Прошивной стан ЭЗТМ предназначен для прокатки заготовок, прошедших нагрев в кольцевых печах №1 и №2, в гильзы-заготовки для прокатки труб в пилигримовом стане. Деформация металла на прошивном стане осуществляется в очаге деформации, образованном косорасположенными грибовидными валками, направляющими линейками и оправкой. Прокатка гильз-заготовок осуществляется на соответствующем и надлежащего качества инструменте (валки, направляющие линейки, оправки, входная выводная проводки): рабочая поверхность инструмента прошивного стана не должна иметь трещин, раковин и выбоин. Замена линеек, барабанов с валками производится каждые 2 недели. Замена оправки производится раз в сутки или через каждую 1000 тонну прошиваемого металла.
Настройка стана для прокатки требуемого размера гильз производится по окончании ППР или ППВ, замены изношенного инструмента, а также при переходе на прокатку другого типоразмера гильз в соответствии с требованиями рабочей инструкции. При настройке стана вальцовщик устанавливает угол подачи в зависимости от размеров прокатываемых труб и марки стали:
§ для труб диаметром 219?245 мм - угол подачи 9?10 о;
§ для труб диаметром 273 мм - угол подачи 8?9 о;
§ для труб диаметром 325 мм - угол подачи 6?7,5 о.
Допускается отклонение расстояния между валками в их пережиме от указанных в РИ значений в диапазоне 1%. Величина выдвижения оправки относительно пережима (L) валков стана определяется с помощью специальной штанги, рассчитывается по формуле:
L= L в конуса L замер,
где L в конуса длина горизонтальной проекции входного конуса валка, мм;
L замер расстояние от переднего торца валка до носика оправки, определяемое с помощью специальной штанги, мм. Величина L в конуса зависит от установленного угла подачи и составляет:
§ для угла подачи 5 0 - 568 мм;
§ для угла подачи 6 0 - 567 мм;
§ для угла подачи 7 0 - 566 мм;
§ для угла подачи 8 0 - 564 мм;
§ для угла подачи 9 0 - 563 мм;
§ для угла подачи 10 0 - 561 мм.
Допускается уменьшение выдвижения оправки за пережим валков до 20 мм против указанного значения в РИ и увеличение её выдвижения до положения, не приводящего к потере устойчивых первичного и вторичного захватов НЛЗ валками. Для улучшения захвата заготовки прошивным станом допускается увеличение или уменьшение угла раскатки на 1 о (до 13 о или 11 о). Настройка прошивного стана должна обеспечивать прошивку гильз без превышения максимально допустимой токовой нагрузки на главные приводы прошивного стана (6,5 КА). Для проверки правильности настройки стана вальцовщик производит замер диаметра первой гильзы при переходе на другой её типоразмер.
Заготовки после нагрева в кольцевых печах №1 и №2 и гидросбива с них окалины поступают в прошивной стан. Периодичность выдачи заготовки на прошивной стан должна быть не чаще чем через 90 секунд. Нагретые заготовки с видимыми поперечными трещинами и поясами к прокатке не допускаются во избежание аварии. Прокатка гильз проводится при непрерывном наружном охлаждении валков и внутреннем охлаждении оправки водой. Температура наружной поверхности гильзы на выходной стороне стана должна быть в диапазоне 1150?1270 о С, внутренней не более 1300 о С (являются факультативными). Основные виды несоответствий технологического процесса прошивки НЛЗ и возможные меры по их устранению приведены в таблице 6.
Таблица 6. Виды брака при производстве гильзы
|
Наименование несоответствия |
Причина несоответствий |
Способ устранения несоответствий |
|
Разностенность и кривизна гильз |
Установка инструмента и оснастки (центрователи, валки, линейки, проводки) не по оси прокатки. |
Настройка инструмента и оснастки прошивного стана по оси прокатки. |
|
Неравномерный нагрев заготовок. |
Настройка температурного режима нагревательных печей. |
|
|
Ремонт (выравнивание) подины во время ППР. |
||
|
Отсутствие или затрудненный первичный захват заготовки валками. |
Большой износ входного конуса валка. |
Замена валков во время ППР (ППВ) . |
|
Изменить угол раскатки. |
||
|
Отсутствие или затрудненный вторичный захват заготовки (внутренняя плена на переднем конце гильзы) |
Недостаточная тянущая способность валков из-за большого износа входного конуса валков или неправильной их установки. |
Замена валков во время ППР (ППВ). |
|
Восстановить «шипы» на входном конусе валка. |
||
|
Изменить расстояние между валками. |
||
|
Изменить угол подачи. |
||
|
Уменьшить выдвижение оправки за пережим валков. |
||
|
Закат оправки в гильзе |
Недостаточный коэффициент овализации гильзы валками |
Увеличить расстояние между линейками. |
|
Разрушение оправки |
Замена оправки |
|
|
Отключение главного привода прошивного стана |
Извлечение недоката |
Настройка стана считается правильной, если первичный и вторичный захваты заготовки валками происходят плавно (без пробуксовки), размеры гильз соответствуют таблице прокатки, нагрузка на двигатели стана не превышает предельно-допустимую (6,5 КА). После прокатки 1-2 гильз вальцовщик при необходимости производит корректировку настройки стана:
§ в случае превышения нагрузки на главный привод стана производится постепенное (через 0,5 о) уменьшение угла подачи или увеличение расстояния между валками (через 2?5 мм) до получения допустимых значений нагрузки стана;
§ в случае нагрузки на главный привод стана менее 5,5 кА производится постепенное (через 0,5 о) увеличение угла подачи до получения допустимых значений нагрузки стана.
По мере износа валков прошивного стана допускается:
§ изменение расстояния между валками и линейками на 10 мм;
§ изменение положения оправки.
Оправка прошивного стана считается пригодной к работе, если её поверхность не имеет впадин, наростов и на ней отсутствует грубая сетка разгара. Величина впадин, наростов и трещин не должна превышать 3 мм. Валки, верхняя и нижняя линейки не должны иметь трещин и грубой сетки разгара.
Г ГГТТгГг гт ИХШТГГГГ /ЦК
3 (62), 2011 I IIU
In given article are described various types of sewing\ rollers, their advantages and defects, the characteristic of the is intense-deformed condition in the deformation center is resulted at an insertion on rollers various types are resulted. Besides, in article the directing tool sewing camps is described. The comparative characteristic of Disher"s disks and directing rulers is resulted.
В. В. КЛУБОВИЧ, В. А. ТОМИЛО, БНТУ, В. Э. ИБРАГИМОВ, О. Н. МАСЮТИНА, РУП «БМЗ»
УДК 621.774.35
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСШОВНЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК
Широкий сортамент труб предопределил множество способов, агрегатов и станов, на которых он реализуется. Причем каждый из способов характеризуется наиболее эффективным диапазоном получаемых труб. Кроме того, специфические требования, предъявляемые к трубам, определяют выбор способа их производства.
Трубное производство непрерывно совершенствуется и развивается, для него характерны не только качественный рост, но и существенные качественные изменения в соответствии с потребностями заказчиков. Расширяется сортамент труб по размерам и материалам, возрастает выпуск труб со специально обработанными наружной и внутренней поверхностями (трубы для атомной энергетики, приборостроения), с защитными и гладкостны-ми покрытиями для магистральных газо- и нефтепроводов и т. д. Для того чтобы получить готовую трубу с надлежащими свойствами и качеством, необходимо, чтобы была правильно подобрана и рассчитана система калибров, обеспечивающих получение трубы заданного размера. В свою очередь калибровка инструмента прошивных станов заключается в правильном построении профиля валков, оправок и направляющего инструмента и определении их размеров .
В данной статье предоставлены различные виды валков прошивных станов и направляющего
инструмента, а также приведена их сравнительная характеристика.
В прошивных станах используются валки следующих типов: бочковидные; дисковые; грибовидные и валки с двойным пережимом.
