod. Since the rolling rods during rolling significantly, usually at over 500 ° C, heat at the surface and thus this heating does not lead to strength losses or In addition to the already mentioned chromium equivalent, the hot-work steel used must still have a yield strength of at least 450 MPa and a tensile strength of at least 600 MPa at 500 ° C. Also, the lubricant must meet certain conditions.
  • lubricants When sprayed onto the rolling rod, lubricants still contain water, which should preferably be completely evaporated before being threaded into the hollow block. To ensure complete evaporation, the surface temperature of the roll bar should be at least 70 ° C before applying the lubricant.
  • Drying amount a surface weight of at least 40 g / m 2 lubricant on the roll bar is required to ensure a sufficient lubricating effect during rolling. It has proven to be particularly advantageous when rolling steels with a chromium content of more than 5% by weight when a dry lubricant quantity of lubricant, ie at least 80 g / m 2 , which is at least twice as large, is applied to the rolling rod.
  • Lubricant is here related to the surface of the rolling rod. It has also been found in the tests that a time is required after the end of the lubricant application to the rolling rod until the beginning of the Einfaltersin the roll bar in the hollow block of at least 60 seconds, so that the lubricant can dry sufficiently. For the life of the rod, it is also beneficial if the load is distributed over the largest possible length. On the other hand, the working part of the rolling rod L S T must not be too long, otherwise the rod weights are too large. It has proven particularly advantageous if the rod length is limited to a maximum of 50% of the maximum possible rolling length in the rod rolling mill.
  • the rolling rod consists of a working part and a blind part, wherein at least the working part is provided with the nitriding layer.
  • the speed of the rod V S T must not exceed a maximum value for the bar length / rolling time ratio, otherwise the working range of the bars during rolling will be exceeded.
  • rolling time here the rolling time of the last stand of the bar mill is defined.
  • V S Tmax 0.9 x bar length / rolling time last stand.
  • this game should be at least 10 mm and the average temperature of the hollow block above 1000 ° C.
  • the basis weight of the de-oxidizing agent should be at least 100 g / m 2 and the time between the end of the application of the de-oxidizing agent and the beginning of rolling on the rolling rod at least 30 s.
  • the applied amount of the de-oxidizing agent is based on the inner surface of the hollow block.
  • the coefficient of friction indicator is already significantly below the values for the lubricated, chrome-plated surfaces after just a short time. These dependencies are largely independent of the different lubricants 1 or 2.
  • the nitriding of the surface of the rolling rod according to the invention is carried out so that the formation of pores open to the surface is promoted, which act as lubricant pockets or reservoirs and thus improves the service life of the rolling rod

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Walzstange als Innenwerkzeug beim Herstellen von nahtlosen Hohlkörpern, insbesondere beim Strecken von metallischen Hohlblöcken zu nahtlosen Rohren mittels eines mehrgerüstigen Walzwerks, mit einer eine Nitrierschicht aufweisenden Oberfläche. Um eine Erhöhung der Standzeit der Walzstange zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Walzstange aus einem warmfesten Stahlwerkstoff besteht mit einem Chromäquivalent Cräq. von mehr als 6,5, berechnet nach Cräq. = % Cr + % Mo + 1,5 x % Si +0,5 x % Nb +2 x % Ti (1 ), mit einer Mindesthärte von 200 HV 0,5, gemessen 0,5 mm unter der Oberfläche der Walzstange, mit einer Streckgrenze von mindestens 450 MPa bei 500°C und mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa bei 500°C, und dass die Nitrierschicht ausgehend von der Oberfläche eine Tiefe von mehr als 0,15 mm und eine Nitrierhärte von mehr als 950 HV 0,5 aufweist. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlos warmgewalzten metallischen Hohlkörpers, insbesondere Stahlrohres, bei dem ein zuvor erzeugter Hohlblock über eine darin eingefädelte vorbeschriebene Walzstange, in einem mehrgerüstigen Walzwerk einem Streckvorgang unterzogen und die Walzstange vor dem Walzeinsatz, also dem Beginn des Einfädelns in den Hohlblock, mit einem flüssigen Schmiermittel versehen und welches anschließend getrocknet wird, wobei die Walzstange mit einem Spiel zum Innendurchmesser des Hohlblocks von mindestens 10 mm eingefädelt wird und der Hohlblock unmittelbar vor dem Beginn des Einfädelns der Stange eine mittlere Temperatur von mindestens 1000°C aufweist und die Stangengeschwindigkeit VST beim Walzen in einem Stangenwalzwerk maximal den folgenden Bedingungen der genügt: VSTmax= 0,9 x Stangenlänge/ Walzzeit letztes Gerüst (3), VSTmax = 0,9 x.VMmin (4), wobei VMmin die Mindestgeschwindigkeit des Rohrmaterials beim Walzen im Stangenwalzwerk ist.

