автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии винтовой прокатки непрерывнолитой заготовки с целью уменьшения диаметра черновой трубы

На правах рукописи

КОРСАКОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ С ЦЕЛЬЮ УМЕНЬШЕНИЯ ДИАМЕТРА ЧЕРНОВОЙ ТРУБЫ

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением*

3 ИЮН 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569849

Челябинск - 2015

005569849

Работа выполнена на кафедре «Машины и технологи» обработки материалов давлением» (МиТОМД) в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноУральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ)) и в Открытом акционерном обществе «Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности» (ОАО «РосНИТИ»)

Научный руководитель — Шеркунов Виктор Георгиевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «МиТОМД) ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ)

Официальные оппоненты:

Богатов Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Обработка металлов давлением» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Шифрин Евгений Исаевич, кандидат технических наук, директор Дирекции по технологии ОАО «Трубная металлургическая компания», г. Москва

Ведущая организация — ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.Н. Носова», г. Магнитогорск

Зашита диссертации состоится «01» июля 2015 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.298.01 при ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) и в сети Интернет по адресу: http://susu.ac.ru/ru/dissertation/d-21229801/korsakov-andrey-aleksandrovich

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, ЮУрГУ, ученый совет. Тел. (351) 267-91-23, факс (351) 267-92-28. e-mail: korsakov@rosniti.ru

Автореферат разослан «¿2 » 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Шабурова Наталия Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время наблюдается массовое освоение производства бесшовных горячекатаных труб из непрерывнолитых заготовок (НЛЗ). Использование непрерывнолитых круглых заготовок для производства бесшовных труб позволяет частично или полностью исключить из технологического процесса более затратную и подчас менее качественную катаную заготовку, уменьшить концевые отходы и существенно снизить себестоимость готовых труб. Однако, широкомасштабное использование НЛЗ для производства бесшовных труб ограничено предельными размерами кристаллизаторов по условиям формирования в них заготовок круглого сечения: максимальный диаметр НЛЗ составляет 410 мм, минимальный - 156 мм. В частности, проблематично изготовление труб диаметром менее 121 мм из НЛЗ на самых многочисленных трубопрокатных агрегатах (ТПА) «140», потребляющих катаную заготовку диаметром менее 156 мм (от 90 мм до 150 мм), прошедшую вторичный деформационный передел, и поэтому более дорогостоящую.

Высокая стоимость кристаллизаторов и сложность производства НЛЗ делают невозможным изготовление непрерывнолитых заготовок широкого сортамента по диаметрам, например, с шагом 5-10 мм, достигнутым и обеспечиваемым при производстве катаных заготовок.

В связи с этим разработка эффективной технологии производства труб малого диаметра (121 мм и менее) на ТПА-140 из НЛЗ повышенного диаметра (156 мм) является актуальной научно-технической задачей.

Цели и задачи. Совершенствование технологии винтовой прокатки непрерывнолитой заготовки диаметром 156 мм с целью получения труб диаметром менее 121 мм.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ особенностей деформирования непрерывнолитых трубных заготовок.

2. Исследовать напряженно-деформированное состояние в осевой зоне НЛЗ при прошивке с повышенными обжатиями.

3. Определить рациональный температурный режим, обеспечивающий максимальную пластичность заготовки в процессе деформации.

4. Разработать математическую модель и алгоритм расчета настроечных параметров прошивного стана.

5. Предложить эффективные патентозащищенные технические решения, направленные на совершенствование технологического процесса.

6. Выполнить проверку полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях.

Научная новизна:

- В результате компьютерного и натурного моделирования получена новая информация о напряженно-деформированном состоянии в осевой зоне НЛЗ при прошивке, в частности показано «залечивание» дефектов под действием подпирающих усилий со стороны носка оправки и возможность

деформирования HJT3 с повышенными обжатиями при условии акцентированного обжатня и соблюдения принципа дробности деформации.

- С использованием метода конечных элементов выполнена сравнительная оценка энергосиловых параметров процессов прошивки как с увеличением, так и с уменьшением диаметра гильзы. В результате установлено увеличение средних усилий на валок на 18% для прошивки с уменьшением диаметра гильзы.

- В результате исследования процесса деформирования на установке Gleeble 3800 с мобильным модулем горячего кручения Hot Torsion определен температурный интервал максимальной технологической пластичности для HJI3 из стали 20, который составил 1100-1150°С.

- Разработана математическая модель и алгоритм расчета настроечных параметров прошивного стана, учитывающий искажение очага деформации от разворота валков на угол подачи.

Практическая значимость:

- Разработан, запатентован и всесторонне исследован новый способ производства горячекатаных труб из НЛЗ с уменьшением наружного диаметра черновой трубы при обкатке, а также на каждой операции горячего передела ТПА-140 (патенты РФ №2489220 и №2489221), позволяющий получать трубы диаметром менее 121 мм из НЛЗ диаметром 156 мм.

- Разработан, запатентован и всесторонне исследован новый технологический инструмент косовалкового прошивного стана, позволяющий осуществлять прошивку НЛЗ с повышенными обжатиями в пережиме при обеспечении высокой стойкости оправок (патент РФ №2496590).

- Разработана компьютерная программа, позволяющая осуществлять точную настройку прошивного стана с учетом искажения очага деформации от разворота валков на угол подачи (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012612810).

