НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Мазур Сергій Валерійович

УДК 621.774

ЗАКОНОМІРНОСТІ ВЗАЄМОДІЇ МЕТАЛУ, ЩО ДЕФОРМУЄТЬСЯ, З ТЕХНОЛОГІЧНИМ ІНСТРУМЕНТОМ ТА ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИРОБНИЦТВА ТРУБ НА АГРЕГАТАХ ЗІ СТАНАМИ ПОДОВЖНЬОЇ ОПРАВОЧНОЇ ПРОКАТКИ

Спеціальність 05.03.05“

Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Данченко Валентин Миколайович, Національної металургійної академії України, завідувач кафедри обробки металів тиском.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Фурманов Валерій Борисович, ОАО "Дніпропетровський трубний завод", науковий консультант;

- кандидат технічних наук Шифрін Євген Ісайович, Інститут розвитку ВАТ "Нижньодніпровський трубопрокатний завод", заступник директора по розвитку, технічний директор,
м. Дніпропетровськ.

Провідна установа:

Державне підприємство "Науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади" (ДП "НДТІ") Мінпромполітики України, відділ технології виробництва гарячедеформованих труб та їх обробки, м. Дніпропетровськ.

Захист дисертації відбудеться 04.04.06 о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02. Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 03 березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої

вченої ради А.М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Трубопрокатні агрегати (ТПА) зі станами подовжньої прокатки складають основу виробничих потужностей України у виробництві безшовних гарячекатаних труб. На цих агрегатах прошивку суцільних заготовок виконують на косовалкових станах, а одержану гільзу розкочують на одному з оправочних станів – з короткою або довгою оправками. Прокатку на короткій оправці звичайно проводять в два проходи, а на довгій оправці – в декількох клітях безперервного стану. На цих ТПА виготовляють, зазвичай, труби з вуглецевих і низьколегованих сталей порівняно вузького сортаменту. Підвищення ефективності виробництва труб пов’язано з розширенням їх сортаменту, підвищенням точності та зменшенням матеріальних і енергетичних витрат.

Вирішення цих питань вимагає поглибленого дослідження закономірностей взаємодії металу, що деформується, з технологічним інструментом.

Попередній аналіз виявив, що розширення марочного сортаменту та інтенсифікація процесу прошивки обмежуються, як правило, працездатністю прошивної оправки, термін служби якої частіше за все пов'язаний зі зміною форми її носка; при розширенні розмірного ряду труб, що виробляються, спостерігається зниження точності товщини стінки, що пов’язано з сумісною дією кантування перед другим проходом короткооправочної прокатки, тангенціальною стійкістю при захоплені труби валками і скручуванням її при прокатці. Підвищення ефективності виробництва труб на станах подовжньої прокатки неможливо без забезпечення сталого мастильного шару між оправкою і внутрішньою поверхнею труби. Адже саме сталий мастильний шар забезпечує високу працездатність оправки, якість внутрішньої поверхні труби та оптимальні енергосилові параметри прокатки. Між тим, до останнього часу при обчисленні коефіцієнту тертя та енергосилових параметрів не враховувався вплив зміни товщини стінки в зоні редукування і розкиду вхідних параметрів на товщину мастильного шару. Виробництво нових видів труб ускладнюється в ряді випадків низькою температурою кінця прокатки та відсутністю методики прогнозування виходу придатного без попередніх дослідних прокаток. Це веде до значних матеріальних витрат.

Отже, робота, яка спрямована на дослідження і визначення закономірностей взаємодії металу, що деформується, з технологічним інструментом та підвищення ефективності виробництва труб на агрегатах зі станами подовжньої оправочної прокатки за рахунок розширення сортаменту, підвищення точності труб та зменшення енергетичних та матеріальних витрат, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконано в рамках програм і відповідної тематики держбюджетних та госпдоговірних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ ДР № 0103U003217 за наказом МОНУ № 633 від 05.11.02;
ДР № 0104U003767 від 22.07.04 за договором з ВАТ “Дніпропетровський трубний завод” (“ДТЗ”), а також у рамках співробітництва з Фізико-технічним інститутом металів та сплавів НАНУ за договором № 3447 від 15.07.99.

Автор був виконавцем цих робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є визначення закономірностей взаємодії металу, що деформується, з технологічним інструментом та підвищення ефективності виробництва труб на агрегатах зі станами подовжньої оправочної прокатки за рахунок розширення сортаменту, підвищення точності труб та зменшення енергетичних та матеріальних витрат.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі:

-

-

-

-

-

-

Об'єкт дослідження. Технологія виготовлення гарячекатаних труб на агрегатах зі станами подовжньої оправочної прокатки.

