Stalen buizen zijn lange, holle buizen die voor diverse doeleinden worden gebruikt. Ze worden op twee verschillende manieren geproduceerd, waarbij gelaste of naadloze buizen ontstaan. Bij beide methoden wordt ruw staal eerst gegoten tot een beter bewerkbare basisvorm. Vervolgens wordt er een buis van gemaakt door het staal uit te rekken tot een naadloze buis of door de randen samen te persen en te lassen. De eerste methoden voor de productie van stalen buizen werden begin 19e eeuw geïntroduceerd en zijn sindsdien gestaag geëvolueerd tot de moderne processen die we vandaag de dag gebruiken. Jaarlijks worden er miljoenen tonnen stalen buizen geproduceerd. Door hun veelzijdigheid zijn ze het meest gebruikte product in de staalindustrie.
Geschiedenis
Mensen gebruiken al duizenden jaren pijpen. Wellicht werden ze voor het eerst gebruikt door landbouwers in de oudheid, die water van beken en rivieren naar hun akkers leidden. Archeologisch bewijs suggereert dat de Chinezen al rond 2000 v.Chr. rietpijpen gebruikten om water naar gewenste locaties te transporteren. Ook zijn er kleien buizen gevonden die door andere oude beschavingen werden gebruikt. In de eerste eeuw na Christus werden in Europa de eerste loden pijpen aangelegd. In tropische landen werden bamboebuizen gebruikt voor watertransport. De kolonisten in Amerika gebruikten hout voor een soortgelijk doel. In 1652 werd in Boston het eerste waterleidingnet aangelegd met behulp van holle boomstammen.
Gelaste buizen worden gevormd door stalen strips door een reeks gegroefde rollen te rollen, waardoor het materiaal in een cirkelvorm wordt geperst. Vervolgens passeert de ongelaste buis laselektroden. Deze apparaten verbinden de twee uiteinden van de buis met elkaar.
Al in 1840 konden ijzerbewerkers naadloze buizen produceren. Bij één methode werd een gat geboord door een massief, rond metalen blok. Dit blok werd vervolgens verhit en door een reeks matrijzen getrokken, waardoor het werd verlengd tot een buis. Deze methode was inefficiënt omdat het moeilijk was om het gat in het midden te boren. Dit resulteerde in een ongelijkmatige buis, waarbij de ene kant dikker was dan de andere. In 1888 werd een verbeterde methode gepatenteerd. Bij dit proces werd het massieve blok gegoten rond een vuurvaste bakstenen kern. Na afkoeling werd de baksteen verwijderd, waardoor een gat in het midden overbleef. Sindsdien hebben nieuwe walstechnieken deze methoden vervangen.
Ontwerp
Er bestaan twee soorten stalen buizen: naadloze buizen en buizen met een enkele lasnaad over de gehele lengte. Beide typen hebben verschillende toepassingen. Naadloze buizen zijn doorgaans lichter en hebben dunnere wanden. Ze worden gebruikt voor fietsen en het transport van vloeistoffen. Buizen met een lasnaad zijn zwaarder en stijver. Ze hebben een betere consistentie en zijn doorgaans rechter. Ze worden gebruikt voor bijvoorbeeld gastransport, elektrische leidingen en sanitair. Meestal worden ze gebruikt in situaties waar de buis niet aan een hoge spanning wordt blootgesteld.
Grondstoffen
De belangrijkste grondstof voor de productie van buizen is staal. Staal bestaat voornamelijk uit ijzer. Andere metalen die in de legering aanwezig kunnen zijn, zijn onder andere aluminium, mangaan, titanium, wolfraam, vanadium en zirkonium. Soms worden er tijdens de productie afwerkingsmaterialen gebruikt, zoals verf.
Naadloze buizen worden vervaardigd met behulp van een proces waarbij een massief blok staal wordt verhit en in een cilindrische vorm wordt geperst, waarna het wordt gewalst totdat het uitgerekt en uitgehold is. Omdat het uitgeholde midden onregelmatig van vorm is, wordt er tijdens het walsen een kogelvormige prikker door het midden van het blok geduwd. Naadloze buizen worden vervaardigd met behulp van een proces waarbij een massief blok staal wordt verhit en in een cilindrische vorm wordt geperst, waarna het wordt gewalst totdat het uitgerekt en uitgehold is. Omdat het uitgeholde midden onregelmatig van vorm is, wordt er tijdens het walsen een kogelvormige prikker door het midden van het blok geduwd. Dit wordt gebruikt als de buis gecoat is. Doorgaans wordt er aan het einde van de productielijn een kleine hoeveelheid olie op stalen buizen aangebracht. Dit helpt de buis te beschermen. Hoewel het geen onderdeel is van het eindproduct, wordt zwavelzuur in een van de productiestappen gebruikt om de buis te reinigen.
