Исследование влияния резьбы на входном конусе валков и угла подачи на образование внутренних плен

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит: 71 стр., 14 табл., 19 рис., 4 прил., 7 лит. ист.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, СОРТАМЕНТ, ПРОШИВНОЙ СТАН, ТАБЛИЦА ПРОКАТКИ, КАЛИБРОВКА ИНСТРУМЕНТА, ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ, ПРОЧНОСТЬ.

Данная работа посвящена решению проблемы по снижению количества брака и вторых сортов по дефекту “внутренняя плена” в трубопрокатном цехе №1 ОАО “СТЗ”. Описан технологический процесс производства бесшовных горячедеформированных труб в ТПЦ №1. Представлено описание сортамента продукции цеха и требования НТД. Рассчитаны таблица прокатки, калибровка инструмента прошивного стана и энергосиловые параметры прошивки. Рассчитаны на прочность основные узлы и детали прошивного стана.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ГРАФИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ

ВВЕДЕНИЕ

Трубопрокатный цех №1 ОАО “СТЗ” выпускает трубы  по нескольким отечественным и международным  сертификатам, включая немецкие (DIN) и американские (ASTM). Основную часть  продукции составляют стальные бесшовные  трубы различного диаметра из стали  различных марок для нефтепроводов, нефтяных скважин, котельных, а также  для применения в автомобилестроении.

Одной из актуальных задач  развития  производства ОАО «СТЗ»  является повышение качества бесшовных труб. В настоящее время, основным видом брака при прошивки горячекатаных труб, является прокатная плена на внутренней поверхности труб.

Для решения данной проблемы предлагаются следующие мероприятия:

1. нарезка резьбы на входном конусе валков;
2. переход на малый диаметр валков прошивного стана при прокате труб диаметром 325 мм.

1.СУЩНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ  ПО ДЕФЕКТУ «ВНУТРЕННЯЯ ПЛЕНА»

1.1.Состояние проблемы  в ТПЦ №1

По данным ОТК завода при  производстве бесшовных труб, 2 сорт по дефекту «внутренняя плена» составляет 2,68%, а брак по дефекту «внутренняя плена» составляет 1,47%. В таблице 1 приведены данные по дефекту при прокате трубы Ø325 мм.

Таблица 1

Сведения по дефекту «внутренняя плена»

При производительности цеха в 320000 тонн продукции в год, 2 сорт по   дефекту «внутренняя плена» составляет порядка 8576 тонн, а потери по браку составляет 4708 тонн.

Для улучшения первичного и вторичного захвата заготовки  валками в ТПЦ №1 на входном  конусе валков прошивного стана после  обработки в ВТО навариваются шипы. Недостаток данной технологии подготовки валков заключается в следующем. После того как валки вывалили из стана в ППР, их направляют в  ВТО для обточки. В итоге при  проточке валка резец периодически попадает на наваренные шипы. Таким  образом, возникает большая вероятность  поломки суппорта на данном станке. Происходит это, потому что при наплавке шипов возникает зона расплавленного металла (под шипом). Также вокруг шипа (в непосредственно близости) существует зона термического влияния. В этих зонах металл имеет большую  твердость, чем у самого валка. В  результате при  проточке валка резец  воспринимает сильные динамические нагрузки, которые выводят из строя  суппорт станка.

Также валки прошивного стана  с наваренными шипами при износе, в связи с понижением коэффициента трения, плохо захватывают заготовку. Это приводит к увеличению осевого  скольжения, возникает пробуксовка  заготовки в валках, в результате увеличивается количество внутренней плены.

Следующим недостатком валков с шипами является повышение уровня брака по наружной плене. На гильзе после прошивного стана остаются царапины, что при раскатке на пильгерстане приводит к появлению наружной плены.

Бочка валков с большим  диаметром (более 1500мм), используемая в  цеху,  не позволяет установить на прошивном стане больший угол подачи (интервал 5-6°), что, в свою очередь, влияет на образование  дефекта при  прокате  гильз  для производства труб Ø325мм.

1.2.Анализ известных технических решений

Прошивка является основной и наиболее ответственной операцией при изготовлении труб. Дефекты, которые получаются на гильзах, при последующей пластической деформации, как правило, не устраняются и остаются на готовых трубах. В связи с неблагоприятной схемой напряженного состояния при прошивке на станах косой прокатки основным видом брака гильз является их разрушение, которое проявляется в виде плен. Внутренние плены возникают из-за разрушения металла при прошивке, когда в сердцевине заготовки появляются высокие растягивающие напряжения, а пластические свойства металла оказываются низкими.

