Zunächst zu den Produktionsstandards für nahtlose Stahlrohre:
1. Qualitätsanforderungen an nahtlose Stahlrohre.
① Chemische Zusammensetzung von Stahl: Die chemische Zusammensetzung von Stahl ist der wichtigste Faktor für die Eigenschaften nahtloser Stahlrohre. Sie bildet die Grundlage für die Festlegung der Prozessparameter beim Walzen und der Wärmebehandlung von Stahlrohren. In der Norm für nahtlose Stahlrohre werden je nach Verwendungszweck unterschiedliche Anforderungen an die Stahlerzeugung und die Herstellungsverfahren der Rohrrohlinge gestellt. Zudem gelten strenge Vorschriften für die chemische Zusammensetzung. Insbesondere werden Anforderungen an den Gehalt bestimmter schädlicher chemischer Elemente (Arsen, Zinn, Antimon, Blei, Wismut) und Gase (Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff usw.) gestellt. Um die Gleichmäßigkeit der chemischen Zusammensetzung und die Reinheit des Stahls zu verbessern, nichtmetallische Einschlüsse in den Rohrrohlingen zu reduzieren und deren Verteilungsmorphologie zu optimieren, wird der flüssige Stahl häufig außerhalb des Ofens raffiniert. Zum Umschmelzen und Raffinieren der Rohrrohlinge kommen sogar Elektroschlackeöfen zum Einsatz.
② Geometrische Genauigkeit und Außendurchmesser von Stahlrohren: Genauigkeit des Außendurchmessers, Wandstärke, Ovalität, Länge, Krümmung, Neigung der Stirnflächenschnitte, Nutwinkel und stumpfe Kante der Stirnflächen, Querschnittsabmessungen von Stahlrohren mit Sonderprofilen
A. Genauigkeit des Außendurchmessers von Stahlrohren: Die Genauigkeit des Außendurchmessers nahtloser Stahlrohre hängt vom Kalibrierverfahren (einschließlich Spannungsreduzierung), der Bedienung der Anlagen, dem Prozesssystem usw. ab. Sie ist außerdem abhängig von der Bearbeitungsgenauigkeit der Kalibriermaschine sowie der Verformungsverteilung und -einstellung der einzelnen Walzgerüste. Bei kaltgewalzten nahtlosen Stahlrohren hängt die Genauigkeit des Außendurchmessers von der Genauigkeit der Walzgerüste bzw. Walzbohrungen ab.
B. Wandstärke: Die Genauigkeit der Wandstärke nahtloser Stahlrohre hängt von der Wärmequalität des Rohlings, den Prozessparametern und den Einstellparametern jedes Umformprozesses, der Werkzeugqualität und der Schmierqualität ab. Eine ungleichmäßige Verteilung der Wandstärke von Stahlrohren äußert sich in ungleichmäßiger Quer- und Längswandstärke.
③ Oberflächenqualität von Stahlrohren: Die Norm legt die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit von Stahlrohren fest. Allerdings können während des Produktionsprozesses aus verschiedenen Gründen bis zu zehn verschiedene Arten von Oberflächenfehlern an Stahlrohren auftreten. Dazu gehören Oberflächenrisse, Haarrisse, innere und äußere Falten, Durchstiche, innere und äußere Rundungen, Delaminationen, Narben, Poren, Wölbungen, Lochfraß, Abrieb (Kratzer), innere und äußere Spiralen, blaue Linien, Richtarbeiten, Walzspuren usw. Die Hauptursachen für diese Fehler sind Oberflächenfehler oder innere Defekte des Rohrrohlings. Andererseits entstehen sie auch während des Produktionsprozesses. Beispielsweise können ungeeignete Walzprozessparameter, eine unebene Werkzeugoberfläche, mangelhafte Schmierung, fehlerhafte Bohrungsgestaltung und -justierung usw. zu Problemen mit der Oberflächenqualität des Stahlrohrs führen. Oder wenn der Rohrrohling (Stahlrohr) erhitzt, gewalzt, wärmebehandelt und gerichtet wird und die Erhitzungstemperatur nicht ordnungsgemäß gesteuert wird, die Verformung ungleichmäßig ist, die Erhitzungs- und Abkühlgeschwindigkeit unangemessen ist oder die Verformung beim Richten zu groß ist, kann dies ebenfalls zu Oberflächenrissen am Stahlrohr führen.
