Способ винтовой прошивки и устройство для его осуществления
METHOD OF HELICAL PIERCING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к обработке металлов давлением и могут быть использованы при производстве горячекатаных бесшовных труб с одновременной обработкой внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности инструмента смазочно-дезоксидирующим продуктом.
Известен способ прошивки в стане Маннесмана (заявка Японии №61-2446, B21B 19/04, B21B 25/04, опубл. 24.01.1986), заключающийся в том, что в прошивном стане Маннесмана при прошивке трубной заготовки по трубке через штангу оправки подают неактивный газ, поступающий из отверстий в носовой части оправки или из отверстия в передней части штанги оправки.
Однако как при подаче неактивного газа из отверстий в носовой части оправки, так и через отверстие в передней части штанги не обеспечивается достаточного разделения контактных поверхностей в очаге деформации, что приводит к прямому контакту рабочей поверхности оправки и деформируемого металла. Деформируемый металл налипает на оправку, что снижает стойкость оправок и качество внутренней поверхности гильз. Вследствие нестабильной подачи неактивного газа, вызванной периодическим перекрытием отверстий в носовой части оправки при прошивке, защита деформируемой поверхности от воздействия кислорода воздуха недостаточна, что приводит к образованию высокотемпературной окалины в очаге деформации. Образовавшаяся окалина налипает на рабочую поверхность оправки, снижая стойкость оправок прошивного стана и качество внутренней поверхности гильз. Кроме того, при выходе гильзы из прошивного стана подачу неактивного газа прекращают, при этом интенсивность образования окалины на внутренней поверхности гильзы резко возрастает. Это приводит к снижению стойкости оправок при последующей раскатке гильз и снижению качества внутренней поверхности готовых труб.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ производства трубной заготовки (заявка Германии №102011012761, B21B 17/02, B21B 25/04, опубл. 24.05.2012), включающий прокатку нагретой цельной заготовки, прошивку нагретой цельной заготовки в гильзу с помощью внутреннего инструмента с оправкой и дезоксидацию внутренней поверхности гильзы в процессе прокатки и/или прошивки. При этом дезоксидирующее вещество подают неактивной газовой средой в зазор между гильзой и внутренним инструментом через выводные каналы, расположенные радиально внутренней поверхности гильзы. В качестве дезоксидирующего вещества используют борнокислый натрий, или смесь борнокислого натрия с фосфатом или смесью фосфатов.
Недостатком данного способа является то, что при радиальной подаче после выхода через зазор, образованный наружной поверхностью стержня и внутренней поверхностью гильзы, основная часть смеси дезоксидирующего вещества с неактивной газовой средой устремляется по пути наименьшего сопротивления в противоположную сторону от очага деформации через вскрытую полость переднего конца заготовки. При этом происходит недостаточное разделение контактных поверхностей в очаге деформации. Деформируемый металл и образовавшаяся в очаге деформации окалина налипают на оправку, что снижает качество внутренней поверхности гильзы и стойкость оправок прошивного стана.
Известно устройство для винтовой прошивки нагретой заготовки, реализующее способ прошивки в стане Маннесмана (заявка Японии №61-2446, B21B 19/04, B21B 25/04, опубл. 24.01.1986), содержащее валки, оправку, установленную на штанге через переходник, узел для подачи охладителя, трубку для подачи неактивного газа в очаг деформации через отверстия, выполненные в носовой части оправки, или по изогнутой трубке из отверстия, расположенного в передней части штанги оправки.
Недостатком устройства является то, что отверстия в носовой части оправки быстро забиваются окалиной и деформируемым металлом. В результате объем подачи неактивного газа в прошиваемую полость снижается, а затем полностью прекращается, что приводит к значительному увеличению образования высокотемпературной окалины в очаге деформации и интенсивному налипанию окалины на рабочую поверхность оправки. При подаче неактивного газа по изогнутой трубке, расположенной радиально внутренней поверхности гильзы, не обеспечивается разделения контактных поверхностей в очаге деформации, что приводит к налипанию деформируемого металла на рабочую поверхность оправки. Это уменьшает стойкость оправок прошивного стана и качество внутренней поверхности гильз, и в конечном итоге - готовых труб.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для получения гильзы из нагретой цельной заготовки с помощью внутреннего инструмента (заявка Германии №102011012761, B21B 17/02, B21B 25/04, опубл. 24.05.2012). Устройство для получения гильзы из нагретой цельной заготовки содержит внутренний инструмент, включающий оправку, установленную на штанге, устройство для охлаждения внутреннего инструмента, устройство для подачи дезоксидирующего вещества неактивной газовой средой в гильзу, расположенное отдельно от устройства для охлаждения внутреннего инструмента, переходник, соединяющий штангу с оправкой и выполненный с выводными каналами, расположенными радиально к внутренней поверхности гильзы.
