Производство труб

 
 
Осевая скорость гильзы  
 
, 
 
где d_r – диаметр гильзы в данном сечении очага деформации; 
 
n_r – скорость вращения гильзы; 
 
Q_г – исходная площадь сечения заготовки; 
 
Q_x – площадь поперечного сечения гильзы в данном сечении очага дефор-мации; 
 
l_x – вытяжка в данном сечении очага деформации. 
 
Каждая точка поверхности металла совершает винтообразное движение. Величину шага – перемещение любой точки поверхности металла за полуоборот гильзы называют подачей (t_x) и вычисляют по осевой скорости гильзы, умноженной на время полуоборота:  
 
. 
 
Зная величину подачи, можно определить обжатие заготовки по диаметру в конусе захвата за полуоборот заготовки: 
 
, 
 
где a₁ – угол конуса захвата (входного) (см. рис. 4). 
 
Условия захвата при поперечно-винтовой прокатке следует рассматривать не только в момент непосредственного касания с валками задаваемой заготовки (первичный захват), но и в более поздний момент, когда передний конец ее встретится с оправкой (вторичный захват). Первичный захват обусловлен условиями, обеспечивающими вращение заготовки, так как без этого не может быть ее осевого перемещения. 
 
В любом поперечном сечении очага деформации (в конусе захвата) на заготовку действует (рис. 5) активный момент ^ М_т сил трения и момент М_N сил нормального давления, препятствующий вращению заготовки. Тогда условие вращения заготовки (условие первичного захвата) запишем неравенством М_т – М_N  0 или³ Pfа – Р_с  0, где³ Р – сила нормального давления; f – коэффициент трения. Откуда . 
 
Величина с зависит от обжатия заготовки за полуоборот и диаметра валков, величина а определяется диаметром заготовки. Поэтому с увеличением обжатия за полуоборот увеличивается с и при каком-то ее значении вращение заготовки прекратится, т. е. захват будет невозможен. 
 
При недостаточной величине втягивающих сил, действующих на заготовку в момент вторичного захвата, произойдет остановка заготовки: вращение заготовки будет, а поступательное движение прекратится, так как усилие, необходимое для прошивки заготовки оправкой, окажется больше втягивающего усилия. Величина втягивающего усилия зависит от величины контактной поверхности между металлом и валком в конусе захвата и от угла подачи b. 
 
Если для первичного захвата рекомендуется уменьшение обжатия за полуоборот заготовки за счет уменьшения угла конуса захвата a₁ и угла подачи b, то при вторичном захвате с повышением значений a₁ и b, увеличивается втягивающее усилие. Поэтому при калибровке определяют параметры, при которых удовлетворяются условия первичного и вторичного захватов. 
 
Валки прошивных станов имеют форму, показанную на рис. 6. Валки первого типа (а), представляющие собой два усеченных конуса, приложенных друг к другу большими основаниями, применяют при прошивке заготовок, а второго (б) – с дополнительными участками для калибровки наружного диаметра гильзы – используют при прошивке слитков большого диаметра. При выборе диаметра рабочих валков следует учитывать, что с ростом их диаметра увеличиваются усилия при прокатке, рабочая клеть становится более громоздкой, но прочность валка и жесткость конструкции возрастают. Углы конусности валков являются наиболее характерными параметрами калибровки. Особенно большое влияние на процесс оказывает угол a₁ входного конуса валка, величиной которого определяется обжатие заготовки по диаметру перед оправкой. Оптимальные величины угла a₁, используемые в практике, равны 3–4°. Угол a₂ раскатного (выходного) конуса валков обычно принимают равным от 3° 30' до 6°. 
 
Для прошивки применяют оправки двух типов (рис. 7): сменяемые (а) и несменяемые (б). В последнее время широкое распространение получили несменяемые оправки, повышающие производительность стана и позволяющие полностью автоматизировать весь процесс, освободиться от тяжелых ручных операций.

