Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Особенности формирования структуры и свойств при прокатке труб на станах ХПТ с одной парой валков 9 и пути интенсификации процесса
1.2. Характерные особенности процесса прокатки труб с использованием двух пар рабочих валков 22
1.3. Структурные изменения в металлах и сплавах под действием знакопеременных нагрузок 25
1.4. Цель и задачи исследования 31
2. Материал и методика исследования 34
3. Сравнительные исследования упрочнения металла при двухрядной и однорядной прокатке труб 41
3.1. Исследование изменения механических свойств металла при двухрядной и однорядной прокатке труб 41
3.2. Исследование особенностей формирования структуры металлов при двухрядной и однорядной прокатке труб 52
3.3. Исследование процесса разупрочнения при нагреве металла после двухрядной и однорядной прокатки труб 63
3.4. Оценка степени микроповреждений металла труб, прокатанных в двух и одной паре валков . 77
4. Исследование влияния условий деформации на разупрочне ние металла при двотщщой прокатке труб 82
4.1. Исследование особенностей напряженного состояния металла при двухрядной прокатке труб 82
4.2. Исследование влияния действия знакопеременной де формации на упрочнение и разупрочнение углеродис той стали 87
4.3. Влияние знакопеременной деформации на характер разупрочнения холоднокатаной углеродистой стали при нагреве 105
4.4. Обсуждение результатов 110
5. Разработка и внедрение режимов деформации,обеспечивающих повышение деформируемости металла при холодной двухрядной прокатке труб 122
5.1. Разработка режимов деформации, обеспечивающих повышение деформируемости металла при ХОЛОДНОЙ двухрядной прокатке труб 122
5.2. Экспериментальная проверка разработанных режимов деформации в промышленных условиях. Исследование изменения структуры и свойств прокатанных труб 127
5.3. Эффективность использования разработанных режимов деформации в промышленных условиях 139
Основные выводы 142
Литература 144
Приложение 158
- Характерные особенности процесса прокатки труб с использованием двух пар рабочих валков
- Исследование особенностей формирования структуры металлов при двухрядной и однорядной прокатке труб
- Исследование влияния действия знакопеременной де формации на упрочнение и разупрочнение углеродис той стали
- Экспериментальная проверка разработанных режимов деформации в промышленных условиях. Исследование изменения структуры и свойств прокатанных труб
Введение к работе
Экономический потенциал многих отраслей народного хозяйства, в значительной степени определяется состоянием и развитием трубного производства, как одной из основных подотраслей чер -ной металлургии, создающей важнейший конструкционный материал-трубы.
Задачи, поставленные ХХУІ съездом КПСС перед трубной промышленностью в IX пятилетке, требуют решения сложной комплексной программы по развитию производства экономичных видов продукции и повышению ее качества. Первоочередными являются вопросы ускоренного развития производства и улучшения качества газонефгепроводных труб, труб для атомной энергетики, подшип -никовых труб.
Проблема реализации энергетической программы нашей страны требует значительного увеличения объемов производства холодно-деформированных труб (в несколько раз), расширения их сортамента по размерам, маркам сталей и сплавов, а также обеспечения дальнейшего улучшения их качества по точности геометрических размеров, состоянию поверхности, микроструктуре, физико-механическим свойствам и другим характеристикам В значительной мере эти вопросы предусматривается решать путем интенсификации процессов холодной прокатки труб за счет реконструкции действующего оборудования, создания принципиально новых технологических решений, совершенствования калибровки рабочего инструмента, определение максимально возможных степеней деформации, а также тепловых и скоростных режимов обработки металла, оптимальных схем изготовления труб.
В связи с этим, весьма перспективным направлением при строительстве новых и реконструкции действующих станов холод 5
ной прокатки с подвижной клетью является использование разработанного во Всесоюзном научно-исследовательском И конструктор ско-технологическом институте трубной промышленности сов -местно с Никопольским Южнотрубным заводом способа двухрядной холодной прокатки труб в двух последовательно расположенных по оси прокатки парах валков (клети типа "тандем")..
На Никопольском Южнотрубном заводе произведена реконструкция действующих станов ХПТ с установкой четырехвалковых клетей в ряде цехов на различных типоразмерах станов: ХПТ-32, ХПТ-55, ХПТ-75, ХПТ-90.
