Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Разработка и совершенствование технологических режимов производства трубной заготовки 13
1.1 Современное состояние и вопросы совершенствования процесса получения полой трубной заготовки /гильзы/ 13
1.2 Современная технология и оборудование для производства непрерывноли-тых трубных заготовок в условиях Волжского трубного завода 20
1.3 Разработка и промышленное освоение технологии получения качественных непрерывнолитых заготовок для производства труб нефтяного сортамента 28
1.4 Разработка технологических режимов выплавки и разливки на МНЛЗ заготовок для производства котельных труб 34
1.5 Разработка режимов производства непрерывнолитой заготовки из стали ШХ15 39
1.6 Разработка и освоение производства круглой трубной заготовки широкого сортамента из углеродистых и низколегированных сталей 47
1.7 Выводы по главе 1 55
ГЛАВА 2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса прессвалковой прошивки квадратных заготовок 5 8
2.1 Очаг деформации и характеристика оборудования стана прессвалковой прошивки ТПА159-426 ВТЗ 58
2.2 Теоретические исследования процесса прессвалковой прошивки. 62
2.3 Разработка математической модели расчета технологических параметров стана прессвалковой прошивки 78
2.4 Экспериментальные исследования стойкости технологического инструмента прессвалкового прошивного стана 106
2.5 Исследование качества и геометрических размеров стаканов-гильз 114
2.6 Выводы по главе 2 119
ГЛАВА 3. Анализ пластического формоизменения металла в станах винтовой прокатки 121
3.1 Исследование процесса прошивки непрерывнолитых заготовок в станах винтовой прокатки различных конструкций с использованием математических моделей 121
3.2 Исследование процесса раскатки гильз в станах винтовой прокатки и разработка эффективных калибровок валков и режимов деформации стаканов-гильз в станах элонгаторах 143
3.3 Механизм образования повышенной разностенности и кривизны задних концов гильз в стане - элонгаторе 154
3.4 Исследование стойкости оправок и линеек станов винтовой прокатки. 163
3.5 Выводы по главе 3 175
ГЛАВА 4. Экспериментально-аналитическое исследование контактного взаимодействия металла с технологическим инструментом непрерывного стана 177
4.1 Характеристика оборудования и технологического инструмента непрерывного стана с удерживаемой оправкой ТПА 159-426 ВТЗ 177
4.2 Оценка работоспособности фирменной модели настройки и управления непрерывным станом 183
4.3 Экспериментальные исследования стойкости валков непрерывного стана. 193
4.4 Разработка математической модели управления настройкой непрерывного стана с учетом износа его валков 216
4.5 Теоретические и экспериментальные исследования контактного взаимодействия трубы и удерживаемой оправки при прокатке в непрерывном стане 222
4.6 Разработка новых конструкций длинномерных оправок и эффективных отечественных смазок для непрерывной прокатки труб 235
4.7 Выводы по главе 4 242
ГЛАВА 5. Разработка и освоение технологии производства специальных видов бесшовных труб нефтяного сортамента 245
5.1 Технические требования и сортамент труб для нефтяной промышленности 245
5.2 Современная технология и оборудование для производства горячекатаных бесшовных труб нефтяного сортамента 249
5.3 Разработка и освоение технологии производства нефтегазопроводных хладостойких труб для эксплуатации в средах, содержащих сероводород 258
5.4 Разработка и освоение технологии производства нефтегазопроводных труб повышенной прочности /а„ > 520 МПа/ 263
5.5 Исследование качества бесшовных хладо- и коррозионностойких труб диаметром до 426 мм для трубопроводов в условиях эксплуатации до минус 60 С 267
5.6 Разработка и освоение технологии производства особотолстостенных и осо-ботонкостенных труб для нефтяной промышленности 275
5.7 Выводы по главе 5 293
ГЛАВА 6. Разработка и промышленное освоение технологии производства шарикоподшипниковых труб и труб общего назначения из непрерывнолитой заготовки на агрегате тпа 50-200 296
6.1 Технические требования и сортамент труб, производимых на агрегате с 3-х валковым раскатным станом ТПА 50-200 ВТЗ 296
6.2 Состав оборудования ТПА 50-200 и калибровка технологического инструмента трехвалковых раскатных станов винтовой прокатки 300
6.3 Расчет оптимальных режимов деформации заготовки-трубы по всему технологическому переделу на ТПА 50-200 306
6.4 Исследование качества труб из стали ШХ15, полученных из катаной и непрерывнолитой заготовки производства ОЭМК /г. Оскол/ 311
6.5 Разработка и промышленное освоение технологии производства шарикоподшипниковых труб и труб общего назначения из непрерывнолитой заготовки 331
6.6 Выводы по главе 6 345
ГЛАВА 7. Исследование, разработка и освоение технологии производства горячепрессованных котельных труб из непрерывнолитой заготовки 346
7.1 Характеристика прессового оборудования ВТЗ 346
7.2 Разработка новых технологических смазок для прессового оборудования ВТЗ 354
7.3 Освоение технологии производства котельных труб из катаной заготовки на прессовом оборудовании ВТЗ 360
7.4 Разработка технологии производства горячепрессованных котельных труб из непрерывнолитой заготовки 362
7.5 Выводы по главе 7 370
Заключение и основные выводы
Список использованной литературы
- Современная технология и оборудование для производства непрерывноли-тых трубных заготовок в условиях Волжского трубного завода
- Теоретические исследования процесса прессвалковой прошивки.