Description

Walzstange als Innenwerkzeug beim Herstellen von nahtlosen metallischen
Hohlkörpern und Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlkörpers
Die Erfindung betrifft eine Walzstange als Innenwerkzeug beim Herstellen von nahtlosen metallischen Hohlkörpern, insbesondere beim Strecken von metallischen Hohlblöcken zu nahtlosen Rohren mittels eines mehrgerüstigen Walzwerks, mit einer eine Nitrierschicht aufweisenden Oberfläche. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlos warmgewalzten metallischen Hohlkörpers, insbesondere Stahlrohres, bei dem ein zuvor erzeugter Hohlblock über eine darin eingefädelte Walzstange gemäß der vorliegenden Erfindung, in einem
mehrgerüstigen Walzwerk einem Streckvorgang unterzogen und die Walzstange vor dem Walzeinsatz, also dem Beginn des Einfädeins in den Hohlblock, mit einem flüssigen Schmiermittel versehen und welches anschließend getrocknet wird. Nach der Erfindung der Brüder Mannesmann, aus einem erwärmten Block ein dickwandiges Hohlblockrohr durch Walzen zu erzeugen, hat es verschiedene Vorschläge gegeben, dieses Hohlblockrohr in gleicher Hitze in einer weiteren Warmarbeitsstufe zu strecken, auf das in einer dritten Walzstufe ein Reduzieren des Außendurchmessers auf den Fertigdurchmesser des Walzwerks erfolgt. Stichworte dazu sind das Pilgerschrittverfahren, das Stoßbankverfahren, das
Stopfenwalzverfahren und das Stangenwalzverfahren. In der ersten Walzstufe erzeugt ein Schrägwalzwerk aus einem im Regelfall massiven Block einen sogenannten Hohlblock. In Ausnahmefällen können statt massiver Blöcke auch vorgebohrte Blöcke zum Einsatz kommen. In der zweiten Walzstufe wird der Hohlblock gestreckt, wobei dafür heute überwiegend mehrgerüstige
Stangenwalzwerke eingesetzt werden. Das Strecken des in das Walzwerk einlaufenden etwa 1000 bis 1200°C heißen Hohlblocks erfolgt dabei über eine Walzstange. Dazu wird die Walzstange in den Hohlblock eingefädelt und meist über eine angetriebene Transportwalze zum ersten Walzgerüst befördert. Die Anzahl der Walzen pro Gerüst beträgt üblicherweise mindestens zwei, heute häufig auch drei, wobei sich der Prozessablauf wie folgt darstellt.
Stangenwalzwerke werden zum einen unterschieden nach der Art, wie die
Stangengeschwindigkeit kontrolliert wird, und zum anderen nach der Anzahl der Walzen pro Gerüst, wobei zwei oder drei Walzen vorhanden sein können. Es sind immer mehrere Gerüste hintereinandergeschaltet. Bei der hier betrachteten
Verfahrensvariante bewegt sich die Walzstange beim eigentlichen Walzvorgang mit einer konstanten Geschwindigkeit durch das Walzwerk. Dazu muss diese von einem elektromechanischen System zurückgehalten und für die konstante
Walzstangengeschwindigkeit auch kontrolliert geführt werden. Das Rückhaltesystem wird Retainer genannt. Damit der zu walzende Hohlblock nach dem Einfädeln der Walzstange in den Hohlblock bei der Längsstreckung während des Walzens auf der Walzstange gleiten kann, muss diese zuvor mit einem Schmiermittel versehen sein. Üblicherweise wird dafür ein graphithaltiges Schmiermittel in flüssiger Form auf die Walzstange aufgesprüht und bei Temperaturen von 80 bis 130°C getrocknet. Bei niedrigeren Temperaturen trocknet das Schmiermittel nicht sicher vollständig aus, bei höheren Temperaturen kommt es zum sogenannten Leidenfrosteffekt, wodurch sich keine gleichmäßige Schicht einstellt und Teile der Oberfläche ungeschmiert bleiben. Es wird deshalb versucht, die Trocknung bei Temperaturen unterhalb von 100°C durchzuführen.
