DE69704132T2

DE69704132T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Stahlrohren

Info

Publication number: DE69704132T2
Application number: DE69704132T
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Amagasa; Yuji Hashimoto; Motoaki Itadani; Toshio Ohnishi; Koji Sugano; Yoshinori Sugie; Nobuki Tanaka; Takaaki Toyooka; Akira Yorifuji
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2001-06-21
Anticipated expiration: 2017-06-11
Also published as: CN1096328C; ES2156342T3; ATE199332T1; EP0812633A1; US5942132A; DE69704132D1; EP0812633B1; ID17262A; CN1170643A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Herstellen von Stahlrohren, womit sich Stahlrohre mit hervorragender Schweißnaht und Oberflächenbeschaffenheit bei hoher Produktivität fertigen lassen, und die an die Herstellung eines breiten Spektrums kleiner Produktlose anpassbar sind.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Geschweißte Stahlrohre werden hergestellt, indem man eine Stahlplatte oder ein Stahlband in eine Zylinderform bringt und dann zusammenschweißt. Derartige Stahlrohrerzeugnisse werden von kleinen bis großen Durchmesser mit verschiedenen Verfahren hergestellt. Es seien das elektrische Widerstandsschweißen, das Schmiedeschweißen und das elektrische Lichtbogenschweißen hier beispielhaft genannt.
Beim Fertigen von Stahlrohren mit kleinen und mittleren Durchmessern überwiegt das elektrische Widerstandsschweißen. Dieses Schweißverfahren wurde entwickelt für ein Verfahren, in dem zunächst ein Stahlband mit einer Formwalze zylindrisch zu einem offenen Rohr geformt wird. Dieses wird dann an seinen beiden gegenüberliegenden längslaufenden Endseiten mit einer Hochfrequenz-Induktionsheizung auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Stahlbands erwärmt. Die gegenüberliegenden Endseiten des offenen Rohrs werden schließlich mit einer Quetschwalze stumpf zusammengeschweißt, so dass man ein Stahlrohr bekommt.
Wird mit dem genannten Hochfrequenz-Induktionsheizverfahren ein elektrisch widerstandsgeschweißtes Rohr hergestellt, so wird das offene Rohr an den beiden gegenüberliegenden längslaufenden Endseiten auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Ausgangsstahlbands erwärmt. Wegen der elektromagnetischen Kraft beginnt der Stahl zu schmelzen und zu fließen, und es bildet sich ein Oxid, das dann in die stumpf geschweißte Naht gelangt. Dadurch entstehen leicht Schweißfehler oder Spritzer von geschmolzenem Stahl.
Diese Probleme werden in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2-299782 angegangen, die ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch widerstandsgeschweißten Rohrs vorgeschlägt. Es werden zwei unterschiedliche Heizungen eingesetzt. Eine erste Heizung dient dazu, zwei gegenüberliegende Kanten eines offenen Rohrs auf eine Temperatur über dem Curiepunkt zu erwärmen. Die zweite Heizung erwärmt die gegenüberliegenden Kanten zusätzlich auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Ausgangsstahlbands. Dann werden die Kanten des offenen Rohrs mit einer Quetschwalze stumpf geschweißt. Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2-299783 schlägt zudem vor ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch widerstandsgeschweißten Rohrs, bei dem zwei unterschiedliche Heizungen eingesetzt werden. Die gegenüberliegenden Längskanten eines offenen Rohrs werden in einer ersten Heizung mit einem Strom bei einer Frequenz von 45 bis 250 kHz vorgewärmt. In einer zweiten Heizung werden die Kanten des offenen Rohrs weiter auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Ausgangsstahlbands erwärmt und mit einer Quetschwalze stumpf geschweißt.
Die angeführten Verfahren zum Herstellen elektrisch widerstandsgeschweißter Rohre lehren das Erwärmen zweier gegenüberliegender Kantenabschnitte eines offenen Rohrs in gleichförmiger Weise. Nachteilig daran ist, dass sich während des Stumpfschweißens an der Innen- und Außenseite des Rohrs Schweißraupen aus geflossenem geschmolzenem Stahl bilden, weil die Kanten des offenen Rohrs auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Ausgangsstahlbands erwärmt werden. Nach dem Stumpfschweißen müssen die Schweißraupen entfernt werden. Das Entfernen erfolgt mit einem Schweißraupen-Schneidewerkzeug und ist arbeitsintensiv.
Die Verfahren des Stands der Technik sind jedoch mit schwerwiegenden Problemen behaftet. (1) Das Schweißraupen-Schneidewerkzeug muss auf die Menge der zu schneidenden Schweißraupen eingestellt werden; dadurch geht letztlich Zeit und Material verloren. (2) Aufgrund seiner nur einmaligen Verwendung muss das Schweißraupen-Schneidewerkzeug ausgewechselt werden. Dies bringt das kostspielige Stilllegen der zugehörigen Produktionslinie mit sich. (3) Insbesondere bei einer sehr schnellen Stahlrohrfertigung mit Geschwindigkeiten über 100 Meter/Minute verringert sich die Standzeit des Schweißraupen-Schneidewerkzeugs; es muss daher häufig ersetzt werden. Folglich stellt das Schweißraupenschneiden einen Engpass bei der Stahlrohrherstellung dar; es verhindert eine höhere Produktivität.
Bei den herkömmlichen Produktionsverfahren besteht die weitere ernst zu nehmende Schwierigkeit, dass bei zahlreichen Stahlrohrprodukten keine kleinen Lose gefertigt werden können. Bei diesen Verfahren muss man die Walzen gemäß den geforderten Abmessungen des Anwenders wählen, oder man muss eine enorme Vielzahl von Walzen mit unterschiedlichen Größen bereithalten. Hinsichtlich der genannten Schwierigkeiten wird vorgeschlagen, ein elektrisch widerstandsgeschweißtes Rohr in kaltem Zustand einem Streckreduzier-Walzvorgang zu unterziehen, siehe die Beschreibung in den ungeprüften japanischen Patentschriften Nr. 63-33105 und 2-187214. Ein derartiges Streckreduzierwalzen in kaltem Zustand bringt jedoch einen starken Anstieg der Walzlast mit sich, wodurch letztlich ein Walzgerüst verstärkt werden muss. Zugleich wird eine geschmierte Walzeinheit erforderlich, damit sich das Stahlrohr bei der Berührung mit der Walze nicht frisst. Die Kosten der Anlage und der Flächenbedarf nehmen damit in unökonomischer Weise zu.
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 60-15082 und die geprüfte japanische Patentschrift Nr. 2-24606 lehren Verfahren, bei denen ein elektrisch widerstandsgeschweißtes Rohr in warmem Zustand streckreduziergewalzt wird. Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass das Stahlrohr durch die nochmalige Erwärmung auf 800 bis 900 Grad Celsius oder mehr beim Streckreduzierwalzen ungünstig verzundert oder durch Zunder verursachte Schäden erfährt.
Von einem sehr produktiven Verfahren zum Fertigen eines schmiedegeschweißten Stahlrohrs ist bekannt, dass es sich zum Herstellen eines Stahlrohrs mit relativ geringem Durchmesser eignet. Bei diesem Verfahren wird ein kontinuierlich zugeführtes Stahlband in einem Ofen auf ungefähr 1300 Grad Celsius aufgeheizt und anschließend mit einer Formwalze zylindrisch zu einem offenen Rohr geformt. Hinterher bläst man Luft mit hohem Druck auf die gegenüberliegenden Seiten des offenen Rohrs und entfernt damit Zunder. Es folgt das Blasen von Sauerstoff auf die Kanten mit Hilfe eines Schweißhorns und anschließend das Erwärmen der solcherart behandelten Kanten mit der entstehenden Oxidationswärme auf ungefähr 1400 Grad Celsius. Nun drückt eine Quetschwalze die Kanten zusammen und verschweißt sie in fester Phase, wodurch ein Stahlrohr entsteht.
