Способ изготовления бесшовных труб диаметром менее 120 мм винтовой прокаткой
METHOD OF MANUFACTURING SEAMLESS PIPES WITH A DIAMETER LESS 120 mm SCREW ROLLER

Изобретение относится к обработке металлов давлением и касается получения бесшовных труб диаметром менее 120 мм и полых толстостенных заготовок деталей машиностроения, используемых в атомной энергетике, строительстве, машиностроении.
Известен способ винтовой прокатки труб, при котором исходную заготовку нагревают, прошивают и раскатывают валками на коротких оправках поочередно в одних и тех же валках таким образом, что поперечное сечение очага деформации, соответствующее входу заготовки в валки при прошивке, и поперечное сечение очага деформации, соответствующее началу контактной деформации стенки гильзы между валками и оправкой при раскатке, отстоят друг от друга вдоль очага деформации на 0,4…2,6 диаметра гильзы (патент России №2315671, кл. В21В 19/00, заявл. 06.12.2006, опубл. 27.01.2008 г.).
Недостатком известного способа является невозможность его применения для получения труб из высокопрочных марок сталей и сплавов, имеющих ограничения по предельной степени деформации, осуществление которой за один проход может привести к разрушению заготовки или гильзы. Кроме того, согласно способу раскатку и прошивку необходимо реализовывать в заданных сечениях очага деформации, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии, что резко ограничивает сортамент прокатываемых труб.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ винтовой прокатки труб, включающий нагрев заготовки, прошивку и прокатку в несколько проходов в калибре, образованном валками, линейками и короткой оправкой, установленной на стержне, с перенастройкой калибра после прошивки путем извлечения оправки со стержнем и установки новой оправки со стержнем в калибре перемещением ее в осевом направлении относительно валков и линеек без изменения их положения (патент России №2416474, кл. В21В 19/02, заявл. 12.08.2009, опубл. 12.08.2011 г.).
Недостатком данного способа является невозможность получения труб диаметром менее 110 мм с толщиной стенки 12 мм и более из-за малого диаметра оправочного стержня, что обусловливает деформацию его под нагрузкой от усилия прокатки и приводит к повышенной разностенности, а при прошивке высокопрочных сталей стержень теряет устойчивость и ломается. Для повышения устойчивости стержня применяют центрирующие втулки, которые надевают на стержень, тем самым предотвращая его изгиб, однако это требует увеличения длины выходной стороны стана, а также увеличивает время на подготовку стана к работе, т.к. втулки необходимо каждый раз возвращать в исходное положение.
Задача изобретения состоит в повышении производительности и качества при получении бесшовных труб диаметром менее 120 мм винтовой прокаткой.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления бесшовных труб винтовой прокаткой, включающем нагрев заготовки, прошивку и прокатку в несколько проходов в калибре, образованном валками, линейками и короткой оправкой, установленной на стержне, с перенастройкой калибра после прошивки путем извлечения оправки со стержнем и установки новой оправки со стержнем в калибре перемещением ее в осевом направлении относительно валков и линеек без изменения их положения, согласно предлагаемому способу в первом проходе производят прошивку заготовки на сферическо-конической оправке с уменьшением наружного диаметра гильзы на 3…20%, а при перенастройке калибра путем извлечения оправки со стержнем и установки новой оправки со стержнем устанавливают новую цилиндрическую оправку, на которой выполняют прокатку гильзы, осуществляя в каждом проходе от 4 до 6 частных обжатий по стенке, с относительной деформацией по стенке 5…20% и уменьшением наружного диаметра на 8…18%.
В предлагаемом способе прошивка и прокатка на оправке идут с уменьшением диаметра. Берется заготовка диаметром на 10-20% больше диаметра трубы и прошивается на сферическо-конической оправке с уменьшением диаметра и получением стенки на 5…20% толще, чем на готовой трубе. Увеличение диаметра заготовки позволяет выбрать для прошивки стержень большего диаметра, обладающий более высокой устойчивостью под усилием прокатки, сопротивление стержня изгибу пропорционально диаметру в четвертой степени. Выбор заготовки под прошивку диаметром, большим чем на 20% по отношению к диаметру гильзы, существенно затруднит процесс прошивки, увеличит нагрузку на направляющий инструмент, что приведет к его быстрому износу. Уменьшение диаметра менее чем на 10% по отношению к номинальному не дает возможности увеличить диаметр справочного стержня до значения, при котором он не теряет устойчивость при прошивке. Следующий проход выполняется уже на цилиндрической оправке с дальнейшим уменьшением диаметра и устранением в процессе прокатки на оправке винтового следа и овальности отверстия, образовавшихся при прошивке. Стенка при этом обжимается на 5…20%, чтобы убрать винтовой след после прошивки. Увеличение обжатия по стенке свыше 20% приводит к увеличению шага подачи и появлению овальности, при этом уменьшается число соприкосновений стенки трубы с оправкой и появляется след винтовой линии на внутренней поверхности.
