Винтовая прошивка в трубном производстве

№ 3133

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ И ИНЖИНИРИНГА


Кафедра обработки металлов давлением

Б.А. Романцев
А.В. Гончарук
А.С. Алещенко




            Винтовая прошивка в трубном производстве



Учебное пособие


Рекомендовано редакционно-издательским советом университета






        МИСиС


Москва 2017

УДК 621.77 Р69

Рецензент
д-р техн. наук, проф. СМ. Горбатюк




      Романцев Б.А.
Р69 Винтовая прошивка в трубном производстве : учеб. пособие / Б.А. Романцев, А.В. Гончарук, А.С. Алещенко. - М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. -262 с.
        15BN 978-5-906846-82-2




         Представлены исследования деформационно-скоростных и энергосиловых параметров процесса винтовой прошивки заготовок на двух- и трехвалковых станах в широком диапазоне варьируемых факторов: углов подачи и раскатки рабочих валков, коэффициента вытяжки, направляющего инструмента. Приведены данные о качестве гильз по точности размеров и технологической пластичности прошиваемых заготовок.
         Предназначено для подготовки магистров по направлениям «Металлургия» и «Технологические машины». Может быть полезно аспирантам, преподавателям вузов, научным и инженерно-техническим работникам металлургических предприятий.


УДК 621.77





         Издание учебного пособия финансировано ЗАО «Исток МЛ»









I.S'BN 978-5-906846-82-2

                                    © Б.А. Романцев, А.В. Гончарук, А.С. Алещенко, 2017
© НИТУ«МИСиС»,2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................5
Научная школа И.Н. Потапова..............................8
1. Особенности винтовой прокатки........................21
2. Определение давления и удельных сил трения
на контактной поверхности...............................28
  2.1. Методы исследований контактных напряжений........28
  2.2. Конструкции современных штифтовых приборов.......30
  2.3. Методика исследования............................35
  2.4. Распределение векторов сил трения и коэффициентов скорости на контактной поверхности металла с валками.
  Основная настройка стана...............................38
  2.5. Распределение контактных напряжений в очаге деформации. Основная настройка стана...................50
  2.6. Силы трения на контактной поверхности металла с валками.............................................57
  2.7. Действие сил трения на контактной поверхности металла с направляющим инструментом...................59
  Контрольные вопросы к разделам 1 и 2..................69
3. Прошиваемость заготовок и состояние наружной поверхности гильз..............................71
  3.1. Механизм разрушения металла при прошивке.........71
  3.2. Угол подачи рабочих валков.......................75
  3.3. Направляющий инструмент..........................78
  3.4. Коэффициент овализации очага деформации..........81
  3.5. Угол раскатки (при различных схемах прокатки).....83
  3.6. Влияние оправки на склонность металла к центральному разрушению.............................85
  3.7. Качество наружной поверхности гильз..............90
  Контрольные вопросы...................................98
4. Кинематические и энергосиловые параметры винтовой прокатки.......................................99
  4.1. Методика исследований и обработки экспериментальных данных..............................99
  4.2. Прошивка в двухвалковом стане...................104
  4.3. Прошивка в трехвалковом стане...................139
  Контрольные вопросы..................................142
5. Разностенность гильз и полых заготовок..............143

3

  5.1. Основные факторы, определяющие уровень разностенности........................................143
  5.2. Постановка и решение задачи о сжато-изогнутом стержне...............................................145
  5.3. Расчетно-экспериментальный метод определения смещающей силы........................................150
  5.4. Сравнительные исследования процесса прошивки на двух- и трехвалковых станах........................154
  5.5. Калибровка и зацентровка.........................185
  Контрольные вопросы...................................196
6. Прошивка заготовок из легированных сталей и сплавов..198
  6.1. Особенности получения заготовок из высокопрочных сплавов...............................................198
  6.2. Прошивка заготовок из стали марки 12Х18Н10Т......223
  Контрольные вопросы...................................228
7. Новые технические решения для производства горячекатаных труб методами винтовой прокатки...........229
  7.1. ТИА с редукционным станом винтовой прокатки......229
  7.2. ТИА с трехвалковым раскатным станом винтовой прокатки - МТПА 40-80 ................................234
  7.3. Получение бесшовных труб прошивкой с последующей раскаткой в одном стане винтовой
  прокатки - на ТПА 73-270..............................242
  Контрольные вопросы...................................251
Библиографический список................................260

