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Verfahren zur Herstellung von Umkehrstücken für Rohrstränge von Wärmeaustauschern
Bei Wärme-austauschern, z. B. Heizschlangen, Überhitzern, Ekonomisern, Kühlanlagen
u. dgl., werden die in der Regel parallel zueinander laufenden Rohrstränge an den
Enden durch Umkehrstücke verbunden. Diese Umkehrstücke sind bei Überhitzern für
Anlagen großer Leistung, z. B. im Lokomotivbau, hohen Beanspruchungen ausgesetzt,
da sie nicht nur den ungleichmäßig auftretenden Wärmespanniungen und der Korrosion,
sondern vielfach auch der unmittelbaren Einwirkung der Feuerung ausgesetzt sind.
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Gemäß. einem sehr alten Vorschlag hat man das Umkehrstück aus einem
zunächst glatten Rohrstück von runder Ouerschnittsforrn dadurch hergestellt, daß
dieses Rohr nach dem Zusammendrücken in eine etwa ovale Form an dem einen Ende zu
zwei durch einen Steg verbundenen Rohrstutzen geformt wurde, während .das andere
Rohrende in einem besonders, ausgebildeten Gesenk. durch Zusammenstauchen und durch
anschließendes Verschweißen zu einer Kappe geschlossen wurde. Hierbei hat man. bei
dem Zusammenstauchen den dem Scheitelpunkt des Umkehrstückes zunächst liegenden
Teil der Wandung nach der Spitze hin allmählich zunehmend verstärkt. Diese Umformung
des Rohrabschnittes zu einem Umkehrstück muß in Schweißhitze erfolgen, wobei eine
gegen Korrosion besonders widerstandsfähige glatte Oberfläche nicht -erreichbar
ist. Ferner befindet sich die unvermeidliche Schweißnaht im Bereich der den Hauptbeanspruchungen
ausgesetzten Umkehrstelle, wodurch trotz der verstärkten Wand die Widerstandsfähigkeit
des Umkehrstückes erheblich beeinträchtigt wird.
Zur Vermeidung
dieser Nachteile hat man schon vor langer Zeit vorgeschlagen, das Umkehrstück aus
einer' Stahlronde in der Weise herzustellen, daß man. dieselbe zunächst zu einem
zylindrischen Topf verformte, welcher dann zwischen zwei Matrizenhälften durch seitliches
Zusammendrücken gegen im Bereich der zylindrischen Anschlußenden für die Rohre vorgesehene
Dorne zum fertigen Umkehrstück gepreßt und im Bereich des dabei entstehenden Steges
va rschwe;ißt wurde. Der zunächst aus der Ronde hergestellte Topf besaß bei gleichmäßiger
Wandstärke einen halbkugelförmigen Boden.. Dieser Vorschlag hat sich trotz des Vorteils
der Vermeidung einer längs gerichteten Schweißnaht im Bereich des hochbeanspruchten
Scheitels des, Umkehrstückes nicht in die Praxis einführen können:, und zwar offenbar
deswegen, weil dieses Verfahren, insbesondere bei Anwendung einer Kaltverformung;
nur für geringe Wandstärken verwirklicht werden. kann. Man hat daher in der Praxis
an der erstbeschriebenen Grundbauart festgehalten und, zur Herstellung der Umkehrstücke
lediglich zwei parallel nebeneinandlerliegende, dem Durchmesser der Ansc'hlußrohre
entsprechende Rohrstücke an, den einander zugekehrten .Seiten zunächst mit Hilfe
eines mit zwei Dornen versehenen Stempels durch Schweißen verbunden, d. h. zu einem
Hosenrohr geformt, dessen offenes Ende im Gesenk zu einer Kappe gepreßt und anschließend
an den Längsnähten verschweißt wird.
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Die vorliegende Erfindung greift nun wieder auf den vorstehend beschriebenen
älteren Vorschlag zurück, gemäß welchem ein aus einer Ronde durch Kaltverformung
gezogener zylindrischer Topf zwischen zwei Matrizerihälften durch seitliches Zusammendrücken
gegen im Bereich der zylindrischen Anschlußenden für die Rohre vorgesehene Dorne
zum fertigen Umkehrstück gepreßt wird und hat sich die Aufgabe gestellt, dieses
Verfahren in einer solchen Weise auszugestalten, daß es zur Herstellung auch hochbeanspruchter
bzw. starkwandiger Umkehrstücke, insbesondere für Überhitzer, anwendbar ist. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Ausgangswerkstücke durch :die Verwendung
nach vorn verjüngter, stirnseitig abgeflachter Dorne aus flachen Ronden in Form
eines Topfes mit,dickem, zunächst gerundetem Boden und sich von diesem zum Rande
hin verringernder Wandstärke erzeugt werden, die dort etwa 4erjenligen der Anschlußd'orne
entspricht. Anschließend wird der Topf durch .einen Stauchvorgang, vorzugsweise
nur im Umkehrbereich, im Durchmesser etwa auf die Grundform des fertigen Umkehrstückes
verjüngt, bevor nach anschließender Glättun:g der Wandungen und .gegebenenfalls
einer Kalibrierung des Zylindertopfendes die Pressung der Anschlußenden für die
Rohre erfolgt. Dabei soll je nach dem Verwendungszweck der Umkehrstücke bzw. der
erforderlichen Wandstärkz:der Ausgangsronde :die .beschriebene Verringerung d!-zr
Wandstärke, vorzugsweise in mindestens zwei hintereinandergeschalteten Ziehstufen,
erfolgen, deren Dorne im Durchmesser und der Abflachung kleiner werden. Jede Ziehstufe
kann zwei oder mehrere Ziehringe mit kleiner werdendem wirksamem Durchmesser besitzen.