Предмет дослідження. Закономірності впливу температурно-швидкісних, енергосилових та технологічних параметрів процесу виготовлення гарячекатаних труб на агрегатах зі станами подовжньої оправочної прокатки на характер взаємодії металу, що деформується, з технологічним інструментом.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження, які базуються на закономірностях теорії обробки металів тиском і теорії пластичності із залученням елементів теорії теплопровідності у твердих тілах, теоретичної механіки, гідродинаміки в'язких рідин. Використання методів фізичного і математичного моделювання технологічних процесів. Експериментальні дослідження в умовах промислових станів подовжньої прокатки ВАТ “ДТЗ” з використанням статистичної обробки результатів із застосуванням комп'ютерної техніки.

Наукова новизна. У дисертації отримані такі нові результати.

1. Вперше отримано закономірності впливу факторів прошивки на критичний тиск металу на носок оправки, що ініціює пластичний плин поверхневих шарів носка оправки і втрату його форми.

Відмінність полягає в урахуванні впливу циклічного характеру зміни температури на напруження плину приконтактних шарів носка оправки. Розроблений критерій дозволяє визначати граничні умови, при яких відбувається утрата форми носка оправки, що є основною причиною виходу її з ладу, а також прогнозувати можливість одержання гільз з нових марок сталей і сплавів.

2. Одержало подальший розвиток визначення закономірностей силової і кінематичної взаємодії труби і роликів фрикційного кантувача з урахуванням їх калібровки.

Розробка відрізняється урахування впливу статичних і динамічних навантажень на трубу в процесі кантовки і задачі її в прокатний стан. Ці закономірності дозволяють оптимізувати калібровку роликів кантувача і конструктивні параметри кантувача, що важливо при розширенні розмірного ряду за діаметром труб, що прокатуються.

3. Одержав подальший розвиток метод аналізу умов тангенціальної стійкості недокантованої труби при захопленні її валками і прокатці на оправці в круглому калібрі. Виконано аналіз процесу скручування труби у зоні деформації.

Розробка відрізняється від відомих урахуванням неточностей установки валків, кутових і лінійних зсувів їх відносно одне одного. Використання удосконаленого методу розрахунку дозволяє визначати причину порушення стійкості труби в калібрі, особливо при звалюванні її “лампасів” у випуски калібру, яке звичайно викликає підвищену різностенність труб, що прокатуються.

4. Одержав подальший розвиток метод визначення закономірностей, що описують надходження технологічного мастила в зоні деформації між внутрішньою поверхнею труби і оправкою.

Розробка відрізняється урахуванням впливу зміни товщини стінки в зоні редукування, а також розкиду величин вхідних факторів.

Отримані рішення дозволяють підвищити точність оцінки напружень тертя на оправці, енергосилових параметрів і витрати енергії при безперервній оправочній прокатці.

Практична цінність отриманих наукових результатів. Виконані дослідження дозволили:

- розробити методику прогнозування граничних умов працездатності оправок на основі даних про властивості матеріалів для виготовлення оправок, що є важливим при розробці технології та освоєнні виробництва труб з нових конструкційних та важкодеформуємих сталей;

- визначити граничні параметри циклу прошивання, при яких забезпечується працездатність оправок прошивного стана;

- розробити рекомендації з вибору форми і розмірів носової частини прошивних оправок у залежності від властивостей матеріалу заготовки і умов прошивки;

- розробити і впровадити у виробництво нову калібровку роликів фрикційного кантувача труб розширеного діапазону за діаметрами;

- розвинути методику визначення товщини шару мастила, яке надходить на контакт труби з оправкою, що дозволяє оцінити напруження тертя та коефіцієнт тертя на оправці;

- обґрунтувати раціональні шляхи енергозбереження при виробництві труб на трубопрокатних агрегатах з короткооправочними та довгооправочними станами подовжньої прокатки;

- розробити інженерну методику прогнозування виходу придатних труб зі складним комплексом технічних вимог.