I. Бочковидные валки прошивных станов представляют собой два усеченных конуса, сложенных вместе большими основаниями (рис. 1). На таких валках различают три участка: входной конус I; пережим т; выходной конус р.
На входном участке происходит подготовка металла к прошивке. Пережим предназначен для сглаживания перехода от входного конуса к выходному. Выходной конус выполняет поперечную раскатку уже прошитой трубы.
Бочковидные валки классифицируются в зависимости от длины входного и выходного конусов.
1. Валки первого типа имеют одинаковую длину входного и выходного конуса (рис. 2). Если длина входного конуса не обеспечивает необходимое качество и размеры гильз, то применяют валки второго типа.
2. В валках второго типа входной конус короче выходного (рис. 3).
3. В валках третьего типа имеются два входных конуса, первый отвечает за улучшение условий захвата, второй сокращает длину очага деформации, что приводит к снижению дефектов на наружной
Рис. 1. Бочковидный валок прошивного стана
Рис. 2. Бочковидный валок прошивного стана первого типа
юти г м€имиигггг:гт
Рис. 3. Бочковидный валок прошивного стана второго типа
Рис. 4. Бочковидный валок прошивного стана третьего типа
и внутренней поверхностях гильзы, поэтому такие валки применяют при прокатке заготовок, которые отличаются по диаметру незначительно (рис. 4).
Рассматривая осевую зону металла в очаге деформации при прошивке, следует отметить, что схема напряженно-деформированного состояния здесь разноименная, так как со стороны валков действуют силы сжатия, а со стороны дисков Ди-шера или направляющих линеек, а также со стороны прошивки - силы растяжения. Такая схема не является желаемой, так как может вызвать разрушение металла, если будет достигнуто критическое обжатие. В конечном итоге, произойдет полное использование запаса пластичности, и образуются макроразрушения, а это приводит к образованию дефектов на внутренней стороне трубы. Поэтому важное условие прошивки не только создание благоприятной схемы напряженно-деформированного состояния при деформации металла и оптимальное соотношение поперечной и продольной деформации, которое значительно влияет на возможность разрушения в центральной зоне заготовки, а также повышение значения критического обжатия.
Повысить критическое обжатие можно за счет изменения обычной схемы напряженно-деформированного состояния (по двум осям - растяжение и по одной оси - сжатие) на новую (по двум осям - сжатие и по одной оси - растяжение). Такое изменение схемы напряженного состояния может быть получено, если изменить скольжение и создать дополнительные подпирающие силы. Это можно воплотить, если на пути течения металла в очаге деформации на валках выполнить гребни, кото-
Рис. 5. Пазовая калибровка валков
рые будут создавать дополнительное сопротивление течению металла, а это в свою очередь приведет к смене схемы напряженного состояния металла в очаге деформации.
Сделанные заключения легли в основу новых типов калибровок валков прошивных станов.
1. Пазовая калибровка (рис. 5) характеризуется тем, что на валках создают гребни переменной высоты и пазы переменной ширины. Угол наклона гребня к оси валка равен 0°. Гребни расположены по всей образующей валка, что приводит к уменьшению растягивающего напряжения и в результате схема становится близкой к схеме с двумя сжимающими и одним растягивающим напряжением, а это в свою очередь приводит к повышению величины критического обжатия. У пазовой калибровки есть один существенный недостаток, который заключается в трудном ее изготовлении.
2. Кольцевая калибровка (рис. 6). Угол наклона гребня к оси валка равен 900. Здесь гребни оказывают аналогичное действие, как и в пазовой калибровке, улучшая, тем самым, напряженно-деформированное состояние.
3. Винтовая калибровка (рис. 7). Угол наклона гребней к оси валка находится в пределах 0-90°. Этот вид калибровки позволяет улучшить схему напряженно-деформированного состояния как в осевом, так и в тангенциальном направлении.
Если при прошивке используются заготовки диаметром до 140 мм, применяют прошивные станы с дисковыми и грибовидными валками. На прокатных станах с грибовидными и дисковыми валками получают более длинные гильзы.
Рис. 6. Кольцевая калибровка валков
/¡гтге Г КтПГЛРГУЯ /117
Несмотря на технологические преимущества прошивных станов с грибовидными валками, они не получали в последнее время развития из-за ряда конструктивных недостатков:
1) нерегулируемые углы раскатки и подачи, что уменьшает производительность и снижает гибкость в работе стана;
2) громоздкая, неудобная в эксплуатации клеть, объединяющая в себе шестеренную и рабочую клети в одной станине;
3) консольное крепление рабочих валков, в сильной степени снижающее жесткость клети.
В современном производстве бесшовных горя-чедеформированных труб применяют такой тип валка, как валок с двойным пережимом. Профиль этого валка показан на рис. 10. В основу калибровки такого валка положен принцип дробления деформации. В этом случае валок разбивается на участки, в которых осуществляются обжатия, значительно меньшие критических, с последующим прохождением участков, где обжатие не производится. В результате применение валков такого типа позволяет улучшить устойчивость заготовки в валках, а также уменьшить разностенность.
Рис. 8. Профиль дискового валка прошивного стана
Рис. 7. Винтовая калибровка валков
II. Профиль дисковых валков прошивных станов показан на рис. 8.
Дисковые валки позволяют получать профили с резкими переходами, кроме того, применение двух-опорных валков дает возможность существенно упростить конструкцию рабочей клети, что обусловливает применение конических валков в станах малых типоразмеров, а дисковых валков - в более тяже-лонагруженных станах больших типоразмеров.
III. Профиль грибовидных валков прошивных станов показан на рис. 9.
На таких валках различают два участка: входной 1п и выходной (/р) конусы.
Рис. 9. Профиль грибовидного валка прошивного стана
Рис. 10. Профиль валка прошивного стана с двойным пере -жимом
При расчете системы калибров, обеспечивающих получение трубы заданного размера, особое внимание необходимо уделить направляющему инструменту, который образует в очаге деформации вместе с валками закрытый калибр, что позволяет вести процесс прошивки с повышенными коэффициентами вытяжки и получать более тонкостенные гильзы. В прошивных станах в качестве направляющего инструмента могут использоваться направляющие линейки и диски Дишера.
Линейки прошивного стана имеют достаточно сложную форму, которая обусловлена видом деформации, величиной обжатий и подъемом диаметра гильзы по сравнению с диаметром заготовки. Линейки в прошивных станах участвуют в процессе деформации заготовок, поэтому их форма должна соответствовать профилю валка таким образом, чтобы между боковыми поверхностями валков и линеек не было зазоров. Также линейки влияют на поперечную деформацию металла, способствуя овализации гильзы.
На рис. 11 приведен профиль линейки прошивного стана.
Плюсы направляющих линеек в том, что они перекрывают весь очаг деформации, однако есть и минусы:
1) они нагреваются и быстро портятся из-за высокого трения с заготовкой;
2) замену линеек производят в ручную, что повышает травмоопасность и физическую нагрузку рабочего персонала;
3) затраты на изготовление линеек больше, чем на изготовление дисков.
Для устранения всех перечисленных недостатков на современном производстве все чаще используют в качестве направляющего инструмента диски Дишера. Профиль дисков Дишера показан на рис. 12.
Преимущество направляющих дисков над направляющими линейками в следующем:
1) сокращается время на производство продукции, так как не надо затрачивать столько времени на замену линеек;
2) диски делают обороты, благодаря чему успевают охлаждаться;
3) трение значительно меньше, чем у линеек, что повышает их износостойкость;
4) заготовка легче извлекается после прокатки благодаря тому, что диски отводятся в разные стороны.
Рис. 11. Линейка прошивного стана
Рис. 12. Диск Дишера
Минус дисков состоит в том, что они захватывают не весь очаг деформации в отличие от линеек.