При деформировании толстостенных труб с отношением диаметра к толщине стенки (D/S)=3,2…4,5 в стане винтовой прокатки с обжатием по диаметру более 18% часто имеет место потеря устойчивости профиля трубы и, соответственно, потеря формы, происходит смятие профиля с образованием складки или морщины на внутренней поверхности трубы. При обжатии по диаметру в очаге деформации до 8% снижается эффективность процесса прокатки. В процессе деформирования на цилиндрической оправке труба должна совершить не менее 4 касаний своей поверхностью поверхности валка (частных обжатий), т.е. совершить в очаге деформации 2 оборота (за один оборот труба касается каждого из валков), в противном случае на внутренней поверхности остаются складки, образовавшиеся при уменьшении диаметра. Если труба совершает в очаге деформации более 6 частных обжатий, т.е. касаний своей поверхностью поверхности валков (иначе - более 3 оборотов), образуются плены и зажимы на наружной поверхности трубы.
При осуществлении данного способа прошивка, при которой имеют место наибольшие усилия на оправку и стержень, выполняется на заведомо большей по диаметру оправке (на 12…35%), устанавливаемой на стержне соответствующего диаметра, а в последующих проходах диаметр и стенка трубы калибруются уже на цилиндрической оправке, установленной на стержне меньшего диаметра, но на него и усилия намного меньше, т.к. происходит не прошивка, а обкатка с уменьшением диаметра и небольшим обжатием по стенке.
Способ осуществляется следующим образом.
Исходный пруток круглого сечения диаметром, на 3…20% большим предположительного диаметра гильзы, режут на заготовки мерной длины. Полученную заготовку устанавливают на рольганге перед нагревательной печью и с помощью подающих роликов перемещают в загрузочное окно печи. В процессе передвижения в печном пространстве заготовка нагревается до заданной температуры и после выхода из печи поступает к прошивному стану винтовой прокатки, где из сплошной заготовки на сферическо-конической оправке формируется полая гильза, диаметр которой на 3…20% меньше диаметра исходной заготовки (прошивка на посад). Далее прошитая гильза выдается на выходную сторону стана, из гильзы извлекается оправка со стержнем и передается в осевом направлении к устройству для замены оправки со стержнем, гильза из выходной стороны с помощью выбрасывателей перекладывается в направлении, перпендикулярном направлению прокатки, на решетку (выходная сторона с боковой выдачей). На место удаленной оправки со стержнем подается новая цилиндрическая оправка, установленная на стержне, и устанавливается в очаге деформации без изменения положения валков и линеек. Одновременно прошитая гильза по решеткам и рольгангам передается на входную сторону стана и заталкивателем вводится в очаг деформации, начинается процесс прокатки на цилиндрической оправке, в процессе которого диаметр гильзы уменьшается на 8…18% и становится равным заданному диаметру готовой трубы с учетом последующего калибрования, стенка гильзы при этом обжимается на 5…20%.
Если получить нужный диаметр за один проход на цилиндрической оправке невозможно, выполняется второй и последующий проходы с заменой оправки или без него.
Пример осуществления способа.
В ходе опытной прокатки получали трубы наружным диаметром 89 мм с толщиной стенки 12 мм.
Для получения труб таких размеров по обычной технологии выбирается заготовка диаметром 85 мм, прошивка заготовки выполняется на оправке диаметром 61 мм, закрепленной на стержне из стали 40Х диаметром 58 мм. Если длина гильзы составляет 6 метров, длина стержня для прошивки должна быть 9,5 метров при расстоянии между центрователями 2 метра. Расчеты показывают, что при таких условиях наблюдается отклонение оси стержня от оси прокатки уже при усилии на его торец 8,5 кН, тогда как расчетное усилие на оправку при прошивке составляет 230 кН. Это приводит к прогибу стержня в промежутках между центрователями на величину до 70 мм, что вызывает при вращении оправки в ходе прошивки ее биение на 10…15 мм и повышенную разностенность гильз. Критическое усилие на стержень, при котором наступает потеря устойчивости, т.е. пластическая деформация стержня, составляет 205,5 кН, и в ряде случаев при увеличении сопротивления деформации металла прошиваемой гильзы наблюдали поломку стержня.
Согласно предлагаемому способу для получения труб заданных размеров брали исходный пруток из стали 50 диаметром 115 мм, разрезали на заготовки мерной длины 1800 мм, нагревали до температуры 1180°С и прошивали на двухвалковом стане винтовой прокатки при угле подачи 12° и обжатии в пережиме валков 21,7% на оправке диаметром 78 мм, установленной на стержне диаметром 76 мм, в гильзы диаметром 106 мм с толщиной стенки 14 мм. При этом диаметр гильзы был меньше диаметра заготовки на 7,8%. Прошитую гильзу передавали вновь на входную сторону стана, а в это время производили замену прошивной оправки со стержнем на цилиндрическую оправку диаметром 67 мм, установленную на стержне диаметром 66 мм. На этом инструменте при той же настройке стана, что и для прошивки, получали трубу диаметром 91 мм с толщиной стенки 12 мм.
Таким образом, при обкатке трубы на цилиндрической оправке диаметр стержня увеличили в 1,14 раза, что повысило предел его устойчивости в 1,67 раза. В результате процессы прошивки и прокатки проходили устойчиво без сбоев и задержек.
Калибрование труб выполняли в клети винтовой прокатки на размер 89,9 мм.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение бесшовных труб диаметром менее 120 мм винтовой прокаткой с высоким качеством поверхности и достижением точных геометрических размеров.