Технология и оборудование трубного производства

Современный уровень развития трубного производства в России и за рубежом 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 следующие общие элементы: нагрев металла, получение полой заготовки (гильзы), получение черновой трубы (раскатка гильзы), окончательное фор­мирование стенки и диаметра трубы (редуцирование или 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.

Первые успехи были достигнуты при использовании непрерыв­нолитой заготовки прямоугольного сечения после обжатия ее в круг на обжимном стане. Дальнейшее совершенствование техноло­гии трубопрокатного производства шло по пути непосредственного использования непрерывнолитой заготовки для производства труб с исключением предварительной прокатки на обжимных станах.

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

3.2. Прошивка сплошных квадратных заготовок на пресс-валковых станах

В отечественной и мировой практике основным агрегатом для получения гильз из сплошной заготовки остается стан винтовой прокатки. Однако эффективность процесса прошивки на станах винтовой прокатки снижается из-за высокой стоимости катаной за­готовки; использование непрерывнолитой круглой заготовки вза­мен катаной в 70 - 80-х годах было ограничено из-за больших трудностей получения поверхности исходной круглой заготовки удовлетворительного качества, что было связано с особенностями кристаллизации металла при охлаждении.

В последние 10 - 15 лет за рубежом в качестве исходного мате­риала при производстве стальных бесшовных труб начали приме­нять непрерывнолитую заготовку квадратного сечения, что наибо­лее эффективно благодаря ее сравнительно низкой стоимости и бо­лее высокому качеству, обусловленному технологическими особен­ностями разливки и кристаллизации стали. Применение непрерывнолитого металла квадратного сечения стало возможным главным образом в результате разработки и внедрения в производство про­цесса пресс-валковой прошивки (см. рис. 3.3).

В 70-х годах в Италии был создан способ пресс-валковой про­шивки ("Press Piercing Mill-PPM") для получения гильз из квад­ратной непрерывнолитой заготовки. Этот процесс содержит эле­менты пресс-валковой прошивки и продольной прокатки в круглом калибре.

По мнению авторов данного способа прошивки квадратной трубной заготовки, преимущества данного способа заключаются в следующем :

использовании при производстве бесшовных труб более дешевой квадратной непрерывнолитой заготовки;

применении заготовки большой длины и массы;

наличии 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% Сr.

К числу недостатков рассматриваемого процесса относятся:

повышенная разностенность стаканов, устраняемая в стане-элонгаторе;

узкий диапазон параметров, регулирующий устойчивое течение процесса;

3.3. Прошивка заготовок на прессах

Прошивку на прессах применяют при производстве труб прес­сованием, а также при использовании слитков или непрерывноли-той заготовки на отдельных агрегатах с пилигримовым и реечным станами. Во всех случаях, кроме первого, прошивка на прессе обычно сопровождается последующей раскаткой в стане-элонгаторе. Такое сочетание целесообразно вследствие повышения точности гильз по толщине стенки, прошивки донышка стакана, а также его удлинения в 1,5-3 раза, что в конечном итоге позволяет полу­чать готовые трубы требуемой длины.

При производстве труб применяют следующие виды прошивки на прессах: прошивку в контейнере с матрицей; прошивку иглой (пуансоном) по методу Эрхарда (изобретение относится к 1891 г.) и прошивку на "глухой" матрице (закрытая или нарастающая прошивка, см. рис. 3.2).

Прошивка заготовок пуансоном является обычным процессом ВДавливания, которое бывает закрытым или открытым. При глубо­кой закрытой прошивке различают два вида образования полости: заполняющая и нарастающая прошивка. При заполняющей про­шивке слитков (заготовок), поперечное сечение которых меньше Учения внутренней полости контейнера, течение металла в стороны не ограничено и вытесняемый пуансоном металл заполняет объем между боковыми поверхностями контейнера и заготовки. При закрытой нарастающей прошивке деформация осуществляется предварительно распрессованных слитков (заготовок) в глухом (за­крытом) контейнере и процесс протекает с истечением металла вдоль оси прошивки навстречу движущемуся пуансону. При этом высота гильзы увеличивается соответственно объему вытесненного пуансоном металла.

На практике обычно при заполняющей прошивке многогран­ный слиток или квадратную заготовку прошивают в контейнере круглого сечения. При прошивке квадратной заготовки преоблада­ет открытое вдавливание, когда металл заполняет пространство между гранями заготовки и стенками контейнера. Если объем ме­талла, вытесняемого пуансоном, меньше объема свободного про­странства, то прошивка происходит с незаполнением. Когда вытес­няемый объем больше объема свободного пространства, контейнер переполняется и после соприкосновения деформируемого металла с его стенками по всему периметру осуществляется процесс закрыто­го вдавливания.

При прошивке многогранного слитка открытое вдавливание происходит только до момента заполнения металлом пространства между его гранями и стенками контейнера, после чего идет нара­стающая прошивка.

