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 eingesetzt.
1. Automatische Rohrwalzmaschine
Die automatische Rohrwalzmaschine besteht aus drei Teilen: der Hauptmaschine, dem Vorder- und dem Hinterteil. Die Hauptmaschine ist ein irreversibles Zweiwalzen-Längswalzwerk mit zwei schnelllaufenden, gegenläufig rotierenden Rücklaufwalzen, die hinter den Arbeitswalzen angeordnet sind. Um die Stahlrohre wieder in die Ausgangsposition zu bringen, ist ein Schnellhubmechanismus für die obere Arbeitswalze und die untere Rücklaufwalze vorgesehen. Die Arbeitswalze ist rundlochig. Das von der Stanz- und Streckmaschine zugeführte Rohrohr wird in einer Ringlochwalze gewalzt, die aus einer runden Walze und einem Walzkopf (konisch oder kugelförmig) besteht. Üblicherweise werden zwei Walzstiche durchgeführt. Nach jedem Walzstich werden die obere Arbeitswalze und die untere Rücklaufwalze auf eine bestimmte Höhe angehoben. Das Rohrohr wird von der Rücklaufwalze zurück zur Ausgangsposition befördert, anschließend in die Ausgangsposition zurückgeführt und um 90° gedreht. Danach erfolgt der zweite Walzstich mit der gleichen Walzenform. Der Verformungsgrad jedes Stichs wird durch die Differenz der Walzkopfdurchmesser beider Stiche eingestellt. Nachdem das gewalzte Stahlrohr zur vorderen Walzstation zurückgeführt wurde, wird es horizontal zur Richtmaschine transportiert. Der Umformprozess durchläuft drei Stufen: Glätten, Durchmesserreduzierung und Wandstärkenreduzierung. Der Vorteil der automatischen Rohrwalzmaschine liegt in der flexiblen Anpassung der Produktionsspezifikationen. Hinsichtlich der Stahlsorte ist das Anwendungsspektrum breit gefächert; es können niedrig- und mittelgekohlte Stähle, niedriglegierte Stähle, Edelstahl usw. verarbeitet werden. Die Maschine eignet sich für Kleinserien und die Produktion verschiedener Stahlsorten. Zu ihren Nachteilen zählen die geringe Umformbarkeit (die Gesamtverformung über zwei Walzstiche beträgt weniger als 2,5), die ungleichmäßige Wandstärke und das häufige Auftreten von inneren Kratzern, die mit der Richtmaschine beseitigt werden müssen, sowie die geringe Länge des Rohrohrs, was die Ausbeute beeinträchtigt. Die geringe Produktionseffizienz ist auf das geringe Gewicht und den langsamen Walzvorgang zurückzuführen.
2. Accu-Roll-Rohrwalzwerk
Es handelt sich um ein horizontales Zweiwalzen-Schrägwalzwerk mit langem Dorn und aktiven Führungsscheiben. Die Walzenkonstruktion zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Die beiden Walzen sind konisch. Ähnlich wie bei Kegelwalzen-Stanzmaschinen gibt es sowohl Zuführ- als auch Walzwinkel, sodass der Walzendurchmesser in Walzrichtung stetig zunimmt. Dies trägt zur Reduzierung des Gleitens bei, fördert die Längsdehnung des Metalls und verringert zusätzliche Torsionsverformungen. Es werden zwei aktive Führungsscheiben mit großem Durchmesser verwendet. Der Walzenbetrieb erfolgt mit begrenztem Dornvorschub. Es wird ein Walzentyp ohne Walzenschulter eingesetzt. Dadurch wird das Problem der konzentrierten Wanddickenreduktion im Schulterbereich, wie sie bei ASSEL-Walzen auftritt und die Walzenstandzeit sowie die Wandgleichmäßigkeit beeinträchtigt, behoben. Dies führt zu einer verbesserten Wanddickengenauigkeit des Rohrohrs.
3. Rohrvortriebsmaschine
Das Rohrvortriebsverfahren zur Herstellung nahtloser Stahlrohre wurde bereits 1892 von Heinrich Erhard aus Deutschland vorgeschlagen. Der Vortriebsprozess der ersten Vortriebseinheit lässt sich in das hydraulische Vortriebsverfahren unterteilen. Dabei wird der in der Kokille befindliche Stahlblock mithilfe einer vertikalen Hydraulikpresse zu einem Rohrohr mit becherförmigem Boden verpresst. Anschließend wird das Rohrohr mit einem Kran entnommen, abgelegt und auf eine lange Kernstange aufgesetzt. Durch Vorschieben der Kernstange 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 Vortriebsstange. Nach dem Vortrieb muss die Stange entfernt und der becherförmige Boden abgetrennt werden. Charakteristisch für dieses Verfahren sind die geringe Produktivität, die stark ungleichmäßige Wandstärke und das begrenzte 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 sogenannte CPE-Verfahren. Dabei werden Rohrohre durch Schrägwalzen und Perforieren hergestellt und anschließend durch Schrumpfen eines Rohrendes für die Pressmaschine vorbereitet. Dieses Verfahren kann die Produktion und Produktqualität verbessern und die Fertigung nahtloser Stahlrohre mit kleinem Durchmesser im Pressverfahren wiederbeleben.