- Исследование процесса раскатки гильз в станах винтовой прокатки и разработка эффективных калибровок валков и режимов деформации стаканов-гильз в станах элонгаторах
- Оценка работоспособности фирменной модели настройки и управления непрерывным станом
Введение к работе
Трубная промышленность является одной из базовых отраслей народного хозяйства страны и в ближайшие 10-15 лет будет развиваться более быстрыми темпами, чем другие составляющие черной металлургии /10, 18, 19, 41, 174, 175/. Это объясняется тем, что дальнейшее развитие в первую очередь нефтегазового и топливно-энергетического комплексов страны, а также машиностроения, атомной энергетики и многих других отраслей требует все большего количества труб самого разнообразного сортамента.
Однако, несмотря на созданный в СССР потенциал по производству стальных труб, который оценивался в 21 млн.т/год, сегодня отечественные потребители испытывают наибольший дефицит в бесшовных высокопрочных, обсадных, насосно-компрессорных, корро-зионностойких, повышенной хладостойкости и пластичности труб; горячедеформирован-ных общего назначения; тонкостенных холоднодеформированных углеродистых и легированных [10, 19, 70]. Этот дефицит не может быть компенсирован за счет экспортно-импортных операций между странами СНГ [42, 175].
Возможности трубных заводов России не позволяют производить трубы нефтяного сортамента с гарантированным уровнем качества, соответствующим требованиям стандартов технически развитых стран; техническое состояние большинства цехов по производству бесшовных труб не отвечает современному уровню техники: агрегаты были ведены в эксплуатацию в 30 - 40 годы; износ основных производственных фондов превышает 50 % (например, автомат-станы Первоуральсткого Новотрубного завода, пилигримовые станы Таганрогского металлургического и Челябинского трубопрокатного заводов и др.) [18,19,176].
В технически развитых странах до 95 % бесшовных труб изготавливают из непрерыв-нолитой заготовки, что обеспечивает экономию металла до 15 % и лучшее качество, чем при использовании катанных заготовок [1, 2, 5, 55, 137, 176, 178]. В России подавляющее количество горячедеформированных труб производится из металла мартеновского производства с последующей прокаткой слитков на сортовых станах в круг, что приводит к значительному перерасходу металла (примерно 100 кг на 1 т готовой трубы [6-8,10, 18, 19].
Первые успехи в производстве бесшовных труб из непрерывнолитой заготовки были достигнуты при использовании заготовок прямоугольного сечения, технология получения которых обеспечивала получение дешевых заготовок высокого качества (обусловлено технологическими особенностями разливки стали [11, 22, 173] и создании в 70-х годах в Италии способа получения круглых стаканов-гильз на станах прессвалковой прошивки с последующей их раскаткой и допрошивкой донышка на двухвалковых станах винтовой прокатки (станах-элонгаторах) [1,44, 45].
За рубежом трубопрокатные агрегаты с прессвалковым прошивным станом работают в Италии, Японии, США, Канаде, Мексике [1, 10,11,48, 49, 136, 180].
С развитием сталеплавильного производства был освоен процесс выплавки и непрерывной разливки качественной круглой трубной заготовки; в результате этого из технологического процесса производства труб исключается стан прессвалковой прошивки и прошивка заготовок осуществляется на стане винтовой прокатки.
Исследованиями, проведенными в Германии и Японии, [11] установлено, что использование круглой непрерывнолитои заготовки по сравнению с квадратной имеет следующие преимущества:
- круглая форма заготовки способствует рассредоточению возникающей в осевой зоне
центральной пористости и ликвации;
- поверхность заготовки имеет более высокое, чем у квадратной, качество (нет
продольных и угловых трещин); в результате этого качество труб, изготовленных из
круглой непрерывнолитои заготовки обычно лучше, чем из квадратной заготовки. По
данным фирмы "Ланди Стиле" (США) производительность трубопрокатных агрегатов при
использовании круглой заготовки возрастает на 40 %, а отбраковка металла при
последующих переделах снижается на 38 % [1, 12].
Технология современной выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки позволяет с высоким уровнем выхода годного (96 - 98 %) разливать широкий сортамент сталей для производства труб [51-53, 57, 181], что позволяет из такой заготовки производить нержавеющие трубы аустенитного и ферритного класса, котельные и подшипниковые трубы, трубы повышенной хладо- и коррозионной стойкости в среде сероводорода.
Наиболее полно преимущества непрерывной разливки стали в сочетании с оптимальным проектным решением получены при создании минизаводов с установками МНРС, прокатными и трубопрокатными агрегатами [1, 5, 11, 176], поскольку исключается ряд переделов по производству трубной заготовки и уменьшаются энергетические затраты. Одним из современных металлургических минизаводов является Волжский трубный завод [10, 12], на котором в 1990 г. был введен в эксплуатацию электрометаллургический комплекс с отделениями выплавки стали в двух 150-т электродуговых печах; установками внепечной обработки и вакуумирования металла и отделением непрерывной разливки стали, которое оборудовано тремя четырехручьевыми машинами криволинейного типа - две для отливки блюмов квадратного сечения 240 х 240; 300 х 300 и 360 х 360 мм, одна универсальная, для отливки круглых заготовок диаметром от 156 до 360 мм и блюмов указанного сортамента; современный трубопрокатный агрегат 159 - 426 с непрерывным станом и прессвалковой прошивкой квадратных заготовок (сторона квадрата 240; 300 и 360 мм).