Если происходит только заполняющая прошивка, то площадь сечения пуансона равна суммарной площади зазоров между его за­готовкой и стенками контейнера, поэтому металл смещается толь­ко в радиальных направлениях и высота заготовки практически не изменяется.

4.4. Раскатка гильз на станах винтовой прокатки планетарных и реечных станах

Раскатка гильз в станах винтовой прокатки осуществляется и длинной оправке в трех валках (станы Ассела) или в двух валках  приводными или неприводными направляющими дисками.

Трехвалковые станы винтовой прокатки применяют в составе агрегатов для раскатки толстостенных труб высокой точности: от­клонение по наружному диаметру составляет ± 0,5%, а по толщине стенки ±6%.

Трубопрокатные агрегаты с трехвалковыми раскатными стана­ми в основном применяются для изготовления труб из шарикопод­шипниковых и других сталей, подвергающихся последующей меха­нической обработке, так как малая их разностенность позволяет значительно снизить припуски на обточку. Достоинством этих ус­тановок является также возможность быстрой перестройки станов при переходе на новый размер, для чего не требуются частые пе­ревалки, необходимые на других установках при разнообразном сортаменте труб.

Изменение внутреннего диаметра труб при прокатке на уста­новках с трехвалковым станом осуществляется подбором соответст­вующего размера оправки без перенастройки стана. Изменение на­ружного диаметра также не требует перевалки валков и произво­дится регулировкой валков раскатного стана. Перевалки осущест­вляются лишь при значительном изменении наружного диаметра труб или толщины стенки, а также из-за аварий или большого из­носа валков. Эти перевалки при надлежащей организации плани­рования производства можно приурочить ко времени ремонта уста­новки.

Характерным для трехвалковых станов винтовой прокатки яв­ляется расположение валков соответственно вершинам равносто­роннего треугольника. Все три валка вращаются в одну сторону, причем они наклонены к оси прокатки, образуя некоторый угол, называемый углом раскатки и соответствующий обычно 7°. Кроме того, каждый валок имеет перекос относительно плоскости симмет­рии соответствующего проема станины. Угол скрещивания оси вал­ка с осью прокатки называется углом подачи.

Угол раскатки определяет, в известной мере, степень попереч­ной раскатки трубы и регулируется в небольших пределах. Вели чиной угла подачи определяется скорость прокатки, а также отчасти и величина раскатки, поэтому угол подачи целесообразно регулировать в пределах 3 — 9°.

Глава 5. Оборудование для производства готовых труб

Для получения готовых труб применяют станы винтовой прокатки (обкатные станы) и безоправочные станы продольной прокатки которые условно подразделяют на калибровочные, редукционно-калибровочные и редукционно-растяжные.

5.1. Обкатные станы винтовой прокатки

Обкатные станы винтовой прокатки предназначены для раскат­ки поверхностных неровностей, рисок на гильзах после их прокат­ки в автоматическом стане и обеспечения требуемой точности гео­метрических размеров труб. При обкатке диаметр трубы несколько увеличивается, при этом труба приобретает правильную круглую форму, а толщина стенки становится более равномерной: уменьша­ется ее разностенность.

Двух- и трехвалковые обкатные станы (риллинг-станы) уста­навливаются в составе оборудования трубопрокатных агрегатов с автоматическим станом.

Иногда риллинг-станы используют для обкатки труб и облегче­ния условий извлечения длинных цилиндрических оправок, на ко­торых производилась предшествующая деформация гильзы, по­скольку при риллинговании всегда увеличивается диаметр трубы.

В состав риллинг-станов входят рабочая клеть, главный при­вод, передний и задний столы и вспомогательные механизмы.

Конструкция рабочей клети риллинг-стана аналогична рабочей клети прошивного или раскатного станов винтовой прокатки.

Станина рабочей клети открытого типа и состоит из корпуса и крышки, которые крепятся откидными болтами на клиньях.

Рабочие валки в клети наклонены в вертикальной плоскости один к другому и образуют угол подачи в3 = 6- 8°30'. В некоторых конструкциях обкатных станов поворотом барабанов можно изме­нять угол подачи до 10°. Валки установлены на четырехрядных подшипниках, их наклон на угол подачи обеспечивается соответствующим расположением гнезд подшипников в подушках.

5.2. Калибровочные станы

Бесшовные трубы, прокатанные на ТПА с автоматическим, не­прерывным и другими раскатными станами, еще не отвечают тре­бованиям, предъявляемым к товарной продукции по диаметру и точности геометрических размеров, а также по качеству наружной поверхности. В связи с этим в состав агрегатов включают калибро­вочные и редукционные станы.