 
 
В настоящее время при производстве бесшовных труб по некоторым технологическим схемам используют прошивку на прессах вместо прошивки на станах поперечно-винтовой прокатки. Прошивка на прессах применяется в тех случаях, когда исходной заготовкой для получения труб служит слиток. Получение гильзы на прессах позволяет использовать также в качестве исходной заготовки блюмы. При прошивке на прессах напряженное состояние металла характеризуется всесторонним неравномерным сжатием, повышающим пластич-ность. Это позволяет получать гильзы из литого легированного металла. Схема деформации такова, что отсутствует овализация заготовки, а деформация в поперечном направлении равномерна и минимальна. Поэтому дефекты, характерные для прошивки гильзы на валковых станах (плены на внутренней поверхности, овализация гильзы), отсутствуют. Прошивкой на прессах получают пустотелый толстостенный стакан (гильзу) сравнительно небольшой длины. Наибольшее отношение длины стакана к его диаметру практически находится в пределах 4–7 (меньшее значение для большего диаметра стакана), так как усилия прошивки весьма значительны и чем больше длина пуансона (гильзы), тем меньше жесткость его, а, следовательно, больше разностенность стакана. Поэтому для получения труб требуемой длины (не менее 8–12 м) следующую раскатку стакана производят с большими деформациями. 
 
Наибольшее распространение получила заполняющая прошивка по методу Эргардта, когда многогранный слиток или квадратную заготовку прошивают в круглом контейнере. Схема прошивки показана на рис. 8. Площадь пуансона 1 (иглы) равна площади зазора между слитком 2 и контейнером 3, поэтому металл течет радиально и высота слитка практически не изменяется. Обычно прошивку ведут с некоторым переполнением (на 5–10%) для лучшего заполнения контейнера. Прошивку производят на горизонтальных прессах усилием 8–12 Мн (800–1200 Т).

 
 
1.3. Раскатка гильзы в трубу  
 
Для раскатки гильзы существуют станы четырех типов: автоматический, непрерывный, пилигримовый и трехвалковый. 
 
Продольная прокатка (раскатка) гильзы на автомат-стане – один из наиболее распространенных способов получения трубы с заданной толщиной стенки. Автомат-стан представляет собой обычную нереверсивную двухвалковую прокатную клеть. 
 
Гильза прокатывается в круглом калибре за два прохода на неподвижной короткой оправке, установленной между валками (рис. 9, а). После каждого прохода раскатанную гильзу передают на переднюю сторону клети с помощью пары фрикционных роликов обратной подачи, смонтированных на задней стороне клети и вращающихся в противоположную по отношению к рабочим валкам сторону. В этот момент верхний валок немного приподнимают для передачи трубы на переднюю сторону стана, оправку после прокатки снимают и вновь устанавливают перед подачей гильзы на следующий проход. 
 
Рабочая клеть (рис. 9, б) имеет две станины закрытого или открытого типа с общей съемной крышкой. Подушки рабочих валков сделаны из литой стали с текстолитовыми вкладышами. Станы, предназначенные для прокатки труб малых диаметров, оборудованы роликовыми подшипниками. Перевод на подшипники качения позволяет: повысить точность настройки стана, сделать ее стабильной и, как следствие, повысить точность труб по толщине стенки. Установка нижнего рабочего валка по высоте производится вручную продольными клиньями или нижними нажимными винтами. Положение верхнего рабочего валка регулируется двумя нажимными винтами, которые приводятся во вращение от электродвигателя через цилиндрический редуктор и червячные передачи. Подъем верхнего рабочего валка на определенную высоту для пропуска трубы при передаче ее на входную сторону и его опускание в рабочее положение производится клиновым механизмом. Мощность двигателя главного привода в зависимости от сортамента труб составляет 600–1900 кВт. Клеть оборудована передним и задним столами. На переднем столе смонтированы устройства для подачи гильзы – трубы в валки и кантовки ее после каждого прохода. 
 
Задний стол оборудован трубчатыми проводками и упором для закрепления стержня, на переднем конце которого установлена короткая коническая оправка. 
 
