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Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen längsnahtgeschweißter Rohre
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen längsnahtgeschweißter
Rohre aus eisenhaltigen Metallen.
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Zum Herstellen längsnahtgeschweißter Rohre aus eisenhaltigem Metall
ist es bekannt, ein aus diesem Metall bestehendes Band, z. B. ein Band aus Eisen,
Stahl oder legiertem Stahl, durch einen Ofen zu führen und in diesem durch Feuererhitzung
auf etwa 1200° C zu erwärmen. Das Metallband wird dann durch zum Formen dienende
Walzen zu einem Rohr geformt und läuft in dieser rohrförmigen Gestaltung zwischen
Druckwalzen hindurch, durch welche die sich berührenden Kanten des Bandes zum gegenseitigen
Verschweißen zusammengepreßt werden. Kurz vor der Schweißstelle werden die Schweißkanten
dadurch auf Schweißtemperatur erhöht, daß Sauerstoff oder Luft gegen die Kanten
geblasen wird, wodurch die Schweißkanten an der Angriffsstelle der Druckwalzen durch
Oxydation auf die volle Schweißtemperatur gebracht werden.
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Bei diesem bekannten Verfahren, bei dem das Metallband in dem Ofen
auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur erhitzt werden muß, verursacht die ständige
Wartung des Ofens einen erheblichen Aufwand. Außerdem ergeben sich erhebliche Metallverluste,
die auf die Bildung von Zunder bei den hohen Temperaturen im Ofen zurückzuführen
sind. Da die Schweißkanten durch Oxydationsvorgänge auf die volle Schweißtemperatur
gebracht werden und sich hierbei die Bildung von Oxyden an der miteinander zu verschweißenden
Flächen nicht vermeiden läßt, ist ferner eine einwandfreie Schweißung nicht gewährleistet.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Schweißen von Rohren ans
eisenhaltigen Metallen wird das Metallband außerhalb eines Ofens durch Rohrwalzen
zu einem vor der Schweißstelle mit einem Spalt versehenen Rohr geformt. Die Spaltränder
des Rohres werden dabei mit Hilfe einer Induktionsspule erhitzt, die eine oder mehrere
Windungen besitzt, mit einem hochfrequenten Strom gespeist wird und gewöhnlich so
angeordnet ist, daß sie das Rohr vor der Schweißstelle umgibt. Bei diesem bekannten
Verfahren sind verhältnismäßig große Mengen an elektrischer Energie erforderlich,
um das Metall lediglich durch die Induktionswirkung auf die Schweißtemperatur zu
erhitzen. Hierbei entstehen bei der Stärke des hochfrequenten Stroms, der allein
die Erhitzung bewirkt, erhebliche Energieverluste. Wenn die Induktionsspule das
Rohr umgibt, so entstehen diese Verluste dadurch, daß das Rohr unnötigerweise an
seinem ganzen Mantel erhitzt wird. Der Erhitzungsbereich kann zwar durch entsprechende
Formung und Anordnung der Induktionsspule beschränkt werden. Es läßt sich jedoch
nicht vermeiden, daß auch hierbei immer noch von der Schweißstelle abgelegene Teile
des Rohres erhitzt und hierdurch Energieverluste verursacht werden.
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Ferner ist es bei einem mit Feuererhitzung in einem Ofen arbeitenden
Verfahren zum Herstellen stumpfgeschweißter Rohre zur Verbesserung einer bereits
hergestellten Schweißnaht bekannt, das Rohr nach Ablauf von einer Ziehbank in einem
nachgeschalteten Hochfrequenzinduktionsofen wieder auf Schweißtemperatur zu bringen
und sodann durch eine die Schweißnaht zusammenpressende Druckvorrichtung laufen
zu lassen. Schließlich ist es auch bekannt, das Metallband im Ofen zunächst auf
eine Temperatur zu erhitzen, die für das Streckreduzieren von Rohren geeignet ist.
Anschließend werden die Bandkanten zum zweitenmal durch einen Induktor auf eine
Temperatur erhitzt, die etwa 100 bis 200° C unter der Schweißtemperatur liegt, und
erst dann erfolgt die endgültige Erhitzung durch einen anderen, eine dritte Heizquelle
bildenden Induktor.
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Demgegenüber soll durch die Erfindung ein in einfacher Weise durchführbares
Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen längsgeschweißter Rohre geschaffen werden,
mit dessen Anwendung unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile und der umständlich
durchzuführenden
mehrmaligen Erhitzung der Schweißkanten in einem einzigen Schweißvorgang eine einwandfreie
Schweißnaht herstellbar ist.
