Aufgrund der begrenzten Knüppelbeschaffenheit und der Streckkapazität der Lochmaschine entsprechen die Abmessungen und die Genauigkeit des Rohrohrs nach dem Lochen nicht den Anforderungen des Anwenders. Das Rohrohr muss daher weiterbearbeitet werden. Für die Warmumformung und das Streckstrecken nahtloser Stahlrohre existieren zahlreiche Verfahren. Neben den drei oben genannten Maschinentypen werden derzeit häufig die folgenden Methoden angewendet.
5.4.1 Automatische Rohrwalzmaschine
Die automatische Rohrwalzmaschine wurde 1903 von dem Schweizer Stephan erfunden, die ersten Anlagen wurden 1906 in Betrieb genommen. Bis in die 1980er-Jahre war sie eines der wichtigsten Verfahren zum Warmwalzen nahtloser Stahlrohre. Aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich Rohrlänge, Wandstärkengenauigkeit usw. wurde sie nach und nach durch kontinuierliche Rohrwalzanlagen ersetzt. Die derzeit leistungsstärkste automatische Rohrwalzanlage in China ist die 400. Anlage in Baotou. Abgesehen von einigen noch in Betrieb befindlichen automatischen Rohrwalzanlagen in der ehemaligen Sowjetunion und Osteuropa wurden die meisten anderen demontiert. Die automatische Rohrwalzmaschine besteht aus drei Teilen: der Hauptmaschine, dem vorderen und dem hinteren Walzwerk. Die Hauptmaschine ist ein irreversibles Zweiwalzen-Längswalzwerk mit zwei schnelllaufenden, gegenläufig rotierenden Rücklaufwalzen, die hinter den Arbeitswalzen angeordnet sind. Um die Stahlrohre zurückzuführen, ist ein Schnellhubmechanismus für die obere Arbeitswalze und die untere Rücklaufwalze vorgesehen. Die Arbeitswalze ist als Rundlochwalze ausgeführt. Das von der Stanz- und Streckmaschine zugeführte Rohrohr wird in einem Ringlochwalzverfahren mit runden Löchern und einem konischen oder kugelförmigen Kopf gewalzt. Üblicherweise erfolgen zwei Walzstiche. Nach jedem Walzstich werden die obere Arbeitswalze und die untere Rücklaufwalze auf eine bestimmte Höhe angehoben. Das Rohrohr wird von der Rücklaufwalze zurück zur Ausgangsstation befördert, anschließend in die Ausgangsposition zurückgeführt und um 90° gedreht. Danach erfolgt der zweite Walzstich mit demselben Lochtyp. Der Umformgrad jedes Stichs wird durch die Differenz der Kopfdurchmesser beider Stiche eingestellt. Nach der Rückführung zur Ausgangsstation wird das gewalzte Stahlrohr horizontal zur Richtmaschine transportiert. Der Umformprozess durchläuft dabei drei Phasen: Glätten, Durchmesserreduzierung und Wandstärkenreduzierung.
Der Vorteil von automatischen Rohrwalzwerken liegt in der flexiblen Anpassung der Produktionsspezifikationen. Hinsichtlich der Stahlsorten ist das Anwendungsspektrum breit gefächert; es können niedrig- und mittelgekohlte Stähle, niedriglegierte Stähle, Edelstahl usw. verarbeitet werden. Die Walzwerke eignen sich sowohl für Kleinserien als auch für die Produktion verschiedener Stahlsorten. Zu ihren Nachteilen zählen die geringe Umformbarkeit (die Gesamtstreckung nach zwei Walzstichen beträgt weniger als 2,5), die ungleichmäßige Wandstärke und das häufige Auftreten von inneren Kratzern, die mit einer Richtmaschine beseitigt werden müssen, sowie die geringe Länge des Rohrohrs, was die Ausbeute beeinträchtigt. Die Produktionseffizienz ist gering (langsames Walztempo, aber geringes Gewicht).
