СПОСОБ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ Российский патент 2008 года по МПК B21B19/00 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и касается технологии получения горячекатаных труб винтовой прокаткой, преимущественно из стали и сплавов.

Известны способы получения горячекатаных стальных труб, включающие прошивку нагретой заготовки в стане винтовой прокатки и последующую раскатку в автомат-стане продольной прокатки или непрерывном стане продольной прокатки (см. В.А.Вердеревский и др. Трубопрокатные станы, М., Металлургия, 1983, с.59) [1].

Основным недостатком известных способов является потребность в большом парке рабочих валков, необходимом для организации продольной раскатки. Раскатка в автомат-стане выполняется за 2-3 прохода, а на непрерывном стане в 7..9 клетях. При этом на каждый диаметр трубы требуется индивидуальная система калибров. Содержание и обслуживание большого парка сменного технологического инструмента существенно увеличивает производственные издержки. Необходимость частых перевалок при переходе с размера на размер создает дополнительные производственные простои. В результате растет себестоимость продукции и снижается эффективность производства, особенно при выпуске малых партий труб.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ винтовой прокатки труб, включающий нагрев заготовок, прошивку и раскатку валками на коротких оправках (см. Пат. РФ №1807898 «Способ винтовой прокатки», М. кл. В21в 19/02, опубл. БИ №3, 07.04.93,) [2]. Данный способ отличается универсальностью рабочих валков и позволяет производить трубы широкого размерного сортамента с применением двух-трех комплектов валков.

Основными недостатками известного способа являются быстрый износ валков, повышенный съем металла валков при их переточках и, как следствие, увеличенный расход валков на передел. К недостаткам также относится сокращенный объем производства труб между перевалками и вынужденные простои. Эти недостатки связаны с особенностями износа валков прошивного и раскатного станов винтовой прокатки.

В рамках известного способа отсутствуют приемы по сокращению расхода валков за счет согласованного управления условиями прошивки и раскатки по условиям износа, меры по экономии энергии.

Заявленное изобретение решает задачу сокращения расхода валков на передел путем воздействия на эксплуатационный износ валков согласованным выбором условий прошивки и раскатки, выполняемых одними и теми же валками.

Кроме того, заявленное изобретение увеличивает время работы валков между перевалками на переточки и, соответственно, сокращает общую продолжительность вынужденных простоев, повышает точность прокатываемых труб и повышает эффективность процесса путем снижения расхода энергии на нагрев.

В способе винтовой прокатки труб, включающем нагрев заготовок, прошивку и раскатку валками на коротких оправках, в соответствии с изобретением, прошивку и раскатку заготовок ведут поочередно в одних и тех же валках таким образом, что поперечное сечение очага деформации, соответствующее входу заготовки в валки при прошивке, и поперечное сечение очага деформации, соответствующее началу контактной деформации стенки гильзы между валками и оправкой при раскатке, отстоят друг от друга вдоль очага деформации на 0,4...2,6 диаметра гильзы, после прошивки гильзы теплоизолируют.

Основным механизмом износа валков станов винтовой прокатки является фрикционное истирание (выработка) поверхности при касательном скольжении контактирующих тел. Скольжение вызвано векторным несовпадением скоростей пластически деформируемого металла и «жесткого» валка в точках контактного соприкосновения. Скольжение инициирует силы трения. Силы, приложенные со стороны валков к металлу, определяют активное действующее начало процесса и собственно его реализуемость. Обратные (реактивные) силы трения - со стороны металла на валок - работают на истирание рабочей поверхности валков.

Выработка рабочей поверхности валков (и связанная с ней трансформация продольного профиля очага деформации) имеет существенную неравномерность по длине бочки валков.

При прошивке наибольший износ наблюдается вблизи сечения встречи валков с заготовкой. В момент захвата взаимодействие заготовки с вращающимися валками происходит по острому краю торца. Через начальное сечение контакта заготовка получает от рабочих валков энергию, необходимую на преодоление инерции покоя в окружном направлении и раскручивание. Несовпадение окружных скоростей валка и заготовки максимально. Максимальны и истирающие силы трения, локализованные в физически узкой области. В инверсионном рассмотрении процесс раскручивания заготовки эквивалентен «высверливанию» тела валков торцевой фрезой (заготовкой).

По мере приобретения кинетической энергии вращения, смятия кромок торца и продвижения вращающейся заготовки в очаг деформации действие этого фактора прекращается. Механизм торцевого «высверливания» валков действует только в начальной, неустановившейся стадии прокатки (первые 1...2 оборота заготовки) и только вблизи сечения встречи заготовки с валками. Протяженность зоны максимального износа составляет не более 15...20% длины бочки валков.

