автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологии производства горячекатаных труб из непрерывнолитой заготовки на ТПА 159-426 С прессвалковой прошивкой и непрерывным станом

9 ч ?•' '■■73 1007

2 \т

ВОЛЖСКИЙ ТРУБНЫЙ ЗАВОД

Нз правах рукописи УДК 621.774.38

ЧИКАЛОВ СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ ИЗ НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ НА ТПА 15М26 С ПРЕССВАЛКОВОЙ ПРОШИВКОЙ И НЕПРЕРЫВНЫМ СТАНОМ

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов дпплгиием»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени как лила га технических наук

Москва 1997

' Работа выполнена на АООТ «Волжский трубный завод»

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Коликов А.П.,

кандидат технических наук Кузнецов В.Ю.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Голубчик P.M.,

кандидат технических наук, с.н.с. Лузин Ю.Ф.

Ведущее предприятие - Первоуральский Новотрубныи Завод

Защита состоится «16 » апреля 1997 г. в 15 часов на заседании специализированного совета К по присуждению

ученой степени кандидата технических наук в Центральном научно-исследовательском институте черной металлургии им. И.П. Бардина (107005, г. Москва Б-5, 2-я Бауманская ул. 9/23).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « ^ » марта 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета, k.'j.h. ПомеловаЛ.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время отечественные и зару-• беленые производители труб предпринимают активные меры по созданию новых, высокоэффективных процессов производства труб высокого качества, отвечающих требованиям отечественных н международных стандартов. Разработка и внедрение на металлургических заводах технологии непрерывной разливки стали для производства качественной трубной -заготовки, в сочетании с прогрессивными способами прошивки и прокатки труб в непрерывных станах с удерживаемой оправкой позволяет значительно повысить эффективность трубного производства.

В 199С году итальянской фирмой «Итагашпьянти» на Волжском трубном заводе пущен в эксплуатацию электрометаллургический комплекс по производству круглой и квадратной непрерывнолитой заготовки и труб для нефтяной и газовой промышленности на ТПА ) 59-426 с непрерывным станом и прессвалковой прошивкой. Проектом предусмотрено производство 720 тыс. т труб в год (из них 320 тыс. т обсадных ) диаметром 159 -426 не и толщиной стенки 7 - 42 мм. Те-тология производства труб ответственного назначения на ТПА 159 - 426.с непрерывным станом н прессвалковой прошивкой не имеет аналогов в России и странах СНГ и находится на уровне лучших мировых достижений трубного производства.

Однако эффективное использование ТПА 159 - 426 для производства труб нефтяного сортамента из новых марок стали, например, хладостойких коррознонностойхих типа 13 ГФА и других, сдерживается из-за недостаточной изученности ряда принципиальных попросоп теории и технолопш прессвалковой прошивки и нспрсрмнноМ прокатки труб и) нслрермшюлшон заготовки квадратного спспия.

Цель работы. Исследовать, разработать, освоить технологический процесс производства хладостойких коррозионностойких труб диам. 426 мм из непрерывнолитой заготовки на ТПА 159 - 426 для нефтяной и газовой промышленности, отвечающих требованиям отечественных и международных стандартов качества.

Научная новизна. Разработана и реализована на ЭВМ математи-/ - ' , ческая модель прессвадковой прошивки, позволяющая определять

энергетические параметры процесса, обеспечивающие стабильные условия захвата и устойчивость прошивки квадратных заготовок в зависимости от ее геометрических размеров, параметров очага деформации, формы и положения оправки.

Установлено влияние температурно - скоростных, деформационных параметров и количества прокатанного металла на закономерность износа валков непрерывного с гана и точность геометрических размеров передельных труб. Определены их величины, обеспечивающие равно-, мерность износа валков в каждой клети непрерывного стана и получение высококачественных передельных труб.

На основе теоретического анализа контактного взаимодействия металла с частично удерживаемой оправкой непрерывного стана создана математическая модель износостойкости оправок, позволяющая расчетным путем определять предельный уровень нагрузок, которые выдерживают оправки с покрытием, и допустимые пределы использования технологического инструмента при прокатке всего сортамента труб на ТПА 159-426. >

Установлены закономерности формирования разностенности и влияние основных факторов на геометрические параметры качества гнлы и труб по всему технологическому переделу: нрессвалковый

прошивной-хнюнгатор-»непрерывный—»извлекательно - калибровочный станы.

Практическая ценность. Научные разработки и технологические решения направлены на создание различных способов.. повышения качества труб из непрерывнолитого металла в соответствии с требованиями зарубежных стандартов. Они включают новые и усовершенствованные режимы прокатки И настройки станов IT А 159 - 426 с прессвал-ковой прошивкой квадратных заготовок и непрерывной прокаткой в 7 клетевом стане на частично удерживаемой оправке. Эти разработки заложены в основу отечественной технологии производства труб диам. 426 мм, обладающих повышенной коррозионной стойкостью в среде сероводород.'

Новизна способов и устройств защищена 2 авторскими свидетельствами на изобретения и 1 положительным решением на его выдачу.

Реализация результатов в промышленности. Впервые в отечественной практике трубного производства на ТПА 159 -426 Волжского трубного завода внедрена технология производства труб диаметром 426 мм с повышенными требованиями по геометрическим парал. .грам и механическим свойствам, обладающих хладо - и коррозионной стойкостью в среде сероводорода.

Экономический эффект of внедрения оправок новой конструкции на непрерывном стане составил ~ 730 млн. руб. ( в ценах 1993 г ).

Апробация работы.. Основные результаты работы доложены и обсуждены на:.