Результаты эксплуатации станов с четырех валковыми клетями показали рад преимуществ нового способа прокатки в сравнении с однорядной прокаткой: увеличение производительности процесса в 1,6-1,8 раза, увеличение суммарной вытяжки металла за двойной ход клети в 1,5-2 раза, что обусловливает возможность существенного сокращения цикличности производства (числа промежуточных технологических операций - термообработки, травления, правки и т.д.), вместе с тем значительно возрастает точность размеров труб и улучшается качество поверхности, снижается расход металла.
Экономия электроэнергии только на один стан ХПТ-90-4В составит 750 тыс.кВ.час в год.
Одной из причин повышения производительности и сокращения цикличности производства является снижение деформирующих усилий при прокатке труб в клетях с двумя парами валков, позволяющее значительно увеличить обжатие металла за цикл деформации. Однако до настоящего времени не ясна природа этого эффекта и условия, обеспечивающие его оптимальную реализацию, что не позволяет осуществить научно обоснованный выбор режимов деформации металла в четырех валковых клетях.
Как и другие технологические процессы пластической деформации, прокатка металла в клети с двумя парами валков, несет в себе возможность создания в металле комплекса свойств, определяющих технологичность, изделия. Естественно, чем глубже раскрыт характер изменения структуры и закономерностей ее формирования, тем более полно могут быть использованы преимущества этого прогрессивного технологического процесса изготовления труб.
В свете изложенного, целью настоящей работы явилось исследование особенностей деформации, упрочнения и разупрочнения, изменения структуры и свойств металла при холодной прокатке труб на станах ХПТ с двумя парами валков и на этой основе изыскание путей повышения технологической пластичности прокатываемого металла, интенсификации режимов деформации и повышения производительности станов ХПТ.
В условиях внедрения нового способа холодной прокатки труб на трубных заводах эта задача является важной и актуальной.
Настоящая работа является частью комплексного исследования по разработке, созданию и внедрению нового технологического процесса холодной периодической прокатки труб в двух парах валков. В основу этого процесса положено новое техническое решение - одновременное формирование трубы в двух мгновенных очагах деформации (первой и второй пар валков), расположенных по-следовательно по оси прокатки.
Для обеспечения возможности практической реализации такого процесса необходима оценка влияния новых условий деформации на формирование структуры и свойств прокатываемого металла. Это становится особенно важным при изготовлении на этом оборудовании холоднодсформированных труб для атомной энергетики с регламентированной структурой и свойствами металла, повышенной точностью размеров и чистоты поверхности. Научная новизна работы состоит в том, что впервые исследованы особенности деформации и определены закономерности формирования дислокационной структуры при ХОЛОДНОЙ прокатке труб на станах ХПТ с двумя парами валков. Установлено, что снижение сопротивления пластической деформации и увеличение технологической пластичности металла при холодной двухрядной прокатке труб обусловлено действием знакопеременных нагрузок растяжения-сжатия, возникающих при одновременной деформации в двух парах валков.
Показано» что действие знакопеременных нагрузок при холод НОЙ двухрядной прокатке труб приводит к развитию при деформации релаксационных процессов и формированию более равновесной ячеистой дислокационной структуры. Установлено влияние структурного состояния и параметров циклического нагружения (амплитуды и количества циклов) при знакопеременной деформации на упрочнение и разупрочнение стали.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что установленные закономерности упрочнения и разупрочнения металла в процессе ХОЛОДНОЙ двухрядной прокатки труб позволили разработать режимы деформации при прокатке труб из различных марок стали, что обеспечило повышение технологической пластичности прокатываемого металла в 1,5-2 раза, сокращение цикличности производства труб (исключение прохода деформации и последующей термообработки, травления и сопутствующих операций).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Повышение использования ресурса пластичности при прокат-ке труб в клети с двумя парами валков на обнове установленных закономерностей формирования структуры и СВОЙСТВ прокатываемого металла.
2. Закономерности формирования более равновесной дислокационной структуры как причины снижения сопротивления пластичен в КОЙ деформации, увеличения технологической пластичности металла при холодной двухрядной прокатке труб, обусловленной действием знакопеременных нагрузок растяжения сжатия, возникающих при одновременной деформации в двух парах валков.
3. Влияние структурного состояния и параметров циклического нагружения (амплитуды и количества циклов) при знакопеременной деформации на упрочнение и разупрочнение стали.
