автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование технологии и оборудования пилигримовых станов для прокатки бесшовных труб
- доктора технических наук
- Раскатов, Евгений Юрьевич
- город
- Екатеринбург
- год
- 2012
- специальность ВАК РФ
- 05.02.09
Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии и оборудования пилигримовых станов для прокатки бесшовных труб"
005009035
7
РАСКАТОВ ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ПШШГРИМОВЫХ СТАНОВ ДЛЯ ПРОКАТКИ БЕСШОВНЫХ ТРУБ
Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением
2 0ЕЗ 2612
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
Екатеринбург - 2012
005009035
Работа выполнена на кафедре «Металлургические и роторные машины» в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор
Осадчий Владимир Яковлевич, ГОУ ВПО «МГУПИ», г. Москва
Золотов Александр Максимович, ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», г. Санкт-Петербург
Выдрин Александр Владимирович, ОАО «РосНИТИ», г. Челябинск
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Южно-Уральский
государственный университет», г. Челябинск
Защита состоится 29 февраля 2012 г. в 14-00 в ауд. М-323 на заседании диссертационного совета Д 212.285.10 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19. Тел.: +7(343)378-67-53. E-mail: raskatov@pochta.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрФУ.
Автореферат разослан 16 января 2012 г. и размещён на сайте ВАК
http://vak2.ed.gov.ru/catalogue/details/53081
30 ноября 2011 г.
И.о. учёного секретаря диссертационного совета, доктор технических наук, профессор
Ю.Б. Чечулин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Одним из основных способов производства бесшовных труб большого и среднего диаметров с толщинами стенок от 7 до 100 мм является прокатка на пилигримовых станах. В последние годы использование нелрерывнолитых заготовок круглого сечения обеспечило значительные преимущества пилигримового способа производства труб.
На пилигримовых станах производят трубы широкого сортамента и практически любого назначения: трубы нефтяного сортамента, обсадные, баллонные, котельные, трубы из специальных сталей и сплавов, биметаллические трубы. Бесшовные трубы большого диаметра (до 630 мм) с различными толщинами стенок без применения станов-расширителей можно производить только на пилигримовых станах.
Однако, в связи с увеличением выпуска тонкостенных и толстостенных труб специального назначения, освоением и расширением сортамента труб из легированных и труднодеформируемых марок сталей и сплавов, повышением требований к качеству труб, необходимо дальнейшее развитие совершенствование технологического процесса пилигримовой прокатки тонкостенных и толстостенных труб большого диаметра специального назначения и внедрение полученных решений в производство.
Таким образом, весьма актуальным является исследование и совершенствование процесса пилигримовой прокатки тонкостенных и толстостенных труб большого диаметра с целью обоснования рациональных калибровок валков, повышения стойкости калиброванных валков и улучшения качества бесшовных труб, обеспечения заданной производительности пилигримовых станов, снижения нагруженности оборудования и приводов.
Цель работы заключается в разработке научных основ совершенствования станов пилигримовой прокатки труб и алгоритмов расчёта напряжений и перемещений металла в мгновенном очаге деформации при захвате гильзы валками и квазиустановившемся процессе, динамических нагрузок в линии привода, напряжений в валках и внедрение новых калибровок валков с оптимальными режимами пилигримовой прокатки, обеспечивающими выпуск конкурентоспособных бесшовных труб.
Научная новизна работы заключается в следующем: - разработана математическая модель процесса прокатки гильзы в валках пилигримового стана, которая позволила получить новые теоретические знания о закономерностях изменения напряжённо-деформированного состояния металла в мгновенном очаге деформации, как при захвате, так и в квазиустановившейся стадии процесса пилигримовой прокатки, о характере распределения и величине нормальных (в т.ч. тангенциальных и продольных) и касательных напряжений по длине и периметру мгновенного очага деформации гильзы пилигримовыми валками;
-разработан алгоритм и решена в объёмной постановке задача одновременного определения напряжений в мгновенном очаге деформации и
пилигримовых валках, что позволило определить закономерности распределения и их величину в валках от усилия пилигримовой прокатки;
- разработана методика расчёта динамических нагрузок, возникающих в линии привода пилигримового стана при мгновенном приложении нагрузки;
-предложен алгоритм и решена задача многоуровневой оптимизации параметров пилигримового стана, что позволило определить оптимальные по энергоёмкости параметры технологического процесса прокатки и оценить уровень динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана.
Практическая ценность работы определяется тем, что теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты:
- определить основные направления совершенствования станов пилигримовой прокатки бесшовных труб;
- оценить схему напряжённого состояния в мгновенном очаге деформации гильзы валками пилигримового стана и на базе этого прогнозировать качество бесшовных труб;
-определить для различных калибровок валков уровень и характер распределения усилий и моментов прокатки и напряжений по длине и периметру очага деформации в зависимости от величины подачи гильзы в валки, что позволило дать рекомендации по выбору рациональной калибровки валков пилигримовых станов;
- определить уровень и характер распределения радиальных и тангенциальных напряжений в пилигримовых валках, что позволило дать рекомендации по выбору рациональных технологических параметров процесса пилигримовой прокатки.
Реализация работы. Работа выполнена в соответствии с комплексным планом научно-исследовательских работ УрФУ по темам «Теоретические основы разработки новых процессов и машин, обеспечивающих повышение уровня конкурентоспособности производимых изделий», «Разработка теоретических основ технологий и оборудования, обеспечивающих производство новых видов металлопродукции», а также 7 хозяйственными договорами с ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» по совершенствованию технологии и оборудования для пилигримовой прокатки бесшовных труб. Результаты работы по совершенствованию станов пилигримовой прокатки бесшовных труб внедрены на ОАО «ЧТПЗ». Внедрены новые калибровки валков пилигримового стана ОАО «ЧТПЗ», что позволило повысить точность и улучшить качество тонкостенных труб, а также снизить нагруженность оборудования и приводов главной линии стана. Результаты исследований используются в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании по специальности «Металлургические машины и оборудование» в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается: физической обоснованностью разработанных математических моделей и
исходных предпосылок для расчётов; использованием апробированных методик исследований; результатами испытаний и опытом эксплуатации трубопрокатных агрегатов с пилигримовыми станами; удовлетворительным согласованием расчётных данных с экспериментальными данными автора и других исследователей.
На защиту вынесены следующие основные положения:
- математическая модель процесса прокатки гильзы в валках пилигримового стана, постановка объёмных задач и результаты определения напряжённо-деформированного состояния металла в мгновенном очаге деформации как при захвате, так и в квазиустановившейся стадии процесса пилигримовой прокатки;
- постановка объёмных задач и результаты одновременного определения напряжений в мгновенном очаге деформации и валках при пилигримовой прокатке стальных труб;
- методика расчёта динамических нагрузок, возникающих в линии привода пилигримового стана при мгновенном приложении нагрузки;
-алгоритм и результаты решения задачи многоуровневой оптимизации параметров пилигримового стана;
- основные направления совершенствования технологии и оборудования пилигримовых станов, технологические схемы и калибровки инструмента, обеспечивающие эффективное повышение качества и точности бесшовных труб и результаты экспериментального исследования.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, их планировании и организации, обобщении экспериментальных данных и разработке математических моделей процесса прокатки гильзы в валках пилигримового стана, разработке технических заданий на проектирование, руководстве и участии в проектировании и специальных испытаниях модернизированных трубопрокатных установок с пилигримовыми станами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Трубы России - 2004» (Екатеринбург, 2004); «Непрерывные процессы обработки давлением (посвящена 100-летию со дня рождения академика А.И. Цели ко в а)» (Москва, 2004); «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2007); XV Международная конференция «Трубы-2007» (Челябинск, 2007); XVII Международная конференция «Трубы-2009» (Челябинск, 2009); «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2011); «Технические науки в России и за рубежом» (Москва, 2011); IX международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011); «Современные тенденции технических наук» (Уфа, 2011); XIX Международная конференция «Трубы-2011» (Челябинск, 2011); и на кафедре «Металлургические и роторные машины» УрФУ в 2011 г.
Публикации. Результаты работы представлены в 31 публикации, в числе которых 15 работ опубликовано в изданиях из перечня ВАК, три монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, библиографического списка из 247 наименований и 4 приложений; составляет 309 страниц, имеет 180 рисунков и 25 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, отмечены научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрено современное состояние способа производства труб на пилигримовых станах. Стан горячей пилигримовой прокатки труб является двухвалковым с калиброванными одноручьевыми валками, вращающимися в сторону, противоположную задаче в них гильзы. Форма ручья в поперечном сечении представляет собой полукруг с боковыми выпусками. Радиус ручья и величина его выпуска по окружности валка изменяются. Прокатка гильзы в трубу ведётся на длинном круглом цилиндрическом дорне, который служит внутренней жёсткой опорой.
Большой вклад в теорию и практику пилигримовой прокатки внесли П.Т. Емельяненко, П.К. Тетерин, O.A. Пляцковский, В.Я. Осадчий, Ю.М. Матвеев, Ю.Ф. Шевакин, A.A. Чернявский, Б.Н. Матвеев, В.И. Линденбаум, М.А. Шубик и др. Их исследования позволили накопить значительный материал по исследованию процессов периодической прокатки и подтвердить эффективность технологии.
На рисунке 1 показан вид пилигримового валка в сечении, проходящем через вершину ручья. Валок вдоль ручья делится на три основные участка. На участке валка с центральным углом 0б осуществляется основная работа деформации. Этот участок называют обжимным. Участок валка с центральным углом 0h, называемый калибрующим (или полирующим), служит для калибровки трубы по толщине стенки. Участок валка с центральным углом называемый холостым, служит для того, чтобы освободить прокатываемую заготовку.
За время рабочего хода валков гильза вместе с дорном откатывается назад, то есть в направлении, обратном подаче её в валки. Затем гильза с дорном подаются вперёд на величину её отката за рабочий период и за время движения по инерции в начале холостого хода. Одновременно гильза вместе с дорном с целью равномерной её обработки по окружности кантуется вокруг своей оси на угол кантовки (как правило, 72° или 90°). Кроме того, гильза и дорн продвигаются вперёд на величину подачи т. Этим заканчивается данный цикл пилигримовой прокатки и начинается новый.
Продвижение гильзы с дорном вперёд на величину отката и величину подачи, а также кантование осуществляются при помощи «подающего аппарата» - форголлера.
Одним из основных способов интенсификации производства и улучшения качества труб на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами является разработка оптимальных калибровок валков для прокатки тонкостенных и толстостенных труб и совершенствование технологического процесса и инструмента.
угол участка вьщачи
Рис. 1. Вид пилигримового валка
В ряде опубликованных работ, посвященных пилигримовой прокатке труб, рассматриваются вопросы определения формы кривой и величины угла гребня валков в зависимости от принятого закона изменения коэффициентов деформации по длине очага деформации. Однако до настоящего времени не решена задача по определению оптимальной величины угла полирующего участка и числа оборотов валков в зависимости от технических параметров подающих аппаратов с пневматическими и гидравлическими тормозными системами. Решение этого вопроса позволит повысить производительность пилигримовых агрегатов и улучшить качество прокатываемых труб.
Наиболее сложным вопросом калибровки пилигримовых валков является расчёт профиля гребня (обжимной части).
От калибровки гребня валков пилигримовых станов в значительной мере зависит производительность станов, качество прокатываемых труб, расход энергии, износ инструмента и другие показатели процесса.
Расчёт кривой гребня бойка по методике П.К. Тетерина с теоретической точки зрения является в настоящее время самым лучшим, но трудоёмким.
Угол полирующего участка <9,, определяется из условия получения труб, удовлетворяющим требованиям ГОСТа по толщине стенки.
От протяжённости полирующего участка и соотношения между его углом и центральным углом гребня валков в значительной мере зависят работа стана, эффективность калибровки и качество прокатываемых труб.
Заводская практика и потребность в увеличении выпуска экономичных профилей труб выработали оптимальные величины углов полирующего участка, которые не превышают 80-90°.
Во второй главе представлено моделирование процесса прокатки стальных труб на пилигримовом стане. Сложность постановки и решения объёмной задачи в очаге деформации аналитическими методами затрудняла выбор и обоснование технических решений при реконструкции действующих и создании новых трубопрокатных установок с пилигримовыми станами и сдерживала дальнейшее развитие такой технологии. Моделирование выполнялось методом конечных элементов с использованием программного комплекса АШУБ. Расчёт производился в объёмной постановке. Упор сделан на определение напряжённо-деформированного состояния и характер течения металла, возникающего в мгновенных очагах деформации при прокатке труб из различных марок стали, в частности, из стали 14ХГС в пилигримовых валках различных калибровок.
Материал трубы в мгновенных очагах деформации испытывает упругопластические деформации, которые достигают конечных значений. При расчёте в качестве модели для мгновенных очагов деформации принято упругопластическое поведение, что позволяет учесть при моделировании историю нагружения. Моделировалась прокатка в абсолютно жёстких валках.