На момент начала выполнения данной работы в нашей стране практически не были исследованы процессы получения горячедеформированных бесшовных труб из непрерыв-нолитой заготовки на трубопрокатных и трубопрессовых агрегатах.
Основой для решения проблемы производства бесшовных труб высокого качества явились исследования автора на уникальном и единственном в России оборудовании электрометаллургического комплекса Волжского трубного завода, которое позволяет производить трубную заготовку квадратного и круглого сечений и прокатку труб диаметром до 426 мм на агрегате с прессвалковым прошивным и непрерывным станом на удерживаемой оправке.
В связи с этим, изучение в настоящей работе закономерностей пластического формоизменения непрерывнолитых заготовок квадратного и круглого сечений по всему технологическому переделу: процессов прошивки на станах прессвалковых, винтовой прокатки, прессах; раскатки полых заготовок - гильз на непрерывных станах продольной прокатки на удерживаемой оправке, трехвалковьгх станах винтовой прокатки на оправке и прессах в комплексе с всесторонними исследованиями, разработки методов прогнозирования и расчета параметров данных процессов, математических моделей и алгоритмов, а также выбора износостойкого материала технологического инструмента и расчета его калибровки имеют важное научное и практическое значение. Разработка на их основе научно - обоснованных технических и технологических решений в области прокатки и прессования бесшовных труб и их внедрение в производство представляет актуальную задачу.
Работа выполнялась согласно Постановлениям Совета Министров СССР и Госплана, а также в соответствии с координационными планами научно — исследовательских работ министерств и ведомств.
Цель и задачи исследований Развитие теории и методов расчета параметров процессов прошивки непрерывнолитых заготовок круглого и квадратного сечений на станах прессвалковых, винтовой прокатки и прессах; раскатки полых заготовок и их практическая реализация на трубопрокатных агрегатах с непрерывным и трехвалковым раскатными станами, а также прессовом оборудовании на основе всестороннего исследования и учета особенностей данных процессов для получения готовых труб высокого качества, отвечающих требованиям отечественных и зарубежных стандартов.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: 1.Научно обоснованно сформулировать основные требования к качеству металла и разработать технологические режимы производства непрерывнолитых трубных заготовок высокого качества:
для производства нефтегазопроводньгх труб повышенной надежности с рабочим давлением до 50 МПа, повышенной коррозионной стойкостью для условий эксплуатации до минус 60 С;
для производства подшипниковых труб из стали ШХ15, отвечающих требованиям ГОСТ 800-78;
для производства котельных труб повышенного качества.
Исследовать кинематические и энергетические параметры прессвалковой прошивки непрерывнолитых квадратных заготовок, разработать математическую модель расчета основных технологических параметров процесса, обеспечивающих стабильный захват заготовки валками, устойчивое протекание процесса и удовлетворительное качество стаканов -гильз.
Усовершенствовать математическую модель процесса прошивки заготовок в 2-х и 3-хвалковых станах винтовой прокатки; с учетом особенностей формирования поперечных сечений заготовки - гильзы; выявить влияние конструктивных особенностей данных станов на параметры циклического формоизменения и разработать рекомендации по выбору стана для прошивки непрерывнолитых заготовок большого диаметра.
Исследовать особенности пластического формоизменения стаканов - гильз в стане винтовой прокатки с посадкой или подъемом по диаметру гильзы и механизм образования ее повышенной разностенности и кривизны концевых участков; разработать на основе проведенных исследований эффективные режимы деформации и новые калибровки технологического инструмента.
На основе проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований процесса раскатки полой заготовки в 7-клетьевом непрерывном стане продольной прокатки установить и обобщить закономерности контактного взаимодействия металла с валками и принудительно удерживаемой оправкой, исследовать закономерности износа технологического инструмента и на основе полученных результатов разработать математическую модель управления настройкой стана, которая обеспечивает эффективные режимы деформации металла в непрерывном стане и получение труб высокого качества.
Разработать и освоить на ТПА 159 - 426 для нефтегазового комплекса промышленную технологию производства бесшовных труб:
коррозионно- и хладостойких категорий прочности Х42, Х52, Х60 по международному стандарту API 5L;
повышенной прочности /ов > 520 МПа/;
особотолстостенных и особотонкостенных труб для нефтяной промышленности.
7. Провести комплекс исследований и на основе полученных результатов разработать
режимы деформации, калибровку инструмента двух- и трехвалковых станов винтовой про-
катки и технологию производства горячекатаных шарикоподшипниковых труб, а также труб из углеродистых и легированных сталей на ТПА 50-200, отвечающих требованиям отечественных стандартов.
8. Изучить особенности пластического формоизменения в процессах горячего прессования и экспандирования непрерывнолитых заготовок и разработать на этой основе с применением новых смазок промышленную технологию производства труб для энергетического комплекса.
Научная новизна полученных результатов. Созданы научные основы и проведено теоретическое обобщение основных положений технологии производства бесшовных труб из непрерывнолитых заготовок квадратного и круглого сечений на агрегатах с непрерывным станом продольной прокатки и удерживаемой оправкой, трехвалковым раскатным станом винтовой прокатки и прессовом оборудовании.