- Новые технические и технологические решения опробованы и частично внедрены на заводах: ОАО «Синарский трубный завод» и ОАО «Волжский трубный завод». В частности изготовлен технологический инструмент прошивного и обкатного станов, осуществлены прокатки на новых режимах и получены трубы диаметром 114 мм и 108 мм из НЛЗ диаметром 156 мм. Анализ результатов опытно-промышленных прокаток позволил сделать вывод о возможности и целесообразности производства всего сортамента ТПА-140 из НЛЗ.

- Впервые реализовано уменьшение наружного диаметра черновой трубы на трехвалковом стане винтовой прокатки.

- Результаты диссертационной работы, реализованные в виде технологических инструкций и рекомендаций, внедрены на ОАО «СинТЗ» (г. Каменск-Уральский) и ОАО «ВТЗ» (г. Волжский) и применяются в повседневной работе технологов.

- Результаты работы внедрены в процесс обучения студентов по направлению «Металлургия» и профилю «Обработка металлов давлением».

Методы исследований и достоверность полученных результатов. Для

исследования процессов винтовой прокатки использовалось физическое и математическое моделирование, а так же испытания на автоматизированной испытательной установке Gleeble 3800, представляющей цифровую замкнутую систему термомеханических испытаний с мобильным модулем горячего кручения Hot Torsion.

Математическое моделирование проводилось с использованием CAE систем QForm 2D/3Dx64 и LS-DYNA, основанных на методе конечных элементов, при этом построение геометрических моделей прокатного инструмента и очагов деформаций станов осуществлялось в CAD системе трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС-30. Результаты моделирования хорошо согласуются с данными опытно-промышленных испытаний на ТПА-140 ОАО «СинТЗ».

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях: XIX Международная научно-техническая конференция «Трубы 2011» (г.Челябинск, 2011г.); III научная конференция аспирантов и докторантов (г.Челябинск, 2011г.); XVII Международная промышленная выставка Металл-Экспо'2011 (г.Москва, 2011г.); IV научная конференция аспирантов и докторантов (г. Челябинск, 2012 г.); Юбилейная научно-техническая конференция Трубы 2012 «Развитие технологий производства наукоемкой трубной продукции» (г. Сочи, 2012 г.); Молодежная научно-практическая конференция Трубной Металлургической Компании (г.Сочи, 2012 г.); IX Конгресс прокатчиков (г. Череповец, 2013 г.); 9th International Rolling Conference and 6th European Rolling Conference ROLLING2013 (Venice, 2013); Пятый международный промышленный форум и XIII Уральская промышленно-экономическая неделя (г. Челябинск, 2013г.); Научный семинар кафедры «МиТОМД» (г.Челябинск, 2013г.); XVII Московский международный Салон изобретений и инновационных технологий Архимед (г.Москва, 2014г.); Молодежная научно-практическая конференция ОАО «РосНИТИ» и ООО «ТМК НТЦ» (г.Челябинск, 2014 г.); XXI Международная научно-практическая конференция «Трубы-2014» «Трубная промышленность России. Вектор инноваций» (г. Челябинск, 2014 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах, в том числе 5 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, получено 3 патента РФ на изобретения и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, изложена на 158 страницах машинописного текста, включающего 73 рисунка, 14 таблиц, список использованных источников из 101 наименования отечественных и зарубежных авторов, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи исследования, приведена структура диссертации с взаимосвязью разделов, отражена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы по вопросам использования заготовок повышенного диаметра для производства бесшовных горячекатаных труб и реализации процессов винтовой прокатки с уменьшением диаметра заготовки, гильзы и черновой трубы.

Проведен анализ условий прошивки с использованием валков различного типа: для грибовидной схемы процесс прошивки с уменьшением диаметра гильзы является наименее приемлемым из всех.

Проведен анализ работ известных отечественных и зарубежных авторов, таких как П.Т. Емельяненко, А.П. Чекмарев, Ю.М. Матвеев, В.Н. Выдрин, Я.С. Финкельштейн, П.К. Тетерин, ЯЛ. Ваткин, P.M. Голубчик, Б.А. Романцев, A.B. Курятников, A.A. Богатов, В.Я. Осадчий, Е.И. Шифрин, Д.В. Овчинников, И.И. Лубе, А.Л. Марченко, Dr. Peter Heimerzheim и др., посвященных прошивке заготовок с уменьшением диаметра гильз.

Общим в работах является утверждение, что увеличение диаметра заготовки при прочих равных условиях прошивки приводит к росту поперечной деформации на оправке и, соответственно, положительных проекций сил трения на тангенциальное направление. В результате чего создается дополнительный резерв сил трения, и увеличивается зона опережения в тангенциальном направлении. Увеличение диаметра заготовки также способствует созданию опережения в осевом направлении.

Также при прошивке с уменьшением диаметра гильзы можно добиться улучшения качества ее наружной поверхности за счет уменьшения вскрытия имеющихся пороков в поверхностных слоях заготовки.

Установлено, что одной из основных проблем прошивки с уменьшением диаметра гильзы, требующей решения, является повышенный износ направляющих линеек.