Durch die von der Erfindung angegebenen Verfahrensstufen ist es möglich, auf kaltem
Wege ein Umkehrstück mit einer entsprechend großen, vom Scheitel sich zu den Anschlußenden
verringernden Wandstärke herzustellen., ohne daß bei dem zur Herstellung der Anischlußenden
für die Rohre erforderlichen Preßvorgang unzulässige Verformungen im Umkehrbereich
auftreten und ohne daß für das Gesamtverfahren ein übermäßiger, das Verfahren unwirtschaftlich
machender Kraftaufwand notwendig wäre. Ferner wird .durch dieAnwendung des Verfahrens
nach der Erfindung eine glatte Oberfläche sowohl auf der Innen- als auch auf der
Außenseitegewährleistet unddamit dieKorrosionsgefahr von vornherein verringert.
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Die von der Erfindung vorgesehene Verjüngung der Wandstärke des Topfes
vorn Scheitel bis etwa zu der Stelle, an welcher die Anschlußenden beginnen sollen,
bringt auch noch den Vorteil mit sich,- daß bei dem seitlichen Zusammendrücken der
Topfwandungen mit Sicherheit der gewünschte lichte Ouerschnitt im Bereich der Umführung
erzielt wird. Der eine geringe Wandstärke besitzende zylindrische Topfrand läßt
sich nach Einlegen entsprechender zylindrischer Dorne ohne zu großen Kraftaufwand
zu den Anschlußenden für die Rohre durch einen. Preßvorgang verformen, während der
Topf infolge der Maßnahmen nach der Erfindung im Umkehrbereich eine solche Formbeständigkeit
aufweist, daß die endgültige Form durch die den Topf außenseitig umgreifende Matrize
bestimmt wird, also lein Einlegen komplizierter Dorne od. dgl. irr dem Umkehrbereich
nicht erforderlich ist. Für diese von der Erfindung erreichte Wirkung ist gerade
bei Verwendung von Ronden großer Stärke der von der Erfindung vorgesehene Stauchvorgang
zur Verkleinerung des Durchmessers des Topfes im Umkehrbereich von wesentlicher
Bedeutung weil auf ,diese Weise bei dem zur Formung der Anschlußenden für die Rohre
dienernden Preßvorgang keine größere Formveränderung im Umkehrbereich, sondern im
wesentlichen nur eine gewisse Abflachung erforderlich ist.
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Umkehrstücke, die nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt
sind, sollen vorzugsweise für hochbeanspruchte Überhitzer, insbesondere bei Lokomotiven,
Verwendung finden. Es ist aber ohne weiteres möglich, derartige Umkehrstücke auch
für Wärmeaustauscher anderer Art (Vorwärmer Kühler usw.) zu benutzen. Dabei richtet
sich die Art der benutzten Werkzeuge und die Zahl der für die einzelnen Zieh-,und
Preßvorgänge-benutzten Stufen in erster Linie nach der Wandstärke und auch der Art
des zu verarbeitenden Werkstoffes.
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Es steht selbstverständlich nichts im Wege, die Wandungen des Umkehrstückes
auf der Innen-und/oder Außenseite mit einem Schutzüberzug zu versehen. Derartige
Schutzschichten sind vorliegend besonders wirksam; denn die durch die Anwendung
des Verfahreng nach der Erfindung erreichten
glatten Oberflächen
des Umkehrstückes sowohl innen wie außen schaffen besonders günstige Voraussetzungen
für einen gleichmäßigen Überzug. Es ist ohne weiteres möglich, elektrolytisch z.
B. einen Überzug aus Chrom mit seinen bekannten Eigenschaften (großer Widerstand
gegen Korrosion und große Härte) zu erzeugen.
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In der Zeichnung ist das Verfahren nach der Erfindung in den. Fig.
i bis 13 beispielsweise veranschaulicht, während Fig. 14, 15 und i16 ein fertiges
Umkehrstück zeigen..
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Gemäß Fig. i wird aus einem Blech größerer Stärke die Ronde i gestanzt.
Diese Ronde wird entsprechend Fig.2 in einer die beiden übereinander angeordneten
Ziehringe 2 und 3 besitzenden Vorrichtung mittels eines Ziehdornes 4 zu einem zylindrischen,
Topf 5 geformt. Der Dorn ist nach seinem vorderen Ende hin verjüngt und besitzt
eine abgeflachte Stirnfläche 6. Entsprechend der Form des Dornes erhält der Topf
5 einen abgeflachten Boden, dessen Wandstärke etwa der Stärke der Ronde i entspricht.
