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28. März 2012

Dornstange ist nicht gleich Dornstange. Die Deutschen Edelstahlwerke produzieren auch Dornstangen mit Buttressgewinde

Erdöl und Erdgas sind mitunter die wichtigsten Energielieferanten unserer modernen Welt. Ob zur Erzeugung von Elektrizität oder als Treibstoff für Fahrzeuge – die Nutzung dieser fossilen Energieträger ist vielfältig. Um Erdöl und Erdgas sicher und verlustarm zu fördern und von den Förderstätten zur Weiterverarbeitung zu transportieren, kommen Nahtlosrohre zum Einsatz. Hergestellt werden sie in hochmodernen PQF- (Premium Quality Finishing Mill) und FQM- (Fine Quality Mill) Rohrwalzanlagen mithilfe einer Dornstange. Diese wird mittels eines Spezialgewindes (Buttressgewinde) zusammen mit zwei Hilfswerkzeugen (Verlängerungs- und Endteil) an der Anlage fixiert. Damit Innen- und Außengewinde formschlüssig ineinanderpassen, ist äußerste Präzision beim Gewindeschneiden gefragt. Die Deutsche Edelstahlwerke GmbH stellt aus Warmarbeitsstählen Dornstangen mit passgenauen Buttressgewinden her – von der Stahlerschmelzung über die Anarbeitung bis zum einbaufertigen Werkzeug. Dabei kommt es vor allem auf den richtigen Werkstoff, einen einwandfreien Herstellungsprozess und Präzision an.

Die Nachfrage nach Dornstangen mit Buttressgewinde beläuft sich bei den Deutschen Edelstahlwerken auf rund 500 Stück pro Jahr. Das Stahlunternehmen stellt sie mit einem Durchmesser zwischen 100 und 330 Millimetern und einer Länge zwischen zehn und 14 Metern her. Dabei ist der Verschleißwiderstand des Materials von entscheidender Bedeutung. „Die Dornstange ist bei PQF- und FQM-Anlagen das eigentliche Arbeitswerkzeug, auf dem ein vorgewärmter und vorgelochter Stahlblock über drei Rollen zur Luppe ausgewalzt wird. Dagegen handelt es sich bei Verlängerungs- und Endteil nur um weniger stark beanspruchte Hilfswerkzeuge“, erklärt Ulrich Walkenhorst, technischer Kundenberater im Vertrieb Warmarbeitsstahl.

Anders als beim Stoßbankverfahren, bei dem rund 30 Dornstangen abwechselnd die Stahlblöcke zu Luppen auswalzen, handelt es sich bei der Dornstange in PQF- und FQM-Anlagen um ein gehaltenes Werkzeug. „Diese ist im Rohrwalzwerk permanent im Einsatz und durch spezifische Walzkräfte einer ständigen Wechselbeanspruchung und hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Bis zu 800 Grad Celsius können während des Walzvorgangs an der Oberfläche entstehen“, erläutert Walkenhorst.

Nur spezielle Warmarbeitsstähle können unter diesen Belastungen für eine lange Lebensdauer des Werkzeugs sorgen. Die Deutschen Edelstahlwerke verwenden für die Produktion der Dornstangen für PQF- und FQM-Anlagen den Werkstoff Thermodur 2342.

„Dieser Werkstoff weist ein ideales Mengenverhältnis der karbidbildenden Elemente Kohlenstoff, Chrom, Molybdän und Vanadin auf. Einerseits sorgt eine ausreichende Carbidmenge für einen hohen Verschleißwiderstand und eine hohe Warmfestigkeit des Stahls. Andererseits ist die Carbidmenge so ausgelegt, dass sich die Carbide nicht an den Korngrenzen ablagern, wodurch eine Versprödung des Werkstoffs verhindert wird“, so Walkenhorst. Sollte aufgrund der intensiven Beanspruchung die Dornstange vor dem Verlängerungs- oder Endteil verschleißen, macht die Dreiteilung des Werkzeugs den problemlosen Austausch der Dornstange möglich – der Kunde spart dadurch Zeit und Materialkosten. Zudem ermöglicht der Werkstoff es, die verschlissene Dornstange auf einen kleineren Durchmesser nachzuarbeiten. Dadurch kann sie erneut in der PQF- und FQM-Anlagen eingesetzt werden.

Damit der Werkstoff und die daraus entstehende Dornstange tatsächlich die gewünschten Eigenschaften besitzen, sind viel Know-How und ein einwandfreier Herstellungsprozess notwendig.

