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

Содержание

      Введение

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

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

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

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

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

      1 Современные способы и оборудование для производства полой заготовки 

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

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

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

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

Рисунок 1  ̶ Схемы прошивки заготовок в двухвалковых станах винтовой прокатки. 

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

Рисунок 2  ̶  Схемы прошивки заготовок  на прессе 

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

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

Рисунок 3  ̶ Схема пресс-валковой прошивки 

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

      2 Процесс прошивки заготовки в  гильзу 

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

Рисунок 4  ̶  Расположение прокатных валков в клети (вид сверху) 

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

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

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

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

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

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

      2.1 Прошивка в станах винтовой прокатки 

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

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

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

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

Рисунок 4  ̶  Схема процесса винтовой прокатки 

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

      Настройка прошивного стана определяется расстоянием  между валками и линейками  и установкой оправки. Получение  гильзы заданных размеров d_r × s_r из заготовки диаметром d_з может быть осуществлено при разных настройках, в которые заложены различные обжатия ɛ_о. Поэтому для рациональной настройки требуется, в первую очередь, выбрать оптимальное значение ɛ_о. Совместно рассматривая условия вторичного захвата и центрального разрушения, получаем соотношение  

      Выбор ɛ_о  в указанных пределах вскрывает противоречие процесса, заключающийся в противоположном характере влияния ɛ_о на показатели прошивки: с одной стороны, рост ɛ_о повышает устойчивость захвата, коэффициент осевой скорости и производительность стана, с другой  ̶  увеличивает вероятность разрушения металла и получение брака. Практически при расчете таблиц прокатки настроечное обжатие принимается в пределах 3-8 %.

      Если  при прошивке малопластичных и труднодеформируемых  сталей или сплавов, а также литого металла создать условие не удается, т.е. методом винтовой прокатки получить бездефектные гильзы невозможно, то применяют  прошивку в прессе, пресс-валковом стане, центробежную отливку гильз или сверление заготовки. 

      2.2 Прошивка в прессе 

      Для получения осевого отверстия  в заготовке путем прессовой  прошивки используются два метода:

            открытая прошивка, при которой боковая поверхность  заготовки не ограничена инструментом в процессе деформации (рис. 5,а);

            прошивка в контейнере, определяющем наружный диаметр гильзы.

      В трубном производстве применяют  только прошивку в контейнере.

      Преимущества  прессовой прошивки обусловлены  схемой всестороннего сжатия, повышающей пластичность металла. Вместе с тем, сравнивая условия внедрения в металле носка оправки прошивного стана и прошивного пуансона (иглы) пресса, видим, что различие схем напряженного состояния создает и большое различие контактных напряжений на торце внедряемого инструмента. Если на носке оправки σ_н = (0,2÷ 0,8) σ_т, то на игле σ_и = (4÷ 5) σ_т. Большое усилие на иглу вызывает ее изгиб и приводит к разностенности гильзы. В связи с этим длина прошиваемых в прессе гильз ограничена: при прошивке высоколегированных сталей отношение длины гильзы к диаметру иглы l_r/d_и ≤ 5÷ 6, углеродистых сталей ≤ 7÷ 8. Отсюда следует, что процесс прессовой прошивки рационален в технологических схемах, где требуется: получение коротких особотолстостенных гильз из металлов с низкой пластичностью перед операциями с большими вытяжками ̶ прессованием, пилигримовой прокаткой; получение гильз с донышком  ̶ стаканов  ̶ перед операциями, в которых донышко выполняет технологическую функцию, например, для упора оправки при проталкивании гильзы через роликовые обоймы реечного стана. 

а ̶ открытой прошивки; б   ̶   нарастающей (закрытой); в   ̶   заполняющей; 1  ̶ прошивной пуансон (игла); 2  ̶ контейнер; 3   ̶ опорный пуансон

Рисунок 5  ̶   Схемы процессов прессовой  прошивки   

      В зависимости от формы сечения  заготовки (круглая, квадратная, многогранная) и ее состояния (предварительно деформированный  металл, слиток с рыхлостью и усадочной раковиной) процесс прошивки в контейнере имеет две разновидности:

      1) Нарастающая (закрытая) прошивка круглой заготовки (рисунок 5,б)  ̶ процесс с увеличением длины гильзы по сравнению с заготовкой ( λ = 1,1 ÷ 1,4) за счет течения смещенного из-под иглы металла в кольцевой зазор между контейнером и иглой. Процессу нарастающей прошивки предшествует распрессовка (осадка) заготовки в контейнере до полного заполнения первоначальных зазоров, требовавшихся для ввода заготовки в контейнер; распрессовка обеспечивает соосность контейнера, заготовки и иглы, что повышает точность гильз. Процесс применяется при производстве труб прессованием.