Das besprochene Verfahren weist jedoch in mehrfacher Hinsicht Nachteile auf. (1) Da beim offenen Rohr nicht sämtlicher Zunder von den Kanten entfernt werden kann, gelangt Zunder in die schmiedegeschweißte Verbindung. Die geschweißte Verbindung hat damit eine geringere Festigkeit als der anschließende Matrixabschnitt. Ringfaltversuche haben gezeigt, dass das schmiedegeschweißte Stahlrohr ein außergewöhnlich kleines Abflach-Höhen-Verhältnis aufweist, beispielsweise h/D = 0,5, wenn man zum Vergleich das Verhältnis h/D = 2t/D (t: Dicke des Stahlbands) heranzieht, das bei elektrisch widerstandsgeschweißten Rohren erzielbar ist. (2) Da das offene Rohr auf erhöhte Temperaturen erwärmt wird, verzundert die Rohroberfläche und es entsteht ein beeinträchtigtes Oberflächengefüge.
Das beschriebene Verfahren besitzt zwar mit einer Rohrwalzgeschwindigkeit von 300 Meter/Minute oder mehr eine sehr hohe Leistungsfähigkeit, es führt jedoch zu ungenügenden Schweißnaht- und Oberflächeneigenschaften. Letztlich erreicht das produzierte Stahlrohr die Festigkeits- und Oberflächenanforderungen nicht, die in STK und anderen JIS-Bestimmungen (JIS = Japanese Industrial Standard) festgelegt sind.
Die genannte japanische Offenlegungsschrift Nr. 2-299782 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des anliegenden Anspruchs 1.
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 60-015082 offenbart eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des anliegenden Anspruchs 16. Diese Einrichtung zielt auf einen verbesserten Heizwirkungsgrad beim Schweißen der Kanten eines offenen Rohrs ab, indem die Temperatur des Stahlbands unmittelbar vordem Einspeisepunkt des Schweißstroms festgelegt wird. Die festgelegte Temperatur liegt im Bereich des Curiepunkts oder darüber und ist an den Punkt, an dem das Band den Schweißbereich erreicht, kleiner gleich 900 Grad Celsius. Die Temperatur, die in einem in dieser Einrichtung verwendeten Vorwärmofen erreicht wird, ist jedoch nicht derart festgelegt.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein neues Verfahren und eine neue Einrichtung zum Herstellen von Stahlrohren bereitzustellen, mit denen man ein Stahlrohr mit herausragender Schweißnaht- und Oberflächenbeschaffenheit erzeugen kann. Das neue Verfahren soll zugleich eine leistungsfähige Fertigung bieten, die eine gute Anpassung an eine Vielzahl kleiner Produktlose erlaubt.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs bereitgestellt, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Stahlbands; b) Formen eines vorerhitzten offenen Rohrs aus dem Stahlband; c) Vorerhitzen einander gegenüberliegender Längskanten des offenen Rohrs durch Erwärmen auf eine Temperatur über etwa dem Curie-Punkt; und d) Erwärmen der einander gegenüberliegenden Längskanten des offenen Rohrs durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb etwa 1300 Grad Celsius und Druckschweißen des offenen Rohrs mit einer Presswalze, so dass ein Stahlrohr geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmschritt d) das Erwärmen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Stahlbands beinhaltet; und durch die weiteren Schritte: e) Glätten des Stahlrohrs am dickwandigen Teil auf der Außenoberfläche der Schweißnaht, die zwischen den einander gegenüberliegenden Längskanten ausgebildet wurde; und f) anschließend Schneiden oder Aufwickeln des Stahlrohrs.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Stahlrohrs bereitgestellt, beinhaltend eine Form Vorrichtung mit einem Vorerhitzer zum Vorerwärmen eines Stahlbands oder eines offenen Rohrs, das daraus gebildet wird, und eine Formwalze zum Formen des Stahlbands, so dass ein offenes Rohr geformt wird; einen Kantenheizer, beinhaltend eine Induktionsspule, die so angeordnet ist, dass das offene Rohr an den einander gegenüberliegenden Längskanten erwärmt wird; und eine Quetschwalze zum Druckschweißen des offenen Rohrs, so dass man eine Schweißnaht an den einander gegenüberliegenden Längskanten erhält und ein Stahlrohr formt; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zudem beinhaltet: einen Entwickler, vorgesehen in der Formanordnung zum Anbringen des Stahlbands; einen Kantenvorheizer, beinhaltend eine Induktionsspule, die angeordnet ist zum Vorerhitzen des offenen Rohrs an dessen gegenüberliegenden Längskanten; eine Einrichtung zum Regeln des Ausgangs der Induktionsspule des Kantenheizers, so dass die einander gegenüberliegenden Längskanten des offenen Rohrs auf eine Temperatur oberhalb etwa 1300 Grad Celsius aber unterhalb des Schmelzpunkts des Stahlbands erhitzt werden; eine Einrichtung zum Regeln des Ausgangs der Induktionsspule des Kantenvorheizers, damit die einander gegenüberliegenden Längskanten des offenen Rohrs auf eine Temperatur oberhalb etwa des Curie-Punkts erhitzt werden; eine Einrichtung zum Glätten eines dickwandigen Teils, der auf der Außenoberfläche der Schweißnaht gebildet ist; und eine Anordnung zum Schneiden oder Wickeln des Stahlrohrs.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Einrichtung, die die Erfindung umsetzt;
Fig. 2 eine Ansicht zum Erklären einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung;
Fig. 3 eine Ansicht zum Erklären noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung;
Fig. 4A bis 4C jeweils Querschnittsdarstellungen der gegenseitigen Lage der Quetschwalze während des Druckschweißens an einer festen Phase und der äußeren Oberfläche einer druckgeschweißten Naht;
Fig. 5 eine Querschnittsskizze einer Vorwärmeinheit für ein offenes Rohr, einer Erwärmungseinheit für das offene Rohr und einer Abschirmeinheit, die eine Quetschwalze abschirmt, die in der Einrichtung der Erfindung verwendet wird;
Fig. 6A und 6B Querschnittsdarstellungen einer beispielhaften Form eines Stahlrohrs nach dem Druckschweißen an seinen beiden gegenüberliegenden Längskanten;
Fig. 7A und 7B jeweils skizzenhaft eine Teil-Seitenansicht und eine Teil-Querschnittsdarstellung einer Walzeinheit zum Gebrauch in der Erfindung, die die Innen- und Außenflächen der Schweißnaht walzt;
Fig. 8 eine Querschnittsskizze eines beispielhaften Umrisses der Schweißnaht nach dem Druckschweißen in fester Phase;
Fig. 9 eine Kennlinie, die die Abhängigkeit der relativen Permeabilität von der Temperatur darstellt;
Fig. 10 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Zeit tk, während der die geschweißte Naht auf 1300 Grad Celsius oder darüber bleibt, wobei diese Zeitspanne die Nahtbeschaffenheit der geschweißten Naht beeinflusst, und der Sauerstoffkonzentration in der umgebenden Atmosphäre;
Fig. 11A eine perspektivische Darstellung einer Vorwärmeinheit zum Gebrauch in der Erfindung, die das offene Rohr an den beiden gegenüberliegenden Kanten vorwärmt, und Fig. 11B eine Querschnittsansicht der Vorwärmeinheit in Fig. 11A von vorn; und
Fig. 12 eine skizzenhafte Teilquerschnittsansicht von vorn einer Kühleinheit zum Gebrauch in der Erfindung, die die geschweißte Naht des Stahlrohrs kühlt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Erfindung wird nun anhand besonderer Ausführungsformen beschrieben, die für die Darstellung in den Abbildungen ausgewählt wurden. Natürlich ist die Erfindung nicht auf die erläuterten und beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt; vielmehr ist die Erfindung in den beigefügten Ansprüchen getrennt bestimmt.
Zum Herstellen eines geschweißten Stahlrohrs gemäß dem Verfahren der Erfindung wird ein Stahlband zunächst von einer Abwickelhaspel abgerollt und vorgewärmt.
Das so entnommene Stahlband kann mit dem Hinterende eines vorausgehenden Stahlbands sowie mit dem Vorderende eines nachfolgenden Stahlbands verbunden werden. Man gewinnt so ein langes Stahlband, das anschließend vorgewärmt wird. Der Grund für die Vorwärmung liegt darin, dass der Temperaturunterschied zwischen zwei Längskantenabschnitten eines offenen Rohrs und einem Matrixabschnitt verkleinert werden sollte, der den Kanten benachbart ist und sie fortsetzt, wenn die Kanten in einem späteren Schritt aufgeheizt werden. Damit kann man leicht einen geeigneten Bereich an Temperaturen und Temperaturverteilungen in einem Temperaturintervall aufrechterhalten, in dem dann eine Festkörper-Druckschweißung erfolgt. Als Vorwärmeinrichtung für die praktische Umsetzung der Erfindung eignet sich ein entsprechendes Erwärmungsverfahren mit einem Heizofen oder ein Erwärmungsverfahren mit einer Induktionsspule oder ein Widerstandserwärmungsverfahren mittels eines Stromflusses.