Современное построение технологического процесса прошивки исходит из выполнения основного условия - деформация заготовки должна проходить с обжатием меньше критического, т. е. без вскрытия полости перед оправкой. Следует отметить, что критическое обжатие не является какой-то постоянной величиной, определяемой химическим составом материала или его состоянием. На критическое обжатие влияют условия деформации, технологические параметры прошивки.

Вскрытие полости происходит тем легче, чем меньше величина частного обжатия за полуоборот заготовки  в двухвалковом стане, следовательно, чтобы предотвратить преждевременное  вскрытие полости и повысить критическое обжатие, целесообразно применять возможно большие частные деформации. Это положение обусловлено тем, что с повышением частных обжатий уменьшается неравномерность деформации. Повышенная неравномерность деформации наблюдается также при изменении соотношения продольной и поперечной деформации в сторону увеличения последней. Это в частности, проявляется в том, что увеличение овализации заготовки приводит к более раннему вскрытию полости.

Уменьшение вероятности  вскрытия полости и повышение критического обжатия могут быть достигнуты путем сокращения числа циклов обжатий заготовки, причем этот фактор, как показали различные исследования, влияет в наибольшей степени. Уменьшение цикличности достигается легче всего повышением угла подачи —лабораторными экспериментами и практикой производства доказано, что увеличение угла подачи повышает критическое обжатие. На рис. 1 представлены фотографии темплетов очагов деформации от заторможенных заготовок при прошивке с разными углами подачи. Из этих рисунков видно, что увеличение угла подачи при прочих равных условиях предотвращает преждевременное вскрытие полости.

Образцы гильз заторможенные  при прошивки

а)β=4⁰; б)β=6,5⁰; в)β=7,5⁰; г)β=8,5⁰.

Рис. 1

Наиболее частой причиной разрушения гильз при прошивке является низкое качество исходного материала. Оно особенно заметно проявляется при прошивке легированных сталей, которые отличаются пониженной пластичностью.

И связи с тем, что прошивка на станах косой прокатки совершается при наиболее неблагоприятной схеме напряженного состояния, к качеству материала следует предъявлять повышенные требования. Так, металл, успешно деформирующийся при других способах прокатки, может оказаться непригодным для прошивки. Большое значение имеет и настройка прошивного стана [1].

При работе с повышенным обжатием перед оправкой могут появиться внутренние плены вследствие преждевременного вскрытия полости в сердцевине заготовки. Нарушения сплошности металла чаще всего имеют локальный характер — появляются в местах, где он имеет пониженную прочность.

Чтобы избежать возникающих  при прошивке плен, обычно уменьшают  обжатие перед оправкой. Это достигается  некоторым увеличением раствора валков и дополнительным выдвижением  оправки. Уменьшение обжатия перед  оправкой следует производить весьма осторожно, чтобы не нарушить устойчивости вторичного захвата. Кроме того, с уменьшением обжатия повышается осевое скольжение, особенно в начальный момент прошивки, что также может вызвать появление плен.

Величина подачи при прошивке, так же как и обжатие, является весьма эффективным параметром, влияющим на качество поверхности гильз. Установлено, что с увеличением подачи вероятность возникновения внутренних дефектов уменьшается. В этом отношении работа с повышенными углами подачи всегда более целесообразна, хотя требует более тщательной настройки прошивного стана, так как условии захвата заметно усложняются.

Подача увеличивается  при снижении осевого скольжения. Поэтому все факторы, снижающие  скольжение, благоприятно сказываются  на качестве гильз. Прошивка валками, рабочая поверхность которых «заполирована», или применение для прошивки изношенных оправок, создающих повышенное сопротивление продвижению металла, могут послужить причиной образования плен.

Повышенная овализация гильзы при прошивке, происходящая вследствие неправильной установки линеек или их большого износа, тоже может служить причиной появления внутренних плен. Это наблюдается, в частности, при прошивке коррозионностойкой стали, что обусловливает принудительную замену линеек после прошивки определенного числа заготовок.

Нарушение режима нагрева  перед прошивкой также вызывает образование дефектов. Местный перегрев, а тем более пережог, приводит к снижению или полной потере пластических свойств металла, В местах перегрева  гильзы появляются трещины, разрывы или плены. Однако нарушение режима нагрева может влиять на качество труб и косвенным путем: изменение состава окалины и плотности ее сцепления с основным металлом может усилить осевое скольжение и, как следствие, вызвать дефекты поверхности.