Zusätzlich zur Schmierung der Walzstange werden gemäß der europäischen
Patentschrift EP 1 775 038 B1 vor dem Streckvorgang im Stangenwalzwerk, die zu walzenden Hohlblöcke innen mit einem De-Oxidationsmittel (z.B. Borax) besprüht, um den nach dem Walzen des Hohlblocks entstandenen Zunder aufzulösen, wobei der gelöste Zunder wie eine zusätzliche Schmierung wirkt. Nachteilig ist hierbei die Verwendung von Borax, das genverändernd wirken kann und auf dessen
Verwendung deshalb verzichtet werden sollte. Der auf der Walzstange befindliche Hohlblock wird dann im Stangenwalzwerk zu einem sogenannten Mutterrohr ausgewalzt. Mutterrohr deshalb, weil in der dritten Walzstufe durch Maßwalzen oder Streckreduzieren aus der gleichen
Mutterrohrabmessung Rohre mit verschiedenen Fertigdurchmessern erzeugt werden können. Die Walzstange selbst besteht im Regelfall aus einem Arbeitsteil und einem Blindteil. Der Blindteil ist erforderlich, um prozesstechnisch notwendige Distanzen zu überbrücken. Auf dem Blindteil der Walzstange wird deshalb nicht gewalzt. Im Folgenden wird der Einfachheit halber der Begriff Stangenlänge für die Länge des Arbeitsteils verwendet. Obwohl üblicherweise als Stangenwerkstoff hochwarmfeste Stähle auf Basis Chrom- Molybdän eingesetzt werden, sind besonders die schwer umformbaren Werkstoffe problematisch zu walzen. Solche Werkstoffe enthalten häufig Chrom, wie z.B. 100 Cr6 oder die korrosionsbeständigen Stähle für den Energiesektor mit Chromgehalten größer 5 Gew.-%. Die Walzstange wird durch diese Werkstoffe übermäßig thermisch und abrasiv beansprucht und die Standzeit der Walzstange deutlich reduziert. Mit zunehmendem Chrom-Gehalt der Stähle nimmt dieses Problem zu. Zudem ist die Gefahr von Fehlern an der Innenoberfläche der Rohre durch frühzeitig verschlissene Walzstangen deutlich erhöht. Zur Minimierung des Reibbeiwertes ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 37 42 155 A1 bekannt, die Walzstangenoberfläche zu verchromen und ein Schmiermittel aufzubringen. Beim Verchromen wird jedoch giftiges und umweltschädliches Chrom VI freigesetzt, weshalb Alternativlösungen gesucht wurden. Um die Standzeit dieser hoch thermisch und abrasiv beanspruchten Walzstangen beim Walzen insbesondere chromhaltiger Stähle zu erhöhen und reibungsbedingte Fehler an den Innenoberflächen der Rohre zu minimieren, ist es aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 06262220 A bekannt, die Walzstangen anstatt zu verchromen mit einer Nitrierschicht zu versehen, die eine Rauigkeit von 0,5 bis 5,0 μηη aufweist. Angaben zu erforderlichen Schichtdicken werden nicht gegeben.
In der japanischen Offenlegung JP 2009045632 A wird zum Erzielen einer
ausgezeichneten Lebensdauer der Walzstange die nitrierte Schicht um eine darauf aufzubringende Oxidschicht ergänzt. Die Schichtdicke der Nitrierschicht wird mit 50 - 500 Mikrometer, die Oxidschicht mit 3 - 20 Mikrometer angegeben.
