СОСТАВНОЙ ДОРН ДЛЯ ПИЛИГРИМОВОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ БОЛЬШОГО И СРЕДНЕГО ДИАМЕТРОВ
COMPOSITE MANDREL FOR LARGE- AND MEDIUM-DIAMETER PIPE PILGER ROLLING

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к конструкции технологического инструмента, в частности дорнов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, и может быть использовано на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами при производстве труб диаметром от 325 до 550 мм с разными толщинами стенок.
Известен сплошной дорн для пилигримовой прокатки горячекатаных труб, выполненный из износостойкой стали, рабочая и направляющая части которого выполнены в виде усеченного конуса с разностью диаметров от одного до восьми миллиметров для плавного сползания (схождения) труб с дорна, значения которой зависят от вида и химического состава прокатываемых труб. При прокатке труб из труднодеформируемых марок стали с повышенным коэффициентом линейного расширения, разность диаметров усеченных конусов принимают максимальной, а для прокатки труб из углеродистых марок стали - минимальной, т.е. равной одному мм. Дорны выполнены в виде сплошных конусных заготовок из теплостойкой износостойкой стали, состоящих из замковой (дорновой головки), рабочей и направляющей частей. Замковая часть дорна, служит для крепления в замке подающего аппарата. Рабочая часть дорна выбирается из максимальной длины гильзы и ширины дорнового кольца. Направляющая часть дорна необходима для затравки в начале прокатки, величина (протяженность) которой зависит от пути отката подающего аппарата и концевого конуса длиной 25-50 мм (Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин В.Г. Горячая прокатка труб. Металлургиздат, 1962, с.332-333).
Недостатки такого дорна - трудоемкость изготовления его ковкой на прессах с последующей механической обработкой, термической обработкой, чистовой механической обработкой и обкаткой роликом рабочей поверхности дорна, повышенный расход дорогостоящей теплостойкой износостойкой стали марки 25Х2М1Ф. Данные дорна используют для прокатки горячекатаных труб разного сортамента с допусками по стенке в зависимости от нормативно-технической документации.
Известен дорн для горячей пилигримовой прокатки труб, содержащий сердечник с хвостовиком сплошного сечения с наружной поверхностью концов в виде усеченных конусов, соединяемых меньшими основаниями, и плотно сопряженную с сердечником гильзу (авт. свид. СССР №480319. Кл. В21В 25/00, 1973).
Недостатки данного дорна - повышенный расход материала сердечника, необходимость точного определения размеров исходной гильзы при посаде оболочки, сползание оболочки в процессе эксплуатации (прокатки) от осевых подпирающих усилий.
В трубной промышленности известен также дорн, внутренняя полость которого выполнена переменной конусности по длине, диаметр у торца направляющей части составляет 0,78-0,85 наружного диаметра дорна и 0,42-0,69 в конце участка, расположенного от торца на расстоянии 0,30-0,35 суммы длин рабочей и направляющих частей дорна, а у хвостовика соотношение диаметра полости и наружного диаметра дорна составляет 0,19-0,29 (авт. свид. СССР №1342547. Бюл. №37 от 07.10.1987).
Недостатками данного дорна является сложность изготовления и повышенный расход дорогостоящего металла. Для дорнов наружным диаметром 409/410 мм для прокатки труб размером 426×9-10 мм разница конусов внутреннего диаметра по длине дорна согласно авторскому свидетельству должна составлять ≈200 мм. Такую дорновую заготовку на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами прокатать невозможно, т.к. максимальная разность между внутренним диаметром гильзы и диаметром дорна, т.е. редуцирование, не должна превышать 40-45 мм. Данные дорна можно изготовить только ковкой с последующим сверлением и расточкой на заданные размеры, а это, в свою очередь, приведет к потере ≈30% металла в стружку. В процессе механической обработки замковой части полых дорновых заготовок, с переменной внутренней конусностью вдоль всей дорновой заготовки, получим переменную площадь вдоль замка, а в некоторых случаях, при фрезеровании щечек у торца замковой части, примыкающей к рабочей части, можно получить сквозное отверстие, что приведет к ослаблению данного сечения и неравномерности износа замковой части дорна.
Наиболее близким техническим решением является составной полый дорн, сердечник которого имеет сквозной осевой канал и снабжен насаженным на него во взаимодействии с кольцевым выступом упорным кольцом, под которое в торце стенки рабочей части выполнено углубление, наружный диаметр сердечника составляет 0,7-0,75, а диаметр его осевого канала 0,3-0,4 от наружного диаметра рабочей части дорна (авт. свид. СССР №719720. Бюл. №9 от 05.03.1980).