При исследовании напряжённо-деформированного состояния трубы при прокатке пренебрегли инерционными и массовыми силами, деформируемый металл трубы считаем несжимаемым. При записи уравнений состояния использован случай простого нагружения. Для материала трубы принята упругопластическая модель Прандтля-Рейса. Сопротивление деформации зависит от степени и скорости деформации, а также от температуры прокатываемого металла. Принимается, что трение на поверхности контакта мгновенных очагов деформации подчиняется закону сухого трения Кулона, причём коэффициент трения постоянен на всей контактной поверхности.
Моделирование процесса прокатки трубы выполнялось от момента её захода в валки до получения готовой трубы. Таким образом, определялось напряжённо-деформированное состояние в трубе от момента её захвата
валками и далее для каждого мгновенного очага деформации до получения участка готовой трубы.
Расчёт производился в валках различных калибровок. Вид валка пилигримового стана показан на рис. 1, где 6>Б, 0ц, 6>в и 0% - соответственно центральные углы бойка (гребня), полирующего участка, выпуска и холостого участка. Размеры углов бойкового участка, полирующего участка, участка выдачи и холостого участка приведены в таблице 1.
Таблица 1
Размеры центральных углов калибровок, принятых для расчёта _
Обозначение калибровки валка Угол участка, градусы
бойкового полирующего выдачи холостого
&и ©я
105-70-45-140 105 70 45 140
110-65-45-140 110 65
120-55-45-140 120 55
Размеры заготовки для моделирования процесса прокатки приведены на рисунках 2 и 3. Диаметр гильзы принят равным 500 мм, диаметр готового участка трубы - 325 мм. Диаметр дорна - 300 мм.
Модель процесса прокатки строилась для заготовки, дорна и участков калибра калиброванного валка в декартовой системе координат. При расчёте в силу симметрии рассматривали четвертую часть заготовки, как это показано на рисунке 4. На данном рисунке показана система координат XYZ и элементы модели, участвующие при расчёте.
Заготовка трубы представлялась твердотельной объёмной моделью, а калибр и дорн моделировался недеформируемой твёрдой поверхностью. Заготовка трубы, калибр и дорн были разбиты на конечные элементы. Конечно-элементная модель трубы формировалась из трёхмерных 20-ти узловых
твердотельных элементов 501.10186, вид которых дан на рисунке 5. Сетка конечных элементов строилась регулярной.
Ицориа, 150мм
Заготовка, принятая для расчета
калибра вначале бойкового 260мм
10мм
250мм
часть заготовки, не учтенная при расчете
Рис. 3. Размеры заготовки для моделирования процесса прокатки (сечение координатной
плоскостью ХУ)
Дорн Калибр
Рис. 4. Расчётная модель прокатываемой трубы в пилигримовых валках
Заготовка трубы с калибром и дорном
пилотный узел / ^
Заготовка трубы
ПИЛОТНЫЙ У»8Л
С использованием мастера контакта, на поверхностях контакта калибра валков и дорна с трубой размещены контактные элементы ТАК6Е170 и СОМТА174. Коэффициент трения между заготовкой с калибром и с дорном в зоне их контакта может варьироваться, для дальнейших расчётов принят равным 0.32.
В качестве заготовки для пилигримовых станов широко применяется непрерывнолитая заготовка, модуль упругости определён по зависимости:
Е = -4.566 • 105 + 160 • Т + 3-266 '10 , (1)
где Е - модуль упругости материала; Т - температура металла.
В соответствии с представленной зависимостью и принятой температурой заготовки 1 050 °С модуль упругости металла при прокатке трубы принят постоянным и равным 22 448 МПа. Для расчёта степени и скорости деформации принято, что температура прокатываемой трубы неизменна. Скорость вращения валков для рассматриваемых калибровок неизменна и равна 45 оборотов в минуту.
Одним из основных параметров при моделировании процесса прокатки является определение сопротивления пластической деформации, которое вычислено по зависимости:
as = 288 • и?'107 ■ (1п£[)1,45 ■ е-о.оо235-т _ (2)
где a¡ - сопротивление пластической деформации, МПа; щ - скорость деформации, 1/с; £¡ - степень деформации, %.
Из представленных на рисунке 6 зависимостей сопротивления пластической деформации видно, что при равных деформациях значения
величин сопротивления пластической деформации близки при прокатке трубы в валках всех принятых при расчёте калибровок.
Степень деформации, %
-105-70-45-140 ...... 110-65-45-140 -- 120-70-45-140
Рис. 6, Зависимость сопротивления пластической деформации при прокатке трубы в валках трёх калибровок
Моделирование напряжённо-деформированного состояния трубы при прокатке выполнялось, как уже сказано выше, на базе многоцелевого расчётного комплекса А^УБ.
В третьей главе разработаны и определены рациональные калибровки валков пилигримовых станов для различных условий прокатки. В процессе расчёта калибровки валков необходимо определить рациональное соотношение между участками валка (гребнем, полирующим, углом продольного выпуска и холостым), рассчитать профиль обжимного участка (гребня), выбрать или рассчитать профиль поперечного сечения (угол поперечного выпуска).
Рассмотрен способ калибровки валков, заключающийся в том, что боёк калибруется таким образом, чтобы использовать все преимущества бойков с минимальным центральным углом и одновременно сохранить хороший захват металла валками в период затравки и прокатки. Такое сочетание бойка с большим центральным углом с последующим интенсивным увеличением его остроты и плавным переходом к полирующему участку позволило получить калибровку валков, давшую возможность прокатывать качественные трубы по геометрическим размерам на пилигримовой установке 8-16" ОАО «ЧТПЗ» с отношением 0/8=47-^53 без потери производительности установки по сравнению с предыдущими калибровками.
На рисунке 7 приведены расчётные графики изменения усилий и моментов пилигримовой прокатки в зависимости от угла поворота валков для подачи 20 мм. Наибольшие величины усилий и моментов прокатки возникают
при калибровке валков 120-55-45-140 (табл. 2). Например, при подаче 20 мм усилие прокатки равно 16 800 кН, при подаче 30 мм усилие прокатки равно 19 100 кН, при других калибровках валков усилие прокатки значительно меньше и не превышает 15 100 кН.
угол поворота валка, град
Усилие на валок
О 10 20 30 40 СО 60 70 >0 90 100 110 120 130 140 150 160 170 160
20-106 -20-110 -20-120 -105 ——110 120 ..............175
Рис. 7. Изменение усилий и моментов на валок. Подача 20 мм. Три калибровки: 105-70-45-140; 110-65-45-140 и 120-55-45-140
Для оценки калибровок пилигримовых валков очень важно оценить закономерности распределения максимальных растягивающих напряжений как вдоль очага деформации, так и по периметру трубы, которые являются основной причиной образования дефектов (рванин). В результате анализа результатов выяснилось, что для всех вариантов расчёта максимальные растягивающие тангенциальные - <ту и продольные - ег. напряжения возникают в конце участка завершения прокатки.
Эпюры этих напряжений для поперечного сечения очага деформации для калибровки валков 110-65-45-140 приведены на рисунке 8.
Для калибровок 105-70-45-140 и 110-65-45-140 уровень напряжений, как сжимающих, так и растягивающих отличаются незначительно (табл. 2). Для этих калибровок величина максимальных тангенциальных сжимающих и растягивающих напряжений соответственно равны 477-551 МПа и 58-68 МПа. Величина максимальных продольных сжимающих напряжений равна 416467 МПа, то есть незначительно отличаются от максимальных тангенциальных сжимающих напряжений. Однако по сравнению с максимальными тангенциальными растягивающими напряжениями уровень максимальных продольных растягивающих напряжений возрастает и достигает 210-228 МПа в зоне контакта гильзы с дном калибра.
Таблица 2
Калибровка пилигримовых валков
105-70-45-140 110-65-45-140 120-55-45-140
Л кН 9 600 10 700 14 400
2 М, кН м 415 475 670
о аувкт, МПа 58 68 83
в В" Сусж, МПа -477 -551 -679
ч о ОЬаст, МПа 210 228 254
Е-! о>сж, МПа -416 -467 -607
Р, кН 11 500 13 000 16 800
Я М, кН м 500 580 820
о гч Стутст, МПа 68 84 98
к Сусж, МПа -510 -627 -1001
ч о ¿Ггоаст, МПа 212 230 259
и а, сж, МПа -367 -429 -790
Р, кН 13 600 15 100 19 100
2 А/, кНм 610 700 980
о т Сюаст, МПа 70 84 99
« сЪсж, МПа -774 -854 -1278
§ СГгшст, МПа 215 233 263
Ъсш, МПа -565 -649 -1067
В сравнении же с рассмотренными калибровками пилигримовых валков при калибровке валков 120-55-45-140 уровень максимальных тангенциальных и продольных напряжений существенно выше. Так, величина тангенциальных и
сжимающих напряжений возрастает до 679 МПа, а растягивающих напряжений до 83 МПа. Особенно резко возрастает уровень продольных растягивающих напряжений и достигающий величины 254 МПа в зоне контакта заготовки с дном калибра пилигримового валка.
Рис. 8. Эгаоры напряжений в поперечном сечении. Подача 20 мм. Калибровка 110-65-45-140.
Угол поворота валка - 91°
Следует отметить, что наибольшие значения тангенциальных и продольных растягивающих напряжений для приведённых трёх калибровок валков возникают при подаче 30 мм (табл. 2).
Проведённый анализ калибровок валков с позиции нагруженное™ механического оборудования и привода пилигримового стана, уровня и характера распределения напряжений в очаге деформации при получении бесшовных труб позволил сделать вывод о том, что наибольшие значения усилий и моментов прокатки имеют место при калибровке валков 120-55-45-140. Это приводит к перегрузке привода стана, чрезмерному износу калибров валков, особенно при прокатке тонкостенных труб и ухудшению их качества. Кроме того, при этой калибровке пилигримовых валков существенно возрастает неравномерность распределения тангенциальных и продольных напряжений как вдоль очага деформации металла, так и по периметру трубы. Особенно резко возрастает уровень растягивающих напряжений в зонах контакта гильзы с дном калибра и выпусков калибров. Все это в совокупности может привести к образованию рванин на поверхности трубы. В отличие от калибровки 120-55-45-140 при использовании калибровок 105-70-45-140 и 110-65-45-140 наблюдается более благоприятная схема напряжённого состояния металла в очаге деформации, что позволит улучшить качество бесшовных труб и условия эксплуатации пилигримового стана.
Таким образом, на основании проведённого исследования наиболее рациональной является калибровка пилигримовых валков 110-65-45-140, и её следует рекомендовать для внедрения в производство.
В четвертой главе проведено теоретическое исследование напряжённо-деформированного состояния гильзы в продольном сечении при её захвате валками. Основной проблемой, возникающей при периодической пилигримовой прокатке труб, является обеспечение надёжного захвата гильзы валками, который существенным образом определяет производительность пилигримового стана и качество получаемых бесшовных труб. В связи с этим очень важно исследовать напряжённо-деформированное состояние металла в очаге деформации в начальной стадии пилигримовой прокатки, что позволит оценить закономерности образования мгновенного очага деформации и распределения напряжений как по длине очага деформации, так и по периметру гильзы в зависимости от величины подачи гильзы в валки. Это позволит разработать ряд рекомендаций по выбору рациональной калибровки валков и величины подачи гильзы в валки с целью обеспечения заданной производительности пилигримового стана и улучшения качества бесшовных труб, а также снижения уровня динамических нагрузок в линии привода стана.
Результаты расчёта напряжённо-деформированного состояния заготовки в мгновенном очаге деформации представлены только для прокатки в калиброванных валках 110-65-45-140 и подачах 10 мм и 20 мм, а также углах поворота валков от 0 до 9-ти градусов.
Положение линий, для которых приведены результаты расчёта, даны на рисунке 9. Начало каждой линии находится на расстоянии 200 мм от места перехода гильзы в очаг деформации, а конец каждой линии - в зоне перехода очага деформации в готовый участок трубы. Таким образом, при рассматриваемой калибровке длина каждой линии равна 900 мм.
Рис. 9. Положение линий, для которых приведены результаты. Линия 1 - по дну калибра. Все линии расположены на контактной поверхности трубы, т.е. на поверхности контакта
заготовки с калибром
Результаты приведены только для линий 1, 5,9, 13 и 17. Вдоль указанных линий для углов поворота валков - 0, 1, 3, 5, 7 и 9 градусов дано изменение: контактных нормальных - ах, касательных - г„, тангенциальных - ау и продольных - ст. напряжений.
Характер изменения усилий и моментов прокатки в исследуемом диапазоне поворота валка показал, что в начальной стадии процесса пилигримовой прокатки силовые параметры существенно зависят от величины подачи гильзы в валки. Так, например, при угле поворота валка 9° при подаче 10 мм усилие прокатки равно 1 400 кН, а при подаче 20 мм оно возрастает до 1 950 кНл.Также наблюдается мгновенное нарастание момента прокатки при захвате гильзы валками, который при подаче 20 мм и угле поворота валка 9° достигает 84 кНм.
