СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДОРНОВ ПИЛИГРИМОВЫХ СТАНОВ Российский патент 2005 года по МПК C21D8/10 B21H1/18 B21B25/00 

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу изготовления технологического инструмента, и может быть использовано при изготовлении дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров (273-550 мм).

Известен способ изготовления дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающий отливку слитков из стали марки СД1 (50ХН) с химсоставом по ГОСТ 4543-71, ковку их в цилиндрические заготовки (поковки) с уковом 2,25-2,5, черновую механическую обработку с припуском по диаметру 10-15 мм с учетом поводки поковок при термической обработке, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующим упрочнением обкаткой роликом или шлифовкой поверхности и эксплуатацию их до образования сетки разгарных трещин "волны" или продольных трещин (Ф.А.Данилов и др. Горячая прокатка труб, Металлургия. Москва. 1962, с.355-356. Отчет по теме: 22-V-13-541-73: "Разработка технологии изготовления дорнов повышенной износостойкости и внедрение их в производство на ЧТПЗ", Днепропетровск, 1975. ТП 158-148-98 "Технологический процесс механической обработки направляющих и рабочих валков прошивного стана, дорнов и пилигримовых валков в цехе №1 ОАО "ЧТПЗ").

Недостатком данного способа является то, что дорна выходят из строя по "волне"' (гофрам), поверхностным разгарным кольцевым трещинам и грубым продольным трещинам, а также неравномерному истиранию их по длине (потеря геометрических размеров). Как правило, при прокатке труб диаметром 377 и 426 мм на дорнах из стали марки СД1 основным видом дефектов является "волна" (гофр). "Волна" на поверхности дорнов возникает на расстоянии 1500-2000 мм от дорнового замка. "Волна" – это пластическая деформация поверхностных слоев металла дорнов, которая обусловлена разогревом их поверхности до температуры выше 650°С и вызвана продолжительным контактом гильз-труб и дорнов или прокаткой двух и более гильз на одном дорне без охлаждения. При прокатке труб размером 426×9×32000-35000 мм время контакта дорна с гильзой-трубой составляет от 5,0 до 6,0 минут. За это время дорн на участке 1500-4000 мм от замковой части нагревается до 650°С. Наибольшую температуру дорн имеет на участке от 2000 до 3000 мм от дорнового замка, т.е. на центральной части. Стойкость дорнов по "волне" находится в прямой зависимости от соблюдения инструкции по их эксплуатации.

Кольцевые трещины связаны с некачественной механической обработкой, наличием концентраторов напряжения (подрезов и канавок от резцов). Грубые продольные трещины глубиной от 1/3 до 3/4 радиуса дорнов являются следствием низких значений пластических свойств и ударной вязкости стали при циклически изменяющихся температурах.

Известен также способ изготовления дорнов пилигримовых стнов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф), имеющей следующее содержание элементов: углерод - 0,24-0,32%, марганец - 0,3-0,6%, кремний - 0,15-0,40%, хром - 1,6-1,9%, молибден - 0,6-0,9%, ванадий - 0,15-0,25%, никель - до 0,5%. Дорна из этой стали более износостойкие. Стойкость их в 1,2-1,3 раза выше, чем из стали СД1 (Отчет по теме: 23-V-13-81 /19-72/ П2 - а ПП "Изыскание сталей повышенной термостойкости и разработка составной конструкции пильгердорнов". Уральский НИИ трубной промышленности. Уфимский авиационный институт. Челябинский трубопрокатный завод, Челябинск, 1972 г.).

Однако известный способ также имеет недостатки. Дорна с содержанием углерода 0,24-0,32% выходят из строя в основном из-за появления на их поверхности разгарных трещин, а также неравномерного истирания по длине (потеря геометрических размеров). Разгарные трещины возникают вследствие тепловых и структурных напряжений в поверхностном слое дорен, которые нагреваются при контакте с горячими гильзами-трубами до температуры Ac1-Ас3 (650°С и выше). Образование сетки разгарных трещин есть результат необратимых структурных изменений (сдвиговых деформаций внутри зерна, дробление зерен, образование пустот, деформации по границам зерен и образование субмикроскопических разрывов и повреждений поверхностного слоя). Термоусталостное повреждение поверхности является причиной возникновения первых очагов разрушения, инициирующих дальнейшее развитие трещин. С увеличением числа циклов нагрева и охлаждения возрастает количество и размер трещин, трещины соединяются и переплетаются между собой, образуя так называемую "сетку". Образование сетки разгарных трещин на поверхности дорнов ускоряет истирание и вырывание частиц металла. В трещинах происходит интенсивное окисление металла и процессы их расклинивания. Решающее влияние на срок эксплуатации дорнов оказывает интенсивность развития сетки разгарных трещин в более крупные, которые являются браковочным признаком дорнов.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающим получение конического электрошлакового слитка из стали СД2-Ш и последующую его радиальную ковку на цилиндрическую заготовку, имеющую замковую и рабочую части, а ковку ее рабочей части осуществляют с линейным увеличением уковки в направлении к замковой части при отношении величин максимальной уковки к минимальной 1,26-1,56, отжиг заготовок и сверление отверстия диаметром 100-105 мм (Патент РФ №2055660 от 10.03.96 г., Бюл. №7, с.34 и А.В.Сафьянов, Л.М.Клейнер, Л.Д.Пиликина и др. "Новая технология производства полых дорнов пилигримовых станов", Сталь, №9, с.55-56, 1997 г.).

