DE19520833A1 - Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen warmgefertigten Rohres - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen warmgefertigten RohresInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmgefertigten Rohres aus
hochgekohltem insbesondere übereutektoidem Stahl gemäß dem Gattungsbegriff des
Hauptanspruches.
Der Werkstoff mit der DIN-Bezeichnung 100Cr6 und entsprechende Stähle anderer
Normen und Regelwerke, aus denen im europäischen Raum überwiegend Wälzlager
hergestellt werden, zählt wegen des hohen Kohlenstoffgehaltes zu den
übereutektoiden Stählen. Zur Herstellung eines warmgefertigten Rohres als
Ausgangsmaterial für die Fertigung einzelner Wälzlagerringe, werden folgende
Verfahren angewendet.
Ausgehend vom Roheisen über das LD-Stahlwerk und einem Pfannenofen sowie einer
Pfannenentgasung oder alternativ ausgehend vom E-Stahlwerk, einem Pfannenofen
und einer Pfannenentgasung und in besonderen Fällen über ein Umschmelzstahlwerk
wird ein Block gegossen, der auf einer Vorblockwalzstraße zu einem Röhrenrund
gewalzt wird. Dieses Röhrenrund wird vorzugsweise mittels des Assel-Verfahrens zu
einem warmgefertigten Rohr umgeformt (siehe hierzu Stahlrohr-Handbuch 10. Auflage,
Vulkan-Verlag, Essen, 1986, Seiten 141-143). Die Assel-Straße weist üblicherweise
einen Drehherdofen als Erwärmungsanlage auf, dem ein als Schrägwalzwerk
ausgebildeter Lochapparat zur Erzeugung eines Hohlkörpers folgt. Dieser Hohlkörper
wird einem Assel-Walzwerk bestehend aus drei am Umfang gleichmäßig verteilt
angeordneten Schrägwalzen zugeführt, die mit einer Schulterkalibrierung versehen
sind. Nach dem Herausziehen der als Innenwerkzeug dienenden Stange wird das
Zwischenrohr nacherwärmt und über ein mehrgerüstiges Reduzierwalzwerk und über
ein nachgeschaltetes Maßwalzwerk das warmgefertigte Rohr erzeugt. Nachteilig bei
diesem Verfahren ist, daß das eingesetzte Röhrenrund abmessungsnah dem
warmgefertigten Rohr sein muß und zur Abdeckung des Lieferprogrammes eine
Vielzahl von gewalztem bzw. geschmiedetem Röhrenrundmaterial erforderlich ist.
Die Assel-Straße ist zwar die bevorzugte Anlage zur Herstellung von Wälzlagerrohren,
aber auch andere Rohrerzeugungsanlagen, wie Stoßbankanlagen oder
Rohrkontistraßen, werden benutzt immer unter Verwendung von vorverformten und
diffusionsgeglühtem Einsatzmaterial.
Bekannt ist auch, statt eines Gußblockes (Ingot) einen Stranggußblock (Bloom) -
überwiegend im Rechteckformat - zu erzeugen - und diesen über einen Walz- oder
Schmiedeprozeß zu einem Röhrenrund umzuformen. Alternativ wird statt eines
Rechteckformates ein Rundstrangguß hergestellt, wobei auch dieser Stranggußblock
nach dem Abtrennen gewalzt oder geschmiedet wird (siehe La Revue de Metallurgie CIT
April 1989, Seiten 344-350). Nach dem Stand der Technik wird der Umformgrad
derart gewählt, daß ein Verschmiedungs- oder Walzgrad von λ = 5 erzielt wird. Dem
erwähnten Walz- oder Schmiedeprozeß ist immer eine Diffusionsglühung
vorgeschaltet, um die vom Gießverfahren herrührenden Seigerungen und groben
Karbid-Ausscheidungen weitgehend abzubauen bzw. zu verringern. Alle erwähnten
Herstellverfahren für das Vormaterial sind kostenaufwendig, da große kapitalintensive
Anlagen für die Umformung benötigt werden und das Material mehrfach bewegt wird.
Da die Stäbe durch die Streckungen immer wieder aufgeteilt werden müssen, fällt
auch eine entsprechende Menge an Schopfmaterial an. Jeder zusätzliche Arbeits- und
Transportschritt bedeutet eine Gefahr der Erzeugung weiterer oder sich verstärkender
Fehler, deren Beseitigung die Kosten erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines warmgefertigten
Rohres aus hochgekohltem insbesondere übereutektoidem Stahl anzugeben, das im
Vergleich zu den bekannten Verfahren kostengünstiger ist und mit dem eine höhere
Materialausnutzung sowie eine kürzere Materialdurchlaufzeit erreichbar sind.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches
angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von
Unteransprüchen.