Замена направляющих линеек направляющими дисками необходима заводам, так как благодаря направляющим дискам издержки производства сократятся и увеличится выпуск продукции. В результате применения направляющих дисков вырастет объем производства, уменьшатся травмо-опасность и физическая нагрузка персонала. Ремонт и замена направляющих дисков обходятся дешевле, чем замена направляющих линеек. Их ресурс также заметно выше.
Необходимо отметить, что для правильного подбора и расчета системы калибров, обеспечивающих получение трубы заданного размера, следует исходить из конкретных условий производства, учитывать специфичность производства, механизацию и автоматизацию производства, размеры и форму деформирующего инструмента, физические и механические свойства стали.
При этом калибровка должна отвечать специальным требованиям, обеспечивая:
1) получение гильз с необходимыми геометрическими размерами и высокое качество наружной и особенно внутренней поверхностей;
2) нормальное и стабильное течение процесса прошивки, не нарушая условий первичного и вторичного захвата;
3) высокую производительность стана при минимальном расходе энергии на прошивку;
4) высокую стойкость инструмента, которая сокращает число перевалок и удлиняет срок его службы;
5) возможность осуществления процесса прошивки для гильз широкого сортамента без дополнительных перевалок.
Литература
1. М а т в е е в Ю. М., В а т к и н Я. Л. Калибровка инструмента прокатных станов. М.: Металлургия, 1970.
2. Технология прокатного производства / А. П. Грудев, Л. Ф. Машкин, М. И. Ханин М.: Металлургия, 1994.
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 (диам. до 140 мм), для прокатки которых используют также станы с дисковыми и грибовидными валками, но и для гильз более крупных профилей с максимальным диам. 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 тонкостённых 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 рабочи^ 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.
Современные рабочие клети прошивных станов (24) 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. При- вод 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 которой^асаживается непосредственно на барабан. Барабаны в заданномНоложении фиксируются пружинами, а отторма- живаются 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 вал- ков 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 крышйу, 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 траверсег 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 (25).
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 двухразъемиую коробку. В нижнем разъеме на подшипйиках 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.
При прошивке заготовок диам. 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 подачи, что уменьшает производительность и снижает гибкость в работе стана; громоздкая, неудобная в эксплуатации клеть, объединяющая в себе шестеренную и рабочую клети в одной станине; консольное крепление рабочих валков, в сильной степени снижающее жесткость клети.
Разработанная Электростальским заводом тяжелого машиностроения новая конструкция стана с грибовидными валками лишена этих недостатков. Основным отличием этого стана является двухопорное крепление валков и индивидуальный привод валков (26), осуществляемый от двигателей постоянного тока мощностью 1750 кет каждый. Рабочая клеть (27) имеет два поворотных барабана, в которые закладываются кассеты с валками. Применение сменных кассет позволяет использовать различный угол раскатки в пределах 4-17°.
Механизм разворота барабана состоит из двигателя и червячного редуктора, установленных вне клети, которые приводят вал-шестерню, находящуюся в зацеплении с зубчатым венцом, закрепленным на барабане. Поворот барабанов обеспечивает регулирование угла подачи в п]ределах от 4 до 15°. Смена валков осуществляется путем извлечения кассет через окна в крышке станины. Положение валков относительно оси прокатки регулируется нажимными винтами, а их уравновешивание производится тарельчатыми пружинами.
Конструкция рабочей клети, таким образом, весьма сходна с современными конструкциями клетей с бочкообразными валками, однако она может обеспечивать более высокую выходную скорость гильзы как благодаря меньшему осевому скольжению, так и благодаря применению более высоких окружных скоростей валков. |
Рабочие валки прошивных станов приводятся во вращение от электродвигателей постоянного или переменного тока.
В последнее время все чаще применяют двигатели постоянного тока, позволяющие регулировать скорость прокатки в широких пределах. Возможность изменения скорости прошивки целесообразно иметь при большом разнообразии сортамента прокатываемых труб, особенно по маркам сталей, значительно отличающихся пластическими свойствами и сопротивлением деформации.
Мощность двигателей рабочих клетей прошивных станов в большой мере зависит от сортамента стана и скорости прокатки- При прокатке заготовок диам. до 150 мм мощность двигателей составляет 1000-1500 кет. Для станов последних конструкцийу рассчитанных на большую скорость валков (до 8 м/сек), мощность двигателя увеличена почти вдвое. Для станов, прокатывающих заготовку более крупных размеров, мощность двигателей достигает 3500-4000 кет.
Прошивка круглой заготовки или слитка производится при. помощи оправки, которую надевают на конец длинного стержня. Стержень укрепляют на выходной стороне стана в головке упорного подшипника, воспринимающего все осевые усилия. Для прошивки применяют оправки двух типов. Литые или кованые сплошные оправки надевают на конец стержня-оправкодержателя и после каждой прошивки снимают для охлаждения их в ванне с проточной водой. Такие оправки называют сменяемыми
и лишь для оправок больших размеров применяют приспособления, частично облегчающие эту тяжелую работу.
Оправки другой конструкции (28, б) выполнены в виде полого тела и охлаждаются изнутри водой, которая подается через стержень-оправкодержатель под давлением 98-118 я/ж2 (10-12 am). В паузах между прошивками оправка дополнительно охлаждается снаружи водой специальным душирующим устройством. Снимают такую оправку только после полного ее износа (после 500-600, а иногда и значительно большего числа проходов). Оправки этого типа, которые называют несменяемыми или водоохлаждаемыми, повышают производительность стана, а глав-
пое - позволяют полностью автоматизировать весь процесс, освободиться от тяжелых ручных операций.
Выходная сторона стана (29) оборудована механизмом 1 для центрирования стержня 2 оправкодержателя, извлечения этого стержня из гильзы и выдачи гильзы из прошивного стана для последующей обработки. Выдача гильз может быть боковой (а) или осевой (б).
При боковой выдаче гильза после прошивки, находясь на стержне, несколько отводится вперед до упора. Затем из гильзы извлекается стержень с несменяемой оправкой. Для этого головка упорного подшипника 5, в которой закреплен задний конец
стержня, перемещается по направляющим 4, увлекая за собой стержень. После выведения стержня из гильзы последняя круговыми сбрасывателями 5 убирается с оси прокатки на наклонную решетку б, а головка упорного подшипника вместе со стержнем возвращается в переднее рабочее положение.
При работе на сменяемой оправке последнюю надевают на стержень в момент подхода его переднего торца к рабочей клети стана, а оправку убирают после отвода гильзы из прошивных валков.
При осевой выдаче гильз стержень с несменяемой оправкой все время находится в рабочем положении. Гильза получает осевое перемещение от фрикционных роликов 7, а головка упорного подшипника откидывается, пропуская гильзу на приемный роль-
ганг 8, ось которого совпадает с осью прошивного стана. После возвращения головки упорного подшипника в исходное положение и заклинивания ее может начинаться прошивка следующей заготовки. ^
При осевой выдаче гильз прошивка может осуществляться и на сменяемой оправке. Для этого специальным механизмом стержень при откинутой головке упорного подшипника подают назад на 1,5-2,0 м для замены оправки, а затем вновь возвращают В: рабочее положение.
Головка может перемещаться с помощью зубчатых реек, канатной передачи или пневматического длинноходового цилиндра. На больших установках перемещение осуществляется специальным тягачом (31), который представляет собой платформу, передвигающуюся по направляющим. Привод тягача осуществляется от двух вертикальных двигателей.
В рабочем положении головка упорного подшипника удерживается клиновым механизмом, смонтированным на кулисе. Открывание и закрывание клинового запора удерживающего устройства осуществляется пневматическим цилиндром. Кулиса в нижней части шарнирно крепится к станине, а в верхней удерживается винтом, регулируя который можно изменять положение кулисы вместе с запирающим клином. При этом изменяется рабочее положение головки упорного подшипника" и, следовательно, положение стержня с оправкой относительно рабочих валков. Подвод воды для охлаждения, стержня поправки осуществляется через / клапанный механизм и корпус головки.