Das Stahlband sollte auf eine Temperatur zwischen ungefähr 200 und 750 Grad Celsius vorgewärmt werden. Temperaturen über 750 Grad Celsius können vermehrt Zunder auf den Oberflächen des Stahlbands erzeugen und damit die Beschaffenheit sowohl der Schweißnaht als auch der Oberfläche des fertigen Rohrs beeinträchtigen. Bei Temperaturen unter 200 Grad Celsius fließt während des Erwärmens der Kanten sehr viel Wärme von den Kanten des offenen Rohrs zur benachbarten Matrix. Damit ist es schwierig, geeignete Temperaturen und Temperaturverteilungen in einem Festkörper-Druckschweiß-Temperaturintervall aufrecht zu erhalten. Daher liegen die Vorwärmtemperaturen am besten in Bereich von ungefähr 400 bis 650 Grad Celsius.
Das solcherart vorgewärmte Stahlband wird mit einer Anzahl Formwalzen fortlaufend zu einem offenen Rohr geformt. Hierzu kann man ein Umformverfahren einsetzen, bei dem einige herkömmliche Walzen angeordnet werden. Zusätzlich zum Vorwärmen des Stahlbands kann man das fertige offene Rohr als Ganzes vorwärmen. Das Vorwärmen des offenen Rohrs kann mit dem gleichen Verfahren und der gleichen Temperatur erfolgen, die zum Vorwärmen des Stahlbands verwendet werden.
Anschließend wärmt man die beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs vor. Dabei bevorzugt man ein Induktionsheizsystem, das mit einer Induktionsheizspule ausgestattet ist.
Durch diese Vorwärmung hält man die beiden Kanten des offenen Rohrs auf einer Temperatur, die etwas höher als der Curiepunkt und bevorzugt unter etwa 1300 Grad Celsius liegt.
Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der relativen Permeabilität eines Stahlmaterials, siehe Fig. 10, verwandelt sich das Stahlmaterial beim Erwärmen auf eine Temperatur über dem Curiepunkt aus einem stark magnetischen Material in ein normales magnetisches Material. Damit nähert sich die Permeabilität (ausgedrückt als Vakuumverhältnis) dem Zahlenwert 1. Andererseits gilt für die Eindringtiefe eines Induktionsstroms Gleichung (2):
S = α(ρ/urf)1/2 (2)
worin ist: S die Eindringtiefe (Meter), ρ der spezifische Widerstand, (Ohm · Meter), u, die relative Permeabilität, f die Frequenz (Kilohertz) und α eine Konstante.
Damit nimmt beim Erwärmen der beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs ungefähr auf den Curiepunkt oder darüber die Eindringtiefe S zu, und die Temperaturverteilung in jeder druckzuschweißenden Kantenseite wird vermutlich gleichförmiger. Aus diesem Grund erlaubt man, dass die beiden Kanten des offenen Rohrs auf eine Temperatur in einem Bereich erwärmt werden, der etwas über dem Curiepunkt liegt. Um die Heizenergie günstig einzusetzen, wünscht man Temperaturen über dem Curiepunkt, jedoch unter ungefähr 1300 Grad Celsius. Es sind auch mehr als 1300 Grad Celsius verwendbar; ein plötzlicher Temperaturanstieg in diesem Schritt bewirkt jedoch, dass die beiden Kanten des offenen Rohrs nur an ihren Stirnseiten Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Stahlbands annehmen und damit die Ausbildung von Raupen während des Schweißens begünstigen. In einigen Fällen verhindert dies eine Rohrfertigung mit hoher Geschwindigkeit. Man bevorzugt daher, das Vorwärmen der beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs bei ungefähr 1300 Grad Celsius oder weniger auszuführen.
Das Vorwärmen der beiden Kanten des offenen Rohrs kann an der Umgebungsluft oder unter einer Atmosphäre erfolgen, die weniger Sauerstoff enthält als die Umgebungsluft (Schutzatmosphäre). Unter dem Gesichtspunkt der Schweißnahtgüte bevorzugt man eine Schutzatmosphäre. Zum Bereitstellen der Schutzatmosphäre bevorzugt man, dass eine Abschirmeinheit 22 so angeordnet wird, dass sie eine Vorwärmeinheit 5 vollständig einschließt, die die beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs vorwärmt, siehe Fig. 5. Es ist ebenfalls erwünscht, das Vorwärmen in einer Atmosphäre auszuführen, deren Taupunkt auf etwa -10 Grad Celsius oder weniger eingestellt ist.
Nach der beschriebenen Vorerwärmung werden die beiden Kanten des offenen Rohrs weiter auf eine Temperatur in einem Festkörper-Druckschweiß-Temperaturbereich erwärmt, die bei ungefähr 1300 Grad Celsius liegt, jedoch den Schmelzpunkt des Stahlbands nicht erreicht.
Hinsichtlich des Energieaufwands kann ein Induktionsheizsystem, das mit einer Induktionsheizspule ausgestattet ist, bevorzugt zum Erwärmen der beiden Kanten des offenen Rohrs verwendet werden.
Die beim Erwärmen der beiden Kantenflächen des offenen Rohrs erzeugte Temperatur kann man durch das Einstellen der Leistungsabgabe der Induktionsspule steuern.
Ein Erwärmen auf 1300 Grad Celsius oder weniger kann dazu führen, dass die Kantenflächen des offenen Rohrs nicht ausreichend verschweißt werden und dass dadurch die Schweißnaht schlechter wird. Übersteigt dagegen die Temperatur an den Kantenflächen den Schmelzpunkt des Stahlbands, so bildet der geschmolzene Stahl beim Stumpfschweißen an den gegenüberliegenden Kanten an der Innen- und Außenseite des offenen Rohrs Raupen. Das damit erforderliche Abtrennen der Raupen ist unerwünscht. Daher wählt man einen Festkörper-Druckschweiß-Temperaturbereich, in dem die Temperaturen auf mehr als 1300 Grad Celsius eingestellt Werden, jedoch noch unter dem Schmelzpunkt des Stahlbands liegen. Mehr bevorzugt liegen die Temperaturen zwischen ungefähr 1350 Grad Celsius und dem Schmelzpunkt des Stahlbands.
Zum Erwärmen der beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs können sich auch Systeme eignen, in denen ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein Plasmastrahl eingesetzt wird.
Der hier verwendete Begriff "Festkörper-Druckschweißen" bezeichnet einen Druckschweißvorgang, bei dem im Wesentlichen verhindert wird, dass sich Raupen aufwölben. Damit ist ein Abtragen der Raupen nicht oder nur in geringem Umfang nötig. Um aufgewölbte Raupen zu vermeiden, sollten die beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs bevorzugt in fester Phase vorliegen. Eine festflüssige Phase kann ebenfalls gut verwendbar sein, solange ihre Temperatur den Schmelzpunkt des Stahlbands nicht übersteigt, d. h. die flüssige Phase nur in begrenztem Umfang vorliegt.
Damit man eine gleichförmige Temperaturverteilung in den beiden Kanten des offenen Rohrs erreicht, bevorzugt man, dass die Kantendurchbiegung am Stahlband exakt eingestellt ist, dass der Anschlussbereich der Kantenfläche glatt ist und dass der Winkel zwischen der Kantenfläche und der Bandoberfläche in einem vorgegebenen Bereich bestimmt ist. Geeignete bevorzugte Winkel liegen im Bereich von ungefähr 60 bis 120 Grad. Ein genaues Einstellen des Durchhangs kann vor dem Abrollen von einer Abwickelhaspel erfolgen, vor dem Bilden eines offenen Rohrs und nach dem Abrollen von der Haspel oder nach dem Bilden des offenen Rohrs. Die Kantenbearbeitung erfolgt bevorzugt mit Hilfe einer Stahlband-Staucheinheit, die so entworfen ist, dass sie das Schneiden mit einem Kantenschneider, das Schleifen mit einer Schleifmaschine oder das Walzen mit einer Kantenwalze ermöglicht.