Het productieproces
Stalen buizen worden op twee verschillende manieren geproduceerd. De algehele productiemethode voor beide processen omvat drie stappen. Eerst wordt ruw staal omgezet in een beter bewerkbare vorm. Vervolgens wordt de buis gevormd op een continue of semi-continue productielijn. Ten slotte wordt de buis op maat gesneden en aangepast aan de wensen van de klant. Sommige fabrikanten van stalen buizen gebruikenbuislasersnijmachinedoor de buis vooraf te snijden of uit te hollen om de concurrentiekracht van de buizen te vergroten.
Naadloze buizen worden vervaardigd door een proces waarbij een massief blok metaal wordt verhit en in een cilindrische vorm geperst, waarna het wordt gewalst totdat het is uitgerekt en uitgehold. Omdat het uitgeholde midden onregelmatig van vorm is, wordt er tijdens het walsen een kogelvormige doorboor door het midden van het blok geduwd.
Ingotproductie
1. Gesmolten staal wordt gemaakt door ijzererts en cokes (een koolstofrijke stof die ontstaat wanneer steenkool wordt verhit in afwezigheid van zuurstof) in een oven te smelten, waarna het grootste deel van de koolstof wordt verwijderd door zuurstof in de vloeistof te blazen. Het gesmolten staal wordt vervolgens in grote, dikwandige ijzeren mallen gegoten, waar het afkoelt tot staven.
2. Om vlakke producten zoals platen en vellen, of lange producten zoals staven en buizen te vormen, worden blokken metaal onder enorme druk tussen grote walsen gevormd. Dit levert blokken en platen op.
3. Om een staaf te produceren, wordt de staaf door een paar gegroefde stalen rollen geleid die op elkaar gestapeld zijn. Dit type rollen wordt een 'twee-hoogwalserij' genoemd. In sommige gevallen worden er drie rollen gebruikt. De rollen zijn zo gemonteerd dat hun groeven samenvallen en ze bewegen in tegengestelde richting. Door deze beweging wordt het staal samengeperst en uitgerekt tot dunnere, langere stukken. Wanneer de rollen door de operator worden omgedraaid, wordt het staal er weer doorheen getrokken, waardoor het dunner en langer wordt. Dit proces wordt herhaald totdat het staal de gewenste vorm heeft bereikt. Tijdens dit proces draaien machines, manipulatoren genaamd, het staal om zodat elke kant gelijkmatig wordt bewerkt.
4. Staven kunnen ook tot platen worden gewalst in een proces dat vergelijkbaar is met het proces voor het maken van blokken staal. Het staal wordt door een paar op elkaar gestapelde walsen geleid die het uitrekken. Er zijn echter ook walsen aan de zijkant gemonteerd om de breedte van de platen te controleren. Wanneer het staal de gewenste vorm heeft, worden de oneffen uiteinden afgesneden en worden de platen of blokken staal in kortere stukken gesneden. Verdere verwerking
5. Blooms worden doorgaans verder verwerkt voordat ze tot buizen worden gemaakt. Blooms worden omgezet in billets door ze door meerdere walsmachines te leiden, waardoor ze langer en smaller worden. De billets worden gesneden met behulp van zogenaamde vliegende scharen. Dit zijn twee gesynchroniseerde scharen die met de bewegende billet meebewegen en deze doorsnijden. Dit maakt efficiënt snijden mogelijk zonder het productieproces te onderbreken. Deze billets worden gestapeld en zullen uiteindelijk naadloze buizen vormen.
