Технология и оборудование для прошивки труб. Оборудование раскатных станов (трехвалковый раскатной стан, непрерывный стан, автомат стан)

Содержание

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение

      Современный уровень развития трубного производства характеризуется большим разнообразием  применяемых способов и технологий для производства бесшовных труб, каждому из которых присущи свои особенности, достоинства и недостатки. Независимо от способа производства горячедеформированных труб технологическая  схема включает следующее обще элементы: нагрев металла, полученной полой заготовки  гильзы, получение черновой трубы (раскатка гильзы), окончательное формирование стенки и диаметра трубы (редуцирование ил калибровка). При этом перед каждой технологической операцией при необходимости может осуществляться подогрев трубы.

      Технология  производства бесшовных труб предъявляет  высокие требования к качеству исходной заготовки. По этой причине использование непрерывнолитой заготовки для производства бесшовных труб долго сдерживалось наличием ликвации и несплошностей в центральной части и на поверхности заготовки, что не обеспечивало получение качественных труб.

      Однако  высокая экономическая эффективность  использования непрерывнолитых заготовок стимулировала проведение работ по развитию и совершенствованию технологии производства непрерывнолитых заготовок, разработку и создание новых процессов, технологий и трубопрокатного оборудования, обеспечивающих получение труб высокого качества из непрерывнолитого металла.

        Применение качественной и дешевой заготовки в виде слитка непрерывной разливки является важным фактором конкурентоспособности бесшовных труб на мировом рынке.

      Способ  прошивки заготовки в гильзу, применяющийся  на том или ином трубопрокатном агрегате, определяет форму и размеры используемой непрерывнолитой заготовки.

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1 Современные способы и оборудование для производства полой заготовки 

      Технологический процесс прошивки заготовки в  гильзу следует рассматривать в  зависимости от диаметра трубы. Так, если трубы имеют сравнительно малый  диаметр, то они прокатываются по схеме: нагрев сплошной катаной заготовки  ̶  прошивка ее в гильзу  ̶  последующая  прокатка на нужный размер и редуцирование. Если же прокатываются трубы больших диаметров (более 200 мм), то тогда в качестве исходной заготовки стремятся применить литые полые слитки круглого сечения. Соотношение наружного диаметра готовой трубы и слитка d_тр/d_{сл0,7. Схема прокатки труб больших диаметров моет быть следующей: нагрев литых полых слитков ̶ прокатка гильзы на размер трубы ̶ окончательное оформление размеров трубы.}

      В связи с особыми требованиям, предъявляемым к бесшовным трубам, подготовке поверхности исходной заготовки придется исключительное значение. Удаляются самые незначительные поверхностные дефекты, так как любой неудаленный дефект моет явиться концентратом напряжений и послужить причиной разрушения сплошности тела тубы. Удаление дефектов осуществляется в соответствии с техническими положениями.

      В практике трубного производства применяют  следующие способы получения полых заготовок гильз: прошивкой сплошных круглых заготовок на двухвалковых станах винтовой прокатки с различным типом валков и направляющего инструмента (рисунок 1); прошивкой сплошных круглых заготовок на трехвалковых станах; прошивкой сплошных заготовок на прессах (рисунок 2); прошивкой сплошных квадратных заготовок на пресс-валковых станах (рисунок 3). 

 

а - в  бочковидных валках; б - в грибовидных  валках; в - в дисковых валках

Рисунок 1  ̶ Схемы прошивки заготовок в двухвалковых станах винтовой прокатки. 

 

I,а ̶ заполняющая; I,б ̶ нарастающая; II   ̶  сквозная; III ̶ получение стакана (способ Эрхарда); I  ̶ 1 ̶ пресс-штемпель; 2  ̶ игла; 3  ̶ контейнер; II  ̶  1  ̶   пресс-штемпель; 2  ̶  игла; 3  ̶  контейнер; 4  ̶  матрица; 5  ̶  заготовка;  6  ̶  выпрессовка-пробка; III  ̶ 7  ̶ гильза-стакан; 8  ̶ матрица; 9  ̶ оправка

Рисунок 2  ̶  Схемы прошивки заготовок  на прессе 

 

1 - толкатель; 2 - квадратная заготовка; 3 - роликовая  проводка; 4 - 

прокатные валки; J - оправка; 6 - стержень-оправка; 7 – гильза

Рисунок 3  ̶ Схема пресс-валковой прошивки 

      В валках прошивных станах горизонтальные оси валков расположены под углом 5 ̶  12° к оси прокатки и с  перекосом одна относительно другой. В грибовидных прошивных станах валки установлены в горизонтальной плоскости под углом 30°, в вертикальной  ̶  7,5° к оси прокатки. Каждый валок имеет две конические поверхности, соответствующие двум основным зонам дефомации. В дисковых станах валки насажены на два параллельных вала, вращающихся в одном направлении. Ось прокатки смещена на 50 мм в вертикальной плоскости ниже осей валков. Как и в других станах, дисковые валки имеют две конические поверхности, которые являются рабочими в процессе прошивки. 