Калибровку труб осуществляют на станах винтовой прокатки -трехвалковых, безоправочных станах продольной прокатки (рис. 5.2), получивших наибольшее распространение. В состав та­ких калибровочных станов входят от 3 до 12 двухвалковых клетей продольной прокатки, которые устанавливают под углом 45° к го­ризонту и под углом 90° одну к другой. Этим обеспечивается обжа­тие заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В состав главной линии каждой клети калибровочного стана рабочая клеть закрытого типа с одноручьевыми валками и привод, полненный в виде кинематически связанных электродвигателя, минированного редуктора и универсальных шпиндельных сое­динений.

современных конструкциях калибровочных станов   каждая имеет индивидуальный привод валков. Это делает стан более маневренным  и улучшает условия его ремонта.

Глава 7. Технологические расчеты трубопрокатных станов и прессов

7.1. Принципы расчета таблиц прокатки и прессования труб

Расчет технологических параметров производства бесшовных труб на трубных агрегатах начинается с распределения деформа­ции между станами и определения геометрических размеров заго­товки и трубы на всех стадиях передела. Все эти данные заносятся в таблицу прокатки, которая является основой установленного тех­нологического процесса. Расчет таблицы прокатки производят с учетом специфики формоизменения заготовки, ее химического со­става и рекомендуемых практикой определенных закономерностей параметров прокатки заготовки - трубы на том или ином стане, а также технологических возможностей основного оборудования аг­регата.

Алгоритм выбора оптимального варианта распределения дефор­мации между станами и расчета соответствующих ему параметров настройки станов заключается в следующем. Альтернативные ва­рианты прокатки каждого типоразмера труб строятся с учетом всех ограничений. Для каждого возможного варианта (сочетание варьи­руемых параметров) определяют максимально возможную длину заготовки исходя из максимально допускаемых длин гильзы и труб после станов, коэффициентов вытяжки на прошивном и последую­щих станах, а также допускаемой длины заготовки для данного аг­регата. Каждый возможный вариант прокатки оценивают исходя из производительности агрегата по годному либо по минимуму сто­имостных затрат.

В. Я. Остренко, В. М. Фридманом и Ю. М. Мироновым предло­жен метод расчета, при котором оптимальному из всех возможных вариантов распределения суммарной деформации между станами соответствует минимальное значение такта наиболее загруженного агрегата, т. е. оптимизация режимов деформации осуществляется по такту прокатки. При этом определяется наиболее производи­тельный режим прокатки с учетом технологических ограничений и ограничений по механическому и электрическому оборудованию.

Для ТПА с редукционными станами, работающими с натяже­нием, необходимо учитывать массу утолщенных концов, идущих в обрезь.

12.5. Совершенствование процесса и оборудования для производства холоднокатаных труб

Дальнейшее развитие процесса холодной прокатки труб на­правлено на улучшение качества труб, повышение производитель­ности и надежности станов, увеличение величины обжатия за цикл за счет максимального использования ресурса пластичности метал­лов, поскольку станы периодической прокатки обладают низкой производительностью.

Для изготовления холодно- и теплокатаных труб высокой точ­ности диаметром 19 - 4100 мм со стенкой толщиной 0,1 - 28 мм и длиной 30 м и более из сталей и сплавов применяют станы наруж­ной и внутренней поперечной прокатки (ППТ) (рис. 12.18)

На станах наружной поперечной прокатки заготовку, надетую на оправку, обжимают снаружи валками, коническими роликами или шарами. На станах внутренней поперечной прокатки заготов­ку, помещенную в матрицу-обойму, деформируют изнутри ролика­ми или шарами.

Конструктивное использование станов ППТ весьма разнообраз­но. Применяют станы с вертикальным и горизонтальным располо­жением приводных валков, с двумя рабочими и двумя поддержива­ющими цилиндрическими валками, с натяжением заготовки при прокатке на неподвижной оправке, с раздачей на неподвижной коническо-цилиндрической оправке заготовки перед деформацией стенки и др.

Фирмой "Лодж Энд Шипляй" (США) изготовлен горизонталь­ный   трехроликовый   стан   для   прокатки   труб диаметром   76 - 673 мм, со стенками толщиной 0 ,28 - 28 мм и длиной 30,5 м из коррозионностойких сталей, сплавов, алюминия и титана. Рабочие ролики установлены на суппорте вокруг оправки через 120°. Гид­равлическими цилиндрами, развивающими усилие 90 т, они уста­навливаются раздельно в рабочее положение. Кулачковая система управления цилиндрами позволяет прокатывать изделия кониче­ской формы. Суппорт, приводимый от двигателя мощностью 50 кВт, перемещает ролики вдоль оправки. Сплошная оправка длиной 8 м вместе с закрепленной на ней заготовкой приводится во вращение при прокатке от электродвигателя мощностью 149 кВт. Заготовку надевают на оправку   15-тонным портальным краном поддерживают при деформации люнетами.