Производство профильных труб

Данченко В.Н., Сергеев В.В., Никулин Э.В.

Интермет Инжиниринг, 2003 г.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ

Профильные трубы изготовляются в основном на оборудовании, предназначенном для производства труб круглого сечения, используя при этом профильный инструмент, специальные приспособления, роликовые волоки, изменяя при необходимости отдельные узлы действующего оборудования. Для профилирования задействуют все виды обработки металлов давлением, множество способов и конструкций для их осуществления, ряд методик расчета параметров технологического инструмента и технологий изготовления труб разных профилей. Направления развития производства профильных труб связаны с имеющимся оборудованием. Так, например, создание станов холодной прокатки труб роликами (ХПТР) позволило разработать технологию производства тонкостенных с наружными или внутренними ребрами, шестигранных и других труб для атомной энергетики, ранее получаемых волочением. Это дало возможность сократить цикличность при их изготовлении, избежать трудоемкого изготовления дорогостоящего твердосплавного технологического инструмента, разработок новых технологических смазок и др.

Наличие обширного материала по производству профильных труб требует от разработчика выбора или создания рационального способа изготовления конкретного профиля и принципа расчета основных технологических параметров. Ниже приведен обзор известных способов производства профильных труб в зависимости от формы их поперечного сечения.

Прямоугольного, квадратного, овального сечения трубы (рис. 1, 2) разных типоразмеров применяются практически во всех отраслях отечественной промышленности.

Наиболее экономичный способ производства труб из горячекатаной или сварной заготовки — профилирование труб круглого сечения в редукционных и калибровочных станах. Это связано и с тем, что требования стандартов к значительной части производимого сортамента профильных труб по величине периметра и толщине стенки соответствуют предъявляемым к трубам круглого сечения, изготавливаемым на конкретных станах. К этому же виду производства можно отнести и профилирование труб на специализированных отдельно стоящих трубопрофильных станах, имеющих ряд клетей. Технология как горячего, так и холодного профилирования труб широко освещена, например, в [1—6]. При профилировании труб на многоклетевых станах возможно применение оправки [7]. Перспективной технологией является также непосредственное профилирование в линии трубоэлектросварочного стана с использованием для этого групп калибровочных клетей. Для получения труб высокого качества поверхности следует использовать холоднокатаную ленту [9].

Значительную часть сортамента, соответствующего требованиям стандартов, производят волочением на отечественных трубных заводах. Основные принципы калибровки технологического инструмента и технология изготовления труб приведены, например, в [10—12], а результаты определения лучших технологических схем для производства профильных труб - в [13]. По нашему мнению, наибольшая точность достигается при использовании волок, а лучшая чистота поверхности — четырехроликового калибра. Технологии волочения через роликовые волоки тонкостенных профилей из разных сталей и сплавов, методики расчета калибровки роликов широко освещены в отчетах о научно-исследовательских работах, проведенных в Государственном трубном институте (ГТИ), и других источниках, например в [14]. Применение роликовых волок для производства профилей свыше 330x330 мм прямоугольного и квадратного сечений приведено в [15]. При профилировании волочением в кольцах или роликовых обоймах возможно применение оправок

Известны способы профилирования тонкостенных труб с использованием раздающей оправки [18], состоящей из центральной части с клиновыми пазами и профилирующими элементами с клиновыми выступами.

Профилировать тонкостенные, например, овальные трубы можно между двумя матрицами разъемной пресс-формы на оправке [19, 20]. В этом случае длина матрицы должна быть не менее длины трубной заготовки. Для облегчения извлечения оправки ее изготовляют сборной из двух «клиньев», сложенных скосами.

Тонкостенные овальные трубы с винтовой поверхностью изготовляют в кольцах или в роликовых специальных клетях. Изготовление витых тонкостенных труб из круглой заготовки описано в [21, 22]. Процесс заключается в протягивании круглой заготовки, например, через волочильное кольцо, которому придают вращение с заданной угловой скоростью. При этом значительного скручивания поперечного сечения трубы не наблюдается, профилирование трубы происходит по винтовой поверхности. Рабочий канал волочильного кольца может быть выполнен по спирали с шагом, равным шагу винтовой поверхности готовой трубы. При необходимости на поверхность заготовки предварительно может быть нанесена канавка, например кольцевая или спиральная и др.

Для изготовления профильных труб волочением через роликовые клети, обеспечивающие получение труб с поперечным сечением высокой точности, предложено значительное количество их конструкций. В роликовых волоках может быть два и более роликов, которые создают замкнутый калибр. Оптимальное количество роликов в клети два или четыре позволяет рассчитать калибровку технологического инструмента для профилирования фасонных труб практически всех видов. Ролики могут быть приводными. Для профилирования труб прямоугольного, квадратного сечений, к которым не предъявляются высокие требования по качеству поверхности и размерам, можно использовать конструкцию клети, где роль технологического инструмента выполняют не ролики, а два специальных профильных кольца с винтовой торцевой поверхностью и две плоские плашки. Винтовая поверхность колец дает возможность бесступенчатого изменения профиля волочильного отверстия в широких пределах без смены инструмента

Трубы с наружными ребрами. Одним из наиболее эффективных способов изготовления тонкостенных труб с наружным расположением ребер (рис. 3) для атомной энергетики и других отраслей, получивших широкое распространение в отечественной трубной промышленности, является прокатка на станах ХПТР. В [28, 30] описан способ прокатки тонкостенных труб с прямыми продольными наружными ребрами и конструкции специальных клетей для его осуществления. Для прокатки трехреберных труб предусмотрен двухрядный сепаратор (рис. 4), четырехреберных - двухроликовый однорядный.