В валках автомат-стана размещают от 2 до 12 ручьев. Большее число относится к случаю прокатки труб малого диаметра. При прокатке на автомат-стане используют, как правило, круглые калибры, (рис. 10, а). Радиус калибра r_к принимают равным половине высоты h калибра, а угол выпуска y устанавливают в пределах 30–32°. Выпуск выполняют радиусом r. Отношение ширины калибра b к его высоте h называют коэффициентом овальности К. Обычно принимают К = 1,03–1,08, меньшие значения коэффициента применяют при прокатке тонкостенных труб. Ширина калибра при прокатке тонкостенных труб (D/S = 20–40) примерно равна или несколько больше диаметра задаваемой гильзы, а при прокатке толстостенных труб несколько меньше диаметра гильзы. 

 
 
Оправки автомат-стана (рис. 10, б) чаще всего  имеют рабочую поверхность конической формы с углом конусности j = 10–12°. Длина цилиндрического пояска равна 20–45 мм, меньшее значение соответствует меньшему диаметру труб. Сопротивление оправки перемещению трубы в значительной мере зависит от угла конусности j. С увеличением конусности сокращается контактная поверхность, но увеличивается лобовое сопротивление оправки. Угол j Dнаходят из условия минимального сопротивления оправки перемещению трубы. Практически обжатие стенки S на автомат-стане колеблется весьма незначительно и составляет 3–7 мм (меньшие значения для труб с более тонкой стенкой). Относительная деформация на автомат-стане для труб с толщиной стенки 3–3,5 мм составляет 50–55%, а для труб с толщиной стенки 40–50 мм относительная деформация равна 15–17%. Обжатие на автомат-стане лимитируется сопротивлением оправки продвижению гильзы; при больших обжатиях продвижение гильзы невозможно. В первом проходе коэффициент вытяжки равен 1,5–1,6, во втором – коэффициент вытяжки равен 1,10–1,30. Для первого и второго проходов используется один и тот же калибр. Деформация во втором проходе происходит за счет оправки, диаметр которой на 1–2 мм больше диаметра оправки первого прохода. Таким образом, после каждого прохода необходима смена оправки. После каждого прохода труба кантуется (поворачивается вдоль продольной оси) на 90°. 
 
Раскатка гильзы в трубу на непрерывном многоклетевом стане является процессом непрерывной продольной прокатки. Прокатку ведут на длинной цилиндрической оправке, что позволяет получать трубы, большой длины (в два с лишним раза большей, чем, например, при прокатке на автомат-стане, где длина трубы ограничивается малой величиной деформации). 
 
Каждая клеть современного стана имеет индивидуальный привод, что позволяет регулировать режим натяжения. Двухвалковые клети расположены относительно друг друга под углом 90°. Таким образом, металл, находящийся в данной клети в выпусках калибров, попадает в вершины калибра следующей пары валков и т. д. Такое расположение клетей устраняет необходимость кантовки труб. В отечественных конструкциях клети устанавливают под углом 45° к горизонту. Вращение от двигателя передается через комбинированную шестеренную клеть и шпиндельные соединения. Общая мощность двигателей девятиклетевого стана составляет 8550 кВт. Все клети одинаковые, расстояние между ними 1150 мм, валки диаметром 530–550 мм, длиной 230 мм. На стане прокатывают трубы одного диаметра (108 или 110 мм) с толщиной стенки от 3 до 8 мм. Станины рабочих клетей закрытого типа, рабочие валки смонтированы на конических четырехрядных роликовых подшипниках, которые закреплены в подушках, уравновешивание валков пружинное. Нажимные винты верхнего и нижнего валков приводятся во вращение от одного электродвигателя через червячные редукторы. Предусмотрена возможность перемещения только одного верхнего валка. На входной стороне стана установлены механизмы для введения оправки в гильзу и подачи ее с оправкой в валки. 
 
На непрерывном стане применяют круглые и овальные калибры. Круглые калибры, делают с выпусками, аналогично калибрам автомат-стана (см. рис. 10, а). Угол выпуска y = 40–50°. Для овальных калибров оптимальное отношение ширины к высоте находится в пределах 1,24–1,28. 
 