Die Vorteile der Hebemethode sind:
1) Geringer Investitionsaufwand, einfache Ausrüstung und Werkzeuge sowie niedrige Produktionskosten.
2) Die Ausladung der Hebeeinheit ist groß und kann 10 bis 17 erreichen. Daher kann die Anzahl der für das Hebeverfahren zum Rollen ähnlicher Produkte benötigten Geräte und Werkzeuge geringer sein.
3) Die Auswahl an Varianten und Spezifikationen ist groß. Der Nachteil besteht darin, dass die Wandstärkengenauigkeit nicht sehr hoch ist und die Innen- und Außenflächen anfällig für Kratzer sind.
4. Strangpressen von Stahlrohren
Das sogenannte Extrusionsverfahren bezeichnet das Einbringen des Metallblocks in einen geschlossenen Behälter, bestehend aus einem Extrusionszylinder, einer Extrusionsdüse und einem Extrusionsstab. Durch Druck des Extrusionsstabs wird das Metall aus der Düsenöffnung gepresst und so umgeformt. Dieses Verfahren zur Herstellung nahtloser Stahlrohre hat eine lange Tradition. Je nach Verhältnis zwischen der Kraftrichtung des Extrusionsstabs und der Metallflussrichtung unterscheidet man zwischen positiver und negativer 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 Extrusionsgeschwindigkeit, reduzierte Extrusionstemperatur, verbesserte Extrusionsbedingungen, einfache Realisierung von isothermer/isobarer/gleichschneller Extrusion, verbesserte Produktstruktur und Maßgenauigkeit, Reduzierung des Metalldrucküberschusses am Extrusionsende und Verbesserung der Metallausbeute. Die Handhabung ist jedoch relativ umständlich, und der Querschnitt des Produkts ist durch die Größe des Strangpressstabs begrenzt. Die Anwendung der Metallstrangpresstechnik in der Industrie blickt auf eine über 100-jährige Geschichte zurück. Die Warmstrangpresstechnik in der Stahlproduktion entwickelte sich jedoch erst nach der Erfindung des Glasextrusionsschmierstoffs durch „Seshi“ im Jahr 1941. Insbesondere die Entwicklung von nicht-oxidativer Erwärmung, Hochgeschwindigkeitsstrangpresstechnik, Formmaterialien und Spannungsreduzierungstechniken hat die Warmstrangpressproduktion nahtloser Stahlrohre wirtschaftlicher und effizienter gestaltet, die Produktionsmenge und Qualität deutlich verbessert und die Produktpalette erweitert, wodurch das Interesse verschiedener Länder geweckt wurde. Aktuell umfasst das Produktspektrum von stranggepressten Stahlrohren im Allgemeinen folgende Abmessungen: Außendurchmesser: 18,4–340 mm, minimale Wandstärke bis zu 2 mm, Länge ca. 15 m, wobei auch Rohre mit kleinem Durchmesser bis zu 60 m lang sein können. Die Kapazität des Extruders liegt im Allgemeinen bei 2000 bis 4000 Tonnen, das Maximum bei 12000 Tonnen.
Im Vergleich zu anderen Warmwalzverfahren bietet die Herstellung von stranggepressten nahtlosen Stahlrohren folgende Vorteile:
1) Weniger Verarbeitungsschritte, wodurch bei gleichem Output Investitionen eingespart werden können.
2) Da sich das extrudierte Metall in einem dreiachsigen Druckspannungszustand befindet, können damit Werkstoffe hergestellt werden, die schwer oder gar nicht zu walzen und zu schmieden sind, wie zum Beispiel Nickelbasislegierungen.
3) Aufgrund der großen Metallverformung während des Extrusionsprozesses (großes Extrusionsverhältnis) und der Tatsache, dass die vollständige Verformung in sehr kurzer Zeit abgeschlossen ist, ist die Produktstruktur gleichmäßig und die Leistung gut.
4) Es gibt nur wenige Mängel an den Innen- und Außenflächen, und die geometrische Maßgenauigkeit ist hoch.
5) Die Produktionsorganisation ist flexibel und eignet sich für die Produktion kleiner Chargen und verschiedener Sorten.
6) Es kann Rohre und Bimetall-Verbundrohre mit komplexen Querschnitten herstellen.
Nachteile sind:
1) Hohe Anforderungen an Schmierstoffe und Heizung, was die Produktionskosten erhöht.
2) Und die Werkzeuglebensdauer ist kurz, der Verbrauch hoch und der Preis teuer.
3) Die Ausbeute ist gering, was die Wettbewerbsfähigkeit des Produkts mindert.
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 dabei 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, in der Regel 60-80%, daher ist der Ausstoß gering; deshalb 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.