4

                                 Посвящается светлой памяти нашего учителя и основателя научной школы в области трубного производства Ивана Николаевича Потапова

ВВЕДЕНИЕ
   В послевоенные годы в нашей стране началось комплексное восстановление народного хозяйства, что обусловило интенсивный подъем металлургии и машиностроения. В связи с этим в МИСиС получили развитие научно-исследовательские работы по широкому спектру проблем трубного производства: горячей прокатке труб на агрегатах различного типа, холодной прокатке стальных труб и труб из цветных металлов, формовке и сварке труб и др. В конце 1960-х годов под научным руководством П.И. Полухина и И.Н. Потапова была создана лабораторная база и начаты комплексные теоретические и экспериментальные исследования процесса винтовой прокатки, направленные на совершенствование винтовой прошивки заготовок, раскатки гильз, обкатки труб, целью которых являлась интенсификация этих операций и повышение качества продукции. Теоретические и экспериментальные исследования проводились на лабораторном стане МИСиС-100 (конструкция Электростальского завода тяжелого машиностроения (ЭЗТМ)) с его уникальными возможностями и на промышленных станах трубных заводов в Первоуральске, Никополе, Днепропетровске.
   Именно в эти годы была заложена основа научной школы в области трубного производства, лидером которой стал профессор Иван Николаевич Потапов. Инженер-металлург, выпускник кафедры литейного производства МИСиС, после нескольких лет работы на ЭЗТМ мастером, а затем инженером-конструктором трубопрокатных станов, поступил в аспирантуру МИСиС, где его научным руководителем был П.И. Полухин. Научная работа в аспирантуре завершилась в 1964 г. успешной защитой кандидатской диссертации на тему «Исследование скоростных и силовых условий процесса поперечновинтовой прошивки».
   Поперечно-винтовая (геликоидальная, косая) прошивка - изобретение немецких металлургов, запатентованное в 1885 г. отцом и сыновьями Маннесманн, - лежит в основе трубопрокатного производства. Процесс винтовой прокатки прошел три основных этапа своего развития.
   Первый этап характеризовался ведением процесса прошивки при малых значениях угла подачи рабочих валков (3.. .5 °) с образованием

5

зоны центрального разрушения металла перед носком оправки, которая располагалась в сечении пережима или в выходном конусе очага деформации. Оправка служила для расширения полости заготовки и раскатки ее в толстостенную гильзу заданных размеров. При этом на внутренней поверхности получаемых гильз и труб оставались дефекты в виде плен, закатов и зажимов. Процесс прошивки с предварительным образованием полости был обоснован в работах Ф. Кокса, Т. Лобковица, Э. Зибеля.
   Советские ученые И.А. Фомичев, А.Ф. Лисочкин, В.В. Швейкин, В.С. Смирнов, П.К. Тетерин и др. предложили осуществлять прошивку без образования центрального разрушения в заготовке. Это достигалось путем снижения степени обжатия перед носком оправки за счет выдвижения ее носка во входном конусе очага деформации за пережим валков и повышения угла подачи рабочих валков до 8°. Такая технология прошивки основывается на предположении, что с уменьшением количества циклов деформации центрального разрушения не происходит, но в центре образуется зона «разрыхленного» (подготовленного к вскрытию полости) металла, для деформирования которого требуются небольшие усилия, сохраняется эффект центрирования оправки под действием растягивающих напряжений, но при этом обеспечивается улучшение качества внутренней поверхности гильз и труб. Однако при реализации и такой технологии из-за низкого качества и неоднородности свойств металла заготовки, отклонения от заданной температуры нагрева металла и других факторов на внутренней поверхности труб встречаются плены, трещины и прочие дефекты.
   Третий этап развития винтовой прошивки связан с разработкой технологических режимов прокатки при повышенных значениях угла подачи рабочих валков. Новые режимы отличаются тем, что при значениях угла подачи 16° и выше исключается центральное разрушение при прошивке в двухвалковом стане, существенно возрастает скорость прокатки и улучшается качество труб. Однако реализация новых технологических режимов на действующих прошивных станах была невозможна из-за специфической конструкции рабочих клетей, главного привода и выходной стороны, и для реализации новой технологии под руководством И.Н. Потапова конструкторами ЭЗТМ и МИСиС были созданы новые высокопроизводительные прошивные станы, позволяющие осуществлять процесс прошивки при значениях угла подачи рабочих валков 12.. .18°.