На непрерывных станах деформацию между клетями распределяют с постепенным уменьшением от II к VII клети. В первой клети дают меньшую деформацию, чем во второй, а в последних двух клетях обжатие стенки трубы обычно не производят. Например, при прокатке труб с минимальной толщиной стенки (3–3,5 мм) коэффициенты вытяжки по клетям распределяют так: 
 
 
Номер клети ........………… I II III IV V VI VII 
 
Коэффициент вытяжки ..... 1,23 1,49 1,38 1,23 1,18 1,11 1,05 
 
Оправки непрерывного стана – цилиндрические с проточкой на одном конце для захвата оправки при извлечении ее из трубы. Длина оправки несколько меньше длины прокатываемой трубы, которая достигает 26 м. Для уменьшения износа и более стабильной работы одновременно используют 15–16 оправок. 
 
^ Пилигримовая (пильгерная) прокатка относится к периодическим процессам и предназначена для производства труб с заданной толщиной стенки. При пилигримовой прокатке радиус ручья валков – переменный. Раскатка гильзы ведется на длинной цилиндрической закрепленной оправке – дорне. 
 
На рис. 11 показан валок пилигримового стана. Ручей пилигримового валка имеет две основные части: рабочую, определяемую углом q_р, и холостую, определяемую углом q_x, равным 150–160°. 
 
Рабочая часть калибра состоит из трех участков: 
 
1) q_б = 60–90°, называемого бойком или передним конусом. На этом участке происходит основная деформация металла; 
 
2) q_К = 90–110°, называемого калибрующим или полирующим (на этом участке труба получает окончательные размеры по диаметру и толщине стенки); 
 
3) q_В = 10–20°, участка плавного перехода. 
 
Первое соприкосновение валка с металлом после очередной подачи гильзы на величину m происходит в точке с (рис. l2, a). Радиус валка r_С, соответствующий этой точке, называют радиусом захвата. При дальнейшем вращении валков происходит непрерывное обжатие гильзы возрастающим радиусом бойка (рис. 12, б). За время прохождения бойка через линию центров гильза обжимается и одновременно откатывается. 
 
С выходом радиуса полирующего участка на линию центров происходит конечная стадия процесса: калибровка трубы по диаметру и по стенке (рис. 12, в). Откат гильзы заканчивается в момент выхода холостого участка валка на линию центров. За время прохождения холостого участка через линию центров гильза возвращается в исходное положение и затем подается снова (рис. 12, г). За этот период направление движения гильзы противоположно направлению вращения валков. После этого процесс вновь повторяется. 
 
За время одного цикла получается отрезок готовой трубы длиной l_тр = ml_S, где m – величина подачи гильзы за цикл; l_S – суммарная вытяжка, равная отношению площади поперечного сечения гильзы к площади поперечного сечения готовой трубы (l_S = 10–15). 
 
Наиболее сложно при калибровке пилигримовых валков установить профиль гребня бойка. Известны различные методики, позволяющие рассчитать кривую гребня, исходя из различных параметров процесса. 

 
Пилигримовая клеть имеет две  станины закрытого типа в виде жестких прямоугольных рам. Валки  установлены в текстолитовых  вкладышах, вмонтированных в подушки. В последнее время применяют подшипники жидкостного трения. Регулировка нижнего валка по высоте производится прокладками, устанавливаемыми под подушки, или клиньями, а верхний рабочий валок перемещается двумя нажимными винтами, вращающимися от электро-двигателя через червячные передачи, размещенные вверху станин. Уравновешивание верхнего валка гидравлическое. Гильза подается специальным аппаратом (подающим), который в это же время кантует (поворот) ее на 90°. Таким образом, металл, находившийся в выпусках ручья предыдущего цикла, раскатывается при последующем цикле обработки. 
 
Небольшой участок заднего конца гильзы остается непрокатанным, который отрезают на пилах после окончания прокатки и извлечения оправки (дорна) из трубы. В работе одновременно находится 10–15 дорнов. 
 