К недостаткам устройства относится то, что при выходе смеси дезоксидирующего вещества с неактивным газом через радиально расположенные каналы в зазор между внутренней поверхностью гильзы и штангой основная часть смеси устремляется по пути наименьшего сопротивления через вскрытую полость переднего конца заготовки в сторону, противоположную очагу деформации. При этом происходит недостаточная дезоксидация рабочей поверхности оправки и внутренней поверхности заготовки в очаге деформации. Деформируемый металл и образовавшаяся в очаге деформации окалина налипают на рабочую поверхность оправки, что приводит к снижению стойкости оправок прошивного стана и качества внутренней поверхности гильз.
Техническая задача, решаемая изобретениями, заключается в повышении качества внутренней поверхности гильз и стойкости оправок прошивного стана.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе винтовой прошивки нагретой заготовки, включающем ее деформацию рабочими валками на вращающейся оправке, установленной на штанге посредством переходника, с подачей через переходник смазочно-дезоксидирующего продукта на основе фосфатных компонентов потоком неактивного газа и охлаждение прокатного инструмента, согласно изобретению, используют смазочно-дезоксидирующий продукт в виде порошковой смеси с размером гранул от 1,0 до 100 мкм, который подают после заполнения очага деформации в процессе деформации под углом 2÷35° к продольной оси заготовки в направлении, противоположном направлению прошивки, и продолжают подачу неактивного газа после освобождения очага деформации от заготовки. Кроме того, смазочно-дезоксидирующий продукт подают в направлении, встречном направлению вращения заготовки.
Поставленная задача решается также за счет того, что в устройстве для винтовой прошивки нагретой заготовки, содержащем рабочие валки, оправку, установленную на штанге через переходник, выполненный с выводными каналами, узел для подачи смазочно-дезоксидирующего продукта на основе фосфатных компонентов потоком неактивного газа, соединенный герметично с переходником, и узел для охлаждения, согласно изобретению, узел для подачи смазочно-дезоксидирующего продукта выполнен с возможностью подачи смазочно-дезоксидирующего продукта в виде порошковой смеси с размером гранул от 1,0 до 100 мкм, при этом переходник выполнен с выводными каналами, расположенными в продольном сечении под углом 2÷35° к продольной оси оправки, с устьями каналов, ориентированными в направлении оправки, и снабжен по меньшей мере одним средством предотвращения попадания в выводные каналы охлаждающей среды. Кроме того, в поперечном сечении выводные каналы устьями ориентированы в направлении, противоположном направлению вращения оправки, и выводные каналы выполнены сопловыми.
Сущность изобретения заключается в том, что в процессе винтовой прошивки после заполнения очага деформации подают смазочно-дезоксидирующий продукт (далее - СДП) на основе фосфатных компонентов в виде порошковой смеси потоком неактивного газа под углом 2÷35° к продольной оси заготовки в направлении, противоположном направлению прошивки.
Подача СДП на контактную поверхность «оправка - деформируемый металл» после заполнения очага деформации стабилизирует процесс прошивки, повышая, таким образом, качество внутренней поверхности заготовки и стойкость оправок. При этом исключается возможность попадания СДП на рабочие валки, что стабилизирует процесс вторичного захвата заготовки.
При угле подачи СДП в диапазоне 2÷35° к продольной оси заготовки в направлении, противоположном направлению прошивки, происходит формирование сплошного и равномерного смазочно-дезоксидирующего разделительного слоя на внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки, что обеспечивает повышение качества внутренней поверхности готовых труб и увеличение стойкости оправок.
После освобождения очага деформации от заготовки продолжают подачу неактивного газа, что позволяет предотвратить засорение трубопровода, подающего СДП, и выводных каналов смазочно-дезоксидирующим продуктом, стабилизирует процесс обработки внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки и способствует повышению качества внутренней поверхности гильз и стойкости оправок прошивного стана.