④ Physikalische und chemische Eigenschaften von Stahlrohren: Zu den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Stahlrohren zählen die mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur, die mechanischen Eigenschaften bei bestimmten Temperaturen (Wärmefestigkeit bzw. Tieftemperaturverhalten) sowie die Korrosionsbeständigkeit (Oxidationsbeständigkeit, Beständigkeit gegen Wassererosion, Säure- und Laugenbeständigkeit usw.). Im Allgemeinen hängen die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Stahlrohren hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung, der Gefügestruktur, der Reinheit des Stahls und dem Wärmebehandlungsverfahren ab. Selbstverständlich beeinflussen in manchen Fällen auch die Walztemperatur und das Umformverfahren die Eigenschaften der Stahlrohre.
⑤ Prozessleistung von Stahlrohren: Die Prozessleistung von Stahlrohren umfasst das Abflachen, Aufweiten, Biegen, Ringziehen und Schweißen von Stahlrohren.
⑥ Metallographische Struktur von Stahlrohren: Die metallographische Struktur von Stahlrohren umfasst Strukturen von Stahlrohren bei niedriger und hoher Vergrößerung.
⑦ Besondere Anforderungen an Stahlrohre: vom Kunden geforderte Sonderbedingungen.
Zweitens: Qualitätsprobleme im Produktionsprozess von nahtlosen Stahlrohren – Qualitätsmängel an den Rohrrohlingen und deren Vermeidung.
1. Qualitätsmängel an Rohrrohlingen und deren Vermeidung: Für die Herstellung nahtloser Stahlrohre können stranggegossene Rundrohrrohlinge, gewalzte (geschmiedete) Rundrohrrohlinge, zentrifugalgegossene Hohlrohrrohlinge oder direkt verwendete Stahlblöcke zum Einsatz kommen. In der Praxis werden aufgrund der geringen Kosten und der guten Oberflächenqualität hauptsächlich stranggegossene Rundrohrrohlinge verwendet.
1.1 Form- und Oberflächenqualitätsfehler von Rohrrohlingen
1.1.1 Formfehler: Bei Rundrohrblöcken umfassen die Formfehler hauptsächlich den Durchmesser und die Ovalität der Rohrblöcke, die Toleranz der Stirnflächen-Schnittfasen usw. Bei Stahlblöcken umfassen die Formfehler hauptsächlich die durch Verschleiß der Kokille verursachte falsche Form des Stahlblocks usw.
① Durchmesser und Ovalität des Rundrohrrohlings liegen außerhalb der Toleranz: In der Praxis gilt allgemein, dass beim Stanzen des Rohrrohlings die Druckreduktion vor dem Stanzkopf proportional zur Einwärtsfaltung des gestanzten Rohrohrs ist. Je größer die Druckreduktion am Stanzkopf ist, desto wahrscheinlicher bildet sich vorzeitig ein Hohlraum im Rohrohrrohling, und das Rohrohr neigt zu Innenrissen. In der normalen Produktion werden die Lochparameter der Stanzmaschine anhand des Nenndurchmessers des Rohrrohlings sowie des Außendurchmessers und der Wandstärke des Rohrohrs bestimmt. Wird die Lochform angepasst und der Außendurchmesser des Rohrrohlings überschreitet die positive Toleranz, erhöht sich die Druckreduktion vor dem Stanzkopf, und das gestanzte Rohrohr weist eine Einwärtsfaltung auf. Ist der Außendurchmesser des Rohrrohlings hingegen zu negativ, verringert sich die Druckreduktion vor dem Stanzkopf, und der erste Einstichpunkt des Rohrrohlings verlagert sich in Richtung des Stanzhalses, was den Stanzvorgang erschwert. Ovalität außerhalb der Toleranz: Wenn die Ovalität des Rohrrohlings ungleichmäßig ist, rotiert der Rohrrohling nach dem Eintritt in die Stanzverformungszone instabil, und die Walze zerkratzt die Oberfläche des Rohrrohlings, was zu Oberflächenfehlern am Rohrohr führt.