Для подачи 20 мм результаты теоретического исследования напряжений приведены на рисунке 10.
В таблице 3 для шести значений углов поворота приведены длины очагов деформации, линии, по которым происходит контакт заготовки с калибром валков, а также значения напряжений контактных нормальных - ах, тангенциальных - ау и продольных - сгг.
Таблица 3
Параметры начальной стадии процесса пилигримовой прокатки. Подача гильзы в валки
Параметры Угол поворота валка, градусы
0 1 3 5 7 9
Нормальные напряжения - ах *, МПа 34 38 60 81 98 ПО
Касательные напряжения - тх:, МПа -11 2,5 -9 8 -17 13 -22 17 -22 24 -28 28
Тангенциальные напряжения - ау *, МПа -23 -23 9 -36 15 -50 18 -61 23 -70
Продольные напряжения - аг *, МПа -22 7.5 9 -18 20 -32 35 -40 48 -49 61 -60
Длина мгновенного очага деформации, мм 66 67 86 90 95 104
Нормальные перемещения (обжатие) - их*, мм -1.0 -1.4 -2.2 -3 -3.7 -4.2
Продольные перемещения - и*, мм 0.7 0.5 0.7 -1.6 -2 -3.8
"примечание: знак - - сжимающие напряжения; знак + - растягивающие напряжения
На рис. 10 приведены графики изменения нормальных, касательных, тангенциальных и продольных напряжений по длине и периметру мгновенного очага деформации в начальной стадии захвата гильзы бойками при подаче 20 мм, при этом угол поворота валка равен 5°. Из этих данных следует, что захват гильзы валками сопровождается мгновенным приложением нагрузки, при этом образуется очаг деформации длиной 67 мм, а нормальные сжимающие напряжения при обжатии 1.4 мм (табл. 3) достигают величины 38 МПа.
Касательные напряжения - т„, которые обеспечивают надёжный захват и перемещение гильзы составляют 9-11 МПа.
Рис. 10. Контактные нормальные - <тг, касательные - г„, тангенциальные - ау и продольные -аг напряжения по линиям 1, 5,9,13 и 17 контакта калибра с заготовкой. Угол поворота валка 5°. Подача 20 мм. Калибровка 110-65-45-140
Из графиков (рис. 10) следует, что нормальные напряжения ах сжимающие и распределяются по периметру очага деформации неравномерно, достигая наибольших значений 100-110 МПа в зоне линий 5 и 9. В этой зоне имеют место и наибольшие обжатия стенки трубы, равные 4 мм (табл. 3).
Отличительной особенностью распределения касательных напряжений тхг вдоль мгновенного очага деформации является смена знака, то есть имеются зоны отставания и опережения, а напряжения достигают величины 28 МПа (рис. 10). Распределение тангенциальных напряжений характеризуется тем, что сначала возникают растягивающие напряжения и их максимум (23 МПа) наблюдается в начале мгновенного очага деформации, затем они переходят в сжимающие, максимальное значение которых 70 МПа имеет место примерно в середине мгновенного очага деформации.
Аналогичный характер распределения имеют и продольные напряжения, которые из растягивающих с максимальной величиной 61 МПа переходят в сжимающие, достигающие величины 60 МПа. Причём максимум тангенциальных и продольных напряжений наблюдается в области линий 5 и 9.
При пилигримовой прокатке бесшовных труб цикл деформации гильзы периодически осуществляется за один оборот валков с переменным радиусом калибра, причём направление вращения валков противоположно направлению подачи гильзы. При этом особенно важно оценить условия захвата металла валками, закономерности формирования мгновенного очага деформации, и изменения скорости перемещения гильзы, а также уровень динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана.
Уравнение движения гильзы при её захвате имеет вид: С йЦ.
— ■-^■ = п^-8-(тксоза-ап5та), (3)
где С - вес гильзы и дорна, кН;
Ц. - скорость перемещения гильзы, м/с; /? - переменный радиус бойковой части валка, м; 5 - дуга соприкосновения металла с валками, рад; тк - касательное контактное сопротивление, МПа; ап - нормальное напряжение, МПа; а - угол захвата, рад.
С учётом начальных условий зависимость для определения дуги соприкосновения металла с валками принимает вид: со0
отсюда йб
— = (5) С учётом (5) зависимость для определения скорости гильзы принимает
вид:
Vr = R ■ cosa • w0 ■ cos^t. (6)
Для одномассовой расчётной модели дифференциальное уравнение движения валка при наличии упругой связи в переходной стадии захвата имеет вид:
7 ■ ф + с • (р = 7гй3 ■ S ■ тк, (7)
где ] - момент инерции валка, т'М2 (кН'М'с2); (р - угол поворота валка, рад; ф - угловое ускорение валка, с"2; с - жесткость упругой связи, кН'м. Подставив 5 из (4) в уравнение (7) получим:
}-ф + с-<р = тгй3-тк •^•sm/?1t, (8)
Р i
ф + f¡2-cp = h- sin^t, (9)
где р =
сю)
} ) ■ иг
Динамический момент крутильных колебаний
мд = рТГр2 ■ -1 ■■ (1
Разработана методика расчёта максимальных динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана при захвате гильзы валками. Определена максимальная амплитуда динамического момента при мгновенном приложении нагрузки.
В пятой главе приведены результаты расчёта напряжённо-деформированного состояния металла в мгновенном очаге деформации при квазиустановившемся процессе прокатки. Показаны напряжённые состояния заготовки в мгновенных очагах деформации при прокатке в калиброванных валках 110-65-45-140 и подачах 10 мм и 30 мм. Модель для расчёта принята той же самой, что и при исследовании процесса захвата во второй главе.
Значения максимальных контактных нормальных - стх, касательных - тх:, тангенциальных - ау и продольных - сл. напряжений на поверхности контакта в зависимости от угла поворота валка приведены для подачи 10 мм в таблице 4 и на рисунке 11, а для подачи 30 мм - в таблице 5.
Эти результаты позволяют оценить величину и закономерности распределения сжимающих и растягивающих напряжений, как вдоль очага деформации, так и по периметру трубы в зависимости от величины подачи и прогнозировать качество бесшовных горячекатаных труб.
Нормальные напряжения - ст„ как правило, сжимающие, достигают максимальных значений 760-795 МПа при углах поворота валков 100-130° для подач 10 и 30 мм (табл. 4,5).
Увеличение подачи с 10 мм до 30 мм приводит к увеличению контактных нормальных напряжений в очаге деформации.
Таблица 4
Значения максимальных контактных нормальных - <тх, касательных - г„, тангенциальных -оу и продольных - сг2 напряжений на поверхности контакта в зависимости от угла поворота
Угол поворота валка, градусы Значения максимальных напряжений. МПа
«Ту
70 325 -69 -320* -180*
67 63** 160**
80 448 -83 -350 -290
103 58 185
90 587 -101 -475 -419
118 53 221
100 764 -118 -619 -549
141 47 190
110 732 -120 -613 -513
124 49 163
120 615 -129 -546 -450
81 82 177
130 442 -49 -345 -234
82 92 176
* - отрицательные значения соответствуют сжимающим напряжениям ** - положительные значения соответствуют растягивающим напряжениям
Таблица 5
Значения максимальных контактных нормальных - <т„ касательных - г„, тангенциальных -(Ту и продольных - <уг напряжений на поверхности контакта в зависимости от угла поворота
Угол поворота валка, градусы Значения максимальных напряжений, МПа
Ох Тп (Ту стг
80 450 -81* -500* -470*
90** 73** 217**
100 707 -117 -606 -510
99 43 162
110 768 -141 -704 -677
78 41 135
120 800 -132 -690 -660
72 115 169
130 911 -140 -770 -677
127 136 187
140 795 -119 -701 -644
115 108 200
* - отрицательные значения соответствуют сжимающим напряжениям ** - положительные значения соответствуют растягивающим напряжениям
Продольные напряжения - а2 как по длине очага деформации, так и по периметру трубы могут быть как сжимающие, так и растягивающие: при подаче 10 мм продольные сжимающие напряжения достигают величины 513549 МПа при углах поворота валка 100-110°.
Рис. 11. Контактные нормальные - ах, касательные - тх!, тангенциальные -ау и продольные -аг напряжения по линиям 1, 5,9,13 и 17 контакта калибра с заготовкой. Угол поворота валка 90°. Подача 10 мм. Калибровка 110-65-45-140
Максимальные продольные растягивающие напряжения величиной 190220 МПа имеют место при углах поворота валка 90-100° (рис. 11). При подаче гильзы в валки величиной 30 мм продольные напряжения существенно
возрастают: сжимающие до величины 660-677 МПа при углах поворота 110130°, а растягивающие до величины 187-200 МПа при углах поворота валка 130-140° (табл. 5). Причём наибольшие продольные растягивающие напряжения наблюдаются в вершине калибра и в местах выпусков калибра при выходе трубы из-под гребня валков, что может привести к образованию внешних дефектов (рванин), а также к потере устойчивости тонкостенной трубы в продольном направлении, особенно при больших подачах гильзы в валки.
Возникновение в очаге деформации гильзы напряжений различных знаков наглядно видно на рисунке 12, где приведены эпюры тангенциальных -ау и продольных - а. напряжений в поперечном сечении очага деформации, что является главной причиной образования внешних дефектов.
Тангенциальные напряжения ау (табл. 6) по длине и периметру мгновенного очага деформации распределяются крайне неравномерно. В зоне контакта вершины калибра с гильзой тангенциальные напряжения растягивающие величиной до 50 МПа, затем они переходят в сжимающие, достигая наибольшей величины 550+600 МПа в области линии 9.
Рис. 12.Эпюры тангенциальных ау и продольных <т2 напряжений в поперечном сечении очага
деформации гильзы
Практический интерес представляет анализ распределения продольных напряжений ст., которые могут быть причиной образования дефектов типа рванин на поверхности тонкостенных труб при пилигримовой прокатке (рис. 11, табл. 6). Наибольшей величины, равной 200 МПа продольные растягивающие напряжения - az достигают в зоне контакта вершины калибра с гильзой (линия 1) и при длине наклонного участка очага деформации 580 мм. Затем уровень продольных растягивающих напряжений снижается до 100 МПа (линия 5) и при длине очага деформации 570 мм они переходят в сжимающие, достигая величины 200 МПа. Далее по периметру мгновенного очага
деформации уровень сжимающих напряжений увеличивается, достигая 650 МПа (линия 9). Характер изменения продольных напряжений в зоне выпуска (линия 17) отличается тем, что по длине мгновенного очага деформации они из сжимающих переходят в растягивающие и в конце мгновенного очага деформации достигают величины 100 МПа. При дальнейшем угле поворота валка уровень растягивающих напряжений в зоне выпуска калибра (линия 17) возрастает, достигая максимальной величины 170 МПа при длине наклонного очага деформации 700 мм.
Крайне неравномерное распределение тангенциальных - ах и продольных - аг напряжений по длине и периметру очага деформации при пилигримовой прокатке тонкостенных труб подтверждают таблицы 6 и 7.
Таблица 6
Максимальные напряжения, обжатия и продольные перемещения при пилигримовой
прокатке тонкостенных труб. Калибровка валков 110-65-45-140. Подача 10 мм
Параметры Угол поворота валка, град
70 80 100 110 120 130 140
Нормальные напряжения - ах, МПа -320 -440 -440 -790 -730 -580 -450
Обжатия по нормали - (Л, мм 17 16 16 16 16 16 16
Продольные перемещения - иг, мм -40 -45 -26
линия 1 40 42 50 50 40 40 35
(420) (480) (530) (550) (540) (530) (530)_
линия 5 50 50 -125 -300 -500 -540 -350
(500) (530) (565) (590) (620) (650) (680)
Тангенциальные напряжения* - (ту, МПа линия 9 40 (525) 50 (565) -470 (540) -620 (580) -625 (610) -500 (640) -245 (680)
линия 13 -240 (440) -270 (490) -350 (540) -400 (580) -300 (610) 30 (685) 50 (700)
линия 17 30 (430) -350 (480) -345 (525) 40 (650) 60 (680) 75 (680) 80 (700)
линия 1 160 180 225 200 145 125 120
(420) (480) (540) (580) (550) (540) (540)
линия 5 140 130 110 85 50 -430 25
(405) (450) (510) (560) (550) (650) (550)
Продольные напряжения* - <т2, МПа линия 9 62 (390) 40 (450) -430 (540) -550 (580) -530 (605) -445 (645) -110 (680)
линия 13 50 50 -270 -280 50 100 60
(390) (550) (540) (580) (660) (670) (630)
линия 17 49 45 60 130 140 170 170
(505) (545) (590) (640) (640) (660) (700)
* в скобках приведены длины наклонного участка очага деформации
Высокие продольные растягивающие напряжения (200-210 МПа) имеют место в зонах вершины и выпусков калибра, а между этими зонами растягивающих напряжений возникают высокие сжимающие напряжения, достигающие величины 900 МПа. Это также подтверждают графики изменения
сжимающих (знак -) и растягивающих (знак +) напряжений в зависимости от угла поворота валка для подачи 10 мм и 30 мм.