Учитывая, что в технологической линии ТПА-140 ОАО «СинТЗ» имеется два мощных трехвалковых обкатных стана винтовой прокатки, работающих параллельно, возможно их целенаправленное использование при разработке новой технологии производства труб диаметром менее 121 мм из НЛЗ диаметром 156 мм.

Таким образом, наилучшим решением для производства труб диаметром менее 121 мм из НЛЗ является перераспределение деформации между станами горячего передела ТПА-140 с обеспечением последовательного уменьшения диаметра черновой трубы на каждой операции; и создание новых технологических схем прошивки с уменьшением диаметра гильзы и обкатки с уменьшением диаметра черновой трубы.

Во второй главе представлены результаты анализа особенностей винтовой прокатки НЛЗ с уменьшением диаметра.

Показаны недостатки существующих методик расчета энергосиловых параметров, которые дают заниженный результат применительно к процессу прошивки с уменьшением диаметра гильзы. В существующих методиках не учитывается действие линеек, которые для случая прошивки с уменьшением диаметра гильзы, помимо роли направляющего и поддерживающего инструмента, превращаются в активно работающий инструмент трения. Поэтому, для определения усилий при прошивке с уменьшением диаметра гильзы предложено использовать метод конечных элементов (рисунок 1).

__а____б

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

Время, с

Рисунок 1 - Моделирование прошивки с уменьшением диаметра: а - расчетная схема; б - результат расчета усилий на валок

По результатам компьютерного моделирования и экспериментальных исследований энергосиловые характеристики процесса прошивки с уменьшением диаметра гильзы повышаются на 15,0-20.0%.

Рассмотрен механизм деформации непрерывнолитой заготовки в сравнении с катаной. Осадка поперечного сечения плотной, имеющей «уков», катаной заготовки представлена на рисунке 2 (а и б). Осадка менее плотной НЛЗ с выраженной литой непроработанной структурой, с возрастающей макро и микро пористостью к центру заготовки, представлена на рисунке 2 (в и г).

Одним из положительных свойств НЛЗ применительно к процессу винтовой прошивки является способность ее к деформированию с более высокими обжатиями без образования дефектов на внутренней поверхности гильз.

Проведен анализ изменения овальности заготовки-гильзы в очаге деформации прошивного стана в зависимости от калибровки валков (рисунок 3). Максимальный износ линеек, соответствует области с максимальной овальностью, т.е. области пережима валков. Следует также отметить, что развитие внеконтактной поперечной деформации (овальности) происходит тем интенсивнее, чем выше степень тонкостенности деформируемого участка гильзы.

Рисунок 2 - Схема деформации заготовок: а - начальная стадия деформирования катаной заготовки, б - стадия достижения деформацией центра катаной заготовки, при которой вступает в действие механизм разрушения осевой зоны; в - начальная стадия деформирования НЛЗ, г - стадия деформации НЛЗ, при которой у катаной заготовки происходит разрушение осевой зоны

Таким образом, использование двухступенчатой калибровки валков прошивного стана, теряет эффективность для процесса с повышенными обжатиями по причине интенсификации износа направляющего инструмента в зоне, соответствующей пережиму валков (рисунок 3 кривая 2).

Рисунок 3 - Эпюры овальности поперечного сечения заготовки-гильзы при прошивке с уменьшением диаметра гильзы

На основе анализа изменения кривых 1 и 2 (рисунок 3) предложено снизить деформации, и, следовательно, овальность поперечного сечения гильзы в области

пережима валков путем интенсификации деформации заготовки на переднем малозагруженном участке входного конуса валков и линеек. Осуществить это можно посредством акцентированного увеличения обжатия заготовки на этом участке, в процессе которого произойдет дробление литой структуры и интенсивное уплотнение осевой зоны заготовки за счет устранения пористости и микропустот с некоторым увеличением ее овальности. На тыловом участке входного конуса очага деформации, примыкающем к пережиму, напротив, минимизировать величину обжатия, что позволит снизить уровень накопленной внеконтактной деформации и уменьшить овальность поперечного сечения гильзы на данном участке и нормализовать работу направляющих линеек. Предложенная схема деформирования заготовки во входном конусе очага деформации базируется на осуществлении в процессе прошивки принципа дробности деформации, более равномерного распределения ее по участку входного конуса, что позволит обеспечить снижение энергоемкости процесса прошивки и уменьшение износа линеек.

Другим вариантом, обеспечивающим минимизацию обжатия гильзы по стенке на входном участке очага деформации, примыкающем к пережиму налков, является выполнение кольцевой выточки на соответствующем участке рабочего конуса оправки при сохранении неизменным участка входного конуса валков, то есть выполненным без обратного конуса (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема

На рисунке 4 представлена схема прошивки НЛЗ - 1 повышенного диаметра. На валке - 2 размещены последовательно следующие участки: I -захватной - для осуществления стабильного первичного захвата заготовки и создания необходимого резерва втягивающих сил трения; II - гребень интенсивной деформации - для создания акцентированного повышенного обжатия заготовки; III - обжимной - для продолжения деформирования заготовки с повышенным обжатием, уплотнения ее структуры и обеспечения стабильного вторичного захвата (преодоления лобового сопротивления со стороны рабочего конуса оправки - 3); IV - пережим; V — раскатной.

С целью снижения уровня внеконтактной поперечной деформации, а также минимизации ее развития перед пережимом, на оправке размещена так называемая зона «отдыха», выполненная в виде кольцевой выточки.