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass beim Abreißen des Schmierfilms während des Walzens nitrierte Oberflächen zwar über Notlaufeigenschaften verfügen, die Standzeit der so behandelten Walzstangen aber noch nicht wesentlich verbessert und Fehler an den Innenoberflächen der Rohre noch nicht wesentlich verringert werden konnten.
Die Schwierigkeit der Verwendung von an sich bekannten oberflächennitrierten Walzstangen besteht darin, den gesamten Prozess, von der Herstellung der
Walzstangen über die Vorbehandlung des Hohlblocks, das Schmieren der Stange und den Walzprozess selbst, so aufeinander abzustimmen, dass sowohl für Stahlrohre aus unlegierten Stahlgüten bis hin zu schwer warmumformbaren chromhaltigen Stählen ein gesicherter Walzprozess gewährleistet ist. Des Weiteren ist aus der deutschen Patentschrift DE 197 14 317 C1 bereits ein Walzdorn bekannt, der mittels eines PVD (Physical Vapour Deposition) - Verfahren mit einer Oberflächenschicht auf CrN-Basis versehen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Walzstange als Innenwerkzeug beim Herstellen von nahtlosen metallischen Hohlkörpern, insbesondere beim Strecken von metallischen Hohlblöcken zu nahtlosen Rohren mittels eines mehrgerüstigen
Walzwerks, und ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlos warmgewalzten metallischen Hohlkörpers, insbesondere Stahlrohres, anzugeben, womit bei schwer umformbaren Rohrwerkstoffen, insbesondere chromhaltigen Rohrwerkstoffen, eine verbesserte Standzeit der Walzstange erreicht und beim Walzen entstehende Fehler an der Innenoberfläche des Rohres wirksam minimiert beziehungsweise vermieden werden. Weiter soll im Vergleich zu den bekannten nitrierten Walzstangen eine vergleichbare oder bessere Lebensdauer unter Verzicht auf das De-Oxidieren der Hohlblockinnenoberfläche mit boraxhaltigen Mitteln erzielt werden.
Für die Walzstange wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Für das Verfahren wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Walzstange und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird eine Walzstange als Innenwerkzeug beim
Herstellen von nahtlosen metallischen Hohlkörpern, insbesondere beim Strecken von metallischen Hohlblöcken zu nahtlosen Rohren mittels eines mehrgerüstigen
Walzwerks, verwendet, mit einer eine Nitrierschicht aufweisenden Oberfläche, wobei die Walzstange aus einem warmfesten Stahl Werkstoff besteht
- mit einem Chromäquivalent Cräq. von mehr als 6,5, berechnet nach Cräq. = % Cr + % Mo + 1 ,5 x % Si +0,5 x % Nb +2 x % Ti (1 ),
- mit einer Mindesthärte von 200 HV 0,5, gemessen 0,5 mm unter der Oberfläche der Walzstange,
- mit einer Streckgrenze von mindestens 450 MPa bei 500°C und - mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa bei 500°C, und
- die Nitrierschicht ausgehend von der Oberfläche eine Tiefe von mehr als 0,15 mm und eine Nitrierhärte von mehr als 950 HV 0,5 aufweist. Des Weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlos warmgewalzten metallischen Hohlkörpers, insbesondere Stahlrohres, bei dem ein zuvor erzeugter Hohlblock über eine darin eingefädelte und zuvor beschriebene erfindungsgemäße Walzstange in einem mehrgerüstigen Walzwerk einem
Streckvorgang unterzogen und die Walzstange vor dem Walzeinsatz, also dem Beginn des Einfädeins in den Hohlblock, mit einem flüssigen Schmiermittel versehen und welches anschließend getrocknet wird, wobei die Walzstange mit einem Spiel im Sinne eines umlaufenden Umfangsspiels zum Innendurchmesser des Hohlblocks von mindestens 10 mm eingefädelt wird und der Hohlblock unmittelbar vor dem Beginn des Einfädeins der Stange eine mittlere Temperatur von mindestens 1000°C aufweist und die Stangengeschwindigkeit VST beim Walzen in einem Stangenwalzwerk im Sinne einer Maximalgeschwindigkeit den folgenden Bedingungen genügt:
- 0,9 x Stangenlänge/ Walzzeit letztes Gerüst (3),
- VsTmax = 0,9 XVMmin (4),
wobei VMmin die Mindestgeschwindigkeit des Rohrmaterials beim Walzen im
Stangenwalzwerk ist.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Walzstange eine Stange zu erstehen, die entgegen einer Dornstange keinen Kopf mit vergrößerten Durchmesser aufweist sondern eine Stange mit einer runden Querschnitt mit gleichbleibender Größe ist.