Также важно определить уровень и характер распределения напряжений в поперечных сечениях трубы.
Таблица 7
Значения максимальных растягивающих напряжений в зоне контакта трубы с дном калибра в _ зависимости от угла поворота валка_
Вариант (подача-угол бойкового участка валка) Угол поворота валка, град. Напряжение, МПа Расстояние от места перехода очага деформации в готовый участок трубы, мм
ау Oi
10-110 93 83 228 154
20-110 91 84 230 178
30-110 86 84 233 216
10-105 89 58 210 145
20-105 85 68 212 170
30-105 82 70 215 206
10-120 98 68 254 167
20-120 103 98 259 223
30-120 108 99 263 236
Растягивающие напряжения при этом возникают в области трубы, находящейся вблизи реборды калибра, а в зоне контакта с серединой калибра напряжения в сечении переходят в сжимающие напряжения. Для четырёх точек поперечного сечения (рис. 13) максимальные значения растягивающих напряжений приведены в таблице 8. Следует отметить, что наибольшей величины, равной 231 МПа, растягивающие продольные напряжения возникают в точках 1 и 2 поперечного сечения, что может быть причиной образования на трубах дефектов типа «рванин».
которых в таблице 8 приведены значения напряжений
Растягивающие напряжения расположены от вершины контакта гильзы с ребордой практически до середины высоты калибра. Характер растягивающих
напряжений для рассмотренных вариантов профилировки подобен (табл. 8). С увеличением подачи уровень растягивающих напряжений увеличивается, и практически не зависит от калибровки валков, по крайней мере, для подачи 10 мм. Кроме сечения, рассмотренного выше, в котором возникают растягивающие напряжения, существуют ещё другие сечения, в которых растягивающие напряжения возникают не вблизи контакта гильзы с ребордой, а, наоборот, вблизи контакта гильзы с вершиной калибра валка. Значения максимальных растягивающих напряжений приведены в табл. 7. В таблице также приведено значение угла поворота валка, при котором в сечении возникают максимальные растягивающие напряжения ау и сгг, а также положение сечения для каждой калибровки и подачи от зоны перехода очага деформации в готовый участок трубы. Продольные напряжения - аг зависят как от величины подачи, так и от величины угла бойкового участка валка. С увеличением подачи и угла бойкового участка валка происходит увеличение продольных растягивающих напряжений в зоне контакта трубы с вершиной калибра, достигающих 263 МПа (табл. 7).
Таблица 8
Значения напряжений в четырёх точках рассматриваемого сечения, и угол поворота валка,
при котором возникают максимальные растягивающие напряжения
Вариант (подача-угол бойкового участка валка) Угол поворота валка, град. Номер точки, где приведено напряжение
1 I 2 | 3 1 4 | 1 ] 2 I 3 | 4
Напряжение, МПа
°v Oi
10-110 123 81 65 -4 -50 175 186 -89 -ИЗ
20-110 130 86 68 -4 -82 185 196 -115 -135
30-110 142 97 79 6 -78 208 217 -130 -169
10-105 118 82 67 -14 -49 178 188 -105 -ИЗ
20-105 125 87 70 -15 -63 187 196 -123 -140
30-105 131 96 77 18 -76 204 213 -121 -157
10-120 143 83 67 -5 -63 179 190 -116 -137
20-120 143 92 74 4 -70 198 209 -121 -164
30-120 143 104 84 -71 -68 219 231 -185 -164
Такой характер обжатия приводит к возникновению наибольших растягивающих продольных напряжений (до 263 МПа) в зоне контакта гильзы с вершиной калибра, угол поворота валка при этом равен 108° (табл. 7). К концу очага деформации сильнее обжимается зона контакта гильзы с ребордой.
Такой неравномерный характер распределения и высокий уровень тангенциальных и особенно продольных напряжений является основной причиной образования дефектов типа рванин (рис. 14).
Рванины на поверхности тонкостенных труб из легированных марок стали при пилигримовой прокатке имеют языкообразную форму и направлены по оси калибра в противоположную сторону относительно вращения валков.
Чтобы представить, как происходит деформация металла на примере перемещения по высоте (обжатия) линии 1, положение линии 1 рассмотрим для калибровки 110-65-45-140 при подаче 10 мм и нескольких положениях угла поворота валка.
Рис. 14, Вид дефекта - рванина
Для подачи 10 мм приведём положение линии 1 для пяти значений угла поворота валка - 70, 100, 110, 120 и 130 градусов, результаты приведены на рисунке 15.
Графики удобны для представления, как и где образуется волна. На этих рисунках кроме положения линии 1 для вышеуказанных углов поворота дано также исходное положение линии 1 перед началом прокатки. По горизонтальной оси отложена длина линии 1. Начало соответствует месту
перехода гильзы в очаг деформации, а конец соответствует месту перехода очага деформации в готовый участок трубы.
Из представленных рисунков видно, что в основном волна образуется за счёт обжатия металла под мгновенным очагом деформации. И только ближе к концу прокатки, при больших углах поворота валков гребень металла становится выше исходного положения линии 1.
В шестой главе исследованы напряжения в валках от усилия прокатки на пилигримовых станах. Валки пилигримового стана работают в тяжёлых условиях эксплуатации, особенно бойковая часть валков, которая воспринимает периодические ударные нагрузки. Поэтому важно оценить уровень и закономерности изменения радиальных и тангенциальных напряжений и влияние на них технологических параметров процесса пилигримовой прокатки. Это позволит принять ряд мер для снижения уровня напряжений в валках и тем самым повысить их стойкость.
Напряжения в валках при пилигримовой прокатке определяются одновременно при исследовании напряжённо-деформированного состояния металла в очаге деформации при прокатке трубы.
Напряжения определены для валка с калибровкой 110-65-45-140. Расчёт производился при максимальном усилии прокатки при подаче заготовки на 20 мм, т.е. в момент поворота валка на 110°. Поскольку при исследовании напряжённо-деформированного состояния заготовки при прокатке расчёт вёлся в жёстких калибрах, т.е. не учитывалась деформация валка, то для определения напряжений в валке была построена модель валка с подшипником, расположенным на шейке, как показано на рисунке 16. Модель для расчёта после поворота валка на 110° приведена на рисунках 16.
Поскольку в модели при определении напряжённого состояния валка присутствовал участок трубы, имеющий упругопластические свойства, а между валком, заготовкой и подшипником был создан контакт, то решалась не просто
объёмная задача теории упругости, а расчёт производился на основе решения объёмной упругопластической задачи.
В силу симметрии рассматривалась половина валка.
При этом свойства участка трубы принимались упруго-пластическими, а свойства валка и подшипника - упругими. Для них модуль упругости принят равным 210 ООО МПа, а коэффициент Пуассона - 0.3.
На отсечённой по плоскости симметрии части валка задавались нулевые нормальные к поверхности перемещения, а на наружной поверхности подшипника принималось отсутствие перемещений во всех направлениях. Со стороны трубы задавались граничные условия в виде контактных давлений, полученные из решения задачи прокатки трубы при принятой калибровке валка, подаче 20 мм и повороте валка на 110°. Контактные давления на части трубы задавались равными контактным давлениям между дорном и частью трубы из решения задачи прокатки трубы. Правомерность задания контактных давлений на трубу определялась проверкой выполнения усилия на валок, полученного из решения задачи прокатки и решения задачи расчёта напряжений в валке.
Поскольку наиболее нагруженным является зона контакта валка с очагом деформации, то данная область разбивалась на более мелкие элементы, чем сам валок, как это наглядно видно из рисунка 16.
Ниже дана общая постановка задачи объёмной теории упругости.
В систему уравнений входят:
- уравнение равновесия (без учёта инерционных сил)
+ Л = а=й); (12)
;=1 '
- геометрические соотношения Коши, связывающие компоненты малого перемещения и тензора деформаций,
1 {дщ ди,\ _
£и = 2Щ+д£)' ^' = 1<3); (13)
- физические (или определяющие) соотношения линейной теории упругости
з
ац = £ С1теы + , (¿,; = й); (14)
к,1=1
- граничные условия П]01} = ?1 на поверхности контакта 5 (г =~ЪЗ); (15)
В уравнениях (12)-(15) использована декартовая ортогональная система координат. Обозначения вц, Ец, Сцщ, Пу, /¡-, ^ - представляют собой компоненты тензора напряжений, деформаций, упругих постоянных, начальных напряжений, векторов единичной внешней нормали к поверхности, объёмных и поверхностных сил соответственно.
Для определения напряжений в валках разработан алгоритм решения краевых задач теории упругости методом конечных элементов в объёмной постановке.
Результаты расчёта напряжённого состояния калиброванного валка даны на поверхности контакта заготовки с валком в зоне очага деформации и на некотором удалении от начала и конца очага деформации. Положение линий валка, где приведены напряжения, указаны на рисунке 17.
линия 19
начало линии для графиков
бойковая часть калибра
линия 17
полирующая часть
конец линии для графиков
полирующая часть калибра
бойковая часть калибра
Рис. 17. Положение линий валка, где приведены напряжения
Результаты приведены для шести линий. Для удобства сравнения положений линий на валке с линиями, расположенными на заготовке при анализе её напряжённо-деформированного состояния, номера линий на валке, где приведены результаты, соответствуют использованным ранее номерам линий при анализе напряжений в заготовке (см. рис. 9).
Поскольку, как уже было сказано выше, определяющими напряжениями являются радиальные и тангенциальные напряжения, то ниже на рисунке 18 приведены только эти напряжения.
Рис. 18. Эпюра напряжений по линиям 1, 5, 9, 13, 17 и 19
Изгибные напряжения практически отсутствуют из-за малого расстояния между подшипниками. Напряжения возникают на поверхности контакта валка с заготовкой и практически падают до нуля через 50 мм в глубину валка.
В таблице 9 даны значения максимальных радиальных и тангенциальных напряжений для рассчитанного варианта.
Таблица 9
№ линии Максимальные значения напряжений в валке, МПа
радиальные тангенциальные
сжимающие растягивающие
1 -499 -434 76
5 -405 -405 72
9 -456 -325 59
13 -294 -157 42
17 -207 -157 36
19 -197 -152 31
Из представленных рисунков и таблицы следует, что радиальные напряжения не превышают 499 МПа. Причём эти напряжения выше по линии 1, т.е. середине калибра.
Радиальные напряжения являются напряжениями сжатия и действуют в области очага деформации. Причём эти напряжения максимальны в середине длины очага деформации.
Тангенциальные напряжения в области очага деформации являются также сжимающими. Их уровень практически близок к радиальным напряжениям. Тангенциальные напряжения растяжения в валках возникают вне очага деформации в области валка, ближней к участку готовой трубы. Их уровень не превышает 76 МПа.
В седьмой главе проведена многоуровневая оптимизация параметров стана пилигримовой прокатки труб. Для повышения эффективности использования станов пилигримовой прокатки бесшовных труб большого диаметра осуществляется их перевод на работу с непрерывнолитой заготовкой круглого сечения. Кроме того, в связи с освоением и расширением сортамента труб из легированных и труднодеформируемых марок стали и повышением требований к их качеству необходимо дальнейшее совершенствование технологического процесса производства труб на пилигримовых станах. В связи с этим, необходимо определить оптимальные технологические параметры процесса пилигримовой прокатки труб с позиции снижения энергоёмкости технологического процесса и улучшения качества бесшовных труб, а также оценить нагруженность привода пилигримового стана.
Для определения оптимальных параметров пилигримового стана использован алгоритм двухуровневой оптимизации, который включает решение следующих задач: 1) оптимизация параметров технологического процесса при заданном сортаменте труб (верхний уровень оптимизации); 2) оптимизация параметров линии привода стана при заданных параметрах технологического процесса и электродвигателя, определённых на верхнем уровне оптимизации.
Для трубопрокатного пилигримового стана задача оптимизации может быть сформулирована следующим образом: для заданного сортамента бесшовных труб определить оптимальные параметры технологического процесса с позиции снижения энергоёмкости, выполнения заданной производительности, обеспечения долговечности оборудования и повышения качества труб.
Таким образом, пилигримовый стан оценивается по многим и, в ряде случаев, противоречивым критериям, таким как производительность (П), энергоёмкость (Э), нагруженность (Н), качество проката (К).
В связи с актуальностью экономии материально-энергетических ресурсов в качестве целевой функции при решении задач оптимизации технологических параметров пилигримового стана для производства бесшовных труб целесообразно использовать энергоёмкость, т.е. F = Э. Этот показатель позволяет определить оптимальные параметры технологического процесса, а также наложить ограничения на другие частные критерии стана.