Новизна научных результатов заключается:
в постановке и обобщении основных требований к качеству непрерывнолитого металла из углеродистых, легированных и коррозионностойких сталей, стали ШХ15 и и результатов деформации непрерывнолитой трубной заготовки по технологической схеме: квадрат - круг на станах продольной прокатки и круглых заготовок на двух- и трехвалковых станах винтовой прокатки и разработке на основе полученных результатов новых технологических режимов производства качественных трубных заготовок с литой и предварительно деформированной структурой;
в разработке теории прессвалковой прошивки квадратных заготовок, обобщающей результаты впервые проведенных комплексных исследований деформационных, кинематических, энергетических параметров процесса и создании на этой основе математической модели расчета оптимальных режимов прошивки, позволяющих определять и рассчитывать необходимый уровень энергетического обеспечения устойчивого захвата заготовки валками, стабильного протекания процесса и требуемое качество стаканов-гильз при различных соотношениях геометрических размеров заготовки и валков, а также скоростей толкателя и валков;
в предложенных аналитических выражениях для расчета площадей поперечных сечений прошиваемых круглых заготовок, позволивших усовершенствовать математическую модель процесса прошивки в 2-х и 3-хвалковых станах винтовой прокатки и определить параметры циклического формоизменения по длине очага деформации для станов с различным числом рабочих валков при различных углах подачи и раскатки;
впервые полученных данных по количественной оценке параметров пластического формоизменения в стане винтовой прокатки /стане-элонгаторе новой конструкции/ и разработке новых режимов деформации и калибровке валков при раскатке гильз с допрошив-
кой донышка с посадкой или подъемом по диаметру гильзы, которые позволяют уменьшить скручивание, обеспечить равномерное распределение частных деформаций, уменьшить кривизну задних концов и повысить качество гильз;
в развитии и разработке экспериментальных и аналитических методов исследования температурных, скоростных, деформационных и энергосиловьгх параметров процесса; обобщения закономерностей контактного взаимодействия трубы и технологического инструмента при прокатке в непрерывном стане с принудительно удерживаемой оправкой и выбора на этой основе износостойкого материала, создании новых конструкций и технологи изготовления сплошных и полых оправок на предприятиях России взамен закупаемых по импорту;
в разработке математической модели управления настройкой непрерывного и извле-кательно-калибровочного станов с учетом износа валков в каждой клети, применение которой обеспечивает получение бесшовных труб с допусками по диаметру ± 0,4% /по стандарту API + 0,4 %/ при значительном уменьшении фактической толщины стенки;
в новых результатах экспериментальных исследований процессов горячего прессования и экспандирования непрерывнолитых заготовок, позволивших разработать основные параметры технологии прессования котельных труб с высокими качественными характеристиками.
Практическая значимость. Научные разработки, технические и технологические решения, изложенные в диссертации, послужили основой для создания эффективного производства бесшовных горячедеформированных труб из непрерывнолитых заготовок, включающего последовательные стадии: выплавку ~» обработку —> отделку и рассматриваемого как единый технологический процесс.
На основании анализа полученных параметров циклического формоизменения металла в очаге деформации для прошивки непрерывнолитых заготовок большого диаметра рекомендован двухвалковый прошивной стан винтовой прокатки с направляющими роликами.
Разработанные технологические режимы, инструмент и новые смазки обеспечили производство из непрерывнолитой заготовки бесшовных труб высокого качества, отвечающих требованиям отечественных и международных стандартов и внедрены в производство на Волжском трубном заводе:
- на агрегате ТПА159-426 с прессвалковым прошивным и непрерывным станом впер
вые в отечественной практике освоено производство бесшовных коррозионно- и хладостой
ких труб высокой категории прочности /аи > 500 МПа/, что предопределяет большой ресурс
надежности трубопроводов и позволило предприятиям нефтегазового комплекса отказаться
от закупки за рубежом таких труб;
на ТПА 50-200 с двухвалковым прошивным и трехвалковым раскатным станами впервые освоено производство шарикоподшипниковых труб и труб общего назначения широкого сортамента из непрерывнолитой предварительно деформированной круглой заготовки в станах винтовой прокатки на повышенных углах подачи /14 и более/;
на трубопрессовых установках усилием 20 и 55 МН освоено промышленное производство котельных труб с повышенными качественными характеристиками.
Отдельные технологические разработки, положения и выводы диссертационной работы переданы для использования на Челябинском, Северском и Таганрогском заводах при производстве бесшовных труб нефтяного сортамента, а также на Первоуральском Новотрубном заводе при производстве шарикоподшипниковых труб на ТПА 160. Экономический эффект от внедрения результатов работы с учетом долевого участия автора составил более 1,8 млн. руб./год в ценах 2000 года.
Результаты исследований, полученные в диссертации и изложенные в монографии "Производство бесшовных труб из непрерывнолитой заготовки" - (Волгоград; комитет по печати и информации. 1999. - 416 с.) используются на кафедрах Обработки металлов давлением Волгоградского государственного технического университета и Московского института стали и сплавов при чтении курсов «Теория трубного производства»; «Технология трубного производства», проведении лабораторного практикума, выполнении студентами курсовых и дипломных проектов.
Личный вклад соискателя. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, диссертантом определены идеология и постановка научных задач, лично разработаны расчетные методики и предложены основные идеи технических и технологических решений, выполнено обобщение и анализ лабораторных, опытно-промышленных и промышленных экспериментов. Под руководством и при личном участии диссертанта осуществлено внедрение полученных результатов.
Современная технология и оборудование для производства непрерывноли-тых трубных заготовок в условиях Волжского трубного завода
Результаты контроля непрерывнолитых трубных заготовок показывают достаточно высокое качество внутреннего строения непрерывнолитого металла (табл. 1.3) и геометрических размеров (табл. 1.4).