В связи с тем, что возможности  создания наиболее благоприятных условий  деформации в процессе прошивки варьированием  углов конусности в значительной мере исчерпаны, были предприняты различные попытки для уменьшения растягивающих напряжений центральных слоев металла и повышения тем самым величины критического обжатия с целью перераспределения осевой и тангенциальной деформации и соотношения осевого и тангенциального скольжения. С уменьшением осевого скольжения и, следовательно, увеличением осевой деформации возрастает величина критического обжатия и создаются условия, препятствующие преждевременному вскрытию полости металла.

На практике для реализации указанных предпосылок во входном  конусе валка в зоне, расположенной до встречи металла с оправкой, выполняют профильные кольцевые гребни или специальные пазы. Они могут быть кольцевыми, то есть находиться под прямым углом к оси валка (такую калибровку называют кольцевой) (рис. 2, а), или располагаться вдоль образующей валка (так называемая пазовая калибровка) (рис. 2, б). Промежуточное положение занимает так называемая винтовая калибровка, при которой указанные гребни (пазы) располагаются под некоторым углом к оси валка (рис. 2, в). Кольцевая калибровка создает дополнительные подпирающие усилия в осевом направлении, что снижает осевые растягивающие напряжения. Пазовая калибровка благодаря подпирающим тангенциальным усилиям ограничивает растягивающие напряжения в указанном направлении. Винтовая калибровка создает промежуточное напряженное состояние металла заготовки при прошивке [2].

Калибровки валков прошивных  станов

а) кольцевая; б) пазовая; в) винтовая.

Рис. 2

1.3.Теоретическое обоснование технических решений

Для снижения количества брака  и второго сорта по дефекту  “внутренняя плена” в ТПЦ №1, предлагается наносить резьбу на входную сторону валка прошивного стана. Данная калибровка позволяет уменьшить растягивающие напряжения центральных слоев металла и повысить тем самым величины критического обжатия с целью перераспределения осевой и тангенциальной деформации и соотношения осевого и тангенциального скольжения. Винтовая калибровка создает дополнительные подпирающие усилия в осевом направлении, что снижает осевые растягивающие напряжения, а так же благодаря подпирающим тангенциальным усилиям ограничивает растягивающие напряжения в тангенциальном направлении. С уменьшением осевого скольжения и, следовательно, увеличением осевой деформации возрастает величина критического обжатия и создаются условия, препятствующие преждевременному вскрытию полости металла.

Так же предлагается снизить количество дефектов по внутренней плене при производстве трубы Ø325 благодаря некоторому увеличению угла подачи β.  Увеличение угла подачи повышает критическое обжатие, что в свою очередь ведёт к уменьшению образованию плен. Повысить угол подачи удаётся благодаря мероприятиям по снижению нагрузки на главные привода стана и, использованию появившихся резервов на изменение угла подачи. Снижение нагрузки на привода валков происходит, из за уменьшения диаметра бочки валка, которое приводит к уменьшению площади контактной поверхности и в следствие к уменьшению усилий действующих на валки.

2.СОРТАМЕНТ ПРОДУКЦИИ ТПЦ №1 И ТРЕБОВАНИЯ НТД

Трубопрокатный цех №1 ОАО “СТЗ” выпускает трубы  по нескольким отечественным и международным  сертификатам, включая немецкие (DIN) и американские (ASTM). Основную часть  продукции составляют стальные бесшовные  трубы различного диаметра из стали  различных марок для нефтепроводов, нефтяных скважин, котельных, а также  для применения в автомобилестроении. Сортамент продукции приведён в таблице 2.

Таблица 2

Сортамент продукции ТПЦ  №1

Продолжение табл.2

Требования НТД приведены  для бесшовных горячедеформированных  труб ГОСТ Р 53383-2009 [3], т.к. расчёт таблицы прокатки будет вестись для трубы изготавливаемой по данному стандарту. Предельные отклонения по наружному диаметру труб не должны превышать указанные в таблице 3.

Таблица 3

Предельные отклонения по наружному диаметру труб

Предельные отклонения по толщине стенки труб не должны превышать указанные в таблице 4.

