автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка и моделирование нового способа обжатия непрерывно-литой заготовки при производстве труб нефтяного сортамента

На нравах рукописи

ПАВЛОВ ДМИТРИИ АНДРЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ НОВОГО СПОСОБА ОБЖАТИЯ НЕПРЕРЫВНО-ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ НЕФТЯНОГО СОРТАМЕНТА

Специальность 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ДЕК 2013

005543224

Екатеринбург - 2013

005543224

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Богатое Александр Александрович Официальные оппоненты:

Паршин Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента Б.Н. Ельцина», заведующий кафедрой «Металлургические и роторные машины»

Смирнов Николай Аркадьевич, кандидат технических наук, ОАО «Уралгипромез» (Екатеринбург), заместитель начальника трубопрокатного отдела.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет)

Защита диссертации состоится «27» декабря 2013 г. в 15 часов 00 мин на заседании Диссертационного совета Д212.285.04 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28, в ауд. Мт-329.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета

JI.A. Мальцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время при производстве труб используется как катаная, так и непрерывно-литая заготовка. Использование непрерывно-литой заготовки является экономически более выгодным, так как при этом исключается дополнительная операция прокатки. Кроме того применение непрерывно-литых заготовок позволяет значительно уменьшить обрезь металла, увеличить выход годного, повысить производительность трубопрокатного агрегата и улучшить условия труда. Таким образом, для трубных заводов актуальной задачей на сегодняшней день является разработка технологии производства труб из непрерывно-литой заготовки. На ТПА-80 ОАО «СинТЗ» была разработана технология производства труб из непрерывно-литой заготовки. В линии ТПА был установлен трехвалковый обжимной стан радиально-сдвиговой прокатки (РСП). В результате модернизации существующей технологии производства труб на ТПА-80 достигнуто снижение себестоимости труб на 10%, повышена производительность агрегата на 15%, увеличен выход годного с 98,8% до 99,08%. Применение непрерывно-литых заготовок после обжатия позволило улучшить условия прошивки, в результате чего уменьшилась разностенность получаемых гильз в среднем на 1-2%, а износостойкость линеек повысилась на 810%. Были найдены рациональные режимы обжатия непрерывно-литой заготовки диаметром 156 мм до диаметра 120 мм, которые обеспечили получение мелкозернистой структуры стали перед прошивкой. При освоении новой технологии возникла проблема, связанная с образованием утяжин на концах заготовки после РСП, являющихся причиной отрыва кольцевых отслоений при прошивке и увеличения объема брака по вмятинам на поверхности труб. Для минимизации глубины утяжин и снижения уровня брака труб по вмятинам эффективным является профилирование заднего конца непрерывно-литой заготовки в процессе радиально-сдвиговой прокатки на трехвалковом обжимном стане. Однако для реализации процесса профилирования заднего конца заготовки требуется произвести реконструкцию входной стороны трехвалкового обжимного стана. В связи с этим разработка эффективной технологии производства труб

нефтяного сортамента из непрерывно-литых заготовок с использованием операции профилирования заднего конца заготовки в процессе прокатки в трехвалковом обжимном стане радиально-сдвиговой прокатки является актуальной научно-технической задачей.

Исследование производилось в рамках договора с ОАО «СинТЗ» №130011001208/075,а также программы поддержки молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ на 2010 - 2020 годы (по договорам № 1.2.1.5./58 от01.07.2012 г. и№ 1.2.1.5./58 от27.05.2013 г.).

Цели и задачи работы. Целью работы является повышение качества труб из непрерывно-литой заготовки за счет минимизации глубины утяжины на заднем торце заготовки в процессе радиально-сдвиговой прокатки. Для достижения указанной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

- разработать новый способ обжатия непрерывно-литой заготовки в трехвалковом стане РСП с целью повышения качества труб, изготавливаемых на ТПА-80;

- исследовать формоизменение заготовки в процессе прокатки в трехвалковом обжимном стане с целью поиска оптимальной формы заднего конца, позволяющего минимизировать глубину утяжин на заднем торце заготовки;

- произвести физическое и математическое моделирование нового процесса обжатия заготовки с целью поиска оптимальной калибровки инструмента деформации и режимов обжатия для получения требуемой формы заднего конца заготовки;

- изучить влияние температурных полей на формоизменение концевой части заготовки;

- составить технологическое задание на разработку эскизного проекта реконструкции оборудования входной стороны обжимного стана ТПА-80.

Научная новизна, ценность для науки и практики:

- установлены влияние формы конца заготовки на глубину утяжины и толщина кольцевого отслоения, образующихся соответственно при прокатке в трехвалковом обжимном и прошивном станах;

э

- разработан новый способ обжатия, в ходе которого процессы профилирования заднего конца заготовки в виде усеченного конуса и прокатки в трехвалковом обжимном стане происходят одновременно;

- установлены закономерности формоизменения металла заготовки в процессе профилирования конца заготовки и даны рекомендации по разработке калибровки бойков и режимам обжатия;

- определено влияние температурных полей на формоизменение концевой части заготовки.