Результати дисертаційної роботи використані на ВАТ “ДТЗ” при розширенні сортаменту труб, що виробляються, (довідка від 26.06.2005 р.) та впроваджені в навчальний процес (довідка від 22.12.2005 р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів. Усі принципові теоретичні та експериментальні результати, що біли отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, проведених автором. Особистий внесок здобувача в публікаціях зі співавторами полягає в наступному: [4] – формулювання критерію граничних умов працездатності оправок, розробка основних положень методу розрахунку критичного контактного тиску на носок оправки; [5] – розробка способу урахування кутових перекосів і лінійних зсувів валків при розрахунку стійкості труби в круглому калібрі; [6] – розробка методу прогнозної оцінки виходу придатних труб; [7] – розробка і реалізація математичної моделі та алгоритму розрахунку товщини шару мастила в зоні деформації між поверхнями оправки та труби, що прокатується; [8] – участь у розробці у проведені експериментів, обробка одержаних результатів; [9] – оцінка можливості зниження втрат тепла в технологічній лінії трубопрокатних агрегатів зі станами подовжньої прокатки; [10] – розробка математичної моделі процесу кантування труби перед другим проходом прокатки на короткій оправці, розробка калібровки роликів за формою дуги логарифмічної спіралі.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були доповідані та обговорені на: IV Міжнародній конференції “Прогресивна техніка і технологія – 2003” (Севастополь, 2003), Міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення процесів та устаткування обробки тиском в металургії та машинобудуванні” (Краматорськ, 2004), 7-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (Дніпропетровськ, 2005), на об'єднаному семінарі кафедри ОМТ НМетАУ та прокатних відділів Інституту чорної металургії НАНУ (Дніпропетровськ, 2004, 2005 рр.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 10 статтях у спеціалізованих виданнях і тематичних збірниках.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів і висновків, текст роботи викладений на 141 сторінках, містить: таблиць – 6, рисунків – 63, список використаних джерел з 77 найменувань, додатків – 5.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлено загальну характеристику роботи: обґрунтовано актуальність теми, визначено мету, задачі, об'єкт, предмет та методи досліджень, висвітлено наукову новизну й практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробацію отриманих результатів і структуру дисертації.

ПРОГНОЗУВАННЯ ГРАНИЧНИХ УМОВ
ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ПРОШИВНИХ ОПРАВОК

Одержання із суцільної заготовки порожньої гільзи є першою деформуючою операцією на більшості трубопрокатних агрегатів.

При прошиванні заготовок на косовалкових станах оправка піддається значним механічним і тепловим навантаженням. Найбільшим впливам піддається носок оправки. Тому основною причиною виходу з ладу оправок, особливо, при прошиванні заготовок з легованих і високолегованих сталей, є зміна форми носової частини оправки в зв'язку з її деформуванням. Вивчення зносу оправок дозволяє зробити висновок, що основним механізмом, за яким відбувається зміна форми носка оправки, є пластичний плин її поверхневих шарів, що виникає при досягненні визначеної критичної величини q контактного тиску. Поверхневий пластичний плин відсутній, коли робочий тиск p0 на носок оправки менший за критичний. Таким чином, працездатність оправки зберігається за умови q/р0 > 1. Це і є критерій, за яким визначається можливість ефективного використання оправки при прошивці.

Дослідження впливу технологічних параметрів прошивки та матеріалу заготовки, що деформується, на величину робочого тиску на оправку виконували вчені кафедри ОМТ НМетАУ, Державного трубного інституту (ДТІ), Московського інституту сталі і сплавів (МІСіС) та ін. Було встановлено, що фактори інтенсифікації процесу прошивки, такі, як збільшення кута подачі та обтиснення металу в пережимі валків, зменшення коефіцієнту овалізації калібру та ін. викликають більш інтенсивне (1,25...1,75 разів) збільшення тиску на носок оправки в порівнянні з середніми значеннями тиску на оправку в осьовому напрямку. Вплив матеріалу заготовки визначається величиною напруження плину при температурно-швидкостних умовах деформації. Отже, в технічній літературі є достатньо інформації щодо величини робочого тиску на носок оправки р0. Тому його можливо вважати відомою величиною. Інформація про вплив умов прошивки та властивостей матеріалу оправки на критичний тиск q практично відсутня.

Тому метою цієї частини дослідження було встановлення залежності критичного контактного тиску q від умов прошивання, фізико-механічних і теплотехнічних характеристик матеріалу носка оправки, а також його геометричної форми.

Плин металу в поверхневому приконтактному шарі оправки розглядали в сферичних координатах r, , ?. Матеріал оправки в цьому шарі характеризували змінною величиною напруження плинності:

, | (1)

де с – напруження плинності металу оправки при температурі прошивання;
Rн – радіус торцевої поверхні носка оправки; r – радіальна координата; k – усереднений градієнт поля напруження плинності, що залежить від розподілу температури в поверхневому шарі оправки; ? – час.