Das vorgeschlagene Verfahren und die dafür verwendete Walzstange haben den Vorteil, dass jetzt auch Hohlkörper aus schwer umformbaren Werkstoffen mit optimaler Innenoberfläche wirtschaftlich herstellbar sind bei gleichzeitig deutlich erhöhter Standzeit der Walzstange.
Dabei hat sich bei Versuchen überraschend herausgestellt, dass erst die Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale aus Walzstangenwerkstoff, Nitrierschicht und Länge des Arbeitsteils der Walzstange den erhofften Erfolg beschert. Im Rahmen der durchgeführten Versuche wurden in einem ersten Schritt aus der Menge der Warmarbeitsstähle diejenigen ausgewählt, die für das Nitrieren geeignet sind und eine für den Walzprozess ausreichende Grundhärte ausweisen. Aus Tabelle 1 ist zu entnehmen, dass hierfür ein Chromäquivalent von größer 6,5 erforderlich ist, wobei sich hier das Chromäquivalent nach folgender Gleichung berechnet:
Cräq. = % Cr + % Mo +1 ,5 x % Si +0,5 x % Nb +2 x % Ti (1 )
Um erfolgreich das Einfahren von Walzstangen zu gewährleisten, muss vor dem Nitrieren die Stangenoberfläche eine bestimmte Mindesthärte aufweisen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Grenze bei 200 HV 0,5 gemessen 0,5 mm unter der Oberfläche der unnitrierten Stange liegt. Es ist hierbei von Vorteil, wenn diese Mindesthärte bis in den Kern der Stange reicht, wobei bei 50 % des
Durchmessers der Walzstange noch mindestens 60 % der Mindesthärte vorhanden sein sollten. Das Aufbringen der Nitrierschicht auf die Walzstange geschieht nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei einer Temperatur, die maximal 20% unterhalb der Anlasstemperatur des Stahlwerkstoffs der Walzstange liegt.
Für das Nitrieren spielt die Methode, ob Gas- oder Plasma-basiert, keine Rolle. Wichtig ist allein die Ausbildung der Nitrierschicht in der geforderten Ausprägung. Diese sollte vorteilhaft eine Nitrierhärtetiefe von mehr als 0,15 mm aufweisen. Weiter ist eine oberflächennahe Härte von mehr als 950 HV 0,5 notwendig, gemessen an Querschliffen von beim Nitrierprozess mitlaufenden Referenzproben. Die folgende Tabelle 1 a zeigt die chemische Zusammensetzung verschiedener untersuchter Stangenwerkstoffe.
Material C Si Mn Cr Mo V
A min 0,3 0,7 0,4 4,5 1 0,8
max 0,4 1 ,2 0,6 5,5 1 ,2 1
B min 0,33 0,8 0,25 4,8 1 ,1 0,3
max 0,41 1 ,2 0,5 5,5 1 ,5 0,5
C min 0,35 0,8 0,25 4,8 1 ,2 0,85
max 0,42 1 ,2 0,5 5,5 1 ,5 1 ,15
D Ref. 0,32 0,2 0,2 3 2,8 0,5 E Ref. 0,55 0,3 0,8 1 , 1 0,45 0, 1
Die nachfolgende Tabelle 1 b zeigt die errechneten Werte für das Chromäquivalent Cräq - berechnet nach der Gleichung (1 ) Cräq. (Gew.-%) = % Cr + % Mo + 1 ,5 x % Si + 0,5 x % Nb + 2 x % Ti und ob eine ausreichende Nitrierschichtdicke, Nitrierschichttiefe und Grundhärte erreicht wurden.
