СПОСОБ МНОГОПРОХОДНОЙ РЕВЕРСИВНОЙ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ПРУТКОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
METHOD FOR MULTI-PASS REVERSIBLE HELICAL ROLLING OF LARGE DIAMETER RODS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и касается производства прутков круглого профиля большого диаметра из металлов, сплавов (циркониевых, титановых) и высоколегированных сталей способом многопроходной реверсивной винтовой прокатки.
Известен способ многопроходной реверсивной винтовой прокатки в калибре, образованном тремя валками, развернутыми на углы подачи 18-25° (Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1990. 344 с.). Способ винтовой прокатки на больших углах подачи позволяет качественно изменить условия деформации металла, эффективно обрабатывать практически все деформируемые металлы и сплавы с коэффициентом вытяжки за проход до 4-25, в том числе непрерывнолитые и малопластичные. В области больших углов подачи не только исключается вскрытие осевой полости, но и происходит уплотнение металла с «залечиванием» пустот и рыхлостей, а благодаря интенсивным сдвиговым деформациям качественно улучшается проработка структуры металла и существенно улучшаются его свойства.
В процессе прокатки прутков большого диаметра, равного 150-350 мм, с углами подачи 18-25° на поверхности раската образуется винтовая волна, которая является следствием значительной овальности и неполной обработки поверхности раската калибрующим участком очага деформации.
Известен способ многопроходной поперечно-винтовой прокатки (авторское свидетельство СССР №956079, опубл. 09.09.1992, бюл. №33), в котором с целью улучшения структуры по всему сечению заготовки деформацию осуществляют последовательно тремя валками, развернутыми на большие углы подачи, за 2-5 проходов с коэффициентом вытяжки 2-3, а затем прокатку проводят двумя валками и направляющими дисками на двухвалковом стане. Предложенный способ применим для получения проката круглого профиля малого диаметра, так как использование двухвалкового стана с направляющими дисками вносит ограничение в сортамент получаемого проката большого диаметра, которое связано с размерами направляющих дисков. Использование двухвалкового стана приводит к увеличению массы рабочей клети и затрат на производство проката.
Известен способ поперечно-винтовой прокатки периодических профилей (авторское свидетельство СССР №450629, опубл. 15.12.1974, бюл. №43). Для повышения точности получаемого профиля в начале прокатки в валки задается задний конец заготовки. После формирования каждого участка с заданным профилем валки разводятся, а заготовка перемещается в направлении, противоположном направлению прокатки. Особенностью данного способа является разведение рабочих валков после формирования профиля каждого участка проката, однако данный способ не применим для процессов прокатки заготовок, имеющих постоянный профиль.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ реверсивной винтовой прокатки (Галкин С.П., Харитонов Е.А. Реверсивная радиально-сдвиговая прокатка. Сущность, возможности, преимущества // Титан. 2003. №1 (12). С. 39-45), включающий обжатие нагретой заготовки на трехвалковом стане валками, имеющими два поочередно работающих обжимных участка и общий калибрующий участок и развернутыми на угол подачи 15-25°, что обеспечивает проработку структуры металла по всему сечению прутка. Прокатку ведут в валках с углом наклона образующей к оси прокатки на одном обжимном участке в 1,5-5,0 раза больше, чем на другом.
Задачей предлагаемого технического решения является создание наиболее рационального способа получения прутков большого диаметра, а именно 150-350 мм из металлов, сплавов (циркониевых, титановых) и высоколегированных сталей.
Техническим результатом является обеспечение полной обработки и улучшение качества поверхности раската, повышение точности геометрических размеров, расширение сортамента производимых прутков большого диаметра на станах винтовой прокатки. Улучшить качество поверхности раската, повысить точность геометрических размеров и исключить образование винтовой волны можно путем уменьшения овальности раската, которая зависит от режимов обжатия и установочных параметров стана, таких как углы подачи.
Для решения поставленной задачи и достижения заявляемого технического результата в предлагаемом способе многопроходной реверсивной винтовой прокатки прутков большого диаметра, включающем обжатие нагретой заготовки в калибре, образованном тремя валками, развернутыми на угол подачи 18-25°, имеющими два обжимных участка и общий калибрующий участок, последний проход осуществляют с углами подачи валков в 1,5-2,5 раза меньшими, чем в основных проходах.
Для полного устранения овальности и получения прутка с точными геометрическими размерами последний проход предпочтительно осуществлять с обжатием, составляющим 0,1-0,3 от обжатия в основных проходах.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
- фиг. 1 - схема очага деформации в трехвалковом стане;
- фиг. 2 - схема очага деформации в трехвалковом стане, сечение А-А;
- фиг. 3 - схема очага деформации в последнем проходе при уменьшении угла подачи;
- фиг. 4 - схема очага деформации в последнем проходе при уменьшении обжатия;
- фиг. 5 - схема очага деформации в последнем проходе при уменьшении обжатия, сечение А-А.