Величина брака по дефектам поверхности квадратных и круглых заготовок не превышает 1 %. Вместе с тем следует отметить, что в период 1990 - 1995 г.г. в электросталеплавильном цехе ВТЗ выявились недостатки, которые заключались в следующем: - процесс плавки и непрерывной разливки протекал неустойчиво, что приводило к появлению брака в виде продольных трещин и плен на квадратных заготовках (рис. 1.7 а), а на отдельных плавках брак достигал 50 % [67]; - из-за несовершенства технологии разливки круглых заготовок их качество было нестабильным: в центральной части наблюдались трещины /реже на поверхности/, пористость, шлаковые включения, газовые пузыри и другие дефекты (рис. 1.7 б); - отсутствовали технологические режимы производства трубных заготовок из корро-зионностойких сталей.
Металлографические исследования исходных трубных заготовок показали, что боковая поверхность темплетов, соответствующая поверхности блюмов исследуемых плавок, запорочена дефектами в виде продольных и поперечных трещин (рис. 1.7, а), которые образуются в местах залегания скоплений протяженных неметаллических включений. Основное сосредоточение таких дефектов - на расстоянии 50 - 70 мм от ребер блюма. Скопления мелких точечного типа неметаллических включений в области металла, прилегающей к крупному неметаллическому включению, указывают на природу данного дефекта, который является металлургическим шлаком. Поверхностные дефекты на трубной заготовке при последующей раскатке в стане-элонгаторе (рис. 1.8) и непрерывном стане трансформируются в наружные плен или вскрываются на наружной поверхности трубы. Все эти дефекты имели в своей основе сталеплавильное происхождение.
Причиной образования трещин на квадратных заготовках является нарушение /отклонение от оптимальных/ температурно-скоростных режимов охлаждения при разливке стали на МНЛЗ. Например, было установлено, что при ручном режиме поддержания уровня в кристаллизаторе и разливке горячего металла со скоростью 0,45 м/мин без защиты от вторичного окисления путем подачи аргона в стопор и трубу стальковша не обеспечивается требуемое качество наружной поверхности исходных заготовок.
Все это потребовало проведения комплексных исследований с участием автора по разработке технологических режимов производства качественных трубных заготовок квадратного и круглого сечений.
Задача разработки технологии производства нефтегазопроводных труб повышенной долговечности в коррозионноактивных высокоминерализованных средах, содержащих СОг и Нг S природного или бактериального происхождения имеют очень важное значение, тем более, что в последние годы отмечен рост агрессивной способности промысловых сред, связанных с их бактериальной зараженностью [79, 81 - 83].
При неправильном выборе трубных сталей для эксплуатации в сероводородосодер-жащих средах, разрушение стальных конструкций может происходить в очень короткий промежуток времени. Разрушение металла под воздействием сероводорода (сульфидной композиции) разделяют на два вида: расслоение (НІС) или вздутие (блистеринг), происходящее без приложения внешнего напряжения и характерное для сталей в горячекатаном состоянии с относительно низкими прочностными характеристиками; коррозионное растрескивание (СКР), характерное для сталей высоких категорий прочности (сгв 520 МПа) в условиях приложения внешних нагрузок; данный вид разрушения наиболее опасен из-за малой прогнозируемости, связанной с высокой скоростью развития трещины от момента ее зарождения [85 - 87].
Под руководством автора специалистами ВТЗ совместно с ОАО "ВНИИТНЕФТЬ" при активном участии нефтяников Нижневартовска, были сформулированы требования к качеству металла нефтегазопроводных труб повышенной надежности и разработаны технологические приемы выполнения этих требований [71].
Теоретические исследования процесса прессвалковой прошивки.
В работах отечественных [97 - 100] и зарубежных [15, 44, 46 - 48, 96, 101 - 106] исследователей представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований особенностей процесса прессвалковой прошивки квадратных заготовок, стойкости технологического инструмента (оправок) и качества стаканов-гильз. Показаны преимущества способа прессвалковой прошивки, которые заключаются: - в использовании при производстве бесшовных труб более дешевой квадратной не-прерывнолитой заготовки; - в применении заготовки большой длины и массы, что обеспечивает высокую производительность трубопрокатных агрегатов; - заполняющей прошивки, характеризующейся схемой всестороннего сжатия заготовки, что позволяет получить высокое качество внутренней поверхности изделий, а также осуществлять деформацию сталей с низкими пластическими свойствами; - низком расходе энергии на прошивку по сравнению с традиционными схемами; - возможности прошивки заготовок из труднодеформируемых высоколегированных марок сталей с 5 и 13 % содержания хрома.
К числу недостатков рассматриваемого процесса относятся: - повышенная разностенность стаканов, устраняемая затем в стане-элонгаторе; - узкий диапазон параметров, регулирующих устойчивое течение процесса; - небольшая степень деформации (коэффициент вытяжки не более 1,2).
В 1990 г. на Волжском трубном заводе был введен в эксплуатацию трубопрокатный агрегат 159-426 с прессвалковым прошивным и непрерывным раскатным станом на удерживаемой оправке для производства бесшовных труб нефтяного сортамента из непрерыв-нолитой квадратной заготовки с сечением 240 х 240, 300 х 300 и 360 х 360 мм.
