Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von nahtlosen Stahlrohren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Nahtlose Stahlrohre werden auf unterschiedlichen Walzstraßen hergestellt Den meisten solcher Walzstraßen ist gemeinsam, dass drei Umformstufen nacheinander durchlaufen werden. In einer ersten Stufe (siehe Fig. 1 und Fig. 2) wird das erwärmte Walzgut (1], zum Beispiel ein stranggegossener Stahlblock, mit Vollquerschnitt gelocht. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe eines

Schrägwalzwerkes, in dem der Stahlblock zwischen zwei oder mehr Walzen (2), die angetrieben sind und eine Drehbewegung (6) ausführen, in eine Rotationsbewegung (5) mit Vorschub in Walzrichtung (la) versetzt und über einen Lochdorn (3] getrieben wird. In dieser Weise wird der Block zum Hohlblock umgeformt Der Lochdorn ist auf einer Dornstange (4) befestigt, die wiederum auf einem Dornwiderlager in axialer Richtung so abgestützt wird, dass sie frei um ihre Längsachse rotieren kann. Lochdorn und - falls der Lochdorn fest mit der Dornstange verbunden ist - Dornstange werden dabei, angetrieben vom Walzgut, ebenfalls in Rotationsbewegung (7 und 8) versetzt. Hierbei liegen im theoretischen Idealfall Lochdornachse (10) und Walzgutachse (9) auf einer Linie. Der Lochdorn rotiert in dem Fall zentrisch und erzeugt eine gleichmäßige Wanddicke im Querschnitt des Walzgutes (siehe Fig. 2a). Da die Position des Lochdornes in der Walzpraxis aber von den auf ihn wirkenden Kräften abhängig ist, verlagert sich die Dornachse immer mehr oder weniger aus der Mitte und führt dann eine exzentrische Drehbewegung (11) um die Walzgutachse in Richtung der Dornrotation aus (siehe Fig. 2b).

Der im Schrägwalzwerk erzeugte Hohlblock wird in einer zweiten Umformstufe mit Hilfe eines Innen Werkzeuges, einer Walzstange, in einem Längs- oder

Schrägwalzprozess weiter umgeformt Dabei wird hauptsächlich die Wanddicke reduziert und die Länge nimmt entsprechend zu. In einer dritten Umformstufe wird das Rohr dann zumeist ohne Innenwerkzeug fertig gewalzt, wobei Durchmesser und

Wanddicke gezielt, entsprechend dem Kundenauftrag eingestellt werden.

Ersatzblatt Durchmesser und Wanddicke des fertig gewalzten Rohres müssen vorgegebenen Spezifikationen genügen, d.h. sie müssen innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen. Werden Toleranzen nicht eingehalten, ist das Produkt, das Rohr, minderwertig und der wirtschaftliche Ertrag gering. Aus Gründen der Stabilität der gewalzten Rohre beim späteren Einsatz in Leitungen, Bauteilen und Konstruktionselementen werden meist Minustoleranzen hinsichtlich der Wanddicke gefordert, d.h. die Wanddicke darf an keiner Stelle des Rohres einen vorgegeben Sollwert (Minustoleranz) unterschreiten. Um Minustoleranzen sicher einzuhalten werden dann häufig Rohre mit größerer Wanddicke produziert Das aber bedeutet einen Mehraufwand an Material, damit erhöhte

Produktkosten und wiederum reduzierte Erträge. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es daher sehr wichtig, Wanddickenabweichungen so klein wie möglich zu halten.

In jeder der drei Umformstufen entstehen aus unterschiedlichen Gründen

Wanddickenabweichungen, das sind Abweichungen der Ist-Werte der Wanddicke von den vorgegebenen Sollwerten. Wanddickenabweichungen unterscheiden sich aufgrund unterschiedlicher Entstehungsmechanismen in ihrer Ausprägung und Größe. Einen besonders großen Anteil an den Wanddickenabweichungen des fertig gewalzten Rohres hat die Exzentrizität (siehe Fig. 3). Die Exzentrizität zeigt sich als Wanddickenverlauf im Querschnitt des Rohres mit einem Maximalwert t _m ax und einem im Querschnitt gegenüberliegenden Minimalwert t _m in. Der Wert der Exzentrizität wird in der

Betriebspraxis meist ermittelt mit (t _m ax - t _m in)/(t _m ax + tmin) x 100%.