Kernpunkt der Erfindung ist der Einsatz unverformten Stranggusses aus Stahl
insbesondere aus der Werkstoff-Gruppe der Wälzlagerstähle beliebigen Querschnitts
auf einer Rohrerzeugungsanlage unter Wegfall des bisher üblichen vorgeschalteten
Walz- oder Schmiedeprozesses sowie unter Verzicht auf die nach dem Stand der
Technik erforderliche Diffusionsglühung Der Wegfall dieser Arbeitsschritte erspart
erhebliche Kosten und Zeit. Außerdem wird das Material besser genutzt, da es nicht
so oft geteilt und geschopft werden muß. Bei einem solchen Einsatz von unverformtem
und nicht diffusionsgeglühtem Strangguß ist darauf zu achten, daß beim Lochprozeß
als Teil des Gesamtprozesses der Rohrerzeugungsanlage in der umzuformenden
Einsatzlänge ein Spannungszustand aufgebaut wird, der unter Minimierung von
Scherspannungen einen möglichst hohen negativen Spannungsmittelwert οm
aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar für alle Arten der
Stranggußerzeugung wie Senkrechtstrangguß oder Bogenstrangguß und unabhängig
vom Querschnitt, d. h. ob vierkant, achtkant, polygonal oder rund. Der erzeugte
Stranggußblock wird nach dem Aufteilen in Einsatzlängen ohne Vorverformung, d. h.
im Gußzustand, auf Umformtemperatur erwärmt und dann der Rohrerzeugungsanlage
zugeführt. Als besonders vorteilhaft hat sich das Stoßbank- und das
Ziehpreßverfahren erwiesen. Bei allen genannten Verfahren wird die erwärmte
Einsatzlänge für den Lochprozeß in eine runde Matrize eingelegt und beim
Lochvorgang im umzuformenden Werkstück, wie schon zuvor erwähnt, ein negativer
Spannungsmittelwert οm aufgebaut. Dadurch wird ein Aufreißen des Materials
verhindert. Aber auch andere Lochaggregate mit nicht geschlossenem Arbeitsraum,
beispielsweise ein Kegelschrägwalzwerk, vorgeschaltet bei Rohrkonti- oder
Stopfenwalzverfahren, können dafür verwendet werden. Es muß aber durch die Wahl
der Walzengeometrie, der Anstellung sowie der Art der Führungen dafür gesorgt
werden, daß auch hier ein Spannungszustand οm entsteht, bei dem der Anteil an
Zugspannungen minimiert wird und damit die Gefahr eines Aufreißens des
Werkstückes beim Lochprozeß nicht mehr gegeben ist.
Der Einsatz von Direktstrangguß bedingt gegenüber dem konventionell eingesetzten
vorverformten und diffusionsgeglühtem Material einen Strangguß, der eine möglichst
homogene und feindisperse Verteilung der Primärkarbide und einen hohen
Reinheitsgrad aufweist sowie möglichst feinkörnig ist, Charakteristiken, die durch den
nachfolgend erläuterten Erschmelzungs- und Gießprozeß gewährleistet werden. Der
hohe Reinheitsgrad ist erforderlich, da die bei der Stahlherstellung unvermeidlich
entstehenden nichtmetallischen Einschlüsse in ihrer ursprünglichen Teilchengröße und
Zahl pro Masseneinheit bis zum Einsatz als Röhrenvormaterial erhalten bleiben und
nicht durch Verformung gestreckt und verändert werden. Dieser Zusammenhang gilt in
gleicher Weise auch für die mittlere Korngröße. Die Reduzierung der groben Karbid-
Ausscheidungen steht in Verbindung mit dem Wegfall der bisher üblichen
Diffusionsglühung, die bei dem herkömmlichen Verfahren für einen
Konzentrationsausgleich des Kohlenstoffs und für eine Homogenisierung des Gefüges
sorgt.
Zur Erzeugung eines so gekennzeichneten Stranggußmaterials als Einsatzmaterial für
eine Rohrerzeugungsanlage sind erfindungsgemäß als Maßnahmen vorgesehen eine
geänderte Metallurgie sowie Sondermaßnahmen beim Gießen des Stranggusses.
