СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СОСТАВНЫХ ДОРНОВ ПИЛИГРИМОВЫХ СТАНОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ БОЛЬШОГО И СРЕДНЕГО ДИАМЕТРОВ
PRODUCTION AND OPERATION OF PILGER MILL COMPOSITE MANDRELS FOR PRODUCTION OF LARGE- AND MEDIUM-DIAMETER HOT-ROLLED PIPES

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно, к способу изготовления технологического инструмента пилигримовых станов, в частности составных дорнов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров (325-550) мм с разными толщинами стенок.
Известен способ изготовления дорнов пилигримовых станов для пилигримовой прокатки горячекатаных труб, включающий отливку слитков из стали марки 25Х2М1Ф (СД-2), ковку их в цилиндрические заготовки (поковки) размером 325-570×6000 мм с уковом 2,25-2,50, черновую механическую обработку с припуском по диаметру 10-15 мм с учетом поводки поковок при термической обработке, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующей обкаткой или шлифовкой поверхности и эксплуатацию их до выхода из строя по сетке разгарных трещин (патент RU №2055660, Кл. B21B 21/00. 10.03.1992).
Недостатком данного способа является то, что дорны с содержанием углерода 0,24-0,32 выходят из строя в основном из-за поверхностных разгарных трещин, а также неравномерного истирания по длине (потеря геометрических размеров). Недостатками данного способа является также трудоемкость изготовления дорнов 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 или теплостойкой стали с соотношением компонентов: углерод - 0,15-0,23%; марганец - 0,5-0,85%; хром - 2,8-3,3%; ванадий - 0,10-0,25%; ниобий - 0,01-0,015%; азот - 0,005-0,015; железо - остальное, при этом суммарное процентное содержание Mn+Cr должно быть не менее 3,7% (патент RU №2081199, Кл. C22C 38/26. 10.06.1997). Данные дорны используют для прокатки горячекатаных труб разного сортамента с допусками по стенке в зависимости от нормативно-технической документации.
п
н
п
н
В трубной промышленности известен способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов из стали марки СД-2 (25Х2М1Ф) для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающий ковку, термическую обработку дорновых заготовок с получением на поверхности слоя сорбита глубиной 40-50 мм, при эксплуатации до начала интенсивного образования сетки разгарных трещин дорны перетачивают на меньший диаметр до появления в микроструктуре сорбита и отдельных участков перлита, величину которой определяют из выражения D=D-2Δ, где D - минимальный диаметр дорна после переточки, мм; D - начальный диаметр дорна после изготовления, мм; Δ - толщина поверхностного слоя дорна, имеющая структуру сорбита, мм, первую переточку дорнов на меньший диаметр производят через 0,75-0,80, вторую через 0,5-0,55, а третью через 0,3-0,35 их средней первоначальной стойкости, после третьей переточки дорны эксплуатируют до выхода из строя, а величину съема металла по диаметру за каждую последующую переточку увеличивают в 1,2-1,3 раза (патент RU №2238810. Кл. B21B 21/00, C21D 9/28. 27.10.2004).
Несмотря на увеличение стойкости дорнов более чем в 1,5 раза, недостатками данного способа изготовления дорнов является трудоемкость и повышенный расход дорогостоящей теплостойкой износостойкой стали марки 25Х2М1Ф.
Известен способ изготовления дорнов для горячей пилигримовой прокатки труб, включающий изготовление сердечников с хвостовиками сплошного сечения с наружной поверхностью концов в виде усеченных конусов, соединяемых меньшими основаниями, и плотно сопряженные с сердечниками гильзы (авт. свид. СССР №480319. Кл. B21B 25/00, 1973).
Недостатками данного способа изготовления дорнов являются 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, Кл. B21B 21/00, Бюл. №37. 1987).
Недостатками данной конструкции дорна является сложность его 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 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. 1980).
Недостатком данной конструкции дорна является сложность изготовления, а именно изготовление способом ковки заготовки из стали марки 25Х2М1Ф 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 последующей механической обработкой 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.