      2) Заполняющая прошивка (рисунок 5,в)  ̶ процесс с течением смещенного металла в зазоры между боковыми поверхностями исходной некруглой заготовки и контейнером или с течением в зону усадочной раковины и рыхлости с сохранением длины при деформации (λ = 1); если смещенный объем больше свободного, то наблюдается комбинированный процесс с переходом от заполняющей к нарастающей прошивке. За счет исключения трения металла о стенки контейнера заполняющая прошивка требует усилия, приложенного к игле, меньшего, чем нарастающая: Р_и.зап = (0,7 ÷ 0,9) Р_и.нар 

      3 Конструкция прошивных станов 

      Наибольшее  распространение получили прошивные  станы (рабочие клети) с бочкообразными валками. Двухопорное крепление  валков на таких станах позволяет  применять их для получения гильз  не только мелких размеров (диаметр до 140 мм), для прокатки которых используют также станы с дисковыми и грибовидными валками, но и для гильз более крупных профилей с максимальным диаметром до 630 мм. Прошивка гильз больших размеров сопровождается высокими давлениями на валки и консольное крепление валков не может быть надежным.

      Конструкция рабочей клети прошивного стана  в значительной мере определяется конкретным назначением стана. В случае использования его только для получения толстостенных гильз рабочая клеть оборудована двумя вспомогательными холостыми валками или одним вспомогательным валком и неподвижной проводкой (линейкой). При необходимости получения на стане

тонкостенных  гильз клеть имеет две неподвижные  проводки — линейки, плотно прилегающие  к рабочим валкам. В этом случае необходимость плотного прилегания линеек к рабочим валкам диктуется тем, что тонкостенные гильзы характерны малой устойчивостью по поперечному сечению и металл может затекать в щель

между рабочим валком и инструментом, ограничивающим поперечную деформацию. Если этим инструментом является вспомогательный валок, то щель оказывается значительной; применение линеек позволяет избежать больших зазоров. В то же время  прошивка толстостенных гильз вследствие их большой жесткости по поперечному сечению может протекать успешно даже при значительных зазорах между рабочим и вспомогательным валком. Применение вспомогательных валков целесообразно, так как это обеспечивает меньшее осевое скольжение металла. Кроме того, заметно сокращается расход инструмента, особенно при прокатке высоколегированной стали, когда стойкость линеек невелика.

      Важной  характеристикой рабочей клети  прошивного стана является возможность  изменения угла подачи применением  разного наклона рабочих валков. В станах старой конструкции этот угол не регулировался и находился в пределах 4°30'—6°30´. В рабочих клетях, созданных в более поздний период, как правило,

предусматривается регулирование угла подачи. Это хотя и усложняет конструкцию рабочей  клети, но целиком оправдывает себя, так как значительно повышает маневренность стана, необходимую  при широком сортаменте труб, как по размерам, так и по маркам стали.

Рисунок 6  ̶  Рабочая клеть прошивного стана 

      Современные рабочие клети прошивных станов (рисунок 6) имеют массивную литую станину коробчатой формы со съемной крышкой. Внутрь станины закладываются пустотелые цилиндрические барабаны с проемами, в которых помещаются подушки рабочих валков. Барабаны могут поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной оси прошивки, изменяя тем самым угол подачи. Привод для поворота барабанов может применяться разных конструкций. В зарубежных конструкциях для поворота барабанов обычно используют четыре установочных

 винта, упирающихся в выемки на барабанах и вращающихся в гайках, которые

вставлены в отверстия станины. После установки барабанов на необходимый угол подачи их положение фиксируют контргайками установочных винтов и зажимными колодками, которые прижимаются к поверхности барабанов клиньями. Угол подачи обычно регулируется в пределах 5—12°.