Die Werkstoffe A, B und C haben ein Chromäquivalent, welches über dem
geforderten Wert von 6,5 liegt, während die Referenzwerkstoffe D und E niedrigere Werte aufweisen.
Für die ersten zwei Stangenmaterialien A, B nach Tabellen 1 a und 1 b zeigt Figur 1 , welche Härte und welche Nitrierschichttiefen beim Nitrieren erzielt wurden. Dabei ist zu erkennen, dass die geforderte Mindesthärte von 200 HV 0,5 sicher auch bei größeren Tiefen als 0,5 mm ausgehend von der Oberfläche der Walzstange erreicht wird. Da sich beim Walzen die Walzstangen deutlich, im Regelfall auf über 500°C, an der Oberfläche erwärmen und damit diese Erwärmung nicht zu Festigkeitsverlusten oder Schädigungen führt, muss der verwendete Warmarbeitsstahl zusätzlich zu dem bereits genannten Chromäquivalent noch eine Streckgrenze von mindestens 450 MPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa bei 500°C aufweisen. Auch das Schmiermittel muss bestimmten Bedingungen genügen. Schmiermittel enthalten beim Aufsprühen auf die Walzstange noch Wasser, das möglichst vor dem Einfädeln in den Hohlblock vollständig verdampft sein sollte. Damit ein vollständiges Verdampfen gewährleistet ist, sollte die Oberflächentemperatur der Walzstange vor dem Aufbringen des Schmiermittels vorteilhaft mindestens 70°C betragen.
Bei den Versuchen hat sich außerdem herausgestellt, dass als verbleibende
Trockenmenge ein Flächengewicht von mindestens 40 g/m2 Schmiermittel auf der Walzstange erforderlich ist, um eine ausreichende Schmierwirkung während des Walzens zu gewährleisten. Als besonders vorteilhaft hat es sich beim Walzen von Stählen mit einem Chromanteil von mehr als 5 Gew.-% herausgestellt, wenn eine mindestens doppelt so große Trockenmenge an Schmiermittel, also mindestens 80 g/m2, auf die Walzstange aufgebracht wird. Die aufgebrachte Menge des
Schmiermittels ist hier auf die Oberfläche der Walzstange bezogen. Es hat sich weiterhin bei den Versuchen herausgestellt, dass eine Zeit nach dem Ende des Schmiermittelauftrags auf die Walzstange bis zum Beginn des Einfädeins der Walzstange in den Hohlblock von mindestens 60 Sekunden erforderlich ist, damit das Schmiermittel ausreichend trocknen kann. Für die Lebensdauer der Stange ist es darüber hinaus förderlich, wenn die Belastung auf eine möglichst große Länge verteilt wird. Andererseits darf der Arbeitsteil der Walzstange LST nicht zu lang werden, da sonst die Stangengewichte zu groß werden. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Stangenlänge auf maximal 50 % der im Stangenwalzwerk maximal möglichen Walzlänge begrenzt wird.
Hierfür gilt die Formel:
- LsTmax = 0,5 x maximale Rohrauslauflänge, letztes Gerüst eines mehrgerüstigen Walzwerks (2). Hierbei besteht die Walzstange aus einem Arbeitsteil und einem Blindteil, wobei zumindest das Arbeitsteil mit der Nitrierschicht versehen ist.
Gleichzeitig darf die Geschwindigkeit der Stange VST einen maximalen Wert für das Verhältnis Stangenlänge/Walzzeit nicht überschreiten, weil sonst der Arbeitsbereich der Stangen beim Walzen überschritten wird. Als Walzzeit ist hier die Walzzeit des letzten Gerüstes des Stangenwalzwerks definiert.
Für einen gesicherten Prozessablauf empfiehlt es sich jedoch, die mögliche
Geschwindigkeit nicht komplett auszunutzen und eine Obergrenze von 90 % dieses Wertes nicht zu überschreiten.
Es gilt die Formel: VSTmax = 0,9 x Stangenlänge/ Walzzeit letztes Gerüst.