Интенсивность действия данного механизма определяется приростом кинетической энергии вращательного движения заготовки и тангенциальным усилием со стороны валков, совершающим работу по раскручиванию, т.е. пропорциональна диаметру и массе прокатываемой заготовки и обратно пропорциональна отношению диаметра валков к диаметру заготовки. Кроме того, ширина зоны максимального износа зависит от углов подачи и раскатки валков, угла наклона образующей валков к оси прокатки,

Износ остальной поверхности валков при прошивке обусловлен истиранием в результате действия сил трения скольжения. Он существенно более равномерен и его интенсивность в 3...5 раз ниже, чем на участке захвата.

При раскатке прошитой гильзы в трубу зона максимального износа приходится на участок обжатия по толщине стенки. Это связано с тем, что в зоне обжатия стенки резко возрастают напряжения нормального давления и пропорционально связанные с ними силы трения, действующие на истирание валка. Наибольшей выработке подвергается участок поверхности валков от сечения начала обжатия стенки до конца пережима. Протяженность этого участка вдоль образующей валка составляет не более 20...30% длины бочки и зависит от углов подачи и раскатки валков, угла наклона образующей валков к оси прокатки, величины обжатия по стенке гильзы.

Истирание поверхности валков в результате эксплуатационной выработки сопровождается изменением микрорельефа (шероховатости) и макрогеометрии продольного профиля.

Динамика износа валков в зоне максимальной выработки включает три стадии: начальную, основную (стабильную) и критическую.

В начальной стадии эксплуатации новых валков фрикционное истирание поверхности изменяет ее шероховатость в технологически благоприятном направлении. Происходит «приработка» валков. На этой стадии валки приобретают оптимально сбалансированную с условиями процесса захватывающую и тянущую способность. Макроскопические изменения геометрии валков не получают заметного развития и не имеют влияния на условия деформирования.

Основная стадия службы и износа валков характеризуется началом и стабильным развитием кольцевой выработки в зоне интенсивного износа, изменяющей геометрию продольного профиля валков и, соответственно, очага деформации. Углубление местной выработки носит плавный характер и сопровождается постепенным ослаблением захватывающей способности валков при прошивке и уменьшением обжатия по стенке при раскатке.

Третья, критическая стадия, характеризуется глубокой выработкой валков, искажающей продольный профиль очага деформации, так что нарушаются заданные начальной калибровкой условия деформации металла. Значительно усиливается скольжение заготовок при захвате и обжатии стенки. Износ принимает лавинообразное развитие. Быстро наступает полная блокировка процессов прошивки и раскатки. Резко ухудшается качество получаемых труб. В службе эксплуатации валков третья стадия считается недопустимой.

Таким образом, работоспособность прошивных и раскатных валков ограничена кольцевыми выработками рабочей поверхности, длина которых не превышает 20 и 30% общей длины бочки, соответственно. Однако для восстановления исходного профиля валков требуется переточка по всей длине бочки, что ведет к излишним потерям металла валков при переточках.

Изобретение заключается в следующем. В результате чередования прошивки заготовок с раскаткой партии заготовок с применением одних и тех же валков при целенаправленном согласовании условий прошивки и раскатки (конфигураций очагов деформации) становится возможным достаточно равномерное распределение эксплуатационного износа валков, которое увеличивает длительность работы валков между перевалками и снижает объем металла валков, снимаемого при переточках. Целесообразным, с точки зрения решаемой задачи, является такое положение, когда зоны потенциального максимального износа валков при прошивке и раскатке расположены на заданном расстоянии друг от друга таком образом, чтобы не произошло наложение зон друг на друга в процессе эксплуатации. Помимо повышения стойкости валков реализуемый технологический прием повышает точность прокатываемых труб, во-первых, за счет более равномерного износа валков, а во-вторых, в процессе раскатки создается дополнительное натяжение между зоной захвата металла валками и зоной интенсивного обжатия по стенке, что способствует выравниванию стенки в очаге деформации, снижению неравномерности деформации. Сравнительный анализ труб диаметром 100 мм, прокатанных по предлагаемой схеме и без чередования прошивки с раскаткой показал, что точность готовых труб полученных по предлагаемой схеме, выше на 10-15%, т.е. абсолютная величина разностенности сокращается с 1,6-1,8 мм до 1,45-1,52 мм при толщине стенки 22 мм. При чередовании операций создается эффект самовосстановления рабочего профиля. Зоны максимального износа валков при операциях прошивки и раскатки накалываются на разные участки валков, естественное течение металла в одной операции выглаживает зону максимального износа в смежной. Результирующий износ становится менее интенсивным и более равномерным. При этом валки дольше сохраняют работоспособный профиль.