Однако известный способ имеет также недостатки. Стойкость дорнов возросла в 1,2-1,4 раза по сравнению с существующей, но они также выходят из строя по продольным трещинам и сетке разгарных трещин, а стоимость их в себестоимости труб составляет от 2,5 до 3,0%.

Техническим результатом способа является повышение стойкости дорнов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, снижение их стоимости за счет замены стали 25Х2М1Ф на сталь 20 для изготовления дорновых заготовок с последующим многократным нанесением (типа СВ30Х25Н16Г7) теплостойкого износостойкого слоя путем наплавки и последующей обкатки. Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающим отливку слитков из стали, получение дорновых заготовок, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующим упрочнением обкаткой роликом, слитки отливают из углеродистой стали, на поверхность слитка наносят путем наплавки теплостойкий износостойкий слой и получают из слитка заготовку дорна путем пилигримовой прокатки, а в процессе эксплуатации после появления сетки разгарных трещин производят многократную переточку дорна до удалениия теплостойкого износостойкого слоя, нанесение нового теплостойкого износостойкого слоя путем наплавки, механическую обработку на чистовой размер и упрочнение обкаткой роликом, а толщину теплостойкого износостойкого слоя определяют из выражения

Δ=A*μ*(1+D/S*K),

где А - минимальная толщина наплавленного слоя после чистовой механической обработки дорна, равная 10 мм;

D - максимальный диаметр труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

S - минимальная толщина стенки труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

μ - коэффициент вытяжки при прокатке слитков в полые дорновые заготовки;

К - коэффициент, равный 0,02.

Дорна в процессе работы подвергаются многократному циклическому нагреву и охлаждению. Кроме теплового воздействия дорна подвергаются давлению со стороны валков пилигримового стана и продольному растяжению, вызванному силами трения деформируемого металла во время прокатки и извлечения дорнов из труб подающим аппаратом. Из-за непостоянства очага деформации за один оборот валков, давление на дорна и действие сил трения постоянно меняются. Сложность условий работы дорнов заключается в длительном нахождении их в контакте с нагретым пластически деформируемым металлом, отсутствии охлаждения в процессе деформации, больших температурных перепадов рабочей поверхности дорнов за один цикл их работы (охлаждение до температуры 180-200°С в ванне с водой и смазкой, нагрев в процессе прокатки и работа в течение 3,5-6,0 минут при температуре 500-650°С). Совместные действия больших температур и давлений приводят к быстрому выходу дорнов из строя, в основном по сетке разгарных трещин. Разгарные трещины на поверхности дорнов начинают появляться через 0,80-0,85 от первоначальной их стойкости, которые в дальнейшем начинают прогрессировать, расти как качественно так и количественно, т.е. вширь и вглубь. В этот момент дорна принудительно изымают из эксплуатации и перетачивают до удаления наплавленного теплостойкого износостойкого слоя. После переточки на дорна наносят новый теплостойкий износостойкий слой толщиной Δ₁, производят механическую обработку на чистовой размер с последующей шлифовкой или упрочнением обкаткой роликом и возвращают дорна в технологический цикл производства. Дорна после переточки и нанесения нового теплостойкого износостойкого слоя эксплуатируют до появления (зарождения) сетки разгарных трещин. Цикл работы повторяют, то есть их изымают из технологического процесса, перетачивают до удаления теплостойкого износостойкого слоя, наносят новый теплостойкий износостойкий слой, производят механическую обработку на чистовой размер с последующим упрочнением роликом.