На трехвалковом раскатном стане гильзу раскатывают на длинной подвижной оправке. Валки, равноудаленные один от другого и от оси прокатки, вращаются в одну сторону и придают задаваемой гильзе вращательное движение (рис. 13). Вследствие перекоса валков на угол подачи b = 5–8° гильза получает дополнительно поступательное движение. Оси валков наклонены к оси прокатки и образуют угол j  7°, который называют углом раскатки. При прокатке оправка вместе с£ трубой перемещается через очаг деформации. На валках трехвалкового раскатного стана можно выделить (по их назначению) четыре основных участка:  

 
 
конус захвата 1 с углом a₁ = 2° 30'–3°, гребень 2 с углом наклона к оси; прокатки a₁ = 42°, раскатной или калибрующий конус 3 и выходной конус 4 (рис. 13, б).  
 
После захвата валками гильза получает вращательное и поступательное движение, на конусе захвата происходит редуцирование гильзы (уменьшение по диаметру) и обжатие стенки (примерно 20% суммарного обжатия). Основная деформация стенки (80% суммарного обжатия по стенке) осуществляется гребнем валка, при этом вытяжка равна 1,3–3,0. На следующем участке очага деформации – калибрующем конусе – происходят выравнивание толщины стенки и уменьшение овализации, в результате чего несколько увеличивается внутренний диаметр. Благодаря увеличению внутреннего диаметра образуется некоторый зазор между трубой и оправкой, что облегчает снятие трубы с оправки. Высота гребня валков или величина обжатия стенки трубы зависит от отношения диаметра прокатываемой трубы D к толщине стенки S. При D/S  6,0 высоту гребня принимают равной до 10³ мм, при D/S  6,0 высота гребня равна 12,5£ мм. На трехвалковом стане можно раскатывать только толстостенные трубы с отношением D/S  11–12. При прокатке сравнительно тонкостенных труб (£D/S > 12) происходит потеря поперечной устойчивости трубы: поперечное сечение концов трубы превращается в треугольник, что приводит к прекращению процесса раскатки. 
 
 
1.4. Редуцирование труб 
 
Прокатку труб для уменьшения их диаметра (редуцирование) весьма широко применяют при производстве горячекатаных труб, а также при изготовлении труб сваркой. Это объясняется тем, что получение труб малых размеров обычно связано с ощутимыми потерями производительности трубопрокатных или трубосварочных агрегатов и, следовательно, с удорожанием продукции. Кроме того, в некоторых случаях, например, прокатка труб диаметром менее 60–70 мм затруднена, так как требуются оправки слишком малого диаметра. 
 
Редуцирование проводят после дополнительного нагрева (или подогрева) труб до 850–1100°С прокаткой их на многоклетевых непрерывных станах без применения оправки. В зависимости от принятой системы работы этот процесс может протекать с увеличением толщины стенки или с ее уменьшением. В первом случае прокатку ведут без натяжения трубы между клетями (или с очень незначительным натяжением), а во втором – с большим натяжением. Второй случай, как более прогрессивный, получил распространение в последнее десятилетие, так как при этом возможно значительно большее обжатие по диаметру, а благодаря уменьшению толщины стенки можно расширить сортамент прокатываемых труб более экономичными тонкостенными трубами. В промышленности эксплуатируются редукционные станы с двух- или трехвалковыми клетями. 
 
Стан включает 20 клетей с индивидуальным приводом. Каждая последующая клеть относительно . Положение валков регулируется°предыдущей расположена под углом 90 нажимными винтами. Кроме того, предусмотрена осевая регулировка валков для точного совмещения ручьев верхнего и нижнего валков. Мощность двигателя каждой клети при работе с натяжением достигает 150 кВт. 
 
Редукционные станы с двухвалковыми клетями и индивидуальным приводом используют для редуцирования труб широкого сортамента (диаметром 17–80 мм). При этом используется исходная труба диаметром 80–110 мм и даже до 180 мм. Применение трехвалковых клетей обычно ограничивает верхний предел исходного диаметра труб 120 мм. Станы с двухвалковыми клетями (3–7 клетей) с групповым приводом используют как калибровочные, т. е. для небольшого уменьшения диаметра труб, только с целью повышения их точности. 
 
Для определения размеров калибров задаются режимом деформации, добиваясь равномерности распределения относительного обжатия e_х по клетям:  
 
, 
 
где d_х – средний диаметр калибра в рассматриваемой клети; 
 
d_х-1– средний диаметр калибра в предыдущей клети.  
 