очага деформации для прошивки НЛЗ повышенного диаметра

Создана математическая модель, описывающая очаг деформации прошивного стана с учетом его искажения от разворота валков на угол подачи. Основополагающим уравнением модели является определение кратчайшего расстояние от оси прошивки до валка гх в любом сечении очага деформации:

rx = yj(Rx +rx)2 +х2 - sin2 р - Rx +х - cosp-tga,, (1)

где Rx - кратчайшее расстояние от оси валка до заготовки в произвольном сечении,

х - расстояние от оси поворота до произвольного сечения очага деформации, в котором кратчайшее расстояние до валка равно гх,

Р - угол подачи,

а.2 - угол конусности выходного участка валка.

Кратчайшее расстояние от оси валка до заготовки в произвольном сечении определяется по формуле:

Rx =Rn — m • tga2, где Rn - расстояние от оси валка до заготовки в пережиме,

m - расстояние от конца пережима валка до оси поворота его на угол подачи.

Решая уравнение 1 относительно различных сечений очага деформации, определяются настроечные параметры прошивного стана (положение оправки в очаге деформации для получения необходимой толщины стенки гильзы). Погрешность при расчете данной методикой по сравнению с графическим методом настройки не превышает 3%.

В источниках [1, 2, 6], математическая модель представлена в полном объеме, в рамках же настоящего исследования интерес представляет программный продукт, разработанный на базе данной математической модели, обеспечивающий ее практическое применение в промышленных условиях.

Блок-схема алгоритма расчета настроечных параметров при прошивке, реализованного в программном продукте представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Алгоритм расчета настроечных параметров прошивного стана с учетом разворота валков на угол подачи

Интерфейс программы расчета настроечных параметров прошивного стана «Когх2» представлен на рисунке 6.

■В • ■=- ф'- .-*-..' V!........ ;....... ....... • ^ |

" ^ггЕт т?" г ' —..........1------V

1

а / - б

Рисунок 6 - Интерфейс программы «Когх2»: а - главное окно, б - окно вывода результатов расчета

Предложена новая схема деформирования черновой трубы в трехвалковом стане винтовой прокатки, особенностью которой, в отличие от существующих схем, характеризующихся обязательным увеличением диаметра черновой трубы и деформации ее по стенке, является отсутствие деформации трубы по стенке, благодаря чему становится возможным ведение процесса обкатки с уменьшением ее диаметра. На рисунке 7 показана принципиальная схема обкатки черновой трубы с уменьшением диаметра. Использование оправки с участком обратного конуса в сочетании с цилиндрическим участком, помимо уменьшения диаметра черновых труб, позволит уменьшить осевую нагрузку на упорный стержень оправки и тем самым повысить точность труб по стенке, за счет снижения стрелы прогиба, вибрации и стабилизации положения оправки в очаге деформации.

Иапрабпенив грокатки

1 „ 111

1 | 1

Рисунок 7 - Принципиальная схема обкатки в 3-х валковом обкатном стане винтовой прокатки с уменьшением диаметра черновой трубы

Уменьшение осевой нагрузкой на упорный стержень оправки обкатного стана объясняется действием дополнительной осевой составляющей т' силы И', действующей со стороны валков на оправку, направленной против хода прокатки (рисунок 8). Суммарное осевое усилие, действующее со стороны оправки на упорный стержень, будет уменьшаться по мере увеличения длины обратного конуса оправки и угла его образующей.

а б

Рисунок 8 - Схема усилий действующих на конические участки оправок со стороны валков: а - для классической оправки; б - для предложенной оправки

Проведено компьютерное моделирование методом конечных элементов с использованием программных продуктов: QForm 2D/3Dx64 и LS-DYNA, позволившее показать принципиальную возможности ведения процесса обкатки с уменьшением диаметра черновой трубы на трехвалковом обкатном стане, определить степень максимального уменьшения диаметра черновой трубы при обкатке и величину раздачи внутреннего диаметра черновой трубы, относительно цилиндрического участка оправки.

Третья глава посвящена определению температурного интервала максимальной технологической пластичности металла методом горячего кручения на установке Gleeble 3800 с мобильным модулем горячего кручения Hot Torsion. Испытания на горячее кручение проводились на образцах HJI3 из стали 20 в интервале температур от 1050°С до 1250°С с шагом 25°С.

Основным показателем технологической пластичности стали в испытаниях на кручение является угол поворота 0р или число оборотов Np=9p/2n до

разрушения образца. При кручении исследуемых образцов этот параметр испытывает значительный разброс, обусловленный структурной неоднородностью HJI3. Результаты трехкратных испытаний, представленные на рисунке 9 - а, иллюстрируют разброс величины 0Р. Следует отметить двукратное различие в величине 0р для образцов, вырезанных из периферийной и центральной зоны непрерывнолитой заготовки из стали 20.

Для более наглядного анализа изменения пластичности при горячем кручении была построена гистограмма отклонений показателей пластичности относительно оптимального значения в исследуемом интервале температур (рисунок 9 - б). Результаты испытаний образцов из центра заготовки при построении гистограммы не учитывались. За температурный интервал максимальной технологической пластичности принято отклонение от оптимального значения не превышающее 5%.