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Demgemäß bestehen die wesentlichen Merkmale der Erfindung darin, daß
das Metallband in dem Ofen auf eine etwa dem Curiepunkt entsprechende Temperatur
vorerhitzt und anschließend an seine Formung zu einem mit seinen Schweißkanten einen
Längsspalt einschließenden Rohr zur Aufheizung der Spaltränder auf volle Schweißtemperatur
an einer mit hochfrequentem Strom gespeisten Induktionserhitzungswicklung vorbeigeführt
wird.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird einerseits vermieden, daß
das Metallband in dem Ofen auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt werden muß, so
daß die Wartung des Ofens vereinfacht, der Aufwand für die Feuererhitzung verringert
und Schweißfehler, die auf die Bildung von Zunder bei sehr hohen Ofentemperaturen
zurückzuführen sind, ausgeschaltet werden. Andererseits wird durch die erfindungsgemäße
Feuerhitzung bis etwa zum Curiepunkt erreicht, daß das Metall seine magnetischen
Eigenschaften verliert, so daß der in ihm durch Induktion erzeugte Strom erheblich
tiefer in das Metall eindringt, sich infolge der Verringerung des effektiven Widerstandes
gut verteilt und hierdurch, ausgenommen an den Stellen, an denen es gewünscht ist,
nämlich an den Rändern des V-förmigen Schlitzes, eine verringerte Heizwirkung verursacht.
Durch das Verfahren nach der Erfindung wird also letztlich die Lebensdauer des,
zur Feuererhitzung dienenden Ofens erheblich verlängert und zugleich die Induktionserhitzung
wirkungsvoller und wirtschaftlicher gestaltet, als es bisher möglich war. Da ferner
bei der vollen Erhitzung auf Schweißtemperatur durch die schnell und intensiv wirkende
elektrische Widerstandserhitzung Oxydationsvorgänge vermieden sind, können die Schlitzränder
an der Schweißstelle von Zunder oder Oxyden im wesentlichen frei gehalten werden,
so daß eine Schweißnaht von hoher Güte gebildet wird. Außerdem werden bei dem Verfahren
nach der Erfindung nur die Schweißkanten selbst auf die Schweißtemperatur erhitzt,
so daß das Metall des Rohres bzw. das Rohr in seinen übrigen Teilen eine relativ
große Steifigkeit beibehält und ein höherer Anpreßdruck an der Schweißstelle aufgebracht
werden kann, was ebenfalls zur Verbesserung der Güte der Schweißnaht beiträgt.
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Es. ist zwar an sich bekannt, die Kanten des in einem Durchlaufofen
erwärmten ebenen Bandes elektroinduktiv auf Schweißtemperatur zu erhitzen. Hierbei
erfolgt aber die elektroinduktive Aufheizung, bevor die Kanten in das Formwalzwerk
und die Schweißvorrichtung gelangen, und die Erwärmung im Durchlaufofen dient nur
der Formung des Rohres im Formwalzwerk. Demgegenüber werden beim Gegenstand der
Erfindung die Bandkanten durch die elektroinduktive Erhitzung der Bandkanten auf
Schweißtemperatur erst nach der Formgebung des Rohres erhitzt, wobei das Band in
dem Ofen vorher bis auf etwa die Temperatur des Curiepunktes erhitzt worden ist,
damit die magnetischen Eigenschaften des Metalls beseitigt werden und die Induktionserhitzung
auf diesem Wege wirkungsvoller und wirtschaftlicher gestaltet wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachstehenden Beschreibung der in der Zeichnung lediglich als Beispiel gezeigten,
bevorzugten Ausführungsform einer zur Durchführung der Erfindung dienenden Einrichtung.
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Die dargestellte Einrichtung ist mit einem Ofen 10 bekannter Art versehen,
durch den in ebenfalls an sich bekannter Weise ein Metallband 11, das zu einem Rohr
verarbeitet werden soll, kontinuierlich hindurchgeführt wird. Das Metallband 11
wird hierbei gemäß der Erfindung auf eine Temperatur vorerhitzt, die etwa dem Curiepunkt
des aus Eisen, Stahl oder einer Stahllegierung bestehenden Metalls entspricht, aus
dem das Band 11 gebildet ist. Diese Temperatur liegt vorzugsweise etwas oberhalb
des Curiepunktes, z. B. bei etwa 720° C oder etwas höher. Sie kann aber auch genau
dem Curiepunkt entsprechen oder etwas niedriger liegen, wobei aber der Unterschied
so gering sein soll, daß der Curiepunkt bei der nachfolgenden Induktionserhitzung
fast augenblicklich erreicht wird. In jedem Falle wird das durch den Ofen 10 geführte
Metallband 11 nur auf eine Temperatur erhitzt, die erheblich unter der erforderlichen
Schweißtemperatur liegt und so niedrig ist, daß die Zunderbildung auf ein Mindestmaß
herabgesetzt wird.