- конференции «Проблемы развития технологи» и прогрессивного оборудования для производства стальных, чугунных труб и баллонов»,г. Днепропетровск, ВНИ'ГИ, 1990 г., 199! г.:

- «IV межотраслевом совещании российских потребителей, разработчиков и производителей трубной продукции», г. Челябинск, УралНИШ, 1 ~>9б г.;

- «IV конгрессе сталеплавильщиков», г. Москва, «Лесной городок », 1996 г.; •

- научно - технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации 96», Г. Москва, МИСиС, 1996 г.;

- техническом совете Первоуральского новотрубного завода, г.Первоуральск, ПНТЗ, 1997 г.;

- техническом совете Волжского трубного завода, г. Волжский, ВТ3.1996 г.

Публикация работ. Основное содержание работы опубликовано в 12 статьях. Получено 2 авторских свидетельства и одно положительное решение по заявке на изобретение ( патент).

Объем работы.. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов н приложения, изложена на страницах машинописного текста,

содержит /03 рисунков, 51 таблиц, список литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Трубопрокатный агрегат ТПА 159 - 426 ВТЗ является единственным в отечественной промышленности, позволяющим производить

горячекатаные трубы диаметром до 426 мм из непрерывнолитой заго-

■ { ■

товки квадратного сечения и является высокоавтоматизированным агрегатом, ориентированным на управление всеми технологическими операциями по моделям, реализуемым в управляющей ЭВМ.

Освоение оборудования ТПА 159 -426 на Волжском трубном заводе проходило бе) каких - либо осложнений. Технологический процесс прокат» труб вк.чютает следующие операции ; назрей квадратной

заготовки сечением 240, 300, 360 мм в печи с шагающими балками до 1280 -1300 0 С, порезку заготовки на мерные длины, ее пррпшвку в стакан с донышком в двухвалковом стане прессвагпсрвой прошивки; раскатку стакана в гильзу в стане - элонгаторе с бочкообразными валками; раскатку гильзы в трубу в семиклетьевом непрерывном стане с частично удерживаемой оправкой; извлечение оправки и калибровку труб по наружному диаметру в 10 - клетьевом стане продольной прокатки ( ИКС ) и охлаждение труб На холодильнике с их принудительным вращением. Опыт работы трубопрокатного агрегата б период освоения показал, что прошивка квадрата со стороной 360 мм - наиболее неустойчивый и малоисследованный процесс, имеет ряд особенностей, которые окачивают значительное влияние на весь цикл производства труб на агрегате. Для того, чтобы он протекал стабильно, необходимо соблюдать температурный интервал нагрева заготовки, удалять окалину с поверхности заготовки, проводить подготовку поверхности ватсов, соблюдать оптимальное соотношение скоростей толкателя и валков и соосность системы толкатель - калибр - оправка. Весьма ощутимой является тенденция к «дрейфу» оправки от оси очага к периферии, интенсивность которого увеличивается даже при незначительном отклонении фактических режимов прокатки от расчетных.

В начале эксплуатации непрерывного стана оказалось, что фактические параметры его настройки не соответствуют расчетным, полученным по проектным математическим моделям.

В связи с этим при освоении технологии прокагки ТПА 159 - 426 были проведены комплексные исследования процессов прошивки на стане ПВП, прока шг на х'юш агоре и непрерывном стане, что позволило уточнить параметры для корректировки математических моделей, осу шее I вить p.'iciei деформационно-скоростных режимов к :i;ip:iweip<m

(

настройки ТПА 159-426 с целью получения труб, отвечающих требованиям отечественных и международных стандартов качества.

Теоретические в экспериментальные исследования процесса прессвалковой прошивки иепрерывнолнтых заготовок квадратного

сечеиаа

Получение круглого полого стакана - гильзы из квадратной заготовки осуществляется на стане прессвалковой прошивки, процесс которой состоит из продольной прокатки в круглых калибрах и прошивки заготовки прессованием. Преимущества данного способа: использование более дешевой квадратной непрерывнолитой заготовки, наличие заполняющей прошивки со схемой всестороннего сжатия, обеспечивающей высокое качество внутренней поверхности, возможность осуществлять деформацию сталей с низкими пластическими свойствами, более низкий уровень расхода энергии на прошивку.

К недостаткам данного процесса относятся: повышенная разно-стенность стаканов и узкий диапазон параметров, регулирующих устойчивое течение процесса, которые были отмечены в период освоения ТПА 159-426.

Процесс прессвалковой прошивки ( рис. 1 ) состоит из четырех стадий: первичного захвата квадратной заготовки от момента захвата заготовки валками ( обжатия ее углов ) до встречи ее с оправкой; вторичного захвата с внедрением оправки в заготовку и заполнением очага деформации металлом ; установившегося процесса, при котором в результате деформации ( заполняющей прошивки, прессования и продольной прокатки в круглых калибрах на короткой неподвижной оправке ) происходит формирование размеров стакана; формирования дна . сгахана за счет прекращения действия толкателя и остановки процесса.

СяГема процесса прессвалковой прошпвка

4 -

1- толкатель, 2 - квадратная заготовка, 3 - роликовая проводка, 4 - прокатные валки, 5 - оправка, 6 - стержень оправки, 7 - гильза.

Рис. 1 ' '

В процессе освоения прошивки квадратны* заготовок на пресс-валковом стане было установлено, что наиболее неустойчивой является вторая стадия процесса, условия протекания которой определяются уравнением баланса сил в очаге деформации:

Рп+2Тсоя^>Ов + 2Рвв1п^, ( ) )

где Рп - усилие подпора, передаваемое толкателем;

Т =Р-рсрТв -составляющая сил подачи от одного валка;

Б - площадь контактной поверхности металла с валком;

Гв - коэффициент трения на поверхности металл - валок;

рф - средние контактные напряжения ;

Оо - осевое сопротивление оправки;

аз - угол захвата металла валками;

Определяя осевое сопротивление оправки по формуле И]. Г'елси (2о - 3,3-стц(102 для заполняющей прессвалковой ирошнпки, и поете

преобразований (1) получаем уравнение баланса сил в очаге деформации при его заполнении:

сг„(к, •аг-3,Зао2)+2Р.рср.со8^(Г£Г1е^)>0 (2)

где : а - сторона квадрата; с!о - диаметр оправки.