Существенными с точки зрения возможности реализации подобной схемы результирующего износа и длительного сохранения работоспособного профиля валков являются следующие факторы:

чередование заготовок или партий заготовок, после прокатки которых выполняют переход с прошивки на раскатку, затем опять на прошивку и т.д.;

расстояние вдоль очага деформации между поперечным сечением очага деформации, соответствующим входу заготовки в валки при прошивке, и поперечным сечением очага деформации, соответствующим началу контактной деформации стенки гильзы между валками и оправкой, при раскатке составляет 0,4...2,6 диаметра гильзы, о чем подробней будет сказано ниже.

К факторам, повышающим полноту реализации технического эффекта, относится также варьирование диаметров прокатываемых гильз и труб. В этом случае усиливается выглаживающее действие способа за счет перемещения характерных зон износа по поверхности валков и изменения протяженности этих зон.

Для повышения эффективности процесса раскатки, снижения расхода энергии на нагрев после прошивки в процессе транспортировки гильзы обеспечивается ее теплоизоляция с помощью теплоизоляционных экранов, вследствие чего перед раскаткой температура гильзы составляет 600-850°С, в случае необходимости осуществляют дополнительный подогрев гильзы перед раскаткой.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где изображены схемы винтовой прошивки и раскатки с обозначением зон максимального износа валков. На чертеже приняты следующие обозначения:

1 - схема винтовой прошивки;

2 - схема винтовой раскатки;

3 - приводные валки;

4 - прошивная оправка;

5 - направляющий инструмент при прошивке;

6 - поперечное сечение очага деформации, соответствующее входу заготовки в валки, при прошивке;

7 - раскатная оправка;

8 - направляющий инструмент при раскатке;

9 - поперечное сечение очага деформации, соответствующее началу контактной деформации стенки гильзы между валками и оправкой, при раскатке;

10 - зона максимального износа валков при прошивке;

11 - зона максимального износа валков при раскатке;

S - расстояние между сечениями 6 и 9.

Исходные заготовки нагреваются до температуры горячей деформации. Нагретая заготовка подвергается винтовой прошивке в гильзу в калибре, образованном приводными валками 3, прошивной оправкой 4, направляющим инструментом 5. Затем может прошиваться вторая заготовка, третья и далее прошивается партия заготовок. Все прошиваемые заготовки входят в валки через сечение 6. После прошивки для сохранения температуры гильзы помещают в термостат или экранируют теплозащитными экранами.

Затем полученные гильзы раскатываются в калибре, образованном теми же, что и при прошивке, приводными валками 3, раскатной оправкой 7 и направляющим инструментом 8. Контактное обжатие стенки гильзы между валками и оправкой начинается в сечении 9.

Затем опять переходят на прошивку очередной партии заготовок и их последующую раскатку.

Прекращают способ, когда его дальнейшая реализация станет невозможной из-за чрезмерного износа валков.

Очаги деформации при прошивке и раскатке конфигурируют таким образом, чтобы расстояние S между сечениями 6 и 9 составляло 0,4...2,6 диметра гильзы. В качестве средства конфигурирования используются: углы подачи и раскатки, углы конусности очагов, обжатия по диаметру в пережиме и перед носком оправки, обжатие по толщине стенки, диаметры оправок.

В начальной стадии реализации способа, когда используются новые или восстановленные переточкой прокатные валки, происходит благоприятное изменение микрорельефа рабочей поверхности. Валки приобретают оптимальную шероховатость. Повышается их захватывающая и тянущая способность.

Далее наступает основная стадия износа валков, при которой происходит локализация эксплуатационного истирания. В процессе прошивки наибольший износ локализован в зоне 10, примыкающей к сечению 6 входа металла в валки. Ресурс работоспособности валков ограничен глубиной и крутизной кольцевой выработки, при которой утрачивается способность валков к естественному захвату.

После окончания прошивки заготовок и перехода на раскатку гильз характер износа валков изменяются. Зона наиболее интенсивной выработки 11 смещается по ходу прокатки. Зона 11 начинается от сечения 7 и распространятся до конца пережима. Кроме того, естественное течение металла при раскатке выглаживает зону износа, которая обозначилась при прошивке. При этом происходит выравнивание профиля валков и приближение его к первоначальному виду.

Аналогично, последующая прошивка естественным течением выглаживает зону максимального износа при раскатке. В данном взаимодействии формируется механизм самовосстановления профиля валков за счет управления зонами износа. В целом исходный профиль валков самовосстанавливается на 85...90%.