Практическую ценность представляют следующие результаты работы:

- основные технические требования и чертежи эскизного проекта реконструкции входной стороны трехвалкового обжимного стана ОАО «СинТЗ»;

- рабочий проект устройства для моделирования процесса профилирования заднего конца заготовки на трехвалковом обжимном стане;

- калибровка инструмента деформации и режимы обжатия, позволяющие получать требуемую, с точки зрения минимизации глубины утяжины, форму заднего конца заготовки перед процессом прокатки в трехвалковом обжимном стане радиалыю-сдвиговой прокатки.

Методы исследования и достоверность результатов. Для исследования процессов профилирования конца заготовки и прокатки в трехвалковом обжимном стане использовались математическое моделирование, физическое моделирование, а также промышленные испытания. Математическое моделирование было проведено с помощью программного комплекса ОеРогш-ЗО, основанного на методе конечных элементов, физическое моделирование было проведено на лабораторной установке, при этом в качестве материала для моделирования использовался скульптурный пластилин. Промышленные испытания были проведены на ТПА-80 ОАО «СинТЗ». Результаты исследования,

полученные в ходе математического моделирования близки к результатам промышленных испытаний.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается сходимостью расчетных данных с результатами промышленных и лабораторных экспериментов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке технологического задания на реконструкцию оборудования входной стороны трехвалкового обжимного стана ТПА-80 ОАО «СинТЗ» и при модернизации лабораторного трехвалкового стана кафедры «Обработка металлов давлением» УрФУ.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты доложены и обсуждены на: IX Конгрессе прокатчиков (г. Череповец, 2013); XIV Международной научной конференции «Новые технологии и достижения в металлургии и материаловедении», (г. Ченстохова, 2013); X Международной научно-практической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (г. Санкт-Петербург, 2013); VI международной молодежной научно-практической конференции

«Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина» (г. Екатеринбург, 2012); XVIII Международной промышленной выставке «Металл-ЭКСПО»(г. Москва, 2012).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 2 статьи - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, подготовлена заявка на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок, 8 таблиц, библиографический список из 42 источника, включая зарубежные публикации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулирована цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор литературных источников по рассматриваемой теме и описаны особенности формоизменения металла при радиально-сдвиговой прокатке. Проведен анализ работ таких известных ученых, как Чекмарев А.П., Ваткин Я.Л., Потапов И.Н., Полухин П.И., Смирнов B.C. , Фомичев И.А., Тетерин П.К., Швейкин В.В., Коликов А.П., Никулин А.Н. и др. Особое внимание уделено преимуществам радиально-сдвиговой прокатки перед другими способами деформации. Отмечены такие преимущества, как уплотнение и интенсивность проработки структуры по всему сечению заготовки, возможность получения различные схемы напряженно-деформированного состояния металла заготовок. Подробно рассмотрен вопрос, связанный с формоизменением сплошных круглых заготовок при прокатке на стане радиально-сдвиговой прокатки. Проведено исследование причин образования утяжин на концах заготовки и влияния факторов на их глубину. Кроме того был изучен вопрос, связанный с изменением структуры металла в процессе радиально-сдвиговой прокатки. На основании рассмотренных литературных источников был сделан вывод о том, что для уменьшения неравномерности деформации, максимальной проработки структуры металла в осевой зоне заготовки прокатку следует вести при повышенных углах подачи. Для минимизации глубины утяжины на заднем торце заготовки перед деформацией в стане винтовой прокатки необходимо производить профилирование конца заготовки и принудительно охлаждать наружную поверхность.

Вторая глава посвящена исследованию формоизменения непрерывно-литой заготовки при прокатке в трехвалковом обжимном стане, а также в процессе профилирования ее заднего конца. Кроме того в главе представлены результаты исследования влияния температурных полей на формоизменение концевой части

Оейзпп-Зи осуществлялось при угле подачи валков Р=16°, угле раскатки ср=12°, частоте вращения валков п=80 об/мин и показателе трения \|/=1.

По окончании процесса моделирования производились замеры глубины утяжины, образовавшихся на прокатанных заготовках.

У Схема для измерения заднего торца заготовки

Рисунок 3-Модель трехвалкового после моделирования процесса обжатия обжимного стана в Бейшп-ЗБ представлена на рисунке 4. Было установлено, что с увеличением длины конуса Ь от 0 до 70 мм (рисунок 2) происходит уменьшение средней глубины утяжины от 41,83 до 11,59. Наименьшая глубина утяжины имеет место при прокатке заготовок с усеченным конусом длиной Ь=70 мм.

В главе также дано описание предлагаемого способа профилирования конца заготовки в виде усеченного конуса (рисунок 5). В соответствии с предлагаемым способом процесс профилирования совмещен с прокаткой в трехвалковом обжимном стане. Профилирование заднего конца заготовки 1 осуществляется с помощью инструмента деформации 2 (бойки). Бойки в осевом направлении могут перемещаться со скоростью У2, равной скорости перемещения заготовки V,.

Рисунок 4 - Схема для измерения заднего торца заготовки после моделирования процесса обжатия

1К

1- заготовка; 2 - инструмент деформации (бойки).