При осевой выдаче гильз упорно-регулирующий механизм (32) состоит из упорной головки с вращающимся шпинделем, пневматического цилиндра для подъема и опускания головки при пропуске гильзы, устройства для осевого перемещения каретки, необходимого для регулирования положения оправки в очаге деформации, и, наконец, запора, фиксирующего головку в заданном положении. Через специальный клапан и упорную головку подается вода для охлаждения стержня и оправки во время прошивки.
Центрирование стержня производят роликовыми центровате- лями (33). В зависимости от длины гильз, получаемых на стане, число центрователей колеблется в пределах от 3 до 6. Каждый цептрователь имеет три или четыре холостых ролика (четырех- роликовые центрователи применяют при прошивке гильз большого диаметра). С помощью рычажной системы и пневматического привода ролики плотно прижимаются к стержню. К моменту подхода к цептрователю переднего торца гильзы ролики разводятся на величину, необходимую для пропуска гильзы. Рычажную систему настраивают так, чтобы при разведении роликов зазор между ними и гильзой был незначителен (5-10 мм), что и обеспечивает хорошее центрирование гильзы.
При осевой выдаче перемещение гильз осуществляется фрикционными выдающими роликами, получающими вращение через карданные валы и редуктор от электродвигателя. Сближение и разведение роликов производится пневмоприводом. Фрикционные ролики устанавливают за каждым центрователем.
При боковой выдаче гильзы оттаскиваются приводным подъемным роликом, устанавливаемым между рабочей клетью и первым центрователем.
Технологический процесс прошивки происходит в следующей последовательности. Нагретая заготовка по наклонной решетке скатывается в приемный желоб прошивного стана и пневматическим толкателем подается до упора, установленного перед валками. Затем после отвода упора заготовка задается в рабочие валки стана. Упор отводится только после того, как выходная сторона стана полностью подготовлена к приему очередной гильзы, что определяется заклиниванием головки упорного подшипника.
Заготовка, захваченная валками, получает вращательно-по- ступательное движение и прошивается на оправке в гильзу нужного размера. Когда передний торец гильзы подходит к первому цептрователю, последний раскрывается для пропуска и центрирования гильзы; затем последовательно по мере подхода гильзы раскрываются другие центрователи. По окончании прошивки в стане с осевой выдачей гильзы автоматически сближаются выдающие ролики, и гильза подается по направлению к упорной головке. Как только задний конец гильзы пройдет первый центрова- тель, его ролики сближаются и удерживают стержень до осевого перемещения, так как одновременно открывается замок головки упорного подшипника и включается механизм для ее подъема. Гильза выдающими роликами транспортируется на приемный рольганг. В некоторых станах удержание от осевого перемещения совершается специальным рычажным механизмом, установленным между первым центрователем и рабочими валками. Это сокращает время извлечения гильзы из стана. После выдачи гильзы на рольганг выдающие ролики разводятся, ролики центрова- телей зажимают стержень, а головка упорного подшипника занимает рабочее положение. Как только произойдет ее заклинивание, дается импульс на уборку упора па входной стороне стана и происходит прокатка следующей заготовки.
Осевая выдача гильз, принятая на отечественных станах новых конструкций, позволяет сократить время вспомогательных операций и тем самым обеспечить наиболее высокий темп работы прошивного стана. Производительность прошивного стана при прокатке заготовки диам. 140 мм в гильзу.сечением 136x16 мм и длиной 5,4 м достигает 340 шт/ч. При прокатке гильз меньшей длины темп может быть выше.
В 2015 году исполнилось 130 лет с момента изобретения и получения патента на использование прошивного стана при получении бесшовных труб.
Это революционное открытие в технике послужило мощным импульсом в развитии передовых технологий. Авторами открытия являются выдающиеся инженеры, учёные-изобретатели братья Маннесман.
прошивной стан — двух или трехвалковый стан поперечно винтовой прокатки для горячей прошивки деформированной заготовки или слитка на короткой, удерживаемой оправке и получении толстостенной гильзы; устанавливается перед раскатными станами в линии трубопрокатного агрегата.
стан-элонгатор — стан поперечно винтовой прокатки с двухконусными валками для прошивки дна стакана, выравнивания стенки по поперечному сечению, уменьшения толщены стенки и удлинения толстостенной гильзы на короткой удерживаемой оправке.
(нем. Reinhard Mannesmann , 13 мая 1856, Ремшейд — 20 февраля 1922, там же) — немецкий инженер, изобретатель и предприниматель, более всего известный изобретением совместно с братом Максом способа производства бесшовных труб.
Родился в семье Рейнхарда Маннесмана-старшего, владельца фабрики по производству напильников и прочего инструмента, существовавшей с 1776 года, и, как и его младший брат Макс, начал работать в семейном бизнесе. В 1884 году он изобрёл совместно с братом валковый прошивной стан, на который ими был получен патент в 1885 году. В 1891 году братья создали пилигримовый стан, с помощью которого можно было изготавливать бесшовные трубы, что стало настоящей революцией в трубной промышленности, поскольку сварные стальные трубы производились при высоком давлении, что было причиной многочисленных аварий с человеческими жертвами. К 1899 году технология бесшовных стальных труб уже была широко распространена в Германской империи, Австро-Венгрии и Великобритании.
В 1890 году Маннесманы создали очередное новшество — поперечный способ прокатки, на который получили патент 16 июля 1890 года и который стал очередным важным этапом в развитии трубной промышленности и нашёл применение не только в производстве труб, но и в архитектуре. Полученные за оба патента деньги в том же 1890 году позволили братьям основать собственный металлургический концерн «Маннесманрёрен верке», который стал крупнейшим предприятием трубопрокатного производства в мире на тот момент и, имея три производственных площадки в Германии и Австрии и уставный капитал в 35000000 марок, являлся одним из десяти крупнейших немецких концернов.
Существующие способы прокатки металла могут быть разде-лены в зависимости от направления вытяжки обрабатываемой заготовки и направления окружной скорости валков на три вида:
Продольная прокатка характеризуется совпадением основного направления те-чения металла с направлением движения деформирующих поверхностей.
Поперечная прокатка характеризуется тем, что основное течение металла (удли-нение штуки) происходит в направлении, перпендикулярном движению деформи-рующего инструмента.
Валки при поперечной прокатке сбли-жаются, обжимая заготовку на задан-ную величину. При некоторой величине обжатия в центральной части заготовки нарушается сплошность металла и проис-ходит образование центральной полости
Косая прокатка занимает промежуточное положение между продольной и поперечной прокаткой. В этом случае удлинение де-формируемого металла происходит под некоторым углом к на-правлению движения деформирующего инструмента. В станах ко-сой прокатки, применяющихся в производстве, угол между на правлением перемещения деформирующих поверхностей и на-правлением основной деформации составляет 79—85°, т. е. весь-ма близок к прямому. Поэтому косая прокатка по характеру де-формации близка к поперечной прокатке.
Рейнхард Маннесман известен и рядом изобретений в других областях техники: телефонии, производстве напильников, цементации стали.
Прошивной стан - трубопрокатный стан, предназначенный для получения из сплошной заготовки или слитка толстостенной полой гильзы методом поперечно-винтовой прокатки.
Прошивной стан на большинстве трубопрокатных агрегатов состоит из двух косорасположенных рабочих валков, вращающихся в одном направлении, а заготовка при этом вращается в другом напрвлении. Для удержания заготовки между валками предусматривают специальные устройства (чаще линейки, реже - ролики). Рабочие валки имеют конусы прошивки и раскатки, а в середине — калибровочный пояс. Между валками на пути движения получающейся полой гильзы устанавливается оправка. При расположении рабочих валков под некоторым углом между их осями достигается вращение заготовки относительно своей оси и одновременно ее поступательное движение, благодаря чему заготовка надвигается на оправку и прошивается.