Из анализа гистограммы (рисунок 9-6) следует, что температурный диапазон максимальных значений технологической пластичности для HJT3 из стали 20 составляет 1100-1150°С. Исходя из этого можно дать рекомендацию по нагреву заготовок перед прошивкой, температура нагрева должна соответствовать верхнему порогу температурного интервала 1150°С, с учетом того, что для последующих операций необходима максимально возможная температура гильзы.

300-, 25020015010050

Образцы из периферии заготовки Образцы из центра заготовки

20

15

ШШЩ 13

iiiiiii

1050 1075 1100 1125 1150 1175 Температура, С

1225 1250

>• 1025 1050 1075 1100 1125 1150 1175 1200 1225 1250 1275 Температура, °С

Рисунок 9 - Зависимости для стали HJI3 из стали 20: а - угла поворота до разрушения образца от температуры; б - относительного отклонения показателей пластичности относительно оптимального значения от температуры

В четвертой главе представлены результаты опытно-промышленных исследований разработанных технических решений на ОАО «ВТЗ» и ОАО «СинТЗ».

В условиях ОАО «ВТЗ» проводились испытания разработанной методики настройки прошивного стана и программного продукта, а так же оценивалась стойкость оправок с кольцевой выточкой, которая оказалась более чем в 2 раза выше по сравнению со стойкостью действующих оправок.

В условиях ОАО «СинТЗ» была проведена серия, состоящая из трех опытно-промышленных прокаток, в ходе которых осуществляли прошивку HJT3 диаметром 156 мм с уменьшением диаметра гильзы на стане с грибовидными валками; обкатку с уменьшением диаметра черновой трубы на трехвалковом стане; прокатку труб диаметром 108 и 114 мм из НЛЗ диаметром 156 мм на ТПА-140.

Прошивка с уменьшением диаметра гильзы осуществлялась с использованием разработанного прокатного инструмента: валков с гребнем интенсивной деформации в сочетании с оправками различной конструкции (рисунок 10) и экспериментальными линейками.

Рисунок 10-Оправки прошивного стана: а - действующая (диаметр 110 мм); б - экспериментальная, с кольцевой выточкой (диаметр 110 мм); в - экспериментальная, с обратным гребнем (диаметр 110 мм); г - экспериментальная, с кольцевой выточкой и увеличенным на 16,7% носком

(диаметр 122 мм)

Общим для всех опытно-промышленных прокаток было устойчивое и стабильное протекание процесса прошивки на всех типах оправок, а так же на всех режимах и во всех стадиях.

Во время исследований были получены недокаты, с целью изучения состояния осевой зоны НЛЗ и напряженно-деформированного состояния при прошивке.

Изучение недокатов показало наличие выраженной пористости, а так же рыхлости и пустот центральной зоны (рисунок 11). Визуально диаметр зоны центральной пористости составляет 35-40 мм.

Наличие центральной пористости и ее размеры облегчают процессы внедрения и последующей прошивки носком оправки металла заготовки в сравнении с прошивкой катаной заготовки. Это обстоятельство улучшает, при прочих равных условиях, вторичный захват, самоцентрирование заготовки-гильзы в процессе прошивки и способствует повышению качества прокатываемых гильз. Кроме того, возможно увеличить диаметр носка оправки (в пределах диаметра осевой пористости), а так же радиус торцевой сферы носка, без существенного увеличения лобового сопротивления носового участка оправки.

Рисунок 11 - Очаги деформации с экспериментальными оправками: а - с диаметром носка 30 мм и радиусом скругления торца носка 20 мм; б - с диаметром носка 35 мм и радиусом скругления торца носка 40 мм

Использование опытной оправки с увеличенным диаметром и радиусом сферы носка преследовало цель увеличить эффект действия осевых подпирающих сил со стороны оправки (площадь поперечного сечения носка увеличилась в 1,4 раза относительно действующей оправки) на слои металла центральной зоны заготовки, уплотнить металл этой зоны и уменьшить дефектообразование на внутренней поверхности гильз. Эффект использования скорректированной оправки рассмотрен при сравнении двух недокатов, в которых и: пользовались экспериментальные оправки с различными диаметром и радиусом закругления торцевой сферы носка (таблица 1 и рисунок 11).

Общим для двух недокатов является то, что по мере увеличения обжатия во входном конусе, включая деформацию гребневыми участками валков, пористость в центральной зоне заготовки трансформируется в осевую рыхлость, а в области носка оправки - в осевую полость. При использовании опытной оправки с диаметром носка 30 мм и радиусом закругления торца 20 мм осевая полость сохраняется до сечения носка, и процесс ее раскатки проходит путем деформирования стенок полости боковой поверхностью носка, и затем поверхностью рабочего конуса оправки (рисунок 11 а).