Рисунок 5- Принципиальная схема обжатия заднего конца заготовки

Предварительное теоретическое исследование формоизменения металла при профилировании заднего конца заготовки показало, что вариант, когда У]=У2 лучше, чем вариант, когда У2>УЬ так как во втором случае на границе инструмент-деформируемый металл обнаруживается кольцевая область увеличенного диаметра, то есть наплыв металла. В дальнейшем на прошивном стане этот наплыв раскатывается, способствуя увеличению глубины утяжины и повышая вероятность образования части металла в виде полуколец, которые являются основной причиной образования на поверхности труб вмятин.

Математическое моделирование процесса профилирования заднего конца заготовки проведено для разработки калибровки бойков и режимов деформации, которые позволили бы формировать на заднем конце заготовки усеченный конус длиной Ь=70 мм (рисунок 2, г) с целью минимизации глубины утяжины на заднем конце заготовки в процессе прокатки в трехвалковом обжимном стане. Всего было опробовано 4 различных калибровки бойков (рисунок 6, а, б, в, г). Скорость движения бойков в каждой задаче задавалась исходя из времени профилирования заднего конца заготовки в виде усеченного конуса (рисунок 2, г). В таблице 1 представлена матрица задач математического моделирования. Было установлено, что в большинстве задач моделирования процесса профилирования конца заготовки происходит формирование утяжины на торце, что не допустимо, поскольку при прокатке в трехвалковом обжимном стане эти утяжины приобретут

Рисунок 7 - Твердотельная модель устройства для профилирования заднего

конца заготовки

О 0,5 1 1,5 2 2,5

Время профилирования, с

Рисунок 8 — Графики, характеризующие зависимость глубины утяжины от времени профилирования и типа калибровки

Принудительное охлаждение конца заготовки в спреерном устройстве позволяет повысить эффективность процесса профилирования и уменьшить глубину утяжины. Для оценки влияния температурных полей на формоизменение конца заготовки при профилировании была поставлена задача по формоизменению заготовки с наружным охлажденным слоем.

При постановке задачи все исходные параметры: материал заготовки, коэффициенты трения, температура инструмента, количество конечных элементов, частота вращения заготовки, калибровка бойков — были заданны

длиной 70 мм, позволяющего минимизировать глубину утяжины на конце заготовки;

- охлаждение поверхностных слоев металла заготовки в линии ТПА-80 перед профилированием заднего конца является эффективным с точки зрения уменьшения размеров утяжин.

Третья глава посвящена физическому моделированию нового процесса обжатия заготовки. Также в главе показаны результаты исследования влияния формы конца заготовки на ее формоизменение при прокатке в трехвалковом обжимном и прошивном станах в промышленных условиях. Кроме того рассмотрен проект модернизации лабораторного трехвалкового стана винтовой прокатки. Для проведения экспериментов разработано устройство для моделирования процесса профилирования заднего конца заготовки (рисунок 12).

¿-1

(И

корпус; 2 - нажимное устройство; 3 - втулка; 4 - стакан (для крепления заготовки на фрезерном станке); 5 - вкладыши (для закрепления заготовки в стакане); 6 -пластина; 7-боек; 8-рычаг; 9 - винты; 10- винты; 11 -ось; 12 - гайка

Рисунок 12 - Устройство для моделирования процесса профилирования заднего

конца заготовки

длины конуса L от 0 до 70 мм (рисунок 2) средний размер утяжины уменьшается от 38,75 мм до 4,7 мм.

Рисунок 16 - Фото задних концов обжатой заготовки и гильзы (заготовка с выпуклым торцом размером L=25±5mm с R=180mm

На рисунке 17 представлены графики, характеризующие среднюю глубину утяжины hcp в зависимости от варианта формы заднего конца заготовки при промышленном исследовании и моделировании процесса обжатия в программе Deform-3D.

Е

Номер варианта заднего конца ' 1 - промышленное испытание обжатия заготовки с

профилированным задним концом; 2 - моделирование процесса обжатия в программе Оейгап-ЗВ

Рисунок 17 - Графики, характеризующие среднюю глубину утяжины Ьсрв зависимости от варианта формы заднего конца заготовки при промышленном исследовании и моделировании процесса обжатия в программе ОеЯэгт-ЗЭ

Из рисунка 17 видно, что результаты замеров глубины утяжины на практике и при моделировании процесса в программе Deform-3D достаточно близки: разница средней глубины утяжины Ahcp для заготовки с плоским торцом составляет 3,08 мм; для заготовки с выпуклым торцом (L=25 мм, R=180 мм) Ahcp=0,93 мм; для заготовки с усеченным конусом длиной L=40 мм - Ahcp=2,05 мм; для заготовки с усеченным конусом длиной L=70 мм - Ahcp=6,89 мм.

Как показали результаты промышленного исследования процесса отслоения металла на заднем конце гильзы в процессе прошивки при глубине утяжины более 18,5 мм, наблюдается уменьшение толщины кольцевого отслоения и возникает опасность его отрыва, что приводит к образованию на наружной поверхности труб вмятин. Для гильзы, полученной по варианту 1 (рисунок 2, а), кольцевое отслоение из-за незначительной толщины основания (S =0,45...0,65 мм) при прошивке оборвалось. При прошивке обжатой заготовки, изготовленной по второму варианту (рисунок 2, б) образовалось полукольцо на заднем конце гильзы (рисунок 16, б), которое отслоилось от внутренней поверхности гильзы и имело малую толщину (Scp=l,l 1 мм). Толщина кольцевого отслоения металла на гильзах, полученных по третьему и четвертому вариантам, составляют величины одного порядка: Scp=4,2 мм -по третьему варианту (рисунок 2, в) и Scp=5,2 мм - по четвертому варианту (рисунок 2, г). При толщине кольцевого отслоения более 4,2 обрыв кольцевого отслоения маловероятен. В связи с этим можно сделать вывод, что длина спрофилированного конца должна быть более 50 мм.