Nach dem Erwärmen der beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs auf eine Temperatur in einem Festkörper-Druckschweiß-Temperaturbereich wie erklärt werden die zwei Kanten des offenen Rohrs gegeneinander gedrückt und in fester Phase druckgeschweißt. Zum Druckschweißen kann man eine Quetschwalze 8 einsetzen, die so angeordnet ist, dass sie an der druckgeschweißten Naht 12 gegen die Außenseite des offenen Rohrs 11 drückt, siehe Fig. 4A, oder eine Quetschwalze 8, die so angeordnet ist, dass sie am druckgeschweißten Abschnitt 12 nicht gegen die Außenseite des offenen Rohrs 11 drückt, siehe Fig. 4B, oder man kann das Rohr 11 so anordnen, dass seine Außenseite gegen die Quetschwalze 8 und an der druckgeschweißten Naht 12 an eine andere Walze oder eine ähnliche Vorrichtung stößt. Irgendeines dieser bevorzugten Verfahren ist geeignet einsetzbar.
Das Erwärmen und Festkörper-Druckschweißen kann, wie oben im Zusammenhang mit dem Kantenvorwärmen angegeben, entweder an der Umgebungsluft erfolgen oder unter einer Atmosphäre, die weniger Sauerstoff enthält als die Umgebungsluft (Schutzatmosphäre). Unter dem Gesichtspunkt der Schweißnahtgüte kann die Schutzatmosphäre bevorzugt sein. Zum Bereitstellen der Schutzatmosphäre bevorzugt man eine Abschirmeinheit 22, die so angeordnet ist, dass sie eine Kantenheizeinheit 6 und eine Quetschwalze 8 vollständig abschirmt, siehe Fig. 5. Unter dem Gesichtspunkt der Schweißnahtgüte sollte das Kantenerwärmen und die Festkörper-Druckschweißung bevorzugt unter einer Atmosphäre erfolgen, in der der Taupunkt auf -10 Grad Celsius oder weniger eingestellt ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Schweißnahtgüte eines Stahlrohrs von der Länge eines Zeitintervalls tk abhängt, in dem die Schweißnaht nach dem Druckschweißen auf ungefähr 1300 Grad Celsius oder mehr gehalten wird. Fig. 10 zeigt den Zusammenhang zwischen der Verweildauer tk (Sekunden), die die Schweißnahtgüte beeinflusst (Abflach-Höhen-Verhältnis h/D), und der Sauerstoffkonzentration (Volumenprozent) als Kurve. Wie aus der Kurve hervorgeht, hat sich herausgestellt, dass die Schweißnahtgüte höher ist, wenn sich die Verweildauer tk bei ungefähr 1300 Grad Celsius oder mehr verlängert. Eine weitere Erkenntnis ist, dass man die Verweildauer tu verkürzen kann und eine Schweißnaht mit gleicher Güte erhält, wenn man die Sauerstoffkonzentration senkt.
Erfolgt das Kantenvorwärmen, das Kantenerwärmen und das Festkörper-Druckschweißen an der Umgebungsluft, so sollte die Verweildauer bevorzugt länger als 0,03 Sekunden sein. Erfolgt dagegen das Kantenvorwärmen, das Kantenerwärmen und das Festkörper-Druckschweißen unter einer Atmosphäre, die weniger Sauerstoff enthält als die Umgebungsluft (Schutzatmosphäre), so sollte die Verweildauer tk bevorzugt der folgenden Gleichung (1) genügen:
tk > a · exp {-b · [O&sub2;]c} (1)
worin sind: O&sub2; die Sauerstoffkonzentration (Volumenprozent) in der Umgebungsatmosphäre und a, b und c Konstanten Für einen kohlenstoffarmen Stahl gilt, a = 0,079, b = 1,5 und c = -0,14, mehr bevorzugt a = 0,23, b = 1,4 und c = -0,17.
Die Verweildauer tk kann man dadurch regulieren, dass man die Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht nach dem Druckschweißen einstellt. Die hierfür erforderlichen Einstellungen nimmt man bevorzugt nicht nur an der Erwärmungstemperatur und der Erwärmungsbreite der beiden gegenüberliegenden Kanten eines offenen Rohrs über den Curiepunkt während des Kantenvorwärmens vor, sondern auch bei der Erwärmungstemperatur der zwei Kantenflächen des offenen Rohrs, so dass die Temperaturverteilung während des Festkörper-Druckschweißens über den ganzen Umfang des offenen Rohrs von den Kantenflächen bis zum Mittenabschnitt des offenen Rohrs kontrollierbar ist.
An der durch Festkörper-Druckschweißen erzeugten Druckschweißnaht 12 bilden sich an der Innen- und Außenseite der Naht 12 verdickte Wandabschnitte 13, 14, siehe Fig. 6A und 6B. Die Abschnitte 13, 14 entstehen durch Übertemperaturen an den beiden Kanten oder durch die Stärke des Druckschweißens mit einer Quetschwalze. Folglich sollte man die Naht in der Nähe der dickwandigen Abschnitte walzen, um die Nahtdicke während des Druckschweißens oder in einem geeigneten Schritt nach dem Druckschweißen zu verringern. Insbesondere sollte der verdickte Abschnitt 13 an der Außenfläche des offenen Rohrs entfernt werden. Das Entfernen kann dadurch erfolgen, dass man das Rohr nach dem Druckschweißen außen walzt, beispielsweise mit einer Schweißnaht-Walzeinheit 15, die mit einer Schweißnaht-Glättungswalze 16 ausgerüstet ist, siehe Fig. 7A. Den verdickten Abschnitt 14 an der Rohrinnenseite kann man bei Bedarf entfernen. Dies kann durch inneres Walzen des Rohrs mit einer Schweißnaht-Walzeinheit 17 erfolgen, die mit einer Schweißnaht-Glättungswalze 18 und einer Glättungswalzen-Trägerstange 19 ausgerüstet ist, siehe Fig. 7B. Die Glättungsvorrichtungen 15,17 zum Beseitigen der verdickten Wandabschnitte 13, 14 sind nicht auf das Glätten mit einer Walze eingeschränkt und umfassen verschiedene Kunststoff-Formungseinrichtungen, z. B. das Glätten mit einer Werkzeugmaschine, etwa einem Schuh, und Schmieden mit einer geeigneten Werkzeugmaschine.
An der durch Festkörper-Druckschweißen erzeugten druckgeschweißten Naht 12 tritt manchmal ein kleiner vertiefungsförmiger Abschnitt an der Außenseite der Naht 12 des Rohrs 11 auf, siehe Fig. 8. Dieser üblicherweise mit Schweißlinie (Bezugszeichen 20) bezeichnete Abschnitt ist ungefähr 0,2 Millimeter tief und hängt ab vom Ausmaß der Kantendurchbiegung des Stahlbands, der Genauigkeit der Kanteneinstellung, dem Druckschweißverfahren oder vom Umfang der Dickenzunahme durch das Druckschweißen, und zwar unabhängig davon, ob die Schweißnaht mit Hilfe der Nahtglättungsvorrichtungen 15, 17 geglättet wird oder nicht. Die Schweißlinie 20 beeinträchtigt das Aussehen des Rohrs und die Schweißnahtgüte des fertigen Stahlrohrs. Aus diesem Grund sollte man die Schweißlinie 20 bevorzugt entfernen und anschließend den betreffenden Abschnitt glätten. Das Entfernen kann mit einer Schweißlinien- Entfernungseinheit erfolgen, die mit einem Schneidwerkzeug, einer Schleifeinrichtung oder einer ähnlichen Vorrichtung ausgerüstet ist. Man kann die Schweißlinie vor oder nach dem Glätten des dickwandigen Abschnitts auf der Außenseite des Rohrs entfernen.
Das auf diese Weise erhaltene Stahlrohrerzeugnis wird mit einem Schneidewerkzeug auf Länge geschnitten und anschließend mit einer Rohrkorrektureinheit korrigiert und nach der Korrektur aufgewickelt.
Erfindungsgemäß kann man das Stahlrohr mit Hilfe von später beschriebenen Verfahrensschritten auf einen gewünschten Durchmesser streckreduzierwalzen.