Прессвалковый прошивной стан ТПА 159-426 имеет диаметр валков 1430 мм и ширину бочки 540 мм с мощностью привода каждого валка 1100 кВт и механический привод (зубчато-реечный механизм) для проталкивания квадратной заготовки от восьми электродвигателей постоянного тока мощностью 170 кВт /предельное усилие прошивки 4,8 МНУ; скорость подачи при прокатке 0,2 - 0,5 м/с, максимальная скорость подачи и возврата заготовки - стакана 1 м/с. Оправка навинчена на стержень длиной 7,3 м, который удерживается на оси восемью центрователями с гидроприводом. Максимальное усилие на стержень оправки 5 МН. Поочередно, в замкнутом цикле, работают восемь стержней с оправками, которые извлекаются из стаканов вне линии прошивки с помощью цепи с максимальной скоростью 0,5 м/с, привод которой осуществляется от электродвигателя постоянного тока, мощностью 372 кВт.
Стан прессвалковой прошивки, как и весь агрегат 159-426, является высоко автоматизированным станом ориентированным на управление всеми операциями, обеспечивающими ведение технологического процесса (первоначальная установка инструмента, установка скоростных и силовых режимов, корректировка параметров, их индикация и прочие операции) по моделям, реализуемым управляющей ЭВМ. Для обеспечения этого фирмой-разработчиком предложен ряд моделей, которые отрабатывались на стане - аналоге "DALMINE" при прокатке заготовки квадратного сечения со стороной 248 мм и затем уточнялись для всего сортамента ТПА 159 - 426.
Прессвалковый прошивной стан ТПА 159-426 и стан - аналог отличаются техническими характеристиками, а также конструкцией привода толкателя. На стане фирмы "DALMINE" применен гидравлический привод, который позволяет регламентировать усилие подпора и скорость прокатки и которые в этом случае, определяются энергетическими условиями в очаге. На прессвалковом стане ТПА 159-426 ВТЗ применен электромеханический привод толкателя, который удерживает на заданном уровне скорость перемещения толкателя. В этом случае усилие, развиваемое толкателем, является производным от скоростных и деформационных условий на контактных поверхностях валков и оправки. Привод стана ВТЗ накладывает более жесткие ограничения на кинематику процесса, а, следовательно, и на энергетические условия. Если на стане — аналоге возможно саморегулирование скоростного режима за счет использования резерва сил трения на контактной поверхности валков, то на стане ВТЗ такое саморегулирование невозможно. В связи с этим возникает вопрос о соответствии фирменной модели условиям деформации заготовки на стане ВТЗ. Необходимость такого анализа подтверждается и установленной автором [110] повышенной неустойчивостью процесса ПВП при прошивке заготовок со стороной 300 и, особенно, квадрата 360 мм, а также тем фактом, что практически на всех размерах заготовок никогда не удавалось зафиксировать предписанные фирменной моделью параметры (мощность на валках, усилие и мощность на толкателе) (табл. 2.1)
Указанные проблемы потребовали проведения обширного комплекса работ по исследованию режимов деформации, параметров настройки станов, выбора материалов для технологического инструмента и корректировки математических моделей, с помощью которых осуществляется расчет деформационно-скоростных режимов прошивки и параметров настройки стана, обеспечивающих проектные показатели точностных характеристик получаемых стаканов и готовых труб и производительность всего агрегата 159-426. Таблица 2.1
Исследование процесса раскатки гильз в станах винтовой прокатки и разработка эффективных калибровок валков и режимов деформации стаканов-гильз в станах элонгаторах
Оценка перспективности прошивных станов различных конструкций. Для обеспечения требуемых обжатий перед носком оправки и0 = 7 % и в пережиме валков и„ = 12 % длину рабочей части оправки выбирали по методике работ [239, 243].
Из данных таблицы видно, что рассматриваемые четыре прошивных стана практически не имеют отличий по длине очага деформации. Четко прослеживается зависимость координат точек А - F (рис. 3.11) от угла подачи валков р. Заметного влияния угла раскатки ф не обнаружено.
Точки Ар и Fp показывают координаты точек встречи заготовок с роликом и выхода из контакта с роликом. Сравнение координат точек Ари В показывает, что во всех случаях заготовка сначала встречается с роликом, а потом с носком оправки. Однако отрыв гильзы от ролика может происходить как после схода гильза с оправки для труб 245 х 11 мм, так и до схода с оправки для труб 430 х 40 мм.
Представляет интерес данные по числу единичных обжатий. Во всех случаях при р = 7число циклов меньше, чем при р = 5, что соответствует общепринятым представлениям. Однако число единичных обжатий в трехвалковых станах больше, чем в двухвалковых, что объясняется разницей в числе рабочих валков. Если посчитать число оборотов заготовки при перемещении от сечения входа А до сечения выхода F, то данные по сопоставляемым станам практически совпадают (см. табл. 3.1)
Искажение очага деформации, вызванное перекосом осей валков относительно оси заготовки, оцениваемое фактическими углами конусности в сечениях А и F, практически одинаково для всех станов.
Численные значения шагов подачи в двухвалковых станах больше, чем в трехвалковых, что согласуется с характером изменения числа циклов. Величина шага подачи возрастает с повышением угла подачи Р и раскатки ср, что соответствует общепринятым представлениям.
Основным критериям сопоставления рассматриваемых прошивных станов был принят параметр Одквиста - накопленная степень деформации А, которую определяли расчетным путем по методике работ [34,240] с использованием разработанных в данной работе уточнений математической модели МЭИ.