Дальнейшее совершенствование технологии и повышение технико-экономических показателей ТПА-80 требуют проведения физического моделирования процессов винтовой прокатки. С этой целью на кафедре «Обработка металлов давлением» была произведена модернизация лабораторного стана В-60 с установкой Системы автоматизированного управления трехвалковым станом (АСУ ТС). АСУ ТС реализована на базе современных технических средствах фирмы «Siemens» и строится как многоуровневая структура, состоящая из 3-х уровней (нижний уровень, средний уровень, верхний уровень).

АСУ ТС выполняет следующие основные функции: контроль параметров приводов; сигнализацию при аварийных ситуациях; диагностику оборудования; управление работой стана в ручном и автоматическом режимах; выдачу отчетных документов; индивидуальные блокировки включения приводов; блокировки направления вращения приводов; контроль датчиков и состояния приводов с выдачей аварийных и предупредительных сообщений; в реальном времени сбор, обработку и отображение параметров в виде динамических мнемосхем, диаграмм, таблиц и трендов; производит организацию и ведение архивов технологических параметров и событий.

В результате проведения физического моделирования процесса профилирования заднего конца заготовки и промышленного эксперимента, направленных на выбор оптимальной, с точки зрения получения требуемой формы заднего конца заготовки, калибровки бойков были сделаны следующие выводы:

- при профилировании заготовки диаметром 50 мм из скульптурного пластилина бойками с контактной поверхностью с одним выпуском, выполненной по радиусу в вершине R=25 мм, удается на конце заготовки сформировать усеченный конус требуемой, с точки зрения минимизации глубины утяжины, формы;

- результаты промышленного эксперимента подтверждают результаты, полученные при математическом моделировании. При формировании на заднем конце заготовки усеченного конуса длиной 70 мм удается минимизировать глубину утяжины и исключить обрыв кольцевого отслоения на заднем конце гильзы.

Четвертая глава посвящена разработке технологического задания на реконструкцию входной стороны трехвалкового обжимного стана. В главе разработано техническое задание на реконструкцию входной стороны обжимного стана ТПА-80 ОАО «СинТЗ» с целью совмещения процесса обжатия непрерывно-литой заготовки диаметром 150 мм или 156 мм до диаметра 120 - 123 мм с операцией профилирования заднего конца заготовки в виде усеченного конуса. На

рисунке 18 представлена схема расположения оборудования на входной стороне обжимного стана после реконструкции.

X X В состав оборудования

/ /__обжимного стана входят:

* вталкиватель заготовки 1

(рисунок 18), на котором

шарнирно закрепляются Рисшок 18- Схема расположения оборудования боЙКИ. четь[ре секции

на входной стороне обжимного стана желоба 2; механизм радиальной настройки инструмента деформации для профилирования заднего конца заготовки устанавливается во входной проводке 3. Установка новых механизмов вталкивателя заготовки и радиальной настройки инструмента деформации осуществляется без изменения существующей компоновки основных узлов входного стола обжимного стана.

В главе проведен кинематический расчет процесса профилирования заднего конца заготовки, в ходе которого установлено, что шаг винтовой линии на входной стороне трехвалкового обжимного стана равен 5=60 мм/об. Время прокатки заготовки длиной /=2050 мм составляет 6,73 с, а время формовки заднего конца заготовки - 1-2 с. Длина рабочей части копира нажимного' устройства должна быть не менее 320 мм, а в процессе профилирования конца заготовки совершать «5-10 оборотов, что вполне достаточно для формирования на заднем конце заготовки усеченного конуса с выпуклым торцом.

Новая конструкция вталкивателя представлена на рисунке 19. В пазах корпуса 2 (рисунок 19) вталкивателя установлены три бойка 1, которые являются инструментом деформации. В. процессе деформации вталкиватель перемещается по направляющим желоба переднего стола и входной проводки. При перемещении вталкивателя по профильным планкам нажимного устройство происходит их (бойков) сведение и профилирование заднего конца заготовки.

Рисунок 19 - Новая конструкция вталкивателя

Особенностью предлагаемой конструкции является центрирование заднего конца заготовки по оси прокатки, что обеспечивает профилирование его в виде усеченного конуса в момент контакта бойков и нажимного устройства, установленного во входной проводке.

Новая конструкция желоба (рисунок 20) обеспечивает прием заготовки с наклонной решетки, надежное удержание ее на желобе, беспрепятственное перемещение вталкивателя по направляющим. Новая конструкция проводки (рисунок 21) обеспечивает задачу заготовки в валки обжимного стана строго по оси прокатки, уменьшая колебательное движение конца заготовки и его профилирование бойками вталкивателя под действием нажимного устройства.