Um exakte Abmessungen des Stahlrohrerzeugnisses nach dem Streckreduzierwalzen sicherzustellen, unterzieht man das Stahlrohr nach dem Festkörper-Druckschweißen und vor dem Streckreduzierwalzen einer Temperaturausgleichsbehandlung durch Kühlen, Erwärmen usw., damit die Temperaturdifferenz des Rohrs über dem Umfang weniger als ungefähr 200 Grad Celsius beträgt.
Von dem durch Festkörper-Druckschweißen erhaltenen Stahlrohr entfernt man zuerst den dickwandigen Abschnitt an der Schweißnaht-Außenseite. Wenn nötig, entfernt man zusätzlich den dickwandigen Abschnitt an der Schweißnaht-Innenseite, und die Schweißlinie. Die Schweißnaht wird nun stark gekühlt. Dies geschieht, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung entlang des Stahlrohrumfangs herzustellen, damit unregelmäßige Abschnitte während des Streckreduzierwalzens in einem nachfolgenden Schritt vermieden werden. Die Schweißnaht des Stahlrohrs wird mit einem Nebel 35 gekühlt, den eine Düse 34 einer Kühleinheit 33 ausstößt, siehe Fig. 12.
Anschließend erwärmt man das Stahlrohr mit einer Stahlrohr-Heizeinheit auf eine Temperatur, die dazu ausreicht, das Streckreduzierwalzen zu ermöglichen. Das Rohr kann dann eine gleichförmige Temperatur beibehalten. Anschließend erfolgt bevorzugt, wenn gewünscht, das Entzundern.
Nach dem Erwärmen des Stahlrohrs auf eine vorbestimmte Temperatur wird es mit einer Streckreduzier-Walzeinheit, die mit einer Anzahl Streckreduzier-Walzgerüsten versehen ist, auf einen gegebenen Außendurchmesser streckreduziergewalzt. Dadurch erhält man ein Stahlrohrerzeugnis. Das Streckreduzierwalzen kann ungefähr zwischen 125 und 725 Grad Celsius erfolgen. Temperaturen unter 125 Grad Celsius können zu einer verminderten Verformbarkeit des Materials führen, das streckreduziergewalzt werden soll, wodurch eine erhöhte Last beim Streckreduzierwalzen entsteht. Das erzeugte Stahlrohr weist dann Fressspuren auf seiner Oberfläche auf, die durch die Berührung mit der Walze entstehen. Andererseits können Temperaturen über ungefähr 725 Grad Celsius zu erhöhter Oberflächenrauheit durch eingedrungenen Zunder führen. Dies kann während des Walzens leicht geschehen und führt zu einer verdorbenen Oberflächenbeschaffenheit. Aus diesen Gründen sollten die Walztemperatur ungefähr im Bereich von 125 bis 725 Grad Celsius liegen.
Die Walztemperatur im angegebenen Bereich kann man abhängig von den Umgebungsbedingungen wählen. Im Einzelnen bevorzugt man Walztemperaturen ungefähr zwischen 125 und 375 Grad Celsius für eine verringerte Walzlast und verbesserte Fressbeständigkeit bei der Berührung mit einer Walze. Walztemperaturen ungefähr zwischen 375 und 725 Grad Celsius kann man wählen, wenn mechanische Eigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit vor einer Verschlechterung durch das Streckreduzierwalzen geschützt werden sollen.
Das auf diese Weise erhaltene Stahlrohrerzeugnis wird mit einem Schneidewerkzeug auf Länge geschnitten, anschließend mit einer Rohrkorrektureinheit korrigiert und nach der Korrektur aufgewickelt.
Eine Einrichtung für den Einsatz beim Umsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens in die Praxis wird nun anhand der Zeichnungen und insbesondere anhand von Fig. 1 bis 3 beschrieben.
In Fig. 1, einer Seitenansicht, ist ein Stahlband mit 1 bezeichnet, eine Abwickeleinrichtung mit 23, eine Verbindungseinheit mit 24, ein Schlingenheber mit 25, eine Stahlband-Vorheizeinheit mit 2 und eine Stahlband-Kantenbearbeitungseinheit mit 26.
Der Abwickler 23 dient zum Abwickeln und Zuführen des aufgewickelten Stahlbands 1. Er enthält einen Dorn, eine Führung und weitere Bestandteile.
Die Verbindungseinheit 24 dient dazu, einer Produktionslinie kontinuierlich das Stahlband 1 zuzuführen. Sie verschweißt während des Abwickelns das hintere Ende eines vorhergehenden Stahlbands, das bereits herausgelaufen ist, mit dem Vorderende eines nachfolgenden Stahlbands. Eine geeignete Form für diese Einheit ist eine Abbrennschweißmaschine, die eine Elektrode, eine Klemmvorrichtung und weitere Teile enthält.
Der Schlingenheber 25 speichert das Stahlband 1 in einer Länge, die für eine kontinuierliche Ausgabe ohne Stilllegung erforderlich ist, während das Stahlband 1 mit Hilfe der Verbindungseinheit 24 verbunden wird.
Die Stahlband-Vorheizeinheit 2 wärmt das Stahlband 1 auf eine Temperatur in einem Warmumform- Temperaturbereich unter ungefähr 750 Grad Celsius auf. Gut geeignet bei Stahlbändern sind beispielsweise ein kontinuierlich arbeitender Gasverbrennungsofen oder ein Induktionsheizer. Der kontinuierlich arbeitende Gasverbrennungsofen umfasst einen Ofenkörper, einen Brenner, eine Herdwalze und weitere Bestandteile. Der Induktionsheizer enthält eine Heizwicklung, eine Spule und weitere Bestandteile. Für den Fall, dass sich die Dicke und die Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlbands in einem breiten Bereich verändern, verwendet man bevorzugt den Ofen und den Heizer gemeinsam, damit man die Temperatur des Stahlbands 1 mit höherer Genauigkeit regeln kann.
Die Stahlband-Kantenbearbeitungseinheit 26 verarbeitet einen Kantenabschnitt des Stahlbands 1 durch Walzen, Schneiden oder andere Verfahren und stellt damit die Form jeder der beiden Endflächen des Stahlbands in Breitenrichtung ein. Hierzu verwenden kann man beispielsweise ein Stauchgerüst, das aus einer senkrechten Glättwalze, einem Trägergerüst für die Glättwalze und weiteren Teilen aufgebaut ist.
In Fig. 1 ist, in Seitenansicht, eine Formungseinheit mit 3 bezeichnet, eine Vorheizeinheit für das offene Rohr mit 4, eine Kantenvorwärmeinheit (Kantenheizer) mit 5, eine Kantenheizeinheit mit 6, ein Quetschgerüst mit 9, eine Nahtglättungseinheit mit 15, eine Schweißlinien-Entfernungseinheit mit 21 und eine Nahtführungseinheit mit 7.
Die Formungseinheit 3 dient dazu, dem Stahlband 1 kontinuierlich eine zylindrische Form zu geben und die Endflächen des Stahlbands in Breitenrichtung einander gegenüberliegend anzuordnen. Dadurch entsteht ein offenes Rohr 10. Diese Einheit ist mit einer Anzahl Umformungsgerüsten und Umformwalzen und mit anderen Teilen ausgerüstet. Gut einsetzbar sind Vorwalzen oder Käfigformungswalzen.
Die Vorwärmeinheit 4 für das offene Rohr, beispielsweise ein Induktionsheizer, wärmt das offene Rohr 10 vor, das durch die Umformung des Stahlbands in der Formungseinheit 3 entsteht. In diesem Fall kann man das Stahlband 1 anstelle der Stahlband-Vorheizeinheit 2 auch mit der Vorwärmeinheit 4 für das offene Rohr vorwärmen, oder man wärmt das Stahlband mit den beiden Vorheizeinheiten 2 und 4 auf.