5.4.2 Accu-Roll-Rohrwalzwerk
Die Accu-Roll-Rohrwalzwerke wurden Anfang der 1990er Jahre in Yantai, Chengdu und anderen Orten in China eingeführt. Sie erfreuten sich damals großer Beliebtheit und waren auf dem besten Weg, andere Schrägwalz- und kontinuierliche Walzwerke zu ersetzen. Nach praktischen Tests zeigte sich jedoch, dass die geringe Länge der Rohrohre die Produktion von dreifach so langen Rohren bestimmter Spezifikationen einschränkte und die tiefen Spiralspuren auf der Oberfläche der Rohrohre beim Walzen dünnwandiger Rohre die Oberflächenqualität der Stahlrohre beeinträchtigten. Bislang hat sich das Verfahren nur in China gehalten, wobei in jüngster Zeit einige private Unternehmen kleinere Accu-Roll-Rohrwalzwerke neu errichtet haben. Berichte über den Bau solcher Walzwerke im Ausland liegen bisher nicht vor. Diese Maschinenart eignet sich nicht für die Produktion von nahtlosen Stahlrohren mit großem und mittlerem Durchmesser. Es handelt sich um ein horizontales Schrägwalzwerk mit zwei Walzen, langem Dorn und aktiver Führungsplatte.
Die Mühlenstruktur weist folgende Merkmale auf:
Die beiden Walzen sind konisch. Wie bei der Kegelwalzenstanzmaschine gibt es sowohl einen Vorschubwinkel als auch einen Walzwinkel, sodass der Walzendurchmesser entlang der Walzrichtung allmählich zunimmt. Dies trägt dazu bei, das Gleiten zu verringern, die Längsdehnung des Metalls zu fördern und zusätzliche Torsionsverformungen zu reduzieren.
Es werden zwei aktive Führungsscheiben mit großem Durchmesser verwendet.
Es wird der Betrieb mit begrenztem Dorn angewendet.
Es wird die Walzenbauart ohne Walzenschulter verwendet. Dadurch wird das Problem behoben, dass ASSEL die Wandstärkenreduktion im Bereich der Walzenschulter verringert, was die Walzenstandzeit und die Wandgleichmäßigkeit beeinträchtigt. Somit wird die Genauigkeit der Wanddicke des Rohrohrs verbessert.
5.4.3 Rohrvortriebsmaschine
Das Rohrvortriebsverfahren zur Herstellung nahtloser Stahlrohre wurde bereits 1892 von Heinrich Erhard aus Deutschland vorgeschlagen. Der Anstechvorgang der frühen Rohrvortriebsanlagen lässt sich in das hydraulische Anstechverfahren unterteilen. Dabei wird der in der Form befindliche Stahlblock mithilfe einer vertikalen Hydraulikpresse zu einem Rohrohr mit becherförmigem Boden verpresst. Anschließend wird das Rohrohr mit einem Kran entnommen, abgelegt und auf einen langen Dorn gesetzt. Durch Vorschieben des Dorns wird das Rohrohr nacheinander durch eine Reihe von ringförmigen Matrizenbohrungen mit abnehmendem Durchmesser gepresst, wodurch Durchmesser- und Wandstärkenreduzierung sowie eine Verlängerung erreicht werden. Die gesamte Verformungskraft konzentriert sich auf das Ende der Pressstange. Nach dem Pressvorgang muss die Stange entfernt und der becherförmige Boden abgetrennt werden. Charakteristisch für dieses Verfahren sind geringe Produktivität, stark ungleichmäßige Wandstärke und ein begrenztes Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D) des Stahlrohrs. Aktuell wird nur dieses Verfahren zur Herstellung von nahtlosen Stahlrohren mit großem Durchmesser (400–1400 mm) eingesetzt. Ein weiteres Verfahren ist das CPE-Verfahren. Dabei werden Rohrohre mittels Schrägwalzen und Perforieren hergestellt. Durch das anschließende Schrumpfen eines Rohrendes entstehen Rohrohre für die Pressmaschine. Dieses Verfahren verbessert die Produktion und Produktqualität und belebt die Fertigung nahtloser Stahlrohre mit kleinem Durchmesser im Pressverfahren.
Die Vorteile der Hebemethode sind:
1) Geringer Investitionsaufwand, einfache Ausrüstung und Werkzeuge sowie niedrige Produktionskosten.
2) Die Ausladung der Hebevorrichtung ist groß, bis zu 10-17. Daher kann die Anzahl der für das Rollen ähnlicher Produkte mittels der Hebemethode benötigten Geräte und Werkzeuge geringer sein.
3) Eine große Auswahl an Varianten und Spezifikationen.
Der Nachteil besteht darin, dass die Genauigkeit der Wanddickenmessung nicht hoch ist und Kratzer an den Innen- und Außenflächen leicht auftreten können.
