СПОСОБ НЕПРЕРЫВНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C21D9/08 C21D1/10 

Изобретение относится к области термической обработки труб и может быть использовано при поточном производстве цилиндров и плунжеров скважинных глубинных насосов.

Известен способ поверхностной закалки полых цилиндрических изделий, заключающийся в непрерывно-последовательном нагреве изделия и последующем его охлаждении, при этом для уменьшения деформации изделия используют либо различные приемы охлаждения, либо приемы силового воздействия на изделие в процессе охлаждения [1]
Известен способ непрерывно-последовательной термической обработки труб, включающий вертикальное размещение труб, индукционный нагрев и охлаждение при опускании трубы [2]
Известно устройство для непрерывно-последовательной закалки изделий, содержащее зажимы для крепления изделия, подвижную каретку, цилиндрические ролики, индуктор, спрейеры и шариковый вибратор (авт. св. N 685701 "Устройство для непрерывно-последовательной закалки изделий", МКИ C 21 D 1/10, C 21 D 7/06).

Известно устройство для непрерывно-последовательной индукции термической обработки труб, содержащее лебедку, систему блоков, направляющие ролики, индуктор и спрейер водяного охлаждения [2]
Недостаток известного способа непрерывно-последовательной термической обработки труб заключается в том, что он не позволяет получить изделие высокой точности по прямолинейности оси отверстия вследствие того, что способ обработки не обеспечивает условий термодинамического равновесия в зоне нагрева различных сечений изделия в процессе его термической обработки. Геометрическая, механическая и физическая неоднородность обрабатываемого материала влияет на процесс охлаждения изделий. При этом физическая недостаточность материала трубы связана с изменением массы тела трубы, находящейся ниже зоны нагрева.

Недостаток известного устройства термической обработки труб заключается в том, что оно не позволяет получить изделие высокой точности по прямолинейности оси отверстия вследствие того, что напряжения растяжения в различных сечениях по длине трубы в процессе нагрева различны из-за непрерывного изменения длины и, следовательно, массы той части трубы, которая прошла индуктор и спрейер водяного охлаждения. Масса части длины трубы, прошедшей через индуктор, непрерывно возрастает, что определяет изменение напряжений растяжения по длине трубы под действием собственного веса термообработанной части трубы на различных этапах процесса термообработки.

Изобретением решается задача обеспечения высокой точности труб по прямолинейности оси отверстия при их термической обработке и снижения затрат на последующую за операцией термической обработки правку изделия.

Достигается это тем, что в способе непрерывно-последовательной термической обработки труб создают условия термодинамического равновесия в непрерывно перемещающейся зоне нагрева за счет осевой нагрузки растяжением трубы.

Достигается это также тем, что устройство для непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб снабжено силовым замкнутым контуром, состоящим из системы блоков для рабочего перемещения трубы и одновременного ее осевого растяжения с нагрузкой, дозируемой блоком натяжения трубы.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе непрерывно-последовательной термической обработки труб, включающем вертикальное размещение трубы, индукционный нагрев и охлаждение при опускании трубы, в процессе обработки осуществляют правку труб путем приложения растягивающей нагрузки вдоль оси с обеспечением условий термодинамического равновесия в непрерывно перемещающейся зоне нагрева, при этом величину нагрузки дозируют с учетом изменения массы трубы на участке, находящемся ниже зоны нагрева, и проводят отпуск трубы при ее подъеме с одновременным дозированием величины растягивающей нагрузки.

Сущность изобретения состоит также и в том, что в известном устройстве для непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб, содержащем систему перемещения в виде лебедки, соединенной тросом через блоки с верхним концом трубы, индуктор и спрейер водяного охлаждения, система перемещения выполнена замкнутой и имеет регулировочный блок натяжения и дозирования осевой растягивающей нагрузки, подачи и выдачи трубы в начале и в конце термообработки и захват нижнего конца трубы, соединенный тросом через дополнительные блоки с лебедкой.

Указанные признаки способа и устройства для непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб необходимы и достаточны во всех случаях выполнения способа и устройства с достижением вышеуказанного технического результата.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб.

Описание данного способа является примером его осуществления. Для осуществления способа требуются известные технические средства: индуктор, спрейер, система захвата и перемещения трубы.

Режимы термической обработки труб устанавливают с учетом конкретных условий обработки, по существующей общемашиностроительной нормативной и справочной литературе.