6

   В ходе проведения многолетних комплексных теоретических и экспериментальных исследований, проектно-конструкторских работ в МИСиС сложилась научная школа в области винтовой прокатки, которая обладает следующими характерными признаками: известностью в России, ближнем и дальнем зарубежье; высоким уровнем технологических и проектно-конструкторских разработок, оригинальность которых защищена большим числом патентов и авторских свидетельств на изобретения; высокой профессиональной репутацией и приверженностью научным традициям, заложенным П.И. Полухиным и И.Н. Потаповым; заботой о достойной научной смене, прошедшей высокопрофессиональную подготовку в магистратуре и аспирантуре.
   В настоящее время на кафедре Обработки металлов давлением в составе вышеупомянутой научной школы трудятся семь профессоров, доценты, научные сотрудники, инженеры, аспиранты и студенты магистратуры, успешно разрабатывая и внедряя в производство новые технологические процессы и оборудование для их реализации.
   По результатам исследований защищено 11 докторских и 60 кандидатских диссертаций, семь ученых являются лауреатами Премий Совета Министров СССР и Правительства Российской Федерации.

7

НАУЧНАЯ ШКОЛА И.Н. ПОТАПОВА
   Иван Николаевич Потапов (1930-1993) - крупный ученый в области прокатного производства, видный конструктор, известный педагог высшей школы, родился 15 ноября 1930 г. в поселке Пробуждение Калужской области в рабочей семье.
   По окончании в 1951 г. Людиновского машиностроительного техникума работал на машиностроительном заводе. С 1952 по 1957 г. был студентом Московского института стали. После защиты дипломной работы направлен на ЭЗТМ, где до 1961 г. работал мастером, начальником смены, инженером-конструктором, плодотворно участвовал в проектировании станов. С 1961 по 1964 г. Иван Николаевич учился в аспирантуре МИСиС и по совместительству работал научным сотрудником ЦНИИчермет. После защиты в 1965 г. кандидатской диссертации на тему «Скоростные и силовые параметры процесса поперечно-винтовой прокатки» он начинает научнопедагогическую деятельность в должности заведующего проблемной лабораторией, а с 1967 г. работает доцентом, профессором кафедры пластической деформации специальных сплавов. В 1970 г. он защитил докторскую диссертацию на тему «Исследование и совершенствование технологии и конструкции станов поперечно-винтовой прокатки труб». С 1978 г. и до кончины (12 мая 1993 г.) Иван Николаевич заведовал кафедрой обработки металлов давлением МИСиС.
   И.Н. Потапов внес большой вклад в совершенствование и укрепление материально-технической и научной базы кафедры. Под его руководством созданы и оснащены современным оборудованием две научные лаборатории: производства полых изделий прокаткой и процессов радиально-сдвиговой прокатки, деятельность которых оказала существенное влияние на ускорение научно-технического прогресса в металлургии и машиностроении.
   С именем Ивана Николаевича Потапова связан один из наиболее динамичных и продуктивных этапов в истории кафедры обработки металлов давлением МИСиС. Научный вклад в развитие техники, значимость для отечественной экономики реально достигнутых результатов позволяют считать И.Н. Потапова основателем научной школы МИСиС в области теории, технологии и оборудования трубопрокатного производства.
   Стиль научной деятельности И.Н. Потапова отличает умение выбрать ключевую проблему, до мельчайших деталей углубиться в ее