Таблица 1 - Технологические, настроечные и конструктивные параметры очага деформации и оправок прошивного стана при изготовлении гильз размером 136x12,0 мм и 146*9,0 мм из НЛЗ диаметром 156 мм_ ___

Длина заготовки, мм 3 л § S и й> s сЗ 5 п Диаметр оправки, мм Расстояние между валками, мм / Обжатие в пережиме, % 8 i 1 1 S . к § = 1 I Э х 3 -3- = = £ •£ 3 р а S ■> 3 £ ¡§ ° а. 4 Выдвижение оправки, мм Угол подачи, град Частота вращения валков, об/мин. Температура заготовки, °С | Коэффициент осевой скорости . а t-ä ^ 0 ^ С 2 1 я Р" * ZJ ~ 11 Радиус сферы торца, мм

1410 135,75 110 126/19,3 137/1.08 100 12 100 1160-1170 0,65 30 20

1200 146.2 122 129/17,3 142/1.10 124 12 90 1160-1170 0,60-0,62 35 40

Использование экспериментальной оправки с увеличенным до 35 мм диаметром носка (соизмеримой с диаметром пористости осевой зоны заготовки), а так же выполнение торца носка более плоским вносит определенные качественные изменения в характер формирования и механизм деформирования осевой зоны заготовки (рисунок 11 б). В частности подпирающие усилия со стороны оправки на металл осевой зоны заготовки увеличиваются настолько, что позволяют «закрыть» передний край полости перед носком оправки и, более того, образовать непосредственно перед носком оправки буферную зону, состоящую из «неразрушенной» прослойки металла. Природу образования данной прослойки металла можно объяснить по-разному: граничный слой сформировался от действия осевых подпирающих сил со стороны носка оправки; граничный слой представляет случайный неразрушенный фрагмент центральной зоны металла заготовки, попавший в поле разреза недоакта в области перед носком оправки.

Для установления истинной причины образования граничного слоя «здорового» металла был проведен металлографический анализ двух вырезанных из осевой зоны НЛЗ образцов (рисунок 11 б): образец №1 представляет срез

недеформированной пористой центральной зоны, а образец №2 такой же срез, но продеформированный перед носком оправки центральной части НЛЗ представляющей сформированную прослойку неразрушенного металла.

При исследовании макро- и микроструктуры образцов было установлено, что в центральной зоне НЛЗ образца №1 наблюдалась центральная пористость, поры размерами от 0,05 до 0,3 мм, округлой формы и расположены хаотично. В образце №2 в приконтактном с оправкой слое металла полость отсутствовала, а пористость начиналась на расстоянии 3-4 мм от места контакта с носком оправки, причем размеры ее не превышали 0,02-0,05 мм. Микроструктура металла образцов №1 и №2 так же различна (рисунок 12), представляет ферритно-перлитную структуру с участками видманштеттова феррита, в образце №2 более дисперсная (рисунок 12 б), что обусловлено повышенной плотностью дислокаций, возникающих в процессе деформации. Данный факт указывает на то, что при прошивке процесс закрытия полости перед носком оправки сопровождался уплотнением металла и «залечиванием» изначально имеющейся пористости осевой зоны НЛЗ. Поэтому найденное техническое решение, учитывая удовлетворительные условия вторичного захвата, можно рассматривать и использовать в целях повышения качества внутренней поверхности гильз и труб.

Представленные на рисунке 11 и 12 фотографии подтверждают известные утверждения о положительном влиянии подпирающих усилий со стороны оправки в очаге деформации на величину критического обжатия и качество внутренней поверхности гильз и труб.

Рисунок 12 - Микроструктура металла недоката (рисунок 11-6) после травления в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты, 100х: а - образец № 1;

б - образец №2

Исследование обкатки с уменьшением диаметра черновой трубы проводилось при производстве двух типоразмеров готовых труб.

При производстве труб размером 114,0x8,0 мм из НЛЗ диаметром 156 мм технология обкатки черновой трубы предусматривала незначительное уменьшение диаметра черновой трубы (размер подката 128,0x8,0, размер

черновой трубы на выходе из стана 127,5><7,6 мм) и, по сути, была реализована технологическая схема «размер в размер».

При производстве тонкостенных труб размером 108,0x6,0 мм из НЛЗ диаметром 156 мм технология обкатки черновой трубы предусматривала уменьшение диаметра черновой трубы на 6% (размер подката 136,0x6,0 мм, размер черновой трубы на выходе из обкатного стана 128,0x6,0 мм).

На рисунке 13 показан меридиональный разрез недоката из очага деформации обкатного стана и результаты замеров его геометрических параметров. Замеры показали, что наружный диаметр трубы уменьшается на участке очага деформации от захвата трубы валками до пережима валков и практически не изменяется на выходном участке валков. Наблюдается незначительное утолщение стенки трубы на 0,4 мм.

138.00 133 00

Ш.00 ^ ш 80

I

I Ш.90 Ш.00

3 4 5 6 7 в 3 10 и «г 13 14 16 16 I? 18 18 20 2! 22 П 24 25 26 27 28 «$ес сечемме очзгз деф^?мв)4ии|щзг 10

Рисунок 13 - меридиональный разрез недоката и результаты замеров черновой трубы в очаге деформации: а - изменение диаметра; б - изменение толщины стенки в сечении выпусков, в - изменение толщины стенки в сечении контакта

трубы с валком и оправкой

По результатом опытно-промышленной прокатки были сделаны выводы о эффективности разработанных технических решений, направленных на

уменьшение диаметра черновой трубы при обкатке в трехвалковом стане, а так же подтверждены результаты моделирования новых технических решений.

Кроме того, по итогам опытной прокатки было установлено, что достигнуто повышение точности труб размером 114x8.0 мм по толщине стенки, за счет испоьзования новой оправки обкатного стана. Результаты замеров толщин стенок труб для двух марок сталей представлены на рисунках 14 и 15.