Способ непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб включает опускание трубы сквозь индуктор, ее нагрев и охлаждение. В способ термической обработки вводят операцию одновременной ее правки. При этом создают условия термодинамического равновесия в непрерывно перемещающейся зоне нагрева за счет осевой нагрузки растяжением. Величину этой осевой нагрузки с помощью следящей системы и тензодинамометра дозируют непрерывно в течение всего цикла термообработки с учетом изменяющейся массы тела трубы, находящейся ниже зоны нагрева. Расчетные значения изменяющихся по циклу термообработки величин осевой нагрузки растяжением трубы определяют согласно экспериментальной зависимости:
P_ос = S(Kσ_т- ρvt_i10^-5), H,
где P_ос величина осевой нагрузки трубы растяжением, H;
S площадь поперечного сечения трубы, мм²;
k коэффициент, учитывающий сопротивление деформации от степени деформации и температуры (при степени деформации ε 0,002% и скорости деформации t 1-3•10^-4 1/с; k 0,005 при закалке труб, k 0,01 при отпуске труб);
s_т предел текучести материала трубы, МПа;
ρ плотность материала трубы, кг/м³
V скорость подачи трубы в индуктор, м/мин;
t_i текущее время термообработки трубы сначала цикла термообработки, мин.

После операции закалки трубы (поверхностной закалки), при обратной ее подаче подъеме трубы производят операцию отпуска в том же индукторе, устанавливая требуемые для отпуска трубы режимы нагрева, охлаждения и осевой нагрузки.

Устройство для непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб содержит замкнутую систему перемещения трубы 1, направляющие ролики 2, 3, индуктор 4 и спрейер 5 водяного охлаждения. Система перемещения имеет лебедку 6, соединенную тросом 7 через блоки 8 с верхним концом трубы 1, регулировочный блок 9 натяжения и дозирования растягивающей нагрузки, подачи и выдачи трубы в начале и конце термообработки, захват нижнего конца трубы, соединенный тросом через дополнительные блоки 10 с лебедкой 6.

Работает устройство следующим образом.

Трубу 1 верхним концом закрепляют на верхнем тросе 7, после чего приводят в движение лебедку 6, которая плавно опускает обрабатываемую трубу между направляющими роликами 2. Перемещаясь вертикально вниз вдоль индуктора 4 и спрейера 5, труба 1 проходит непрерывно-последовательную индукционную термическую обработку. Нижний конец трубы на начальном этапе термической обработки подхватывают направляющие ролики 5. На последующих этапах термической обработки перемещение трубы осуществляется вдоль пары комплектов направляющих роликов 2 и 3. В процессе термической обработки в материале трубы создают осевые напряжения растяжения. Для этого трубу за ее нижний конец растягивают с помощью захвата. При этом создают силовое замыкание всей механической системы вертикального перемещения трубы посредством соединения захвата через нижний трос 7 с блоками 10 и барабаном лебедки 6. Обрабатываемая труба является составной органической частью механической системы устройства, которая подвергается силовому замыканию.

После операции термической обработки осуществляют обратную подачу - подъем трубы. В процессе подъема трубы выполняют в том же индукторе операцию спуска, регулируя режимы нагрева и охлаждения, а также осевую растягивающую нагрузку, действующую на трубу, используя при этом регулировочный блок 9 натяжения.

Режимы индукционной термической обработки труб устанавливают исходя из конкретных условий обработки по существующей общемашиностроительной нормативной и справочной литературе.

Пример конкретного выполнения. Способ непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб и устройство для его осуществления апробированы при поверхностной закалке и последующем отпуске внутренней поверхности трубной заготовки для цилиндров скважинных глубинных насосов из стали марки 22ГЮ после нитроцементации. Глубина слоя насыщения после нитроцементации 0,5 мм 0,6 мм.

Для нагрева использовалась универсальная закалочная установка ИЗ3-200/24 с кольцевым многовитковым индуктором длиной 250 мм со скоростью нагрева 100
1000^oC/с. Зазор между индуктором и наружной поверхностью трубной заготовки составлял 4 мм. Температура нагрева закаливаемого слоя в конкретном способе поверхностной закалки составляла 850-880^oC.

Охлаждение стенки трубы производилось с помощью наружного щелевого кольцевого спрейера со скоростью подачи воды 15 20 л/с.