Прошивной стан - - двух- или трехвалковый стан поперечно-винтовой прокатки для горячей прошивки деформированной заготовки или слитка на короткой, удержививаемой оправке и получения толстостенной гильзы. Устанавливается перед раскатными станами в составе ТПА. Прошивной стан состоит из главного привода с уравновешивающим устройством входной стороны, с механизмом вталкивания заготовок, рабочей клети и выходной стороны. На станах прошивают заготовки соответственно до 140, 250 и 400 мм с массой 0,5, 1,7 и 2,5 т.
Прошивной стан — прокатный стан, служащий для образования продольного круглого отверстия в заготовке, слитке.
Изобретение относится к трубопрокатному производству, а точнее к прошивным станам поперечно-винтовой прокатки.
В настоящее время на всех трубопрокатных агрегатах страны и за рубежом для получения гильз распространены два типа станов: двухвалковые прошивные станы и трехвалковые прошивные станы. Главным критерием применения того или иного типа стана является качество прошиваемых гильз по геометрии, наличию внутренних и наружных плен, разностенности и точности размеров по диаметру, криволинейности и т.д. Главным преимуществом двухвалкового прошивного стана является сравнительно низкая разностенность гильз, недостатком - наличие плен на их внутренней поверхности. Главным достоинством трехвалкового прошивного стана является отсутствие плен на внутренней поверхности гильз, недостаток - повышенная разностенность.
Как уже отмечалось,- широко известен прошивной стан поперечно-винтовой прокатки, содержащий рабочую клеть с двумя рабочими валками и приводом вращения валков от двигателя постоянного тока. Особенность напряженно-деформированного состояния на входном конусе очага деформации двухвалковых станов определяет возможность разрушения металла в сечениях до носка оправки, что и приводит к образованию дефектов, а именно к появлению плен на внутренней поверхности гильз, особенно при неравномерном нагреве или перегреве заготовок. Более благоприятные условия для прошивки, с точки зрения кинематики, возможны на станах, где имеет место нагружение не в двух, а в трех точках по периметру заготовки.
Известен также стан поперечно-винтовой прокатки, содержащий рабочую клеть с тремя валками, симметрично расположенными (под углом 120°) относительно оси прокатки, и групповой привод вращения валков.
В трехвалковых прошивных станах поперечно-винтовой прокатки допускается любое обжатие перед носком оправки без разрыхления в центре заготовки, уменьшается склонность к образованию внутренних плен и увеличивается коэффициент осевого скольжения. Однако,так как процесс прошивки в трех валках отличается высокими требованиями к сочетаниям параметров, то трехвалковые прошивные станы применяют для ограниченного сортамента исходной заготовки и при этом не исключается разностенность гильз. Кроме того, в трехвалковых станах с симметричным очагом деформации пока сложно применить индивидуальный привод - более мобильный, надежный и экономичный.
Наиболее существенный вклад в исследование процесса прошивки, развитие передовых способов получения полых гильз и совершенствование конструкции прошивных станов внесли учёные и инженеры- конструкторы Украинской школы трубопрокатчиков П.Т.Емельяненко, А.П.Чекмарёв, И.А.Фомичев, М.И.Ханин, В.М.Друян, В.Ф.Балакин. Важно отметить, прошивной стан позволяет производить не только поперечную, но и косую прокатку.
Процесс косой прокатки нашел широкое применение в трубопрокатной промышленности при производстве бесшовных труб. Он применяется для основной операции — получения полой гильзы из сплошной заготовки.
Деформация стенки при косой прокатке полой заготовки без оправки зависит в основном от величины обжатия и угла подачи. Несмотря на то, что не все вопросы, связанные с изучением теоретических основ процесса получения полых гильз при прошивке из сплошной заготовки окончательно решены, многие практические выводы, сделанные на основании исследований и разработанные теоретические положения способствовали успешному развитию отечественной трубной промышленности.
Вопрос о причинах образования внутренней полости до сих пор не нашел достаточно полного освещения. Исследования, про-водившиеся рядом авторов за границей, характеризуются в боль-шинстве своем почти полным отсутствием экспериментального материала, и поэтому выводы являются умозрительными и недо-статочно убедительными. Экспериментальные данные имеются только в работе Зибеля, определявшего напряжения в цилиндре при сжатии его двумя плитами. Зибель пришел к выводу, что на-рушение сплошности металла является результатом скалывающих напряжений, величина которых максимальна в центре заготовки. Вывод этот неубедителен и опровергается опытами самого Зибеля.
Рис. Образование полости при поперечной прокатке
Обстоятельные и весьма ценные работы по изучению процес-сов поперечной и косой прокатки были проведены украинскими учеными.Исследования украинских ученых и их выводы характеризуют-ся принципиально новой трактовкой вопроса, основанной на цен-ных экспериментальных данных, и стремлением найти исчерпы-вающее решение проблемы. Ученые чл.-корр. АН Украины П. Т. Емельяненко, докт. техн. наук В. С. Смирнов, кандидаты технических наук И. А. Фомичев, А. Ф. Лисочкин и другие впервые дали действи-тельно научную трактовку сложных явлений, происходящих при поперечной и косой прокатке. Несмотря на то, что ряд вопросов в этих работах окончательно не решен, многие практические вы-воды, сделанные на основании проведенных исследований, и раз-работанные теоретические положения способствовали успешному развитию трубной промышленности. Рассмотрим их взгляды подробнее
П.Т.Емельяненко в своё время высказано предположение об образовании полости в результате знакопеременных напряжений и непрерывных сдвигов в центральной зоне заготовки, обусловленных перемещениями частиц металла по эллиптическим траекториям.
Рис. Образование плен и трещин при прошивке
Вследствие действия этих напряжений в сердцевине металла наблюдается образование радиальных трещин и рванин. После появления трещин в осевой зоне заготовки поперечная прокатка рассматривается П. Т. Емельяненко как процесс непрерывного пластического изгиба. Эта гипотеза является весьма ценной, так как позволила автору сделать важный вывод о значительном влиянии степени овализации заготовки на образование полости, что подтверждается многочисленными опытами и практикой производства.
Явлением пластического изгиба при косой прокатке полых тел объясняется появление иногда при вторичной прошивке трещин на внутренней поверхности гильз.
Исследователь процесса прошивки В.С. Смирнов, на основании большого количества тщательно поставленных экспериментов, разработал теорию о возникновении полости в результате действия всесторонних растягивающих напряжений. Разрушение сердцевины заготовки и образование полости, по мнению автора, объясняется тем, что действующие напряжения превосходят значения хрупкой прочности металла, и поэтому разрушение является хрупким, а не вязким, как полагали другие авторы. Гипотеза В. С. Смирнова является оригинальной и трактует вопрос по-новому. Однако в этой теории трудно доказуема возможность создания всесторонних растягивающих напряжений в сердцевине заготовки при воздействии внешних сжимающих сил от валков.
Изучая макроструктуру образцов, взятых из различных участков очага деформации при прошивке, И. А. Фомичев пришел к выводу, что образование полости является результатом неравномерности деформации по сечению и длине заготовки и связанного с этим явления осевой утяжки. По мнению И. А. Фомичева, скручивание заготовки, происходящее в станах косой прокатки, также способствует вскрытию полости. Несколько позднее И. А. Фомичев, исследуя характер истечения металла при прошивке, дал эпюры радиальных, тангенциальных и осевых напряжений. Радиальные растягивающие напряжения, возникающие вследствие наличия тангенциальных сил, смещающих металл -по окружности заготовки, при большой их величине, по мнению автора, могут привести к разрывам сердцевины. И. А. Фомичев придает также большое значение наличию оправки, возбуждающей силы утяжки. Фомичев сделал вывод большой практической важности о необходимости вести процесс прошивки без образования полости перед оправкой, поскольку вскрытие полости перед оправкой приводит к появлению внутренних плен и трещин на гильзе. К такому же выводу пришли несколько позднее И. В. Дубровский и Л. И. Матлахов, специально изучавшие влияние положения оправки в очаге деформации на образование внутренних плен.
