Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных способов производства бесшовных труб большого и среднего диаметров с толщинами стенок от 7 до 100 мм является прокатка на пилигримовых станах. В последние годы использование непрерывнолитых заготовок круглого сечения обеспечило значительные преимущества пилигримового способа производства труб.
На пилигримовых станах производят трубы широкого сортамента и практически любого назначения: трубы нефтяного сортамента, обсадные, баллонные, котельные, трубы из специальных сталей и сплавов, биметаллические трубы. Бесшовные трубы большого диаметра (до 630 мм) с различными толщинами стенок без применения станов-расширителей можно производить только на пилигримовых станах.
Однако, в связи с увеличением выпуска тонкостенных и толстостенных труб специального назначения, освоением и расширением сортамента труб из легированных и труднодеформируемых марок сталей и сплавов, повышением требований к качеству труб, необходимо дальнейшее развитие совершенствование технологического процесса пилигримовой прокатки тонкостенных и толстостенных труб большого диаметра специального назначения и внедрение полученных решений в производство.
Таким образом, весьма актуальным является исследование и совершенствование процесса пилигримовой прокатки тонкостенных и толстостенных труб большого диаметра с целью обоснования рациональных калибровок валков, повышения стойкости калиброванных валков и улучшения качества бесшовных труб, обеспечения заданной производительности пилигримовых станов, снижения нагруженности оборудования и приводов.
Цель работы заключается в разработке научных основ совершенствования станов пилигримовой прокатки труб и алгоритмов расчёта напряжений и перемещений металла в мгновенном очаге деформации при захвате гильзы валками и квазиустановившемся процессе, динамических нагрузок в линии привода, напряжений в валках и внедрение новых калибровок валков с оптимальными режимами пилигримовой прокатки, обеспечивающими выпуск конкурентоспособных бесшовных труб.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель процесса прокатки гильзы в валках пилигримового стана, которая позволила получить новые теоретические знания о закономерностях изменения напряжённо-деформированного состояния металла в мгновенном очаге деформации, как при захвате, так и в квазиустановившейся стадии процесса пилигримовой прокатки, о характере распределения и величине нормальных (в т.ч. тангенциальных и продольных) и касательных напряжений по длине и периметру мгновенного очага деформации гильзы пилигримовыми валками;
-разработан алгоритм и решена в объёмной постановке задача одновременного определения напряжений в мгновенном очаге деформации и
пилигримовых валках, что позволило определить закономерности распределения и их величину в валках от усилия пилигримовой прокатки;
разработана методика расчёта динамических нагрузок, возникающих в линии привода пилигримового стана при мгновенном приложении нагрузки;
предложен алгоритм и решена задача многоуровневой оптимизации параметров пилигримового стана, что позволило определить оптимальные по энергоёмкости параметры технологического процесса прокатки и оценить уровень динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана.
Практическая ценность работы определяется тем, что теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты:
определить основные направления совершенствования станов пилигримовой прокатки бесшовных труб;
оценить схему напряжённого состояния в мгновенном очаге деформации гильзы валками пилигримового стана и на базе этого прогнозировать качество бесшовных труб;
определить для различных калибровок валков уровень и характер распределения усилий и моментов прокатки и напряжений по длине и периметру очага деформации в зависимости от величины подачи гильзы в валки, что позволило дать рекомендации по выбору рациональной калибровки валков пилигримовых станов;
определить уровень и характер распределения радиальных и тангенциальных напряжений в пилигримовых валках, что позволило дать рекомендации по выбору рациональных технологических параметров процесса пилигримовой прокатки.
Реализация работы. Работа выполнена в соответствии с комплексным планом научно-исследовательских работ УрФУ по темам «Теоретические основы разработки новых процессов и машин, обеспечивающих повышение уровня конкурентоспособности производимых изделий», «Разработка теоретических основ технологий и оборудования, обеспечивающих производство новых видов металлопродукции», а также 7 хозяйственными договорами с ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» по совершенствованию технологии и оборудования для пилигримовой прокатки бесшовных труб. Результаты работы по совершенствованию станов пилигримовой прокатки бесшовных труб внедрены на ОАО «ЧТПЗ». Внедрены новые калибровки валков пилигримового стана ОАО «ЧТПЗ», что позволило повысить точность и улучшить качество тонкостенных труб, а также снизить нагруженность оборудования и приводов главной линии стана. Результаты исследований используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании по специальности «Металлургические машины и оборудование» в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается: физической обоснованностью разработанных математических моделей и
исходных предпосылок для расчётов; использованием апробированных методик исследований; результатами испытаний и опытом эксплуатации трубопрокатных агрегатов с пилигримовыми станами; удовлетворительным согласованием расчётных данных с экспериментальными данными автора и других исследователей.
На защиту вынесены следующие основные положения:
математическая модель процесса прокатки гильзы в валках пилигримового стана, постановка объёмных задач и результаты определения напряжённо-деформированного состояния металла в мгновенном очаге деформации как при захвате, так и в квазиустановившейся стадии процесса пилигримовой прокатки;
постановка объёмных задач и результаты одновременного определения напряжений в мгновенном очаге деформации и валках при пилигримовой прокатке стальных труб;
методика расчёта динамических нагрузок, возникающих в линии привода пилигримового стана при мгновенном приложении нагрузки;
алгоритм и результаты решения задачи многоуровневой оптимизации параметров пилигримового стана;
основные направления совершенствования технологии и оборудования пилигримовых станов, технологические схемы и калибровки инструмента, обеспечивающие эффективное повышение качества и точности бесшовных труб и результаты экспериментального исследования.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, их планировании и организации, обобщении экспериментальных данных и разработке математических моделей процесса прокатки гильзы в валках пилигримового стана, разработке технических заданий на проектирование, руководстве и участии в проектировании и специальных испытаниях модернизированных трубопрокатных установок с пилигримовыми станами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Трубы России - 2004» (Екатеринбург, 2004); «Непрерывные процессы обработки давлением (посвящена 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова)» (Москва, 2004); «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2007); XV Международная конференция «Трубы-2007» (Челябинск, 2007); XVII Международная конференция «Трубы-2009» (Челябинск, 2009); «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2011); «Технические науки в России и за рубежом» (Москва, 2011); IX международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011); «Современные тенденции технических наук» (Уфа, 2011); XIX Международная конференция «Трубы-2011» (Челябинск, 2011); и на кафедре «Металлургические и роторные машины» УрФУ в 2011 г.
Публикации. Результаты работы представлены в 31 публикации, в числе которых 15 работ опубликовано в изданиях из перечня ВАК, три монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, библиографического списка из 229 наименований и 4 приложений; составляет 305 страниц, имеет 176 рисунков и 25 таблиц.