А-А

Рисунок 20 - Новая конструкция желоба

Входная проводка состоит из трех частей: входной участок; участок профильных планок (нажимное устройство); цилиндрический участок для уменьшения колебательного движения конца заготовки в процессе захвата и прокатки в трехвалковом обжимном стане. В донной части пазов нажимного устройства устанавливаются профильные планки, которые имеют четыре участка: наклонные направляющие (1:20) на длине 225 мм; горизонтальные направляющие на длине 50 мм (эти участки предназначены для центрирования вталкивателя по оси прокатки и для формоизменения овального конца заготовки в цилиндр, что предотвратит возможное подтормаживание заготовки при последующем профилировании заднего конца); рабочий участок проводки длиной 320 мм обеспечивает радиальное перемещение бойков вталкивателя и профилирование заднего конца заготовки в виде усеченного конуса.

1- нажимное устройство; 2 - корпус; 3 - шпонка

Рисунок 21 - Новая конструкция входной проводки

На рабочем участке профильных планок средний угол наклона 1:71. В корпусе предусмотрен участок с горизонтальными направляющими длиной 355 мм и диаметром 168 мм, предназначенный для уменьшения биения заготовки в процессе прокатки. При перемещении бойков по профильным планкам нажимного устройства происходит их (бойков) сведение и профилирование заднего конца заготовки в виде усеченного конуса. Время профилирования составляет 1+2 с.

В результате разработки чертежей эскизного проекта реконструкции оборудования входной стороны трехвалкового обжимного стана были сделаны следующие выводы:

- профилирование заднего конца заготовки должно осуществляться при установившейся стадии прокатки в трехвалковом обжимном стане;

- в соответствии с кинематическим расчетом профилирование заднего конца заготовки должно осуществляться за 1-2 с, что вполне достаточно для формирования усеченного конуса на конце заготовки;

- представленные конструкции вталкивателя, желоба и входной проводки позволят производить профилирование и обжатие заготовки любой, применяемой в цехе, длины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной диссертационной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:

1. Разработан новый способ обжатия непрерывно-литой заготовки в трехвалковом стане винтовой прокатки, основанный на совмещении процессов профилирования заднего конца заготовки в виде усеченного конуса и прокатки в трехвалковом обжимном стане.

2. Изучено формоизменение конца заготовки при прокатке в трехвалковом обжимном и прошивном станах. Согласно данным, полученным в ходе промышленного исследования и при моделировании в программе ОеГ'огт-ЗО, наименьшие значения глубины угяжины имеют место при обжатии заготовки с усеченным конусом длиной Ь=70 мм. При этой же форме заднего конца заготовки толщина кольцевого отслоения имеет наибольшее значение, равное 4,7 мм. Такая толщина кольцевого отслоения позволяет предотвратить его обрыв и уменьшить объем брака по вмятинам.

3. В ходе физического и математического моделирования процесса профилирования конца заготовки изучено формоизменение заготовки и получены следующие выводы:

- с увеличением скорости профилирования происходит уменьшение глубины утяжины. При большой скорости профилирования (деформация за 0,1 с) происходит отслоение металла на поверхности заготовки;

- разработана рациональная калибровка бойков и режимы деформации, обеспечивающие формирование на заднем конце заготовки усеченного конуса длиной 70 мм без утяжины.

4. Проведено моделирование процесса профилирования конца заготовки с охлажденным наружным слоем. Установлено, что охлаждение наружного слоя на конце заготовки перед профилированием позволяет существенно уменьшить глубину утяжины. В связи с этим при выполнении рабочего проекта реконструкции входной стороны трехвалкового обжимного стана необходимо предусмотреть установку спреера.

5. Разработан рабочий проект устройства для физического моделирования процесса профилирования конца заготовки. Разработаны чертежи бойков, втулки для крепления бойков, нажимного устройства, стакана для крепления образцов, а также устройства для прессования образцов. В ходе физического моделирования найдена калибровка бойков, обеспечивающая формирование на конце заготовки усеченного длиной 24 мм, что соответствует длине 72 мм при учете масштаба моделирования 1:3.

6. Разработаны чертежи эскизного проекта реконструкции оборудования входной стороны трехвалкового обжимного стана ТПА-80 ОАО «СинТЗ»: вталкиватель новой конструкции; желоба новой конструкции; входная проводка новой конструкции.

Таким образом, в диссертации представлены теоретические, технологические и технические разработки по совершенствованию процесса обжатия непрерывно-литой заготовки, что имеет существенное значение для развития технологии производства горячекатаных труб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

В рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Богатов А. А., Овчинников Д. В., Липнягов C.B., Павлов Д. А., Нухов Д. Ш., Ерпалов М. В. Разработка математической модели и исследование процессов винтовой прокатки и прошивки заготовок// Производство проката.№7- 2013. - с. 28-33.