Задачей предложенного способа является разработка оптимальной конструкции дорнов, способа их изготовления, в частности полых дорнов максимальной металлоемкости, дорновые заготовки для изготовления которых можно производить в условиях ОАО «ЧТПЗ», т.е. на пилигримовых установках, с последующим изготовлением из них полых дорнов для пилигримовой прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, снижение расхода теплостойкой износостойкой стали, снижение стоимости дорнов при одновременном увеличении их стойкости, а следовательно, снижение стоимости передела горячекатаных труб большого и среднего диаметров на ТПУ с пилигримовыми станами.
Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления составных дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров, характеризующимся тем, что изготавливают сплошные сердечники из непрерывно-литых заготовок или сортового проката из углеродистых марок стали, которые с одного конца просверливают и нарезают правую винтовую нарезку, а на другом конце выполняют утолщение в виде усеченного конуса, с большим основанием на конце сердечника, механическим способом изготавливают замковые части из бракованных дорнов и поковок стали марки 25Х2М1Ф или из стали, стойкой к ударным воздействиям, с резьбовой нарезкой на противоположном от замка конце, сердечники соединяют с замковой частью путем свинчивания резьбовых соединений с образованием сборной конструкции, изготавливают заготовки ковкой или отливкой электрошлаковым переплавом, нагревают их до температуры пластичности и прошивают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы, внутренний диаметр которых больше больших оснований усеченных конусов сердечников на 15-20 мм, надевают гильзу на сборную конструкцию до соприкосновения с конусом замковой части, и на пилигримовых станах производят прокатку-накатку гильз на сердечники с образованием составных дорновых заготовок с рубашками, производят термическую обработку составных дорновых заготовок с получением на поверхности рубашек сорбита глубиной 40-50 мм и механическую обработку составных дорновых заготовок в составные дорны, длину заготовок для прошивки гильз и длину гильз для накатки рубашек для изготовления составных дорновых заготовок определяют из выражений
д
р
р
з
з
з
г
г
р
1
д
1
с
2
д
2
к
д
д
к
д
1
1
1
где D - наружный диаметр дорна, мм; Δ - припуск под механическую обработку составной дорновой заготовки в составной дорн после накатки рубашки, мм; S - толщина стенки рубашки дорна, мм; L - длина рабочей части дорна (длина накатанной рубашки), мм; К - коэффициент, учитывающий угар металла при нагреве заготовок и слитков-заготовок ЭШП в методических или кольцевых печах под прошивку их в гильзы в стане поперечно-винтовой прокатки; D - диаметр заготовки с центральным сверлением для изготовления рубашки, мм; S - толщина стенки заготовки с центральным сверлением, мм; R - радиус заготовки без центрального сверления, мм; D - наружный диаметр гильзы для накатки рубашки, мм; S - толщина стенки гильзы, мм, толщину стенок рубашек составных дорнов определяют из выражения S=КD, где К=0,22-0,25 - коэффициент, большее значение которого принимают для дорнов большего диаметра, а диаметры сердечников из выражения D=KD, где К=0,50-0,55 - коэффициент, большее значение которого принимают для дорнов меньшего диаметра, гильзу прокатывают-накатывают на сердечник в виде рубашки по технологии: определяют калибр валков из выражения D=(D+2Δ+h), где D - наружный диаметр составного дорна, мм; Δ - припуск под механическую обработку составной дорновой заготовки в дорн после накатки рубашки, мм; h=15-20 - увеличение калибра за счет разведения валков, мм; после обкатки пилигримовой головки валки сводят на величину h/2 и прокатывают-обкатывают рубашку в калибре D=(D+2Δ+h/2); если в процессе вторичной прокатки-обкатки рубашка полностью не найдет на конус сердечника, то валки сводят на величину h/2 и ведут процесс прокатки-накатки рубашки до полного нахождения ее на конус сердечника, а процесс накатки рубашек на сердечник производят с подачей гильз в очаг деформации m=20-25 мм, при вторичной прокатке-обкатке величину подачи снижают до 0,75 m, а при последующей прокатке-обкатке снижают до 0,5 m, большее значение которой принимают при прокатке составных дорновых заготовок для изготовления дорнов для прокатки труб среднего диаметра.
Замковая часть дорна служит для крепления дорна в замке подающего аппарата, должна обладать высокой стойкостью против трения и повышенных нагрузок 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°C с последующими охлаждениями до 100°C 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. (0,27-0,32) от общей длины дорна.