      В отечественных конструкциях для  поворота барабанов используют специальные механизмы. Один из таких механизмов осуществляет поворот барабана охватывающей его пластинчатой цепью. Привод цепи осуществляется электродвигателем через двойной червячный редуктор и ведущую звездочку, 

установленные на крышке станины.

      В другой конструкции поворотного  механизма установка необходимого угла наклона валков производится от электродвигателя через червячный  редуктор и цилиндрическую пару, ведомое  колесо, которое насаживается непосредственно на барабан. Барабаны в заданном положении фиксируются пружинами, а оттормаживаются гидроцилиндром. Фиксация барабанов может осуществляться также специальными зажимами, электропривод которых располагается на крышке станины.

      В отечественных конструкциях барабаны могут поворачиваться на угол от 0 до 90°. Это значительно упрощает смену  рабочих  валков стана (перевалку), так  как нет необходимости извлекать  барабаны из станины. Установив барабаны так, чтобы валки находились в  вертикальном положении, кассеты с  валками извлекают из

барабанов через, окна в крышке станины. В зарубежных конструкциях при перевалке предварительно необходимо снять крышку, а затем извлечь барабаны вместе с валками. Длительность перевалки в этом случае на 30—40 мин больше.

      Рабочие валки смонтированы в кассетах на конических роликоподшипниках, помещенных в стаканы и надежно защищенных, от попадания окалины.

      Кассеты с валками могут перемещаться по направляющим барабанов с помощью  нажимных винтов. Каждый валок имеет  самостоятельный механизм перемещения  нажимных винтов, состоящий из двух червячно-цилиндрических редукторов, передающих вращение от одного электродвигателя. Механизмы установлены на торцах барабанов с боковых сторон рабочей клети. Одновременное

и одинаковое перемещение обоих валков относительно оси стана обеспечивается синхронизацией работы двигателей механизмов установки валков по системе электрического вала. Для настройки стана возможно также независимое перемещение каждого винта. Положение валков относительно оси стана указывается на  циферблатах.

      Нижняя  линейка устанавливается в линейкодержателе на стационарный стул.

К стулу  крепятся также входная и выходная направляющие воронки. Верхняя 

линейка крепится к фасонной траверсе, которая  может перемещаться вверх или  вниз с помощью механизма, установленного на крышке станины. Этот механизм

состоит из двух нажимных винтов, прикрепленных к траверсе, проходящих через гайки, вмонтированные в червячные колеса редукторов, которые получают вращение от электродвигателей. Синхронизация работы двух двигателей для равномерного перемещения линейки осуществляется по системе электрического 

вала. Специальный  счетчик указывает на циферблате фактическое расстояние между линейками.

      При прокатке толстостенных гильз вместо верхней линейки может быть установлен холостой вспомогательный валок (ролик) с разворотом его оси в горизонтальной плоскости на угол до 7° относительно оси прокатки.

      Привод  рабочих валков прошивного стана  находится со стороны подачи в  них заготовки и состоит из электродвигателя, шестеренной клети  и шарнирных шпинделей (рисунок 7).

      Шестеренная клеть предназначена для распределения крутящего момента двигателя между рабочими валками стана при одновременном уменьшении числа оборотов от двигателя к рабочим валкам. Обычно корпус шестеренной клети представляет собой двухразъемную коробку. В нижнем разъеме на подшипниках

качения помещают ведущий вал-шестерню и  одну ведомую шестерню; в верхнем  разъеме монтируют другую ведомую  шестерню. В корпусе шестеренной клети имеется сквозное отверстие для установки пневматического цилиндра вталкивателя заготовки.

      Каждый  шарнирный шпиндель имеет две  головки, одна из которых плотно посажена на ведомый вал шестеренной клети, а  другая крепится на рабочий валок  ходовой посадкой. Это позволяет  несколько изменять длину шпинделей  при регулировании угла наклона  валков.

1 — двигатель; 2 — главный шпиндель; 3 — шестеренная клеть; 4 — универсальные

шпиндели; 5 — рабочие валки

Рисунок 7  ̶  Линия привода прошивного стана

      При прошивке заготовок диаметром до 140 мм применяют прошивные станы с дисковыми и грибовидными валками. Несмотря на технологические преимущества прошивных станов с грибовидными валками, они не получали в последнее время развития из-за ряда конструктивных недостатков: нерегулируемые углы раскатки и