СПОСОБ ВИНТОВОЙ ПРОШИВКИ ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ
METHOD OF HELICAL PIERCING OF CAST BILLET

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и касается изготовления гильз из литой, а также непрерывно-литой заготовки в косовалковом прошивном стане.
В настоящее время подавляющую часть бесшовных горячекатаных труб из углеродистых и низколегированных марок стали изготавливают из непрерывно-литой заготовки. Проблемы использования такой заготовки для прошивки состоят в том, что по условию формирования непрерывно-литой заготовки минимальный диаметр заготовки составляет 156 мм, а самые многочисленные ТПА «140» используют заготовку диаметрами от 140 до 90 мм. Поэтому процесс прошивки должен осуществляться с повышенными обжатиями и значительным уменьшением наружного диаметра гильзы относительно диаметра заготовки.
Известен способ винтовой прошивки литой заготовки, согласно которому заготовку прошивают в косовалковом стане в валках, угол входного конуса которых составляет 4÷8 градусов, с обжатием в пережиме 21÷35% при величине угла подачи не менее 12 градусов (патент РФ №2250147, В21В 19/04, опубл. 20.04.2005). Недостатком данного способа является нестабильный первичный и вторичный захват заготовки, обусловленный большой величиной угла входного конуса 4÷8 градусов. Для обеспечения стабильного захвата на входной участок валка вынуждены наносить грубую насечку, которая изнашивается через 200÷220 т проката, после чего валки необходимо заменять на новые, в то время как период кампании валков прошивного стана рассчитан на прокат 1000÷2000 т труб.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ изготовления гильзы из литой заготовки (патент РФ №2391155, В21В 19/04, опубл. 10.06.2010), включающий подачу нагретой заготовки в рабочие валки, имеющие входной конус, пережим и выходной конус, развернутые на угол подачи и раскатки, захват заготовки вращающимися валками, обжатие ее по диаметру во входном конусе до • пережима с различной степенью деформации и прошивку заготовки оправкой.
Недостатком данного способа является неравномерное и интенсивно-монотонное увеличение деформации на участке до пережима, определяющее. «лавинообразный» характер развития и накопления поперечной внеконтактной деформации, вызывающее прогрессивное увеличение овальности поперечного сечения заготовки-гильзы, инициирующее работу трения на поверхности направляющих линеек, их интенсивный разогрев и повышенный износ. Процесс сопровождается налипанием металла и свариванием материала линеек с металлом заготовки, образованием на поверхности линеек каверн и, как следствие - ухудшением качества поверхности гильз и труб. Частые остановки, связанные с зачисткой или заменой линеек, уменьшают производительность стана и всего трубопрокатного агрегата. Аналогичные явления происходят и с оправками.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении стойкости инструмента и качества внутренней поверхности прокатываемых труб, снижении расходного коэффициента и увеличении производительности прошивного стана за счет использования заготовки повышенного диаметра.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе винтовой прошивки литой заготовки, включающем подачу нагретой заготовки в рабочие валки, имеющие входной конус, пережим и выходной конус, развернутые на угол подачи и раскатки, захват заготовки валками, винтовую прокатку заготовки на безоправочном участке входного конуса валков и прошивку заготовки оправкой на оправочном участке входного конуса валков, при этом прошивку осуществляют с обжатием до пережима с различной степенью деформации, согласно изобретению, при прошивке акцентированно повышают обжатие на 2,0÷15,0% на безоправочном участке входного конуса валков, отстоящем от переднего торца валков на 0,3÷0,6 длины входного конуса, и продолжают деформацию с повышенным обжатием, снижая его на оправочном участке входного конуса валков, отстоящем от носка оправки на 0,1÷0,4 длины оправки.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена схема очага деформации процесса прошивки заготовки повышенного диаметра в гильзу и на фиг.2 представлены эпюры овальности поперечных сечений прошиваемых заготовок.
Очаг деформации при осуществлении процесса прошивки включает прошиваемую заготовку 1, валки 2 прошивного стана и оправку 3. На валках 2 прошивного стана показано расположение функциональных участков: I - захватный участок, II - гребень интенсивной деформации. III -кольцевой выступ, IV - обратный конус, V - зона деформационной разгрузки, VI - пережим валка, VII - раскатной участок.