Для визначення q використовували метод верхньої оцінки для схеми жорстко-пластичного тіла. Координату граничної поверхні між твердою і пластичною зонами r = використовували як параметр, що варіюється. Компоненти кінематично припустимого поля швидкостей переміщення та деформації визначили шляхом вирішення рівняння нестисливості при спрощувальних припущеннях та граничних умовах. Критичний тиск q одержали із рівняння балансу потужностей внутрішніх та зовнішніх сил. Координата внутрішньої границі пластичного шару r = визначена на основі принципу мінімуму роботи зовнішніх сил dq/d = 0.

Градієнт k(?) визначається на основі розподілу температури в приконтактних шарах носка оправки, що утворюється в наслідок теплової взаємодії носка оправки із зовнішнім середовищем в умовах чередування стадій нагрівання й охолодження протягом циклу прошивання заготовки. Використовуючи відомі рішення задачі теплопровідності в твердих тілах при відповідних граничних умовах, одержали необхідні формули та співвідношення для розрахунку нестаціонарного температурного поля носка оправки t(r, ). В порівнянні з відомими експериментальними даними розбіжність розрахункових значень при температурі вище 800оС не перевищує 3%. Для розрахунку напруження плинності т використовували температурну залежність, рекомендовану О. І. Целіковим: , де M і m – константи, що залежать від природи металу. Усереднений градієнт k(?) визначили за значеннями т у точках на поверхні носка та на відстані 2 мм від поверхні, що для різних сполучень теплотехнічних характеристик матеріалів вносить похибку не більше 8%.

Узагальнені результати теоретичних досліджень критичного контактного тиску представлені на рис. 1. Залежності градієнта k(?) напруження плинності від співвідношення тривалості прошивання та охолодження протягом циклу прошивання показані на рис. 2.

Порівняння величини q з відомим робочим тиском р0 та застосування зазначеного раніше критерію дає можливість визначити, чи забезпечують даний матеріал носка оправки та технологічні параметри прошивки граничні умови працездатності оправки. Якщо з'ясовується, що критерій q/р0 > 1 не задовольняється, необхідно змінювати або матеріал оправки, або технологічні параметри прошивки. Згідно з розробленим алгоритмом розрахунку величини q та визначення граничних умов працездатності оправки, процес ведуть до тих пір, поки не буде досягнуто стан стабілізації величини q, тобто, коли qn = qn–1, де n – номер циклу прошивки. Таким чином, прогнозується можливість прошивки заготовок із нових легованих та високолегованих сталей та сплавів. Розроблений метод прогнозування рекомендовано застосовувати при підготовці дослідних прокаток. Взагалі, для підвищення q необхідно збільшувати с, k, h, зменшувати f та температуру торцевої поверхні носка оправки за рахунок, наприклад, оксидування, металізації та ін.

ДОСЛІДЖЕННЯ УМОВ КАНТУВАННЯ НА РОЛИКОВИХ КАНТУВАЧАХ ТА СКРУЧУВАННЯ ТРУБИ ПРИ ПОДОВЖНІЙ ПРОКАТЦІ

Одержання труб високої точності на короткооправочних станах подовжньої прокатки прямо пов'язано із точним та стабільним кантуванням перед другим проходом. Орієнтація діаметрально розташованих стовщень стінки труби (“лампасів”), сформованих при першому проході, відносно вершини калібру в другому проході визначається двома основними факторами: точністю кантування труби кантувачем та стійкістю труби в тангенціальному напрямку при захопленні і прокатці в круглому калібрі.

З огляду на те, що передня частина труби при прокатці затиснута між оправкою і валками, а задня є вільною, припустили, що обертання її відбувається за рахунок скручування під дією сил у зоні редукування.

На цей час застосовується калібровка кантувальних роликів за формою, що утворюється твірною, близькою до дуги окружності, радіус якої пропорційний радіусу труби. При широкому сортаменті труб така калібровка не забезпечує точного і стабільного кантування. Під час захоплення валками і прокатки недокантованої труби мають місце випадки як докантовки її у вершину калібру, так і звалювання “лампасів” у випуски калібру, що приводить до підвищеної різностінності. Багато дослідників відзначають великий вплив точності установки валків на стійкість процесу прокатки в круглому калібрі.