Анализ результатов прокатки труб из стали 20 показывает, что фактическое общее поле по толщине стенки с учетом выборки составляет 7,46...9,60 мм (что соответствует 2,14 мм или 26,75% от номинальной стенки 8 мм) (рисунок 14).

Анализ прокатки труб из стали 13ХФА показывает, что фактическое общее поле по толщине стенки с учетом выборки составляет 7,47...8,90 мм (что соответствует 1,43 мм или 17,88% от номинальной стенки 8 мм) (рисунок 15).

3 4 5 8 10 14 15 17 18

Порядковый номер прокатанной трубы

[^Передни» коней Я Задний конец

Отклонение средней толщины стенки труб из стали 20

Рисунок 14 -

Порядковый номер прокатанной трубы

Передний конец » Задний конец]

Рисунок 15 - Отклонение средней толщины стенки труб из стали 13ХФА

Результаты геометрических размеров труб размером 108x6,0 по диаметру и толщине стенки приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Диаметры и толщины стенок опытных труб размером 108x6,0 мм

Факт/по НД Передний конец Задний конец

Он,®- мм 5. мм П>ют,. мм Б. мм

Фактические 107,8-108.6 1 обр. 6,5-7,8 2 обр. 6,7-7.6 107,6-108,4 1обр. 6,4-7,8 2 обр. 5,9-7,7

ГОСТ 8731/8732 Допуск для труб размером 108 х 6.0 мм ±1,0% (106,92-109.08) 15.0% (5,1-6,75) ±1,0% (106,92-109,08) *"'2'5-15.0% (5,1-6,75)

Допуск для толщины стенки 7,0 мм (для справки) *12'5-15.0% (5,95-7,87) "2'5-15,0% (5,95-7,87)

По результатам сравнительного анализа трех опытно-промышленных прокаток установлена оптимальная схема перераспределения деформации между станами горячего передела ТПА «140»:

03 156 ММ > 0Г14О ММ- ) 0132 мм Раскатка на СПМЛУ2 )

Раскатна _СППЖ ) 0 | 3() ММ Об,»™ _> ) 0128 ММ ' >0,89-121 ММ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основании теоретических и опытно-промышленных исследований, а так же математического моделирования процесса винтовой прошивки заготовок показана принципиальная возможность прошивки НЛЗ с уменьшением диаметра гильзы до 13% на двухвалковых станах винтовой прокатки с валками грибовидного типа и направляющими линейками.

2. На основании теоретических и опытно-промышленных исследований, а так же компьютерного моделирования показана принципиальная возможность обкатки черновой трубы с уменьшением диаметра до 6% на трехвалковых станах винтовой прокатки.

3. Разработана новая сквозная технология производства труб диаметром от 83 до 121 мм во всем диапазоне толщин стенок из НЛЗ диаметром 156 мм на ТПА-140 ОАО «СинТЗ», с последовательным уменьшением диаметра заготовки на каждой операции горячего передела. Реализация новой технологии обеспечивается путем перераспределения деформации между станами горячего передела ТПА-140 и создания новых технологических схем прошивки с уменьшением диаметра гнльзы и обкаткн с уменьшением диаметра черновой трубы, не имеющих аналогов в России н за рубежом.

4. Проведенные экспериментальные исследования основных технологических параметров процесса прошивки позволяют дать рекомендации по температуре нагрева НЛЗ из стали 20. Для непрерывнолитых заготовок нз стали 20 исследования пластичности методом горячего кручения проводились впервые. Температурный интервал максимальной технологической пластичности стали 20 составляет 1100-1150°С.

5. Проведенные экспериментальные исследования процесса прошивки с уменьшением диаметра гильзы показали хорошую сходимость с математическим моделированием и повышенную до 4 раз стойкость новых экспериментальных оправок прошивного стана в сравнении с «классическими».

6. Качество внутренней поверхности гильз при прошивке с повышенными обжатиями, обеспечивается за счет применения оправки с увеличенным диаметром носка, позволяющего «залечивать» осевое разрушение HJI3; повышенного акцентированного обжатия заготовки и соблюдения принципа дробности деформации при прошивке.

7. Проведенные экспериментальные исследования процесса обкатки с уменьшением диаметра черновой трубы показали хорошую сходимость с компьютерным моделированием и повышение точности прокатанных труб по диаметру и толщине стенки, обусловленное наличием на новой оправке обкатного стана участков с обратным конусом.

8. Результаты опытных прокаток с получением труб размером 114x8,0 мм и 108x7,0 мм из HJI3 диаметром 156 мм позволяют сделать вывод о возможности унификации трубных заготовок диаметром 90-150 мм до одного типоразмера 156 мм с получением труб диаметром от 89 до 121 мм во всем диапазоне толщин стенок.

9. Новая технология производства труб диаметром от 83 до 121 мм из НЛЗ диаметром 156 мм, с последовательным уменьшением диаметра заготовки на каждой операции горячего передела пригодна для применения на всех ТПА-140 с автомат-станами.