5.4.4 Stranggepresstes Stahlrohr
Das sogenannte Extrusionsverfahren bezeichnet ein Verfahren, bei dem ein Metallblock in einen geschlossenen Behälter, bestehend aus einem Extrusionszylinder, einer Extrusionsdüse und einem Extrusionsstab, eingelegt und durch Druck des Extrusionsstabs aus der Düsenöffnung gepresst wird, um eine plastische Umformung zu erzielen. Es handelt sich um ein seit Langem bewährtes Verfahren zur Herstellung nahtloser Stahlrohre. Je nach Verhältnis zwischen der Kraftrichtung des Extrusionsstabs und der Metallflussrichtung lässt sich das Extrusionsverfahren in zwei Typen unterteilen: positive und negative Extrusion. Bei der positiven Extrusion verläuft die Kraftrichtung parallel zur Metallflussrichtung, bei der negativen Extrusion entgegengesetzt. Die negative Extrusion bietet Vorteile wie geringe Extrusionskräfte, hohe Extrusionsverhältnisse, hohe Extrusionsgeschwindigkeiten, niedrigere Extrusionstemperaturen, verbesserte Extrusionsbedingungen, einfache Realisierung von isothermer/isobarer/konstantschneller Extrusion, verbesserte Produktstruktur und Maßgenauigkeit, geringeren Metalldrucküberschuss am Extrusionsende und eine höhere Metallausbeute. Allerdings ist die Handhabung relativ umständlich, und die Querschnittsgröße des Produkts ist durch die Größe des Extrusionsstabs begrenzt.
Die Anwendung der Metallstrangpresstechnologie in der Industrie blickt auf eine über hundertjährige Geschichte zurück, doch die Nutzung der Warmstrangpresstechnologie in der Stahlproduktion entwickelte sich erst allmählich, nachdem „Seshi“ 1941 das Glasextrusionsschmiermittel erfunden hatte. Insbesondere die Entwicklung der nicht-oxidativen Erwärmung, der Hochgeschwindigkeitsstrangpresstechnologie, der Formmaterialien und der Spannungsreduzierungstechnologie hat die Warmstrangpressproduktion nahtloser Stahlrohre wirtschaftlicher und effizienter gestaltet, die Produktionsmenge und Qualität erheblich verbessert und die Produktpalette erweitert, wodurch das Interesse verschiedener Länder geweckt wurde.
Das aktuelle Produktspektrum der im Strangpressverfahren hergestellten Stahlrohre umfasst im Allgemeinen folgende Abmessungen: Außendurchmesser: 18,4–340 mm, minimale Wandstärke: 2 mm, Länge: ca. 15 m; bei kleineren Durchmessern sind Längen bis zu 60 m möglich. Die Extruderkapazität liegt üblicherweise zwischen 2000 und 4000 Tonnen, maximal bei 12000 Tonnen.
Im Vergleich zu anderen Warmwalzverfahren bietet die Herstellung von stranggepressten nahtlosen Stahlrohren folgende Vorteile:
Weniger Verarbeitungsschritte, wodurch bei gleichem Output Investitionen eingespart werden können.
Da sich das extrudierte Metall in einem dreidimensionalen Druckspannungszustand befindet, können damit Werkstoffe hergestellt werden, die schwer oder gar nicht zu walzen und zu schmieden sind, wie beispielsweise Nickelbasislegierungen.
Aufgrund der starken Metallverformung während des Extrusionsprozesses (hohes Extrusionsverhältnis) und der Tatsache, dass die vollständige Verformung in sehr kurzer Zeit abgeschlossen ist, weist das Produkt eine gleichmäßige Struktur und gute Eigenschaften auf.
Es gibt nur wenige Mängel an den Innen- und Außenflächen, und die geometrische Maßgenauigkeit ist hoch.
Die Produktionsorganisation ist flexibel und eignet sich für die Herstellung kleiner Chargen und verschiedener Sorten.
Es kann Rohre und Bimetall-Verbundrohre mit komplexen Querschnitten herstellen.
Die Nachteile sind:
1) Hohe Anforderungen an Schmierstoffe und Heizung, was die Produktionskosten erhöht.
2) Neben einer geringen Werkzeugstandzeit, hohem Verbrauch und hohen Preisen.
