автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Повышение эффективности производства сварных труб на основе теории непрерывного формоизменения и создания способов и устройств компактных станов ТЭСА

московский

ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

УДК 621.774

САМУСЕВ Сергей Владимирович

Повышение эффективности производства сварных труб на основе развития теории непрерывного формоизменения и создания способов и устройств компактных станов ТЭСА

Специальность _0505-«0бработка металлов давлением»

- 1 V"-- г д г . 7~......

£^&8МгИ!ние ученои

еских наук

Москва 2 000

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

6

1. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ФОРМОВКЕ 3

1.1. Современное состояние и вопросы совершенствования теории и практики процесса производства сварных труб и профилей в

1.2. Методика исследования и расчет напряженно-деформированного состояния полосы при ее непрерывной формовке в трубную заготовку

1.3. Методика исследования распружинивания трубной

92

заготовки - ^^

1.4. Исследование напряженно-деформированного состояния заготовки при производстве сварных труб и кабельных оболочек ^6

1.5. Экспериментальные исследования процесса формовки

сварных труб и профилей &&

1 & Выводы по главе 1

2. РАСЧЕТ КАЛИБРОВКИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ СВОРАЧИВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА зв

2.1. Принципы расчета калибровки и габаритов технологического инструмента

2.2. Расчет калибровки для различных производств сварных труб и профилей ^^

¿н

Выводы по главе 2

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ УЧЕТА КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНСТРУМЕНТА И ЗАГОТОВКИ ДЛЯ МНОГОРАДИУСНЫХ КАЛИБРОВОК ТЭСА ^^

3.1. Методика определения контактных площадей 11 (С

3.2. Методика расчета энергосиловых параметров процесса непрерывного формообразования сварных труб и профилей 41$

3.3. Экспериментальное исследование энергосиловых параметров при непрерывной формовке

Выводы по главе 3

4. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСИЛОВЫМИ ПАРАМЕТРАМИ, ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СТАНОВ ТЭСА 445~

4.1. Управление энергосиловыми параметрами при производстве сварных профилей 4УЪ

4.2. Алгоритм повышения эффективности производства сварных профилей высокого качества 461

Выводы по главе 4 ^^

5. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СВАРНЫХ ТРУБ И ПРОФИЛЕЙ ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ МАРОК СТАЛЕЙ /66

5.1. Способы диагностики процесса формовки и настройки валков в клетях станов ТЭСА 4£4

5.2. Разработка способов и оборудования для производства электросварных прямошовных труб высокого качества 18%

5.3. Реконструкция формовочных станов АО МТЗ «Филит» и АО «НДТЗ»

5.4. Совершенствование технологии и модернизация профилировочных станов ТЭСА

222

Выводы по главе 5

б. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СВАРНЫХ ТРУБ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

6.1. Разработка технологии (способов) формовки по многорадиусным схемам сворачивания; модернизация ТЭСА АДС 10-60

6.2 Разработка способов и оборудования участка дофор-мовки и сварки линии ТЭСА АДС

6.3.Разработка цепного опорно-сварочного узла для станов ТЭСА АДС ^^

6.4.Разработка технологии и оборудования для производства труб с применением инструмента из эластичного материала

Выводы по главе б

7. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СВАРНЫХ ТРУБ И КАБЕЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

7.1. Разработка технологии и оборудования формовки труб по конусным очагам сворачивания

7.2. Реконструкция формовочного стана ТЭСА АДСТ 15-32Vfc

7.3. Разработка способа траковой формовки и машины для его реализации

7.4. Разработка технологии производства редуцированных кабельных оболочек 3U

77. J

Выводы по главе 7

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Одной из ведущих отраслей черной металлургии является трубная промышленность, которая развивается более быстрыми темпами, чем производство чугуна, стали, проката и метизов. Это объясняется тем, что развитие таких важнейших отраслей народного хозяйства как химия, нефтедобыча и нефтепереработка, добыча природного газа и его транспортировка, машиностроение, автомобилестроение, авиация, сельское хозяйство, атомная энергетика и многие другие отрасли требуют огромного количества труб самого разнообразного сортамента.

Увеличение производства сварных труб объясняется технико-экономическими преимуществами этого метода производства. Сварные трубы, за исключением газо- и нефтепровод-ных с формовкой заготовки на прессах и в вальцах, изготавливают на непрерывных агрегатах, работающих по «бесконечной» схеме формовки, сварки и калибровки. Применение таких агрегатов, с одной стороны, обеспечивает низкую себестоимость сварных труб, позволяет легко совмещать в одной непрерывной технологической линии как изготовление самой трубы, так и ее редуцирование, профилирование, нанесение защитных покрытий. С другой стороны, сварные трубы представляют собой экономичный легкий профиль, материал которого обладает высокими механическими свойствами.

Трубная промышленность России в настоящее время располагает практически всеми наиболее распространенными в мировой практике типоразмерами трубосварочных агрегатов. Дальнейшее развитие трубной промышленности идет по пути разработки и внедрения более совершенных технологических

процессов, существенно повышающих эффективность производства .

