EA031598B1

EA031598B1 - Калибр трехвалкового трубопрокатного стана

Info

Publication number: EA031598B1
Application number: EA201600605A
Authority: EA
Inventors: Евгений Александрович Шкуратов; Александр Владимирович Выдрин; Дмитрий Олегович Струин; Иван Николаевич Черных; Ольга Евгеньевна Сарафанова; Игорь Юрьевич Пышминцев; Александр Анатольевич Клачков; Иван Игоревич Лубе; Владимир Александрович Топоров; Борис Григорьевич Пьянков; Олег Александрович Панасенко; Павел Юрьевич Горожанин; Анна Владимировна Зинченко
Original assignee: Публичное акционерное общество "Трубная металлургическая компания" (ПАО "ТМК")
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2019-01-31
Also published as: EA201600605A1

Abstract

Изобретение относится к трубопрокатному производству, в частности к калибровке валков чистовых клетей непрерывных оправочных станов, и может быть использовано при прокатке труб в трехвалковых калибрах. Калибр трехвалкового трубопрокатного стана образован ручьями валков, профиль поперечного сечения каждого из которых образован расположенными симметрично относительно оси калибра, перпендикулярной оси вращения валка, следующими дугами: центральной дугой, сопряженными с ней радиусными выпусками, образованными сопряженными между собой двумя дугами, а также дугами периферийных участков. Определены диапазоны углов, соответствующие дугам радиусных выпусков, и соотношение ширины и высоты калибра. Использование изобретения обеспечивает равномерную толщину стенки в поперечном сечении раската и уменьшение охвата оправки металлом раската.

Description

031598 В1

Изобретение относится к трубопрокатному производству, в частности к калибровке валков чистовых клетей непрерывных оправочных станов, и может быть использовано при прокатке труб в трехвалковых калибрах.

При прокатке на непрерывном трубопрокатном раскатном стане гильзу раскатывают в черновую трубу в последовательно расположенных обжимных и чистовых калибрах уменьшающегося поперечного сечения, образованных ручьями валков, каждый из которых имеет центральную дугу постоянного радиуса с центром на оси симметрии ручья, либо смещенную на величину эксцентриситета и сопряженные с этой дугой выпуски калибра, выполненные по дуге окружности, либо по касательной (Данилов А.Ф. Горячая прокатка и прессование труб - М.: Металлургия, 3-е изд., 1972. - с. 42-46). Прокатка в таких калибрах сопровождается неравномерностью деформации металла по периметру поперечного сечения в зоне очага деформации.

При деформации металла продольные напряжения по периметру калибра в очаге деформации имеют знакопеременные значения, в вершине калибра - напряжения сжатия, в выпусках калибра - напряжения растяжения. Причем напряжения растяжения влияют на изменение геометрических параметров раската во внеконтактной зоне калибра, и их рост обуславливает риск возникновения дефектов в виде разрывов металла по телу трубы. Рост продольных растягивающих напряжений, действующих в межклетевом промежутке, приводит к большему охвату оправки металлом, что ухудшает условия ее извлечения, поэтому оправочную прокатку, как правило, ведут без натяжения либо при небольших его значениях (Распределение продольных напряжений в межклетевом промежутке при непрерывной прокатке труб на оправке / В.Н. Данченко, А.А. Заяц // Обработка металлов давлением. Сборник научных трудов № 59 М: Металлургия, 1976. - с. 282).

При разработке калибровки валков черновых клетей основными факторами, определяющими параметры калибровки и режимы обжатий по клетям стана, являются максимальная деформация трубы по диаметру и стенке, прочность валков и захват металла валками. Ввиду того, что прокатка в чистовых калибрах сопровождается незначительной степенью деформации, разнотолщинность стенки раската в поперечном сечении в зоне очага деформации определяется формой калибра, в частности величиной овальности калибра (отношением ширины калибра к его высоте). Однако известно, что уменьшение овальности калибра способствует большему охвату оправки, что в дальнейшем затрудняет или делает невозможным извлечение раската с оправки станом-извлекателем (Теоретические и практические проблемы процесса раскатки гильз на современном непрерывном стане / Выдрин А.В., Струин Д.О. и др. // Современные металлические материалы и технологии. Сборник трудов 11 Международной научнотехнической конференции: Изд-во СПбПУ, 2015. - с. 78), а также увеличивает площадь изношенной поверхности прокатного инструмента (валков, оправки).