6. Heißexpansion von Stahlrohren
Der maximale Außendurchmesser der von der Anlage für warmgewalzte nahtlose Stahlrohre hergestellten Fertigrohre beträgt weniger als 530 mm bei der automatischen Rohrwalzanlage, weniger als 460 mm bei der kontinuierlichen Rohrwalzanlage und weniger als 660 mm bei der großen Pilgeranlage. Für Stahlrohre mit größerem Durchmesser kann neben dem Press- und Extrusionsverfahren auch das Warmaufweitungsverfahren eingesetzt werden. Mit diesem Verfahren lassen sich derzeit dünnwandige Rohre mit einem maximalen Außendurchmesser von 1500 mm für nahtlose Stahlrohre herstellen. Es gibt drei Verfahren zur Warmaufweitung 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
Das Schrägwalz-Aufweitverfahren funktioniert folgendermaßen: Das erhitzte Rohrmaterial wird zur Aufweitmaschine transportiert. Diese besteht aus zwei gleichförmigen Walzen, deren Achsen in einem Winkel von 30° zur Walzrichtung angeordnet sind. Die Walzen werden separat von Motoren angetrieben und rotieren in dieselbe Richtung. Ein Walzenstempel wirkt in der Aufweitzone mit und führt dort eine spiralförmige Bewegung des Stahlrohrs aus. Durch die Walzen und den Stempel wird die Rohrwand verformt, wodurch der Aufweitdurchmesser vergrößert und die Wandstärke reduziert wird. Die axiale Kraft des Stempels wird von einer Schubstange aufgenommen, die entweder ein- oder auslaufseitig angeordnet sein kann. Mit dem Schrägwalz-Aufweitverfahren lassen sich Stahlrohre mit einer Wandstärke von 6 bis 30 mm und einem maximalen Außendurchmesser von 710 mm herstellen. Ein Nachteil besteht darin, dass spiralförmige Restspuren auf der Innen- und Außenfläche des Stahlrohrs zurückbleiben, was die Oberflächenqualität mindert. Daher ist der Einsatz einer Richt- und Kalibriermaschine erforderlich. Diese Art von Expansionsmaschine benötigt große Anlagen, verursacht hohe Investitionskosten und unterliegt gewissen Einschränkungen hinsichtlich der Varianten. Dickwandige Rohre können damit nicht hergestellt werden.
Zeichnungserweiterungsmaschine
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 kann sowohl zum Kalt- als auch zum Warmziehen eingesetzt werden. Wenn der Aufweitungsgrad gering ist und die physikalischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Maßgenauigkeit des Stahlrohrs verbessert werden sollen, eignet sich das Kaltziehen. 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 der maximale Durchmesser der herstellbaren Stahlrohre liegt bei 750 mm. Das Hauptprinzip des Warmziehens beruht darauf, dass durch eine Gruppe (in der Regel 1–4) von Stiften mit stufenweise ansteigendem Durchmesser diese über die gesamte Länge in die Innenbohrung des Stahlrohrs eingeführt werden. Dadurch wird der Durchmesser des Stahlrohrs aufgeweitet, die Wandstärke reduziert und die Länge leicht verkürzt. Die wichtigsten Werkzeuge der Aufweitziehmaschine sind Aufweitdorne und Auswerferstangen. Zu ihren Vorteilen zählen die einfache Konstruktion, die bequeme Bedienung und die leichte Erlernbarkeit. Sie ermöglicht die Herstellung einer breiten Produktpalette und -spezifikation und kann auch rechteckige und andere Sonderformen aus Stahlrohren fertigen. Zu den Nachteilen gehören lange Produktionszyklen, geringe Produktivität und ein hoher Werkzeug- und Metallverbrauch.
Push-Expander
Das Funktionsprinzip des Schubaufweiters besteht darin, das Rohstahlrohr in eine Mittelfrequenz-Induktionsspule einzulegen. Nach der induktiven Erwärmung bewegt sich der Kolben des Hydraulikzylinders oder der Schubkopf der Winde und schiebt das Rohrende vom Rohrkopf her durch den axial fixierten konischen Dorn, um die Aufweitung zu erreichen. Sobald das Rohrende im Dorn ist, wird ein neues, zu bearbeitendes Stahlrohr hinzugefügt. Nach dem Zurückfahren des Schubkopfes schiebt dieser das Ende des neuen Rohrs weiter. Der Kopf des neuen Rohrs schiebt das Ende des vorherigen Rohrs durch den Dorn und schließt so die Aufweitung ab. Da nur der verformte 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 liegen in der etwas geringeren Gleichmäßigkeit der Stahlrohre in Längsrichtung und der niedrigen Produktionseffizienz. Aufgrund der geringen Investitionskosten wurden in letzter Zeit viele neue Anlagen in Nordmexiko errichtet. Das Aufweitverfahren ermöglicht derzeit die Herstellung von Stahlrohren mit einer Wandstärke von 6 bis 30 mm und einem maximalen Außendurchmesser von 860 mm.
Veröffentlichungsdatum: 30. September 2024