При установившемся процессе ( а3 = Оу ) стабильное протекание процесса обеспечивается при соблюдении условия:

о. ( к, -а2 - 3,3 &) + 2¥- Рср -соз^ ( {й - )> 0 ( 3 )

• /

Авалю полученных зависимостей ( 1 - 3 ) показывает, что на стабильность процесса прессвалковой прошивки квадратной заготовки влияют геометрические размеры заготовки ( сторона квадрата, диаметр стакана ), контактные условия трения на валке, угол захвата металла валками, величина которого определяется калибровкой валков и оправки, а также положением оправки в очаге деформации.

В работе показано, что прессвалковая прошивка является одним из' самых ограниченных по возможностям процессов прошивки, отличается узкой областью устойчивости и является очень чувствительным к различным возмущениям. Рекомендуемые пределы по такому показателю, как коэффициент вытяжки, при котором обеспечивается устойчивое протекание процесса, составляют ц = 1,12 - 1,2, т.е. отклонение от среднего уровня всего лишь в 9 %, тогда как при винтовой прошивке р = 1,25 - 4,3, а отклонение допускается в пределах 110 % от среднего значения.

Анализ очага деформации прессвалкового стана ТПА 159 - 426 ВТЗ показал, что если отношение линейных размеров очага деформации и оправки: диаметра калибра, оправки, гильзы и толщины стенки к величине сюроиы мюговки находятся практически на одном уровне, то

отношение тех же величин к идеальному 'диаметру валка с увеличением стороны блюма изменяется в значительной степени : так для квадрата со стороной 300 мм эти отношения изменяются на 25 % по сравнению'с квадратом 240 мм, а для квадрата 360 мм - на 55 - 60 %. Данные отношения определяют величину площади контактной поверхности металла с валком и оправкой, а также объем подвергаемого деформации металла. Результаты расчетов показали, что при 1>иВ - 1435 мм с увеличением аз до 300 мм отношение объема металла в очаге деформации к площади контактной поверхности валков возрастает на 38%, а к площади контактной поверхности оправки на 28 % Для стороны квадрата 360 Мм эти отношения возрастают почти й 2 раза по сравнению с рассчитанными для аз = 240 мм.

Определяющую роль в процессе пресс валковой прошивки играет соотношение мощностей деформации, передаваемых в очаг от валка ( 75 - 80 %) и от толкателя (25 -20 %), которое зависит от массы деформируемого в очаге металла, отношения аз/ 1>иВ. контактной поверхности, площади поперечного сечения заготовки, температурного й др. факторов. .

Мощность контакта и мощность деформации колеблются относи-

I

тельно базовых, значений соответственно в пределах 32 й 41 %. В качестве базовых приняты : мощность контакта 1,8402 кВт/ м1 -с и мощность деформации 1,8917чкВт/ м2 с, полученные расчетным путем при прошивке заготовок со стороной 240 мм, т.к. процесс деформации их на стане прессвалховой прошивки ТНА 159 -426 отличается наибольшей устойчивостью. Следует отметить также 1тюкий уровень энергии деформации при. прошивке заготовок 360 мм. Отклонение от баюного уровня н "»том случае сосчавлчет ~ 20 %.

' При прошивке заготовок 300x300 и 360x360 мм Е>иВ не соответствует оптимальному для обеспечения необходимого энергетического баланса, в результате чего процесс отличается большой неустойчивостью, сопровождается большим количеством сбоев й повышенной концевой разностенностью труб, чем прошивка заготовок 240x240 мм.

Существенные различия в технологических и энергетических параметрах отечественного прессвалкового стана и зарубежного стана -аналога « ОАЬМПЧЕ », на котором прошивают квадрат с Ямах - 240 мм, а также использование различных типов привода толкателя является причиной того, что на заготовках 300x300 и 360x360 мм никогда не удавалось зафиксировать предписанные разработчиками фирмы параметры прессвалковой прошивки:

Сторона Мощность при- Усилие Мощность

квадрата, од вода толкателя, толкателя, МН электродвига-

кВт < теля, кВт

240 0,71 Ш1

200 1,00 750

300 123 1,00 1356

560 2,30 1000

360 414 и! 1329

600 4,00 750

* В числителе - расчетные, в знаменателе - фактические данные.

В работе проанализированы недостатки математической модели расчетов основных параметров- стана, разработчика - фирмы «ОА1-М1№.» и показано, что данная модель не учитывает конструктивные особенности стана ПВП ВТЗ ( минимальный диаметр валков, мощность привода толкателя ); поэтому расчетные параметры стана, полученные по данной модели, не обеспечивают оптимальной технологии прошивки заготовки со стороной 300 мм и , особенно, квадрата 360 мм но уровню кинематической устойчивости и эффективности процесса.

С учетом конструктивных особенностей стана прессвалковой прошивки ТПА 159 - 426 ВТЗ автором предложена энергетическая модель процесса, в основе которой положен вывод А.И. Целикова о том, что общий расход энергии при прокатке с подпором изменяется только в результате уменьшения или увеличения сил трения на контактных-поверхностях. Применительно к отечественному стану прессвалковой прошивки это позволяет раздельно рассматривал условия распределения энергии в очаге и дополнительную подачу энергии толкателем.

В работе представлены результаты расчета энергетического баланса стана прессвалковой прошивкг ВТЗ, которые позволяют опреде-. лить необходимый уровень энергетического обеспечения для устойчивого протекания процесса и , в частности, необходимое давление на толкателе, которое должно быть на 13,5 - 15,4 % больше значений', рекомендованных фирменной моделью для прошивки.квадрата 360 мм. Адекватность математической модели подтверждена сопоставлением расчетов с экспериментальными данными.