10. Результаты настоящего диссертационного исследования внедрены и успешно применяются на российских трубопрокатных заводах, а именно на ТПА 159-426 ОАО «ВТЗ» и ТПА-140 ОАО «СинТЗ».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Корсаков, A.A. Методика определения настроечных параметров для прошивных станов с бочковидными валками / A.A. Корсаков, Д.Ю. Звонарев, A.B. Король и др. // Сталь. - 2011. - № 2. С. 62-54 (из списка ВАК).

2. Корсаков, A.A. Анализ технических решений направленных на повышение стойкости оправок прошивных станов / A.B. Выдрин A.B. Курятников, Д.Ю. Звонарев и др. // Производство проката. - 2012. - №5. -С. 27-30 (из списка ВАК).

3. Корсаков, A.A. Исследование процесса обкатки (риллингования) труб на трехвалковом стане винтовой прокатки ТПА «140» ОАО «СинТЗ» / A.A. Корсаков, A.B. Курятников, A.B. Король // Вестник ЮУрГУ. Серия "Металлургия". - Челябинск, 2013, Т. 13 - № 1. - С. 160-164 (из списка ВАК).

4. Корсаков, A.A. Определение температурного интервала максимальной технологической пластичности металла методом горячего кручения применительно к процессу косовалковой прошивки / A.B. Курятников, A.B. Король, A.A. Корсаков и др. // Производство проката. - 2014 - № 1. С. 20-27 (из списка ВАК).

5. Корсаков, A.A. Влияние формы и размеров носка оправки прошивного стана на образование внутренних дефектов на гильзах, и применение непрерывнолитых заготовок для производства труб диаметром менее 121 мм /

B.Г. Шеркунов, A.A. Корсаков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2015. Т. 15. -№2 (из списка ВАК).

6. Корсаков, A.A. Анализ схем деформирования процесса прошивки с относительно глубоким посадом из HJI3 / A.B. Курятников, Н.К. Худяков, A.B. Король и др. // Труды XIX Международной научно-технической конференции «Трубы 2011». Сборник докладов. - Челябинск. ОАО «РосНИТИ», 2011.-Часть И.-С. 108-113.

7. Корсаков, A.A. Применение НЛЗ повышенного диаметра для производства труб на ТПА «140» / A.B. Курятников, A.B. Король, Д.Ю. Звонарев и др. // Труды XIX Международной научно-технической конференции «Трубы 2011». Сборник докладов. - Челябинск. ОАО «РосНИТИ», 2011. - Часть II. -

C. 132-135.

8. Корсаков, A.A. Методика расчета калибровок оправок, применяемых на прошивных станах с бочковидными валками / A.A. Корсаков // Научный Поиск: материалы III научной конференции аспирантов и докторантов. Технические науки. - Челябинск: издательский центр ЮУрГУ, 2011. - Т.2. - С. 22-26.

9. Корсаков, A.A. Программа расчета настроечных параметров прошивных станов с бочковидными валками / A.A. Корсаков // Научный Поиск: материалы IV научной конференции аспирантов и докторантов. Технические науки. -Челябинск: издательский центр ЮУрГУ, 2012. -Т.2.

10. Корсаков, A.A. Разработка компьютерных программ для расчета настроечных параметров прошивных станов / A.B. Курятников, A.B. Король, A.A. Корсаков и др. // Труды юбилейной научно-технической конференции Трубы-2012 «Развитие технологий производства наукоемкой трубной продукции». Сборник докладов. - Челябинск. ОАО «РосНИТИ», 2012. - Часть И. -С. 41-43.

11. Корсаков, A.A. Разработка технологии производства труб диаметром от 73 до 121 мм из непрерывнолитой заготовки диаметром 150 (156) мм в условиях ТПА 140 ОАО «СинТЗ» / A.B. Курятников, A.B. Король, A.A. Корсаков // Труды IX конгресса прокатчиков. - Череповец, 16-18 апреля 2013. - Т. 1. - С. 130-134.

12. Korsakov, A.A. Determining the setup parameters for piercing mills with barrel-shaped rollers / A.A. Korsakov, D.Yu. Zvonarev, A.V. Korol' & Co // Steel in Translation. - 2011, Volume 41. - Number 2, Pages 147-150.

13. Korsakov, A.A. Improving processes of screw rolling in seamless hot-rolled pipe industry / A.A. Korsakov, A.V. Kuryatnikov, A.V. Korol // Труды 9th International Rolling Conference and 6th European Rolling Conference ROLLING2013 Venice (Italy) June 10-12, 2013 на CD.

14. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012612810. Когх2 / A.B. Курятников, A.B. Король, A.A. Корсаков и др.

15. Патент РФ №2489220. Способ винтовой прошивки литой заготовки / И.Ю. Пышминцев, A.B. Курятников, A.B. Король, A.A. Корсаков и др.

16. Патент РФ №2489221. Способ производства горячекатаных труб / И.Ю. Пышминцев, A.B. Курятников, A.B. Король, A.A. Корсаков и др.

17. Патент РФ №2496590. Технологический инструмент косовалкового прошивного стана / И.Ю. Пышминцев, A.B. Курятников, A.A. Корсаков и др.

КОРСАКОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ НЕПРЕРЫВНОЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ С ЦЕЛЬЮ УМЕНЬШЕНИЯ ДИАМЕТРА ЧЕРНОВОЙ ТРУБЫ

Специальность 05Л6.05 - «Обработка металлов давлением»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 25.04.2015. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 170/329.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.