Очаг деформации образован (фиг. 2) верхним 1, левым нижним 2 и правым нижним 3 валками. Нагретая до температуры горячей прокатки заготовка задается в валки, в процессе прокатки, вращаясь в очаге деформации, последовательно обжимается каждым из трех валков, развернутых на угол подачи. Величина осевого перемещения металла от одного валка к другому характеризуется шагом подачи за 1/3 оборота. Приближенно зависимость шага подачи за 1/3 оборота от угла подачи можно выразить соотношением (1) (Романцев Б.А., Гончарук А.В., Вавилкин Н.М., Самусев С.В. Обработка металлов давлением: учеб. пособие. М.: Изд. дом МИСиС, 2008. 960 с.):
где S - шаг подачи за 1/3 оборота, мм;
- диаметр получаемого прутка, мм;
β - угол подачи валков, °.
При раскатке в валках, развернутых на больший угол подачи, величина осевого перемещения заготовки от валка к валку увеличивается, следовательно, разовое (частное) обжатие заготовки валком становится больше, что сопровождается существенным развитием поперечных деформаций, которые приводят к увеличению ширины контактной поверхности металла с валком и овальности раската.
осн
0
1
2
2
1
2
k
В основных проходах обжатие заготовки диаметром D осуществляется (фиг. 1) обжимными участками валков, имеющими угол наклона к оси прокатки 10-15° на шаге подачи S, а также калибрующим участком на шаге подачи S, в результате чего ширина контактной поверхности В в сечении А-А (фиг. 2) становится наибольшей, а овальность раската достигает максимального значения. Уменьшение овальности раската и ширины контактной поверхности В осуществляется калибрующим участком следующего по ходу вращения заготовки валка на шаге подачи S. В процессе прокатки на больших углах подачи, равных 18-25°, обжатие раската на шаге подачи S осуществляется обжимным участком второго валка на меньшую величину, как показано на фиг. 1, в результате чего диаметр раската превышает диаметр заданного калибра на величину 2А. Обработка поверхности и уменьшение овальности раската калибрующим участком осуществляется не полностью, так как сумма величин шагов подачи S и S при больших углах подачи превышает длину калибрующего участка L, а обжимной участок второго валка с углом наклона к оси прокатки в 10-15° не устраняет образовавшуюся овальность по всему диаметру прутка, что и является причиной образования волны.
В станах винтовой прокатки длину калибрующего участка рекомендуется выбирать равной 3-5 величинам шага подачи при прокатке сплошных заготовок (Потапов И.Н., Полухин П.И. Новая технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1975. 338 с.; Коликов А.П., Романцев Б.А. Теория обработки металлов давлением: учеб. пособие. М.: Изд. дом МИСиС, 2015. 451 с.), что позволяет осуществлять обжатие раската по диаметру более двух раз для устранения овальности и обеспечения качества и точности геометрических размеров. Увеличение длины калибрующего участка в процессе раскатки сплошных заготовок большего диаметра не является целесообразным, поскольку существенно увеличиваются длина бочки рабочих валков, а также габариты клети, ее масса и энергосиловые параметры процесса.
Для обеспечения качества поверхности прутка, точности его геометрических размеров и устранения образования винтовой волны необходимо, чтобы обжатие раската по диаметру на калибрующем участке осуществлялось не менее трех раз, т.е. многократно. Добиться данного эффекта можно путем уменьшения величины осевого перемещения металла в последнем проходе, которое должно быть меньше длины калибрующего участка. Значения углов подачи валков в последнем проходе должны соответствовать неравенству (2):
Поставленная цель достигается тем, что в последнем проходе прокатку осуществляют в валках, развернутых на углы подачи в 1,5-2,5 раза меньше углов подачи в основных проходах. Согласно соотношению (1) шаг подачи зависит не только от углов подачи, но и от диаметра получаемого прутка. Прокатка прутков небольшого диаметра сопровождается меньшей величиной шага подачи, последний проход необходимо осуществлять на углах подачи в 1,5-2,0 раза меньших, чем в основных проходах. Процесс прокатки прутков большого диаметра сопровождается большей величиной S, последний проход следует вести на углах подачи в 2,0-2,5 раза меньших, чем в основных проходах. При прокатке прутка диаметром 250 мм в валках с длиной калибрующего участка 200 мм, развернутых на угол подачи 20°, величина S равна 95 мм, а максимальный угол подачи, при котором осуществляется трехкратное обжатие калибрующим участком, составляет 13°. В последнем проходе величину углов подачи необходимо уменьшить более чем в 1,6 раза. Прокатку прутка диаметром 350 мм при тех же установочных параметрах стана осуществляют с шагом подачи, равным 133 мм, максимальный угол подачи последнего прохода составляет 10°, величину углов подачи необходимо уменьшить в 2,0-2,5 раза. Изменение угла подачи более чем в 2,5 раза неосуществимо, это связано с конструктивными особенностями станов винтовой прокатки, а прокатка в последнем проходе на углах подачи, уменьшенных менее чем в 1,5 раза, не дает ожидаемого эффекта в процессе раскатки прутков большого диаметра.
2
Прокатка раската диаметром  (фиг. 3) в последнем проходе с величиной суммарного обжатия ΔD, равного обжатию в основных проходах, и углами подачи валков, уменьшенными в 1,5-2,5 раза, осуществляется с меньшими значениями осевого перемещения металла, вследствие чего обжатие на шаге подачи S полностью осуществляется калибрующим участком второго валка, что обеспечивает уменьшение овальности раската.