При подаче СДП в очаг деформации под углом менее 2° и более 35° часть продукта не попадает в просветы между деформируемой заготовкой и вращающейся оправкой, в очаг деформации поступает недостаточное количество продукта, происходит нарушение сплошности разделительного слоя на контакте «оправка-деформируемый металл», что приводит к снижению качества внутренней поверхности заготовки и стойкости оправок.
При подаче СДП навстречу направлению вращения заготовки происходит повышение скорости химической реакции его взаимодействия с деформируемым металлом, интенсифицируется процесс образования смазочно-дезоксидирующего разделительного слоя на внутренней поверхности заготовки, что в свою очередь повышает качество заготовки и стойкость оправок. Одновременно подаваемый неактивный газ препятствует проникновению кислорода воздуха в очаг деформации и на сформированную в процессе деформации внутреннюю полость заготовки. В качестве подаваемого неактивного газа может быть использован, например, азот.
Предпочтительный размер гранул компонентов смеси СДП составляет от 1,0 до 100 мкм, что значительно снижает время расплавления смеси и, таким образом, повышает скорость химических реакций расплава с деформируемым металлом заготовки и поверхностью оправки и образование смазочно-дезоксидирующих разделительных слоев, препятствующих налипанию окалины на рабочую поверхность оправки. За счет этого также происходит увеличение стойкости оправок и качества внутренней поверхности гильз.
Использование СДП с размером гранул компонентов смеси менее 1,0 мкм нецелесообразно, так как это не приводит к дальнейшему повышению качества внутренней поверхности гильз и стойкости оправок прошивного стана. Кроме того, происходит повышенное распыление смеси, увеличение ее расхода и как следствие - повышение затрат на СДП. При величине гранул более 100 мкм увеличивается время расплавления СДП, что ведет к снижению стойкости оправок прошивного стана и качества внутренней поверхности гильз.
Изобретения иллюстрируются рисунками, где на фиг. 1 показано устройство в очаге деформации при реализации способа, на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1 и на фиг. 3 показан вид Б на фиг. 1.
о
Устройство для винтовой прошивки нагретой заготовки 1 содержит охлаждаемые рабочие валки 2, оправку 3, установленную на штанге 4 через переходник 5, выполненный с выводными каналами 6 и по меньшей мере с одним средством предотвращения попадания в выводные каналы охлаждающей среды, например с выточкой 7, узел 8 для подачи СДП и узел для охлаждения 9. Узел 8 соединен герметично с переходником 5, выводные каналы 6 переходника 5 расположены под острым углом а к продольной оси оправки 3 и устьями ориентированы в направлении оправки, в поперечном сечении выводные каналы устьями ориентированы в направлении, противоположном направлению вращения ω оправки 3.
Расположение выводных каналов 6 переходника 5 в продольном сечении под углом α=2÷35° к продольной оси оправки 3 обеспечивает максимальное попадание СДП в очаг деформации прошивного стана через просветы 10 между деформируемым металлом заготовки 1 и рабочей поверхностью оправки 3. При этом достигаются лучшие показатели по стойкости оправок прошивного стана и качества внутренней поверхности готовых труб.
При расположении выводных каналов под углом а менее 2° и более 35° часть СДП не попадает в просветы 10 и в очаг деформации поступает недостаточное количество СДП. Происходит нарушение сплошности разделительного слоя на контакте «оправка - деформируемый металл», что приводит к снижению качества внутренней поверхности заготовки и стойкости оправок.
о
Выполнение выводных каналов 6 в поперечном сечении ориентированными устьями в направлении, противоположном направлению вращения ω оправки 3, способствует эффективному и более равномерному распределению СДП по внутренней поверхности заготовки, что повышает стойкость оправок и качество внутренней поверхности гильз.
Переходник 5 выполнен, например, с выточкой 7 для предотвращения попадания в выводные каналы 6 охлаждающей среды, что препятствует проникновению в каналы вместе с охлаждающей средой частиц окалины и других включений. При этом обеспечивается стабильная подача и равномерное нанесение СДП. Выводные каналы 6 могут быть выполнены, например, в виде цилиндрических сопловых отверстий, что обеспечивает более равномерное нанесение СДП за счет ламинарного истечения потока струи смеси.