Die Exzentrizität entsteht hauptsächlich in der ersten Umformstufe und kann in den zwei weiteren Umformstufen nur noch wenig verringert werden. Es ist daher aus wirtschaftlichen Gründen besonders wichtig, die Ausbildung der Exzentrizität in der ersten Umformstufe, dem Lochen durch Schrägwalzen, auf ein Minimum zu

beschränken.

Die Exzentrizität entsteht beim Schrägwalzen dadurch, dass sich die Achse des

Lochdornes parallel, ggf. zusätzlich um einen Winkel geneigt, gegenüber der

Walzgutachse verschiebt. Diese Verschiebung aus der zentrischen Position erfolgt durch radial wirkende Kräfte, die verschiedene Ursachen haben können. Ursachen können sein: Eine ungleichmäßige Verteilung der Temperatur oder der Werkstoffeigenschaften

Ersatzblatt im Querschnitt des Walzgutes, eine Unrundheit des Lochdornes infolge Verschleißes, eine Durchbiegung der Dornstange, Abweichungen von der axialen Ausrichtung von Walzwerk, Dornstangenführungen und Dornwiderlager und anderes. Bei exzentrischer Lage der Lochdornachse wird im betreffenden Querschnitt des Walzgutes ein

exzentrischer Wanddickenverlauf, wie in Fig. 3 dargestellt, erzeugt

Nach dem derzeitigen Stand der Erkenntnisse und der Technik wird das Problem der Exzentrizität dadurch in Grenzen gehalten, dass die genannten Einflüsse möglichst klein gehalten werden. Dementsprechend wird zum Beispiel dafür gesorgt, dass der Block vor der Lochung gleichmäßig erwärmt wird, das Walzwerk und die Hilfseinrichtungen genau zueinander ausgerichtet sind und verschlissene Lochdorne rechtzeitig

ausgewechselt werden. Unter solchen Bedingungen sind Exzentrizitätswerte von 2 bis 4 % erreichbar. Jedoch ist es schwierig, die genannten Einflussgrößen in der

Betriebspraxis auf längere Zeit unter Kontrolle zu halten. In der Produktionspraxis liegen die Exzentrizitätswerte daher zumeist bei 5 bis 10 % oder sogar noch höher, was erhebliche Mehrkosten bei der Produktion verursacht

Aus der DE 2949970 C2 ist eine Walzanlage zum Lochen von Blöcken mit frei drehbar gelagerter Dornstange bekannt Lochdorn und Dornstange drehen sich bei fester Verbindung zwischen Lochdorn und Dornstange mit einer Winkelgeschwindigkeit, die durch die Walzen aufgezwungen wird. Aufgrund dieser Drehbewegung und mit der damit einhergehenden geringen Relativbewegung zwischen Lochdorn und Walzgut wird zumindest in der stationären Walzphase der Verschleiß des Lochdornes gering gehalten. Jedoch wird die Lochdornachse durch Störeinflüsse, wie z.B. Temperaturunterschiede im Querschnitt des Blockes leicht aus der Walzgutmittenachse verschoben, was zu einer exzentrischen Wanddickenverteilung im Querschnitt des gewalzten Hohlblockes führt Nach der DE 3602523 Cl ist eine Walzanlage zum Lochen von Blöcken mit

angetriebener Dornstange bekannt, bei der die Dornstange vor dem Lochvorgang auf eine auf die Drehgeschwindigkeit des zu lochenden Blocks angepasste

Drehgeschwindigkeit beschleunigt wird. Hiermit wird sichergestellt, dass schon zu Beginn des Lochprozesses die Relativgeschwindigkeit zwischen Lochdorn und Walzgut gering ist Damit wird der Verschleiß des Lochdornes weiter reduziert. Aber auch bei dieser Lösung ist die Lage der Lochdornachse instabil und von Störeinflüssen abhängig. Verbunden mit einer ungewollten und unbeeinflussbaren Verschiebung der

Ersatzblatt Lochdornachse entsteht dann eine Exzentrizität der Wanddicke des erzeugten

Hohlblockes.