Недостатком данной конструкции дорна является повышенный расход теплостойкой стали, сложность изготовления, а именно изготовление способом ковки заготовки из стали марки 25Х2МФ с последующей механической обработкой и сверлением сквозного отверстия, изготовление специального упорного кольца, нагрев заготовки из стали марки 25Х2М1Ф до температуры пластичности, прошивку ее в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзу и прокатку (накатку) гильзы на пилигримовом стане на данный сердечник, с последующими термической и механической обработками на заданный размер. Так как прокатка (накатка) гильзы на сердечник происходит в валках с овальным калибром или в валках с тангенциальными выпусками, то плотной посадки цилиндрической рубашки по всему периметру сердечника не достигается. В процессе прокатки труб на дорнах данной конструкции происходит интенсивный нагрев цилиндрической части (рубашки), которая сползает с сердечника за счет сил трения, возникающих при прокатке и извлечении дорна из трубы. Недостатком данной конструкции дорна является также и то, что его можно перетачивать на меньший диаметр не более одного раза, так как при последующих переточках стенка направляющей части дорна утоняется и она может деформироваться, т.е. принимать форму овала, а в некоторых случаях и уменьшение наружного диаметра - утонение стенки на стыке сердечника и рубашки из-за повышенных растягивающих усилий при снятии труб из нержавеющих и труднодеформируемых марок стали и сплавов, что в свою очередь приведет к затяжкам труб на дорнах, овальности и разностенности труб.
Задача изобретения - разработка конструкции технологического инструмента, в частности составных дорнов максимальной металлоемкости, изготовление которых можно производить в условиях ОАО ″ЧТПЗ″, т.е. на пилигримовых установках с последующим изготовлением из них составных дорнов для пилигримовой прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, снижение расхода теплостойкой износостойкой стали, повышение стойкости дорнов за счет многократной переточки с большего диаметра на меньший, снижение их стоимости, а следовательно, снижение стоимости передела горячекатаных труб большого и среднего диаметров на ТПУ с пилигримовыми станами.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая конструкция составного дорна для пилигримовой прокатки труб большого и среднего диаметров, содержащая цилиндрические рабочую и направляющую части, сплошной сердечник, замковую часть, выполненную из стали 25Х2М1Ф или из стали стойкой к ударным воздействиям, при этом сердечник выполнен из углеродистой марки стали и соединен с замковой частью резьбовым соединением, цилиндрические рабочая и направляющая части получены раскаткой гильз на пилигримовом стане из стали 25Х2М1Ф.
Заявляемое изобретение отличается от известного решения тем, что замковая часть выполнена из стали 25Х2МФ или из стали стойкой к ударным воздействиям, а сердечник выполнен сплошным из углеродистых марок стали и соединен с замковой частью резьбовым соединением, при этом цилиндрические рабочая и направляющая части получены раскаткой гильз на пилигримовом стане из стали 25Х2МФ. Таким образом, эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии критерию ″изобретательский уровень″.
Сравнение заявляемого составного дорна для пилигримовой прокатки труб большого и среднего диаметров не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый составной дорн от прототипа, что соответствует патентоспособности ″изобретательский уровень″.
Замковая часть дорна (дорновая головка), служит для крепления дорна в замке подающего аппарата, должна обладать высокой стойкостью против трения и повышенных давлений ударного действия, определяется конструктивно. Рабочая часть дорна выбирается из максимальной длины гильзы и ширины дорнового кольца, в процессе работы испытывает циклические нагревы до 600-700°С, с последующими охлаждениями до 100°С в ваннах с водой и смазкой, а также давления до 400-500 тонн, в зависимости от геометрических размеров прокатываемых труб. Направляющая часть дорна необходима для затравки в начале прокатки, величина (протяженность) которой зависит от пути отката подающего аппарата и концевого конуса длиной 20-50 мм.
Направляющая часть дорна на трубопрокатных установках для прокатки труб большого и среднего диаметров должна иметь длину, в зависимости от геометрических размеров труб, от 1250 до 1450 мм, т.е. от 0,27 до 0,32 общей длины дорна.
Для плотной посадки цилиндрической рабочей и направляющей частей (рубашки) на замковую часть в ней выполнено углубление, имеющее форму треугольника, а для исключения ее сползания сердечник с конца направляющей части выполнен в виде усеченного конуса.