Известен технологический инструмент для продольной прокатки труб, содержащий калибры уменьшающегося поперечного сечения, образованные ручьями валков. Каждый ручей образован сопряженными между собой центральной дугой и дугами радиусных выпусков калибра, выполненными радиусом, равным радиусу центральной дуги (авт.св. СССР № 973199, В21В 17/02, В21В 27/02, опубл. 15.11.1982). Такая форма ручья валка в чистовых клетях стана не обеспечивает равномерного распределения толщины стенки раската по периметру поперечного сечения в зоне очага деформации, т.к. обжатия толщины стенки, соответствующие обжимной зоне калибра, будут распределены неравномерно, зона интенсивной деформации для трехвалковых калибров будет смещена на угол 30° от вершины калибра, что приведет к дополнительному охвату оправки и повышению разнотолщинности стенки раската.

Известен способ непрерывной продольной прокатки труб, в котором построение калибровки валков определяется соотношением периметра калибра предыдущей клети к длине кривой чистового калибра в последней клети, при этом отношение внешней длины окружности полой заготовки (гильзы) к длине окружности раската (трубной заготовки) на выходе из последней чистовой клети стана составляет по меньшей мере 1,1 либо менее (патент РФ №2357815, В21В 17/04, опубл. 10.06.2009). При таком построении калибра не ограничены диапазоны варьирования углов дуг радиусных выпусков, образующих профиль калибра, что впоследствии может приводить к наведению повышенной разнотолщинности стенки раската, кроме того, уменьшение длины периметра калибра может способствовать увеличению угла охвата оправки металлом раската.

Известен оправочный стан, состоящий из двух или более клетей, калибры которых образованы тремя калиброванным валками (патент JP №2973851, В21В 17/052, В21В 17/04, опубл. 08.11.1999). Профиль ручья валка образован центральной дугой, характеризующейся углом, определяющим обжимную зону, и дугами радиусных выпусков с определенным углом выпуска калибра, которые определяют профиль раската в межвалковом пространстве. Однако при деформации металла в зоне выпусков калибра имеет место утонение и утолщение стенки раската, при этом изменение толщины стенки зависит от ширины калибра, определяющей радиус выпуска и соответствующие ему углы. Таким образом, несоблюдение ограничений по ширине калибра может приводить, с одной стороны, к повышенной разнотолщинности стенки в поперечном сечении раската, с другой - к дополнительному охвату оправки, приводящему к полному окову и риску возникновения аварийных ситуаций.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является калибр валка трубопро

- 1 031598 катного стана преимущественно круглой формы для станов продольной прокатки (патент CN №101468359, В21В 17/00, В21В 17/04, опубл. 01.07.2009). Ручьи валков калибра образованы центральной дугой (R1), которая сопряжена с дугой (R2) радиусного выпуска, образованного двумя дугами (R2 и R4). При использовании таких калибров в чистовых клетях непрерывного трубопрокатного стана с соблюдением выбранного режима обжатий не обеспечивается требуемое соотношение ширины калибра к его высоте, что может приводить к дополнительному охвату оправки при извлечении раската станомизвлекателем либо к ее полному окову, приводящему к возникновению аварийных ситуаций. При этом не обеспечивается равномерное распределение толщины стенки раската в зоне очага деформации и в межклетевых промежутках, что негативно сказывается на качестве готовых труб.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении качества готовых труб за счет обеспечения равномерной толщины стенки в поперечном сечении раската и уменьшении охвата оправки металлом раската.