Hierzu zählt auch eine angepaßte Gießgeschwindigkeit im Bereich vorzugsweise von
1,8-1,2 m/min. für den Abmessungsbereich 170-240 mm . Diese
Gießgeschwindigkeiten in Verbindung mit sorgfältiger Pfannenmetallurgie und
günstiger Ausbildung des Verteilers im Hinblick auf Luftabschluß, feuerfeste
Auskleidung und Stahlströmung sowie einem besonderen Tauchausguß und eine im
Hinblick auf Vergießbarkeit und Reinheitsgrad angepaßte Stahlzusammensetzung,
insbesondere der Elemente Al, S und O₂ gewährleisten den gewünschten
Reinheitsgrad. Die oben angegebenen Gießgeschwindigkeitsbereiche erleichtern ein
Aufsteigen der Blasen und Einschlüsse im Sinne eines hohen Reinheitsgrades, sind
aber so gewählt, daß die gewünschte Feinkörnigkeit nicht beeinträchtigt wird. Die
schnelle Erstarrung bei den relativ kleinen Querschnitten führt schon im Gußzustand
zu einem Gefüge mit hoher Feinkörnigkeit und unterbindet gleichzeitig die
Ausscheidung grober Karbide. Im Hinblick auf die Vergleichmäßigung der Abkühlung
über den Querschnitt gesehen und im Hinblick auf die Verteilung der Steigerungen ist
dem Rundformat der Vorzug zu geben. Grundsätzlich ist es aber ebenso möglich, ein
vergleichbares Vier- Achteck oder Polygon zu gießen. Der besondere Tauchausguß ist
dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser 25 mm bei einer entsprechenden
Bauhöhe ist. Das wirkt sich günstig auf den ferrostatischen Druck und auf das
Strömungsverhalten beim Gießen aus.
Für den besonderen Fall des übereutektoiden Stahls der Werkstoff-Gruppe der
Wälzlagerstähle wird von den Wälzlagerherstellern ein Mindestgehalt an Schwefel
vorgeschrieben, um das warmfertige Rohr bzw. die abgetrennten Ringe ohne
Schwierigkeiten einwandfrei zerspanend bearbeiten zu können. Im Sinne eines guten
Reinheitsgrades sollte auf der einen Seite so wenig wie möglich Schwefel im Stahl
sein, aber für die Zerspanung der Stahl einen Mindestgehalt an Schwefel aufweisen.
Als zweckmäßig hat sich in diesem Sinne ein Bereich von 0,008-0,015 Massenanteil
in Prozent Schwefel herausgestellt. Ist im Unterschied dazu die Weiterverarbeitung
weitgehend spanlos, dann wird ein Schwefelgehalt von max. 0,005 Massenanteil in
Prozent als vorteilhaft angesehen. Für beide Arten der Weiterverarbeitung, d. h.
spanend oder spanlos ist ein Chrom-Kohlenstoffverhältnis im Bereich zwischen 1,35
bis 1,52 vorzugsweise von 1,45 von Vorteil. Über dieses Verhältnis kann die nicht
gewünschte Karbidzeiligkeit positiv beeinflußt werden.
Weiterhin wird im Sinne eines niedrigen Sauerstoffgehaltes und einer Feinkörnigkeit
des Materials häufig ein Mindestgehalt an Aluminium gefordert. Da eine allgemein
übliche Kalziumbehandlung im Sinne der Bildung flüssiger Kalziumaluminate zur
Verbesserung des Reinheitsgrades für den Wälzlagerstahl nicht gestattet ist, muß der
Aluminiumgehalt so gewählt werden, daß die Menge des sich bildenden Al₂O₃ im
abgegossenen Strangguß gering ist. Aus diesem Grunde wird beim
erfindungsgemäßen Verfahren auf eine Zugabe von Aluminium verzichtet ohne daß
der Sauerstoffgehalt unerwünschte Werte annimmt. Der Verzicht auf eine Zugabe von
Al bedeutet nicht, daß in der Schmelze kein Al in Spuren vorhanden ist, sei es über
geringe Al-Gehalte der Legierungsbestandteile oder aber über die Ausmauerung.