Z8

2. Богатов A.A., Павлов Д.А, Овчинников Д.В., Липнягов C.B., Нухов Д. Ш. МКЭ-моделирование и оптимизация нового способа обжатия непрерывно-литой заготовки// Черные металлы. №11 -2013. — с. 26-31

В сборниках трудов научных конференций:

3. Овчинников Д.В., Богатов A.A., Павлов Д.А., Липнягов C.B., Нухов Д.Ш.. Разработка и исследование нового способа обжатия непрерывно-литой заготовки на трехвалковом стане винтовой прокатки// Труды XIV Международной научной конференции «Новые технологии к достижения в металлургии и материаловедении», г. Ченстохова. -2013. - с. 342-351.

4. Овчинников Д.В., Богатов A.A., Павлов Д.А., Липнягов C.B. Разработка математической модели процесса формоизменения заготовки при винтовой прокатке// Труды X международной научно-технической конференции «СММТ'13», г. С.-Петербург- 2013.-е. 378-384.

5. Овчинников Д.В., Богатов A.A., Липнягов C.B., Павлов Д.А.,Нухов Д.Ш. Исследование процесса производства горячекатанных труб и разработка новых технических решений на ТПА - 80 ОАО «СинТЗ»// Труды IX конгресса прокатчиков, г. Череповец.-2013. - с. 128-133.

Подписано в печать 21.11.2013 Формат 60x84 1/16

Бумага писчая. Печать на ризографе. Усл.печ.л. 1,6 Тираж 110 экз. Заказ 4943.

Отпечатано в типографии ООО «Издательство УМЦ УПИ» г. Екатеринбург, ул. Гагарина, 35а, оф. 2 Тел.: (343) 362-91-16, 362-91-17

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени

первого Президента России Б.Н. Ельцина»

РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ НОВОГО СПОСОБА ОБЖАТИЯ НЕПРЕРЫВНО - ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ

НЕФТЯНОГО СОРТАМЕНТА

Специальность 05.16.05 «Обработка металлов давлением»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук А.А. Богатов

Екатеринбург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................5

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................................12

1.1. Формоизменение сплошных круглых заготовок при прокатке на стане радиально-сдвиговой прокатки................................................................12

1.2. Причины образования утяжин на концах непрерывно-литой заготовки и исследование влияния факторов на их глубину........................15

1.3. Исследование изменения структуры металла в процессе радиально-сдвиговой прокатки...........................................................................25

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ НЕПРЕРЫВНО-ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ В ПРОЦЕССЕ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ...............................31

2.1. Исследование влияния формы конца заготовки на формоизменение при прокатке на трехвалковом обжимном стане.............31

2.2. Описание нового способа прокатки в трехвалковом обжимном стане винтовой прокатки......................................................................................38

2.3. Математическое моделирование процесса профилирования конца заготовки в программном комплексе БЕГОНМ-ЗО........................................39

2.4. Изучение влияние температурных полей на формоизменение концевой части заготовки.....................................................................................53

3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НОВОГО ПРОЦЕССА ОБЖАТИЯ ЗАГОТОВКИ.....................................................................................57

3.1. Рабочий проект устройства для моделирования процесса профилирования заднего конца заготовки на трехвалковом обжимном стане.............................................................................................57

3.2. Планирование физического эксперимента.......................................60

3.3. Технология изготовления модельных образцов..............................63

3.4. Анализ результатов модельного эксперимента...............................68

3.5. Исследование формоизменения заднего конца заготовки на трубопрокатном агрегате ТПА-80.......................................................................74

3.6. Модернизация лабораторного трехвалкового стана винтовой прокатки...................................................................................................................83

3.6.1. Назначение стана.............................................................................83

3.6.2. Техническая характеристика стана.............................................84

3.6.3. Установка рабочих валков и механизмы радиальной и угловой настройки.............................................................................................................86

3.6.4. Главный привод стана....................................................................89

3.6.5. Привод осевого и вращательного перемещения оправки.......89

3.6.6. Система датчиков............................................................................90

3.6.7. Автоматизированная система управления трехвалковым станом.......................................................................................................................91

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ НА РЕКОНСТРУКЦИЮ ВХОДНОЙ СТОРОНЫ ТРЕХВАЛКОВОГО ОБЖИМНОГО СТАНА.........................................................................................97

4.1. Участок входной стороны трехвалкового обжимного стана........97

4.2. Техническое задание на реконструкцию входной стороны обжимного стана ТПА-80.......................................................................................98

4.3. Компоновка основных узлов входного стола обжимного стана по предлагаемому варианту реконструкции........................................................101

4.4. Кинематический расчет процесса профилирования заднего конца заготовки.................................................................................................................102

4.5. Реконструкция вталкивателя заготовки........................................106

4.6. Реконструкция желоба входной стороны обжимного стана.......107

4.7. Реконструкция входной проводки....................................................109

4.8. Описание процесса прокатки заготовки в трехвалковом обжимном стане............................................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................114

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Техническое предложение на реконструкцию оборудования входной стороны трехвалкового обжимного стана в соответствии с договором №130011001208/075 между ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» и ОАО «Синарский трубный завод»......................................................................................................121

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время при производстве труб используется как катаная, так и непрерывно-литая заготовка. Использование непрерывно-литой заготовки является экономически более выгодным, так как при этом исключается дополнительная операция прокатки. Кроме того применение непрерывно-литых заготовок позволяет значительно уменьшить обрезь металла, увеличить выход годного, повысить производительность трубопрокатного агрегата и улучшить условия труда. Таким образом, для трубных заводов актуальной задачей на сегодняшней день является разработка технологии производства труб из непрерывно-литой заготовки.