Von der Erschmelzung zur Anarbeitung

Die Fertigung der Dornstange beginnt am Standort Witten der Deutschen Edelstahlwerke, wo im 130-Tonnen-Elektrolichtbogenofen selektierter Schrott zusammen mit den erforderlichen Legierungselementen erschmolzen wird. Im Fall der Warmarbeitsstähle ist es ein bestimmtes Verhältnis der Elemente Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Molybdän, Wolfram, Vanadin und Kobalt. Abhängig vom Einsatzzweck werden so die gewünschten Werkstoffeigenschaften, wie Zerspanbarkeit, Anlassbeständigkeit und Warmfestigkeit, herbeigeführt. Nach der sekundärmetallurgischen Behandlung wird der Stahl in Kokillen zu Blöcken oder in der Stranggießanlage senkrecht vergossen – eine Spezialität der Deutschen Edelstahlwerke. Weiter geht es mit der Warmumformung. Die Blöcke bzw. Stranggussriegel werden entweder im Wittener Walzwerk gewalzt oder in Krefeld auf der RF 70, einer der größten Langschmiedemaschinen der Welt, zum Stab geschmiedet. Mit welchem Verfahren der Block umgeformt wird, hängt einerseits von den Kundenvorschriften, andererseits vom Durchmesser des gewünschten Arbeitsteils ab. Anschließend wird der Stab in Durchlauföfen vergütet, indem man sie härtet und anlässt, um die gewünschten Gefüge- und Gebrauchseigenschaften einzustellen.

In der Schälerei des Standorts Witten wird dann aus dem Stab das eigentliche Werkzeug gefertigt. An den Fertigbearbeitungsaggregaten wird die Oberfläche der Dornstange, abhängig vom Kundenwunsch, zunächst geschält. Danach kommt die ASV 1000, eine vollautomatische Feinrichtpresse zum Einsatz, an der die Dornstange innerhalb von nur 30 Minuten auf die kundenspezifischen Toleranzen gerichtet wird.

Spezialwerkzeuge für passgenaue Spezialgewinde

An zwei modernen CNC Drehmaschinen erfolgt schließlich einer der wichtigsten Arbeitsschritte auf dem Weg zur fertigen Dornstange: die Endenbearbeitung. Ulrich Walkenhorst: „Mithilfe eines Spezialwerkzeugs, dem Drehstahl, wird ein innen liegendes Buttressgewinde in die Dornstange geschnitten. Dieses kegelförmige Trapezgewinde ist nach API (American Petroleum Institut) standardisiert, die Größe der Kegel- und Trapezform kann aber den Kundenvorgaben entsprechend variieren. Daher ist äußerste Präzision beim Gewindeschneiden gefragt, damit beim Endprodukt das Innengewinde der Dornstange mit dem Außengewinde des Verlängerungsteils formschlüssig ineinanderpassen“. Dabei schneidet der feststehende Drehstahl das Gewinde in die sich drehende Dornstange. Um die Passgenauigkeit des Gewindes dauerhaft zu garantieren, müssen die Mitarbeiter regelmäßig die Funktionsfähigkeit der Werkzeuge überprüfen.

Abschließend erfolgt die Kontrolle des Buttressgewindes mit einem so genannten Prüfdorn, einem gegensätzlichen Außengewinde. Schließen beide Gewinde formschlüssig ab, lassen sich auch beim Kunden Dornstange und Verlängerungsteil problemlos verbinden.

Nach dem Schleifen verschicken die Deutschen Edlestahlwerke die in schützende Holzkisten verpackten Dornstangen an Verchromer in Italien und der Schweiz. Um eine öl- und fettfreie Oberfläche zu erhalten, werden sie hier nochmals überschliffen und in einem horizontalen Chrombad verchromt. Zum Schutz der Oberfläche kann nach Kundenwunsch das Buttressgewinde zusätzlich phosphatiert werden. „Diese Firmen verfügen über die besten Anlagen und die jahrzehntelange Erfahrung bei der Verchromung unserer Dornstangen“, so Gerhard Westen, Mitarbeiter Vertrieb Werkzeugstahl bei den Deutschen Edelstahlwerken.

Die fertigen Dornstangen liefert das Stahlunternehmen an PQF- und FQM-Rohrwalzwerke in Indien, China, USA, Russland, Mexiko und Brasilien. „Mit einem geeigneten Schmiermittel versehen, können mit nur einer Dornstange über 3.000 Rohrluppen ausgewalzt werden. Eine beachtliche Zahl – kein Wunder, dass Qualität und Präzision da stimmen müssen“, schließt Ulrich Walkenhorst.