Количественные соотношения способа представляют собой результат оптимизации параметров способа по полноте и устойчивости достигаемого технического результата. Оптимизация достигнута путем прямых экспериментов по отработке способа на заготовках из различных сталей и сплавов на стане винтовой прокатке 100Д. Объем партии заготовок в пределах, примерно, до 100 тонн контролирует сбалансированность интенсивности износа валков в процессах прошивки и раскатки, при котором реализуется механизм самовосстановления рабочего профиля. Если объем партии превышает 100 тонн, тогда результирующий износ может иметь чрезмерные остаточные кольцевые углубления в зонах 10 и 11, которые склонны быстро прогрессировать. При этом теряется искомый технический эффект изобретения. Прошивка и раскатка партиями менее 1 тонны может быть осложнена излишними простоями оборудования на перенастройки с прошивки на раскатку и обратно.

Расстояние S между сечениями 6 и 9, составляющее 0,4...2,6 диметра гильзы, обеспечивает оптимальное расположение зон максимального износа 10 и 11 на поверхности валков и исключает:

1. Перекрытие зон 10 и 11, поскольку при этом на участке совмещения износ синергетически возрастает. Ситуация с износом становится хуже, чем в прототипе.

2. Удаление зон 10 и 11 на расстояние большее, чем ширины зоны 10. При этом между участками 10 и 11 начинает быстро развиваться кольцевой выступ (гребень износа), который, нарушая заданные условия деформации, ведет к росту брака по поверхностным пленам и точности размеров.

Выполнение первого условия контролируется нижней границей заявленного интервала (S=0,4), а второго верхней (S=2,6).

Пример реализации способа.

Данный способ реализован при винтовой прокатке труб на стане 100Д. Партия из 27 исходных заготовок из стали 45 диаметром 100 мм нагревается до температуры 1180°С. Все 27 заготовок прошиваются в стане с бочковидными валками в гильзы диаметром 100 мм и толщиной стенки 22 мм. Диаметр валков составляет 700 мм, длина бочки - 650 мм. Угол конусности очага деформации в конусах прошивки и раскатки составляет 3°. Угол подачи валков устанавливается 7°. После прошивки всей партии выполняют перенастройку стана на раскатку. Устанавливают раскатную оправку и другие направляющие линейки. Затем выполняют раскатку партии гильз, получая трубы диаметром 105 мм, с толщиной стенки 12 мм. При этом расстояние между поперечным сечением очага деформации, соответствующим входу заготовки в валки при прошивке, и поперечным сечением очага деформации, соответствующим началу контактной деформации стенки гильзы между валками и оправкой при раскатке, вдоль очага деформации выдерживают равным 170 мм, что составляет 1,7 диаметра гильз. Затем опять переходят к прошивке очередной партии заготовок и их последующей раскатке.

Чередование прошивки и раскатки можно производить как партиями заготовок, так и отдельными заготовками.

В таком чередовании прошивки и раскатки ведут дальнейшую винтовую прокатку до износа валков, несовместимого с получением качественных труб.

Способ предназначен для сокращения расхода валков на передел, увеличения времени работы валков между перевалками на переточки и, соответственно, сокращения общей продолжительности вынужденных простоев при винтовой прокатке труб. В способе винтовой прокатки труб, включающем нагрев заготовок, прошивку их в гильзы и последующую раскатку в калибрах, образованных приводными валками, направляющим инструментом и оправкой, в соответствии с изобретением, воздействие на эксплуатационный износ валков осуществляют согласованным выбором условий прошивки и раскатки, выполняемых одними и теми же валками. Прошивку и раскатку заготовок ведут поочередно в одних и тех же валках таким образом, что поперечное сечение очага деформации, соответствующее входу заготовки в валки при прошивке, и поперечное сечение очага деформации, соответствующее началу контактной деформации стенки гильзы между валками и оправкой при раскатке, отстоят друг от друга вдоль очага деформации на 0,4...2,6 диаметра гильзы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ винтовой прокатки труб, включающий нагрев заготовок, прошивку и раскатку валками на коротких оправках, отличающийся тем, что прошивку и раскатку заготовок ведут поочередно в одних и тех же валках таким образом, что поперечное сечение очага деформации, соответствующее входу заготовки в валки при прошивке, и поперечное сечение очага деформации, соответствующее началу контактной деформации стенки гильзы между валками и оправкой при раскатке, отстоят друг от друга вдоль очага деформации на 0,4...2,6 диаметра гильзы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после прошивки гильзы теплоизолируют.