In der DE 10 2008 056988 AI wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die

Exzentrizität deutlich und zuverlässig reduziert werden kann. Bei diesem Verfahren wird der Lochdorn z.B. mittels eines Zusatzantriebes entgegen der Rotationsbewegung des Walzgutes gedreht Walzversuche haben bestätigt, dass hiermit ein Großteil, etwa 50%, der Exzentrizität eliminiert werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass der Lochdorn aufgrund der Relativbewegung zwischen Lochdorn und Walzgut und der infolgedessen an der Oberfläche des Lochdornes wirkenden Schubspannungen schnell verschleißt Auch können infolge der Relativbewegung Fehler an der

Innenoberfläche des Walzgutes auftreten, die zu Ausschuss führen. Mithin wird das Ziel der Kosteneinsparung mit diesem Verfahren nur sehr eingeschränkt erreicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die beschriebenen Nachteile vermieden werden, indem die Exzentrizität zuverlässig reduziert wird, ohne dass eine erhöhte Relativbewegung zwischen Lochdorn und Walzgut auftritt, und so erhöhter Verschleiß und Innenfehler vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß

Patentanspruch 1.

Im Ergebnis der Anwendung dieser Erfindung wird die Exzentrizität des Walzgutes erheblich verringert, ohne dass der Verschleiß des Lochdornes erhöht wird und ohne dass zusätzlich Innenfehler entstehen können.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die außermittige Rotationsbewegung der Dornachse anzusehen ist als Überlagerung von meist zwei Schwingungen

unterschiedlicher Frequenz (Umdrehungen pro Zeit] und unterschiedlicher Amplitude (Abstand der Lochdornachse von der Walzgutachse]. Aufgrund der Überlagerung der Schwingungen verändern sich die Lage und der Abstand der Dornachse von der

Walzgutachse im Verlauf des Walzprozesses und am gewalzten Hohlblock findet sich dementsprechend eine charakteristische Verteilung der Wanddickenwerte über der Länge und dem Umfang des Walzgutes. In Fig. 4 ist die Verteilung der Wanddicke

Ersatzblatt schematisch dargestellt, die sich aus einer Drehbewegung mit einer konstanten

Frequenz ergibt, die von der Frequenz der Walzgutbewegung verschieden ist Die Linien gleicher Wanddicke (In Fig. 4 ist beispielhaft die Linie (12) der maximalen Wanddicke dargestellt) bilden mit der Walzgutlängsachse einen Winkel α (13).

Setzt sich die Drehbewegung der Lochdornachse aus zwei Drehbewegungen mit unterschiedlichen Frequenzen zusammen, zeigen sich die Wanddickenwerte als zwei einander überlagernde Wanddickenverteilungen, wobei die beiden

Wanddickenverteilungen verschiedene Winkel zwischen den Linien gleicher

Wanddicken und der Walzgutlängsachse aufweisen.

Aus dieser Erkenntnis wird gemäß Erfindung abgeleitet, dass nicht die Rotation des Lochdornes selbst zu ändern ist, wie in der DE 10 2008 056 988 AI beschrieben, um die Ausbildung der Exzentrizität zu beeinflussen, sondern es ist die Drehbewegung der Dornachse zu beeinflussen. Diese kann geändert werden, ohne die Rotation des Dornes zu ändern, wie folgendes Anwendungsbeispiel verdeutlicht (siehe Fig. 5).

Der Lochdornschaft (14), das ist eine Welle, die mit dem Lochdorn fest verbunden ist, ist mittels reibungsarmer Gleitflächen (16), die zum Beispiel mittels Keramikbeschichtung und Graphitschmierung erzeugt werden, frei drehbar auf der Dornstange gelagert Die Längsachse des Lochdornes ist gegenüber der Längsachse der Dornstange versetzt. Der Versatz beträgt einen oder wenige Millimeter. Die Dornstange ist mit einem

Rotationsantrieb versehen. Bei Drehung der Dornstange wird mittels der beschriebenen Vorrichtung einer exzentrischen Verbindung von Lochdorn und Dornstange, die Position der Längsachse des Lochdornes beeinflusst, ohne dass die Drehbewegung des

Lochdornes geändert wird.