Таблица 4

Предельные отклонения по толщине стенки труб

По согласованию изготовителя с заказчиком трубы можно изготовлять  с комбинированными предельными  отклонениями, например, по наружному  диаметру повышенной точности, а по толщине стенки - обычной точности. Овальность и разностенность труб не должны выводить наружный диаметр и толщину стенки за пределы допустимых значений. Кривизна любого участка труб на 1 м длины не должна превышать: 1,5 мм - для труб толщиной стенки до 20,0 мм включительно; 2,0 мм - для труб толщиной стенки свыше 20,0 до 30,0 мм включительно. Общая кривизна трубы не должна превышать 0,2% длины. По требованию заказчика трубы следует поставлять по внутреннему диаметру и толщине стенки, а также по наружному и внутреннему диаметрам и поперечной разностенности (разность максимального и минимального значений толщины стенки трубы в сечении).

 В таблице 5 приведены требования к механическим свойствам труб.

Таблица 5

Механические свойства труб

По требованию заказчика  трубы могут быть подвергнуты  термической обработке. На поверхности  труб не допускаются трещины, плены, рванины, закаты. Допускаются отдельные  незначительные забоины, вмятины, риски, окалины, следы зачистки дефектов и  мелкие плены, если они не выводят  толщину стенки за пределы минимальных  значений с учетом минусовых допусков. Дополнительные требования к трубам, предназначенным для изготовления деталей механической обработкой и  нанесения покрытия, устанавливают  по согласованию изготовителя с заказчиком. Концы труб должны быть обрезаны под  прямым углом, при этом допускается  образование фаски под углом  не менее 70° к оси трубы.

Для контроля механических свойств и оценки качества труб применяют  следующие виды испытаний:

• испытание на растяжение (ГОСТ 10006);
• испытание на твердость (ГОСТ 9012);
• испытания на ударный изгиб (ГОСТ 9454);
• испытание на сплющивание (ГОСТ 8695);
• испытание гидравлическим давлением (ГОСТ 3845);
• испытание на загиб (ГОСТ 3728).

3.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ В ТПЦ №1

В настоящее время в  ТПЦ-1 эксплуатируется трубопрокатный агрегат с пилигримовым станом 5÷12" мощностью 320 тыс. т/год.

Исходным материалом для производства труб служат непрерывно-литые  заготовки круглого сечения, получаемые с электросталеплавильного цеха ОАО “СТЗ”.

Прокатка и  отделка бесшовных труб в трубопрокатном цехе производится по следующей технологической  схеме:

• порезка заготовки на мерные длины;
• нагрев заготовок в кольцевых печах;
• прошивка на прошивном стане «450» производства ЭЗТМ;
• прокатка в  пилигримовом стане;
• отрезка пильгерной головки, затравочного конца и порезка на мерные длины;
• подогрев трубы в печи с шагающими балками;
• калибровка труб;
• охлаждение труб на холодильнике;
• правка труб на шестивалковой трубоправильной машине;
• инспектирование  и  ремонт труб на участке отделки гладких труб;
• передача труб на промежуточные склады.

Схема технологического процесса производства труб на ТПА с пилигримовым станом

1 - подача слитков в цех; 2 –  резка слитков; 3 - ремонт слитков  (в случае необходимости); 4 - загрузка  слитков в кольцевую печь; нагрев  слитков до 1250 °С;  5- гидрозбив окалины; 6 - прошивка слитков на прошивном стане; 7 – участок внестановой зарядки дорнов; 8 - раскатка гильз в трубы на пилигримовом стане; 9 - отрезка концов и резка труб на мерные длины; 10 - подогрев труб до 1000 °С; 11 - калибрование; 12 - охлаждение; 13 – правка и последующий контроль качества.

Рис. 3

После инспекции и ремонта  трубы поступают, в зависимости  от назначения, на участки отделки  и термической обработки:

• 6 поточных линий отделки обсадных и нефтепроводных труб;
• участки термической обработки труб №1 и №2;
• отделение по производству муфт.

3.1.Подготовка НЛЗ к прокату

НЛЗ-штанги поступают из ЭСПЦ на склад заготовок ТПЦ-1 на железнодорожных платформах. Штанги НЛЗ с железнодорожных платформ выгружают на склад заготовок ТПЦ-1 электромостовым краном с магнитной шайбой и складируются в карманы поплавочно. Порезка НЛЗ-штанг на мерные длины осуществляется на пилах фирмы «Linzinger» модели KSS1250. На торцевой поверхности порезанных НЛЗ механизированным клеймением наносится номер плавки и марка стали.