На ТПА-80 ОАО «СинТЗ» была разработана технология производства труб из непрерывно-литой заготовки. В линии ТПА был установлен трехвалковый обжимной стан радиально-сдвиговой прокатки (РСП). В результате модернизации существующей технологии производства труб на ТПА-80 достигнуто снижение себестоимости труб на 10%, повышена производительность агрегата на 15%, увеличен выход годного с 98,8% до 99,08% [1]. Применение непрерывно-литых заготовок после обжатия позволило улучшить условия прошивки, в результате чего уменьшилась разностенность получаемых гильз в среднем на 1-2%, а износостойкость линеек повысилась на 8-10%. Были найдены рациональные режимы обжатия непрерывно-литой заготовки диаметром 156 мм до диаметра 120 мм, которые обеспечили получение мелкозернистой структуры стали перед прошивкой. При освоении новой технологии возникла проблема, связанная с образованием утяжин на концах заготовки после РСП, являющихся причиной отрыва кольцевых отслоений при прошивке и увеличения объема брака по вмятинам на поверхности труб. Для минимизации глубины утяжин и снижения уровня брака труб по вмятинам эффективным является профилирование заднего конца непрерывно-литой заготовки в процессе радиально-сдвиговой прокатки на

трехвалковом обжимном стане. Однако для реализации процесса профилирования заднего конца заготовки требуется произвести реконструкцию входной стороны трехвалкового обжимного стана. В связи с этим разработка эффективной технологии производства труб нефтяного сортамента из непрерывно-литых заготовок с использованием операции профилирования заднего конца заготовки в процессе прокатки в трехвалковом обжимном стане радиально-сдвиговой прокатки является актуальной научно-технической задачей.

Исследование производилось в рамках договора с ОАО «СинТЗ» №130011001208/075,а также программы поддержки молодых ученых УрФУ в рамках реализации программы развития УрФУ на 2010 - 2020 годы (по договорам № 1.2.1.5758 от 01.07.2012 г. и № 1.2.1.5./58 от 27.05.2013 г.).

Материал выполненной работы изложен в 4 - х главах.

В первой главе представлен обзор литературных источников по рассматриваемой теме и описаны особенности формоизменения металла при радиально-сдвиговой прокатке. Проведено исследование причин образования утяжин на концах заготовки и влияния факторов на их глубину. Кроме того был изучен вопрос, связанный с изменением структуры металла в процессе радиально-сдвиговой прокатки. На основе проведенного литературного обзора сформулированы задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели нового способа обжатия непрерывнолитой заготовки в трехвалковом обжимном стане. Было проведено исследование влияния формы заднего конца заготовки на глубину утяжины. Найдена калибровка конца заготовки в виде усеченного конуса, обеспечивающая минимальную глубину утяжины на заднем конце заготовки. Также была найдена калибровка бойков, обеспечивающая формирование на заднем конце заготовки перед прокаткой в трехвалковом обжимном стане усеченного конуса требуемой формы. Сформулированы ограничения режимов

деформации в процессе профилирования заднего конца заготовки в виде усеченного конуса. Установлено, что профилирование должно осуществляться за 1 с. Кроме того проведено исследование влияния температурных полей на формоизменение концевой части заготовки в процессе профилирования. Сделан вывод о необходимости охлаждения заднего конца заготовки перед профилированием.

В третьей главе диссертации представлены результаты физического моделирования, направленного на уточнение калибровки бойков и режимов деформации. В главе также приведены результаты промышленного исследования, направленного на поиск оптимальной, с точки зрения минимизации глубины утяжины, формы заднего конца заготовки. Установлено, что зависимости глубины утяжины от формы заднего конца заготовки, полученные в ходе математического моделирования и промышленных экспериментов, качественно соответствуют друг другу. Кроме того в ходе промышленного исследования было установлено, что при уменьшении глубины утяжины толщина кольцевого отслоения на заднем конце гильзы увеличивается и снижается вероятность его обрыва в процессе прокатки. Кроме того в третье главе приведены данные по модернизации системы автоматического управления трехвалковым лабораторным станом винтовой прокатки.

Четвертая глава посвящена разработке технологического задания на реконструкцию входной стороны трехвалкового обжимного стана. В главе приведена компоновка основных узлов входного стола обжимного стана по предлагаемому варианту реконструкции. Проведен кинематический расчет процесса профилирования заднего конца заготовки. Представлены чертежи вталкивателя, желоба и входной проводки. Также дано описание нового процесса прокатки заготовки в трехвалковом обжимном стане.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке технологического задания на реконструкцию оборудования входной стороны трехвалкового обжимного стана ТПА-80 ОАО «СинТЗ».

Цели и задачи работы. Целью работы является повышение качества труб из непрерывно-литой заготовки за счет минимизации глубины утяжины на заднем торце заготовки в процессе радиально-сдвиговой прокатки.