Анализ полученных данных (см. таблицу) показал, что с увеличением угла подачи р с 5 до 7 значение параметра Одквиста в сечениях В и С (см. рис. 3.11) уменьшаются.
Эти сечения характеризуются интенсивной деформацией. Значение Ав и Ас при изменении р объясняются снижением числа единичных обжатий, отмеченном ранее. Значение же AF (СМ. рис. 3. 11) с увеличением р имеют тенденцию к возрастанию. По видимому, это объясняется особенностями деформации в конусе раскатки. При исследование отмечено, что после пережима снижается шаг подачи и коэффици Р С Г) ент вытяжки ЦІ становится меньше единицы, так как значение //, = —— = — - - пред Fi Si l DCPi ставляет собой произведение вытяжек за счет деформации толщины стенки и среднего диаметра, то влияние подъема может оказаться более существенным.
При увеличении угла раскатки ер (1,5 и 6) для двухвалкового стана отмечено повышение А, что согласуется с полученными ранее результатами [244], а также экспериментальными данными Ю. Питча (фирма "SMS MEER", Германия) при исследовании на опытно-промышленном стане винтовой прокатки в городе Риза: с увеличением угла ср проработка литой структуры улучшается. Критерий Одквиста также характеризует степень проработки структуры [244].
Для трехвалковых станов получены такие же значения отношения ХЮз (расстояние между сечениями А и В на рис. 3.11 к диаметру заготовки), как и для двухвалковых станов характеризующего по данным японских исследователей склонность к появлению поверхностных дефектов [234].
Не выявлено преимущество одних станов над другими и по такому показателю, как отношение площади контактной поверхности к продеформированному объему металла.
Представляет интерес сравнить двух- и трехвалковые станы по значению параметра Одквиста при сопоставимых условиях (см. табл. 3.1). Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что существенного преимущества по проработке структуры трубной заготовки трехвалковые станы не имеют. Возможно при других условиях значения А в сопоставимых станах будут иметь большие отличия.
На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что при решении вопроса о новом прошивном стане, можно отдать предпочтение двухвалковому стану, как более дешевому (масса оборудования меньше, привод проще). Различия в значениях параметра Одквиста, характеризующего проработку литой структуры, могут быть в значительной мере компенсированы углом раскатки ф, который при прошивке крупных заготовок должен быть регулируемым, чтобы при необходимости изменять условия на стадиях захвата и выхода заготовки из очага деформации.
Раскатку толстостенных стаканов с донышком или толстостенных гильз в гильзы с несколько меньшей толщиной стенки и с уменьшенной разностенностью осуществляют в двух или трехвалковых станах винтовой прокатки, называемых элонгаторами [23, 131]. В мировой и отечественной практике трубного производства станы-элонгаторы используются в составе оборудования трубопрокатных агрегатов с пилигримовыми, автоматическими, непрерывными, реечными станами и в прессовых установках [4-6,123,135].
Характеристика оборудования и очага деформации стана-элонгатора ТПА 159-426.
Раскатной стан-элонгатор ТПА 159-426 предназначен для раскатки трех типов размеров стакана с донышком, полученных на прессвалковом стане в 5 типов размеров гильз без донышка с более тонкой стенкой и меньшей эксцентричной разностенностью гильз:
Оценка работоспособности фирменной модели настройки и управления непрерывным станом
Для заднего конца труб характерно наличие диаметральной плоскости АВ, в которой одна образующая АА длиннее противоположной образующей ВВ на величину ДАВ. В плоскости ААВВ наблюдается максимальная кривизна, характеризуемая отклонением ДААі фактической образующей ААі от прямой АА, и наибольшая разница в толщинах стенки Sa и SB. Со стороны образующей ВВ кривизна, как отклонение ABBi фактической образующей ВВ] от прямой ВВ, всегда несколько меньше ЛААь В этой же плоскости диаметр трубы в концевом сечении 1-І всегда меньше диаметра в перпендикулярной плоскости КК (см. рис. 3.16), характеризует повышенную овальность сечений заднего конца.
Сечение 1-І является последним концевым сечением трубы с замкнутым периметром. По мере удаления от него к фактическому концу трубы (точка Aj) замкнутость периметра нарушается.
Особо следует отметить, что длина LM участка концевой кривизны не зависит от размеров трубы, а всегда практически равна величине межклетевого расстояния в извлека-тельно-калибровочном стане (ИКС). Длина Li участка трубы, на котором наблюдается повышенная разница в толщинах стенки Sa и SB, наоборот, зависит от размеров труб и заготовок.
На заднем конце трубы по всему его периметру имеется бесформенный поясок металла ("воротник"), величина которого возрастает от образующей АА] к образующей ВВі (см. рис. 3.16 а, затемненные участки). "Воротник", особенно вблизи образующей ВВі, характеризуется разрывами, наслоениями, отстающими от общей массы кусками (рис. 3.17).
При сравнении с формой переднего конца горячекатаных труб малого диаметра прокатанных на ТПА, в составе которых имеется прошивной стан, наличие в них таких дефектов, как косой торец, овализация и подгиб конца, связано со скосом переднего торца заготовки или неправильной ее центровкой перед прошивкой в косовалковом стане [33, 35, 134].
На форму заднего конца трубы не может оказывать влияние косой торец заготовки, так как их обрезают перпендикулярно оси, а зацентровка заднего торца не производится. Таким образом, механизм возникновения рассматриваемого явления нуждается в дополнительном изучении с целью разработки мер по его устранению.