Сопоставительный анализ заявляемого способа изготовления составных дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что механическим способом изготавливают замковые части из бракованных дорнов и поковок стали марки 25Х2М1Ф или из стали, стойкой к ударным воздействиям, с резьбовой нарезкой на противоположном от замка конце, сердечники соединяют с замковой частью путем свинчивания резьбовых соединений с образованием сборной конструкции, изготавливают заготовки ковкой или отливкой электрошлаковым переплавом, нагревают их до температуры пластичности и прошивают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы, внутренний диаметр которых больше больших оснований усеченных конусов сердечников на 15-20 мм, надевают гильзу на сборную конструкцию до соприкосновения с конусом замковой части, и на пилигримовых станах производят прокатку-накатку гильз на сердечники с образованием составных дорновых заготовок с рубашками, производят термическую обработку составных дорновых заготовок с получением на поверхности рубашек сорбита глубиной 40-50 мм и механическую обработку составных дорновых заготовок в составные дорны, длину заготовок для прошивки гильз и длину гильз для накатки рубашек для изготовления составных дорновых заготовок определяют из выражений
д
р
р
з
з
з
г
г
р
1
д
1
с
2
д
2
к
д
д
к
д
1
1
1
где D - наружный диаметр дорна, мм; Δ - припуск под механическую обработку составной дорновой заготовки в составной дорн после накатки рубашки, мм; S - толщина стенки рубашки дорна, мм; L - длина рабочей части дорна (длина накатанной рубашки), мм; К - коэффициент, учитывающий угар металла при нагреве заготовок и слитков-заготовок ЭШП в методических или кольцевых печах под прошивку их в гильзы в стане поперечно-винтовой прокатки; D - диаметр заготовки с центральным сверлением для изготовления рубашки, мм; S - толщина стенки заготовки с центральным сверлением, мм; R - радиус заготовки без центрального сверления, мм; D - наружный диаметр гильзы для накатки рубашки, мм; S - толщина стенки гильзы, мм, толщину стенок рубашек составных дорнов определяют из выражения S=КD, где К=0,22-0,25 - коэффициент, большее значение которого принимают для дорнов большего диаметра, а диаметры сердечников из выражения D=КD, где К=0,50-0,55 - коэффициент, большее значение которого принимают для дорнов меньшего диаметра, гильзу прокатывают-накатывают на сердечник в виде рубашки по технологии: определяют калибр валков из выражения D=(D+2Δ+h), где D - наружный диаметр составного дорна, мм; Δ - припуск под механическую обработку составной дорновой заготовки в дорн после накатки рубашки, мм; h=15-20 - увеличение калибра за счет разведения валков, мм; после обкатки пилигримовой головки валки сводят на величину h/2 и прокатывают-обкатывают рубашку в калибре D=(D+2Δ+h/2); если в процессе вторичной прокатки-обкатки рубашка полностью не найдет на конус сердечника, то валки сводят на величину h/2 и ведут процесс прокатки-накатки рубашки до полного нахождения ее на конус сердечника, а процесс накатки рубашек на сердечник производят с подачей гильз в очаг деформации m=20-25 мм, при вторичной прокатке-обкатке величину подачи снижают до 0,75 m, а при последующей прокатке-обкатке снижают до 0,5 m, большее значение которой принимают при прокатке составных дорновых заготовок для изготовления дорнов для прокатки труб среднего диаметра. Таким образом, эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сравнение заявляемого способа изготовления составных дорнов для производства горячекатаных 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 способ от прототипа, что соответствует патентоспособности «изобретательский уровень».