4. Разработанные на основе проведенных исследований режимы деформации, позволяющие увеличить технологическую пластичность прокатываемого металла и интенсифицировать процесс ХОЛОДНОЙ про -катки труб в клети с двумя парами валков.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзных конференциях: "Проблемы повышения эффективности производства и качества труб" (Днепропетровск, 1978 г.); "Совершенствование технологии и оборудования для производства тонкостенных труб способом ХОЛОДНОЙ и теплой деформации с целью повышения эффективности производства и качества труб" (Никополь, 1979 г.); на Всесоюзных и республиканских конференциях "Молодые ученые и специалисты - научно-техническому прогрессу в черной металлургии", 1978, 1979 и 1980 годах. Опубликованы в трех статьях, трех тезисах докладов.
В диссертации не использованы материалы, принадлежащие соавторам опубликованных работ.
Работа выполнена в отделе металловедения и металлофизики Всесоюзного научно-исследовательского и конструкторско технологического института трубной промышленности.
Характерные особенности процесса прокатки труб с использованием двух пар рабочих валков
Схема прокатки труб в двух парах рабочих валков представлена на рис.1.3 (нижняя часть симметрична верхней и условно не показана). Заготовку I, подаваемую перирдически вдоль оси прокатки, прокатывают последовательно парами валков 2 и 3 на общей неподвижной конической оправке 4. При этом валки 2 и 3 совершают возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движение, а расстояние между осями А остается неизменным. По периметру валка 2 первой пары расположен ручей "аиОЗ " (схематично изображен линией), по периметру валка 3 второй пары расположен ручей иЭе#СЗп.
В первой паре валков 2 заготовку деформируют по диаметру и толщине стенки в зоне CQBtpi , причем на участке С р&%1 только по диаметру частью ручья "ао ", на участке С 01 - по диаметру и толщине стенки частью ручья "об ". Далее следует участок перекрытия зон действия первой и второй пар ипВР
Во второй паре валков заготовку деформируют по диаметру и толщине стенки в зоне L 2е(Рц » причем на участке Ь f 6Ql -только по диаметру частью ручья "О В " и на участке К02. -по диаметру и толщине стенки частью ручья "ЄЖ". В зоне ьк второй пары валков калибруют трубу частью ручья "ЖЗ ".
Таким образом, рабочий конус трубы, прокатанной в двух парах валков, имеет следующие зоны: редуцирования в первой паре валков, обжатия в первой паре, участок перекрытия зон действия первой и второй пар валков, обжатия во второй паре и калибрующий участок (см.рис.1.3).
Отличительной особенностью рассматриваемого процесса является то, что прокатка осуществляется в двух последовательно расположенных парах валков. При одновременной деформации ме талла в двух парах валков кинематические, а следовательно и деформационные параметры процесса прокатки существенно отличаются от процесса прокатки в одной паре.
Анализ конструктивных, кинематических параметров процесса двухрядной прокатки, рассмотренных в работах / 2, 42-44 / , позволяет выделить следующие особенности:- во первых, металл трубы подвергается одновременному воздействию каждой пары валков;- во-вторых, металл трубы на участке рабочего конуса,между двумя мгновенными очагами деформации находится в напряженном состоянии, определяемом как его деформацией в первой паре, так и напряжениями, которые могут возникнуть в результате неодинаковых условий формоизменения металла в каждой паре валков.
По данным / 2/ одной из кинематических особенностей про-цесса двухрядной прокатки является различие скоростей течения металла в первой и второй парах валков на протяжении всего хода клети. Это позволило предположить, что различие мгновенных скоростей первой и второй пар валков может создать в очаге деформации между парами валков особое напряженное состояние, связанное с изменением знака осевой нагрузки при прямом и обратном ходе клети.
Хотя факт изменения знака осевой нагрузки (т.е.напряжений растяжения-сжатия) еще не установлен, высказанное предположение является весьма важным, поскольку наличие растяжения-сжатия участка рабочего конуса между парами вадков может влиять на процессы формирования структуры и свойств прокатываемого мета лла.
Разработка конструкционных параметров процесса двухрядной прокатки принадлежит д.т.н. Попову М.В.
Знакопеременная пластическая деформация в последнее время находит свое применение в технологии промышленного производства металлов и сплавов. Как отмечалось ранее,она присутствует в процессе холодной прокатки труб, при правке, некоторых операциях волочения и т.д.