Для достижения указанной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

разработать новый способ обжатия непрерывно-литой заготовки в трехвалковом стане радиально-сдвиговой прокатки с целью повышения качества труб, изготавливаемых на ТПА-80;

исследовать формоизменение заготовки в процессе прокатки в трехвалковом обжимном стане с целью поиска оптимальной формы заднего конца, позволяющей минимизировать глубину утяжин на заднем торце заготовки;

произвести физическое и математическое моделирование нового процесса обжатия заготовки с целью поиска оптимальной калибровки инструмента деформации и режимов обжатия для получения требуемой формы заднего конца заготовки;

изучить влияние температурных полей на формоизменение концевой части заготовки;

составить технологическое задание на разработку эскизного проекта реконструкции оборудования входной стороны обжимного стана ТПА-80.

Научная новизна, ценность для науки и практики:

установлено влияние формы конца заготовки на глубину утяжины и толщину кольцевого отслоения, образующихся соответственно при прокатке в трехвалковом обжимном и прошивном станах;

разработан новый способ обжатия, в ходе которого процессы профилирования заднего конца заготовки в виде усеченного конуса и прокатки в трехвалковом обжимном стане происходят одновременно;

установлены закономерности формоизменения металла заготовки в процессе профилирования конца заготовки и даны рекомендации по разработке калибровки бойков и режимам обжатия;

определено влияние температурных полей на формоизменение концевой части заготовки.

Практическую ценность представляют следующие результаты работы:

основные технические требования и чертежи эскизного проекта реконструкции входной стороны трехвалкового обжимного стана ТПА - 80 ОАО «СинТЗ»;

рабочий проект устройства для моделирования процесса профилирования заднего конца заготовки на трехвалковом обжимном стане.

калибровка инструмента деформации и режимы обжатий, позволяющие получать требуемую, с точки зрения минимизации глубины утяжины, форму заднего конца заготовки перед процессом прокатки в трехвалковом обжимном стане радиально-сдвиговой прокатки.

Методы исследования и достоверность результатов. Для исследования процессов профилирования конца заготовки и прокатки в трехвалковом обжимном стане использовались математическое моделирование, физическое моделирование, а также промышленные испытания. Математическое моделирование было проведено с помощью программного комплекса ОеГогш-ЗБ, основанного на методе конечных элементов, физическое моделирование было проведено на лабораторной установке, при этом в качестве материала для моделирования использовался скульптурный пластилин. Промышленные испытания были проведены на ТПА-80 ОАО «СинТЗ». Результаты

исследования, полученные в ходе математического моделирования близки к результатам промышленных испытаний.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается сходимостью расчетных данных с результатами промышленных и лабораторных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты доложены и обсуждены на: ЕХ Конгрессе прокатчиков (г. Череповец, 2013); XIV Международной научной конференции «Новые технологии и достижения в металлургии и материаловедении», (г. Ченстохова, 2013); X Международной научно-практической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (г. Санкт-Петербург, 2013); VI международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении. Уральская научно-педагогическая школа имени профессора А.Ф. Головина» (г. Екатеринбург, 2012); XVIII Международной промышленной выставке «Металл-ЭКСПО»(г. Москва, 2012).

На защиту выносится:

- новый способ обжатия непрерывно - литой заготовки из углеродистых и легированных марок стали в линии ТПА - 80 с профилированием заднего конца заготовки в виде усеченного конуса в процессе прокатки в трехвалковом обжимном стане, обеспечивающий минимизацию глубины утяжины и снижение уровня брака по вмятинам на поверхности труб;

- комплексная методика исследования режимов обжатия, включающая физическое и математическое моделирование, а также промышленные испытания формоизменения металла заготовки в процессах профилирования заднего конца в виде усеченного конуса и прокатки в трехвалковом обжимном и прошивном станах;

- оптимальные режимы деформации и калибровки инструмента деформации, осуществляющего профилирование заднего конца заготовки в виде усеченного конуса, позволяющие максимально уменьшить глубину концевых утяжин на заготовках и повысить качество готовых труб;

- эскизный проект реконструкции оборудования входной стороны трехвалкового обжимного стана;

- рабочий проект устройства для моделирования процесса профилирования заднего конца заготовки на трехвалковом обжимном стане.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Формоизменение сплошных круглых заготовок при прокатке на стане радиально-сдвиговой прокатки

Радиально-сдвиговой прокаткой (РСП) называется процесс прокатки сплошных или полых заготовок в двух- или трехвалковых станах винтовой прокатки при высоких частных и суммарных обжатиях. При радиально-сдвиговой прокатке создаются условия для уплотнения и интенсивной проработки структуры.

Подтверждение того, что при радиально-сдвиговой прокатке осуществляется уплотнение осевой зоны, был установлен при проведении опытов на прошиваемость заготовок из углеродистых сталей [2]. Было получено, что при углах подачи р=6-Ю° критическое обжатие составляет 6^-10%, при р=18° критическое обжатие возрастает до 15%, а при [3=24° во всем диапазоне обжатий не удалось добиться вскрытия полости. Таким образом, прокатка в области больших углов подачи позволяет улучшить деформируемость заготовок.

С целью исследования влияния угла подачи на залечивание дефектов в осевой зоне был проведен ряд экспериментов [3,4], в ходе которых прокатке подвергались заготовки с просверленными в центре сквозными отверстиями. Прокатка заг