② Die Stirnflächenfase des Rundrohrrohlings liegt außerhalb der Toleranz: Die Wandstärke des vorderen Endes des gestanzten Rohrohrs ist ungleichmäßig. Hauptgrund hierfür ist, dass der Stempel beim Stanzen an der Stirnfläche des Rohlings anliegt, wenn dieser keine Zentrierbohrung aufweist. Aufgrund der starken Neigung der Stirnfläche lässt sich die Spitze des Stempels nicht mittig im Rohrohr ausrichten, was zu einer ungleichmäßigen Wandstärke der rauen Rohrstirnfläche führt.
1.1.2 Oberflächenqualitätsfehler (Strangguss-Rundrohrblock): Oberflächenrisse am Rohrblock: Längsrisse, Querrisse und Netzrisse. Ursachen von Längsrissen:
A. Der durch die Fehlausrichtung der Düse und des Kristallisators verursachte Strömungsversatz führt zur Erosion der erstarrten Hülle des Rohrblocks;
B. Die Schmelzeigenschaften der Schutzschlacke sind schlecht, und die flüssige Schlackenschicht ist entweder zu dick oder zu dünn, was zu einer ungleichmäßigen Dicke des Schlackenfilms führt und die lokale Erstarrungsschicht des Rohrblocks zu dünn macht.
C. Schwankung des Kristallisationsflüssigkeitsspiegels (bei einer Schwankung des Flüssigkeitsspiegels von ±10 mm liegt die Rissbildungsrate bei etwa 30 %);
D. P- und S-Gehalt im Stahl. (P﹥0,017 %, S﹥0,027 %, Längsrisse neigen dazu, zuzunehmen);
E. Bei einem C-Gehalt von 0,12%-0,17% im Stahl nehmen Längsrisse tendenziell zu.
Vorbeugende Maßnahmen: A. Sicherstellen, dass Düse und Kristallisator ausgerichtet sind; B. Stabile Schwankungen des Kristallisationsflüssigkeitsspiegels gewährleisten; C. Geeignete Kristallisationskonusform verwenden; D. Schutzschlacke mit hervorragenden Eigenschaften auswählen; E. Heißkopfkristallisator verwenden.
Ursachen von Querrissen: A. Zu tiefe Vibrationsmarken sind die Hauptursache für Querrisse. B. Ein erhöhter Gehalt an Niob und Aluminium im Stahl ist die auslösende Ursache. C. Das Rohrrohling wird bei einer Temperatur von 900–700 °C gerichtet. D. Die Intensität der Sekundärkühlung ist zu hoch.
Präventive Maßnahmen:
A. Der Kristallisator verwendet eine hohe Frequenz und eine kleine Amplitude, um die Tiefe der Vibrationsmarken auf der inneren Bogenfläche des Rohlings zu verringern;
B. Die sekundäre Kühlzone verwendet ein stabiles, schwaches Kühlsystem, um sicherzustellen, dass die Oberflächentemperatur während des Richtens über 900 Grad liegt.
C. Den Kristallisationsflüssigkeitsstand konstant halten;
D. Verwenden Sie Schutzschlacke mit guter Schmierleistung und niedriger Viskosität.
Ursachen von Oberflächennetzwerkrissen:
A. Der Hochtemperaturblock absorbiert das Kupfer des Kristallisationsmittels, das Kupfer wird flüssig und sickert dann entlang der Austenitkorngrenzen heraus.
B. Restliche Elemente im Stahl (wie Kupfer, Zinn usw.) bleiben auf der Oberfläche des Rohrs zurück und sickern entlang der Korngrenzen heraus;
Präventive Maßnahmen:
A. Verchromung der Oberfläche des Kristallisators zur Erhöhung der Oberflächenhärte;
B. Verwenden Sie ein angemessenes Sekundärkühlwasservolumen;
C. Die Restelemente im Stahl kontrollieren.
D. Der Mn/S-Wert ist so zu kontrollieren, dass er > 40 ist. Es gilt allgemein als erwiesen, dass Oberflächenrisse mit einer Tiefe von maximal 0,5 mm während des Erhitzungsprozesses oxidieren und keine weiteren Risse an der Stahlrohroberfläche verursachen. Da Oberflächenrisse während des Erhitzungsprozesses stark oxidieren, treten nach dem Walzen häufig Oxidationspartikel und Entkohlung auf.