При совершенствовании пилигримового стана для производства труб задан их сортамент и производительность стана П3, т.е. задана скорость прокатки и сортамент труб. Но для обеспечения заданной производительности (П3), для выполнения ограничения П > П3, необходимо согласовать систему «подающий аппарат - валки пилигримового стана». Следует ввести следующие ограничения:
mW < т < Ü>W < и> < w™,
где т - величина подачи, мм;
й> - угловая скорость валков, с"1.
Таким образом, при решении задачи оптимизации технологических параметров следует учитывать нижеследующие ограничения.
1. Конструктивные ограничения:
прочность рабочей клети Р < [Р] и главной линии А/Кр < [А/кр], где Р - усилие прокатки, Мкр - крутящий момент;
жёсткость рабочей клети и валковой системы Ск > [Ск].
2. Технологические ограничения: износ калибра валков b < [b];
величина вытяжки из условий хорошей проработки структуры металла А > [Я];
допустимая длина гильзы L < [L];
температура металла в конце прокатки Тмк^ < Тмк < ГМ1/2';
3. Ограничения, определяемые параметрами привода:
нагрев двигателя Мкв < Мном, где Мкв - среднеквадратичный момент двигателя, Миом - номинальный момент двигателя;
перегрузка двигателя Мтах/Мном < кп, где Мтах - максимально допустимый момент, А:п - коэффициент перегрузки.
Таким образом, задача оптимизации технологических параметров (верхний уровень) может быть сформулирована следующим образом: Минимизировать Э(Х) X = [т, си]
при ограничениях: П > П3; т(1) < т < т(2); со(1) < со < со(2); Гмк(1) < Тмк < Тнк(2); Р < [Р]; М < [М]; Л > [Л]; I < Щ; Ск > [С"]; Мтах/МНом ^ К', Мкв < Мном,
где Э - энергоёмкость процесса пилигримовой прокатки, кВгч/т;
Для решения задачи оптимизации параметров пилигримового стана использован комбинированный алгоритм, построенный на базе методов случайного поиска и симплекса Нелдера-Мида. В качестве целевой функции на верхнем уровне оптимизации использована удельная энергоёмкость процесса пилигримовой прокатки. Диапазоны изменения варьируемых параметров: 10 < т < 35 мм, 3.14 < ш < 6.28 1/с. Результаты приведены на рисунке 19.
Рис. 19. Зависимость удельной энергоёмкости от величины подачи гильзы в валки пилигримового стана, со =4,7 с*1
Полученные результаты с учётом данных теоретического исследования напряжённо-деформированного состояния металла в очаге деформации пилигримовой прокатки позволяют обоснованно выбрать оптимальную величину подачи гильзы в валки с позиции выполнения заданной производительности, снижения энергоёмкости технологического процесса и нагруженности механического оборудования и улучшения качества бесшовных труб. С учётом результатов комплексного исследования оптимальная величина подачи равна 20 мм.
Основу математической модели очага деформации составляет описание изменения момента прокатки по длине гильзы в зависимости от технологических параметров процесса прокатки и скоростных параметров привода при захвате гильзы валками.
Момент вычисляется по формуле
М = 7Г • /?3 ■ тк ■ вт/З^ ,
где Я - переменный радиус бойковой части валка, м; тк - касательное контактное напряжение, МПа; ш0 - угловая скорость валка, с"1;
^ _ 2тг • д • Д ■ (<тп • tga - т^ ^
(16)
(17)
Решение задачи оптимизации параметров линии привода пилигримового стана осуществляется с помощью математической модели, включающей модели очага деформации и линии привода. Расчётная схема представлена на рисунке 20.
Рис. 20. Расчётная схема линии привода пилигримового стана
Система дифференциальных уравнений, описывающих динамические процессы в линии привода пилигримового стана, согласно расчётной схемы (рис. 20), имеет вид:
Л ' 01 ~ М№ - с12(<Р! - <р2) - 1712(01 - ФгУ, )г • 02 = С126Р1 ~ <Рг) + <?1г(01 ~ 0г) ~ с24(<р2 -<724(02 - 04) - с23(,(Рг ~ <Рз) - <723(02 - 0з); /з 1 03 = с23(<Р2 - <Рз) + <?23(02 - 0з) - ^з; ;4 • 04 = С24(^2 - <рл) + ^24(02 - 04> ~ -С45ОР4 - 0з) - <745(04 - 0з); Л ' 05 = <45 6^4 - + ^45(04 ~ 05) ~ Щ) (01 ~ <"о)
■<Р4) ~
(18)
где Тэ - электромагнитная постоянная двигателя;
1? - модуль жёсткости механической характеристики; о)0 - угловая скорость на холостом ходу, 1/с; У - момент инерции сосредоточенной массы, т-м2 (кН'мх2); с - жёсткость упругой связи, кН'м/рад;
q - коэффициент эквивалентного вязкого демпфирования, кН'М'с;
М3, М5 - моменты на валках, кН'м;
(р.ф.ф - соответственно угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение сосредоточенной массы.
Задачу оптимизации (второй уровень) следует сформулировать следующим образом:
Минимизировать п-1
р = £ м? + Щ ■ (М« - М;+1)2; (19)
* = [с,п
при параметрических ограничениях: сг(1) < сг < с^;/^ </; <7;2 , где К] - коэффициент штрафа.
Задача оптимизации решена для наиболее тяжёлого режима нагружения линии привода пилигримового стана - мгновенного приложения нагрузки при захвате гильзы валками. Время переходного процесса захвата гильзы валками £п =0.05 с. В качестве варьируемых параметров использованы жёсткости упругих связей с23, с45. Начальные значения конструктивных параметров равны параметрам пилигримового стана ОАО «Челябинский трубопрокатный завод», диаметры шпинделей которого равны 390 мм.
Решение системы дифференциальных уравнений (18) проводили методом Рунге-Кутта. В процессе оптимизации жёсткости шпинделей изменяли в диапазоне 7000-^14000 кН'м/рад.
В результате решения задачи оптимизации конструктивно реализуемых параметров линии привода пилигримового стана установлено, что при мгновенном приложении нагрузки (^ =0.03-0.05 с) при захвате гильзы валками жёсткости шпинделей практически не влияют на уровень динамических нагрузок. Максимальная амплитуда динамического момента при этом не превышает 520 кН'м, что следует учитывать при расчёте элементов линии привода пилигримового стана на прочность и долговечность.
В восьмой главе представлены результаты экспериментальных исследований для анализа адекватности разработанных математических моделей. Отмечено, что важным показателем работоспособности пилигримового стана является характер распределения нагрузок в виде моментов прокатки по приводным шпинделям рабочих валков, определяющих как их долговечность, так и настройку предохранительных устройств от случайных периодических перегрузок.
Основной задачей комплексного исследования было оперативное измерение текущих значений напряжений в шпинделях и на штоке подающего аппарата с последующей регистрацией нагрузок: крутящих моментов и усилий; оперативное измерение текущих давлений в конце тормозной камеры подающего аппарата; оперативное измерение относительного положения подвижных деталей и узлов, включая шток подающего аппарата, рабочие
валки; оперативное измерение ускорений при движении прокатываемой заготовки; цифровая регистрация и хранение измеренных показателей в компьютерной базе данных стандартного формата хранения; оперативная визуализация измеряемых или сохранённых значений измеряемых показателей в автоматическом режиме или по запросу оператора измерений; обеспечение компьютерно-математической обработки первичных данных с проведением сравнительного анализа контролируемых параметров и их изменения.
Выполненные измерения позволили установить значения показателей работы исполнительных и приводных устройств пильгерстана, выполнить их оценку и выработать рекомендации о направлениях совершенствования оборудования, настройки и управления станом. В соответствии с полученными теоретическими и экспериментальными значениями крутящих моментов на шпинделях обеих клетей пильгерстана выполнены расчёты их предельно допустимых значений. В целом в приводном устройстве валков подтверждены расчётные предельные характеристики соединительных элементов.
В заключении отмечено, что работа является комплексным исследованием, содержащим новые научные, теоретические и экспериментальные результаты, направленные на совершенствование существующих процессов горячей пилигримовой прокатки труб. Для достижения этих целей поставлен и решён ряд научных и практических задач. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны научные основы и определены основные направления совершенствования технологии и оборудования станов пилигримовой прокатки труб, позволяющие определить напряжённо-деформированное состояние металла, определить энергосиловые параметры при прокатке труб, найти и обосновать рациональную калибровку валков и оптимальные режимы пилигримовой прокатки, обеспечивающие выпуск конкурентоспособных стальных труб и получение экономического эффекта.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработана математическая модель и алгоритм одновременного определения напряжённо-деформируемого состояния металла в мгновенных очагах деформации и напряжений в валках при прокатке стальных труб на пилигримовых станах, которая позволяет определить энергосиловые параметры и формоизменение труб, уровень и характер распределения напряжений и перемещений металла в очаге деформации, разработать рекомендации по совершенствованию процесса и оборудования пилигримовой прокатки труб.
2. На основании теоретического исследования силовых параметров и уровня и характера распределения напряжений по длине и периметру очага деформации при пилигримовой прокатке труб для различных калибровок валков определена и обоснована рациональная калибровка валков пилигримовых станов.
3. Проведена оценка условий захвата гильзы гребнями бойковой части валков пилигримового стана, определён уровень и характер распределения
напряжений и перемещений по периметру и длине мгновенного очага деформации для заданной калибровки валков в зависимости от величины подачи в валки. Установлено, что захват гильзы валками сопровождается мгновенным приложением нагрузки, при этом образуется мгновенный очаг деформации, а нормальные сжимающие напряжения достигают величины 38 МП а; растягивающие тангенциальные и продольные напряжения, достигающие соответственно значений 23 МПа и 60 МПа, наблюдаются в начале мгновенного очага деформации.
4. Разработана методика расчёта максимальных динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана при захвате гильзы валками. Установлено, что при мгновенном приложении нагрузки максимальная амплитуда динамического момента равна 520 кН'м.
5. Определён уровень и характер распределения силовых параметров и напряжений по длине и периметру очага деформации в зависимости от величины подачи гильзы в валки при квазиустановившемся процессе пилигримовой прокатки труб. Установлено, что в зоне контакта вершины калибра с гильзой наибольшей величины, равной 200 МПа, продольные растягивающие напряжения достигают при углах поворота валка 90-100°, а продольные напряжения в зоне выпуска достигают максимальной величины 170 МПа при длине наклонного очага деформации 700 мм. С увеличением подачи гильзы в валки до 30 мм и угла бойкового участка валка происходит увеличение продольных растягивающих напряжений до 263 МПа. Установлено, что неравномерный характер распределения по длине и периметру очага деформации и высокий уровень растягивающих продольных и тангенциальных напряжений является основной причиной образования дефектов типа рванин на поверхности тонкостенных труб из легированных марок стали при пилигримовой прокатке.
6. Анализ характера течения металла в зоне вершины калибра показал, что в основном гребень металла образуется за счёт обжатия гильзы в мгновенном очаге деформации, причём к концу прокатки при углах поворота валков 100-110° гребень металла становится выше исходного положения линии вершины калибра. Установлено, что направление продольного течения металла вдоль линии пилигримовой прокатки противоположно направлению подачи гильзы в валки.
7. Поставлена и решена объёмная задача определения уровня и характера распределения радиальных и тангенциальных напряжений в пилигримовых валках. Установлено, что радиальные напряжения являются сжимающими, не превышают 500 МПа, и действуют в области очага деформации. Тангенциальные напряжения в области очага деформации являются также сжимающими, а тангенциальные растягивающие напряжения возникают вне очага деформации и в области валка, ближней к участку готовой трубы, и их уровень не превышает 76 МПа.
8. Разработан алгоритм многоуровневой оптимизации параметров пилигримового стана, включающий решение следующих задач: 1) оптимизация параметров технологического процесса (верхний уровень оптимизации); 2) оптимизация конструктивных параметров линии привода пилигримового стана.
9. Решена задача оптимизации технологических параметров пилигримовой прокатки, в результате чего определена оптимальная по энергоёмкости величина подачи гильзы в валки, равная 20 мм.
10. Разработана математическая модель линии привода пилигримового стана, учитывающая технологические, скоростные и силовые параметры начальной стадии процесса прокатки, конструктивные параметры линии привода, демпферы и зазоры в шпиндельных соединениях. При моделировании установлено, что высокие динамические нагрузки в линии привода пилигримового стана возникают при мгновенном приложении нагрузки в начальной стадии захвата гильзы валками.
11. Решена задача оптимизации конструктивных параметров линии привода пилигримового стана; установлено, что при мгновенном приложении нагрузки в начальной стадии процесса пилигримовой прокатки жёсткости шпинделей практически не влияют на уровень динамических нагрузок.
12. Комплексное экспериментальное исследование параметров технологического процесса и оборудования пилигримового стана ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» позволило определить уровень силовых параметров процесса прокатки и динамических нагрузок в линии привода, сравнить результаты эксперимента и теоретического исследования и оценить адекватность математических моделей; оптимальные режимы пилигримовой прокатки позволяют снизить энергозатраты и аварийные простои оборудования.
