DE102009039710A1

DE102009039710A1 - Verfahren zur Herstellung warmgewalzter Hohlprofile mit kleinen Kantenradien

Info

Publication number: DE102009039710A1
Application number: DE102009039710A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Helten; Thomas Dr. Müller; Nicolas Trapp; Norbert Arzt; Thorsten Schmitz
Original assignee: V&M Deutschland GmbH
Current assignee: Vallourec Deutschland GmbH
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-08-29
Also published as: BR112012004309B1; US9056344B2; PL2470315T3; DE102009039710B4; ES2645756T3; KR101766692B1; US20120244372A1; KR20120089639A; EP2470315A2; EP2470315B1; WO2011023167A2; WO2011023167A3; CN102574191B; CN102574191A; BR112012004309A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung warmgewalzter Hohlprofile aus Stahl mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt, wobei zunächst ein im Wesentlichen rundes durch Warmwalzen nahtlos hergestelltes oder kaltgefertigtes geschweißtes Vorrohr mit einem definierten Nennaußendurchmesser erzeugt, anschließend bei Umformtemperatur zu einem Hohlprofil mit dem geforderten Querschnitt umgeformt wird und die Sichtkanten Cund Cder Hohlprofile einen Wert von ≰ 1,5 x t (t = Wanddicke) aufweisen. Dabei weist für einen vorgegebenen Profilquerschnitt das in das Profilwalzwerk einzuführende Vorrohr einen Nennaußendurchmesser auf, der aus einem zu erreichenden Reduktionsgrad des Vorrohres und den zu erreichenden Hohlprofilabmessungen ermittelt wird, wobei der Reduktionsgrad in einem Bereich von -2% bis -13% liegt und gemäß nachfolgender Formel ermittelt wird: Reduktionsgrad R[%] = [(2 x (H + B)) - π x D] x 100%/[2 x (H + B)].