8

исследование, найти эффективное решение и довести его до промышленной реализации. Природная острота ума, дар инженерного предвидения, умение опираться на реальные научные факты, а не на их распространенные интерпретации, придавали его разработкам особую оригинальность и необычайно высокую эффективность. Его оригинальный научный подход, как правило, коренным образом расширял или даже изменял представления об объекте исследования. И.Н. Потапову нередко удавалось заглянуть за грань допустимого, преобразуя, казалось бы, невероятное в реальное, которое быстро становилось очевидным и общепризнанным.
   Направление научных изысканий И.Н. Потапова и его школы посвящено технологии и оборудованию станов винтовой прокатки, составляющим основу современного производства бесшовных стальных труб. Его фундаментальные труды вывели прокатную технику и технологию на качественно новый уровень. Созданные им принципиально новые способы и станы винтовой прокатки получили эффективное развитие не только в трубном производстве, но и в деталепрокатных технологиях и даже в сортопрокатном производстве. Результаты этих разработок нашли отражение в современной теории и технологии обработки металлов давлением.
   Металлические трубы относятся к прокатной продукции, которая не имеет альтернативы практически во всех отраслях промышленности, энергетики, строительства и транспорта. Более того, качеством труб в существенной мере обусловливается технический уровень этих отраслей. На рубеже 60-70-х годов прошлого столетия отечественная экономика весьма остро поставила перед металлургами задачу наращивания объемов производства стальных труб высокого качества небывалыми темпами: на 40 % за пять лет.
   При всем многообразии конструктивно-компоновочных решений существующих трубопрокатных агрегатов их производительность в основном определяется прошивным станом, т.е. станом винтовой прокатки, прошивающим сплошную заготовку (слиток) в пустотелую гильзу. Прошивной стан винтовой прокатки был изобретен братьями Маннесманн в 1885 г. и знаменовал собой революцию в прокатном деле. Применение этих станов положило начало производству бесшовных труб прокаткой. Почти за 70 лет существования винтовой прошивки предпринимались многочисленные попытки увеличить ее скорость и повысить производительность. Теоретически это можно сделать двумя путями: увеличить окружную скорость вращения валков и повысить угол подачи валков (в нестрогом определении

9

для двухвалкового стана с горизонтальным расположением валков это угол между осью прошивки и проекцией оси валка на вертикальную плоскость), создающий осевую составляющую их окружной скорости.
   На практике оказалось, что окружная скорость валков ограничена 5.. .8 м/с. При больших скоростях резко изменяется физическое состояние поверхности контакта металла с валками. Тянущая способность валков падает. Возрастающее скольжение металла препятствует увеличению скорости в соответствии с ростом окружной скорости валков. Заметно снижается качество труб по состоянию внутренней и внешней поверхности. Кроме того, при высокой частоте вращения валков ограничением становится вибродинамические нагрузки в главной линии стана, имеющей шпиндельные передачи со значительными конструктивными углами перекоса в шарнирах. А при увеличенном диаметре валков избыточно возрастают энергосиловые показатели процесса, габаритные размеры и масса прокатной клети.
   Угол подачи валков также имеет верхнее ограничение - 10.11°. При больших значениях нарушалась стабильность движения заготовки или блокировался ее захват. На станах с групповым приводом валков увеличение угла подачи конструктивно лимитировано возможностями главной линии.
   В связи с этим среди специалистов сформировалось устойчивое представление об исчерпании резервов повышения скорости и производительности прошивки на станах винтовой прокатки. Ведущие зарубежные фирмы - производители металлургического оборудования, не находя резервов интенсификации своей работы, стали применять экстенсивные решения, оснащая новые агрегаты двумя параллельно работающими прошивными станами.
   В сложившейся ситуации оставалась лишь одна возможность решения проблемы, на которую и обратил внимание аспирант И.Н. Потапов. При критическом анализе технологии выявилось отсутствие достоверных знаний о механике контактного взаимодействия валков прошивного стана с заготовкой, что не позволяло внести ясность в вопрос о физической сущности процесса и причинах безуспешности попыток прошивки при значениях угла подачи более 11°. Недостаток научных фактов компенсировался избытком неочевидных, а часто и непроверенных гипотез. Отсутствие прямых экспериментальных исследований контактных напряжений, скоростных и силовых условий при винтовой прокатке до крайности осложняло выработку прогрессивных решений этой проблемы в трубопрокатном производстве.