Eine weitere Vorrichtung einer vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Lehre ist in Fig. 6 dargestellt Zwischen Lochdorn und Dornstange wird ein Adapter

verwendet, in dem der Dornschaft (14) mittels eines Zahnkranzes auf einem mit der Dornstange fest verbundenen Hohlzahnrad (15) abrollt In dieser Anordnung erzeugt die Drehbewegung (7) des Lochdornes eine Rotation (11) der Dornachse, die der Drehung des Lochdornes entgegengesetzt ist Mittels der gleichen Anordnung kann auch

Ersatzblatt die Dornstangenachse in eine Rotation versetzt werden, die der Drehung der Dornstange, wenn diese fest mit dem Lochdorn verbunden ist, entgegengesetzt ist

Eine weitere Erkenntnis, die der Erfindung zugrunde liegt, betrifft die Frequenz der auferlegten Schwingung bzw. Rotationsbewegung der Dornachse. Je höher die Frequenz im Vergleich zur Frequenz der Walzgutrotation ist, umso größer ist der Winkel (13, siehe Fig. 4) zwischen den Linien gleicher Wanddicke und der Walzgutachse. Bei sehr hoher Frequenz im Vergleich zur Frequenz der Walzgutrotation liegen diese Linien wie Schraubenlinien entlang der Walzgutlängsachse. Eine solche Ausprägung der

Wanddickenabweichungen hat den Vorteil, dass aufgrund der kleinen axialen Abstände von Maximalwert und Minimalwert der Wanddicke leicht ein Ausgleich

unterschiedlicher Wanddicken in nachfolgenden Längswalzprozessen stattfinden kann. Denn wenn der axiale Abstand zwischen großer Wanddicke und kleiner Wanddicke klein ist, werden beide gleichzeitig umgeformt, die Position des Innenwerkzeuges bleibt dabei stabil zentrisch und es stellt sich eine mittlere Wanddicke ein, d.h. die

Exzentrizität wird zum Teil eliminiert

Diesen Effekt macht man sich nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zunutze, indem der Dornachse eine hohe Frequenz einer Drehbewegung in Richtung oder entgegen der Walzgut- und Dornrotation auferlegt wird. Die auferlegte Drehung verhindert zum einen eine Eigenschwingung mit der üblichen Ausprägung der

Exzentrizität und erzeugt zum anderen eine hochfrequente exzentrische Rotation und damit eine Exzentrizität, die leicht in einem nachgeschalteten Längswalzprozess egalisiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lehre kann auch in der zweiten und dritten Umformstufe eingesetzt werden, um eine außermittige Bewegung des Innenwerkzeuges zu bewirken. Diese Bewegung fördert den Werkstofffluss in Umfangsrichtung des Walzgutes und führt so zu einem Ausgleich von Wanddickenunterschieden im Querschnitt des

Walzgutes.

Ersatzblatt Erläuterung zu den Bildern:

Fig. 1: Darstellung des Lochens im Schrägwalzwerk im Längsschnitt der Walzgut- Werkzeug-Anordnung.

Fig. 2: Darstellung des Lochens im Schrägwalzwerk im Querschnitt der Walzgut- Werkzeug- Anordnung. (Auf die Darstellung der seitlichen Führungen des Walzgutes wurde verzichtet, da sie für die beschriebenen Zusammenhänge nicht relevant sind.) In Fig. 2a ist ein zentrischer Lochvorgang dargestellt und in Fig. 2b ein exzentrischer Lochvorgang.

Fig. 3: Darstellung eines Walzgutquerschnittes mit Exzentrizität der Wanddicke t Der Wert der Exzentrizität wird bestimmt mit (t _ma x - t _m m)/ t _max + t _m \ ) x 100%.

Fig. 4: Darstellung der Verteilung der Wanddicke des Walzgutes über Längenkoordinate und Umfangskoordinate des Walzgutes.

Fig. 5: Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer außermittigen Drehbewegung der Domachse bei Beibehaltung der Rotation des Domes in der Richtung und der Rotationsgeschwindigkeit des Walzgutes.

Fig. 6: Darstellung der Erzeugung einer der Drehbewegung des Lochdornes

entgegengesetzte Drehbewegung der Lochdornachse mittels eines im Innern eines Hohlrades abrollenden Zahnrades.

Bezugszeichenliste

1 Walzgut

la Walzrichtung

2 Walze

3 Lochdorn

4 Dornstange

5 Drehbewegung des Walzgutes

Ersatzblatt Drehbewegung der Walze

Drehbewegung des Lochdornes

Drehbewegung der Dornstange

Walzgutlängsa chse

Lochdornlängsachse

Drehbewegung der Lochdornachse

Linie gleicher Wanddicke

Winkel zwischen einer Linie gleicher Wanddicke und der Walzgutachse Dornschaft mit Zahnkranz

Hohlzahnrad

Gleitfläche

Dornstangenlängsachse

Ersatzblatt