Die Kantenvorwärmeinheit 5 erwärmt das offene Rohr 10 mittels Induktionsheizung an seinen Kanten. Diese Einheit enthält eine elektrische Anschlussschaltung, eine Anpassschaltung, eine Heizwicklung, eine Spule und weitere Teile. Damit man die Temperatur für verschiedene Dicken des Stahlbands und unterschiedliche Herstellungsgeschwindigkeiten von Stahlrohren leicht regeln kann, sollten die Wicklung und die Spule bevorzugt in mehreren Stufen ausgeführt sein, die auf die Produktionslinie gerichtet sind. Eine beispielhafte Anordnung dieser Form zeigen Fig. 11A und 11B. Fig. 11A zeigt eine perspektivische Ansicht der Kantenvorheizeinheit 2. Fig. 11B zeigt eine Querschnittsdarstellung der Einheit 2 in Fig. 11 A.
Die Kantenvorheizeinheit 2 ist in ihren gegabelten unteren Abschnitten mit Magnetpolen 30 versehen, auf die jeweils eine Induktionsspule 28 gewickelt ist. Das offene Rohr 10 läuft zwischen den Magnetpolen 30 durch, wobei ein längs gerichteter Schlitz 27 im offenen Rohr den Magnetpolen 30 gegenüber liegt.
Die Nahtführungseinheit 7, siehe nochmals Fig. 1, hält die Höhe der beiden Kanten des offenen Rohrs 10 und die Breite des Schlitzes zwischen den Kanten konstant, damit sie stabil vorerwärmt und erwärmt werden können. Diese Einheit enthält neben anderen Bestandteilen eine Walze, die so angeordnet ist, dass sie das offene Rohr 10 stützt, und ein Gerüst, das die Walze trägt.
Die Kantenheizeinheit 6 erwärmt das offene Rohr 10 an seinen beiden Kanten auf eine Temperatur in einem Festkörper-Druckschweiß-Temperaturbereich über ungefähr 1300 Grad Celsius, jedoch unter dem Schmelzpunkt des Stahlbands. Diese Einheit ist mit einer Anschlussschaltung, einer Anpassschaltung, einem Stromtransformator, einer Heizspule und weiteren Teilen ausgerüstet.
Die beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs 10, die zuerst mit der Vorwärmeinheit 5 vorerwärmt und anschließend mit Kantenheizeinheit 6 aufgeheizt werden, hält man bevorzugt unter einer Schutzatmosphäre (nicht oxidierende Atmosphäre) in einer Abschirmeinheit 22, siehe Fig. 5. Die Abschirmeinheit 22 enthält ein Abdichtgehäuse, das die beiden Kanten des offenen Rohrs abdeckt, eine Leitung, die ein Inertgas in das Abdichtgehäuse bläst und weitere Bauteile.
Das Quetschgerüst 9 umfasst eine Quetschwalze 8 und ein Gehäuse, das die Walze 8 trägt. Es drückt die beiden Kanten des offenen Rohrs 10 gegeneinander, damit sie durch Druck verschweißt werden. Die Kanten sind dabei auf eine Temperatur in einem Festkörper-Druckschweiß-Temperaturbereich erwärmt worden.
Die Nahtglättungseinheit 15 glättet durch Walzen einen dickwandigen Abschnitt, der sich während des Walzens nahe an der druckgeschweißten Naht bilden kann (siehe Fig. 7A und 7B). Die Einheit umfasst einen Walzenhalter, eine Glättungswalze, eine Stützwalze und andere Teile.
Die Schweißlinien-Entfernungseinheit 21 entfernt durch Glätten oder Schneiden jegliche während des Walzens gebildete Schweißlinie 20 (siehe Fig. 8). Diese Einheit ist mit einer Schleifscheibe oder einem Schneidwerkzeug ausgestattet. Da die Last in diesem Fall wesentlich geringer ist als beim Raupenentfernen an einem elektrisch verschweißtem Rohr, kann man problemlos höhere Fertigungsgeschwindigkeiten für die Stahlrohre erzielen.
In Fig. 1 ist, wieder in Seitenansicht dargestellt, eine Nahtkühlungseinheit mit 33 bezeichnet, eine Stahlrohr-Erwärmungseinheit mit 38, eine Zunderentfernungseinheit mit 39, eine Streckreduzier- Walzeinheit mit 40 und eine Schneidevorrichtung mit 41.
Die Nahtkühlungseinheit 33 kühlt die stärker erhitzten Abschnitte nahe an der Schweißverbindung und stellt damit eine nahezu gleichförmige Temperaturverteilung des druckgeschweißten Stahlrohrs 11 über seinen Umfang her. Damit werden regelwidrige Abschnitte beim Streckreduzierwalzen in einem späteren Schritt vermieden. Eine beispielhafte Form zeigt Fig. 12, die die Nahtkühlungseinheit 33 von vorn im Querschnitt darstellt. Zwischen einer Düse 34 und der Verbindungsstelle 12 ist ein Schlitz 36 bestimmt. Die Düse 34 bläst einen Gas-Flüssigkeits-Nebel 35 durch den Schlitz 36. Dabei können die Schlitzbreite und die Schlitzströmung eingestellt werden. Damit wird das Stahlrohr 11 nur in einem Abschnitt sehr nahe an der Naht gekühlt.
Die Stahlrohr-Erwärmungseinheit 38 erwärmt das Stahlrohr 11 auf eine Temperatur, die zum Streckreduzierwalzen ausreicht, und bringt das Stahlrohr auf eine gleichförmige Temperatur. Gut geeignet sind beispielsweise ein kontinuierlich arbeitender Verbrennungsofen und/oder ein Induktionsheizer. Der kontinuierlich arbeitende Verbrennungsofen umfasst einen Ofenkörper, einen Brenner, eine Herdwalze und weitere Bestandteile. Der Induktionsheizer enthält eine Heizspule und weitere Bestandteile. Für den Fall, dass sich die Dicke und die Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlbands in einem breiten Bereich verändern, verwendet man bevorzugt den Ofen und den Heizer gemeinsam, damit man die Temperatur des Stahlbands 11 mit höherer Genauigkeit regeln kann.
Die Zunderentfernungseinheit 39 wird bevorzugt in dieser Verarbeitungsstufe angeordnet, siehe Fig. 1, um vor dem Streckreduzierwalzen Zunder zu entfernen, der sich auf der Außenseite des Stahlrohrs 11 gebildet hat, wodurch man eine gute Oberflächenbeschaffenheit erzielen kann. Man kann beispielsweise einen Wasserstrahl-Hochdruckentzunderer einsetzen, der mit einer Hochdruck-Wasserleitung, einem Kopf, einer Düse und weiteren Einzelteilen ausgestattet ist.
Die Streckreduzier-Walzeinheit 40 übt mit Hilfe eines mehrstufigen Gerüsts in einem geeigneten Temperaturbereich auf die Außenseite eines Stahlrohrs 11 fortlaufend Druck aus (Streckreduzierwalzen). Hierdurch entsteht ein Stahlrohrerzeugnis 43 mit einem gewünschten Außendurchmesser. Die Einheit enthält eine Anzahl im Tandem angeordnete Gerüste (Streckreduzier-Walzmaschinen). Jedes dieser Gerüste besitzt ein Gehäuse und zahlreiche Walzen (gelochte Glättwalzen), die am Rand des Gerüsts angeordnet sind. Man bevorzugt einen Dreiwalzen-Streckreduzierer oder einen Zweiwalzen-Klemmer.
Die Schneideinheit 41 schneidet das Stahlrohrerzeugnis 43 auf Länge, während es sich bewegt. Man kann z. B. eine sich drehende Warmsäge verwenden, die mit kreisförmigen Sägeblättern bestückt ist.
Anstatt das Stahlrohrerzeugnis 43 mit der Schneideinheit 41 zu schneiden kann man es auch spulenförmig auf eine Trommel aufwickeln.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.
In diesem Fall wird - im Gegensatz zum Vorwärmen eines Stahlbands 1 mit einer Stahlband- Vorheizeinheit 2 - ein offenes Rohr 10 mit einer Vorwärmeinheit 4 für ein offenes Rohr vorgewärmt.
Weitere Erklärungen sind nicht erforderlich, da sich die weiteren Einzelheiten in Fig. 2 nicht von der Beschreibung der ersten Ausführungsform in Fig. 1 unterscheiden.
Fig. 3 stellt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung dar.
In diesem Fall wird ein Stahlband 1 mit einer Stahlband-Vorheizeinheit 2 vorgewärmt. Ein offenes Rohr 10, das man mit Hilfe einer Formungseinheit 3 aus dem vorgeheizten Stahlband 1 erzeugt, wird ebenfalls mit einer Vorwärmeinheit 4 für ein offenes Rohr vorgewärmt.