Наряду с вводом в эксплуатацию новых агрегатов, многие действующие должны быть реконструированы с учетом современных достижений в области теоретических и технологических разработок и создания нового инструмента и оборудования ТЭСА.

При решении этих проблем возникают определенные трудности, связанные с тем, что недостаточно изучены некоторые вопросы теории и практики процессов непрерывного формоизменения труб в линии различных станов ТЭСА.

Требуется, например, значительно дополнить теоретические и экспериментальные исследования процессов контактного взаимодействия профилированного инструмента и трубной заготовки, с тем, чтобы получить достоверную силовую картину в очагах формоизменения и на основе этого дать достаточно обоснованные рекомендации по форме и размерам очага сворачивания, типу технологического инструмента, виду деформирующего оборудования при производстве тех или иных типоразмеров электросварных труб.

Важной задачей является также разработка различных компоновок оборудования станов ТЭСА.

На защиту выносятся следующие разработки, выполненные автором и отличающиеся научной и технической новизной:

- усовершенствование методики определения напряженно-деформированного состояния трубной заготовки для исследований, расчетов и оценки геометрических параметров очагов деформации. Определение и анализ совокупности факторов, характеризующих валковый очаг деформации и влияющих на качество труб при непрерывной формовке;

- определение критерия оценки проектирования технологического инструмента и принципов прогнозирования изменения калибровки и параметров калибров. Разработка методики расчета геометрических и технологических параметров в деформирующих сечениях цилиндрического и конического очагов сворачивания;

- проведение экспериментальных исследований процессов формоизменения прямошовных сварных труб, профилей и кабельных оболочек. Разработка принципов управления энергосиловыми параметрами непрерывных процессов производства сварных труб и профилей на основе изменения геометрии инструмента, кинематических параметров деформирующего оборудования, определяющих взаимодействие инструмента и заготовки;

- создание рациональных способов диагностики, настройки и непрерывного формоизменения на основе методики расчета деформационных режимов, энергосиловых параметров и геометрии инструмента, обеспечивающих повышение эффективности производства в результате снижения дефектов сварных труб, повышения производительности агрегата и создания компактных станов ТЭСА;

- разработка деформирующих устройств, реализующих настройку инструмента на заданные параметры формоизменения для обеспечения эффективного производства сварных труб в формовочных, редукционно-калибровочных и профилировочных станах ТЭСА;

- разработка и внедрение в промышленных условиях эффективных технических решений для производства сварных труб, профилей и кабельных оболочек для валкового, валко-во-роликового и тракового инструмента на станах ТЭСА различных компоновок.

1. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ФОРМОВКЕ

1.1. Современное состояние и вопросы совершенствования теории и практики процесса производства сварных труб и профилей

Современные ТЭСА представляют собою набор станов с приводными рабочими клетями, оснащенными профилированными калибрами формовочного, сварочного, калибровочного, редукционно - калибровочного и профилировочного станов.

При непрерывной формовке полосы в трубную заготовку в валковых калибрах в ее кромках возникают растягивающие деформации и напряжения.

Тензометрические исследования /1-5/ показали, что продольные деформации полосы на межклетьевом расстоянии, в особенности ее кромок, носят явно выраженный пиковый характер. Пик деформации растяжения кромок располагается на границе зон контактной и неконтактной деформации, т.е. на участке наиболее интенсивного изменения формы поперечных сечений.

В работе /2/ показано, что величина продольной деформации кромки при гибке швеллера пропорциональна первой производной от угла подгибки по длине очага гибки. Вершина пика совпадает с первой точкой контакта кромки с валком, являющейся точкой перегиба для кривой изменения угла подгибки вдоль очага. Таким образом, результаты исследований /1-7/ приводят к выводу, что плавное изменение формы поперечных сечений по длине очага формовки ( т.е. создание очага с монотонным изменением функции, характери-

зующей степень подгибки полосы) позволит устранить пик деформации кромок полосы.

В настоящее время общепризнанно, что возникающее при формовке в формовочном стане обычной конструкции значительное пластическое растяжение кромок полосы приводит к гофрообразованию, которое затрудняет или делает невозможным последующую сварку трубной заготовки. Для уменьшения неравномерности деформации кромок по длине очага формовки и улучшения качества электросварных труб в отечественной и зарубежной практике широко применяют замену горизонтальных приводных клетей группами вертикальных клетей /8/, что позволяет осуществлять подгибку полосы в стане более плавно.

Анализ патентной и научно-технической литературы позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время в конструкциях трубоформовочных станов наблюдается отход от валкового инструмента, в особенности при производстве тонкостенных сварных труб. Вместо валкового инструмента предлагают применять инструмент скольжения /9/, цепного типа /10/ и роликовый инструмент /11-16/.

Современная тенденция к практической реализации на станах монотонного очага формовки делает актуальным изучение подобных очагов с целью выявления основных закономерностей деформированного состояния полосы в зависимости от формы очага сворачивания, соотношения его геометрических размеров и калибровки деформирующего инструмента /17-22/.