В работе проведена также оценха возможности уменьшения размеров квадратной заготовки с 360 до 300 мм для производства труб максимального диамегра 377 и 426 мм без потери производительности за счег изменения режимов деформации на стане - элонгаторе ( A.ö. №1811923 ). С учетом проведенного анализа автором уточнена методика расчета технологических и настроечных параметров стана прессвалковой прошивки ТПА 159 - 426, применение которой обеспечивает достаточно устойчивый захват, стабильность процесса прошивки непре-рывнолитых квадратных заготовок из стали 20,09Г2СА, 13ГФА и др. и снижение на 12-20 % разностенности гильз - стаканов.

Исследование пронесся прокяткп труб в непрерывном и mn.'tcKarc.'ii.HH - калибровочном сгздшх.

При освоении технологии прокатки труб на непрерывном стане было установлено, что фактические параметры его настройки не соответствуют р-счетным, полученным по проектным математическим моделям, что не обеспечивало получение труб требуемого качества.

Номер Значения параметров ври прокатке труб

01x57 = 426x10 км

клети Расчет. Факт. Откл., ± %

I 525" 520

49,9 44,0 -11,8

П 522 460 -11,9

49,1 48,3 -1,6

Ш 488 430 -11.9

49,8 48,6 -2,4

IV 488 470 -3,7

50,2 48,4 -3,6

V 477 . 460 -3,6

50,7 48,8 -3,7

VI 450 ' 430 -4,4

51,1 . 50,4 -1,4

VII 487 435 -10,7

51,4 51,6 +0,4

Толщина 10,0 И,54 +15,4

стенки, мм

-----—-,-

х - в числителе - частота вращения валков, мин ; в знаменателе -

ыежвалковый зазор, мм.

В работе показано, что причиной этого является неравномерность распределения температуры гнльзы-трубы, износ калибров валков и оправки, состояние поверхности и смазка оправки, другие факторы.

Износ поверхности валков непрерывного стана, искажающий форму калибра и изменяющий площадь проходного сечения, оказывает большое влияние на отклонение режима деформации и энергосиловых параметров от заданных моделями, в значительной степени определяет поперечную разностенность готовых труб, а при неблагоприятных обстоятельств;« ( применение в комплекте новых и изношенных опра-- вок, несвоевременная корректировка зазоров и др.) может привести к

аварийным ситуациям ( торможение трубы, поломка валков и пр.), что имело место в период освоения стана.

Величину износа в каждой ( I - VII ) клети определяли путем измерения зазора между шаблоном и профилем ручья в.13 точках через 5 -15 ° по периметру калибра. Все исследования выполнили применительно ic производству труб типоразмера Dj- хБт = 168x10- 15; 219x6-9; 245 х 10 - 13; 273 х 20; 325 х 9 - 12 и 426 х .0 - 11 мм. Количество прокатанных труб каждого размера составляло до 30 тыс. т. Учитывая разные условия работы калибров в I - VII клетях, различие диаметров валков в одной и той же клети из-зс переточки валков, оценку тноса калибров осуществляли по интенсивности износа: средняя глубина износа по во. Л поверхности полукалибра на 1000 заготовок и по объему металла, унесенного с поверхности полукалибра валков.

В работе показано, что характер изменения износа и его интенсивность зависит от особенностей работы стана, материала валков и их компоновки в клетях. На стане принят падающий от первых к последним клетям режим деформации. Высокий износ калибров 1-ой клети определяется как высокими степенями деформации, так и взаимодействием окалины, имеющейся, на поверхности гильзы перед се задачей в стан. Износ валков постепенно уменьшается к IV клети ( стальные валки ) и затем возрастает в V - VII клетях ( чугунные валки)

Так, например, при износе валков , равном 12 мм, разиостениость труб Dг х St = 426 х 10 мм возрастает в 1,75 разз и геометрические размеры труб начинают выходить из допустимых пределов. Интенсивность износа калиброп II - IV и V - VII клетей различна ( таби. 1 >, что вызвано различными дцформационпо-скоростиьшн условиями прокатки и разными материалами валков.

Таблица 1.

Интенсивность износа валков непрерывного стана ( мм/1000 пгг.)

№ клети Условный шифр калибровок

212 235 288 372 444

I 0,3900 0,3900 0,6326 • 0,6326 0,6326

П 0,2043 0,20403 0,3232 ' 0,3232 0,3232

Ш 0,1062 0,1061 0,1714 0,1714 0,1714

IV 0,0718 0,0718 0,1160 0,1160 0,1160

V 0,1673 0,1673 0,1673 0,1673 0,1673

VI 0,0936 0,0936 0,0936 0,0936 0,0936

УП 0,0767 0,0767 0,0767 0,0767 0,0767

Для обеспечения стабильного качества труб обязательно необходима корректировка параметров настройки непрерывного стана, которую следует проводить с учетом износа валков.

На основании проведенных исследований были сделаны рекомендации по изменению зазоров между валками в зависимости от величины фактического износа ( табл. 1,2), а также осуществлена корректировка программ расчета параметров настройки непрерывного стана для' прокатки всего сортамента труб на ТПА 159 - 426, что позволило обеспечить получение труб гарантированной точности ( табл. 3 ),, которые удовлетворяют требованиям отечественных стандартов качества. х

Оправки непрерывного стана диаметром от 160 до 425 мм, общая длина 24 м, масса до 20 т после хромирования ( толщина 0,4 - 0,6 мм ) имеют допуск по диаметру,+0,0 + - 0,3 мм, чистоту поверхности 0,4 - 0,8 цкм. Для изготовления оправок используется теплоустойчивая штамповал сталь 4Х5МФ1СА, Стоимость одной оправки из стали 4Х5МФ1СА в зависимости'от диаметра составляет 350 - 700 млн. руб.