Відповідно до викладеного, для комплексного аналізу умов, що забезпечують стійку прокатку при другому проході, треба було досліджувати процес кантування, з'ясувати вплив кутових та лінійних зсувів валків відносно одне одного на величину і знак момента обертання при захопленні недокантованої труби, а також визначити умови скручування при її прокатці.

У цій роботі розглядали калібровку роликів, твірну яких виконано у вигляді дуги більш загальної кривої – логарифмічної спіралі r = roe, що забезпечує, незалежно від початкової орієнтації “лампасу”, позитивний обертаючий момент. Тут – параметр логарифмічної спіралі; – полярна координата. При = 0 спіраль перетворюється на окружність радіусом ro.

Розглядаючи кінематичну взаємодію труби та ролика кантувача, одержали співвідношення для визначення координат точок контакту “лампасу” труби з роликом і координат центру перерізу труби відносно вісі прокатки. Умовою здійснення кантування є співвідношення lmin > rт, де lmin – мінімальна відстань від центру перерізу труби до ролика; rт – радіус круглої частини труби. Максимальний кут розташування “лампасу”, при якому він контактує з твірною ролика, лінійно зменшується зі збільшенням параметру від 0,6...0,8 рад при =0 до 0,25...0,30 рад при=0,2.

З рівняння моментів визначили силу взаємодії труби і ролика кантувача, необхідну для подолання опору обертанню труби. Якщо ця сила менше сили, обумовленої характеристикою пневмоприводу повороту вісі ролика, то їх різниця створює кутове прискорення труби. Далі труба гальмується під дією моменту гальмування. Розв'язуючи рівняння руху для стадії прискорення та гальмування, визначили значення кута динамічної докантовки.

Силові умови кантування і зміна кута динамічної докантовки представлені на рис. 3.

Якщо твірну ролика виконано у вигляді дуги окружності ( = 0), то зусилля кантування інтенсивно зростає зі зменшенням 0, і в певній околиці
0 = 0 перевищує Рmax, утворюючи зону, в якій кантування неможливе. Якщо ж твірну виконано у вигляді дуги логарифмічної спіралі, то здатність таких роликів до кантування є максимальною саме в околиці = 0. З цього випливає практична рекомендація: першу пару кантувальних роликів калібрувати по дузі спіралі, другу – по дузі окружності. Таке сполучення дозволяє якнайкраще використовувати обидва типи калібровок. Одержаний висновок був підтверджений практикою застосування нової калібровки в умовах ТПА 140 ВАТ “ДТЗ”. Для зменшення коефіцієнта тертя fт у тангенціальному напрямку швидкості роликів і труби треба забезпечувати відносне ковзання поверхонь металу труби і роликів у осьовому напрямку. Дослідження показали, що неможливо створити єдину універсальну калібровку роликів, що забезпечує кантування на 90 труб досить широкого сортаменту. У загальному випадку труба задається в калібр другого проходу з певною недокантовкою.

При захопленні недокантованої труби валками з круглим калібром виникає крутний момент сил реакції і тертя в точці контакту “лампасу” та поверхні калібру: Мкр=Pb, де – безрозмірний параметр стійкості;
P – сила реакції з боку валків у зоні редукування; b – радіус за “лампасом”. При > 0 має місце тенденція до звалювання, при < 0 – до докантовки.

Відповідно до відомого рішення Данченка В.М., Григоренка В.У. задачі про умови стійкості труби при захопленні для випадку ідеального настроювання валків, переважно, має місце < 0, тобто тенденція до докантовки. Однак, при збільшенні відношення rт/b, де rт – радіус калібра, при другому проході до величин 0,92...0,95, характерних для умов прокатки на короткій оправці, виникає тенденція до звалювання труби у випуски калібру. Саме в цих випадках помітну роль відіграє фактор точності установки валків при прокатці. Для урахування впливу перекосів і зсувів на величину та знак параметра відома методика розрахунку одержала подальший розвиток.

При визначенні параметра стійкості були враховані непаралельність на кут , некомпланарність вісей валків на кут , зсув валків у площині роз'єму калібрів на величину та зсув валків відносно площини, перпендикулярної вісі прокатки, на величину .

Залежність пара-метра стійкості від певних кутових та лінійних зсувів валків відносно одне одного показано на рис. 4.

Для посилення тенденції докантовки “лампасів” труби до вершини калібра необхідно: забезпечити <0, збільшувати овальність калібра першого проходу, зменшити коефіцієнт тертя за рахунок, наприклад, застосовування чавунних валків, валків максимального діаметру, не допускати перекосів та лінійних зсувів валків.