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung warmgewalzter Hohlprofile aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestelltes Hohlprofil gemäß Patentanspruch 5 sowie die Verwendung eines derartigen Hohlprofils gemäß Patentanspruch 6. Insbesondere handelt es sich dabei um von der Kreisform abweichende Hohlprofile, wie beispielsweise warmgefertigte Hohlprofile gemäß EN 10210-2.
Die als MSH^®-Profile bekannten warmgewalzten Hohlprofile können sowohl aus kaltgefertigten längsnahtgeschweißten wie auch aus warmgefertigten nahtlosen Vorrohren mit im Wesentlichen rundem Ausgangsquerschnitt hergestellt werden.
Beim Einsatz kaltgerfertigter längsnahtgeschweißter Vorrohre wird zunächst aus einem zu einem Schlitzrohr geformten Stahlband, im Regelfall mittels HFI-Schweißens, ein Rundrohr hergestellt, welches nach Erwärmung auf Umformtemperatur in entsprechenden Profilwalzgerüsten zu einem Hohlprofil warmgewalzt wird.
Bei der Verwendung warmgefertigter nahtloser Vorrohre werden diese entweder in gleicher Hitze oder auf Walztemperatur wiedererwärmt und anschließend mit entsprechenden Walzen zu einem Hohlprofil mit dem geforderten rechteckigen oder quadratischen Querschnitt umgeformt.
Entsprechend hergestellte Hohlprofile, werden im Wesentlichen als Konstruktionsrohre neben dem klassischen Anwendungsgebiet des Stahlhochbaus zunehmend auch im Industrie-, Sportstätten-, Brücken- und Maschinenbau, im Baumaschinen-, Spezial-, Nutzfahrzeug- und Landmaschinenbau sowie im Stahl- und Hochbau eingesetzt.
Zunehmende Forderungen nach umweltschonenderen und wirtschaftlicheren Bauweisen führten zur Entwicklung warmgewalzter Hohlprofile, die sich durch ein, bezogen auf das geforderte Flächenträgheits- bzw. Widerstandmoment, geringeres Gewicht bzw. einen größeren Querschnitt bei gleicher Nominalabmessung (Kantenlänge × Nennwanddicke) auszeichnen und im Vergleich zu Hohlprofilen, die z. B. durch Kaltfertigung aus gebogenem Blech hergestellt werden, deutlich kleinere Kantenradien bzw. Sichtkanten aufweisen.
Da die Kantenradien der Hohlprofile in der Praxis ungleichmäßig sind, werden in der EN 10210-2 nicht die äußeren Rundungsradien sondern die Längen der Rundungsbereiche angegeben, im Folgenden Sichtkanten genannt.
Die Vorteile kleiner Sichtkanten bei Hohlprofilen sind einerseits ein größeres Flächenträgheitsmoment und eine größere Biege- und Torsionssteifigkeit, zum Anderen ergibt sich bei Anschlüssen im Profilkantenbereich eine kleinere Schweißfuge und somit eine ansprechendere Optik, was bei Sichtkonstruktionen sehr wichtig ist.
Des Weiteren ergibt sich eine breitere Auflagefläche für anzuschließende Querschnitte, wodurch die Tragfähigkeit erhöht wird. Außerdem kann eine Kraft zumindest teilweise gradlinig in eine parallel zur Kraft stehende Profilwand eingeleitet werden, wenn die Sichtkante kleiner als die Wanddicke ist, was für die statische Bemessung vorteilhaft ist.
Warmgefertigte Hohlprofile mit einer nach EN 10210-2 maximal zulässigen Sichtkantenlänge von ≤ 3,0 × t (t = Wanddicke) sind jedoch nicht mehr für alle Anwendungsbereiche ausreichend.
Hier ist beispielsweise der Anwendungsbereich für kletterfähige Turmdrehkrane für den Hochhausbau zu nennen. Bei diesen Kranen wird durch Einfügen zusätzlicher Turmelemente die Turmhöhe und damit die Kran- und Hakenhöhe schrittweise erhöht und so dem Baufortschritt angepasst.
Die Turmelemente sind aus quadratischen oder rechteckigen Hohlprofilen zusammengesetzt, wobei die vertikal verlaufenden Turmelementeckprofile, die sogenannten „Eckstiele”, durch mittig im Hohlprofil angeordnete Bolzen miteinander verbunden werden.
Zur Aufstockung der Turmelemente wird ein Führungsgestell entlang der vertikal verlaufenden Turmelementeckprofile verwendet, bei dem die Führungsrollen aus Platzgründen wegen der Bolzenverbindung sehr nahe an der Profilkante laufen müssen. Bei zu großen Sichtkanten würden die Führungsrollen zu weit in der Hohlprofilmitte laufen, so dass die einzelnen Turmelemente nicht mehr durch die Bolzen verbunden werden könnten.
Weitere Anwendungsbereiche für Hohlprofile mit kleineren Sichtkanten sind z. B. die Untergurte der Ausleger von Laufkatz-Turmdrehkranen um eine breitere Auflagefläche für die Laufkatzrollen zu erhalten oder generell bei auf Biegung beanspruchten Profilen, z. B. für das aus der DE 10 2007 031 142 bekannte Kranbahntragsystem aus Stahl für hohe Beanspruchungen und das aus der DE 10 2006 010 951 bekannte Tragsystem aus Stahl für Dachkonstruktionen.
Der für warmgefertigte Hohlprofile nach EN 10210-2 zulässige maximale Wert für die Sichtkantenlänge C₁ und C₂ von ≤ 3,0 × t ist für die vorgenannten Anwendungsbereiche deutlich zu hoch. Gemäß EN 10210 wird dafür deshalb grundsätzlich ein Wert von 1,5 × t als Berechnungsgrundlage angesetzt.
Bislang ist es walztechnisch noch nicht gelungen, die Sichtkantenlängen bei Hohlprofilen aus kaltgefertigten geschweißten oder warmgefertigten nahtlos hergestellten Vorrohren so zu reduzieren, dass diese für die beschriebenen Anwendungsbereiche wirtschaftlich einsetzbar sind. Es wurde deshalb immer nach einem Kompromiss zwischen Walzbarkeit des Hohlprofils, Verschleiß der Walzen und der Sichtkantenlänge gesucht, was aber noch nicht zum gewünschten Erfolg führte.
Für diese Anwendungen werden deshalb bislang vorrangig beispielsweise aus zwei L-förmigen Schenkeln zusammengeschweißte Hohlprofile verwendet, die mit ≤ 1,0 × t sehr kleine Sichtkantenlängen aufweisen und damit deutlich unter der Normvorgabe für warmgefertigte Hohlprofile liegen.
Diese aus Einzelprofilen zusammengeschweißten Hohlprofile haben jedoch bedingt durch die Schweißnaht den Nachteil inhomogener Werkstoffeigenschaften und durch die Schweißnahteigenspannungen eine erhöhte Verzugsgefahr und sind aufwändig in der Herstellung.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung warmgewalzter Hohlprofile mit rechteckigem oder quadratischen Querschnitt aus geschweißten oder nahtlos hergestellten Vorrohren anzugeben, mit dem in einfacher und kostengünstiger Weise im Zuge der walztechnischen Herstellung der Hohlprofile auch Sichtkantenlängen mit C₁ bzw. C₂ ≤ 1,5 × t realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie ein mit diesem Verfahren hergestelltes Hohlprofil sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren verwendet, bei dem für einen vorgegebenen Profilquerschnitt das in das Profilwalzwerk einzuführende Vorrohr bezogen auf den bislang standardmäßig eingesetzten Nennaußendurchmesser einen vergrößerten Durchmesser aufweist, der aus einem zu erreichenden Reduktionsgrad des Vorrohres und den zu erreichenden Hohlprofilabmessungen ermittelt wird, wobei der zu erreichende Reduktionsgrad in einem Bereich von –2,0% bis –13% liegt und gemäß nachfolgender Formel ermittelt wird: Reduktionsgrad R[%] = [(2 × (H + B)) – π × D] × 100%/[2 × (H + B)]
Im Rahmen umfangreicher Versuche wurde überraschend festgestellt, dass bei vorgegebenem Kaliber der Walzen der Einsatz eines gegenüber einem Standard-Vorrohrdurchmesser vergrößerten Durchmessers des Vorrohres zu einer deutlich verbesserten Kaliberfüllung in den Kantenbereichen führt mit der Folge, dass deutlich kleinere Sichtkanten realisiert werden können.
Durch entsprechende Wahl des Reduktionsgrades des Vorrohres bzw. des Vorrohrdurchmessers können jetzt nicht nur Sichtkantenlängen von ≤ 1,5 × t realisiert werden sondern sogar auch Sichtkantenlängen von ≤ 1,0 × t bzw. ≤ 0,6 × t.
Wie die Versuche gezeigt haben, steigt allerdings bei zu großem Vorrohrdurchmesser, also zu großem Reduktionsgrad im Vergleich zum Standard- Vorrohrdurchmesser, die Gefahr des Walzsteckers, bei dem das durch die Walzen angetriebene umzuformende Rohr im Walzgerüst bereits vor dem Verlassen der Umformzone keinen Vorschub mehr erfährt und im Walzgerüst stecken bleibt.
Außerdem besteht oberhalb eines gewissen Vorrohrdurchmessers die Gefahr, dass Werkstoff in den Walzspalt einläuft und so ein Grat oder Wulst entsteht, der im Nachgang aufwändig abgearbeitet werden muss.
Bei einem im Vergleich zum Standard- Vorrohrdurchmesser zu geringen Vorrohrdurchmesser, also einem zu geringem Reduktionsgrad, ist die Kaliberfüllung in den Radienbereichen nicht ausreichend und es wird keine genügend kleine Sichtkante erzeugt.
Der erfindungsgemäßen Vergrößerung des Vorrohrdurchmessers durch Einhalten des erforderlichen Reduktionsgrades sind damit relativ enge Grenzen gesetzt, wobei sich Reduktionsgrade von –2,2% bis –4,0% für Sichtkantenlängen ≤ 1,0 × t und von < –4,0% für Sichtkantenlängen ≤ 0,6 × t als vorteilhaft erwiesen haben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können diese Werte sogar ohne eine Änderung in der Kalibrierung der Walzen im Vergleich zum Einsatz eines Standard-Vorrohrdurchmessers erreicht werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass im Vergleich zu den aus Einzelprofilen zusammengeschweißten Hohlprofilen nunmehr sehr wirtschaftlich herstellbare warmgewalzte Hohlprofile auch für Anwendungsbereiche eingesetzt werden können, die wegen der bislang zu großen Sichtkantenlängen dort nicht einsetzbar waren.

Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Wirkungsweise der Erfindung.
Kundenanforderung: C₁ bzw. C₂ ≤ 1,0 × t nach EN 10210-2 Beispiel 1:

geforderte Abmessung des Hohlprofils (H × B × t):	220 × 220 × 16 mm
Umfang des warmen Vorrohres (U):	889,07 mm
errechneter Reduktionsgrad:	–1,02
gemessene Sichtkantenlänge C₁ bzw. C₂:	21 mm
ermittelter Faktor C₁/t bzw. C₂/t:	21/16 = 1,3 (nicht erfüllt)

Beispiel 2:

geforderte Abmessung des Hohlprofils (H × B × t):	220 × 220 × 16 mm
Umfang des warmen Vorrohres (U):	907,92 mm
errechneter Reduktionsgrad:	–3,08
gemessene Sichtkantenlänge C₁ bzw. C₂:	14 mm
ermittelter Faktor C₁/t bzw. C₂/t:	14/16 = 0,9 (erfüllt)

Beispiel 3:

geforderte Abmessung des Hohlprofils (H × B × t):	220 × 220 × 16 mm
Umfang des warmen Vorrohres (U):	927,43 mm
Reduktionsgrad:	–5,11%
gemessene Sichtkantenlänge C₁ bzw. C₂:	9 mm
ermittelter Faktor C₁/t bzw. C₂/t:	9/16 = 0,6 (erfüllt)