Рис. Схема радиально-растяги- вающих напряжений при прошивке (по И. А. Фомичеву)
Характерно, что при прокатке полых заготовок наиболее частым является кольцевое разрушение (расслоение). С уменьшением обжатия в первой зоне очага деформации (перед оправкой) сопротивление оправки продвижению заготовки возрастает, так что при определенных условиях уменьшение обжатия может быть не только бесполезным, но даже вредным, так как при этом увеличивается число знакопеременных нагрузок, повышающих склонность к вскрытию полости.
Величина деформации во второй зоне очага также оказывает определенное влияние на качество внутренней поверхности трубы. Чем больше эта деформация, тем больше вероятность получения дефектов при прочих равных условиях. Это особенно отчетливо проявляется при косой прокатке полых заготовок из высоколегированной стали.
Следует отметить, что на вскрытие полости существенное влияние оказывает число рабочих валков. Еще А. Ф. Лисочкиным указывалось, что трехвалковые станы в этом отношении предпочтительнее станам с двумя валками. В последнее время это теоретическое предположение подтверждено прямыми экспериментами.
В практике трубопрокатного производства применяются прошивные станы с двумя валками. В тех случаях, когда при прошивке получают тонкостенные гильзы и очаг деформации должен быть плотно закрытым, применение двухвалковых станов с линейками неизбежно. Если же при прошивке всегда получают толстостенную гильзу, то можно применять станы с тремя валками. В таких станах нельзя иметь закрытый очаг, но при прошивке толстостенных гильз это необязательно. В наиболее общем случае косой прокатки в валковом стане оси валков наклонены к оси прокатки под углом, который называется углом раскатки. Кроме того, оси валков имеют перекос относительно оси прокатки. Угол перекоса валков называется углом подачи.
Рис. Схема танген-циальных и радиальных напряжений (по А. Ф. Лисочкину)
На основании работ ученых и данных практики производства можно указать следующие основные факторы, вли-яющие на образование полости:
- уменьшение относительного обжатия снижает склонность к образованию полости;
- уменьшение овализации заготовки в очаге деформации снижает склонность к вскрытию полости;
- легированные стали более склонны к образованию полости;
- с понижением температуры склонность к образованию по-лости увеличивается, однако перегрев стали приводит к преждевременному вскры-тию полости.
Рис. Скорости при прошивке в валковом стане
Кинематика процесса прошивки
Круглая заготовка, задаваемая в валки, вращаю-щиеся в одну сторону, вследствие возбуждающихся сил трения получает вращатель-ное движение. Одновременно вследствие наклонного положения валков по отношению к оси заготовки она имеет также осевое перемещение. Таким образом, каждая точка поверхности заготовки со-вершает в очаге деформации движение по винтовой линии.
Очаг деформации в прошивном стане можно условно разде-лить на две зоны. Первая зона — от начала захвата заготовки до места наибольших диаметров (пережима) валков — называется конусом прошивки. Только в конце этой зоны, когда заготовка встречается с установленной в очаге деформации оправкой, на-чинает образовываться внутренняя полость. Далее, во второй зоне, оправка вместе с валками увеличивает сечение полости и стенка гильзы уменьшается. Вторая зона называется конусом раскатки.
По мере продвижения заготовки в очаге деформации площадь ее сечения уменьшается и особенно сильно с момента образования внутренней полости. Поэтому скорость заготовки в очаге деформации возрастает, а скорости валков изменяются незначи-тельно или совсем не изменяются, как в дисковом стане. Вследствие этого между деформируемым металлом и валками неиз-бежно возникает скольжение.
Скольжение металла относительно валков — один из наиболее важных факторов в процессе прошивки заготовки. Оно влияет на производительность установки и качество получаемых гильз.
На основе многочисленных измерений установлено, что коэф-фициент осевого скольжения практически находится в пределах 0,35—0,85. Для ориентировочных расчетов Ю. М. Матвеев и Я. Л. Ваткин рекомендуют пользоваться эмпирическими зависи-мостями для определения коэффициента осевого скольжения как функциями диаметра заготовки при различных скоростях прошивки.
На основании многочисленных исследований установлено, что осевое скольжение увеличивается:
- при увеличении скорости прошивки, с повышением числа оборотов и в меньшей степени с увеличением угла наклона вал-ков или эксцентриситета;
- при увеличении диаметра заготовки;
- с уменьшением толщины стенки ГИЛЬЗЫ;
- с уменьшением обжатия перед оправкой;
- при снижении температуры прошивки.
Нужно отметить, что хотя с понижением температуры коэф-фициент трения металла о валки увеличивается, все же сопротивление оправки возрастает более интенсивно, вызывая увеличение осевого скольжения.
На коэффициент скольжения в значительной мере оказывает влияние форма инструмента.
Исследованиями С. П. Грановского, а также опытами О. А. Пляцковского установлено, что на всей длине очага деформации осевая скорость заготовки меньше скорости валков, т.е. происходит отставание металла. Нейтрального или критического сече-ния, в котором скорости валков и заготовки равны, не существует. Это положение иллюстрируется измерениями С. П. Грановского, проводившего опыты на лабораторном стане.
Большая разни-ца в скоростях валков и заготовки в начальный момент прошивки и в конце процесса и наибольшее скольжение на этих участках очага деформации приводят к более интенсивному износу валков в этих местах, что подтверждает известное из практики явление неравномерного износа валков по длине бочки.
Скольжение в тангенциальном направлении изучено в зна-чительно меньшей степени, что объясняется трудностями определения коэффициента тангенциального скольжения.
Рис. Схема очага деформации при прошивке
Каждая точка поверхности заготовки-гильзы совершает дви-жение по винтовой лини.
При определении расхода энергии для продольной прокатки результаты аналитических расчетов можно сопоставлять с установленными практикой величинами. Для косой прокатки такое сопоставление весьма затруднительно, так как в литературе по-чти совершенно отсутствуют систематизированные данные по расходу энергии. Имеются лишь данные П. Т. Емельяненко и 10. М. Матвеева, относящиеся к прошивке слитков. Несмотря на большое количество проведенных экспериментов, достаточно надеж ной закономерности изменения расхода энергии как функции величины деформации до сих пор не найдено.
Экспериментально установлено, что выдвижение оправки за пережим валков в известных пределах приводит к некоторому уменьшению расхода энергии, а ее чрезмерное выдвижение приводит к увеличению расхода энергии. Из опытов известно, что расход энергии уменьшается при увеличении угла наклона валков Например, с увеличением угла с 7 до 9° расход энергии уменьшается на 20—25%, что объясняется, в первую очередь, уменьшением машинного времени.
Представлена нагрузочная диаграмма, на которой хорошо выражены три участка. Первый участок — от момента захвата до полного заполнения очага деформации металлом — характеризуется постепенным нарастанием нагрузки с более или менее явным перегибом кривой, соответствующим моменту встречи металла с оправкой, пос-ле чего рост нагрузки происходит более интенсивно. Второй участок соответствует установившемуся процессу, при котором на-грузка изменяется мало. Третий участок характеризуется возрастанием нагрузки в конце процесса. Начало пика совпадает с мо-ментом попадания заднего конца заготовки в валки.