Таблица 2

Необходимое уменьшение зазора между валками в зависимости от ' величины шноса калибров в клегях непрерывного стана при прокатке

труб размером 426x12 мм ( непрерывнолитая заготовка из стали 20, 09Г2СДЗГФА)

Кол - во Номер клети

прока- u Ш IV V VI VII

таных Фактически юное по высо- / Необходимое уменьшение

ц;уб,т те калибра на одном валке, мм зазора между валками, мм

500 0.60 0,50 0.40 0J5. 0.55 0,30 -

0,60 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20

, 1000 1.30 1,00 9,80 1.10 BJ5 ■ 0.42 0.26

1,60 1,00 0,90 0,60 0,40 0,30 0,10

1500 2,20 1.30 1.10 1.50 0,85 0.51 -

2,40 1,40 1,20 0,80 0,50 0,40

2000 2.60 1.40 1.30 1.75 0.90 0,60 Ш

3,20 1,80 1,50 1,00 0,60 0,50 . 0,20

ЗООО 3,00 Ш 1,50 2.0р 1.00 0,72 Ш

4,00 2,20 1,80 1,20 0,70 0,60 0,30

4009 3,20 Ш 1.80 2.15 Ш • Ш <ш

4,80 2,60 -2,10 1,40 0,80 0,70 0,40

5000 Ш 1.90 .2.00- 2.25 1,12 , , т 0.34

5,60 3,00 2,40 1,60 0,90 0,80 0,50

100»! 4,00 2.20 2,50 2.45 1.28 : 1.20 Ш

6,40 3 40 2,70 1,80 1,10 0,90 0,60

15000, ' 4.70 2,40 З.ОО 2.65 Ш L25 0.47

7,20 3,80 3,00 2,00 1,20 1,00 0,70

20000 5,50 2.70 3.50 Ш Ш 1.44 Ш

8,00 4,20 4,20 3,30 . 2,20 1,30 0,80

24000 11.40 10.20 4,00 3.00 L5Q . L5fi 0,60

• 8,80 4,60 3,60 2,40 1,40 МО 0,90

Проектом предусмотрено применение трафитосодержащей смазки ДДП - 2 фирмы « Лонза», в сочетании с антиокислительным порошком «Сидеокс» фирмы «Сиким», который вдувается внутрь гильзы сжатым азотом.

В соответствии с проектной технологией предполагалось, что уменьшение диаметра оправок в результате износа на наиболее нагруженных участках под клетями 1 - 4 будет невелико и стойкость оправок будет 3000- 3800 шт. труб. Однако фактическая стойкость оправок составила в 1991 г. 900-1200 шт. труб (инструмент инофирмы) и 420 -

Таблица 3

Точность труб, прокатанных на непрерывном стане при различных калибровках валков ( непрерывнолитая квадратная заготовка из стали 20, 1ЗГФА, 09Г2С ).

Условный шифр калибровки Номинальный размер труб, мм Оср, мм ДО, мм ЛОЛЭМАХ % Бср, мм Д8, мм АЯ/Эмах, %

212 168x10,3 168,05 1,1 0,58 10,64 1,33 12,5

235 219,1x8,1 219,8 1,2 0,42 8,05 1,2 12,3

' - 288 273,1x20 272,6 1,6 0,58 20,10 2,2 и,з

372 325x10 325,2 0,9 0,3 10,9 2,1 16,5

444 ' 426x10 426,1 1,1 0,26 10,2 1,6 • 15,9

1300 шт. труб ( отечественный инструмент ).

Используя общие положения теоретического анализа процесса продольной прокатки, изложенные в работах В.И. Данченко и др. автором выполнен анализ контактного взаимодействия трубы и удерживаемой оправки при прокатке в непрерывном стане и получено уравнение для определения удельной работы сил трения на удерживаемой оправке ъ в очаге деформации 1 - той клети :

где : Уопр, V; , Ун - соответственно скорости оправки, металла в рассматриваемой клети и трубы на выходе га стана;

1п> длина трубы; 1

Бо - диаметр оправки;

<Зуо - усилие удерживания оправки;

1о - длина очага деформации;

к - коэффициент охвата периметра оправки трубой.

Установлено, что поверхность оправки с хромовым покрытием выдерживает разовые нагрузки на уровне а( = 3,2 - 4,0 Втс/мм2 без пилимых следов износа, который не превышает % = 4,0 Вт-с/мм2 во всех клетях при минимальном соотношении Уопр/ У(, = 0,1, что соответствует минимальной скорости оправки Уопр = 0,30 - 0,45 м/с. При нагрузке

близкой к 4,0 кВт с/мм2 на хромовом покрытии начинается зарождение разрушительного износа. При значениях Уопр/Ун <0,1 нагрузки резко возрастают, достигая при \,опр/\;[1 = 0 (прокатка на неподвижной оправке ) значений = 75 - 335 Вт-с/мм2. В процессе прокатки на непрерывном стане отдельные участки оправки проходят через несколько очагов деформации и накопленная при этом работа удельных сил трешг' достигает максимачьных значений а, = 6,7 - 7,0 Вт с/мм2 на участках 6,5 - 8,5 к 6,5 - 9,5 м от переднего торца оправок диам. 425 и. 195 мм.

Результаты экспериментальных исследований износа оправок по длуи« ;и твердости поверхности практически совпадают с характером изменения накопленной работы сил - трения на оправке. При этом, ■исходнги; твердость } менынается максимально ( ~ на 20 %) на участках, находящихся на расстоянии 5 - 7 м от переднего торца оправки, где.в процессе эксплуатации происходит разупрочнение поверхностных слоев металла оправки и, как следствие этого, повышенный ее износ.

Локальное уменьшение диаметра оправки в результате износа приводит к изменению толщины стенки по длине трубы, что подтвер-' ждено экспериментальными исследованиями при прокатке труб БтхЗт -168x10; 2)9x9,0; 325x10; 426x12 мм. Например при прокатке труб ОтхЗг = 426x12 мм на оправках с повышенным локальным износом ( более 5,0 мм ) отмечены значительные в 1,4 - 5,0 раза колебаши усилия : в I клети от 2,70 до 3,70 МП, во И клети от 3,70 до 720 МП, в III клети от 2,00 до 410 МП; средняя толщина стенки по длине трубы изменялась с 11,3 до 14,3 мм, а общее поле разброса толщины стенки составляло ± 23 %.