Поставленная задача решается за счет того, что в калибре трехвалкового трубопрокатного стана, образованном ручьями валков, профиль поперечного сечения каждого валка образован расположенными симметрично относительно оси калибра, перпендикулярной оси вращения валка, центральной дугой, сопряженными с ней радиусными выпусками, каждый из которых образован сопряженными между собой двумя дугами, а также дугами периферийных участков профиля поперечного сечения валка, каждая дуга которых сопряжена с дугой соответствующего радиусного выпуска, согласно изобретению угол, соответствующий дуге радиусного выпуска, сопряженной с центральной дугой, составляет 9-11°, при этом расстояние от центра калибра до точки пересечения продолжения этой дуги с линией разъема калибра составляет 1,08-1,09 от высоты калибра, угол, соответствующий другой дуге радиусного выпуска, сопряженной с предыдущей, составляет 10-11°, при этом ширина калибра составляет 1,04-1,07 от высоты калибра и соответствует расстоянию от центра калибра до точки пересечения продолжения дуги радиусного выпуска, сопряженной с дугой периферийного участка, с линией разъема калибра, а угол между линией разъема калибра и линией от центра калибра до точки сопряжения дуги периферийного участка с дугой радиусного выпуска составляет 7-8°.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематично в разрезе показан профиль для 1/3 части калибра трехвалкового стана. На чертеже изображен один из трех валков 1, образующих калибр, ось валка 2, ось калибра 3, центральная дуга 4, дуги 5 и 6 радиусного выпуска, дуга 7 периферийного участка, сопряженные между собой и образующие контур калибра. Расстояние (В1) от центра калибра до точки пересечения продолжения дуги 5 радиусного выпуска, сопряженной с центральной дугой 4, с линией разъема калибра составляет 1,08-1,09 от высоты калибра. Центральная дуга 4 выполнена радиусом R1, проведенным, например, из центра калибра или из точки, расположенной на оси симметрии калибра и смещенной от центра на расстояние не более 0,3 мм. Ширина калибра (В) составляет 1,04-1,07 от высоты калибра и соответствует расстоянию от центра калибра до точки пересечения продолжения дуги 6 радиусного выпуска, сопряженной с дугой 7 периферийного участка, с линией разъема калибра. Угол α1 соответствует половине центральной дуги 4, угол α2 составляет 9-11° и соответствует дуге 5 радиусного выпуска, сопряженной с центральной дугой 4. Угол α3 составляет 10-11° и соответствует дуге 6 радиусного выпуска, сопряженной с дугой 5. Угол α4 между линией разъема калибра и линией от центра калибра до точки сопряжения дуги 7 периферийного участка с дугой 6 радиусного выпуска составляет 7-8°. Выбранные диапазоны углов, соответствующие дугам 5, 6 и 7, образующим контур калибра, а также диапазоны ширины калибра и расстояния от центра калибра до точки пересечения продолжения дуги 5 с линией разъема калибра обеспечивают равномерную толщину стенки по периметру поперечного сечения раската за счет перераспределения течения металла в зонах выпуска калибра и снижение охвата оправки металлом раската.

Раскат, подвергшийся деформации в клети по дну ручья калибра, попадает в выпуск следующего калибра, выполненного в соответствии с предлагаемым решением, и снова деформируется по дну ручья, при этом значения углов, соответствующих дугам контура этого калибра, выбраны из диапазона заявленных значений таким образом, чтобы обеспечить уменьшение разнотолщинности в поперечном сечении раската, беспрепятственное извлечение раската станом-извлекателем, а также для исключения случаев, когда не происходит обжатия стенки вследствие проворота трубы при прокатке в предыдущих клетях.

Экспериментальные исследования показали, что при значениях углов, соответствующих дугам 5, 6 и 7, больших, чем заявленные, наблюдалась неравномерная толщина стенки по периметру поперечного сечения раската, а при значениях углов этих же дуг меньших, чем заявленные, увеличивался охват оправки раскатом, что приводило к снижению качества труб и повышенному износу прокатного инструмента. При увеличении верхних значений диапазонов ширины калибра (В) и расстояния (В1) от центра калибра до точки пересечения продолжения дуги 5 с линией разъема калибра по сравнению с заявленными значениями наблюдалась неравномерная толщина стенки по выпуску калибра, в частности толщина стенки по линии разъема калибра была меньше, чем в вершине этого калибра, что приводило к повышенной разнотолщинности раската. А при значениях этих величин (В1 и В) меньших, чем нижние заяв

- 2 031598 ленные пределы, происходил полный оков оправки, что приводило к возникновению аварийных ситуаций на стане и повышенному износу валков и оправок.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. На экспериментальной установке для осуществления процесса продольной прокатки труб, а также с использованием средств компьютерного моделирования было проведено исследование формоизменения и анализ напряженно-деформированного состояния при прокатке труб в круглых калибрах и с использованием предлагаемого калибра трубопрокатного стана. При прокатке использовали, в частности, универсальные трехвалковые клети 170 с расположением валков относительно друг друга под углом 120°. Исследование предлагаемого калибра проводили, в частности, на позиции четвертой клети пятиклетевого стана. Для первого, второго и третьего проходов использовали классическую калибровку валков, выполненную с овальной обжимной зоной и выпуском по радиусу. Для пятого прохода использовали калибровку валков с круглой обжимной зоной и выпуском по радиусу и для четвертого прохода - в соответствии с прототипом, пересчитанную с учетом трехвалковой схемы. Прокатку осуществляли в двух системах калибров, коэффициент вытяжки для каждого прохода составил соответственно 1,6, 1,4, 1,3, 1,2 и 1,04.