6. Platen worden ook nabewerkt. Om ze buigzaam te maken, worden ze eerst verhit tot 1204 °C (2200 °F). Hierdoor vormt zich een oxidelaag op het oppervlak van de plaat. Deze laag wordt verwijderd met een wals en een hogedrukspuit. De platen worden vervolgens door een reeks walsen in een warmwalserij geleid en tot dunne, smalle stalen stroken gevormd, skelp genaamd. Deze walserij kan wel een halve mijl lang zijn. Terwijl de platen door de walsen gaan, worden ze dunner en langer. In ongeveer drie minuten kan een enkele plaat van een 15,2 cm (6 inch) dik stuk staal worden omgevormd tot een dunne stalen strook van wel een kwart mijl lang.
7. Na het strekken wordt het staal gebeitst. Dit proces houdt in dat het staal door een reeks tanks met zwavelzuur wordt geleid om het metaal te reinigen. Tot slot wordt het gespoeld met koud en warm water, gedroogd en vervolgens opgerold op grote spoelen en verpakt voor transport naar een pijpenfabriek.
8. Zowel staalrollen als stalen blokken worden gebruikt voor het maken van buizen. Staalrollen worden tot gelaste buizen verwerkt. Ze worden eerst op een afwikkelmachine geplaatst. Tijdens het afwikkelen wordt de stalen rol verhit. Vervolgens wordt het staal door een reeks gegroefde rollen geleid. Door de rollen krullen de randen van de staalrollen naar elkaar toe. Hierdoor ontstaat een ongelaste buis.
9. Het staal passeert vervolgens laselektroden. Deze apparaten verbinden de twee uiteinden van de buis met elkaar. De lasnaad wordt vervolgens door een hogedrukrol geleid, wat zorgt voor een strakke lasverbinding. De buis wordt daarna op de gewenste lengte gesneden en gestapeld voor verdere verwerking. Het lassen van stalen buizen is een continu proces en, afhankelijk van de diameter van de buis, kan er tot wel 335,3 meter per minuut worden geproduceerd.
10. Wanneer naadloze buizen nodig zijn, worden vierkante blokken gebruikt voor de productie. Deze worden verhit en gevormd tot een cilindervorm, ook wel een rond blok genoemd. Het ronde blok wordt vervolgens in een oven geplaatst waar het witgloeiend wordt verhit. Daarna wordt het verhitte ronde blok onder hoge druk gewalst. Door dit walsen onder hoge druk rekt het blok uit en ontstaat er een gat in het midden. Omdat dit gat een onregelmatige vorm heeft, wordt er tijdens het walsen een kogelvormige doorboor door het midden van het blok geduwd. Na het doorboren kan de buis nog steeds een onregelmatige dikte en vorm hebben. Om dit te corrigeren, wordt de buis door een reeks walserijen geleid. Eindbewerking
11. Nadat beide typen buizen zijn gemaakt, kunnen ze door een richtmachine worden gehaald. Ze kunnen ook worden voorzien van verbindingen, zodat twee of meer buisstukken met elkaar kunnen worden verbonden. De meest voorkomende verbinding voor buizen met een kleinere diameter is schroefdraad – nauwe groeven die in het uiteinde van de buis worden gesneden. De buizen worden ook door een meetmachine gehaald. Deze informatie, samen met andere kwaliteitscontrolegegevens, wordt automatisch op de buis aangebracht. Vervolgens wordt de buis bespoten met een lichte laag beschermende olie. De meeste buizen worden behandeld om roestvorming te voorkomen. Dit gebeurt door ze te galvaniseren of een zinklaag aan te brengen. Afhankelijk van het gebruik van de buis kunnen andere verfsoorten of coatings worden gebruikt.
Kwaliteitscontrole
Er worden diverse maatregelen genomen om ervoor te zorgen dat de afgewerkte stalen buis aan de specificaties voldoet. Zo worden bijvoorbeeld röntgenmeters gebruikt om de dikte van het staal te controleren. Deze meters werken met twee röntgenstralen. De ene straal wordt gericht op een stuk staal met een bekende dikte. De andere straal wordt gericht op het staal dat over de productielijn beweegt. Als er een verschil is tussen de twee stralen, zal de meter automatisch de walsen aanpassen om dit te compenseren.
Ook de leidingen worden aan het einde van het proces gecontroleerd op defecten. Een methode om een leiding te testen is met behulp van een speciale machine. Deze machine vult de leiding met water en verhoogt vervolgens de druk om te zien of de leiding de druk kan weerstaan. Defecte leidingen worden als schroot teruggestuurd.