Известно, что процесс,происходящий под действием переменных напряжений и приводящий к разрушению при уровне напряжения, безопасном для статического нагружения, называют усталостью. Однако, как отмечает А.Дж.Кеннеди / 45 /, до сих пор еще не существует оснований считать, что все явления, сопровождающие знакопеременную пластическую деформацию, связаны непосредственно с процессами усталостной повреждаемости.
При действии циклических знакопеременных нагрузок в определенном диапазоне нагружения в материалах, находящихся в упрочненном состоянии ускоряются процессы релаксации. По данным /45/ переменные напряжения могут вызывать полную релаксацию внутренних напряжений при температурах, при которых степень термически активируемого возврата незначительна.
Как показали опыты, проведенные Кеннеди / 46/, Полаков-ским и Палчудхури / 47 /, приложение переменных напряжений ускоряют процессы возврата. Существуют также и другие особенности деформирования в поле знакопеременных напряжений, приводящие, например, к эффектам, аналогичным частичному отжигу. Об этом свидетельствуют данные / 48-50/. В работах / 48,49 / показано, что широко размытые линии на рентгенограммах холодноде-формированных металлов; становятся более резкими и даже разбиваются на отдельные пятна. Металлографическими исследованиями также установлено, что при знакопеременном нагружении могут происходить полигонизация / 51 / и рекристаллизация / 52 /.Рядом авторов отмечалось снижение твердости в процессе знакопеременного нагружения холоднодеформированной меди / 53 / и деформационно состаренной малоуглеродистой стали / 54 /.
В результате анализа экспериментальных результатов влияния циклической деформации на напряжение пластического течения, все деформируемые металлы разделены на циклически упрочняющиеся, циклически разупрочняющиеся и циклически стабильные. Упрочнение свойственно металлам в исходном отожженном состоянии, разупрочнение - упрочненным металлам, подвергнутым упрочняющей термической обработке или деформированию / 55 /. После первых циклов нагружения в области малых пластических деформаций размах напряжений (при фиксированной амплитуде деформации) приближается к ПОСТОЯННОЙ величине и склонность к упрочнению (разупрочнению) не появляется. Поэтому Мэнсон считает: "...циклическое деформирование стремится восстановить явно более стабильное состояние материала, промежуточное между Отожженным и хо-лоднонагартованным..." / 56 /.
Если материал, предварительно упрочненный путем деформации одного знака подвергнуть усталостному нагружению, путем приложения циклического напряжения с максимальной величиной, не достигающей предела текучестии металла в упрочненном состоянии, то при последующем нагружении наблюдается уменьшение сопротивления пластической деформации и твердости с одновременным повышением пластичности / 47,57 /.
Некоторые авторы / 58,59 / связывают снижение сопротивления пластической деформации при действии знакопеременного нагружения с эффектом Баушингера. Как известно, эффект Баушин-гера проявляется в снижении сопротивления началу пластической деформации при изменении знака нагружения. Вместе с тем, в
Исследование особенностей формирования структуры металлов при двухрядной и однорядной прокатке труб
Различная степень упрочнения металла труб при прокатке в двух и в одной паре валков определяется структурными изменениями, которые происходят при деформации металла.
Микроструктурные исследования под световым микроскопом металла труб из углеродистой и нержавеющей стали по длине рабочих конусов не обнаружили явных отличий в структуре металла, прокатанного в четырехвалковых и двухвалковых клетях (рис.3.6, 3.7). Как при прокатке труб в одной,так и в двух парах валков по мере прохождения металла различных участков по длине рабочих конусов меняется направленность в истечении металла. В зоне редуцирования,как при прокатке труб в четырехвалковых клетях, так и при прокатке в двухвалковых, происходит преимущественное обжатие по диаметру и поэтому здесь заметно радиальное течение металла (см.рис.3.бб, 3.76). По мере обжатия трубы по стенке и диаметру в обжимных зонах как в одной, так и в двух парах валков меняется направленность в истечении металла - зерна вытягиваются в направлении прокатки-рис. З.бв, 3.7в,г. После прохождения металла всех зон деформации по длине рабочих конусов наблюдаются зерна, сильно вытянутые в направлении прокатки (см.рис.З.бг, 3.7д). Так при прокатке металла в двух парах вал-ков деформированные, вытянутые в направлении прокатки зерна видны уже после выхода металла из первой пары валков, что свидетельствует о значительном упрочнении металла уже в первой паре валков (рис.3.6в,3.7г). Полученные данные по изменению микро-структуры по длине рабочего конуса согласуются с исследованиями, проведенными в работах, посвященных изучению изменения структуры металла при холодной прокатке труб на стане ХПТ /16,39, 90, 91 и др./.