1
Механизм действия предлагаемого способа иллюстрирует фиг.1. Захватный участок I предназначен для осуществления стабильного первичного захвата заготовки 1 валками 2 и создания необходимого резерва втягивающих сил трения, достаточных для ведения последующих этапов процесса прошивки. Его выполняют с малым углом образующей конусности, например φ≈1°30'÷3°30'. Длина захватного участка I соответствует 1÷3 шагам подачи заготовки 1 за полуоборот, что достаточно для преодоления лобового сопротивления последующего участка II - гребня интенсивной деформации, и обеспечивается протяженностью захватного участка в пределах 0,3÷0,6 длины входного конуса валков. При меньшей длине захватного участка тянущих сил трения может быть недостаточно для преодоления лобового сопротивления гребня, и могут возникнуть проблемы с первичным захватом заготовки. При большей длине захватного участка, соответствующей значению более 3-х шагов подачи за полуоборот заготовки, в условиях стабильного первичного захвата начинается прогрессирующий рост внеконтактной поперечной деформации на данном участке, ответственной за осевые разрушения в заготовке, что может ' являться основной причиной дефектообразования на внутренней поверхности.
2
При помощи участка II создают акцентированное повышение обжатия заготовки 1. Угол конусности гребня составляет, например φ=300÷40°. При большем значении угла конусности гребня возможны порезы гильзы-заготовки, а при меньшем значении угла гребень интенсивной деформации II теряет свою функцию - обеспечения акцентированного повышения обжатия заготовки без существенного развития поперечной деформации. Высоту гребня выбирают из условия осуществления акцентированного обжатия заготовки на 2÷15%. При величинах обжатия, меньших 2%, деформация заготовки незначительна, акцентированное повышение деформации практически незначимо, и схема деформирования заготовки близка к классической (одноконусная калибровка валков). А при значениях обжатия более 15% увеличивается лобовое сопротивление собственно гребня, что способствует ухудшению вторичного захвата и может привести к прекращению процесса прошивки. Участок III - кольцевой выступ - предназначен для продолжения деформирования заготовки 1 с повышенным обжатием и уплотнения ее структуры. Длина участка кольцевого выступа III должна охватывать безоправочный и оправочный участки входного конуса валков. Безоправочный участок кольцевого выступа III создает дополнительные тянущие усилия со стороны валков, способствующие преодолению лобового сопротивления со стороны оправки, а также преодолению лобового сопротивления самого гребня интенсивной деформации.
На оправочном участке прошивки в процессе контакта заготовки 1 с рабочим конусом оправки 3 вследствие возрастающего лобового сопротивления оправки и увеличивающегося скольжения происходит более интенсивное увеличение и поцикловое накопление поперечной внеконтактной деформации. Для снижения уровня внеконтактной поперечной деформации, а также минимизации ее развития на участке очага деформации до пережима размещена зона деформационной разгрузки V, которая сопряжена с участком кольцевого выступа III коротким участком обратного конуса IV, то есть расположена на оправочном участке входного конуса валка, отстоящем от носка оправки на 0,1÷0,4 длины оправки. При расположении зоны деформационной разгрузки на расстоянии от носка оправки менее 0,1 длины оправки возникает вероятность образования винтовой канавки от действия кольцевого выступа III и заката стенок заготовки-гильзы в наружную плену при последующем деформировании. А при расположении на расстоянии более 0,4 длины оправки начинает приобретать «лавинообразный» характер внеконтактная деформация, вызывая прогрессирующее увеличение овальности поперечного сечения заготовки-гильзы и повышенный износ прокатного инструмента прошивного стана, в частности линеек и оправок, в области пережима валков. На участке деформационной разгрузки V происходит уменьшение накопленой внеконтактной деформации. Протяженность данного участка достаточна для снижения овальности поперечного сечения заготовки и, следовательно, уменьшения износа линеек и оправок на этом участке.
Способ винтовой прошивки литой заготовки осуществляют следующим образом. Нагретую литую заготовку 1 задают в рабочие валки 2 и захватным участком I валков 2 осуществляют первичный захват и обжатие в калибре, образованном за счет взаимного сближения контактных поверхностей валков 2 на безоправочном участке очага деформации. Перемещая заготовку 1 вдоль, оси прокатки, после 1÷3 полуоборотов с момента первичного захвата заготовки валками 2 акцентированно повышают обжатие на безоправочном участке входного конуса валков 2 за счет воздействия коротким конусным участком II - гребнем интенсивной деформации - с продолжением обжатия участком кольцевого выступа III валков. Акцентированное повышение обжатия осуществляют в пределах 2,0÷15,0%.