Das offene Rohr 10 wird an seinen beiden gegenüberliegenden Kanten mit einem Quetschwalzengerüst 9 druckgeschweißt, und man erhält ein Stahlrohr 11. Nach dem Glätten der Naht mit der Nahtglättungsvorrichtung 15, die dickwandige Abschnitte entfernt, wird das Stahlrohr 11 mit Hilfe einer Schneideeinheit 41 auf Länge geschnitten. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 weist diese Ausführungsform keinen Streckreduzierschritt auf.
Die folgenden Beispiele dienen dazu, die Erfindung weitergehend zu erläutern.
Mit Hilfe der in Fig. 1, 2, 3, 5, und 7 gezeigten Einrichtung wurden Stahlrohrerzeugnisse unter den im Weiteren angegebenen Bedingungen gefertigt.
Ein Stahlband mit 3,5 Millimeter Dicke wurde mit Hilfe einer Stahlband-Vorheizeinheit 2 kontinuierlich auf eine Temperatur ungefähr zwischen 400 und 650 Grad Celsius vorgewärmt. Es folgte ein kontinuierliches Formen des vorgewärmten Stahlbands mit Hilfe einer Formungseinheit 3. Dadurch entstand ein offenes Rohr 10. Die beiden gegenüberliegenden Längskanten des offenen Rohrs wurden mit einer Kantenvorwärmeinheit 5 vorgeheizt und anschließend mit der Kantenheizeinheit 6 weiter erwärmt. Das Vorwärmen und weitere Erwärmen der Kanten erfolgte unter einem Satz Bedingungen, die in Tabelle 1-1 dargestellt sind. Die beiden gegenüberliegenden Kanten des offenen Rohrs wurden mit einer Quetschwalze 8, die so angeordnet war, dass sie gegen die Kanten des offenen Rohrs drückte, Festkörperdruckgeschweißt. Nachfolgend wurde die druckgeschweißte Naht mit Hilfe von Nahtglättungsvorrichtungen 15, 17 an der Innen- und Außenseite des offenen Rohrs geglättet. Man erhielt ein Stahlrohr 11 mit den Abmessungen 137,0 Millimeter (Außendurchmesser) · 3,5 Millimeter (Dicke).
Das entstandene Stahlrohr wurde mit einer Stahlrohr-Erwärmungseinheit 38 auf eine gleichmäßige Temperatur gebracht, siehe Tabelle 1-2. Es folgte das Streckreduzieren des Stahlrohrs mit Hilfe einer Streckreduzier-Walzeinheit 40. Dadurch entstand ein Stahlrohrerzeugnis 43 mit den Abmessungen 60,5 Millimeter (Außendurchmesser) · 3,5 Millimeter (Dicke). Die Walzlast beim Streckreduzierwalzen wurde als Verhältnis relativ zur Walzlast ausgedrückt, die beim Streckreduzierwalzen mit normaler Temperatur aufgetreten wäre. Das Verhältnis ist in Tabelle 1-2 angegeben. Das Stahlrohrerzeugnis 43 wurde auf Schweißnahtgüte, Oberflächenrauheit (Rmax) und Fressspuren untersucht. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1-2 eingetragen. Die Schweißnahtgüte wurde anhand des Abflach-Höhen- Verhältnisses des Stahlrohrerzeugnisses 43 beurteilt (h/D. h. Zusammendrückhöhe (Millimeter), D: Außendurchmesser (Millimeter)). Bei einigen wenigen Stahlrohrerzeugnissen (Test Nr. 11 und Test Nr. 12) erfolgte das Kantenvorwärmen, das Kantenerwärmen und das Festkörper-Druckschweißen mit Hilfe einer Abschirmeinheit 22 nach Fig. 5 unter einer Schutzatmosphäre. Beim Stahlrohrerzeugnis im Test Nr. 17 erfolgte das Kantenvorwärmen, das Kantenerwärmen und das Festkörper-Druckschweißen in der Abschirmeinheit 22 in einer Atmosphäre mit einem Taupunkt von -20 Grad Celsius.
Anschließend wurde ein Stahlband 1 zu einem Stahlrohr geformt, wobei seine beiden Endseiten geschmolzen und dann elektrisch druckgeschweißt wurden. Das entstandene Stahlrohr wurde bei normaler Temperatur reduziert; man erhielt ein Stahlrohrerzeugnis 43 mit 60,5 Millimeter Außendurchmesser. Dieses Erzeugnis wurde als herkömmliches Beispiel verwendet (Test Nr. 13). Zusätzlich wurde ein Stahlband 1 auf 1300 Grad Celsius erwärmt und an seinen beiden gegenüberliegenden Enden schmiedegeschweißt. Es folgte ein Reduzieren des erhaltenen Stahlrohrs, wodurch ein Stahlrohrerzeugnis 43 mit 60,5 Millimeter Außendurchmesser entstand. Dieses Erzeugnis wurde als herkömmliches Beispiel verwendet (Test Nr. 14). Die herkömmlichen Beispiele wurden in gleicher Weise bewertet wie die Beispiele der Erfindung und die Vergleichsbeispiele.
Die Tests Nr. 1, Nr. 2, Nr. 11 und Nr. 12, die im Bereich der Erfindung lagen, hatten ein Abflach-Höhen-Verhältnis kleiner als 0,3 und eine Oberflächenrauheit Rmax kleiner als 10 Mikrometer; zudem konnten keine Fressspuren gefunden werden. Trotz seines Abflach-Höhen-Verhältnisses kleiner als 0,3 und seiner Oberflächenrauheit Rmax kleiner als 10 Mikrometer zeigte das elektrisch geschweißte Stahlrohr bzw. das herkömmliche Erzeugnis aus Test Nr. 13 zahlreiche Fressspuren, die von der großen Walzlast verursacht wurden. Das schmiedegeschweißte Stahlrohr bzw. herkömmliche Produkt aus dem Test Nr. 14 wies ein Abflach-Höhen-Verhältnis von 0,4 bis 0,6 auf und eine Oberflächenrauheit Rmax von 30 bis 40 Mikrometer, die schlechter war als die Oberflächenrauheit der Erfindung. Die Tests Nr. 3, Nr. 4 und Nr. 5 mit einer kurzen Verweildauer tk bei 1300 Grad Celsius oder mehr führten zu größeren Abflach-Höhen-Verhältnissen. Hohe Stahlband-Vorwärmtemperaturen oder Streckreduzier-Walztemperaturen führten zu stark erhöhter Oberflächenrauheit Rmax, siehe Test Nr. 6 und Nr. 10. Geschmolzene Kantenflächen erzeugten Raupen, die durch Schneiden entfernt werden mussten. Dadurch verringerte sich die Rohrfertigungsgeschwindigkeit auf 100 Meter/Minute, siehe Test Nr. 7. Beim Test Nr. 8 erfolgte eine Kantenvorwärmung auf über 1300 Grad Celsius. Man erhielt eine ausgezeichnete Schweißnaht- und Oberflächenbeschaffenheit ohne verringerte Rohrfertigungsgeschwindigkeit. Im Test Nr. 9 wurde eine geringere Walztemperatur verwendet; dies führte zu einer erhöhten Walzlast und damit zu mehr Fressspuren.
Mit der Erfindung erreicht man eine Produktivität von 60 Tonnen pro Stunde oder mehr, was beträchtlich über den 15 Tonnen pro Stunde liegt, die man mit einem herkömmlich elektrisch geschweißten Stahlrohr mit Raupenabtrennung erzielt.
In Test Nr. 15 und Nr. 16 wurden die beiden gegenüberliegenden Kanten eines offenen Rohrs vor dem Formen so bearbeitet, dass sie einen rechten Winkel aufwiesen. Die fertiggestellten Stahlrohre hatten ein kleineres Abflach-Höhen-Verhältnis als in den Tests Nr. 1 und Nr. 2, bei denen keine Kantenbearbeitung erfolgte.
In Test Nr. 17 erfolgte das Kantenvorwärmen, das Kantenheizen und das Festkörper- Druckschweißen unter einer Atmosphäre, deren Taupunkt auf -20 Grad Celsius eingestellt war. Man erhielt dadurch ein geringeres Abflach-Höhen-Verhältnis als in Test Nr. 12, der ohne Kantenbearbeitung durchgeführt wurde.