Для каждого типоразмера оправок определены максимально допустимые нагрузки - уровень накопленной работы сил трения и пре-, дельные величины их максимального износа : не более 3,0 мм для

Do>370 мм , которые допускаются при работе непрерывного стана без корректировки его настроечных параметров. При этом обеспечиваются: условия получения труб с заданным уровнем точности по толщине (Стенки, монотонность износа оправок, не происходит «прихватывания» трубы к оправке и не образуются дефекты -«кометы» на ее рабочей поверхности.

Результаты исследований по износостойкости частично удерживаемых оправок непрерывного стана послужили основой для разработки новых конструкций оправок: составных и полых из экономйолегиро-ванных материалов. Конструкция составной оправки позволяет использовать вышедшие из строя оправки, что способствует продлению срока службы материала и снижению стоимости дорогостоящего инструмента. Стойкость составной оправки оказалась на уровне стойкости штатных оправок, раскручивания и поломки в месте соединения не наблюдалось. Данная технология позволяет повторно использовать оправки ВТЗ, применяя для этого бездефектные участки оправок, вышедших из строя.

Разработана конструкция полой оправки из экономнолегирован-ных сталей типа 15ХЗГНМ, изготовление которой осуществлено на ВТЗ по следующей технологической схеме : выплавка заготовки 240x240 мм -» прокатка на ТПА 159 - 426 в трубы DtxSj = 188x32 мм длиной 16 м -» механическая обработка -> отпуск при tom =300 °С (твердость на поверхности 350 - 390 НВ ) -» правка -»• механическая обработка ( нарезка резьбы ) ультразвуковой контроль —» нанесение покрытия. Опьггные оправки диам. 175 мм с толщиной стенки 28 - 30 мм были испытаны на ТПА 159 -426 при прокатке партии 1445,09 тн труб DtxSt = 159x6 - 8 мм. Потери устойчивости процесса и поломок оправок при испытании не было, их стойкость была на уровне стойкости штатных

оправок. Геометрические размеры полученных труб удовлетворяют требованиям ГОСТ 8732.

Опытно - промышленные испытания оправки показали правильность выбора материала (15ХЗГНМ ) для их изготовления.

На полых оправках диаметром 175 мм, изготовленных из стали 15ХЗГНМ, прокатана промышленная партия труб на экспорт. Экономи ческий эффект составил ~ 730 млн. руб.( в ценах 1994 г.).

I В связи с отсутствием в отечественной практике производства графитосодержащих смазок автором разработана смазка на основе триполнфосфата с добавками буры и хлористого натрия}

. которая успешно прошла опытно - промышленное опробование в 1992 .\ и внедрена на непрерывном стане. Применение графитосодержащей смазки в сочетании со смазкой на основе триполнфосфата на непрерывном стане обеспечило достаточно высокую стойкость оправок и хорошее качество внутренней поверхности труб и позволило отказаться с 1992 года от импортных закупок смазок фирмы «Лонза».

Разработка и освоение технологии производства газонефтепровод-цих труб ответственного назначения на ТПА159 - 426.

До 1995 г. бесшовные трубы диам. 426 мм для газопроводов, газ-лифтных систем, обустройства нефтяных и газовых месторождений Северных районов закупались за рубежом. С пуском электрометаллургического комплекса ВТЗ появилась возможность производить такие трубы в России из непрерывнолитой заготовки без предварительной деформации на сортовых станах. .

В результате проведенных исследований разработаны технологические режимы производства квадратных трубных заготовок ( положит, решение по заявке №95118593/02 ) и прокатки газлифгных труб на ТПА

159-426 из стали 13ГФА с повышенными требованиями к геометрическим размерам и механическим свойствам, высокой хладо- и коррозионной стойкостью в среде сероводорода.

При производстве труб из непрерывнолитой квадратной заготовки достигаются большие деформации ( рг й 15 ), при которых хорошо прорабатывается исходная литая структура металла и достигаются высокие механические свойства горячедеформированных труб. Основная часть сортамента труб прокатывается, на стане-элонгаторе на «посад»,тогда как проработка труб Е^хБт = 426x10 - 16 мм осуществляется с раскаткой на «подъем » и увеличением диаметра гильзы с 436 до 490мм(та5*.4).

Как показали исследования, на элонгатор поступают стаканы с практически ровным и перпендикулярным их оси торцом, однако место наименьшей толщины дна стакана не совпадает с его центром, поперечная разностенность наблюдается у дна стакана на участке, ми, нимальная длина которого равна длине оправки. При прокатке стакана в очаге деформации элонгатора имеются две зоны ( рис. 2 ) : зона 1 обкатки полого тела без оправки и зона П раскатки стенки на оправке.

Таблица 4.

Размеры изделий и деформационные параметры

Изделие Размеры, мм; деформационные параметры

Заготовка, квадрат 240 мм 300 им 360 мм

Стакан после стана прессвалковой про- 1ШФХИ 284x11 мм ' (1=1,20 355 х 88,1мм (1 - 1,20 436 х 105 мм ц= 1,176

Гильза после стана-элонгатора 257 х 23,5мм Калибр 212 (1-2,76 ' ДО«-9,5% 281 х 24,5мм Калибр 235 (1=2,41 339 х 27,5мм Калибр 288 (1=2,76 Л1>=-4,5% 426 х 30,5 мм Калибр 372 (1=2,88 490 х 27,5мм Калибр 444 (1=2,73 ЛП-12,4%

Труба после непрерывного стана МРМ 212 х 4,7мм 235 х 5мм 288 х 6,25мм (1=4,87 372 х 7,7мм (1=4,31 444 х 8,6мм (1=3,41

Труба поспс ичвле-кз- телыю-калпбр. стека 159-ШЛмм ЛСИ24,1-10,3 193,7-220,2м« «016,5-5,1°/ 244,5-274,Зм1ч ДГМ4-3,5% 298,5-351мм Л1»= 13,8-4,4°/ 377-426мм ДП-14-2,8%

Обкатка гильзы сопровождается более интенсивным снижением поперечной разностенности, чем раскатка на оправке. При обжатии во входном конусе донного участка по его оси происходит разрушение металла с образованием канала определенного диаметра.