Zudem darf die Stangengeschwindigkeit VST nie die Geschwindigkeit VM des
Rohrmaterials beim Walzen im Stangenwalzwerk überschreiten, da sich sonst die Richtung der Reibkräfte umkehrt. Auch hier ist eine Begrenzung auf 90 % des maximal erlaubten Wertes der Mindestgeschwindigkeit des Rohrmaterials VM min sinnvoll. Es gilt also die Formel: VST max = 0,9 xVM min
Zwei weitere Größen, die einen entscheidenden Einfluss auf das erfolgreiche
Verwenden von nitrierten Walzstangen haben, sind die Differenz von
Hohlblockinnendurchmesser zum Walzstangendurchmesser, Spiel genannt, und die Temperatur des Hohlblocks im Moment des Einfädeins der Walzstange.
Um ein mögliches Abstreifen des Schmiermittels von der Walzstange beim Einfädeln in den Hohlblock zu vermeiden und dennoch ein sicheres Einfädeln zu gewährleisten, sollte dieses Spiel mindestens 10 mm betragen und die mittlere Temperatur des Hohlblocks über 1000°C liegen.
Wenngleich mit der erfindungsgemäßen Walzstange und dem erfindungsgemäßen Walzverfahren schon hervorragende Standzeiten der Walzstangen realisiert werden können, ohne dass es einer zusätzlichen De-Oxidierung der Innenoberfläche des Hohlblocks bedarf, kann es bei sehr schwer umzuformenden Werkstoffen fallweise vorteilhaft sein, eine zusätzliche De-Oxidation vorzunehmen, wobei dann das Flächengewicht des De-Oxidationsmittels mindestens 100 g/m2 und die Zeit zwischen dem Ende des Aufbringens des De-Oxidationsmittels und dem Beginn des Walzens auf der Walzstange mindestens 30 s betragen sollte. Die aufgebrachte Menge des De-Oxidationsmittels ist dabei bezogen auf die Innenoberfläche des Hohlblocks.
Untersuchungsergebnisse zum Reibverhalten von unbehandelten, verchromten und nitrierten Walzstangen in Verbindung mit unterschiedlichen Schmiermitteln sind in Figur 2 dargestellt.
Es zeigt sich, dass die verchromte und geschmierte Oberfläche sogar schlechtere Werte für den Reibwertindikator ergibt als die unbehandelte, geschmierte Oberfläche (nicht in Figur 2 dargestellt). Weiter ist zu sehen, dass die ungeschmierte, nitrierte Oberfläche über sehr gute Notlaufeigenschaften verfügt. Der zugehörige
Reibwertindikator liegt bereits nach kurzer Zeit deutlich unter den Werten für die geschmierten, verchromten Oberflächen. Diese Abhängigkeiten sind weitgehend unabhängig von den unterschiedlichen Schmiermitteln 1 oder 2.
Dieses Verhalten ist auch aus der Praxis bekannt. Das Schmiermittel haftet schlecht auf neu verchromten Stangen, so dass hier das De-Oxidieren des Hohlblocks, welches einen zusätzlichen Schmierfilm bewirkt, die Schmierung unterstützen muss. Zudem werden häufig weitere Maßnahmen wie Doppelschmieren oder
Sonderschmiermittel zum Einfahren der Walzstange eingesetzt, was sehr aufwändig ist und zusätzliche Kosten verursacht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Nitrierung der Oberfläche der erfindungsgemäßen Walzstange so ausgeführt, dass die Bildung von zur Oberfläche hin offenen Poren begünstigt wird, die als Schmiermitteltaschen bzw. Reservoire wirken und so die Standzeit der Walzstange durch verbesserte
Schmierung erhöhen.