In dieser Ziehphase sind die Seitenwandungen des Topfes nicht oder nur wenig dünner
als der Topfboden.
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In der in Fig. 3 dargestellten Ziehphase wird der Topf 5 wiederum
durch zwei Ziehringe 7 und 8 hindurchgezogen. Der zu diesem Zweck benutzte Ziehdorn
9 ist im Durchmesser etwas kleiner als der vorher benutzte Dorn 4. Auch dieser Dorn
9 ist nach seinem vorderen Ende verjüngt und besitzt eine gegenüber dem Dorn 4.
kleiner bemessene ab-. geflachte Stirnflächee io. Die Verjüngung -des Dornes 9 in
Verbindung mit der kleineren Abflachung führt nach dem Durchgang des Topfes 5 durch
die Ziehringe 7 und 8 zu der Topfform 5a, bei welcher bei gleichzeitiger Verringerung
des Außen.durchmessers :eine allmähliche z. B. stetige Verkleinerung der Stärke
der Topfseitenwand 5b vom Baden zum Topfrand Irin herbeigeführt wird. Die Verjüngung
der Wandstärke erstreckt sich dabei bis zu der Stelle x, wo die in einem späteren
Arbeitsgang herzustellenden Anschlußenden 5c (Fig. 14, 15) beginnen sollen. Nunmehr
wird gemäß Fig.4 der Topf an seinem äußeren Rand geradlinig büschnitten und dann
gemäß Fig. 5 mittels eines Stauchwerkzeuges 11 durch axiale Verschiebung in eine
-Matrize 12 hineingedrückt und dadurch in seinem vorderen Bereich durch Stauchen
zum vorderen Ende hin im Durchmesser verringert. Hierbei kann gegzfienenfalls eine
Verstärkung der Topfwandungen im vorderen Bereich auftreten. Der in diesem Arbeitsgang
erzielte Bogen 13 entspricht etwa der Bogenform des fertigen Umkehrstückes. Nunmehr
wird gemäß Fig. 6 die gemäß Fig. 5 'hergestellte Topfform mittels des Stempels 14
und der Matrize' 15 an der Innenseite auf die endgültige Form gedrückt und geglättet.
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In den durch die Fig. 7 und 8 dargestellten Arbeitsgängen wird dann
mit Hilfe weiterer Preßwerkzeuge 16, 17 und 18, 19 (Matrizen und Dorne) der Topfboden
außenseitig auf die Endform gebracht, worauf dann durch die in Fig. 9 dargestellte
Kalibrierstufe mittels des Ziehringes 2o, die sich beim Stauchen ergebenden Unregelmäßigkeiten
bezüglich des zylindrischen Teiles 5d beseitigt «-erden. -Nunmehr erfolgt entsprechend
Fig. io das Abschneiden des Topfes auf die endgültige Länge des Umkehrstückes.
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Mit den in den Fig. i i bis 13 dargestellten Matrizen 21 und 22 wird
dann der Topf durch seitliches Zusammendrücken: in die fertige Form d°s Umkehrstückes
gepreßt. Hierdurch wird der eins gleichmäßige Wandstärke besitzende zylindrische
Teil 5d des Topfes gegen die Dorne 23 gedrückt und dadurch die Anschlußenden 5e
gebildet. Die Wandstärke dieses Teiles 5d entspricht etwa derjenigen der anzuschließenden
Rohrenden des Wärmeaustauschers. Der oberhalb des die Anschlußend-en bildenden Teile
5d befindliche, allmählich stärker werdende Wandteil 5b des. Topfes setzt dem Zusammendrücken
einen größeren Widerstand entgegen, so daß seine Überführung in die Endstellung
einen zusätzlichen Druck durch die entsprechenden Flächen 24 der Matrizen 21 und
22 erfordert. Hierdurch wird ein unerwünschtes Einschnüren des freien Durchgangsquerschnittes
im Bereich der Umführung mit Sicherheit vermieden. Zwischen den. verschiedenen Arbeitsgängen
ist es erforderlich, das Material zu glühen. Die Verformung erfolgt jedoch in kaltem
Zustand. Selbstverständlich ist bei dem Verfahren nach der Erfindung der nach dem
Pressen der Anschlußenden zwischen diesen entstehende Steg auf seiner ganzen Länge
oder einen Teil derselben zu verschweißen.
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Wie die Fig. 14 bis 16 zeigen, erhält man durch das in den Fig. i
bis 13 edargestellte Verfahren ein Umkehrstück, welches durch Kaltverformung unter
Vermeidung jeglicher Schweißnaht im Bereich der Umführung mit einer den besonderen
Beanspruchungsverhältnissen angepaßten Verstärkung des Scheitels und der an diesen
angrenzenden Seitenteile versehen ist.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist in erster Linie für Stahl bzw.
Sonderstähle bestimmt, kann indessen auch bei anderen schwer verformbaren Werkstoffen
benutzt werden.