В связи с тем, что микроструктурные исследования под световым микроскопом не показали явного различия при формировании структуры металла труб в процессе прокатки в двух и одной парах валков, были использованы методы исследования структуры металла с помощью рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии.
Рентгеноструктурные исследования металла труб проведены по мере формирования трубы - по длине рабочего конуса. Как показали исследования, ширина рентгеновских интерференционных линий (НО) и (220) углеродистой стали и (III) и (311) нержавею-щей стали меньше при прокатке труб в двух парах валков, чем в одной паре при одних и тех же степенях деформации (рис.3.8, 3.9). С увеличением степени деформации различие в ширине рентгенов -ских линий возрастает и становится более существенным.
Величина микроискажений кристаллической решетки металла труб, прокатанных в двух парах валков также меньше, чем при прокатке в одной паре при одних и тех же степенях деформации (рис.3 Л0).
Размер областей когерентного рассеяния (ОКР) изменяется немонотонно с ростом степени деформации. При степенях деформации до 20$ наблюдается интенсивное дробление блоков, как в металле труб, прокатанных в одной паре, так и в двух парах валков. Дальнейшее увеличение степени деформации приводит к росту ОКР в слу тайных в одной (I) и двух (2) парах валков, в зависимости от степени деформаций по длине рабочего конусачае прокатки металла в двух парах валков, а при прокатке в одной паре величина ОКР практически не изменяется (рис.3.10).
Рост ОКР наблюдается в зоне окончания действия первой пары валков и далее в зоне действия второй пары, в условиях, когда труба одновременно находится в двух мгновенных очагах деформации первой и второй пар; т.е. испытывает одновременное действие двух пар валков. Различие в уровне микронапряжений также становится более существенным, после того как металл уже про-деформирован первой парой валков и попадает во вторую пару. Полученные данные позволяют предположить, что в металле труб при прокатке в четырехвалковых клетях происходит перераспределение дислокаций с уменьшением общей их плотности, что способствует формированию дислокационной структуры, обусловливающей снижение прочностных и рост пластических характеристик металла труб. Поскольку рост областей когерентного рассеяния и уменьшение величины микронапряжений происходит на участке, когда ме -талл уже упрочнен первой парой и испытывает влияние одновременного действия двух пар, то естественно предположить, что перераспределение дислокаций и формирование дислокационной структуры на этой стадии во многом обусловлено изменением условий деформации в очаге при наличии двух пар валков. При этом трансформация дислокационной структуры, созданной в процессе деформации первой парой валков происходит под влиянием специфической нагрузки, действующей на участке рабочего конуса между первойи второй парами валков.
Подтверждением данных о формировании различной дислокационной структуры в условиях прокатки в двух и одной паре валков являются также результаты, полученные при исследовании ударной вязкости прокатанных труб. Известно, что на склонность металлак разрушению влияют структурные изменения, происходящие в нем в процессе пластической деформации. Качественно оценить влияние структуры деформированного металла на последующий процесс разрушения позволяет температура хладноломкости, как наиболее чувствительная характеристика структурной неоднородности в металле. Так авторы работы / 92 /, изучая влияние способа деформирования на ударную вязкость стали ЗОХГСА, установили, что склонность к хрупкому разрушению существенно зависит от способа деформирования. В работах Трефилова и сотрудников / 93,94/ показана связь структурных изменений, происходящих при пластической деформации, с температурой хладноломкости.
При исследовании изменения ударной вязкости металла труб из углеродистой стали 10 после прокатки в двух и в одной паре валков установлено, что после прокатки в двух парах валков ударная вязкость выше во всем интервале температур испытания от Результаты электронномикроскопического исследования структуры металла труб из стали 10 после прокатки в одной и в двух парах валков представлены на рис.3.12.