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Das in dieser Weise erhitzte Metallband 11 läuft nach seinem Austreten
aus dem Ofen kontinuierlich zwischen zwei zum Formen dienenden Walzen 12 und 13
hindurch, die das Band zu einem im wesentlichen rohrförmigen Körper umformen, der
längs der zu bildenden Schweißnaht mit einem Längsspalt 14 versehen ist. Hinter
den Walzen 12 und 13 wird das nunmehr rohrförmig gestaltete Band 11 mindestens mit
seinen den Längsspalt 14 seitlich begrenzenden Kanten an einer Induktionserhitzungswicklung
15 vorbei- oder, wie dargestellt, durch eine solche Wickhing hindurchgeführt. Die
Induktionserhitzungswicklung kann, wie dargestellt, z. B. aus einer einzigen Windung
bestehen, die das vorgeformte Rohr in. einem geringen Abstand umgibt, und ist durch
ihre Anschlüsse 16 und 17 mit einer Hochfrequenzstromquelle verbunden. Die Frequenz
des Stroms kann z. B. vorzugsweise im Bereich von 10 000 Hz liegen, doch lassen
sich brauchbare Ergebnisse in vielen Fällen auch mit Frequenzen zwischen etwa 3000
und 20 000 Hz oder darüber erzielen.
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Da das rohrförmig gestaltete Band 11 in die Induktionserhitzungswicklung
15 mit einer Temperatur eintritt, die etwa dem Curiepunkt des Bandmetalls entspricht,
ist das eisenhaltige Metall nicht mehr magnetisch. Die in dem Metall induzierten
Ströme können daher erheblich tiefer eindringen und sich in dem Metall verteilen,
was zur Folge hat, daß das Metall dem Strom einen erheblich geringeren effektiven
Widerstand entgegensetzt und eine wesentlich geringere Erhitzung in den Bereichen
stattfindet, die in der Zeichnung bei 18 mit gestrichelten Linien angedeutet sind.
In diesen Bereichen werden Ströme induziert, die in der Umfangsrichtung des rohrförmigen
Bandes 11 über dessen dem Längsspalt 14 gegenüberliegende »Rückseite« fließen. An
den Rändern 19 und 20 des rohrförmigen Bandes 11 im Bereich zwischen der Wicklung
15 und der durch die Spitze des Längsspaltes 14 gebildeten Schweißstelle w wird
jedoch der Strom wegen des V-förmigen Spaltes 14 mehr oder weniger dicht an der
Oberfläche dieser Ränder auf deren volle Höhe bzw. Tiefe konzentriert, während er
zur Schweißstelle w hin-bzw. von ihr wegfließt, wodurch nur diese Ränder, da sie
nichtmagnetisch sind, auf die Schweißtemperatur
erhitzt werden.
Diese Erhitzung konzentriert sich dabei im wesentlichen ebenfalls nur auf die Ränder
des V-förmigen Spaltes 14, wodurch diese, wie erwünscht, bis zu dem Zeitpunkt, in
dem sie die Schweißstelle w erreichen, auf Schweißtemperatur gebracht werden. Hierbei
ergibt sich eine erhebliche Verringerung des Wärmeaufwandes für das Metall in dem
den Spalträndern abgelegenen Umfangsbereich des rohrförmigen Bandes 11.
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Nach dem Durchgang durch die Induktionswicklung 15 gelangt das rohrförmige
Band Il zu den Druckwalzen 12 a und 13 a, deren Drehachsen, wie dargestellt, in
einer zur Ebene der Drehachsen der Formwalzen 12 und 13 rechtwinkligen Ebene liegen
können. Die Druckwalzen 12a, 13a können jedoch in der beim Rohrschweißen üblichen
Art entsprechend den Formwalzen 12, 13 auch zu beiden Seiten des Rohres angeordnet
sein. In jedem Falle werden durch die, Druckwalzen 12 a und 13 a die Kanten
19 und 20 in gegenseitige Berührung gebracht und so miteinander verschweißt.