Narbenbildung und dicke Haut am Rohr: Die Temperatur des flüssigen Stahls ist zu niedrig, der flüssige Stahl ist zu zähflüssig, die Düse ist verstopft, der Einspritzfluss ist ungleichmäßig usw. Aufgrund der Narbenbildung und der dicken Haut auf der Oberfläche des Rohrrohlings unterscheidet sich die Faltung des Stahlrohrs von den Narben- und Faltungsfehlern, die beim Rohrwalzen entstehen. Es weist sehr deutliche Oxidationsmerkmale auf, begleitet von Oxidationspartikeln und starker Entkohlung, und an den Defekten ist Eisenoxid vorhanden.
Poren im Rohling: Im Allgemeinen bilden sich beim Gießen des flüssigen Stahls durch das Platzen von Luftblasen unter der Oberfläche kleine Poren an der Oberfläche des Rohlings. Nach dem Walzen des Rohlings bildet sich eine dünne Hautschicht auf der Oberfläche des Stahlrohrs.
Ursachen für Poren und Rillen im Rohrrohling: Zum einen können diese während des Kristallisationsprozesses des Rohlings entstehen, bedingt durch die starke Konizität des Kristallisators oder die ungleichmäßige Abkühlung der Sekundärkühlzone. Zum anderen können sie durch mechanische Beschädigungen oder Kratzer an der Oberfläche des Rohrrohlings vor dessen vollständiger Abkühlung verursacht werden. Nach dem Durchstechen bilden sich Falten oder Narben (Poren) und tiefe Falten (Rillen) auf der Oberfläche des rauen Rohrs.
Rohrrohlinge mit „Ohren“ entstehen hauptsächlich durch einen nicht geschlossenen Walzspalt (zwischen der Richtwalze der Stranggießanlage und der Walzwalze des Walzwerks). Beim Richten oder Walzen des Rohrrohlings kann es zu hohem Druck an der Richt- oder Walzwalze oder zu einem zu kleinen Walzspalt kommen. Dadurch gelangt zu viel Blech in den Walzspalt. Nach dem Durchstechen bildet sich auf der rauen Rohroberfläche eine spiralförmige Falte. Unabhängig von der Art des Oberflächenfehlers des Rohrrohlings können beim Walzprozess Fehler an der Stahlrohroberfläche entstehen. Im schlimmsten Fall muss das gewalzte Stahlrohr verschrottet werden. Daher ist eine strenge Kontrolle der Oberflächenqualität des Rohrrohlings und die Beseitigung von Oberflächenfehlern unerlässlich. Nur Rohrrohlinge, die den Normen entsprechen, dürfen in die Rohrwalzproduktion gegeben werden.
1.2 Strukturelle Defekte von Rohrrohlingen bei geringer Leistung:
Sichtbare subkutane Blasen in Rohrrohlingen: Ursachen hierfür sind unzureichende Desoxidation des flüssigen Stahls und Gasgehalt (insbesondere Wasserstoff) im flüssigen Stahl, der auch eine wichtige Rolle bei der Bildung subkutaner Blasen in Rohrrohlingen spielt. Dieser Defekt bildet nach dem Perforieren oder Walzen eine unregelmäßige, abstehende Haut auf der Außenfläche des Stahlrohrs. Die Form ähnelt Fingernägeln. In schweren Fällen bedeckt sie die gesamte Außenfläche des Stahlrohrs. Dieser Defekt ist klein und oberflächlich und kann durch Schleifen entfernt werden.
Die Hauptursache für die subkutanen Risse im Rohrrohling liegt in den wiederholten Temperaturänderungen der Oberflächenschicht des Strangguss-Rundrohrrohlings, die zu mehrfachen Phasenübergängen führen. Im Allgemeinen entstehen dabei keine Defekte, und falls doch, handelt es sich lediglich um leichte Falten.
Mittel- und Kernrisse in Rohrknüppeln: Mittel- und Kernrisse in Stranggieß-Rundrohrknüppeln sind die Hauptursache für die Einwärtsbiegung nahtloser Stahlrohre. Die Rissursachen sind sehr komplex und umfassen die Auswirkungen der Erstarrungswärmeübertragung, des Eindringens und der Spannungen im Knüppel. Im Allgemeinen werden sie jedoch durch den Erstarrungsprozess des Knüppels in der Sekundärkühlzone bestimmt.