Величину среднего относительного обжатия принимают равной 3–5% при свободной прокатке и 7–12% – при редуцировании с натяжением. При редуцировании применяют калибры круглые с выпуском. В трехвалковых клетях выпуск калибров значительно меньше, что повышает точность прокатки. Скорость прокатки достигает в последних клетях 10–12 м/сек. 
 
^

2. Производство сварных труб 

 
 
В настоящее время сварные трубы  производят в основном печной сваркой  и электросваркой из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. 
 
^

2.1. Непрерывная печная сварка  труб

 
Печной сваркой изготовляют водогазопроводные  трубы диаметром 13,5–114 мм со стенкой  толщиной 2–4 мм. 
 
Процесс формовки и сварки штрипса в трубу на непрерывных станах печной сварки производится валками. Схема формовки штрипса в трубу показана на рис. 14. Деформация (свертка) штрипса, начинающаяся на некотором расстоянии от формующих валков – внеконтактная деформация гиба. Протяженность внекон-тактной деформации зависит от ширины штрипса, с увеличением ширины штрипса она увеличивается. Второй участок деформации – это контактная деформация гиба. Здесь свертка штрипса продолжается в формующих валках. Однако калибр этих валков заполняется неполностью. Угол обхвата штрипса равен 220–270°. Между кромками штрипса остается зазор, равный примерно 0,7 диаметра калибра. Во второй паре валков (сварочных) продолжается свертка штрипса до соприкосновения его кромок, уменьшение диаметра трубы (редуцирование) для создания необходимого давления на кромках и сварка.

 
 
Рассмотрим общую схему технологического процесса непрерывной печной сварки (рис. 15). Горячекатаный штрипс в рулонах 1 с помощью консольно-поворотного крана 2 устанавливают на разматыватель 3. С разматывателя штрипс поступает для правки на роликовую правильную машину 4. Каждый последующий рулон сваривают с концом предыдущего рулона (перед сваркой концы рулонов обрезают на ножницах 5) на стыкосварочной машине 6. Для обеспечения непрерывного процесса сварки труб во время сварки концов штрипса создают петлю между тянущими роликами, установленными за сварочной машиной и петлеобразователем 8. За этим петлеобразователем образуют вторую петлю 9, размер которой остается все время постоянным благодаря регулятору 10. Этим создается постоянное натяжение штрипса при нагреве его в печи 11 туннельного типа. После нагрева производят формовку и сварку кромок штрипса на формовочно-сварочном стане 12, состоящем из 6–12 клетей с вертикальными и горизонтальными валками. Выйдя из формовочно-сварочного стана, труба поступает далее на редукционный стан 13. В зависимости от сортамента прокатываемых труб стан состоит из 10–14 клетей, в том числе 5–7 горизонтальных и 5–7 вертикальных. 
 
Редукционный стан позволяет использовать штрипс одной ширины и из него получать трубы различного диаметра. Обжатие трубы по диаметру в каждой клети 5–10%. Затем на калибровочном стане 14 производят калибровку трубы по наружному диаметру. Калибровочный стан состоит из трех клетей, из которых две крайние – горизонтальные, а средняя – вертикальная. Клети формовочно-сварочного, редукционного и калибровочного станов унифицированы. Затем трубы разрезают на части летучей пилой 15, и они поступают на охладительный стол 16. После полного охлаждения на холодильнике трубы специальным распределительным устройством подают к станам холодной правки и далее на торцовку, гидравлическое испытание, нарезку концов, навертку муфт, окраску или оцинковку. 
 
Производительность агрегатов непрерывной печной сварки труб достигает 55 т/ч. Исходным материалом для изготовления труб печной сваркой служит горячекатаный штрипс в рулонах массой 1300–4500 кг и длиной 100–300 м. Ширину штрипса выбирают из условий оптимального относительного обжатия по диаметру e_св в сварочном калибре, равного 4–10%. Ширина штрипса с учетом потерь на угар и температурного расширения 
 
. 
 
В настоящее время применяют штрипс с катаными и с резаными кромками, который получают продольной резкой (роспуском) листа шириной 1000–1700 мм.