3) Die Ausbeute ist gering, was die Wettbewerbsfähigkeit des Produkts mindert.
5.4.5 Rohrwalzen im Pilgerrohrwalzwerk
Das periodische Rohrwalzwerk wurde 1990 in die industrielle Fertigung genommen. Es handelt sich um ein Einwalzwerk mit zwei Walzen. Die Walzen verfügen über eine variable Querschnittsöffnung. Die beiden Walzen rotieren in entgegengesetzte Richtungen, und das Rohrohr wird entgegen der Walzenrichtung zugeführt. Die Walze dreht sich einmal und drückt das Rohrohr heraus, wodurch dessen Durchmesser und Wandstärke reduziert und das Rohr in der Öffnung fertig gewalzt wird. Anschließend wird das Rohrohr erneut zugeführt. Da ein Rohrohr viele Male in der Öffnung hin und her geführt werden muss, um den gesamten Walzprozess abzuschließen, wird es auch als periodisches Rohrwalzwerk oder Pilgerwalzwerk bezeichnet. Das Rohr wird periodisch durch die variable Querschnittsöffnung der Walzen bearbeitet. Die Zuführung und Rotation des Rohrmaterials führen zu mehrfachen, kumulativen Verformungen der Rohrwand, wodurch eine größere Wandstärkenreduzierung und -verlängerung erzielt wird.
Die Merkmale dieses Produktionsverfahrens sind:
1) Es eignet sich besonders für die Herstellung dickwandiger Rohre, wobei die Wandstärke 60-120 mm erreichen kann.
2) Die Bandbreite der verarbeitbaren Stahlsorten ist relativ groß. Da das Umformverfahren eine Kombination aus Schmieden und Walzen darstellt, können Rohre aus wenig plastischen und schwer verformbaren Metallen hergestellt werden, und die mechanischen Eigenschaften der Stahlrohre sind ausgezeichnet.
3) Die Länge des gewalzten Stahlrohrs ist groß, bis zu 35 m.
4) Die Produktivität des Walzwerks ist gering, im Allgemeinen 60-80%, daher ist der Ausstoß gering; daher muss eine Stanzmaschine mit zwei periodischen Rohrwalzwerken ausgestattet werden, um dies auszugleichen.
5) Der Schwanz kann nicht weiterverarbeitet werden, was zu großen Schnittverlusten und einer geringen Ausbeute führt.
6) Mangelhafte Oberflächenqualität und erhebliche Ungleichmäßigkeit der Wandstärke.
7) Hoher Werkzeugverbrauch, im Allgemeinen 9-35 kg/t.
5.4.6 Heißausdehnung von Stahlrohren
Der maximale Außendurchmesser von Fertigstahlrohren aus Warmwalzwerken für nahtlose Stahlrohre beträgt weniger als 530 mm bei automatischen Walzwerken, weniger als 460 mm bei kontinuierlichen Walzwerken und weniger als 660 mm bei Großrohren. Für größere Durchmesser kann neben dem Press- und dem Extrusionsverfahren auch das Warmaufweitungsverfahren eingesetzt werden. Mit diesem Verfahren lassen sich derzeit dünnwandige, nahtlose Stahlrohre mit einem maximalen Außendurchmesser von 1500 mm herstellen.
Es gibt drei Verfahren zur Warmumformung von Stahlrohren: Schrägwalzen, Ziehen und Schieben. Diese drei Verfahren wurden in den 1930er Jahren entwickelt. Beim Schrägwalzen und Ziehen muss das Stahlrohr vor der Umformung als Ganzes erhitzt werden, während beim Schieben keine Erhitzung des gesamten Stahlrohrs erforderlich ist.
Schrägwalzen-Expansionsmaschine:
Der Prozessablauf beim Schrägwalzaufweiten ist wie folgt: Das erhitzte Rohrmaterial wird zur Schrägwalzaufweitmaschine transportiert. Diese besteht aus zwei gleichförmigen Walzen. Die Achsen der beiden Walzen sind in einem Winkel von 30° zur Walzrichtung angeordnet, und jede Walze wird separat von einem Motor angetrieben und rotiert in dieselbe Richtung. Der Walzenstempel wirkt in der Aufweitzone mit und führt dort eine spiralförmige Bewegung des Stahlrohrs aus. Durch die Walzen und den Walzenstempel wird die Rohrwand verformt, wodurch der Aufweitdurchmesser vergrößert und die Wandstärke reduziert wird. Die axiale Kraft des Walzenstempels wird von der Schubstange aufgenommen, die entweder auf der Einlass- oder auf der Auslassseite angeordnet sein kann.