Claims

Patentansprüche
1 . Walzstange als Innenwerkzeug beim Herstellen von nahtlosen metallischen Hohlkörpern, insbesondere beim Strecken von metallischen Hohlblöcken zu nahtlosen Rohren mittels eines mehrgerüstigen Walzwerks, mit einer eine Nitrierschicht aufweisenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzstange aus einem warmfesten Stahl Werkstoff besteht mit einem Chromäquivalent Cräq. von mehr als 6,5, berechnet nach Cräq. = % Cr + % Mo + 1 ,5 x % Si +0,5 x % Nb +2 x % Ti (1 ), mit einer Mindesthärte von 200 HV 0,5, gemessen 0,5 mm unter der Oberfläche der
Walzstange, mit einer Streckgrenze von mindestens 450 MPa bei 500°C und mit einer Zugfestigkeit von mindestens 600 MPa bei 500°C, und dass die Nitrierschicht ausgehend von der Oberfläche eine Tiefe von mehr als 0,15 mm und eine Nitrierhärte von mehr als 950 HV 0,5 aufweist.
2. Walzstange nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei 50 % des
Durchmessers der Walzstange noch mindestens 60 % der Mindesthärte vorhanden sind.
3. Walzstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Walzstange eine bei maximal 20 % unterhalb der Anlasstemperatur des
Stahlwerkstoffs aufgebrachte Nitrierschicht aufweist.
4. Walzstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein vor dem Walzeinsatz auf die Oberfläche der Walzstange aufgebrachtes und getrocknetes Schmiermittel ein Flächengewicht von mindestens 40 g/m2 hat.
5. Walzstange nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Walzen von Stählen mit Chrom-Gehalten von mehr als 5 Gew.-%, das Flächengewicht des auf die Walzstange aufgebrachten Schmiermittels mindestens 80 g/m2 beträgt.
6. Walzstange nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzstange aus einem Arbeitsteil und einem Blindteil besteht und der Arbeitsteil der Walzstange LST eine maximale Länge besitzt, berechnet nach Gleichung
LST max = 0,5 x maximale Rohrauslauflänge letztes Gerüst eines mehrgerüstigen Walzwerks (2).
7. Verfahren zur Herstellung eines nahtlos warmgewalzten metallischen Hohlkörpers, insbesondere Stahlrohres, bei dem ein zuvor erzeugter Hohlblock über eine darin eingefädelte Walzstange gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, in einem mehrgerüstigen Walzwerk einem Streckvorgang unterzogen und die Walzstange vor dem
Walzeinsatz, also dem Beginn des Einfädeins in den Hohlblock, mit einem flüssigen Schmiermittel versehen und welches anschließend getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzstange mit einem Spiel zum Innendurchmesser des Hohlblocks von mindestens 10 mm eingefädelt wird und der Hohlblock unmittelbar vor dem Beginn des Einfädeins der Stange eine mittlere Temperatur von mindestens 1000°C aufweist und die Stangengeschwindigkeit VST beim Walzen in einem
Stangenwalzwerk maximal den folgenden Bedingungen genügt: 0,9 x
Stangenlänge/ Walzzeit letztes Gerüst (3), VSTmax = 0,9 xVMmin (4), wobei VMmin die Mindestgeschwindigkeit des Rohrmaterials beim Walzen im Stangenwalzwerk ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trocknungszeit zwischen dem Ende des Schmierens der Walzstange und vor dem ersten
Walzeinsatz von mindestens 60 Sekunden eingehalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen des flüssigen Schmiermittels auf die Walzstange bei einer Oberflächentemperatur der Walzstange von mindestens 70°C erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierung der Menge des aufgebrachten flüssigen Schmiermittelmenge so erfolgt, dass ein Flächengewicht nach dem Trocknen von mindestens 40 g/m2 erreicht wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierung der Menge des aufgebrachten Schmiermittelmenge für ein Walzen von Stählen mit einem Chromanteil von mehr als 5 % so erfolgt, dass ein Flächengewicht nach dem
Trocknen von mindestens 80 g/m2 erreicht wird.
12. Verfahren nach Ansprüchen 7 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Hohlblock innen vor dem Einfädeln der Walzstange mit einem De-Oxidationsmittel beaufschlagt wird, wobei die Menge des De-Oxidationsmittels mindestens 100 g/m2 beträgt und die Zeit zwischen dem Ende des Aufbringens des De-Oxidationsmittels und dem Beginn des Walzens mindestens 30 s beträgt.
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