Схема деформации заготовки в эловгаторе.

направление

а - прокатка средней части стакана; б - прошивка дна. Рис. 2

Определяющее влияние на деформацшо концевого участка оказывает положение оправки, искажение геометрической формы заднего , конца труб определяется, в основном, смещением ДЬ носка оправки относительно оси стакана в момент окончання процесса раскатки. На протяжении всего цикла прошивки стакана смещение оправки в метал* ле, заполняющем очаг деформации, осуществляется путем постоянного ее «дрейфа», который сопровождается смещением носка относительно оси стакана и изменением угла у между осями оправки и стакана.

В результате исследований было установлено, что на величину смещения ЛЬ влияют : неравномерность распределения температуры нагрева по сечению н длине заготовок; искривление оправочного стержня; недостаточная жесткость зажатия стержня центрователями; состояние поверхности оправок; несовпадение оси оправки и стержня с осью калибра; песовмещенне оси проводок с осью калибра. Величина' смещеш/я АЬ также зависит от длительности прошивки донышка стака-

на, которая равна 9; 10,6 и 14,5 с для заготовок со стороной 240, 300 и 360 мм. Прошивка стаканов большего диаметра осуществляется в наиболее неблагоприятных условиях. Задний конец гильзы имеет ^повышенную поперечную разностенность и бесформенный поясок металла - « воротник », величина которого возрастает при дальнейшей . прокатке в непрерывном стане и сопровождается разрывами, наслоениями, отстающими от общей массы кусками.

В работе достаточно подробно описан механизм образования и развития поперечной разностенности задних концов гильз и труб по всему технологическому переделу: стан ПВП-»элонгатор -» непрерывный 7 клетьевой стан ->10 клетьевой извлекательно - калибровочный стан ; рекомендованы режимы и параметры настройки оборудования, обеспечивающие получение труб с минимальной поперечной разно-стенностью и снижение обрези задних концов труб ( табл. 5 ).

, Механические свойства труб в горячекатаном состоянии и после , 1 улучшающей термической обработай: закалка при 940 °С и отпуск при . • 690 °С (табл. 6) соответствуют требованиям второй категории прочно-

Таблица 5

Геометрические параметры труб Втх8т = 426x12 мм из стали 13ГФА.

Показатели Предельные отклонения дам труб, %

ГОСТ 8731 Стандарт АРХ5Ь ТУ 1618 Фактические результаты

АО/0,„и,% +1,0 . +0,75 -0,5 -0,4

-1,0 -0,75 +1,0 +0,6

ЛЯ/Я,,,»,"/« +12,5 +15,0 -10 -6

: -15,0 ^ -12,5 " +10 +10

Овальность, мм 2,0 1,5 1,5 .0,6

Разностенностъ 25 25 . 20 15

ста как в горячекатан ом, так и в термообработанном состоянии. Горячекатаные трубы из стали 13ГФА соответствуют категории прочности Х42, а закаленные и отпущенные - категории прочности Х52 стандарта API 5L. Проведенные испытания стойкости труб к сероводородному растрескиванию, которая определялась по методике NACE ТМ 02 -84 ( блистеринг) и NACE MR 01 - 75 и ТМ 01-77 ( стойкость к коррозии под напряжением ) показали удовлетворительную стойкость горячекатаных и улучшенных труб к коррозионным повреждениям в сероводородных средах.

По результатам данной работы изготовлены опытно - промышленные партии труб 426x12 мм из стали 13ГФА для трубопроводов с рабочим давлением до 50 МПа в хладостойком исполнении для уело -вий эксплуатации минус 60 °С , которые успешно прошли испытания, в трассовых условиях. •

Таблица 6

' Механические свойства труб из стали 13ГФА в горячекатаном и улучшенном состоянии

Вид термо -обработки 00,2 Мпа ; Мпа 5, % KCV5. Дж/см KCU"60, Дж/см3

Горячекатаный 320 -382" 352 452 - 500 485 24-28 26 47-137 68 40-136 60

Закалка + отпуск 360 - 400 382 480- 520 507 • 32 -3? 35 251-303 287 206-292 262

Требования ТУ 14-3-16188911 кат. (не менее) 290 471 22 24,5 39,2

х - в числителе приведен min - шах, в знаменателе - средние значения полученных величин.

Разработанная технология производства бесшовных труб DxxSr - 426x12 мм из коррозионносгойкой стали внедрена на Волжском трубном заводе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель расчета энергетических параметров прессвалковои прошивки квадратных заготовок, позволяющая определить необходимый уровень энергетического обеспечения для устойчивого протекания процесса. Установлено, что необходимое для стана ПВП ВТЗ давление на толкателе должно быть на ~ 15 % больше значений, рекомендованных фирменной моделью для прошивки квадрата 360x360 мм.

Уточнена методика расчета технологических и настроечных параметров стана ПВП ТПА 159 - 42б, применение которой обеспечивает устойчивый захват и стабильность процесса прошивки и снижение до 20 % разностенносги стаканов - гильз. Адекватность математической модели подтверждена сопоставлением расчетов с экспериментальными данными.

2.В результате комплексных исследований температурных условий металла в очаге деформации и износа валков в каждой клети непрерывного стана определены их величины, обеспечивающие - равномерность износа технологического инструмента и скорректированы режимы настройки непрерывного стана с использованием локальной автоматизированной информационной подсистемы технологического инструмента ( АСУ ТП ), что позволило обеспечить производство труб проектного сортамента в соответствии с требованиями отечественных и зарубежных стандартов.