Lockerheit und Schrumpfung von Rohrrohlingen: Diese entstehen hauptsächlich durch den Vorzugseffekt des Gefüges im Rohling während des Erstarrungsprozesses. Die Bewegung des flüssigen Metalls basiert auf dem durch die Abkühlung in Erstarrungsrichtung verursachten Schrumpfungswiderstand. Weist der Strangguss-Rundrohrrohling Lockerheit und Schrumpfung auf, beeinträchtigt dies die Qualität des Rohrohrs nach dem Schrägwalzen und Perforieren nur geringfügig.
1.3 Mikrostrukturelle Defekte an Rohrrohlingen: hochauflösendes Mikroskop oder Elektronenmikroskop.
Bei ungleichmäßiger Zusammensetzung und Struktur des Rohlings sowie starker Entmischung weist das gewalzte Stahlrohr eine ausgeprägte Streifenstruktur auf. Dies beeinträchtigt die mechanischen und Korrosionseigenschaften des Stahlrohrs und führt dazu, dass die Leistungsanforderungen nicht erfüllt werden. Ein zu hoher Anteil an Einschlüssen im Rohling beeinträchtigt nicht nur die Eigenschaften des Stahlrohrs, sondern kann auch während des Produktionsprozesses zu Rissen führen.
Faktoren: schädliche Elemente im Stahl, Zusammensetzung und Organisation der Rohrknüppel sowie nichtmetallische Einschlüsse in den Rohrknüppeln.
2. Erhitzungsfehler an Rohrrohlingen.
Bei der Herstellung warmgewalzter nahtloser Stahlrohre sind in der Regel zwei Erwärmungsprozesse erforderlich, um vom Rohling zum fertigen Rohr zu gelangen: die Erwärmung des Rohlings vor dem Perforieren und das Wiedererwärmen der Rohrohre nach dem Walzen vor dem Kalibrieren. Bei der Herstellung kaltgewalzter Stahlrohre ist ein Zwischenglühen notwendig, um die Eigenspannungen abzubauen. Obwohl die einzelnen Erwärmungsprozesse unterschiedliche Zwecke verfolgen und verschiedene Öfen zum Einsatz kommen können, führen ungeeignete Prozessparameter und eine fehlerhafte Wärmeregelung zu Erwärmungsfehlern im Rohling (bzw. in den Stahlrohren) und beeinträchtigen die Qualität der fertigen Rohre. Die Erwärmung des Rohlings vor dem Perforieren dient der Verbesserung der Plastizität des Stahls, der Reduzierung des Verformungswiderstands und der Erzielung eines guten Gefüges für das Walzen der Rohre. Als Wärmeöfen kommen Ring-, Hubbalken-, Schrägboden- und Wagenbodenöfen zum Einsatz. Das Wiedererwärmen der Rohrohre vor dem Kalibrieren dient der Erhöhung und Gleichmäßigkeit der Rohrohrtemperatur, der Verbesserung der Plastizität, der Kontrolle des Gefüges und der Sicherstellung der mechanischen Eigenschaften der Stahlrohre. Zu den Heizöfen zählen hauptsächlich Hubbalkenöfen, Durchlaufwalzenöfen, Schrägbodenöfen und elektrische Induktionsöfen. Die Glühbehandlung von Stahlrohren während des Kaltwalzens dient dazu, die durch die Kaltverformung verursachte Kaltverfestigung zu beseitigen, den Verformungswiderstand des Stahls zu verringern und die Voraussetzungen für die Weiterverarbeitung zu schaffen. Die für die Glühbehandlung eingesetzten Heizöfen umfassen hauptsächlich Hubbalkenöfen, Durchlaufwalzenöfen und Wagenöfen.
① Häufige Fehler bei der Erwärmung von Rohrrohlingen sind: ungleichmäßige Erwärmung des Rohrrohlings (Stahlrohr) (allgemein bekannt als Yin- und Yang-Oberfläche), Oxidation, Entkohlung, Erwärmungsrisse, Überhitzung und Überbrennen.