13. В результате проведённой работы по совершенствованию технологии и оборудования пилигримового стана ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» разработаны и внедрены новые эффективные конструкции устройств и инструмента для производства труб.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах: Монографии
1. Раскатов Е.Ю. Горячая пилигримовая прокатка труб. Теория и расчёт: Монография [Текст] / О.С. Лехов, Е.Ю. Раскатов. - Екатеринбург: УрФУ, 2011.-292 с.
2. Сафьянов А.В. Методы расчёта калибровок валков для прокатки тонкостенных и толстостенных труб на пилигримовых станах [Текст] / А.В. Сафьянов, Е.Ю. Раскатов. - Екатеринбург: УрФУ, 2011. - 348 с.
3. Раскатов Е.Ю. Моделирование пилигримовой прокатки бесшовных труб [Текст] / Е.Ю. Раскатов. - LAP: LAMBERT Academic Publishing, 2011. -306 с.
Статьи в изданиях, входящих в «Перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК России для опубликования основных результатов диссертаций на соискание учёной степени доктора наук»
4. Раскатов Е.Ю. Исследование динамики захвата гильзы валками пилигримового стана [Текст] / Е.Ю. Раскатов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - №1(3).-Т.13.-С. 617-619.
5. Раскатов Е.Ю. Исследование напряжений и перемещений металла в мгновенном очаге деформации при пилигримовой прокатке [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов, Д.А. Соловьев // Производство проката. - 2011. -№8.-С. 35-37.
6. Раскатов Е.Ю. Теоретическое исследование напряжений и перемещений металла в мгновенном очаге деформации и оценка качества тонкостенных труб при пилигримовой прокатке [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов, Д.А. Соловьев // Производство проката. - 2011. - №8. - С. 38-40.
7. Раскатов Е.Ю. Исследование обжатий и течения металла в калибре валка при пилигримовой прокатке тонкостенных труб [Текст] // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - №6. - С. 29-32.
8. Раскатов Е.Ю. Теоретическое исследование перемещений металла в очаге деформации при пилигримовой прокатке тонкостенных труб [Текст] // Е.Ю. Раскатов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - №5. -С. 230-236.
9. Лехов О.С. Двухуровневая оптимизация параметров стана пилигримовой прокатки труб [Текст] / О.С. Лехов, Е.Ю. Раскатов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - №1(3). - Т.13. - С. 566-569.
10. Раскатов Е.Ю. Напряжённо-деформированное состояние металла в очаге деформации при пилигримовой прокатке труб [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов, Д.А. Соловьев // Научно-технический вестник Поволжья. -2011. -№5. - С. 198-204.
11. Раскатов Е.Ю. Выбор рациональной калибровки валков пилигримовых станов [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета. - 2011. - №4. - С. 23-26.
12. Раскатов Е.Ю. Исследование начальной стадии процесса горячей пилигримовой прокатки [Текст] / Е.Ю. Раскатов // Естественные и технические науки. - 2011. - №6. - С. 350-354.
13. Раскатов Е.Ю. Исследование напряжений и перемещений металла в мгновенном очаге деформации и оценка качества тонкостенных труб при пилигримовой прокатке [Текст] / Е.Ю. Раскатов // Естественные и технические науки. - 2011. - №6. - С. 344-349.
14. Лехов О.С. Оценка объёмной модели процесса горячей пилигримовой прокатки труб [Текст] / О.С. Лехов, В.В. Турлаев, Е.Ю. Раскатов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - №6. - С. 200-204.
15. Раскатов Е.Ю. Исследование напряжённо-деформированного состояния в мгновенном очаге деформации с целью выбора рациональной калибровки
валков пилигримовых станов [Текст] / Е.Ю. Раскатов, Д.А. Соловьев, О.С. Лехов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - №6. - С. 196199.
16. Раскатов Е.Ю. Исследование условий захвата гильзы валками пилигримового стана [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов, Д.А. Соловьев // Заготовительные производства в машиностроении. - 2012. - №1. - С. 3032.
17. Раскатов Е.Ю. Исследование напряжённо-деформированного состояния металла в очаге деформации при пилигримовой прокатке труб [Текст] / Е.Ю. Раскатов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета. - 2012. - №1. - С.
18. Раскатов Е.Ю. Многоуровневая оптимизация стана горячей пилигримовой прокатки бесшовных труб [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - №6. - С. 192-195. Публикации в сборниках научно-технических трудов и в сборниках международных и всероссийских научных конференций
19. Раскатов Е.Ю. Повышение эффективности прокатки труб оптимизацией калибровки валков пилигримовых станов [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2011. - №3. - С. 3 741.
20. Раскатов Е.Ю. Исследование напряжённо-деформированного состояния металла в очаге деформации при пилигримовой прокатке труб [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов, Д.А. Соловьев // Трубы-2011: Труды XIX международной конференции (г. Челябинск, сентябрь 2011 г). -Челябинск: РосНИТИ, 2011. - С. 145-148.
21. Раскатов Е.Ю. Повышение точности труб при прокатке на пилигримовых станах на основе теоретического исследования условий захвата гильзы валками [Текст] / Е.Ю. Раскатов // Молодой учёный. - 2011. - №3. - Т.1. -С. 72-78.
22. Муратов A.C. Эффективность работы и выбор рациональных конструктивных параметров подающего аппарата пильгерстана [Текст] / A.C. Муратов, Б.Я. Соколинский, Д.В. Марков, Ю.Б. Чечулин, Е.Ю. Раскатов // Трубы-2007: Труды XV международной конференции (г. Челябинск, сентябрь 2007 г). - Челябинск: РосНИТИ, 2007. - С. 233-235.
23. Раскатов Е.Ю. Теоретическое исследование перемещений металла в очаге деформации при пилигримовой прокатке тонкостенных труб [Текст] / Е.Ю. Раскатов, О.С. Лехов, Д.А. Соловьев // Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2011): труды международной научно-технической конференции (г. Санкт-Петербург, июнь 2011 г). - СПб.: Изд-во Политех, ун-та, 2011. - С. 50.
24. Чечулин Ю.Б. Исследование нагрузок главной линии пильгерстана с целью совершенствования управления станом [Текст] / Ю.Б. Чечулин, Е.Ю. Раскатов, A.C. Муратов, Д.В, Марков // Современные достижения в теории
и технологии пластической обработки металлов: Труды международной научно-технической конференции (г. Санкт-Петербург, июнь 2007 г). -СПб.: Изд-во Политех, ун-та, 2007. - С. 421-424.
25. Раскатов Е.Ю. Теоретическое и экспериментальное исследование нагрузок главной линии пильгерстана [Текст] / Е.Ю. Раскатов, Д.А. Соловьев // Технические науки в России и за рубежом: материалы международной научной конференции (г. Москва, май 2011 г). - М.: Ваш полиграфический партнёр, 2011.-С. 72-74.
26. Муратов A.C. Исследование нагрузок главной линии пильгерстана с целью совершенствования настройки и управления станом [Текст] / A.C. Муратов, Б.Я. Соколинский, Д.В. Марков, Ю.Б. Чечулин, Е.Ю. Раскатов, Ю.В. Песин, В.И. Кузнецов // Трубы-2007: Труды XV международной конференции (г. Челябинск, сентябрь 2007 г). - Челябинск: РосНИТИ, 2007.-С. 230-232.
27. Раскатов Е. Ю. Теоретическое и экспериментальное исследование нагрузок главной линии пильгерстана [Текст] / Е.Ю. Раскатов // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы международной научной конференции (г. Санкт-Петербург, март 2011 г). - СПб.: Реноме, 2011. - С. 140-142.
28. Раскатов Е.Ю. Теоретическое исследование начальной стадии процесса пилигримовой прокатки тонкостенных труб [Текст] / Е.Ю. Раскатов // Молодой учёный. - 2011. - №10. - Т. 1. - С. 60-64.
29. Раскатов Е.Ю. Исследование перемещений металла в очаге деформации при пилигримовой прокатке тонкостенных труб [Текст] / Е.Ю. Раскатов // Современные тенденции технических наук: материалы международной научной конференции (г. Уфа, октябрь 2011 г). - Уфа: Лето, 2011. - С. 5255.
30. Чечулин Ю.Б. Выбор рациональных параметров подающего аппарата пильгерстана [Текст] / Ю.Б. Чечулин, Е.Ю. Раскатов, A.C. Муратов, Д.В. Марков // Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов: Труды международной научно-технической конференции (г. Санкт-Петербург, июнь 2007 г). - СПб.: Изд-во Политех, ун-та, 2007.-С. 415-420.
31. Раскатов Е.Ю. Пути повышения точности и снижения технологической обрези при прокатке труб на пилигримовых станах [Текст] / Е.Ю. Раскатов, B.C. Паршин // Непрерывные процессы обработки давлением. Труды Всероссийской научно-технической конференции. (Москва, 14-15 апреля 2004 г. / МГТУ им. Н.Э. Баумана.) - М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2004. - С. 234-240.
Подписано в печать 12.01.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 150 экз. Заказ 3457.
Отпечатано в типографии ООО «Издательство УМЦ УПИ» 620078, Екатеринбург, ул. Гагарина, 35а, оф. 2. Тел.: (343) 362-91-16, 362-91-17
Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Раскатов, Евгений Юрьевич
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СПОСОБА ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ НА ПИЛИГРИМОВЫХ СТАНАХ.
1.1. Описание процесса периодической прокатки и стана пилигримовой прокатки труб.
1.2. Современное состояние способа производства труб на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами.
1.3. Направления повышения производительности пилигримовых станов за счёт совершенствования калибровок валков.
1.4. Повышение производительности пилигримовых станов и сокращение расхода металла за счёт определения рациональных размеров заготовок для прокатки максимальных длин труб.
1.5. Анализ существующих методов расчёта калибровок валков пилигримовых станов для прокатки труб.
Выводы по главе 1.
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ НА ПИЛИГРИМОВЫХ СТАНАХ.
2.1. Математическая модель процесса прокатки стальных труб на пилигримовых станах
2.1.1. Постановка задачи.
2.1.2. Описание задачи, варианты расчёта, исходные данные и система допущений.
2.1.3. Расчётная схема, граничные условия и алгоритм расчёта.
2.1.4. Определение модуля упругости, сопротивления пластической деформации и коэффициента трения.
2.2. Теория решения краевых задач теории упругопластичности в объёмной постановке.
2.2.1. Закон изменения объёма.
2.2.2. Закон изменения формы.
2.2.3. Закон связи обобщённого напряжения с обобщённой деформацией при активном нагружении.
2.2.4. Закон пассивной деформации.
2.2.5. Закон упрочнения.
2.3. Алгоритм решения нелинейных задач упругопластичности, использованный при моделировании прокатки трубы и напряжений в валке.
2.3.1. Критерий текучести.
2.3.2. Закон текучести.
2.3.3. Закон упрочнения.
2.3.4. Приращение пластических деформаций.
2.3.5. Реализация в пакете АМБУБ.
2.3.6. Упругопластическая матрица «напряжения-деформации».
2.3.7. Полилинейное кинематическое упрочнение (MKIN).
2.3.8. Процедура решения нелинейной задачи методом Ньютона-Рафсона.
Выводы по главе 2.
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ ПИЛИГРИМОВЫХ СТАНОВ.
3.1. Разработка калибровок валков для прокатки тонкостенных труб.
3.1.1. Калибровка гребня пилигримовых валков.
3.1.2. Калибровка полирующего участка пилигримовых валков.
3.1.3. Калибровка угла продольного выпуска пилигримовых валков.
3.1.4. Определение оптимального угла поперечного выпуска в полирующей части калибра валков для прокатки тонкостенных труб.
3.1.5. Калибровка валков пилигримового стана с бойком по схеме с переменным сечением.
3.2. Выбор рациональной калибровки валков пилигримовых станов.
3.2.1. Постановка задачи.
3.2.2. Результаты расчёта усилий и моментов пилигримовой прокатки для различных калибровок валков.
3.2.3. Результаты расчёта тангенциальных и продольных напряжений в очаге деформации для различных калибровок валков в зависимости от величины подачи гильзы в валки.
3.2.4. Оценка и выбор рациональной калибровки валков пилигримовых станов.
Выводы по главе 3.
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГИЛЬЗЫ ПРИ ЕЁ ЗАХВАТЕ ВАЛКАМИ.
4.1. Постановка задачи.
4.2. Усилия и моменты в начальной стадии процесса пилигримовой прокатки.
4.3. Напряженно-деформированное состояние металла в мгновенном очаге деформации при захвате гильзы валками.
4.4. Динамика захвата гильзы валками пилигримового стана.
Выводы по главе 4.
ГЛАВА 5. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТАЛЛА В МГНОВЕННОМ ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ КВАЗИУСТАНОВИВШЕМСЯ ПРОЦЕССЕ ПРОКАТКИ.