3
Однако на шаге подачи S деформация третьим валком по-прежнему осуществляется обжимным участком. Несмотря на это за счет снижения овальности величина Δ становится меньше.
Для полного устранения овальности и получения прутка с точными геометрическими размерами наряду с уменьшением угла подачи в последнем проходе следует снизить обжатие раската.
При прокатке с меньшим значением обжатия в последнем проходе ширина контактной поверхности металла с валком уменьшается, что гарантирует снижение овальности раската на калибрующем участке и получение готового прутка без образования винтовой волны за меньшее число проходов.
2
3
На фиг. 4 показана схема прокатки прутка в последнем проходе с диаметром раската после основных проходов  это обеспечивает обжатие раската, равное 0,1-0,3 от обжатия в основных проходах. Обжатия на шагах подачи S и S по сравнению со схемой прокатки на фиг. 1 становятся меньше. Максимальная ширина контактной поверхности b в сечении А-А калибрующего участка (фиг. 5) значительно уменьшается, в результате чего существенно снижается овальность раската, что способствует полной обработке поверхности прутка и устранению винтовой волны.
Для обеспечения условий захвата металла валками и его осевого перемещения в очаге деформации необходимо иметь достаточную площадь контактной поверхности, а это обеспечивается длиной очага деформации, которая зависит от обжатия. При обжатии в последнем проходе более 0,3 от обжатия в основных проходах увеличивается овальность раската (фиг. 3), как следствие, увеличивается величина А. Если обжатие в последнем проходе менее 0,1 от обжатия в основных проходах, захват металла валками осуществляться не будет, поскольку площадь контактной поверхности является недостаточной.
Значение обжатия в последнем проходе зависит от веса и размеров заготовки. При раскатке заготовки, имеющей большие размеры и массу, обжатие в последнем проходе следует выбирать равным 0,15-0,30 от обжатия в основных проходах, а при раскатке с меньшими размерами и массой выбирается 0,10-0,15 от обжатия в основных проходах, это позволит существенно снизить овальность раската, тщательно обработать поверхность прутка и избежать образование волны.
k
В таблице 1 представлены параметры прокатки прутков диаметром 100-350 мм в последнем проходе по прототипу с углом подачи валков 20°, длиной калибрующего участка 200 мм и обжатием по диаметру 60 мм. Рассчитаны значения шага подачи S, количество циклов деформации на калибрующем участке n, максимальная ширина контактной поверхности b, длина калибрующего участка валков L, которая обеспечивает пятикратное обжатие калибрующим участком без изменения значения угла подачи.
Из таблицы 1 видно, что раскатка основного сортамента диаметром 100 мм в валках с углами подачи 20° и длиной калибрующего участка 200 мм с обжатием 60 мм осуществляется с пятикратным обжатием на калибрующем участке, получаемый пруток имеет точные геометрические размеры и хорошо обработанную поверхность. Прокатка прутков диаметром 150-350 мм осуществляется с обжатием на калибрующем участке менее четырех раз и сопровождается шириной контактной поверхности 36-84 мм. Обработка поверхности прутков в последнем проходе производится не полностью, овальность прутков не устраняется, образуется винтовая волна. Для осуществления пятикратного обжатия калибрующим участком при прокатке прутков диаметром 150-350 мм его длина должна быть увеличена до 300-700 мм, что является нецелесообразным.
оп
В таблице 2 представлены параметры прокатки прутков диаметром 150-350 мм в последнем проходе по предлагаемому способу с сохранением длины калибрующего участка валков 200 мм и обжатием по диаметру 100 мм (без снижения обжатия раската по диаметру в последнем проходе), 30 мм (0,3 от обжатия в основных проходах), 20 мм (0,2 от обжатия в основных проходах), 10 мм (0,1 от обжатия в основных проходах). Параметры прокатки прутков в основных проходах: угол подачи валков β 20°, обжатие по диаметру 100 мм.
Для рассматриваемых диаметров проката при углах подачи 8, 10 и 13° рассчитано количество циклов деформации на калибрующем участке n (таблица 2). Согласно расчетным данным для четырех-, пятикратного обжатия калибрующим участком при прокатке прутка диаметром 150 мм углы подачи валков в последнем проходе необходимо уменьшить до 13°, т.е. в 1,5 раза, диаметром 200 мм - в 2,0 раза, а диаметром 300, 350 мм - в 2,5 раза. Согласно расчетам ширины контактной поверхности при значениях обжатия в последнем проходе, соответствующих 0,10-0,30 от обжатия в основных проходах, видно, что для прутков диаметром 150, 200 мм обжатие выбирается равным 0,10-0,15 от обжатия в основных проходах, диаметром 300, 350 мм следует выбирать равным 0,15-0,30 от обжатия в основных проходах. Рекомендуемые параметры прокатки в последнем проходе (таблица 2) обеспечивают четырех-, пятикратное обжатие калибрующим участком и значительное снижение ширины контактной поверхности и овальности раската за счет уменьшения обжатия.