Прокатку производят из круглой заготовки за один проход с кантовкой заготовки на 60° при получении трех-реберных и на 90° — четырехреберных труб.

Ребра формируют канавками, нарезанными по дну ручья роликов. Обычный трехроликовый сепаратор используют для прокатки шестиреберных труб или для формовки ребер в зазорах между ребордами роликов. Однако при формовке ребер в зазорах значительно увеличивается их разновысотность, так как нет калибровки их по высоте. Возможны получение на тонкостенных трубах ребер высотой < 2,5 мм прокаткой в два прохода или способом, предложенным в [31], заключающимся в прокатке трубы до требуемых толщины стенки и наружного диаметра, но с более высокими ребрами, и последующем волочении на длинной оправке через роликовую фильеру, с обжатием только ребер до заданных размеров.

Холодной прокаткой на станах ХПТР можно получать полностью оребренную наружную поверхность [32, 33]. Количество ребер определяется отношением шага ребер в поперечном сечении трубы к величине ее наружного периметра.

Поскольку в ряде специальных изделий применяют трубы с винтовыми наружными ребрами, был разработан способ изготовления таких труб диаметром > 20 мм и соответствующая конструкция стана [34]. Сепаратор с роликами движется в клети стана по винтовой линии, соответствующей винтовой линии ребер на готовых трубах. Ролики в сепараторе также устанавливают под соответствующим углом. Опорные планки, выполненные по винтовому профилю, обеспечивают постепенное обжатие заготовки и создают непрерывный контакт с роликами в процессе их перемещения вдоль трубы. Однако ввиду сложности конструктивных решений, ограниченного сортамента прокатываемых труб, большого количества сменного технологического инструмента этот способ не нашел широкого применения в трубной промышленности.

Ряд зарубежных фирм производят трубы с наружными ребрами волочением на длинной или на короткой оправке. Например, фирма «Маннесманн» (ФРГ) — трехреберные трубы длиной 1,5 м и диаметром около 7 мм с высотой ребра 0,8 мм из нержавеющей стали [35]. В Японии разработан способ оребрения круглой трубы [36]: трубу протягивают на оправке через группу роликов, в результате чего на поверхности трубы образуются прямолинейные ребра. В качестве заготовки может использоваться профильная заготовка (квадратная, овальная и др.), получаемая волочением на неподвижной профильной оправке. Эта заготовка позволяет, по нашему мнению, избежать образования дефекта на внутренней поверхности готовых труб в виде утяжки под ребром, так как ребра формируются из утолщенных участков стенки трубы — заготовки. Волочение ребристых труб описано также, например, в [37-39].

Один из основных недостатков изготовления труб с наружными ребрами волочением — из-за больших растягивающих напряжений за один проход невозможно значительное приращение высоты ребра, что приводит к многоцикличности при их изготовлении.

Известны зарубежные способы [40] изготовления труб с наружными ребрами ротационной ковкой (рис. 5): ребристая труба 5 профилируется обжатием заготовки на цилиндрической оправке 4 фигурными плашками 3, принудительно перемещаемыми сепаратором 1 и бойками 2. В процессе обжатия заготовка с оправкой имеет осевое перемещение.

Процесс винтовой прокатки на этом стане осуществляется тремя валками, оси которых наклонены к оси прокатки на угол, равный углу подъема винтовой поверхности оребрения по среднему диаметру прокатываемой трубы. Угол наклона валков регулируется в зависимости от характера оребрения. Валки могут быть выполнены с кольцевыми или винтовыми калибрами. Валки с кольцевыми калибрами, набранные из дисков переменного профиля в соответствии с заданным режимом обжатий, применяют для изготовления высокоребристых труб из цветных металлов. В процессе прокатки валки захватывают заготовку, сообщают ей вращение и одновременно осевое перемещение, в процессе которого постепенно накатываются ребра. Прокатку ведут на оправке. Валки с винтовыми калибрами применяют для прокатки труб с винтовыми и кольцевыми ребрами. В винтовых калибрах прокатывают стальные трубы с высокими ребрами и шагом >5 мм. Низкоребристые трубы прокатывают в валках с винтовыми или кольцевыми канавками, профиль которых негативен относительно требуемого оребрения. Прокатку ведут на оправке. Ребра формуются в результате обжатия стенки заготовки витками заборного конуса валков.

Возможно также изготовление труб с гладкими концами. В качестве заготовки при нанесении наружного оребрения винтовой прокаткой как в холодном, так и в горячем состояниях (в зависимости от высоты оребрения и материала труб) служит полая гильза.

На станах также изготовляют трубы значительной длины с прерывистым оребрением из заготовок, смотанных в бухты. В процессе прокатки и готовая труба может сматываться в бухту. На станах предусмотрена возможность работы всех механизмов в автоматическом или ручном режиме.

К ребристым особого вида следует отнести толстостенные трубы из углеродистых сталей, используемые в котлах с мембранными панелями в качестве ограждающих поверхностей нагрева. Минимальный объем сварочных работ при изготовлении таких панелей обеспечивается при использовании так называемых плавниковых труб (рис. 8), например диаметром 32 мм, со стенкой толщиной 6 мм и двумя диаметрально расположенными массивными ребрами высотой по 7 мм. Исходя из условий сборки панелей и дальнейшей их эксплуатации предъявляются высокие требования к качеству поверхностей и допускаемым отклонениям размеров поперечного сечения готовой трубы.