Anhand eines willkürlich gewählten Beispieles wird das erfindungsgemäße Verfahren
- Einsatz von unverformten und nicht diffusionsgeglühtem Strangguß aus
vorzugsweise übereutektoiden Stahl für die Herstellung nahtloser Wälzlagerrohre auf
einer Rohrerzeugungsanlage mit einer Lochpresse, in der durch die Wahl der
Umformbedingungen ein Druckspannungszustand beim Lochen entsteht - näher
erläutert. Hergestellt werden soll beispielsweise ein warmgefertigtes Rohr der
Abmessung 60,30 mit 8,0 mm Wand aus Wälzlagerstahl 100Cr6. Ausgehend von
einem im Hochofen erzeugten Roheisen wird in einem ersten Schritt dieses
entschwefelt, und zwar auf einen Bereich kleiner 0,010 Massenanteil in Prozent. Über
einen LD-Konverter mit einem Fassungsvermögen bis zu 250 t wird das Roheisen zu
Stahl verblasen. Beim schlackenfreien Abstich in die Gießpfanne erfolgt das Legieren
sowie eine kombinierte Desoxidation ausschließlich mit Kohlenstoff, Silizium und
Mangan. Die sonst häufig übliche Zugabe von Aluminium im Sinne einer
Vorberuhigung wird hier aus den zuvor erläuterten Gründen nicht angewendet. In der
Gießpfanne wird der Stahl weiterbehandelt, d. h. es erfolgt das Feinlegieren im Sinne
einer genauen Erfüllung der vorgegebenen Analysengrenzen, eine Entgasung
einschließlich einer Kohlenstoff-Desoxidation im Vakuum und zusätzlich ein
Reinheitsgradspülen mit einem Inertgas. Im Unterschied zum Stand der Technik wird
bei diesem Verfahren auf den Einsatz eines Pfannenofens verzichtet. Die Einstellung
des Temperaturhaushaltes im Sinne der Einhaltung der vorgegebenen Gießtemperatur
wird durch ein hohes Chargengewicht mit entsprechendem Wärmeinhalt gewährleistet.
Auf einer mehradrigen Bogenstranggußanlage erfolgt dann der Abguß im Rundformat
auf einen Durchmesser von 220 mm. Die Gießgeschwindigkeit beträgt ca. 1,4 m/min.
Der Verteiler ist mit Zwischenwänden zur besseren Strömungslenkung versehen und
der Tauchausguß hat vorzugsweise einen Durchmesser 25 mm mit einem längeren
Eingußtrichter, der immer gefüllt bleibt. Der gesamte Gießraum ist mit Argon
abgedichtet und beim Abgießen wird die Schmelze nicht mit Argon gespült, so daß
kein Permstopfen erforderlich ist. Zur Beherrschung des Fließverhaltens von
übereutektoiden Stählen werden spezielle Anfahrköpfe zum Gießen verwendet. Nach
dem Abtrennen in lange Stäbe werden diese gekennzeichnet und visuell auf Fehler
kontrolliert und dann zur Stoßbankanlage transportiert. Auf einer Kaltsäge werden die
langen Stangen in vorgegebene Einsatzlängen unterteilt und in einem Drehherdofen
auf 1140-1180°C erwärmt. In der Lochpresse findet die erste Umformung des
erwärmten Stranggußblockes zu einem Hohlkörper mit der Abmessung 223,0 × 51,0
mm statt. Dies entspricht einer Streckung von 1,39. Im Elongator wird der Hohlkörper
weiter gestreckt auf eine Abmessung 192,0 × 40,0 mm. Dies entspricht einer
Streckung von 1,43. Danach wird der einen Boden aufweisende gestreckte Hohlkörper
in die Stoßbank eingelegt. Mittels einer eingeschobenen Stange wird der Hohlkörper
durch mehrere Gerüste gestoßen und dabei auf eine Abmessung von 127,5 × 8,25 mm
gelängt. Die Streckung beträgt dabei 6,18. Die Stange wird herausgezogen und der
Bodenbereich abgetrennt. Bis zu diesem Arbeitsschritt erfolgt die zuvor beschriebene
Umformung in einer Wärme. Um die abschließende Umformung im
Streckreduzierwalzwerk durchführen zu können, muß das abgekühlte Zwischenrohr
auf Umformtemperatur wieder erwärmt werden. Im Streckreduzierwalzwerk wird ohne
ein Innenwerkzeug das endgültige Fertigmaß von 60,30 × 8,0 mm Wand mit einer
Streckung von 2,35 erzeugt. Die Abkühlung an Luft erfolgt auf einem üblichen
Kühlbett. Das so erzeugte warmgefertigte Rohr ist dann nach einer Weichglühung das
Einsatzmaterial für die nachgeschalteten Kaltumformungen wie Kaltpilgern oder
Kaltziehen. Von diesen kaltgefertigten Rohren werden in Drehautomaten Ringe
abgestochen und die endgültige Kontur des Wälzlagers angearbeitet.