Визначені тенденції до докантовки, або звалювання в випуски калібра реалізуються за рахунок скручування труби. Згідно до відомих експериментальних даних, горизонтальна проекція контактної поверхні при другому проході обмежена кривою, близькою до параболи, причому на початку зони редукування має місце сплющення контуру труби без зміни периметра. Оскільки контактна поверхня має форму, симетричну відносно твірної труби, яка проходить через точку первинного контакту з поверхнею калібра, можна прийняти, що в процесі заповнення калібра металом труби рівнодіюча сил тиску і тертя з боку валка зберігає своє положення у просторі. Тому величина залишається постійною. Припускаючи, що середній тиск у зоні редукування може бути розрахований, наприклад, за формулою Анісіфорова В.П., визначили середній тиск, що діє на кільцевий елемент труби, та середню силу Р, що діє на частину поверхні контакту, обмежену перерізом x, а також тангенціальне ?, радіальне r і дотичне х напруження в цьому перерізі.

Пластичний плин у перерізі труби виникає при виконанні умови Мізеса. Вона дає співвідношення для визначення координати х = хп перерізу, що розділяє зону редукування на ділянки сплющення та зміни периметра труби.

Використовуючи відомі співвідношення теорії пластичного плину, що зв'язують компоненти тензорів напруження та деформації, а також припущення, що деформація на початку зони редукування є плоскою, одержали формули, що визначають деформацію зсуву та кут скручування труби.

Вплив окремих параметрів процесу прокатки на кут скручування при
= const показано на рис. 5. Характер цих кривих обумовлений спільним впливом геометричних параметрів труби на зміну напружень та сил у зоні сплющування труби на вході до зони деформації.

Одержані закономірності стійкості труби в круглому калібрі підтверджені експериментально.

ЗАКОНОМІРНОСТІ НАДХОДЖЕННЯ МАСТИЛА
НА КОНТАКТ ТРУБИ З ОПРАВКОЮ В ЗОНІ ДЕФОРМАЦІЇ

Дослідження закономірностей взаємодії труби та технологічного інструмента при оправочній подовжній прокатці дозволили запропонувати математичний опис умов надходження мастила до зони деформації, знайти рішення окремих відкритих для теорії і практики питань, на їх основі надати фізичне тлумачення та пояснення ефектам, що спостерігаються. Отримано рівняння для розрахунку товщини шару мастила ?обт поміж внутрішньою поверхнею труби, що прокатується, та оправкою на вході в зону обтиснення стінки труби (рис. 6):

, | (2)

де ?о – динамічна в'язкість мастила; – п'єзокоефіцієнт в'язкості; ?т – опір деформації металу, що прокатується. Інші змінні представлені на рис. 6. Індексом “обт” позначений переріз початку обтиснення стінки труби.

У проведеному аналізі враховували стовщення стінки труби на ділянці редукування зони деформації за допомогою формул А. З. Глейберга:

sред = ; sред = sвх + , (3)

де Dред і sред – діаметр і товщина стінки гільзи наприкінці зони редукування; Dзовн – зовнішній діаметр гільзи. Dред = Dопр + 2sред, де Dопр – діаметр оправки. У нульовому наближенні ? Dопр + 2sвх.

Уточнені вирази для кута початку обтиснення стінки труби ?обж та довжини lобт цієї зони (див. рис. 6) мають вигляд:

lобт = ; ?обт = . | (4)

При визначенні ?обт використовували значення ?обт відповідно до останнього виразу, а замість sвх значення sред. Загальні закономірності впливу параметрів процесів безперервної прокатки на величину ?обт показані на рис. 7. Для знаходження вигляду розподілів і визначення залежностей товщини шару мастила поміж внутрішньою поверхнею труби, що прокатується, і оправкою у функції середніх значень і ступеня розкиду випадкових значень величин вхідних перемінних , ?о, ѕвх, ѕвих, Dопр, Dзовн використовували метод статистичних досліджень (метод Монте-Карло).

Загальна закономірність полягає в тому, що при варіюванні вхідних перемінних у реальних діапазонах середнє значення величини ?обт змінюється в межах не більших 1%. У той же час середнє квадратичне відхилення ?(?обт) помітно реагує на межі варіювання кожної окремої змінної. Найбільший вплив на дисперсію величини ?обт у розглянутих умовах має нестабільність вхідної товщини стінки труби (гільзи) sвх.