3. Выполнен анализ условий трения на контактной поверхности металла с удерживаемой оправкой и изучены основные закономерности износа оправок непрерывного стана. Показано, что поверхность оправок выдерживает разовые нагрузки ( работу сил трения ) на уровне 3,2 - 4,0 Вт-с/мм2 без видимых следов износа при минимальном соотношении Vonp/Vit > 0,1, что соответствует VonpMm = 0,30 - 0,45 м/с.

Разработаны и внедрены конструкции износостойких оправок из экономнолегированного материала -" стали 15ХЗГНМ- и эффективные технологические смазки, обеспечивающие высокое качество внутренней поверхности труб , что позволило опт заться от импортных закупок смазок фирмы «Лонза». Экономический эффект ог применения полых оправок диам. 175 мм из стали 15ХЗГНМ при прокатке промышленной партии труб на экспорт составил ~ 730 млн. руб. (в ценах 1993г.).

4. Исследован процесс образования повышенной поперечной разностенности и кривизны задних концов гильз и труб по всему технологическому переделу: стан ПВП -> элонгатор непрерывный 7 клетьевой стан 10 клетьевой извлекательно -калибровочный стан; определены режимы и параметры настройки оборудования ТПА 159- 426, обеспечивающие получение труб с минимальной поперечной раэностенностью и снижение обрези задних концов труб.

5. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований на ТПА 159 - 426 ВТЗ внедрены технологические рекомендации н новые технические решения, включающие рациональные режимы прессвалковой прошивки, раскатки на стане - элонгаторе и непрерывном стане с удерживаемой

оправкой, технологический инструмент - оправки непрерывного стан, а также режимы производства непрерывнолитой квадратной трубной заготовки из коррозионностойких сталей типа 13ГФА н уотовых труб DtxSt = 426x12 мм, отвечающих требованиям отечественных и международных стандартов качества.

Основное содержание работы изложено в работах:

1.Чикалов С.Г. Исследование технологических параметров прокатки труб на ТПА 159 - 426 с непрерывным станом и прессвалковой прошивкой. Обзор, информ. «Черметинформация », М.,1996, 46 а

2.Чикалов С.Г. Освоение производства горячекатаных труб диаметром 426 мм для РАО « Газпром » на Волжском трубном заводе. Черная металлургия, Бюллетень научно - технической информации N3 (1163),«Черметинформация»,М., 1996.

3.Фролочкин В.В., Чикалов С.Г. Опыт внедрения международной системы качества. В сб.: « Технический прогресс в трубном производстве»,-М„ МИСиС,1995.с. 37 -40.

4.Тазетдинов В.И., Чикалов С.Г. и др. Производство труб по стандартам американского нефтяного института (API) 5L.5CT и 5В. В сб.: «Технический прогресс в трубном производстве», -М.,МИСиС,1995, с. 40-44.

5. Чикалов С.Г., Чучвага А.П. Исследование стойкости оправок непрерывного стана агрегата ТПА 159 -426. Черная металлургия. Бюллетень научно - технической информации N 4, «Чермепшформация», М., 1996.

6. Чикалов.С.Г., Харламов А.Я., Кузнецов В.Ю. Особенности производства и качества труб различного назначения из непрерывнолитой -заготовки круглого и квадратного сечений в

АООТ « Волжский трубный завод». В сб.: « Труды четвертого конгресса сталеплавильщиков», Москва, 1996, с. 102

7. Уланов О.Д., Фролочкин В.В., Чикалов С.Г. и др. Освоение процесса прокатки труб на ТПА 159 - 426. В сб.: «Технический прогресс в трубном производстве», - М.: МИСиС, 1995, с.73 -81.

8. Кузнецов В.Ю., Зимовец В.Г., Чикалов С.Г. и др. Освоение производства труб ответственного, назначения .- В сб. : « Технический прогресс в трубном производстве»,-М.: МИСиС,1995, с. 87-93.

9. Чучвага А.П., Кузнецов В.Ю., Чикалов С.Г. и др. Новая технология производства оправок непрерывного стана Til А 159 -426.- В сб.; «Технический прогресс в трубном производстве».-М.:МИ-СиСД??5,с.93 -97.

Ю. Освоение технологии производства труб нефтяного сортамента на ТПА 159 -26 электромепашгургического комплекса ВТЗ ./Лгаев P.A., Сафонов A.A., Кузнецов В.Ю., Чикалов С.Г. и др./.- Тезисы докладов Всесоюзного отраслевого совещания « Проблемы развития технологии и прогрессивного оборудования для производства стальных, чугунных труб и баллонов». -М.: « Чермстицформация», 1990,с.51.

11.Исследование точности труб на ТПА 159 - 426 / Головачук А.Н., Черный В.Н., Чикалов С.Г. и др. /.- Тезисы докладов Всесоюзного отраслевого совещания «Проблемы развития технологии и прогрессивного оборудования для производства стальных, чугунных .труб и баллонов» . - М.: «Чермегинфорация» , 1990, с.57 -58.

12. Новая технологическая смазка оправок непрерывного стана ТПА - 426 / Евсюкова Г.А., Гуляев Г.И., Чикалов С.Г. и др./ - Тезисы

докладов Всесоюзного отраслевого совещания « Проблемы

(

развития технологии и прогрессивного оборудования для , производства стальных, чугунных труб и баллонов». • М.: .« Черметинформация», 1990,с.97.

13. Чикалов С.Г., Павловский Б.Г. и др. Способ винтового Элонгирования . A.c. № 1811923. Бюл. 1993, №16.

14. Чикалов С.Г. и др. Валок для поперечно - винтовой прокатки. A.c. № 1796307. Бюл. 1993, №7.

15. Кузнецов В.Ю., Чикалов С.Г. и др. Способ производства трубной стали. Положительное решение на заявку №95118593 02 ( 032725), 1996.

Подписано в печать № заказа 72

Ус. издат. листов

Тираж (00

Московский институт стали и сплавов 117936, Москва, Ленинский проспект, 4 Типография МИСиС, ул. Орджоникидзе 8/9