Der wesentliche Vorteil des zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin
zu sehen, daß der für Röhrenvormaterial (Halbzeug) aus hochgekohlten insbesondere
übereutektoiden Stählen bisher erforderliche vorgeschaltete Walz- oder
Schmiedeprozeß und die Diffusionsglühung entfallen können und der Stranggußblock
durch die Al-freie Metallurgie sowie durch die beschriebenen Gießbedingungen eine
Gefügeausbildung derart aufweist, daß er direkt auf einer Rohrerzeugungsanlage, die
vorzugsweise eine Lochpresse in ihrem Anlagenkonzept hat, eingesetzt werden kann.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung eines nahtlos warmgefertigten Rohres aus
hochgekohltem insbesondere übereutektoidem Stahl, bei dem ein
vorbehandelter und entgaster sowie desoxidierter flüssiger Stahl im Strangguß
in der erforderlichen chemischen Zusammensetzung mit beliebigem Querschnitt
vergossen und nach Abtrennung vom Strang der Stranggußstab auf
Einsatzlänge aufgeteilt einer Umformung unterworfen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Stranggußmaterial hohen Reinheitsgrades, mit feinen Karbid
ausscheidungen und hoher Feinkörnigkeit erzeugt wird und daß die
Einsatzlänge ohne jegliche Vorverformung, d. h. im Gußzustand und ohne
Wärmebehandlung (Diffusionsglühung) auf Umformtemperatur erwärmt und
einer Rohrerzeugungsanlage, die vorzugsweise eine Lochpresse in ihrem
Anlagenkonzept aufweist, zugeführt wird, wobei beim Lochprozeß als Teil des
Gesamtprozesses der Rohrerzeugungsanlage in der umzuformenden
Einsatzlänge ein Spannungszustand aufgebaut wird, der unter Minimierung von
Scherspannungen einen möglichst hohen negativen Spannungsmittelwert m
aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Lochprozeß ein die Einsatzlänge aufnehmendes Werkzeug
verwendet wird, das eine geschlossene Mantelfläche aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einsatzlänge wahlweise einen viereckigen oder sonstigen polygonalen
vorzugsweise einen runden Querschnitt aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Lochprozeß ein Aggregat mit nicht geschlossenem Arbeitsraum,
insbesondere Kegelschrägwalzwerk, verwendet wird, wobei die Einsatzlänge
vorzugsweise einen runden Querschnitt hat.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stahl im Rundstrangguß mit einem Format im Bereich von 170 mm bis
450 mm und einer Gießgeschwindigkeit im Bereich von 1,8-0,6 m/min,
vorzugsweise im Bereich von 1,8-1,2 m/min für den Abmessungsbereich
170-240 mm vergossen wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß für übereutektoiden Stahl der Werkstoff-Gruppe der Wälzlagerstähle der
flüssige Stahl zunächst ausschließlich über Kohlenstoff, Silizium und Mangan
ohne Zugabe von Aluminium teildesoxidiert und anschließend im Vakuum über
Kohlenstoff volldesoxidiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei zerspanender Weiterverarbeitung des warmgefertigten Rohres der
Schwefelgehalt im Bereich 0,008 bis 0,015 Massenanteile in Prozent liegt und
bei weitgehend spanloser Weiterverarbeitung der Schwefelgehalt maximal
0,005 Massenanteil in Prozent beträgt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß für das Chrom-Kohlenstoffverhältnis ein Bereich zwischen 1,35 und 1,52
gewählt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Cr/C-Verhältnis vorzugsweise 1,45 beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Abguß in die Stranggußanlage ein Tauchausguß mit einem
Durchmesser 25 mm bei einer entsprechenden Bauhöhe sowie ein Verteiler
mit Zwischenwänden eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrerzeugungsanlage eine Stoßbank mit einer Presse als
Lochaggregat ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stahlherstellungsprozeß folgende Schritte aufweist:
- - Roheisenerzeugung
- - Roheisenentschwefelung
- - Blasprozeß (LD-Konverter)
- - Pfannenabstich (Legieren, kombinierte Desoxidation mit C, Si und Mn ohne Zugabe von Aluminium)
- - Pfannenbehandlung ohne Lichtbogenheizung (Entgasung und Kohlenstoff-Desoxidation unter Vakuum, Feinlegierung, Spülen)
- - Abgießen im Rundformat auf einer Bogenstranggießanlage unter Verzicht auf eine Argonspülung während des Gießens.
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