      2 Процесс прошивки заготовки в  гильзу 

      Рассмотрим  процесс прошивки нагретой заготовки  в гильзу на валковом прошивном стане  с оправкой. Рабочие валки имеют  двойную конусность и вращаются  в одну сторону, в результате чего заготовка получает вращение, характерное  для поперечной прокатки,  поступательное движение вследствие того, что оси  валков расположены под некоторым  углом α к осевой линии прокатки (рисунок 4). На входном конусе происходит подготовка металла заготовки к прошивке на оправке; на выходном  ̶ утонение стенки гильзы между оправкой и валкам. Пережим валков (место перехода от входного конуса к выходному) сглаживает участок перехода деформации сжатия заготовки по наружному диаметру к деформации расширения. Входные конусы валков делают или одинаковой длины, или несколько короче выходных. Большая длина выходного конуса обеспечивает получение гильз с геометрически правильной поверхностью  большим расширением. Углы наклона образующих входного (конуса прошивки)  выходного конусов примерно одинаковы и составляют 4  ̶  5°.

 

Рисунок 4  ̶  Расположение прокатных валков в клети (вид сверху) 

      При вращении и поступательном движении заготовка постепенно подвергается обжатию по всей окружности и на всю длину. В зоне прошивки происходит скручивание заготовки, поэтому  возможны трещины на ее поверхности.

      В зоне прошивки из-за конусности валков просвет меду ними постепенно уменьшается, поэтому скорость валков по направлению  прокатки увеличивается, а вместе с  ней возрастает частота вращения слитка.

      За  один оборот заготовки каждая точка  ее поверхности подвергается обжатии  дважды. При обжатии заготовки  она сплющивается в перпендикулярном направлении, вследствие чего ее поперечное сечение становится овальным. При такой знакопеременной деформации металл деформируемой заготовки испытывает различные напряжения в разных ее частях. В местах действия сил, обеспечивающих обжатие, возникают напряжения сжатия. При этом их максимальное значение будет на контактных поверхностях; к центру заготовки сжимающие напряжения убывают. В зоне прошивки величина напряжений сжатия возрастает. По причине неравномерного распределения сил сжатия удлинение заготовки также происходит неравномерно; оно убывает от периферийных слоев к центру. На переднем (подвергаемом обжатию) конце заготовки образуются вогнутость, а в средних частях возникают растягивающие и скалывающие напряжения, нарушающие сплошность металла. Образование трещин начинается в центре заготовки, глее напряжения максимальны,  идет в радиальных направлениях.

      Образование осевой полости обусловлено разрушением  металла заготовки и связано  дефектами на внутренней поверхности  гильзы в виде плен. Поэтому на практике прошивку ведут так, чтобы предупредить произвольное вскрытие осевой полости. Для этого носок оправки выдвигается  на некоторое расстояние вперед перед  линией пережима валков, что способствует образованию осевой полости правильного  очертания и  получению внутренней поверхности гильзы без плен.

      На  выходном конусе гильза раскатывается  на оправке. Здесь конусность валков обратна конусности на входе, поэтому  по мере продвижения гильзы ее наружный диаметр увеличивается. Заготовка  своей средней частью надвигается  на неподвижную оправку, что способствует интенсивному образованию полости, которое начинается еще в зоне прошивки. На выходном конусе, как и  на входном, наружные слои прокатываемой  гильзы удлиняются больше по причине  более значительного влияния  сжимающих сил.

Длину заготовки (слитка) при прошивке принимают  на основе расчетов и в соответствии с необходимой длиной трубы; при  этом гильза должна уменьшаться в  выходном желобе прошивной клети. 

      2.1 Прошивка в станах винтовой прокатки 

      При винтовой прокатке деформируемый металл имеет одновременно движение вдоль  оси прокатки ОХ и вращательное движение вокруг нее (рисунок 4), при этом каждая точка перемещается по пространственной спирали (винтовой линии) с переменными в очаге деформации радиусом r, осевой скоростью v_x, угловой w, тангенциальной скоростью v_y = wr и шагом подачи L. Такой характер движения металла достигается за счет одинакового направления вращения валков и наклона оси каждого из валков к оси прокатки на угол подачи α. Наклон осей является принципиальной особенностью станов винтовой прокатки, в связи, с чем их называют также косовалковыми.

      Угол  подачи образуется при повороте оси  валка вокруг оси OZ, перпендикулярной оси прокатки OX, для возможности такого поворота в наиболее распространенном типе станов валок смонтирован в барабане, который может плавно поворачиваться внутри станины и фиксироваться в ней при требуемом угле α. В станах разной конструкции и назначения валки устанавливаются на углы подачи от 2° до 40°.

      Прошивка  сплошной заготовки в полую гильзу является наиболее распространенным процессом  винтовой прокатки. Она может осуществляться в двух- или трехвалковых станах. 

 

а  ̶ продольное сечение очага деформации; б  ̶ поперечное сечение; в ̶ изменение скоростей металла по длине очага деформации

Рисунок 4  ̶  Схема процесса винтовой прокатки 

      На  современных трубопрокатных агрегатах  для прошивки заготовок из углеродистых, легированных и высоколегированных сталей практически повсеместно  применяют двухвалковые станы. Очаг деформации в таком стане образован  валками, свободновращающейся оправкой и направляющим инструментом (обычно в виде неподвижных профилированных  линеек, в некоторых случаях  ̶  вращающихся роликов или дисков). Оправка удерживается в осевом направлении стержнем или упорно-регулировочным механизмом. Линейки своими боковыми поверхностями прилегают к валкам и создают тем самым закрытый «калибр» стана, что позволяет прошивать тонкостенные гильзы. Диапазон получаемых гильз в прошивном стане с направляющими линейками соответствует d_r /s_r = 4÷20 при коэффициенте вытяжки λ = 1,1 ÷ 5. Ролики или диски имеют большую износостойкость, но ограничивают тонкостенность.