Схема зони деформації при прокатці труб на короткій нерухомій оправці представлена на рис. 8. Мастило в зазорі поміж внутрішньою поверхнею труби та оправкою на схемі не показано. Оскільки оправка є нерухомою, в першому рівнянні приймали Vопр = 0.

В залежності від обраної настройки стану положення оправки може бути зміщене вперед чи назад відносно напрямку прокатки (вісі ОХ) на величину ?х. Визначили геометричні параметри зони деформації:

lобт = ; | (5)

?обт = ; ?обт = ; | (6)

Dопр = Dкопр – 2tg?к.. | (7)

Тут Dопр – діаметр оправки в перерізі початку обтиснення стінки;
Dкопр – діаметр каліброваної ділянки оправки; Dред = Dопр + 2sред. Рівняння враховують кут конусності оправки ?к та зсув оправки вперед на величину ?х при розрахунку ?обт, lобт, Dопр, Dред, sред, а далі ?обт, величина якої розраховується за формулою:

. | (8)

Знак “плюс” перед ?к приймається у випадку, коли діаметр оправки збільшується в напрямку прокатки; знак “мінус” – у випадку, коли діаметр заднього кінця оправки більший, ніж переднього. При прокатці труб на циліндричній оправці ?к = 0.

В алгоритмі рішення розглянутої задачі для спрощення викладень використовували метод послідовних наближень. Після знаходження величини sред розраховували lобт і ?обт, а потім за рівнянням, записаним із урахуванням знака плюс перед ?к, обчислювали величину ?обт.

Середнє значення товщини мастильної плівки в зоні деформації
?сер = ?обт, за умови = = Vопр; ?сер = ?обт при = Vопр; ?сер = ?обт при Vопр = 0, де ? – коефіцієнт витяжки труби в кліті безперервного стана.

Значення ?сер використовували для розрахунку коефіцієнта тертя в зоні деформації при безперервній прокатці труб.

Товщина шару мастила в перерізі входу до зони обтиснення стінки труби ?обт при прокатці на короткій нерухомій оправці за інших рівних умов залежить насамперед від кута конусності ?к оправки та її положення відносно вісі, що з'єднує центри обертання валків. Зі зростанням конусності оправки (кута ?к) до зони деформації втягується менша кількість мастила, товщина шару мастила ?обт зменшується. При збільшенні зсуву ?х оправки в напрямку входу до зони деформації кут ?обт відповідно до його виразу також збільшується, а це веде до зменшення товщини шару мастила в зоні деформації (рис. 9).

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ.

ВИЗНАЧЕННЯ ЙМОВІРНОСТІ ВИХОДУ ПРИДАТНОГО
ПРИ ВИРОБНИЦТВІ ТРУБ ЗІ СКЛАДНИМИ
ТЕХНІЧНИМИ ВИМОГАМИ

Освоєння виробництва тонкостінних гарячекатаних труб на агрегатах зі станами подовжньої прокатки в ряді випадків вадить низька температура кінця прокатки. Включення до складу ТПА підігрівальної печі вимагає додаткової енергії. Тому в роботі розглянуто комплекс заходів щодо збереження тепла за рахунок зменшення терміну перебування труби на прокатному полі та швидкості охолодження труби шляхом застосування тепловідбиваючих поверхонь. Запропоновані заходи щодо збільшення швидкості переміщення труби по рольгангу та гратам дають можливість зменшити термін обробки тонкостінних труб на ТПА 140 ОАО “ДТЗ” на 20...25%. Отримані результати розрахунків радіаційного теплообміну в різних точках прокатного поля показали можливість помітного (на 1,0...2,5оС/с) зниження швидкості охолодження труби. Реалізація зазначених шляхів зниження енерговитрат дає можливість підвищення температури кінця прокатки на величину до 100оС, що еквівалентно установці індукційних підігрівачів потужністю 1,5...2,0 МВт.

Освоєння виробництва труб за новими стандартами, які містять спеціальні технічні вимоги, потребує прогнозування виходу придатного.

Відповідно до нашої пропозиції цей прогноз базується на результатах статистичної обробки вимірів зовнішнього діаметра і товщини стінки труб загального призначення, щільність розподілу ймовірності яких підлягає, як відомо, нормальному закону.

Ймовірність того, що контрольована величина не виходить за рамки обмежень, запропонованих нормативно-технічною документацією, наближено визначається за допомогою інтегральної функції нормального закону розподілу ймовірностей.