Осевая растягивающая нагрузка, действующая на трубу, дозировалась с помощью следящей системы и тензодинамометра в течение всего цикла термообработки с учетом изменяющейся массы тела трубы, находящейся ниже зоны нагрева. Величины осевой нагрузки трубы определялись согласно вышеприведенной зависимости на основе следующих исходных данных и параметров процесса термообработки:
предел текучести материала трубы стали марки 22ГЮ - σ_т 370 МПа;
плотность материала трубы ρ 7850 кг/м³;
наружный диаметр трубы D 57,0 мм;
толщина стенки трубы c 6,5 мм;
длина трубы l 5,0 м;
скорость подачи трубы в индуктор при закалке V 0,5 м/мин;
время, необходимое для операции закалки трубы t_оп l/V5/0,5 - 10 мин;
коэффициент, учитывающий сопротивление деформации от степени деформации и температуры k 0,005;
площадь поперечного сечения трубы S 1020,7 мм².

Величина осевой растягивающей нагрузки в начале процесса закалки (в начале прямой подачи) трубы, т.е. на этапе процесса, когда текущее время с начала цикла закалки t_i 0 мин, составила:

Величина осевой растягивающей нагрузки в конце процесса закалки (в конце прямой подачи) трубы, т.е. на этапе процесса, когда текущее время с начала цикла закалки t_i 10 мин, составила:

За полный период осуществления процесса закалки трубы (от t_i 0 мин до t_i 10 мин) величина осевой растягивающей нагрузки уменьшалась равномерно и непрерывно от начального наибольшего значения 1888,3 H до конечного наибольшего значения 1487,7 H. Линейное снижение осевой растягивающей нагрузки за цикл закалки трубы (10 мин) составляло 21,2%
После закалки при обратной подаче трубы был произведен отпуск с температурой нагрева 430-460^oC при скорости обратной подачи трубы 0,3 м/мин. Другие условия осуществления процесса отпуска соответствуют условиям ведения процесса закалки трубы при ее прямой подаче. Твердость внутреннего слоя трубы после термической обработки составила 58 60 HRC.

Точность труб по прямолинейности оси отверстия, термообработанных предлагаемым способом обработки и устройством для его осуществления, выше точности труб, полученных известными способами и устройствами для индукционной термической обработки труб. Отклонение от прямолинейности оси отверстия труб, термообработанных согласно предлагаемому способу и устройству, составило не более 0,2 мм на 1 м длины изделия. Отклонение от прямолинейности оси отверстия труб, термообработанных согласно способу и устройству, известных из прототипа, составило 0,6 0,8 мм на 1 м длины изделия.

Полученные данные свидетельствуют о том, что использование предлагаемого способа непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб и устройства для его осуществления обеспечивают по сравнению с существующими способами и устройствами следующий технико-экономический эффект:
обеспечение высокой точности труб по прямолинейности оси отверстия при их термической обработке;
снижение затрат на последующую за операцией термической обработки правку изделия.

Использование: изобретение относится к области термической обработки труб и может быть использовано при поточном производстве цилиндров и плунжеров скважинных глубинных насосов. Технический результат - обеспечение высокой точности труб по прямолинейности оси отверстия при их термической обработке и снижение затрат на последующую за операцией термической обработки правку изделия. Сущность: при непрерывно-последовательной индукционной термической обработке труб создают условия термодинамического равновесия в непрерывно перемещающейся зоне нагрева за счет осевой нагрузки растяжением труб. Устройство для непрерывно-последовательной индукционной термической обработки труб имеет индуктор, спрейер, замкнутую систему перемещения, состоящую из лебедки, соединенной тросом через дополнительные блоки с захватами нижнего конца трубы и с верхним концом трубы через блоки и регулировочный растягивающий блок натяжения и дозирования осевой нагрузки. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ непрерывно-последовательной термической обработки труб, включающий вертикальное размещение трубы, индукционный нагрев и охлаждение при опускании трубы, отличающийся тем, что в процессе обработки осуществляют правку трубы путем приложения растягивающей нагрузки вдоль оси с обеспечением условий термодинамического равновесия в непрерывно перемещающейся зоне нагрева, при этом величину нагрузки дозируют с учетом изменения массы тела трубы на участке, находящемся ниже зоны нагрева. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят отпуск трубы при ее подъеме с одновременным дозированием величины растягивающей нагрузки. 3. Устройство для непрерывно-последовательной термической обработки труб, содержащее индуктор, спрейер водяного охлаждения, систему перемещения в виде лебедки, соединенной тросом через блоки с верхним концом трубы, отличающееся тем, что система перемещения выполнена замкнутой и имеет регулировочный блок натяжения и дозирования осевой растягивающей нагрузки, подачи и выдачи трубы в начале и в конце термообработки и захват нижнего конца трубы, соединенный тросом через дополнительные блоки с лебедкой.