Прокатка труб по обычной технологии в клети с одной парой валков приводит к образованию ячеистой дислокационной структуры с широкими размытыми стенками ячеек и клубкообразными сплетениями дислокаций с высокой их плотностью (рис.3.12а,б,в). Прокатка металла в двух парах валков способствует формированию более совершенной ячеистой дислокационной структуры в сравнении с обычной прокаткой (рис.3Л2г,д,е). Границы ячеек более четкие, узкие. Плотность дислокаций внутри ячеек ниже, чем после прокатки в одной паре валков. В отдельных ячейках различаются единичные дислокации. Сами ячейки неравноосной формы, вытянутые в направлении течения металла.
Исследование влияния действия знакопеременной де формации на упрочнение и разупрочнение углеродис той стали
При анализе действия знакопеременных напряжений важную роль играют ряд факторов, определяющих поведение металла в процессе циклического нагружения. К их числу следует отнести структурное состояние металла, уровень амплитуды деформации, количество циклов нагружения и некоторые другие факторы.
Как уже отмечалось, изучению влияния действия знакопеременных нагрузок на процессы упрочнения и разрушения металлов и сплавов посвящено большое количество работ, в которых, главным образом, изучено влияние циклических нагрузок на усталостную прочность / 45,63,64 и др»/. Целью этих работ, как правило, является исследование повреждаемости и установление механизма образования и распространения усталостных трещин.
Усталость металлов связана с постепенным накоплением дефектов кристаллической решетки и, как следствием этого, развитием необратимых повреждений. Явлениям усталости присуща стадийность процесса, характеризующаяся вполне определенными структурными изменениями. Наиболее изучены стадии возникновения и развития трещин при чистой (многоцикловой) усталости, характеризующейся низкими амплитудами деформации и большим количеством циклов нагружения.
Исследование закономерностей упрочнения и разупрочнения металла при циклическом нагружении, когда преобладающим является влияние амплитуды пластической деформации (т.е. малоцикловая усталость), получило развитие лишь в последнее время.
Однако в области многоцикловой усталости и малоцикловой усталости недостаточно изучены начальные стадии циклического нагружения в диапазоне 10-100 циклов. Этот диапазон не представлял значительного интереса для исследователей, занимавшихся вопросами усталостного разрушения металлов.
Вместе с тем, для анализа поведения металла под действием знакопеременных нагрузок в процессе холодной прокатки труб и, в частности, двухрядной прокатки, представляют интерес именно начальные стадии действия циклических нагрузок с большими амплитудами деформации. За последние годы усиленно исследуются вопросы физической природы явлений усталости. Использование новых методов структурных исследований, особенно электронной микроскопии, позволило установить ряд новых явлений, сопровождающих знакопеременную деформацию и последующее разрушение металлов.
В работе В.С.Ивановой / 63 / обобщены материалы по вопросам эволюции дислокационной структуры в процессе усталости и дан анализ изменения дислокационной структуры по стадиям.
Следует отметить, что, как правило, исследования проведены на металле в исходном отожженном состоянии. Более изучены стадии зарождения и развития субмикротрещин в период образования полосовых структур при чистой (многоцикловой) усталости.
По данным ряда работ / 63,113/ на стадии так называемого "инкубационного периода" усталости формируется развитая суб -структура, а в ряде случаев, ячеистая структура в объеме металла. В общем случае условием начала формирования ячеистой структуры является достижение пороговой плотности дислокаций. Массовое образование ячеистой структуры в объеме металла начинается в момент окончания формирования ячеистой структуры в поверхностном слое при достижении определенного числа циклов нагруже-ния / 114 /.
Авторы работ, изучающих формирование дислокационных структур в процессе усталости,в большинстве своемt единодушны во мнении, что действие циклических нагрузок способствует развитию процессов поперечного скольжения дислокаций, что приводит к более раннему в сравнении со статическим нагружением процессу формирования ячеистых структур. Образование в процессе ус -талости полосовых структур, устойчивых полос скольжения также связывается с легкостью поперечного скольжения дислокаций при циклическом нагружении / 115,63 /. На определенной стадии цик лического нагружения, по мнению ряда авторов / 63,116,117/,происходит трансформация дислокационной ячеистой структуры - в полосовую. Зарождение субмикротрещин по границам ячеек связывают с достижением соседними объемами критической ориентации / 118 Л
И несмотря на то, что явление усталости известно давно, еще недостаточно экспериментального и теоретического машериала для однозначного суждения о влиянии знакопеременных нагрузок на металл, находящийся в различных структурных состояниях, а также о влиянии высоких амплитуд деформации на различных ста -днях циклического нагружения.