② Die wichtigsten Faktoren, die die Wärmequalität des Rohrrohlings beeinflussen, sind: Wärmetemperatur, Wärmegeschwindigkeit, Wärme- und Haltezeit sowie Ofenatmosphäre.
③ Erwärmungstemperatur des Rohrrohlings: Diese äußert sich hauptsächlich in zu niedriger, zu hoher oder ungleichmäßiger Erwärmung. Ist die Temperatur zu niedrig, erhöht sich der Verformungswiderstand des Stahls und seine Plastizität verringert sich. Insbesondere wenn die Erwärmungstemperatur keine vollständige Umwandlung des metallografischen Gefüges in Austenit gewährleistet, steigt die Rissneigung im Rohrrohling beim Warmwalzen. Ist die Temperatur zu hoch, kommt es an der Oberfläche des Rohrrohlings zu starker Oxidation, Entkohlung und sogar zu Überhitzung oder Verbrennung.
④ Aufheizgeschwindigkeit des Rohrrohlings: Die Aufheizgeschwindigkeit des Rohrrohlings beeinflusst maßgeblich die Entstehung von Aufheizrissen. Bei zu hoher Aufheizgeschwindigkeit neigt der Rohling zur Rissbildung. Der Hauptgrund dafür ist: Steigt die Oberflächentemperatur des Rohlings, entsteht ein Temperaturunterschied zwischen dem Inneren und der Oberfläche. Dies führt zu ungleichmäßiger Wärmeausdehnung und thermischen Spannungen. Überschreitet diese thermische Spannung die Bruchspannung des Materials, entstehen Risse. Diese können sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren des Rohlings auftreten. Beim Durchstechen eines rissigen Rohlings können sich leicht Risse oder Falten an der Innen- und Außenfläche des Rohlings bilden. Vorbeugung: Bei noch niedriger Temperatur des Rohlings nach dem Eintritt in den Ofen sollte die Aufheizgeschwindigkeit reduziert werden. Mit steigender Temperatur kann die Aufheizgeschwindigkeit entsprechend erhöht werden.
Aufheiz- und Haltezeit des Rohrrohlings: Die Dauer der Aufheiz- und Haltezeit des Rohrrohlings beeinflusst die Entstehung von Aufheizfehlern (Oberflächenoxidation, Entkohlung, grobes Korn, Überhitzung oder sogar Überbrennen usw.). Generell gilt: Je länger der Rohrrohling hohen Temperaturen ausgesetzt ist, desto wahrscheinlicher sind starke Oberflächenoxidation, Entkohlung, Überhitzung oder sogar Überbrennen, was im schlimmsten Fall zum Ausschuss des Stahlrohrs führen kann. Vorbeugende Maßnahmen: A. Sicherstellen, dass der Rohrrohling gleichmäßig erhitzt und vollständig in eine Austenitstruktur umgewandelt wird; B. Karbide müssen sich in den Austenitkörnern auflösen; C. Grobe Austenitkörner und Mischkristallbildung sind zu vermeiden; D. Der Rohrrohling darf nach dem Erhitzen nicht überhitzt oder überbrennen.
Kurz gesagt, um die Wärmequalität des Rohrrohlings zu verbessern und Wärmefehler zu vermeiden, werden bei der Festlegung der Prozessparameter für die Rohrrohlingerwärmung im Allgemeinen folgende Anforderungen beachtet: A. Genaue Wärmetemperatur, um sicherzustellen, dass der Perforationsprozess im Temperaturbereich mit optimaler Permeabilität des Rohrrohlings erfolgt; B. Gleichmäßige Wärmetemperatur, wobei die Temperaturdifferenz des Rohrrohlings in Längs- und Querrichtung maximal ±10 °C betragen sollte; C. Minimale Metallverbrennung, wobei während des Wärmeprozesses eine übermäßige Oxidation, Oberflächenrisse, Verklebungen usw. des Rohrrohlings vermieden werden sollten; D. Angemessenes Wärmesystem, wobei Wärmetemperatur, Wärmegeschwindigkeit und Wärmezeit (Haltezeit) optimal aufeinander abgestimmt sein sollten, um eine Überhitzung oder gar ein Überbrennen des Rohrrohlings zu verhindern.
Veröffentlichungsdatum: 17. Januar 2025