Рис. 51. Нагрузочная диаграмма при прошивке заготовки
По мере освобождения конуса прошивки от металла вследствие уменьшения осевого скольжения увеличивается подача за полуоборот. Увеличенная подача приводит к возрастанию частных обжатий за каждый полуоборот, что вызывает увеличение мощности прошивки при выходе заготовки из очага деформации. Величина средней мощности и пиковое ее значение резко меняются при из-менении скорости прошивки, температуры прошивки, формы применяемого инструмента и других технологических факторов. В частности, возрастание скорости деформации вследствие увеличения числа оборотов или угла наклона валков вызывает возрастание нагрузки. В отдельных случаях пиковые значения нагрузки могут даже ограничивать возможность повышения скорости прошивки, если мощность двигателя недостаточна.
Таким образом, учитывая все вышеизложенное, можно смело утверждать,
что прошивной стан стал величайшим изобретением и незаменимым средством работы для всей мировой металлургии, позволяющим производить продольную, поперечную и косую прокатку.
Все трубопрокатные станы можно разделить на три группы:
Прошивные станы бывают с бочкообразными, грибовидными и дисковыми валками . Агрегат с бочкообразными валками имеет два рабочих валка с двойной конусностью диаметром от 450 до 1000 мм. Оба валка расположены в горизонтальной плоскости, причем их оси в вертикальной плоскости наклонены друг к другу на угол, который можно регулировать от 5 до 18° и более (угол подачи) .
При прошивке круглой заготовки оба валка вращаются в одном направлении. Для удержания металла в очаге деформации есть две направляющие линейки, расположенные в вертикальной плоскости, или два неприводных ролика.
Заготовка, поступающая в валки, делает сложное, вращательное и поступательное движение (вследствие наличия угла подачи) .
При винтовой прокатке в валках с двойным конусом в металле возникают растягивающие и касательные напряжения, причем радиальные растягивающие напряжения достигают значительных величин и вызывают образование полости сравнительно небольшого диаметра, с неровными стенками. Для получения внутреннего отверстия нужного диаметра с ровной поверхностью прокатку проводят на оправке - конусообразной инструменте, установленном на конце стержня между валками на пути движения заготовки. Стержень с оправкой устанавливают в специальном упоре. При движении вперед заготовка надвигается на оправку - прошивается, при этом происходит расширение и выравнивание прошитого отверстия .
На рис. 4.1 приведена схема расположения узлов прошивного стана, который состоит из двух рабочих валков 1, соединенных с шестеренной клетью 2 и электродвигателем 3 с помощью соединительных шпинделей 4. Между шпинделями устанавливаются толкатель 5 и направляющий желоб 6. В специальном упоре с замком 8 крепят стержень 7 с оправкой на конце. Для приема прошитой гильзы установлен рольганг 9.
Заготовку для такого трубопрокатного стана, привычно круглого сечения, нагревают в методических печах, откуда ее выдают на рольганг. С рольганга заготовка поступает в приемный желоб, по которому с помощью толкателя подается в валки прошивного агрегата. При выходе из валков гильза находится на стержне и снимается со стороны его заднего конца после открытия замка.
Толстостенные гильзы, полученные на различных прошивных агрегатах, прокатывают в тонкостенные трубы в горячем состоянии на раскатных станах:
- пилигримовых;
- автоматических;
- непрерывных;
- трехвалковых.
Название трубопрокатного агрегата определяется типом раскатных станов .
Пилигримовый стан состоит из двухвалковой клети и подающего механизма . Направление вращения валков в этом агрегате противоположный движению заготовки. обжимается в калибре переменного сечения только за полуоборот валков. В следующий полуоборот заготовка проходит между валками без обжатия.
Рабочий процесс прокатки труб на пилигримовом стане (рис. 4.2) состоит в следующем: в толстостенную гильзу 1, которая поступает из прошивного агрегата, пропускают оправку 2 подающего механизма, причем длина оправки больше длины гильзы. Гильза вместе с оправкой медленно перемещается подающим механизмом к валкам. Как только металл достигает валков, калибр 3 захватывает часть гильзы (рис. 4.2, а) и обжимает ее своей рабочей частью (рис. 4.2, б) . Во время прокатки, валки стремятся вытолкнуть гильзу с оправкой назад, однако этому препятствует подающий механизм.
Более того, сам механизм с малой скоростью непрерывно движется вперед. Конец оправки связан с поршнем пневматического цилиндра. После полуоборота валков гильза выходит из рабочей части калибра и становится свободным. В течение следующего полуоборота приведен в движение поршень быстро толкает вперед оправку с гильзой, которые при этом движении возвращаются по их продольной оси на 90° (рис. 4.2, б), и затем валки захватывают новую часть гильзы. Подающий механизм в течении одного оборота валков перемещается вперед на расстояние от 8 до 25 мм.
Процесс продолжается до тех пор, пока не будет прокачана вся гильза . По окончании прокатки валки разводят и подающий механизм обратным ходом вытягивает оправку из трубы. Освобожденное изделие отводится задним рольгангом к горячей пиле, где отрезают так называемую пильгерную головку.
Внутренний диаметр раскатанного изделия практически равен диаметру оправки , а ее внешний диаметр - диаметру калибра . На периодических станах можно получать трубы с наименьшим внешним диаметром 45 мм. Для получения изделий меньших размеров, полупродукт из периодического агрегата передают на редукционный или волочильный станы.
Автоматические раскатные станы являются наиболее распространенными для прокатки бесшовных труб ; они обеспечивают вытяжку, равной 1,2-2 в зависимости от размеров изделий. Автоматический агрегат состоит из двухвалковой клети с валками диаметром до 1000 мм и специальных роликов обратной подачи.
Валки агрегата имеют ряд круглых калибров различных диаметров. В калибр вставляют оправки, которое удерживается на месте стержнем, неподвижно закрепленным в упорной станине. При прокатке на автоматическом агрегате происходит уменьшение диаметра и толщины стенки трубы, которая определяется просветом между калибром и оправкой. Привычно прокатка проходит в два-три пропуска с поворотом изделия после каждого пропуска на 90°.
Схема прокатки на автоматическом стане приведена на рис. 4.3 . Труба, пройдя через валки 1 агрегата, оказывается на стержне с задней стороны агрегата. Передача трубы на переднюю сторону осуществляется парой роликов 2 обратной подачи: нижний ролик поднимается и прижимается к изделию, которая силой трения скивается со стержня и передается на переднюю сторону агрегата. Верхний рабочий валок стана в это время поднимается, чтобы пропустить трубу. После передачи ее на переднюю сторону валок снова опускается в рабочее положение. Высота рабочего валка и сближения роликов обратной подачи полностью автоматизированы.
Трубу на автоматическом агрегате привычно прокатывают по два пробела с поворотом ее на 90° и заменой оправки после каждого пропуска. После прокатки на автоматическом стане труба выходит слегка овальной, разностенной и с недостаточно гладкой поверхностью. Для предоставления круглой формы, уменьшение разностей и полировки внешней и внутренней поверхностей, изделие после прокатки по рольганга подают в обкаточные машины, а затем, для получения окончательных размеров по диаметру, - в калибровочный агрегат .
Непрерывны раскатные станы разделяют на два типа. Непрерывный агрегат старого типа состоит из семи пар валков: четырех - горизонтальных и трех - вертикальных . Привод всех валков осуществляется от одного двигателя через сложную систему шестеренных передач.
Непрерывный агрегат нового типа состоит из девяти клетей, причем, оси валков этих клетей расположены под углом 90° друг к другу и под углом 45° к горизонтальной плоскости (рис. 4.4) . Привод валков каждой клети осуществляется от индивидуального двигателя, который обеспечивает более простую настройку и регулирование стана. Прокатку на непрерывных агрегатах ведут с применением подвижной цилиндрической оправки, на которую надевается гильза, которая поступает из прошивного стана. После прокатки, оправки извлекают из труб на специальной машине, охлаждают и снова используют .
Разновидностью раскатных агрегатов являются также трехвалковые агрегаты для прокатки главным образом труб из легированных сталей. Их отличительная особенность заключается в том, что на них можно получать изделия очень точных размеров .