Таким образом, дорны эксплуатируют до выхода из строя по причинам, не связанным с разгарными трещинами (поломка дорна, износ замка и т.д.).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ изготовления дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров отличается от известною тем, что слитки отливают из углеродистой стали, на поверхность слитка наносят путем наплавки теплостойкий износостойкий слой и получают из слитка заготовку дорна путем пилигримовой прокатки, а в процессе эксплуатации после появления сетки разгарных трещин производят многократную переточку дорна до удаления теплостойкого износостойкого слоя, нанесение нового теплостойкого износостойкого слоя путем наплавки, механическую обработку на чистовой размер и упрочнение обкаткой роликом, а толщину теплостойкого износостойкого слоя определяют из выражения

Δ=A*μ*(1+D/S*K),

где А - минимальная толщина наплавленного слоя после чистовой механической обработки дорна, равная 10 мм;

D - максимальный диаметр труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

S - минимальная толщина стенки труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

μ - коэффициент вытяжки при прокатке слитков в полые дорновые заготовки;

К - коэффициент, равный 0,02.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого способа изготовления и эксплуатации дорнов не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Способ опробован на трубопрокатной установке с пилигримовыми станами 8-16" ОАО "ЧТПЗ". В производство было задано по два новых дорна диаметром 409/410 и 309/310 мм, изготовленных по существующей и предлагаемой технологиям. Данные по стойкости дорнов пилигримовых станов, изготовленных по существующей и предлагаемой технологиям приведены в таблице. Из таблицы видно, что средняя статистическая стойкость дорнов диаметром 409/410 мм, изготовленных и эксплуатируемых по существующему способу, составляет 1100 тонн труб размером 426×9 мм, а дорнов диаметром 309/310 мм - 800 тонн труб размером 325×9 мм. Дорна по новому способу изготавливались по следующей технологии: в слитках ст.20 размером 420×2000 сверлили центральное отверстие диаметром 150±5,0 мм, а в слитках размером и 520х2100 мм центральное отверстие диаметром 100±5,0 мм, затем на данные слитки способом наплавки наносился теплостойкий износостойкий слой (СВ30Х25Н16Г7) толщиной, соответственно, 60,0 и 55,0 мм. Слитки нагревались в методических печах до температуры 1270-1280С. Слитки размером 630х100 прошивались в прошивном стане в гильзы размером 600х215х2600 мм на оправке диаметром 200 мм и прокатывались на пилигримовом стане в полые дорновые заготовки размером 430×120×5500 мм на дорне диаметром 189/190 мм. Слитки размером 540×150×2000 мм после нагрева без прошивки подавались на пилигримовый стан и катались в дорновые заготовки размером 330×100×5850 мм на дорнах диаметром 129/130 мм. После прокатки дорновые заготовки подвергались термической обработке, правке и механической обработке на чистовой размер, соответственно, 309/310 и 409/410 мм. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном по существующей технологии, было прокатано 1185 тонн труб размером 426х9 по ГОСТ 8732, а на дорне диаметром 309/310 мм - 865 тонн нефтепроводных труб размером 325×9 по ГОСТ 8732. Оба дорна вышли из строя по сетке разгарных трещин. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном по новой технологии, было прокатано до первой переточки 1350 тонн труб размером 426×9 по ГОСТ 8732. На поверхности дорна начала появляться сетка разгарных трещин. Дорн был изъят из технологического цикла и переточен. При переточке был снят наплавленный теплостойкий износостойкий слой, а затем нанесен новый теплостойкий износостойкий слой толщиной 20,1 мм, с учетом припуска под механическую обработку. После наплавки теплостойкого износостойкого слоя произведена чистовая механическая обработка, а поверхность дорна была упрочнена обкаткой роликом. Затем на дорне диаметром 409/410 мм после первой переточки и наплавки нового теплостойкого износостойкого слоя было прокатано 1035 тонн труб размером 426×9 по ГОСТ 8732. На поверхности дорна начала появляться сетка разгарных трещин. Дорн был изъят из технологического цикла и снова переточен. При переточке был снят наплавленный теплостойкий износостойкий слой, нанесен новый слой толщиной 19,8 мм. После наплавки теплостойкого износостойкого слоя и чистовой механической обработки поверхность дорна упрочнена обкаткой роликом. Затем на этом дорне было прокатано 1100 тонн. После третьей переточки и наплавки на данном дорне еще было прокатано 1075 тонн труб. Аналогичная технологическая последовательность производилась и на дорне диаметром 309/310. Из таблицы видно, что стойкость дорна диаметром 309/310 мм, изготовленного и эксплуатируемого по новой технологии, составляет 3515 тонн, то есть стойкость возрастает в 4,06 раза, по сравнению с дорном изготовленным по существующей технологии. Дорн прошел три переточеки и наплавоки с последующей механической обработкой и обкаткой (упрочнением) рабочей поверхности роликом. После ремонта дорнового замка (наплавки и фрезеровки щек) дорн будет использован для дальнейшего производства труб. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном по предлагаемой технологии, прокатано 4560 тонн труб размером 426×9 мм, т.е. его стойкость возросла в 3,85 раза, по сравнению с дорном, изготовленным по существующей технологии. Дорн может быть использован для дальнейшей работы после наплавки и фрезерования замка, а также четвертой переточки и наплавки рабочей поверхности.