Durch Schrägwalzaufweitung lassen sich Stahlrohre mit einer Wandstärke von 6 bis 30 mm und einem maximalen Außendurchmesser von 710 mm herstellen. Ein Nachteil dieses Verfahrens sind die verbleibenden spiralförmigen Spuren auf der Innen- und Außenfläche des Stahlrohrs, die die Oberflächenqualität mindern. Daher ist der Einsatz einer Richt- und einer Kalibriermaschine erforderlich. Diese Art von Aufweitanlage ist umfangreich, verursacht hohe Investitionskosten und ist hinsichtlich der Rohrvarianten eingeschränkt. Dickwandige Rohre können nicht hergestellt werden.
Zeichnungsexpansionsmaschine:
Das Aufweiten durch Tiefziehen ist ein Produktionsverfahren mit geringer Produktionskapazität, das aufgrund seiner einfachen Ausrüstung und Verarbeitung sowie der leichten Mechanisierbarkeit weiterhin Anwendung findet. Die Aufweitmaschine eignet sich sowohl für das Kalt- als auch für das Warmziehen. Wenn die Aufweitung gering ist und die physikalischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Maßgenauigkeit des Stahlrohrs verbessert werden sollen, kommt das Kaltziehen zum Einsatz. Der Prozessablauf beim Warmziehen von Stahlrohren umfasst das Erhitzen des Rohrmaterials, das Aufweiten der Rohrenden, das Aufweiten und Tiefziehen, das Richten, das Abschneiden von Kopf und Fuß sowie die Qualitätskontrolle. Der Aufweitungsgrad pro Aufheizvorgang beträgt 60–70 %, und es können Stahlrohre mit einem maximalen Durchmesser von 750 mm hergestellt werden.
Das Hauptwirkungsprinzip des Warmaufweitens besteht darin, dass durch eine Gruppe (in der Regel 1-4) von Stopfen mit stufenweise zunehmendem Durchmesser diese in die gesamte Länge der Innenbohrung des Stahlrohrs eingeführt und durchdrungen werden, wodurch der Durchmesser des Stahlrohrs erweitert, die Wandstärke verringert und die Länge geringfügig verkürzt wird.
Die wichtigsten Werkzeuge der Aufweitziehmaschine sind Aufweitdorne und Auswerferstangen. Zu ihren Vorteilen zählen die einfache Konstruktion, die bequeme Bedienung und die leichte Erlernbarkeit; die Maschine ermöglicht eine breite Produktpalette und die Herstellung von rechteckigen und anderen Sonderformen von Stahlrohren. Zu den Nachteilen gehören lange Produktionszyklen, geringe Produktivität und ein hoher Werkzeug- und Metallverbrauch.
Schubaufweiter: Das Funktionsprinzip des Schubaufweiters besteht darin, das Rohstahlrohr in die Mittelfrequenz-Induktionsspule einzulegen. Nach der induktiven Erwärmung bewegt sich der Kolben des Hydraulikzylinders oder der Schubkopf der Winde und drückt das Rohrende vom Rohrkopf aus nacheinander durch den axial fixierten konischen Kernstab. Dadurch wird der Stahl aufgeweitet. Sobald das Rohrende im Kernstab ist, wird ein neues, zu bearbeitendes Stahlrohr hinzugefügt. Der Schubkopf fährt zurück und schiebt das Ende des neuen Rohrs weiter. Der Kopf des neuen Stahlrohrs drückt das Ende des vorherigen Rohrs durch den Kernstab und schließt so die Aufweitung ab. Da nur der aufgeweitete Bereich des Stahlrohrs erwärmt wird, neigt dieses zum Verbiegen, und Wandstärke und Länge des aufgeweiteten Rohrs sind begrenzt. Die Vorteile des Schubaufweiters liegen in der hohen Metallausbeute, der einfachen Konstruktion und dem geringen Energieverbrauch. Die Nachteile bestehen darin, dass die Leistungskonstanz des Stahlrohrs in Längsrichtung etwas mangelhaft ist und die Produktionseffizienz gering ist.
Veröffentlichungsdatum: 31. Oktober 2024