10

   Чрезвычайная сложность процесса винтовой прокатки для экспериментального и теоретического исследования, представлявшая собой непреодолимую преграду для многих исследователей, требовала неординарного подхода. В процессе работы над кандидатской диссертацией И.Н. Потапову впервые удалось создать комплекс уникальной аппаратуры для прямого измерения всех трех компонент контактных напряжений непосредственно в очаге деформации реального прошивного стана. Разработанный в качестве чувствительного элемента силоизмерительной цепи торсиометр монтировался непосредственно в теле прошивного валка и через штифт фиксировал точечные усилия (напряжения) прокатки. Новая аппаратура позволила экспериментально установить картину осевого и тангенциального скольжения металла, построить поля удельных сил трения и нормальных напряжений на контактной поверхности. Данное исследование не выявило препятствий физического характера для увеличения угла подачи, что объективно указывало на нереализованные ресурсы процесса.
   В дальнейшем аналитически были определены и необходимые условия доступа к этому ресурсу, невыполнение которых прежде оборачивалось безуспешностью попыток интенсифицировать прошивку. С технологической точки зрения увеличение угла подачи должно быть скоординировано с уменьшением угла конусности прошивных валков по условию компенсации искажения продольного профиля очага деформации и несокращением общей длины конусов прошивки и раскатки. При конструировании станов был необходим переход на индивидуальной привод валков оптимизированной пространственной конфигурации. В 1968 г. на ТПА 30-102 Первоуральского новотрубного завода впервые была осуществлена успешная прошивка при значениях угла подачи рабочих валков 13... 17°. Уже первые результаты полностью подтвердили точность исследовательского анализа и правильность выбранного направления интенсификации процесса.
   В дальнейшем большие значения угла подачи были положены в концептуальную основу новой технологии и конструкции станов винтовой прокатки, обстоятельно разработанной в докторской диссертации И.Н. Потапова. Для полномасштабных исследований и непосредственной отработки этой концепции в 1969 г. был создан опытно-промышленный участок, оснащенный двухвалковым прошивным станом МИСиС-100Д, позволяющим вести прошивку заготовок диаметром до 120 мм в диапазоне значений угла подачи 6.30° по грибовидной, чашевидной и бочковидной схемам с модулем угла

11

раскатки до 24°. В 1973 г. был установлен и трехвалковый стан винтовой прокатки МИСиС-100Т с аналогичными характеристиками. Оба стана изготовлены на ЭЗТМ по техническому заданию МИСиС. Ни одна исследовательская лаборатория в промышленности и тем более ни один вуз мира не имеют в своем распоряжении такого уникального оборудования.
   Интенсивные деформационные и скоростные процессы винтовой прокатки потребовали адекватных конструкторских решений в области технологического оборудования, особенно в плане увеличения его надежности и повышения быстродействия на вспомогательных операциях. Специалистами ЭЗТМ и МИСиС в короткие сроки был реализован ряд новаторских разработок конструкций всех основных узлов и механизмов станов винтовой прокатки. Многие из них явились образцом конструктивных решений, широко применяемых сегодня в мировом трубопрокатном производстве. К таким решениям, в частности, относятся:
   -    конструкции двух- и трехвалковых клетей винтовой прокатки, обладающие в 4-6 раз увеличенной жесткостью;
   -    пространственно оптимизированные главные линии станов винтовой прокатки с индивидуальными приводами и универсальными шпинделями высокой надежности;
   -    быстродействующие системы осевой выдачи гильз с укороченной кинематической схемой за счет перехвата оправочного стержня вблизи очага деформации.
   К началу 1970-х годов отечественная промышленность получила прошивные станы, производительность которых в 1,5-3 раза выше лучших зарубежных аналогов. С применением новой технологии винтовой прокатки были модернизированы основные трубопрокатные мощности.
   Внедрение новых решений в практику промышленного производства объединило в упорной и слаженной работе творческий потенциал ученых МИСиС, конструкторов ЭЗТМ, производственников Первоуральского новотрубного, Челябинского трубопрокатного, Никопольского южнотрубного, Днепропетровского трубопрокатного, Нижнеднепровского трубного и ряда других заводов. За И.Н. Потаповым и его научной школой закрепилась роль неформального лидера и общего координатора этой работы. Это само по себе явилось признанием авторитета МИСиС как научного центра в области винтовой прокатки, поскольку работы такого масштаба и характера обычно выполняли целые отраслевые институты.

12