Вместе с тем, условия действия циклических нагрузок в технологических процессах, в частности, в процессе холодной прокатки труб, таковы, что их действию подвергается, как правило, металл в деформированном состоянии.
В исследуемом в настоящей работе процессе двухрядной прокатки труб действие циклических знакопеременных нагрузок на металл имеет свои особенности и параметры, обусловленные условиями деформации металла в двух последовательно расположенных парах валков.
Одна из основных особенностей действия циклических нагрузок в процессе двухрядной прокатки заключается в том, что знакопеременным напряжениям, действующим между парами валков, подвергается металл, находящийся в различных структурных состояниях-в отожженном (заготовка) и деформированном на различные степени. Связано это с тем, что холодная прокатка труб в двух парах валков является периодическим процессом, в котором по мере формирования трубы степень ее деформации изменяется от 0 в заготовке до 70-80 % в готовой трубе.Параметры действия знакопеременных нагрузок в условиях двухрядной прокатки имеют свои особенности. Во-первых, следует
Экспериментальная проверка разработанных режимов деформации в промышленных условиях. Исследование изменения структуры и СВОЙСТВ прокатанных труб
Опробование предложенных калибровок рабочего инструмента четырехвалковых клетей производили в условиях опытно-экспериментального завода ВНЙГИ, а также на Никопольском Южнотрубном заводе. Для проведения опытных прокаток были изготовлены калибры по НОВОЙ калибровке, а также использованы для сопоставления калибры, первоначально применяемые в четырехвалковых клетях.
Исследования проводили на трубах из нержавеющих сталей Эй-844, I2XI8HI0T и углеродистой стали 20, прокатанных по маршрутам: 25x1,5 —9,5x0,5 мм; 7бхб—25x2 мм; 57x6,25—-25x2,0 мм; 95x8- -38x4 мм.
Для оценки изменения структуры и свойств металла труб, прокатанных с использованием новых калибровок, проведены сравнительные исследования упрочнения металла по длине рабочих конусов, прокатанных по различным вариантам калибровок.
В ходе опытной прокатки отобраны рабочие конуса от труб, прокатанных по разным вариантам, на которых исследовали структуру и свойства металла по всей длине конуса от заготовки до готовой трубы.
Изменение механических свойств нержавеющей и углеродистой стали по длине рабочих конусов представлено на рис.5.5 и 5.6 соответственно.
Как видно из приведенных данных, на участке редуцирования и преимущественного обжатия по стенке в первой паре валков наблюдается значительное снижение пластических и рост прочностных характеристик металла. На вновь введенном участке между парами валков, где отсутствует обжатие по стенке и диаметру, и действуют только осевые знакопеременные нагрузки, наблюдается рост пластических характеристик и снижение прочностных, что не наблюдается на металле труб, прокатанных по ранее применяемой калибровке. Это характерно как для металла труб из нержавеющей стали, так и углеродистой.
Измерение микротвердости труб из стали ЭИ-844 по длине рабочего конуса, прокатанных по новой калибровке, сопоставлено с изменением микротвердости для труб, прокатанных по первоначально используемой калибровке. Как видно из рис.5.7, значения микротвердости металла труб, прокатанных по новой калибровке на участке без обжатия по диаметру и толщине стенки между парами валков снижается на 800 МПа и далее после деформации металла во второй паре валков остаются ниже, чем в металле, прокатанном по старой калибровке.
Особенно четка характер упрочнения по длине рабочих конусов виден на кривых изменения ширины рентгеновских интерференционных линий В (311) труб из стали ЭИ-Ый (рис.5.8).
Исследование изменений ширины рентгеновских интерференционных линий (311) в зависимости от степени деформации по длине рабочих конусов также показывает снижение ширины линии на участке без обжатия по стенке и диаметру между парами валков. В дальнейшем, по мере обжатия металла во второй паре валков, ширина рентгеновских линий возрастает, металл вновь упрочняется, вместе с тем ширина линий остается меньшей, чем в случае прокатки по ранее применяемой калибровке, что свидетельствует о меньшем упрочнении металла труб. Эти данные согласуются с данными изменения механических свойств и микротвердости.