В зависимости от деформированного состояния полосы находят энергосиловые параметры ТЭСА. Их значение в настоящее время возрастает в связи с реконструкцией действующих станов, приводящей к отключению привода ряда фор-

мовочных клетей. Поэтому возникает вопрос о возможности формовки и протягивания полосы оставшимися приводными формовочными и калибровочными клетями.

В работах /23,24/ предложено определять энергосиловые параметры формовки, используя зависимость между работой, затрачиваемой на гиб полосы, и полной работой, производимой клетью.

Решая совместно данные уравнения, авторы получают выражения для определения суммарного крутящего момента на приводных валках, выполненным по различным типам калибровки. Однако коэффициент «К» определен на основании экспериментальных данных, приведенных в работах, и может колебаться в широких пределах (5-14), что снижает точность расчетов по приведенной методике.

Метод расчета энергосиловых параметров, основанный на определении минимально необходимого давления подчеканки для создания усилия протягивания полосы через формовочные клети /25/, позволяет получить более точные данные для расчета.

Другой подход к определению энергосиловых параметров заключается в определении крутящих моментов путем интегрирования удельных давлений, распределенных по площади контакта.

В работе /2 6/ для определения крутящего момента на двух приводных валках предложены зависимости с учетом контактных площадей, однако автор рассчитывает площадь контакта только для входящей полосы и только для открытых клетей, что снижает точность расчетов и не позволяет рассчитывать крутящие моменты в закрытых клетях.

В работах /27,28/ авторами предложено определять крутящие моменты на валах двигателя из равенства проекции

всех сил на ось формовки, однако считают, что на всей поверхности валка находится только зона опережения.

В работе /2 9/ автором теоретически рассчитана энергия, необходимая для изгиба трубной заготовки. При этом показано, что только несколько процентов энергии идет на изгиб, остальная часть затрачивается на трение между инструментом и лентой и на дополнительную нежелательную деформацию полосы.

Таким образом, при расчете энергосиловых параметров авторами не учитывается работа на доформовку распружинен-ной трубной заготовки, не учитывается контактное взаимодействие заготовки и профилированного технологического инструмента, не учитывается влияние кинематических параметров на деформацию полосы при непрерывном формоизменении в линии станов ТЭСА.

Калибровка инструмента должна обеспечивать минимальную величину деформаций в кромках заготовки для бездефектного формообразования (отсутствие гофров, смещений кромок и др.) /30-34/.

В настоящее время общепризнанно, что возникающие при формовке в стане обычной конструкции значительное пластическое растяжение кромок полосы приводит к гофрообразова-нию, которое делает невозможным последующую сварку трубной заготовки /35-40/.

Для уменьшения неравномерности деформации кромок полосы по длине очага формовки и улучшения качества формовки широко применяют замену горизонтальных традиционных клетей различными комбинациями вертикальных или составных клетей /41-42/.

Впервые вопрос о деформациях, возникающих в полосе в процессе ее формовки в трубную заготовку, был рассмотрен

в работах Емельяненко П.Т. Было показано, что для очага формовки с прямолинейным средним по ширине полосы волокном в кромках полосы возникают деформации растяжения, величина которых при равных прочих условиях тем больше, чем меньше длина очага формовки. В дальнейшем, экспериментально и теоретически Ю.Ф Шевакиным /30,31/, Б.Д. Жуковским /20,27,43/, И. А. Фомичевым /1,3/ было установлено, что эпюра продольных деформаций в поперечном сечении очага формовки с прямолинейным средним волокном имеет как зоны растяжения, так и зоны сжатия и интегральная площадь эпюры близка к нулю.

Дальнейшим шагом в развитии методов расчета пластического формоизменения полосы в формовочных станах явились работы Г.А. Смирнова-Аляева и Г.Я. Гуна /43-46/, Ю.М. Матвеева /31,34/, Е.М. Халамеза /23,24,47/, в которых изложена методика определения деформированного состояния листового материала при его конечном формоизменении.

Однако к недостаткам перечисленных методик можно отнести выбор упрощенных уравнений соответствия начальных и текущих координат точки заготовки, что снизило ценность предложенных методик и привело к разработке значительного количества практических методик расчета калибровок инструмента по кривым радиусов сворачивания.

В МИСиС проф. В.А. Рымовым предложен новый подход в расчете параметров напряженно-деформированного состояния полосы при ее формовке в трубную заготовку с использованием эйлеро-лагранжевых координат /6,18,41,42,48-50/.

Эта методика была реализована для упругой среды, для однорадиусной схемы сворачивания и не учитывала распружи-нивания профиля в процессе его формовки.

В дальнейшем было высказано предположение о том, что одной правильно реализованной калибровки недостаточно для получения качественной продукции в линии ТЭСА; и что весомыми составляющими качественного производства являются энергосиловые показатели процесса, непосредственно связанные с контактными условиями взаимодействия приводного инструмента и заготовки по всей линии станов ТЭСА.

Данная идея получила развитие в настоящей работе. Важным направлением исследования явилась разр