Способ винтовой прошивки нагретой заготовки реализован при помощи предлагаемого устройства следующим образом.
Нагретую заготовку 1 подают в очаг деформации, где происходит захват заготовки рабочими валками 2, внедрение в заготовку оправки 3, установленной на штанге 4 через переходник 5. Деформация нагретой заготовки 1 происходит воздействием охлаждаемых рабочих валов 2 и вращающейся оправки 3. С переходником 5, выполненным с выводными каналами 6, герметично соединен узел 8 для подачи СДП. Устройство снабжено узлом охлаждения 9 для охлаждения штанги.
о
После заполнения очага деформации, когда контактная поверхность металла заготовки 1 с оправкой 3 достигает значительной величины, из узла 8 подают СДП через выводные каналы 6 переходника 5. При этом выводные каналы 6 в продольном сечении расположены под острым углом α=2÷35° к продольной оси оправки 3 и ориентированы в направлении оправки. В поперечном сечении выводные каналы устьями могут быть ориентированы в направлении, противоположном направлению вращения ω оправки. Используют СДП в виде порошковой смеси на основе фосфатных компонентов с размером гранул от 1,0 до 100 мкм. Смесь подают под углом 2÷35° к продольной оси заготовки с помощью потока неактивного газа, при этом СДП воздействует на деформируемый металл в очаге деформации и нагретую рабочую поверхность оправки. В результате химических реакций на поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки образуются разделительные слои 11 и 12, препятствующие налипанию окалины на рабочую поверхность оправки 3 и снижающие силу трения на контактной поверхности «оправка - деформируемый металл», что повышает стойкость оправок прошивного стана и качество внутренней поверхности гильз.
Одновременно неактивный газ препятствует проникновению кислорода воздуха в очаг деформации и окислению металла и, таким образом, способствует завариванию микротрещин, образующихся в результате пластической деформации, что способствует повышению качества внутренней поверхности гильз. После освобождения очага деформации продолжают подачу неактивного газа, что позволяет предотвратить засорение трубопровода, подающего СДП, и выводных каналов смазочно-дезоксидирующим продуктом, стабилизирует процесс обработки внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки и способствует повышению качества внутренней поверхности гильз и стойкости оправок прошивного стана.
Предлагаемые способ винтовой прошивки и устройство были опробованы на прошивном стане винтовой прокатки с валками грибовидного типа и направляющими дисками при получении гильз из стали 13ХФА размером 222×16 мм из заготовки диаметром 210 мм. Технологические параметры процесса прошивки представлены в таблице.
Согласно предлагаемому способу и устройству при прошивке после заполнения очага деформации, а именно после 3 секунд, в очаг деформации подавали СДП под углом 12° к продольной оси заготовки в направлении, противоположном направлению прошивки, и предпочтительно навстречу направлению вращения заготовки. Использовали СДП из порошковой смеси, в частности на основе полифосфата натрия, с размером гранул 60÷100 мкм. Подачу СДП осуществляли неактивным газом, в частности через 6 выводных каналов переходника диаметром 10 мм, расположенных под углом 12° к продольной оси заготовки. В качестве неактивного газа использовали, например, азот. В поперечном сечении выводные каналы переходника, в частности устьями были ориентированы в направлении, противоположном направлению вращения оправки. Переходник устройства был выполнен, в частности с выточкой для предотвращения попадания в выводные каналы вместе с охлаждающей средой частиц окалины и других включений, что обеспечивало стабильную подачу и равномерное нанесение дезоксидирующего вещества. После освобождения очага деформации продолжали подачу неактивного газа для предотвращения засорения трубопровода, предназначенного для подачи СДП, и выводных каналов смазочно-дезоксидирующим продуктом и обеспечения стабильности процесса обработки СДП внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки.
Средняя стойкость оправок при прошивке по предлагаемому способу составила 1070 прошивок, что в 1,5 раза выше показателей стойкости оправок при прошивке заготовок по действующей технологии.
Использование предлагаемого способа винтовой прошивки и устройства позволит снизить коэффициент трения на контактной поверхности «оправка - деформируемый металл», повысить стойкость дорогостоящих оправок прошивного стана и снизить их расход и повысить качество внутренней поверхности гильз и готовых труб.