Nachfolgend ist ein Anwendungsbeispiel für den Einsatz eines erfindungsgemäßen Hohlprofils anhand einer Schnittdarstellung näher beschrieben.
In der einzigen Figur ist ein Ausschnitt eines Turmelementes eines Turmdrehkranes dargestellt, bei dem erfindungsgemäß hergestellte Hohlprofile mit kleinen Sichtkanten als Konstruktionselement zum Einsatz kommen.
Das Hohlprofil 1 des Turmelementes ist als senkrecht verlaufendes Turmelementeckprofil „Eckstiel” ausgebildet. Die Sichtkanten des Hohlprofils sind mit C₁ und C₂ bezeichnet.
Die Verbindung mit dem aufzustockenden Turmelement geschieht mittels eines mittig durch die gegenüber liegenden Schenkel des Hohlprofils 1 durchgesteckten Bolzens 2, der die Turmelementeckprofile des unteren mit denen des darauf aufgesetzten Turmelementes verbindet.
Das Hohlprofil 1 ist im Bereich der Bolzenverbindung mit Verstärkungslaschen 4, 4' versehen und der Bolzen 2 durch Splinte 3, 3' gegen Lösen gesichert.

Zur Aufstockung der Turmelemente wird ein Führungsgestell 5 entlang der vertikal verlaufenden Turmelementeckprofile verwendet, bei dem Führungsrollen 6, 6' wegen der Bolzenverbindung aus Platzgründen sehr nahe an der Profilkante laufen müssen. Dieses lässt sich nun mit dem erfindungsgemäß hergestellten warmgewalzten Hohlprofil wegen der sehr kleinen Sichtkantenlänge problemlos realisieren. Bezugszeichenliste

Nr.	Bezeichnung
1	Hohlprofil
2	Bolzen
3, 3'	Splinte
4, 4'	Verstärkungslaschen
5	Führungsgestell
6, 6'	Führungsrollen
H, B	Kantenlängen des Hohlprofils (Höhe, Breite) in mm
D	Durchmesser des warmen Vorrohrs vor Walzbeginn in mm
U	Umfang des warmen Vorrohrs vor Walzbeginn in mm
t	Wanddicke in mm
C1, C2	Sichtkantenlängen in mm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007031142 [0014]
DE 102006010951 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 10210-2 [0001]
EN 10210-2 [0007]
EN 10210-2 [0010]
EN 10210-2 [0015]
EN 10210 [0015]
EN 10210-2 [0030]

Claims

Verfahren zur Herstellung warmgewalzter Hohlprofile aus Stahl mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt, wobei zunächst ein im Wesentlichen rundes durch Warmwalzen nahtlos hergestelltes oder kaltgefertigtes geschweißtes Vorrohr mit einem definierten Nennaußendurchmesser erzeugt, anschließend bei Umformtemperatur zu einem Hohlprofil mit dem geforderten Querschnitt umgeformt wird und die Sichtkanten C₁ und C₂ der Hohlprofile einen Wert von ≤ 1,5 × t (t = Wanddicke) aufweisen dadurch gekennzeichnet, dass für einen vorgegebenen Profilquerschnitt das in das Profilwalzwerk einzuführende Vorrohr einen Nennaußendurchmesser aufweist, der aus einem zu erreichenden Reduktionsgrad des Vorrohres und den zu erreichenden Hohlprofilabmessungen ermittelt wird, wobei der Reduktionsgrad in einem Bereich von –2% bis –13% liegt und gemäß nachfolgender Formel ermittelt wird: Reduktionsgrad R[%] = [(2 × (H + B)) – π × D] × 100%/[2 × (H + B)]
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für eine Sichtkantenlänge C₁ und C₂ der Hohlprofile von ≤ 1,0 × t der Reduktionsgrad des Vorrohrs < –2,2 bis –4% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für eine Sichtkantenlänge C₁ und C₂ der Hohlprofile von ≤ 0,6 × t der Reduktionsgrad des Vorrohrs < –4,0% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen zu einem Hohlprofil unter Beibehaltung der Kalibrierung der Profilwalzen für den Einsatz eines Vorrohrs mit einem Standard-Vorrohrdurchmesser erfolgt.
Hohlprofil, hergestellt mit den Merkmalen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Verwendung eines Hohlprofils nach Anspruch 5 als Konstruktionselement für den Industrie-, Sportstätten-, Brücken-, Maschinen-, Kran-, Baumaschinen-, Spezial- und Nutzfahrzeug-, Landmaschinen- sowie Stahl- und Hochbau.