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Zur Herstellung eines Rohres mit einem Durchmesser von z. B. 25 mm
kann bei einer Vorerhitzung des eisenhaltigen Metallbandes 11 im Ofen
10 bis auf eine dem Curiepunkt entsprechende Temperatur von z. B. 720' C
die volle Erhitzung auf Schweißtemperatur durch die Induktionswicklung 15 mit Hilfe
eines mit 10 000 Hz arbeitenden Generators mit einer Leistung von 50 kW durchgeführt
werden, der mit einer aus nur einer Windung bestehenden Induktionserhitzungswicklung
15 verbunden ist. Wenn Rohre größeren Durchmessers geschweißt werden sollen, z.
B. solche mit einem Durchmesser von etwa 75 mm und einer Wandstärke von etwa 6,5
mm, kann ein mit einer Frequenz von 10 000 Hz arbeitender Generator mit einer Leistung
von 750 kW verwendet werden, wobei das Werkstück mit der sehr hohen Geschwindigkeit
von etwa 90 m in der Minute vorwärts bewegt werden kann. In diesem Fall wird das
Metallband 11 in dem Ofen 10 zweckmäßig auf eine etwas über dem Curiepunkt liegende
Temperatur vorerhitzt, so daß der ganze Querschnitt des Bandmetalls. ausreichend
erhitzt wird, um nach dem Schweißen ein leichtes Recken des Rohres auf den gewünschten
kleineren Durchmesser zu ermöglichen.
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Die Erfindung ist besonders für solche Anlagen geeignet, die bereits
zur Durchführung der Erhitzung des Bandmetalls in einem Ofen ausgerüstet sind und
in der eingangs an erster Stelle erwähnten Weise mit Zuführung von Luft oder Sauerstoff
arbeiten. In solchenFällenkann dieEinrichtung, mittels derenLuftoder Sauerstoff
kurz vor der Schweißstelle auf dieSchweißkanten aufgeblasen wird' einfach weggenommen
und durch eine Induktionserhitzungswicklung gemäß der Erfindung ersetzt werden.
Hierbei lassen sich in den meisten Fällen folgende bedeutende Vorteile erzielen:
1. Durch die Möglichkeit, den Ofen in einem Temperaturbereich zu betreiben, der
um mehrere hundert Grad unter dem bis jetzt üblichen Temperaturbereich liegt, wergen
die Betriebs-und Wartungskosten erheblich vermindert.
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2. Die niedrigen Ofentemperaturen führen zu einer erheblichen Verminderung
der Zunderverluste. 3. Die Verminderung der Zunderbildung ermöb licht eine erhebliche
Verbesserung der Güte der Schweißnaht. 4. Es lassen sich dünnere Bänder aus eisenhaltigem
Metall zu geschweißten Rohren verarbeiten.
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5. Der Gasverbrauch zum Erhitzen des Metalls verringert sich.
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6. Da auf dem Bandmetall kein Zunder vorhanden ist, nutzen sich die
Form- und Druckwalzen weniger schnell ab.
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7. Die Walzanlage läßt sich bei einer niedrigen Temperatur betreiben,
so daß sie sich leichter im betriebsfähigen Zustand halten läßt.
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B. Die allgemeinen Arbeitsbedingungen in der Umgebung der Anlage werden
verbessert, da weniger Abwärme entsteht.
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9. Die Herstellungs- bzw. Arbeitsgeschwindigkeit kann erheblich gesteigert
werden; während sie bei dem vorstehend als bekannt erwähnten Ofenerhitzungsverfahren
auf die Geschwindigkeit begrenzt ist, mit welcher der Ofen das Bandmetall auf etwa
1200° C erhitzt, kann mit dem Verfahren nach der Erfindung, weil das Metallband
den Ofen mit einer niedrigeren Temperatur durchläuft, bei dem gleichen Ofen mit
einer wesentlich höheren Geschwindigkeit gearbeitet werden.
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Vorstehend ist die Erfindung in ihrer Anwendung beim Herstellen längsnahtgeschweißter
Rohre beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch angewendet werden, um zwei band-
oder streifenförmige Stücke aus eisenhaltigem Metall durch eine Längsschweißnaht
miteinander zu verbinden. Hierfür ist es lediglich erforderlich, daß die beiden
Stücke zur Erhitzung auf die dem Curiepunkt entsprechende Temperatur gemeinsam den
Ofen durchlaufen und gemeinsam an der Induktionserhitzungswicklung und den Druckwalzen
vorbeigeführt werden.
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Ferner kann die dargestellte Einrichtung so abgeändert werden, daß
zwei oder mehr Metallbänder oder -streifen so geformt und durch Anwendung der Erfindung
so miteinander verschweißt werden können, daß ein Rohr oder sonstiger Hohlkörper
mit einer anderen als kreisförmigen Querschnittsform entsteht.