5.1. Общая математическая постановка моделирования прокатки труб на пилигримовом стане.
5.2. Результаты расчёта напряжённого состояния гильзы при прокатке в валках 110-65-45140 и подаче 10 и 30 мм.
5.3. Результаты расчета характера и уровня обжатия и перемещения металла вдоль оси трубы.
5.4. Результаты расчёта напряжённого состояния трубы при пилигримовой прокатке и оценка качества тонкостенных труб.
5.5. Характер обжатия гильзы в валках при угле поворота валка 110 градусов и подачах 10 мм и 30 мм.
5.6. Характер течения металла в вершине калибра при прокатке трубы в пилигримовых валках.
5.7. Оценка калибровки валков на основе исследования обжатий гильзы в мгновенных очагах деформации.
Выводы по главе 5.
ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ВАЛКАХ ОТ УСИЛИЯ ПРОКАТКИ НА ПИЛИГРИМОВЫХ СТАНАХ.
6.1. Постановка задачи, исходные данные, граничные условия и допущения.
6.2. Общий алгоритм решения объёмной задачи теории упругости методом конечных элементов.
6.3. Постановка задач теории упругости в объёмной постановке.
6.4. Реализация решения краевых задач теории упругости МКЭ в объемной постановке.
6.5. Результаты расчёта и их анализ.
Выводы по главе 6.
ГЛАВА 7. ДВУХУРОВНЕВАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СТАНА ПИЛИГРИМОВОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ.
7.1. Общая постановка задачи.
7.2. Оптимизация технологических параметров пилигримовой прокатки.
7.2.1. Постановка задачи.
7.2.2. Выбор критериев оптимизации.
7.2.3. Математическая модель процесса пилигримовой прокатки.
7.2.4. Результаты решения задачи оптимизации.
7.3. Расчет оптимальных параметров линии привода пилигримового стана.
7.3.1. Постановка задачи оптимизации.
7.3.2. Выбор целевой функции.
7.3.3. Выбор метода оптимизации.
7.3.4. Математическая модель линии привода пилигримового стана.
7.3.5. Результаты решения задачи оптимизации.
Выводы по главе 7.
ГЛАВА 8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНА ПИЛИГРИМОВОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ.
8.1. Краткая характеристика пилигримового стана ОАО «ЧТПЗ».
8.2. Методика экспериментальных исследований крутящих моментов, давлений металла на валки пилигримового стана и системы «подающий аппарат - рабочая клеть».
8.2.1. Система регистрации параметров.
8.2.2. Структура и функциональные компоненты системы.
8.2.3. Тарирование измеряемых характеристик.
8.2.4. Оснастка для экспериментального определения нагрузок в шпинделях привода валков рабочих клетей пилигримового стана.
8.2.5. Специальные устройства для опытных замеров характеристик нагружения в линии форголлера и закона движения заготовки.
8.3. Результаты экспериментальных исследований нагрузок главной линии пилигримового стана.
8.4. Результаты экспериментальных исследований системы «подающий аппарат - рабочая клеть».
8.4.1. Анализ и оценка конструкции форголлера с учётом особенностей узла гидравлического торможения.
8.4.2. Расчётно-теоретическое исследование процесса работы узла торможения при использовании принципа гидравлического сопротивления рабочей жидкости в изменяющихся зазорах.
8.4.3. Измерение нагрузок в системе подающего аппарата пилигримового стана.
8.4.4. Определение скоростей движения подвижных частей форголлера (возвратно-поступательное движение с присоединёнными массами).
Выводы по главе 8.
Введение 2012 год, диссертация по машиностроению и машиноведению, Раскатов, Евгений Юрьевич
Для создания и совершенствования материально-технической базы и оборонной мощи России необходимо развитие ряда важнейших отраслей промышленности, а именно, металлургической, энергетической, химической, нефтяной, газовой, машиностроения, а также оборонной и капитального строительства.
Трубная промышленность является одной из базовых отраслей народного хозяйства страны и в ближайшие годы будет развиваться более быстрыми темпами, чем другие составляющие чёрной металлургии [1-5]. Это объясняется тем, что дальнейшее развитие в первую очередь нефтегазового и топливно-энергетического комплексов страны, а также машиностроения, атомной энергетики и многих других отраслей требует все большего количества труб самого разнообразного сортамента. В связи с этим перед трубной промышленностью стоит задача - увеличить объем производства труб повышенного качества, расширить их сортамент, увеличить выпуск экономичных профилей и повысить степень обеспечения трубами необходимого сортамента ведущих отраслей страны.
В настоящее время, одним из основных способом производства бесшовных горячекатаных труб большого и среднего диаметров с толщинами стенок от 7 до 100 мм и более является прокатка на установках с пилигримовыми станами. Использование непрерывнолитых заготовок круглого сечения обеспечило значительные преимущества пилигримового способа производства труб.
Общеизвестны преимущества пилигримовой прокатки труб: возможность применения литого слитка, получение труб большого диаметра (до 630 мм) без применения станов - расширителей, прокатка труб длиной до 40 м, прокатка особотолстостенных, профильных и труб переменного сечения, возможность производства труб более мелкими партиями (до одной трубы) и др. На пилигримовых станах производят трубы весьма широкого сортамента и практически любого назначения: трубы нефтяного сортамента, обсадные, баллонные, котельные, трубы из специальных сталей и сплавов, биметаллические трубы разных сочетаний (для АЭС и для транспортировки сыпучих абразивных материалов), трубы спецназначения для ВПК. Эти преимущества дают основание считать, что способ пилигримовой прокатки труб ещё долгие годы будет успешно конкурировать с другими способами производства труб.
Бесшовные трубы диаметром более 406 мм с разными толщинами стенок без применения специального оборудования (гидравлических прессов и станов расширителей) можно производить только на ТПУ с пилигримовыми станами. Экономичность производства труб малыми партиями (до одной грубы) также следует отнести к достоинствам установок с пилигримовыми станами. Об этом также свидетельствует анализ технико-экономических показателей различных способов производства стальных труб [6J. Технико-экономические исследования показывают, что производство бесшовных труб большого диаметра на установках с пилигримовыми станами может успешно конкурировать с производством труб методом электросварки. Низкая себестоимость труб, получаемых из мартеновских слитков и непрерывнолитых заготовок на установках с пилигрмовыми станами, делают этот способ рентабельным.
В развитие теории и совершенствования процесса горячей пилигримовой прокатки труб большой вклад внесли советские учёные Г1.Т. Емельяненко, А.И. Целиков, П.К. Тетерин, O.A. Пляцковский, Я.Е. Осада, В.Я. Осадчий, А.П. Чекмарев, А.Н. Ирошников, Ю.М. Матвеев, Ю.Ф. Шевакин, O.A. Семенов, С.И. Борисов, B.C. Рудой, A.A. Чернявский, Б.Н. Матвеев, В.И. Линденбаум, М.А. Шубик и др.
Однако, в связи с увеличением выпуска экономичных профилей и толстостенных труб специального назначения, освоением и расширением сортамента труб из легированных и труднодеформируемых марок стали и сплавов, повышением требований к качеству, необходимо дальнейшее совершенствование технологического процесса производства труб на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для прокатки тонкостенных и толстостенных труб специального назначения и внедрение их в производство.
Возможности трубных заводов России не позволяют производить трубы нефтяного сортамента с гарантированным уровнем качества, соответствующим требованиям стандартов технически развитых стран; техническое состояние большинства цехов по производству бесшовных труб не отвечает современному уровню техники: агрегаты были ведены в эксплуатацию в 30-40 годы; износ основных производственных фондов превышает 50% (например, пилигримовые станы Северского трубного, Таганрогского металлургического, Челябинского трубопрокатного заводов и др.) [3-6].
В технически развитых странах до 95% бесшовных труб изготавливают из непрерывнолитой заготовки, что обеспечивает экономию металла до 15% и лучшее качество, чем при использовании катаных заготовок [7-12].
Настоящая работа посвящена дальнейшему исследованию и совершенствованию процесса пилигримовой прокатки тонкостенных и толстостенных труб большого диаметра с целью повышения производительности пилигримовых установок, улучшения качества прокатанных труб данного сортамента, изготовлению и исследованию новых калибровок валков пилигримового стана для прокатки тонкостенных и толстостенных труб и стойкости рабочего инструмента. В связи с этим, изучение в настоящей работе закономерностей распределения напряжений и пластического формоизменения непрерывнолитых заготовок на пилигримовых станах горячей прокатки, разработка методов прогнозирования и расчёта параметров данных процессов, а также выбора износостойкого материала технологического инструмента и расчёта его калибровки имеют важное научное и практическое значение. Разработка на их основе научно-обоснованных технических и технологических решений в области прокатки бесшовных труб и их внедрение в производство представляет актуальную задачу.
Актуальность диссертационной работы состоит в необходимости совершенствования современных технологий производства важнейшего вида металлопродукции - бесшовных труб и повышения их качества.
Таким образом, весьма актуальным является исследование и совершенствование процесса пилигримовой прокатки тонкостенных и толстостенных труб большого диаметра с целью обеспечения заданной производительности пилигримовых станов, снижения нагруженности оборудования и приводов, обоснованию рациональных калибровок валков, повышения стойкости калиброванных валков и улучшения качества бесшовных труб.
Цель работы заключается в разработке научных основ совершенствования станов пилигримовой прокатки труб и алгоритмов расчёта напряжений и перемещений металла в мгновенном очаге деформации при захвате гильзы валками и квазиустановившемся процессе, динамических нагрузок в линии привода и напряжений в валках и внедрение новых калибровок валков и оптимальных режимов пилигримовой прокатки, обеспечивающих выпуск конкурентоспособных бесшовных труб.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель процесса прокатки гильзы в валках пилигримового стана, которая позволила получить новые теоретические знания о закономерностях изменения напряжённо-деформированного состояния металла в мгновенном очаге деформации, как при захвате, так и в квазиустановившейся стадии процесса пилигримовой прокатки, о характере распределения и величине нормальных, касательных, тангенциальных и продольных напряжений по длине и периметру мгновенного очага деформации гильзы пилигримовыми валками;
- разработан алгоритм и решена в объёмной постановке задача, одновременного определения напряжений в мгновенном очаге деформации и пилигримовых валках, что позволило определить закономерности распределения и их величину в валках от усилия пилигримовой прокатки;
-разработана методика расчёта динамических нагрузок, возникающих в линии привода пилигримового стана при мгновенном приложении нагрузки;
- предложен алгоритм и решена задача двухуровневой оптимизации параметров пилигримового стана, что позволило определить оптимальные по энергоёмкости параметры технологического процесса прокатки и оценить уровень динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана.
Практическая ценность работы определяется тем, что теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты:
-определить основные направления совершенствования станов пилигримовой прокатки бесшовных труб;
- оценить схему напряжённого состояния в мгновенном очаге деформации гильзы валками пилигримового стана и на базе этого прогнозировать качество бесшовных труб;
- определить для различных калибровок валков уровень и характер распределения усилий и моментов прокатки и напряжений по длине и периметру очага деформации в зависимости от величины подачи гильзы в валки, что позволило дать рекомендации по выбору рациональной калибровки валков пилигримовых станов;
-определить уровень и характер распределения радиальных и тангенциальных напряжений в пилигримовых валках, что позволило дать рекомендации по выбору рациональных технологических параметров процесса пилигримовой прокатки.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Трубы России - 2004» (Екатеринбург, 2004); «Непрерывные процессы обработки давлением (посвящена 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова)» (Москва, 2004); «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2007); XV Международная конференция «Трубы-2007» (Челябинск, 2007); «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2011); «Технические науки в России и за рубежом» (Москва, 2011); IX международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011); «Современные тенденции технических наук» (Уфа, 2011); XIX Международная конференция «Трубы-2011» (Челябинск, 2011) и на кафедре «Металлургические и роторные машины» УрФУ в 2011 г.
Аннотация и структура диссертации. В первой главе рассмотрено современное состояние способа производства труб на пилигримовых станах. Отмечено, что от калибровки валков пилигримовых станов в значительной мере зависит производительность станов, качество прокатываемых труб, расход энергии, износ инструмента и другие показатели процесса. Во второй главе представлено построение математической модели процесса прокатки стальных труб на пилигримовом стане, которое выполнялось в объёмной постановке. В третьей главе разработаны и определены рациональные калибровки валков пилигримовых станов для различных условий прокатки. В четвертой главе проведено теоретическое исследование напряжённо-деформированного состояния гильзы при её захвате валками. В пятой главе приведены результаты расчёта напряжённо-деформированного состояния металла в мгновенном очаге деформации при квазиустановившемся процессе прокатки. В шестой главе исследованы напряжения в валках от усилия прокатки на пилигримовых станах. В седьмой главе проведена двухуровневая оптимизация параметров стана пилигримовой прокатки труб для повышения эффективности использования станов пилигримовой прокатки бесшовных труб большого диаметра при переводе на работу с непрерывнолитой заготовкой круглого сечения. В восьмой главе представлены результаты экспериментальных исследований для анализа адекватности разработанных математических моделей. В заключении отмечено, что работа является комплексным исследованием, содержащим новые научные, теоретические и экспериментальные результаты, направленные на совершенствование существующих процессов горячей пилигримовой прокатки труб.