Erfindungsgemäß kann man zwei gegenüberliegende Längskanten eines offenen Rohrs stabil in einem Temperaturbereich halten, der ein Festkörper-Druckschweißen ermöglicht. Man erhält bei höherer Produktivität ein Stahlrohr mit verbesserter Schweißnahtgüte und Oberflächenbeschaffenheit. Vorteilhafterweise lässt sich ein breites Spektrum kleiner Produktlose fertigen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich insbesondere ein Stahlrohrerzeugnis fertigen, das eine hohe Beständigkeit gegen Schweißnahtkorrosion und Schweißnahtbruch aufweist. Tabelle 1-1
*1: Geschmolzen
*2: Eingestellt bezüglich des Taupunkts Tabelle 1-2
*3: Walztemperatur am Einlass
*4: h: Abflachhöhe
D: Außendurchmesser des Rohrs
*5: Der Wert 100 gilt für das Walzen bei Normaltemperatur
*6: Bezogen auf 10 Meter Rohrerzeugnis

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Stahlrohrs (43), umfassend die Schritte a) Bereitstellen eines Stahlbands (1); b) Formen eines vorerhitzten offenen Rohrs (11) aus dem Stahlband; c) Vorerhitzen einander gegenüberliegender Längskanten des offenen Rohrs durch Erwärmen auf eine Temperatur über etwa dem Curie-Punkt; und d) Erwärmen der einander gegenüberliegender Längskanten des offenen Rohrs durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb etwa 1300 Grad Celsius und Druckschweißen des offenen Rohrs mit einer Presswalze (8), so dass ein Stahlrohr geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmschritt (d) das Erwärmen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkt des Stahlbands beinhaltet; und durch die weiteren Schritte: e) Glätten des Stahlrohrs am dickwandigen Teil auf der Außenoberfläche der Schweißnaht (12), die zwischen den einander gegenüberliegenden Längskanten ausgebildet wurde; und f) anschließend Schneiden oder Aufwickeln des Stahlrohrs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Formschritt das Vorerhitzen des Stahlbands (1) und anschließend das Formen des Stahlbands in ein vorerhitztes offenes Rohr (11) mit einer Formrolle beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Formschritt beinhaltet das Formen des Stahlbands (1) in ein offenes Rohr (11) mit einer Formwalze (3) und anschließend das Vorerhitzen des offenen Rohrs in seiner Gesamtheit.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Formschritt beinhaltet das Vorerwärmen des Stahlbands (1), das Formen des Stahlbands in ein offenes Rohr (11) mit einer Formwalze (3) und anschließend das Vorerhitzen des offenen Rohrs in seiner Gesamtheit.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Stahlband (1) oder das offene Rohr (11) auf eine Temperatur von 200 bis 750 Grad Celsius vorerhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei gegenüberliegende Längskanten vorerwärmt werden auf eine Temperatur oberhalb etwa des Curie-Punkts aber unterhalb 1300 Grad Celsius.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das offene Rohr (11) vorerwärmt wird und die einander gegenüberliegenden Längskanten erwärmt werden mit Hilfe einer Induktionsheizung bei einer Frequenz von 0,5 bis 100 kHz.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die einander gegenüberliegenden Längskanten unter einer Atmosphäre mit vermindertem Sauerstoffgehalt vorerwärmt werden.

9. Verfahren nach Anpruch 1, wobei das offene Rohr (11) unter einer Atmosphäre mit vermindertem Sauerstoffgehalt erwärmt und druckgeschweißt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das offene Rohr (11) unter einer Atmosphäre mit einem Taupunkt unterhalb -10 Grad Celsius vorerwärmt, erhitzt und druckgeschweißt wird.

11. Verfahren nach Anpruch 1, wobei die Zeitdauer tk, mit der die Schweißnaht (12) bei einer Temperatur oberhalb 1300 Grad Celsius gehalten wird, so bestimmt wird, dass sie länger als 0,03 Sekunden ist nach folgender Gleichung: tk ≥ a · x exp [-b·(0&sub2;)c], worin ist: O&sub2; die Sauerstoffkonzentration in Volumenprozent, a gleich 0,079, b gleich 1, 5 und c gleich -0,14.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Stahlband (1) an den einander gegenüberliegenden Kantenseiten geglättet und behandelt wird unter einem vorgegebenen Winkel vor und nach dem Formen mit der Formwalze (3).

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während oder nach dem Druckschweißen die Schweißnaht (12) auf der Innenoberfläche geglättet wird, so dass der dickwandige Teil (13, 14), der darauf ausgebildet ist, entfernt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die einander gegenüberliegenden Längskanten mit einem Laserstrahl, einem Elektronenstrahl oder einem Plasmastrahl erhitzt werden.

15. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, zudem beinhaltend die Schritte, vordem Schneiden oder dem Kühlschritt (f), i) Kühlen des Stahlrohrs an der Schweißnaht; ii) Behandeln des Stahlrohrs bei im Wesentlichen gleichförmiger Temperatur; und iii) Streck-Reduktionswalzen des Stahlrohrs bei einer Temperatur von etwa 125 bis 725 Grad Celsius.

16. Vorrichtung zur Herstellung eines Stahlrohrs (43), beinhaltend eine Formvorrichtung mit einem Vorerhitzer (2, 4) zum Vorerwärmen eines Stahlbands (1) oder eines offenen Rohrs (11), das daraus gebildet wird, und eine Formwalze (3) zum Formen des Stahlbands, so dass ein offenes Rohr geformt wird; einen Kantenheizer (6), beinhaltend eine Induktionsspule (28), die so angeordnet ist, dass das offene Rohr an den einander gegenüberliegenden Längskanten erwärmt wird; und eine Quetschwalze (8) zum Druckschweißen des offenen Rohrs, so dass man eine Schweißnaht an den einander gegenüberliegenden Längskanten erhält und ein Stahlrohr formt; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zudem beinhaltet: einen Entwickler, vorgesehen in der Formanordnung zum Anbringen des Stahlbands (1); einen Kantenvorheizer (5), beinhaltend eine Induktionsspule (28), die angeordnet ist zum Vorerhitzen des offenen Rohrs an dessen gegenüberliegenden Längskanten; eine Einrichtung zum Regeln des Ausgangs der Induktionsspule (28) des Kantenheizers (6), so dass die einander gegenüberliegenden Längskanten des offenen Rohrs auf eine Temperatur oberhalb etwa 1300 Grad Celsius aber unterhalb des Schmelzpunkts des Stahlbands erhitzt werden; eine Einrichtung zum Regeln des Ausgangs der Induktionsspule (28) des Kantenvorheizers (5), damit die einander gegenüberliegenden Längskanten des offenen Rohrs auf eine Temperatur oberhalb etwa des Curie-Punkts erhitzt werden; eine Einrichtung (15, 17) zum Glätten eines dickwandigen Teils (13, 14), der auf der Außenoberfläche der Schweißnaht (12) gebildet ist; und eine Anordnung (41) zum Schneiden oder Wickeln des Stahlrohrs.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei eine Kantenbehandlungseinheit angeordnet ist an einer Eingangs- oder Ausgangsseite der Formanordnung (3) zum Behandeln des Stahlbands (1) an dessen gegenüberliegenden Kanten.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Kantenvorheizer (5), die Kantenheizung (6) oder die Quetschwalze (8) mit einer Schutzeinheit (22) vorgesehen sind, so dass dessen Atmosphäre eingestellt werden kann.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, zudem beinhaltend eine Nahtglätteinheit (15, 17), beinhaltend eine Walze, die angeordnet ist zum Glätten eines dickwandigen Abschnitts (13, 14), der auf der Innenoberfläche der Schweißnaht (12) ausgebildet ist.

20. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 16 bis 19, zudem beinhaltend eine Kühleinheit (33), angeordnet zum erzwungenen Kühlen des Stahlrohrs an der Schweißnaht; eine Heizung (38), angeordnet zum Erhitzen des Stahlrohrs auf eine gleichförmige Temperatur; und eine Streck- Reduktionseinheit (40), beinhaltend eine Anzahl von Walzwerken, eingerichtet zum Ziehwalzen des Stahlrohrs im erhitzten Zustand.