Наличие гребня интенсивной деформации исключает развитие поперечной внеконтактной деформации, а сосредоточенная нагрузка создает наилучшие условия для проработки заготовки: дробления литой и уплотнения пористой структуры. Активная проработка осуществляется также участком кольцевого выступа III. За счет повышенного обжатия на участке III начинается рост внеконтактной поперечной деформации, однако интенсивность ее незначительна, так как на данном участке деформируют заготовку сплошного сечения или особотолстостенную гильзу, а сам процесс сопровождается уплотнением металла, особенно его пористой сердцевины. Линейки на данном участке практически не загружены и выполняют роль, скорее, направляющего, но не деформирующего инструмента. Поэтому прирост овальности поперечного сечения заготовки 1, приобретаемый за счет акцентированного повышения обжатия на участках II и III, незначителен и приходится на передний малонагруженный участок линейки. Далее при прошивке заготовки 1 оправкой 3 и образования гильзы, по мере уплотнения металла и утонения стенки гильзы, когда интенсивность поперечной внеконтактной деформации начинает возрастать и приобретать «лавинообразный» характер, накопленную величину внеконтактной деформации ограничивают за счет размещения в очаге деформации перед пережимом участков IV и V, образующих зону «отдыха». Это позволяет «сбросить» часть накопленной на участках I и III внеконтактной деформации и тем самым затормозить рост овальности поперечного сечения заготовки-гильзы. При дальнейшей деформации заготовки 1 на участке V очага деформации в направлении к пережиму VI развитие внеконтактной поперечной деформации происходит не столь интенсивно, поскольку величина последней погашена благоприятными условиями деформирования металла на участке V.
Различие деформирования заготовок по заявленному способу и способу-прототипу видно при сопоставлении эпюр овальности поперечных сечений прошиваемых заготовок (фиг.2), где: 4 - эпюра овальности заготовки-гильзы при прошивке по способу-прототипу, 5 - эпюра овальности заготовки-гильзы по предлагаемому способу.
Для процесса прошивки заготовки по способу-прототипу (эпюра 4) характерным является непрерывность увеличения обжатия вдоль очага деформации до пережима валков, определяемая наличием двух конусных участков, причем угол образующей второго участка, в частности, в 2÷3 раза больше, чем первого. Эпюра овальности поперечного сечения заготовки-гильзы имеет куполообразный вид с выраженным максимумом, соответствующим пережиму валков. Эпюра овальности 5 заготовки-гильзы для процесса прошивки по предлагаемому способу имеет иной характер: состоит из двух куполов, рассредоточенных по длине очага деформации, причем высота куполов на 30÷35% меньше, чем у способа-прототипа. Качественное и количественное отличие сравниваемых эпюр свидетельствует о меньшем усилии, передаваемом направляющему инструменту прошивного стана со стороны металла заготовки-гильзы и более равномерном распределении его по длине инструмента, в частности линеек. Вследствие этого уменьшается работа трения на поверхности линеек, их разогрев и износ. Аналогичный механизм характеризует работу и износ оправки прошивного стана.
Таким образом, предлагаемый способ винтовой прошивки дает возможность целенаправленно перераспределить обжатия вдоль очага деформации до участка пережима валков: уменьшить усилия деформируемого металла на наиболее загруженных участках направляющего и прошивающего инструмента, соответствующих участку пережима, и, напротив, увеличить усилия на передних относительно незагруженных участках, и тем самым более равномерно распределить и уменьшить усилия металла на инструмент, уменьшить его износ, повысить качество поверхности гильз и производительность стана.
Для одного из вариантов реализации способа был подготовлен прокатный инструмент и произведена опытная прокатка гильз на прошивном стане на ТПА «НО» ОАО «СинТЗ». Непрерывно-литую заготовку диаметром 156 мм прошивали в гильзу диаметром 138 мм с толщиной стенки 10 мм. Акцентированно повышали обжатие на безоправочном участке входного конуса за счет гребня на валке высотой 4 мм, что соответствует повышению деформации на 8 мм и увеличению обжатия на 5,1%. Для осуществления стабильного первичного захвата заготовки валками и создания необходимого резерва втягивающих сил трения гребень располагали на расстоянии 145 мм от переднего торца валков, что составляет 0,48 длины входного конуса валков, равной 300 мм. Снижение обжатия осуществляли на оправочном участке входного конуса валков на расстоянии 49,9 мм от носка оправки, что соответствует 0,19 длины оправки, равной 261 мм. Настроечные параметры процесса прошивки представлены в таблице.
Процесс прошивки происходил стабильно, средняя величина токовой нагрузки на привод прошивного стана не превышала 3 кА при предельно допустимой 4 кА. Качество наружной и внутренней поверхности гильз удовлетворительное. Средняя стойкость направляющего инструмента (линеек) при прошивке заготовок по предлагаемому способу составила 415 прошивок при улучшении качества поверхности труб, что примерно в 1,5 раза выше показателей стойкости инструмента при прошивке заготовок по действующей технологии. Уменьшение усилий металла положительно отразилось и на стойкости оправок: стойкость повысилась примерно на 20%, а количество прошивок увеличилось в среднем на 18%.
Предлагаемый способ винтовой прошивки литой заготовки не требует существенных капитальных затрат и позволяет освоить технологию производства труб из менее затратной и более качественной непрерывно-литой заготовки повышенного диаметра, вести процесс прошивки при повышенном обжатии в пережиме, уменьшить износ направляющего и прошивающего инструмента прошивного стана, повысить качество поверхности гильз и производительность прошивного стана.