Таким образом, на дорне диаметром 309/310 мм, изготовленном и эксплуатируемом по существующей технологии, прокатано 865 тонн труб размером 325×9 мм (дорн вышел из строя по сетке разгарных трещин), а на дорне, изготовленном и эксплуатируемом по предлагаемой технологии, после трех переточек и наплавок износостойкого теплостойкого слоя, прокатано 3515 тонн труб, т.е. стойкость возрастает в 4,06 раза. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном и эксплуатируемом по существующей технологии, прокатано 1185 тонн труб размером 426×9. Дорн вышел из строя по сетке разгарных трещин. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном и эксплуатируемом по предлагаемой технологии, за 3 переточки и наплавки прокатано 4560 тонн труб размером 426×9 мм, т.е. стойкость дорна возросла в 3,85 раза. Дорна могут быть использованы в работе после ремонта (наплавки) и фрезеровки дорновоых замков, а также переточки и наплавки на рабочую поверхность нового теплостойкого износостойкого слоя.

Использование предлагаемого способа изготовления дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров позволяет использовать в качестве основы дорновых заготовок слитки из углеродистой стали (ст.20) вместо легированной (25Х2М1Ф), значительно увеличить их стойкость, а следовательно снизить долю стоимости технологического инструмента в себестоимости труб.

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу изготовления технологического инструмента, и может быть использовано при изготовлении дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров (273-550 мм). Способ включает отливку слитков из стали, получение дорновых заготовок, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующим упрочнением обкаткой роликом, отливку слитков из углеродистой стали, нанесение на поверхность слитка путем наплавки теплостойкого износостойкого слоя и получение из слитка заготовки дорна путем пилигримовой прокатки, а в процессе эксплуатации после появления сетки разгарных трещин многократную переточку дорна до удаления теплостойкого износостойкого слоя, нанесение нового теплостойкого износостойкого слоя путем наплавки, механическую обработку на чистовой размер и упрочнение обкаткой роликом и определение толщины теплостойкого износостойкого слоя из выражения Δ=А*μ*(1+D/S*K), где А - минимальная толщина наплавленного слоя после чистовой механической обработки дорна, равная 10 мм; D - максимальный диаметр труб, прокатываемых на данном дорне, мм; S - минимальная толщина стенки труб, прокатываемых на данном дорне, мм; μ - коэффициент вытяжки при прокатке слитков в полые дорновые заготовки и К - коэффициент, равный 0,02. Изобретение обеспечивает изготовление дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров, использование в качестве основы дорновых заготовок слитков из углеродистой стали (ст.20) вместо легированной (25Х2М1Ф), увеличение стойкости дорнов, а следовательно, снижение доли стоимости технологического инструмента в себестоимости труб. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающий отливку слитков из стали, получение дорновых заготовок, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующим упрочнением обкаткой роликом, отличающийся тем, что слитки отливают из углеродистой стали, на поверхность слитка наносят путем наплавки теплостойкий износостойкий слой и получают из слитка заготовку дорна путем пилигримовой прокатки, а в процессе эксплуатации после появления сетки разгарных трещин производят многократную переточку дорна до удаления теплостойкого износостойкого слоя, нанесение нового теплостойкого износостойкого слоя путем наплавки, механическую обработку на чистовой размер и упрочнение обкаткой роликом.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину теплостойкого износостойкого слоя определяют из выражения

Δ=A·μ·(1+D/S·K),

где А - минимальная толщина наплавленного слоя после чистовой механической обработки дорна, равная 10 мм;

D - максимальный диаметр труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

S - минимальная толщина стенки труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

μ - коэффициент вытяжки при прокатке слитков в полые дорновые заготовки;

К - коэффициент, равный 0,02.