Диссертация содержит список литературы, включающий 247 источников, и 4 приложения. Она имеет 180 рисунков и 25 таблиц.
Автор выражает благодарности коллегам по работе к.т.н. Кузнецову В.И., к.т.н. Песину Ю.В., к.т.н. Душкину В.М., к.т.н. Волегову И.Ф., Олькову И.С. Автор приносит благодарность сотрудникам ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» Муратову С.Г., Соколинскому Б.Я., Муратову A.C., к.т.н. Сафьянову A.B. за активную помощь при оснащении действующего оборудования специальной оснасткой и в организации проведения экспериментальных исследований в цеховых условиях.
Автор выражает благодарности научным консультантам д.т.н., профессору Лехову О.С., д.т.н., профессору Чечулину Ю.Б., д.т.н., профессору Паршину B.C.
Заключение диссертация на тему "Совершенствование технологии и оборудования пилигримовых станов для прокатки бесшовных труб"
Выводы по главе 8
1. Характер изменения крутящих моментов на шпинделях линии привода рабочих валков зависит от характера движения заготовки и работой подающего аппарата - форголлера.
2. Измерения крутящих моментов на шпинделях обеих рабочих клетей пильгерстана свидетельствует о том, что максимальные значения крутящих моментов имеют колебания значений как в период образования рабочего конуса (затравки), так и во время установившегося процесса прокатки.
3. При прокатке заготовок из нержавеющей стали математическое ожидание максимального значения крутящего момента на нижнем, наиболее нагруженном шпинделе по 113 циклам составило 1630 кН-м при общем диапазоне изменений значений моментов от 500 до 2350 кН-м. При этом наибольшее число максимальных значений приходятся на диапазон 13002100 кН-м и только 14-17 зарегистрированных максимальных значений крутящих моментов на нижнем шпинделе не превышали 1000 кН-м. Данные результаты хорошо соотносятся с результатами теоретического анализа, представленного в предыдущих главах, что подтверждает адекватность математической модели.
5. Установлено, что усилия и напряжения, воспринимаемые через траверсу-упор механизмом подачи в период установившегося процесса в процессе прокатки изменяются во времени по циклическому закону, достигая максимального пикового значения при положении поршня в конце передней части тормозной камеры. Предложенное нами ранее и выполненное изменение геометрических параметров тормозной камеры форголлера обеспечило при прокатке устойчивый режим торможения слитка в крайнем положении перед его захватом бойками рабочих валков.
6. Расчёт параметров процесса торможения форголлера при существующей геометрии деталей узла торможения подтверждает высокий уровень остаточных скоростей рабочего штока. Для уменьшения влияния ударного воздействия на детали рекомендуется при работе снижение уровня дросселирования до 40-25% поворотом внешней втулки. При уменьшении уровня дросселирования до 25-35% для штока с поршнем диаметром 569.5 мм: увеличивается продолжительность цикла торможения на 30%; уменьшается уровень давлений в тормозной камере в 3.5-4.5 раза; уменьшается остановочная скорость штока к моменту окончания хода штока в тормозной камере в 2-2.2 раза; повышается стабильность значений разовых подач.
7. Получены решения и проведён сравнительный анализ тормозных характеристик при варьировании параметров гидравлического демпфера; проведена сравнительная оценка результатов расчёта с показателями натурных испытаний, показавшая хорошую сходимость.
8. Выполненные измерения позволили установить значения показателей работы исполнительных и приводных устройств пильгерстана, выполнить их оценку и разработать рекомендации для совершенствования оборудования, настройки и управления станом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате теоретических и экспериментальных исследований [230-247] разработаны научные основы и определены основные направления совершенствования технологии и оборудования станов пилигримовой прокатки труб на основе анализа, позволяющего определить напряжённо-деформированное состояние металла, определить энергосиловые параметры и формоизменение труб, найти и обосновать рациональную калибровку валков и оптимальные режимы пилигримовой прокатки, обеспечивающих выпуск конкурентоспособных стальных труб.
Для достижения этих целей поставлены и решены следующие научные задачи: разработана математическая модель и алгоритм одновременного определения напряжённо-деформируемого состояния металла в мгновенных очагах деформации и напряжений в валках при прокатке стальных труб на пилигримовых станах, которая позволяет определить энергосиловые параметры и формоизменение труб, уровень и характер распределения напряжений и перемещений металла в очаге деформации, разработать рекомендации по совершенствованию процесса и оборудования пилигримовой прокатки труб; на основании теоретического исследования силовых параметров и уровня и характера распределения напряжений по длине и периметру очага деформации при пилигримовой прокатке труб для различных калибровок валков определена и обоснована рациональная калибровка валков пилигримовых станов; проведена оценка условий захвата гильзы гребнями бойковой части валков пилигримового стана, определён уровень и характер распределения напряжений и перемещений по периметру и длине мгновенного очага деформации для заданной калибровки валков в зависимости от величины подачи в валки; установлено, что захват гильзы валками сопровождается мгновенным приложением нагрузки, при этом образуется мгновенный очаг деформации, а нормальные сжимающие напряжения достигают величины 38 МПа; растягивающие тангенциальные и продольные напряжения, достигающие соответственно значений 23 МПа и 60 МПа, наблюдаются в начале мгновенного очага деформации; разработана методика расчёта максимальных динамических нагрузок в линии привода пилигримового стана при захвате гильзы валками; установлено, что при мгновенном приложении нагрузки максимальная амплитуда динамического момента равна 520 кН-м; определён уровень и характер распределения силовых параметров и напряжений по длине и периметру очага деформации в зависимости от величины подачи гильзы в валки при квазиустановившемся процессе пилигримовой прокатки труб; установлено, что в зоне контакта вершины калибра с гильзой наибольшей величины, равной 200 МПа, продольные растягивающие напряжения возникают при углах поворота валка 90-100 градусов, а продольные напряжения в зоне выпуска достигают максимальной величины 170 МПа при длине наклонного очага деформации 700 мм; с увеличением подачи гильзы в валки до 30 мм и угла бойкового участка валка происходит увеличение продольных растягивающих напряжений до 263 МПа; установлено, что неравномерный характер распределения по длине и периметру очага деформации и высокий уровень растягивающих тангенциальных напряжений является основной причиной образования дефектов типа рванин на поверхности тонкостенных труб из легированных марок стали при пилигримовой прокатке; анализ характера течения металла в зоне вершины калибра показал, что в основном гребень металла образуется за счёт обжатия гильзы в мгновенном очаге деформации, причём к концу прокатки при углах поворота валков 100-110 градусов гребень металла становится выше исходного положения линии вершины калибра; установлено, что направление продольного течения металла вдоль линии пилигримовой прокатки противоположно направлению подачи гильзы в валки; поставлена и решена объёмная задача определения уровня и характера распределения радиальных и тангенциальных напряжений в пилигримовых валках; установлено, что радиальные напряжения являются сжимающими, не превышают 500 МПа, и действуют в области очага деформации; тангенциальные напряжения в области очага деформации являются также сжимающими, а тангенциальные растягивающие напряжения возникают вне очага деформации и в области валка, ближней к участку готовой трубы, и их уровень не превышает 76 МПа; разработан алгоритм двухуровневой оптимизации параметров пилигримового стана, включающий решение следующих задач: 1) оптимизация параметров технологического процесса (верхний уровень оптимизации); 2) оптимизация конструктивных параметров линии привода пилигримового стана; решена задача оптимизации технологических параметров пилигримовой прокатки, в результате чего определена оптимальная по энергоёмкости величина подачи гильзы в валки, равная 20 мм; разработана математическая модель линии привода пилигримового стана, учитывающая технологические, скоростные и силовые параметры начальной стадии процесса прокатки, конструктивные параметры линии привода, демпферы и зазоры в шпиндельных соединениях. При моделировании установлено, что высокие динамические нагрузки в линии привода пилигримового стана возникают при мгновенном приложении нагрузки в начальной стадии захвата гильзы валками; решена задача оптимизации конструктивных параметров линии привода пилигримового стана; установлено, что при мгновенном приложении нагрузки в начальной стадии процесса пилигримовой прокатки жёсткости шпинделей практически не влияют на уровень динамических нагрузок; комплексное экспериментальное исследование параметров технологического процесса и оборудования пилигримового стана ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» позволило определить уровень силовых параметров процесса прокатки и динамических нагрузок в линии привода, сравнить результаты эксперимента и теоретического исследования и оценить адекватность математических моделей; разработан ряд новых эффективных конструкций устройств и инструмента для производства труб; в результате проведённой работы по совершенствованию технологии и оборудования пилигримового стана ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» внедрены рациональные калибровки валков пилигримового стана, отработаны оптимальные настройки подающего аппарата.
Библиография Раскатов, Евгений Юрьевич, диссертация по теме Технологии и машины обработки давлением
1. Данченко В Н Технология трубного производства / В Н Данченко, А П Коликов, Б А Романцев, С В Самусев М Интермет Инжиниринг, 2002 -640 с
2. Чикалов С Г Производство бесшовных тр\б из непрерывноли тй заготовки / Под научн ред АП Коликова Волгоград Комитет по печати и информации 1999 -416 с
3. Матвеев Б Н , Никитина Л А Современное состояние и перспективы производства труб в России и за рубежом // Производство проката 1999 -№12 - С 28-32
4. Коликов АП, Нуриахметов ФД Актуальные проблемы трубного производства России // Сталь -2001 № 1 -С 50-54
5. Шевакин Ю Ф , Коликов А П , Райков 10 Н 11роизводсгво тр\б -М Интермет Инжиниринг, 2005 564 с
6. Оборудование фирмы «Маннесман-Демаг-Меер» для изготовления и отделки бесшовных труб / В Г Балакин, Ю Г Крупман, Л Н Скоробогатская и др // Черная металлургия Бюллетень института «Черметинформация» -1982 -вып 10 С 19-37
7. Данилов ФА, Глейберг АЗ, Балакин В Г Горячая прокатка и прессование тр\б М Металлургия, 1972 - 576 с
8. Технология и оборудование трубного производства / В Я Осадчий, АС Вавилин, В Г Зимовец, А П Коликов М Интермет Инжиниринг, 2000 -608 с
9. Повышение качества непрерывнолитых трубных заготовок из коррозионностойкой хромоникелевой стали / В В Фролочкин, В А Салаутин, В Я Генкин и др // Сталь 1992 -№ 3-С 32-37
10. Романцев Б А Полые профилированные за1 оговки повышенной ючност Теория, технология и конструирование машин Автореферат диссерт докт техн наук М 1993 -45 с
11. Матвеев Б Н Классификация процессов продольной периодической (шаговой) прокатки // Известия высших учебных заведений Серия «Черная метапп) ргия» -1990 № 3 -С 59-61
12. Тетерин П К Теория периодической прокатки -М Металлургия, 1978 -256 с
13. Машины и агрегаты металлургических заводов В 3-х томах ТЗ Машины и агрегаты для производства и отделки проката / А И Целиков П И Полухин В М Гребеник и др М Металлургия, 1981 - 576 с
14. Опыт совершенствования сортамента и качества труб / В Г Поярков, А В Гончарук, Б А Романцев, Р Н ФарТушный, А В Поливец // Сталь 2008 -№ 1 -С 47-5018
-
Похожие работы
- Исследование и разработка технологии производства труб на пилигримовом стане с использованием контролируемой прокатки
- Вопросы теории шаговой прокатки и ее применение для совершенствования производства труб и полос
- Исследование и совершенствование процессов производства нефтяных труб диаметром 73-219 мм на трубопрокатных агрегатах с пилигримовым станом с целью улучшения их качества
- Интенсификация процесса винтовой прошивки непрерывнолитых заготовок с целью повышения качества труб
- Разработка,внедрение и освоение нового оборудования и технологии для производства горячекатаных труб
-
- Материаловедение (по отраслям)
- Машиноведение, системы приводов и детали машин
- Системы приводов
- Трение и износ в машинах
- Роботы, мехатроника и робототехнические системы
- Автоматы в машиностроении
- Автоматизация в машиностроении
- Технология машиностроения
- Технологии и машины обработки давлением
- Сварка, родственные процессы и технологии
- Методы контроля и диагностика в машиностроении
- Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)
- Машины и агрегаты пищевой промышленности
- Машины, агрегаты и процессы полиграфического производства
- Машины и агрегаты производства стройматериалов
- Теория механизмов и машин
- Экспериментальная механика машин
- Эргономика (по отраслям)
- Безопасность особосложных объектов (по отраслям)
- Организация производства (по отраслям)
- Стандартизация и управление качеством продукции