Готовая труба выходит из калибровочного стана, в котором изменяется наружный диаметр и, незначительно, средняя толщина стенки, так как обжатия последней не происходит. Следовательно, в извлекательно-калибровочный стан поступает труба, на заднем конце которой имеется определенная (практически конечная) разница величин Sa, S„H ЛАВ.
При выходе заднего конца из любой п-1 клети ИКС (рис. 3.18) в момент, когда точка Bi образующей ВВ! проходит плоскость осей валков OiOj нормальная деформация полностью замкнутых по периметру поперечных сечений трубы прекращается и начинается де 156 формация незамкнутых. Тогда точка В і начинает отходить от оси прокатки, при этом обжатия профиля вблизи нее не происходит. Точки образующей АА еще испытывают давление вследствие защемления трубы в последующей клети п клети (сечение 00). Такая схема нагружения вызывает увеличение овализации профиля на участке с незамкнутым периметром (рис. 3.18) и изгиб конца трубы на длине LM межклетевого расстояния в ИК. Чем больше значение ДАВ и разница Sa и SB, тем больше изгиб конца трубы и овализация. Конечное искажение геометрической формы конца трубы зависит от ориентации плоскости ААВВ относительно разъема калибра 0Р0Р.
Описанный процесс повторяется между каждой парой клетей, однако окончательная овализация профиля и кривизна конца формируются в последних двух клетях извлекатель-но-калибровочного стана в результате полученной на предшествующих станах ДАВ и разницы Sa и SB.
Изучение геометрии гильз широкого сортамента после элонгатора показало, что скос торцов на задних концах мал, однако имеют место разностенность различной степени и с "воротником". Причем, разностенность повышается с увеличением размера заготовки.
Таким образом, в непрерывный оправочный стан поступают гильзы с определенной разностенностью (Sa SB), с торцом, практически без скоса (ДАВ примерно равно нулю) и "воротниками". При этом ширина "воротника" всегда больше у тонкой стенки гильзы. Задней ее конец деформируется таким образом (рис. 3.19), что более толстая стенка по образующей АА при обжатии интенсифицирует истечение металла в обратную направлению прокатки сторону в большей степени, чем тонкая стенка по образующей ВВ. Этот процесс от клети к клети непрерывного оправочного стана приводит к возрастанию скоса (ДАВ » 0) заднего торца. Чем больше разница Sa в гильзе, тем больше конечная величина ДАВ трубы. В этом же направлении интенсивно охлаждаются участки трубы с тонкой стенкой, а также меньше изгиб длинных оправок (независимо от роста диаметра) при деформации концевого участка.
Кроме того, интенсивное охлаждение тонкостенных участков и особенно "воротников" приводило не только к увеличению ДАВ, но и к его разрушению с отделением от тела трубы кусков металла различной величины и формы, которые застревали между ребордами валков, что вызывало поломки последних, а на поверхности готовых труб образовывались вмятины.
Таким образом, образование косого заднего торца происходит в непрерывном справочном стане вследствие наличия в гильзах повышенной поперечной разностенности.
На элонгатор, как показали исследования, поступают стаканы с практически ровным и перпендикулярным их оси торцом, на котором в центральной области имеется темное пят 157 но. Это пятно соответствует положению носка оправки в момент окончания прошивки на прессвалковом стане, однако, в большинстве случаев оно не совпадает с центром торца стакана. Чем больше размер заготовки, тем больше величина отклонения пятна от центра и вероятность появления дефекта. Даже на охлажденных стаканах остается пятно, его отклонение от центра можно измерить.
Несмотря на то, что в элонгатор поступают стаканы с условно ровной и перпендикулярной оси поверхностью заднего торца, место наименьшей толщины для стакана не совпадет с его центром, поперечная разностенность наблюдается у дна стакана на участке, минимальная длина которого равна длине оправки.
При прокатке стакана в очаге деформации элонгатора имеются две зоны (рис. 3.20): зона 1 обкатки полого тела без оправки и зона 2 раскатки стенки на оправке. Обкатка полого тела в косовалковом стане сопровождается более интенсивным снижением поперечной разностенности, чем раскатка на оправке. Обе зоны сохраняются на протяжении прокатки всего стана, так как при обжатии во входном конусе донного участка по его оси происходит разрушение металла с образованием канала определенного диаметра (см. рис. 3.20). Однако с этого момента длина зоны 2 значительно увеличивается за счет длины зоны 1, поскольку диаметр канала всегда меньше внутреннего диаметра стакана. Определяющее влияние на деформацию концевого участка оказывает положение оправки, а эффект безоправочной обкатки в снижении поперечной разностенности резко падает.
С увеличением отклонения Ah носка оправки от оси прокатки 00, связано с исходной поперечной разностенностью придонного участка стакана, раскатка на оправке не обеспечивает снижения разностенности. При определенных пороговых значениях Ah поперечная разностенность на концевом участке гильзы может оставаться соизмеримой с исходной. Увеличение толщины донышка стакана дает возможность несколько уменьшить концевую поперечную разностенность за счет принудительного снижения значения Ah к моменту выхода носка оправки на торец. Известно, что при прошивке сплошных заготовок в косовалковом стане происходит перенос определенного количества металла с внутренней поверхности на задний торец гильзы с образованием более и менее равновеликого по всему периметру "воротника" [10].