Для предлагаемой калибровки валков угол α4 между линией разъема калибра и линией от центра калибра до точки сопряжения дуги 7 периферийного участка с дугой 6 радиусного выпуска выбран равным 7°, угол α2, соответствующий дуге 5 радиусного выпуска, сопряженной с центральной дугой 4, выбран равным 11°, угол α3, соответствующий дуге 6 радиусного выпуска, сопряженной с предыдущей дугой 5 радиусного выпуска, выбран равным 10°. При этом угол α1, соответствующий половине центральной дуги 4, выполненной радиусом R1, проведенным, в частности, из центра калибра, составил 32°. Расстояние В1 от центра калибра до точки пересечения продолжения дуги 5 радиусного выпуска, сопряженной с центральной дугой 4, с линией разъема калибра составило 19,7 мм, что соответствует 1,08 от высоты калибра. Расстояние В от центра калибра до точки пересечения продолжения дуги 6 радиусного выпуска, сопряженной с дугой 7 периферийного участка, с линией разъема калибра составило 19,1 мм, что соответствует 1,05 от высоты калибра.

В ходе эксперимента определяли характер распределения толщины стенки раската в очаге деформации при использовании двух систем калибров и охват оправки металлом после последнего прохода. Также с использованием средств моделирования определяли величину продольных напряжений в вершине и выпуске калибра четвертой клети и вероятность разрушения материала раската.

Для прокатки использовали свинцовые патрубки из литой заготовки диаметром 41 мм с толщиной стенки 2,5 мм, которые механически обрабатывали под необходимый размер. В прокат было задано 28 патрубков, прокатку которых осуществляли на оправке диаметром 35 мм. Исследовали процесс прокатки с последовательной деформацией металла по клетям стана с использованием средств компьютерного моделирования. Поперечное сечение раската в очаге деформации после последнего прохода рассчитывали по методу получения растрового изображения высокой четкости с последующей обработкой на компьютере.

Анализ результатов показал, что при проведении прокатки в системе калибров с предлагаемым калибром в четвертой клети величина поперечной разнотолщинности раската после последнего чистового прохода меньше примерно в 1,71 раза, чем при прокатке в системе калибров по прототипу. При этом охват оправки металлом раската для четвертого и пятого проходов уменьшился в 1,2 и 1,06 раза соответственно.

При прокатке в калибре, образованном дугами с углами α4, α3 и α2, равными 5°, 7° и 8° соответственно, с шириной калибра В, равной 18,6 мм, составляющей 1,02 от высоты калибра, и расстоянием В1, равным 19,0 мм, составляющим 1,04 от высоты калибра, наблюдался повышенный оков оправки, дефекты в виде рисок или подрезов на наружной поверхности раската, а также выраженная разнотолщинность раската. При прокатке в калибре, образованном дугами с углами α4, α3 и α2, равными 10°, 13° и 14° соответственно, с шириной калибра В, равной 19,9 мм, и расстоянием В1, равным 20,1 мм, что соответственно составляет 1,1 и 1,09 от высоты калибра, также наблюдались повышенная разнотолщинность раската, обусловленная разной толщиной стенки в местах отрыва раската от оправки, и повышенный оков оправки.

Таким образом, применение предлагаемого калибра трубопрокатного стана позволит уменьшить разнотолщинность стенки на готовых трубах и снизить риски возникновения аварийных ситуаций при извлечении раската станом-извлекателем.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Калибр трехвалкового трубопрокатного стана, образованный ручьями валков, профиль поперечного сечения каждого валка образован расположенными симметрично относительно оси калибра, перпендикулярной оси вращения валка, центральной дугой, сопряженными с ней радиусными выпусками, каждый из которых образован сопряженными между собой двумя дугами, а также дугами периферийных участков профиля поперечного сечения валка, каждая дуга которых сопряжена с дугой соответствующего радиусного выпуска, отличающийся тем, что угол, соответствующий дуге радиусного выпуска, сопряжен

- 3 031598 ной с центральной дугой, составляет 9-11°, при этом расстояние от центра калибра до точки пересечения продолжения этой дуги с линией разъема калибра составляет 1,08-1,09 от высоты калибра, угол, соответствующий другой дуге радиусного выпуска, сопряженной с предыдущей, составляет 10-11°, при этом ширина калибра составляет 1,04-1,07 от высоты калибра и соответствует расстоянию от центра калибра до точки пересечения продолжения дуги радиусного выпуска, сопряженной с дугой периферийного участка, с линией разъема калибра, а угол между линией разъема калибра и линией от центра калибра до точки сопряжения дуги периферийного участка с дугой радиусного выпуска составляет 7-8°.