На рельсовых станах (рис. 4.5) трубы получают протягиванием. Первичный материал - квадратная катаная заготовка , которая разрезана на куски необходимой длины, нагревается в методической печи и прошивается на прессе в гильзу с дном или стакан, поступающих затем на рельсовый агрегат. В стакан вводится оправка и он протягивается сквозь ряд колец со уменьшающимися диаметрами отверстий, при этом толщина стенки изделия постепенно уменьшается.
После протяжки на рельсовом агрегате, труба вместе с оправкой поступает на обкаточную машину, в которой диаметр изделия несколько увеличивается, что облегчает извлечение из нее оправки. В последние годы рельсовые агрегаты не устанавливают, так как этот метод производства считается устаревшим.
После прокатки на раскатных станах трубы поступают на отделочные агрегаты. К таким агрегатам относят:
- обкаточные;
- калибровочные;
- редукционные.
Как было отмечено, обкаточные прокатные агрегаты устанавливают обычно за автоматическими, а иногда и за рельсовыми.
По своей конструкции обкаточные двухвалковые станы подобные прошивным, косой прокатки. Их валки наклонены друг к другу под углом ~ 6,5° и вращаются в одну сторону. Прокатку труб проводят на оправке, закрепленной на стержне . Изделие, продвигаясь вперед, одновременно вращается вместе со стержнем. Обкаточный агрегат предназначен для раскатки стенки трубы и полировки внешней и внутренней поверхностей для получения равномерной толщины стенки и одинакового диаметра изделия по длине.
Калибровочные станы устанавливают за обкаточными и предназначены для устранения овальности и получения труб заданного диаметра . Калибровочные агрегаты могут иметь от одной до двенадцати клетей. В каждой клети устанавливают одну пару валков, расположенных горизонтально, вертикально или наклонно. Наиболее широко применяют многоклетьевые калибровочные станы , в которых оси каждой пары валков наклонены к горизонту под углом 45° и относительно соседней пары валков под углом 90°. Валки этих агрегатов оборачиваются, от одного для всех клетей двигателя, или могут иметь индивидуальный привод.
В многоклетьевых калибровочных агрегатах одновременно с калибровкой осуществляется исправление труб , и необходимость в станах для горячего исправления изделий отпадает.
Редукционные станы являются непрерывными агрегатами для горячей прокатки труб без оправки с целью уменьшения их диаметра. По количеству валков, которые образуют калибр в каждой клети, различают двух-, трех-и четырехвалковые редукционные агрегаты . Валки в клетях расположены поочередно горизонтально, вертикально и под углом 45°. Конструкция двухвалковых редукционных станов аналогичная калибровочным многоклетьевым агрегатам. Различия в размерах и количестве клетей (в редукционных их бывает до 24 и более).
Окончательная обработка бесшовных тонкостенных стальных труб заключается в холодной прокатке, холодном волочении или сочетании этих способов. Вследствие особых условий холодного волочения изделий через глазок коэффициент вытяжки за один проход привычно не превышает 1,5-1,8.
При холодной прокатке труб на агрегатах, которые работают по принципу пилигримовых станов , можно более полно использовать пластичность металла, получая коэффициенты вытяжки в среднем 4-6 и в отдельных случаях даже 6-8. Хотя способ холодной прокатки более эффективен по сравнению с холодным волочением, однако при холодной прокатке необходимо часто осуществлять перевалку валков, занимает 3-4 ч, а при холодном волочении изменение инструмента занимает всего несколько минут. Поэтому в современных цехах для производства применяют оба процесса обработки.
Волочение труб проводят тремя способами:
- 1) без оправки;
- 2) на короткой;
- 3) на длинной оправках (рис. 4.6) .
Если необходимо уменьшить только диаметр трубы, применяют волочение без оправки через волочильное кольцо , неподвижно закрепленное в люнеты волочильного стана. Если нужно одновременно уменьшить диаметр и толщину стенки, возможно волочения как на короткой, так и на длинной оправках.
При волочении на короткой цилиндрической оправке через волочильное кольцо оправку удерживается в определенном положении с помощью стержня . Труба при прохождении через кольцевую щель между оправкой и кольцом обжимается по диаметру и толщине стенки, что обеспечивает ее вытяжку. Волочение на длинной оправке отличается тем, что оправка, которая находится внутри трубы, не закрепляется, а перемещается вместе с изделием . При этом силы трения между изделием и инструментом меньше, чем при волочении на короткой оправке, что позволяет делать большие обжатия за один проход.
Сварные трубы изготавливают на трубосварочных агрегатах различными способами, из которых наиболее распространены:
- непрерывная печная сварка;
- контактная электросварка методом сопротивления;
- электросварка с индукционным нагревом;
- дуговая электросварка под слоем флюса или в среде защитных газов и т.д.
Процесс получения изделий, как отмечалось выше, состоит из получения заготовки в виде свернутой полосы и сварки ее в трубу.
Трубосварочный агрегат - комплекс машин и механизмов, предназначенных для изготовления труб, их транспортировки, обработки, нанесения покрытий, складирования и упаковки. В такой агрегат обычно входит несколько многоклетьевых станов:
- формовочный
- редукционный
- калибровочный.
На рис. 4.7 приведена схема непрерывного процесса печной сварки изделий, который осуществляется в следующем порядке.
 |
| Рисунок. 4.7. Схема процесса печной сварки труб |
Горячекатаный штрипс 1 (из низкоуглеродистой стали) непрерывно движется через печь, в которой с помощью газовых горелок 2, его кромки нагреваются до 1450° С (температура сварки), а середина штрипса-до 1350° С. При выходе из печи кромки штрипса обдувают струей воздуха из сопла 3, чем обеспечивается удаление окалины с кромок штрипса и повышение температуры их нагрева на 50-80° С. Первая приводная пара валков 4 обращает штрипс в трубную заготовку без соединения кромок. Вторая приводная пара валков 5 сводит кромки заготовки и, сжимая их, заставляет свариваться в трубу 6.
Сварка кромок сложившейся заготовки представляет процесс кузнечной сварки, который заключается в использовании способности к молекулярному сцеплению поверхностей металлов , нагретых до высокой температуры.
В последние годы развился и получил распространение способ производства труб электросваркой .
Первичным материалом служит холоднокатаная лента в рулонах , а для больших диаметров труб - листовая заготовка . Получение изделий из полосы-заготовки осуществляется в шести парах валков непрерывного формовочного стана (рис. 4.8) . У него четвертая пара валков расположена вертикально. Сложившаяся в холодном состоянии заготовка после выхода из последней клети сваривается в стык в специальных электросварочных машинах. В этих машинах нагрев может осуществляться через контакты по которым подводится ток (кондукционный нагрев) и с помощью индукторов (индукционное нагревание) и другими методами. Индукционным методом электросварки изготавливают трубы диаметром от 4 до 1400 мм с толщиной стенки от 0,15 до 20 мм.
Наконец, особое место занимают станы спиральной сварки труб . На этих станах изделия получают завивкой полосы по спирали на цилиндрической оправке и непрерывной сваркой спирального шва автоматической сварочной головкой. Этот способ имеет существенные преимущества перед изготовлением изделий с продольным швом:
- 1) диаметр труб, не зависит напрямую от ширины исходной полосы, так как величина диаметра определяется не только шириной полосы, но и углом подъема спирали. Это позволяет со сравнительно узкой полосы получать трубы большого диаметра,
- 2) спиральный шов добавляет изделию большую твердость. Вследствие спирального расположения шва последний нагружен на 20-25% меньше, по сравнению с продольным,
- 3) спирально-сварные трубы имеют более точные размеры и не требуют после сварки калибровки их концов.
Однако, помимо преимуществ, есть и недостатки такого процесса, а именно:
- низкая производительность
- невозможность получения качественного шва при значительной серповидности полосы.