Способ опробован на трубопрокатной установке с пилигримовыми станами 8-16′′ ОАО «ЧТПЗ». Были изготовлены и испытаны два опытных составных дорна для пилигримовой прокатки труб размером 426×9-10 мм. Замковые части дорнов были выполнены из бракованных дорнов диаметром 409/410 мм в соответствии с п.1 формулы изобретения. Сердечники диаметром 230 мм были изготовлены из сортового проката диаметром 260 мм из стали марки 20 в соответствии с п.1 формулы изобретения. С одного конца сердечники были просверлены на длину (глубину) 200 мм и нарезана правая метрическая резьба M150, а на другом конце на длине 250 мм был выполнен конус с большим основанием 260 мм на конце. 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 СД-2, геометрические размеры которых рассчитывали в соответствии с п.2 формулы изобретения. Заготовки были нагреты в методической печи до температуры 1270°C, прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 610×вн.290×1800 мм, геометрические размеры которых рассчитывали в соответствии с п.2 формулы изобретения. Гильзы были поочередно насажены на составные конструкции и прокатаны в калибре 434 мм в составные дорновые заготовки. Прокатку (накатку) гильз в дорновые заготовки производили в соответствии с пп.4 и 5 формулы изобретения. 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. Рубашки были не полностью накатаны на конусную часть хвостовиков. Для снижения овализации в очаге деформации свели валка и повторно произвели прокатку-обкатку рубашек в калибре 434 мм с подачей дорновых заготовок в очаг деформации m=15-18 мм. Рубашки полностью накатались на замковую часть и конус сердечников. После прокатки и охлаждения составных дорновых заготовок были произведены замеры. Диаметр дорновых заготовок составил 426-430 мм. Дорновые заготовки были подвергнуты термической обработке. Затем дорновые заготовки были подрезаны с концов на длину 4585 мм, из которых после механической обработки (обточки) были изготовлены два дорна с геометрическими размерами согласно п.3 формулы изобретения. Толщина стенок рубашек составила 90 мм, что соответствует п.3 формулы изобретения для дорнов данного размера. Опытные дорн были выданы на пилигримовый стан №2, где в комплекте с 2-мя сплошными дорнами из стали марки 25Х2М1Ф проходили испытания. Данные по прокатке труб и стойкости дорнов пилигримового стана, изготовленных по существующей и предлагаемой технологиям, приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что на сплошных дорнах размером 409/410 мм из стали 25Х2М1Ф до начала образования сетки разгарных трещин прокатано 4000 тонн труб размером 426×10 мм. Потом дорны были переточены на размер 390/391 мм, на которых до начала образования сетки разгарных трещин прокатано 2000 тонн труб размером 426×20 мм. После этого дорны были переточены на размер 360/361 мм, на которых было прокатано 1560 тонн труб размером 377×9 мм. Затем дорны были отбракованы по грубой сетке разгарных трещин и отсутствию слоя сорбита при дальнейшей переточке. Суммарное количество прокатанных труб на двух дорнах, изготовленных по существующей технологии, составило 7560 тонн. Вес двух поковок для изготовления дорнов составил 10400 кг. Удельный расход дорновой стали марки СД-2 для прокатки одной тонны труб составил 1,38 кг. По предлагаемой технологии на составных дорнах размером 409/410 мм было прокатано 4400 тонн труб размером 426×10 мм. Затем дорны были переточены на размер 399/400 мм, на которых было прокатано 1900 тонн труб размером 426×15 мм. Потом дорны были переточены на размер 388/389, на которых прокатано 1500 тонн труб размером 426×22 мм. Затем дорны были переточены на размер 360/361 мм. На данных дорнах было прокатано 1100 тонн труб размером 377×9 мм. После дорны были переточены на размер 314/315 мм, на которых прокатано 1000 тонн труб размером 325×8 мм. Так как толщина рубашки после последней переточки была 42,5 мм, из-за последующего утонения стенки рубашки было принято решение данные дорны отбраковать. С данных дорнов рубашки были удалены огневым способом и на составные конструкции вновь были накатаны рубашки и изготовлены составные дорны диаметром 409/410 мм. Суммарное количество прокатанных труб на двух составных дорнах, изготовленных по предлагаемой технологии, составило 9900 тонн. Вес двух поковок для изготовления рубашек 6480 кг. Удельный расход дорновой стали марки СД-2 для прокатки одной тонны труб составил 0,65 кг.
Таким образом, удельный расход дорновой стали марки СД-2 при прокатке труб на дорнах, изготовленных по предлагаемой технологии, сократился более чем в 2,0 раза.
Использование предлагаемого способа изготовления составных дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров позволяет 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, снизить износ, повысить их стойкость, по сравнению со сплошными дорнами, снизить расход металла на их изготовление, организовать производство их на ТПУ 8-16′′ ОАО «ЧТПЗ», отказаться от поставок со стороны, снизить стоимость технологического инструмента (дорнов), а следовательно, и стоимость передела горячекатаных труб большого и среднего диаметров на ТПУ с пилигримовыми станами.