д
г
др
дн
ш
кон
к
иг
ц
щ
p
к1
к
дmax
дmin
c
pезьб
г
ш
Конструкция дорна для прокатки труб диаметром 325-550 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами представлена на фиг.1, где 1 - замковая часть дорна, выполненная из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) или из сталей стойких к ударным воздействиям; 2 - сердечник из углеродистых марок сталей (ст.10-20); 3 - цилиндрическая рабочая и направляющая части (рубашка) из стали марки СД2. L=4600±25 - общая длина дорна, мм; L - длина замковой части дорна (дорновой головки), мм; L - длина рабочей части дорна, мм; L - длина направляющей части дорна, мм: L - длина цилиндрической части дорна под дорновое кольцо, диаметр которого равен диаметру рабочей части дорна, мм; L - длина конусной части дорна под накатку рубашки, мм; L+L+L - длина замковой части дорна для крепления в замке подающего аппарата, мм; L - длина резьбовой нарезки для крепления замковой части дорна с сердечником, мм; L - длина конусной переходной части от рабочей части дорна к дорновой головке, мм; L - длина конуса углеродистого сердечника для исключения сползания рубашки при прокатке труб, мм; D - максимальный диаметр рабочей части дорна, мм; D - минимальный диаметр рабочей части дорна, мм; D - диаметр углеродистого сердечника, мм; D - диаметр резьбового соединения углеродистого сердечника с замковой частью с правой резьбой, M150; D - диаметр цилиндрической части дорновой головки; L - размер щеки дорновой головки, мм.
Два опытных составных дорна для пилигримовой прокатки труб размером 426×9-10 мм были изготовлены в цехе №1 ОАО ″ЧТПЗ″. Замковые части дорнов были выполнены из бракованных дорнов данного диаметра. Сердечники были изготовлены из сортового проката диаметром 260 мм из стали марки 20. Замковые части и сердечники были собраны - свинчены в составные конструкции, которые поочередно были вставлены (заряжены) замковыми частями в дорновые головки. Для рубашек были использованы кованые заготовки размером 600×100×1500 мм из стали марки СД2, которые были нагреты в методической печи до температуры 1270°С, прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 610×вн.290×1800 мм. Гильзы были поочередно насажены на составные конструкции и прокатаны в калибре 434 мм в составные дорновые заготовки. Сначала процесс прокатки проводили в калибре 440 мм за счет разведения валков с подачей гильз в очаг деформации m=20-25 мм. В процессе прокатки получили составные дорновые заготовки диаметром 432-434 мм. Рубашка была не полностью накатана на конусную часть хвостовика. Для снижения овализации в очаге деформации свели валка и повторно произвели прокатку - обкатку рубашки в калибре 434 мм с подачей дорновых заготовок в очаг деформации m=15-18 мм. Рубашка полностью накаталась на замковую часть и конус сердечника. После прокатки и охлаждения составных дорновых заготовок были произведены замеры. Диаметр дорновых заготовок составил 426-430 мм. Дорновые заготовки были подвергнуты термической обработке.
Дорновые заготовки были подрезаны с концов на длину 4585 мм, из которых после механической обработки (обточки) были изготовлены два дорна с геометрическими размерами согласно формулы изобретения. Опытные дорна были выданы на пилигримовый стан №2, где в комплекте с 2-мя сплошными дорнами из стали марки 25Х2М1Ф находятся в эксплуатации. Опытно-промышленная прокатка по 250 труб размером 426×9-10×29000-36000 мм на каждом опытном и существующих дорнах показала их работоспособность и подтвердила правильность теоретических предпосылок, приведенных в формуле изобретения. Опытные дорны находятся в эксплуатации. Сплошные дорновые заготовки для изготовления дорнов заводу поставляет Пермский завод ОАО ″Камасталь″. Вес поковки для изготовления дорнов диаметром 410/409 мм составляет 5200 кг. Вес заготовки размером 600×100×1500 мм, для прокатки - накатки рубашек на дорновые заготовки для изготовления составных дорнов данного размера составляет 3240 кг.
Для изготовления дорнов данного размера по предлагаемой технологии получено снижение расхода теплостойкой стали 25Х2М1Ф более чем на 37,0%.
Использование предлагаемой конструкции составного дорна для пилигримовой прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров позволяет многократно использовать составные конструкции для изготовления составных дорнов, компенсировать неравномерный температурный разогрев наружной поверхности дорна по его длине, снизить термические напряжения по сечению дорна в процессе циклических нагревов и охлаждений их в ванне со смазкой, повысить точность толщины стенки труб по длине плети, снизить износ дорнов, повысить стойкость, по сравнению со сплошными дорнами, повысить стойкость замковой части дорнов, снизить расход металла на их изготовление, организовать производство их на ТПУ 8-16″, отказаться от поставок со стороны, снизить стоимость технологического инструмента (дорнов), а следовательно, стоимость передела горячекатаных труб большого и среднего диаметров на ТПУ с пилигримовыми станами.
Таким образом, использование предлагаемой конструкции составных дорнов для пилигримовой прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров позволяет снизить расход теплостойкой стали за счет многократной переточки дорнов на меньший диаметр, многократного использования составных конструкций для прокатки составных дорновых заготовок, использования отбракованных сплошных дорнов для изготовления замковых частей составных дорнов, снизить продольную разностенность труб за счет снижения колебаний наружного диаметра по длине рабочей части дорна, повысить точность толщины стенки труб по длине плети, а следовательно, снизить стоимость передела горячекатаных труб большого и среднего диаметров на ТПУ с пилигримовыми станами.