Разупрочнение металла труб на участке рабочего конуса, соответствующем вновь введенной зоне между парами валков, где отсутствует деформация по диаметру и толщине стенки, т.е. зоне разрыва действия первой и второй пар валков,связано с тем, что циклические нагрузки "растяжения-сжатия" действуют на упрочненный первой парой металл с большей амплитудой и количеством циклов. Увеличение этих параметров циклического нагружения,как показано в разделе 4.2, должно привести к более эффективному разупрочнению металла, что подтверждается всеми проведенными исследованиями.
Немаловажную роль в снижении уровня упрочнения металла при прокатке по новой калибровке играет более равномерное распределение деформации металла по диаметру и толщине1 стенки.
При испытании новых калибровок проведено экспериментальное исследование энергосиловых параметров процесса прокатки по новым и старым калибровкам. Замеры энергосиловых параметров процесса прокатки производили на стане ХПТ-55 с четырехвалко-выми клетями при прокатке труб из углеродистых сталей по маршруту 57хб,25- 25х2,0 мм и на стане ХПТ-75 при прокатке нержавеющей стали І2ХІ8НІ0Т по маршруту 95x8—«-38x4 мм.
Типовые осциллограммы замеров давления металла на валки при прокатке труб из углеродистых и нержавеющих сталей представлены на рис »5.9.
Числовые значения измерений приведены в табл.5.1.Следует отметить, что полученные осциллограммы и числовые данные показывают, что даже при больших линейных смещениях металла ( ДОҐИ/IL 70-80 мм) при прокатке труб с использованием новой калибровки, давление металла на валки значительно ниже допустимого. Так для стали 20 допускается Р = 100 т, а максимальное давление в процессе прокатки по новой калибровке Р = 68 т, для стали І2ХІ8НІ0Т при прокатке труб на стане ХПТ-90 допускается Р 200 т, а максимальное в процессе прокатки в двух парах валков Р « 72 т.
Таким образом, применение новой калибровки, включающей перераспределение деформаций между парами валков, а именно сосредоточение основной части деформации в первой паре валков, введение участков между парами без обжатия по стенке и диаметру, где использовано разупрочняющее действие циклической деформации, а также оптимальное перераспределение деформации по стенке и диаметру внутри первой и второй пар валков, позволило, как следует из приведенных данных, уменьшить сопротивление металла пластической деформации, увеличить технологическую пластич -ность прокатываемого металла. Это, в свою очередь, позволяет интенсифицировать процесс прокатки труб в четырехвалковых клетях: вести его с большими коэффициентами вытяжки ( yR- -8-II ) и линейным смещением металла ( YVU,L - 70-80 мм), а также устранить встречающееся при прокатке труб в двух парах валков растрескивание концов труб между парами валков.
Проведенные в настоящей работе исследования, а также опытные прокатки труб в условиях опытно-экспериментального завода ВНИТИ послужили основанием для внедрения НОВОЙ калибровки в промышленные условия.
В настоящее время разработанные калибровки для станов ХПТ с четырехвалковыми клетями внедрены в ряде цехов Никопольского Южнотрубного завода для холодной прокатки труб на различных типоразмерах станов: ХПТ-32, ХПТ-55, ХПТ-90.
С учетом рекомендаций, полученных в работе, рассчитаны калибровки и изготовлен прокатный инструмент, на котором прокатаны опытно-промышленные партии труб из разных марок нержавеющей стали, сплавов титана по следующим маршрутам:
В настоящее время промышленное производство труб из сталей и сплавов в условиях Никопольского Южнотрубного завода ведется на станах ХПТ с четырехвалковыми клетями с использова ниєм усовершенствованных калибровок.
Разработаны и оформлены действующие инструкции по расчету калибровок инструмента станов ХПГ с четырехвалковыми клетями (ТИ 32-5В2-82, ТИ 6-5-82 и ТИ 2-2В-77).
Применение новых калибровок позволило интенсифицировать процесс холодной прокатки на станах ХПТ с четырехвалковыми клетями труб из нержавеющих сталей, а также сплавов на основе титана, увеличив линейное смещение металла до 70-80 мм. При этом часовая производительность станов ХПТ с четырехвалковыми клетями возрасла на 8-12#«Прокатка труб в четырехвалковых клетях позволяет получить