Якщо вимірити контрольовану величину Y не є можливим, її необхідно виразити через вимірювані величини X1, X2, …, Xn у вигляді функції Y=f(X1, X2, …, Xn), що використовується для визначення математичного очікування. Для знаходження середнього квадратичного відхилення використовували формулу теорії ймовірностей для майже лінійної функції декількох випадкових аргументів.

За цими формулами визначали ймовірності виходу придатного труб за всіма регламентованими характеристиками. Сумарний вихід придатного труб визначали як добуток цих ймовірностей.

Цю методику було використано на ВАТ “ДТЗ” при освоєнні виробництва труб нафтового сортаменту.

ВИСНОВКИ

У дисертації приведені теоретичні узагальнення і нові рішення науково-технічної задачі, що виявляються у визначенні закономірностей взаємодії металу, що деформується, з технологічним інструментом при виробництві гарячекатаних труб на агрегатах зі станами подовжньої оправочної прокатки та підвищенні ефективності технології за рахунок розширення сортаменту, підвищення точності труб, зменшення енергетичних і матеріальних витрат.

1. Аналіз літературних джерел показав, що дослідження, спрямовані на визначення закономірностей взаємодії металу, що деформується, з технологічним інструментом та виробництві труб на агрегатах зі станами подовжньої прокатки та підвищення на цій основі ефективності технології за рахунок розширення сортаменту, підвищення точності труб, зменшення енергетичних і матеріальних затрат, є актуальними.

2. Вперше отримані закономірності впливу факторів прошивки на критичний тиск металу на носок оправки, що ініціює пластичний плин поверхневих шарів носка оправки і втрату його форми.

Розроблений критерій дозволяє визначати граничні умови, при яких відбувається втрата форми носка оправки, що є основною причиною закінчення терміну її служби, а також прогнозувати можливість одержання гільз із нових сталей і сплавів.

3. Одержало подальший розвиток визначення закономірностей силової і кінематичної взаємодії труби і роликів фрикційного кантувача з урахуванням їх калібровки.

Це дозволило поліпшити кантовку труб при задачі їх при другому проході прокатки, оптимізувати калібровку роликів кантувача та його конструктивні параметри, що важливо при розширенні розмірного ряду за діаметром труб, що прокатуються. Впровадження нової калібровки дозволило зменшити кількість труб, забракованих по товщині стінки в 1,5...1,8 рази, а кінцеву обрізь – на 2...2,5%.

4. Одержав подальший розвиток метод аналізу умов тангенціальної стійкості недокантованої труби при захопленні валками і прокатці на оправці в круглому калібрі з урахуванням впливу неточностей установки валків, кутових і лінійних зсувів їх одне відносно одного. Виконано аналіз процесу скручування труби у зоні деформації.

Використання удосконаленого методу розрахунку в комплексі з впровадженням нової калібровки роликів кантувача дозволяє визначати умови, при яких підсилюється тенденція докантовки, що забезпечує зниження різностінності труб. Статистичний аналіз обмірів товщини стінки труб показав зменшення величини середнього квадратичного відхилення на 8...10%.

5. Одержав подальший розвиток метод визначення закономірностей, що описує надходження технологічного мастила у зону деформації між внутрішньою поверхнею труби і оправкою з урахуванням впливу зміни товщини стінки при прокатці труби в зоні редукування, а також розкиду величин вхідних факторів.

Отримані рішення дозволяють підвищити точність визначення товщини шару мастила на контакті труби з оправкою на 15...20%.

6. Обґрунтовано шляхи зниження енерговитрат при виробництві гарячекатаних труб. Показано, що при короткооправочній прокатці, особливо, при каскадному розташуванні устаткування за рахунок застосування комплексу заходів для скорочення терміну перебування труби на прокатному полі і зменшення витрат тепла за рахунок використання тепловідбиваючих поверхонь можливе підвищення температури кінця прокатки тонкостінних труб до 100оС.

7. Розроблено методику визначення прогнозної оцінки ймовірності виходу придатного при виробництві труб на основі статистичних даних про якість труб загального призначення.

8. Результати роботи використані на ВАТ “ДТЗ” при розробці технології виробництва нових видів труб (акт від 26.06.2005 р.) та на кафедрі ОМТ НМетАУ при виконанні студентами дипломних проектів та магістерських робіт (довідка від 22.12.2005 р.).

Основний зміст дисертації опублікований у роботах:

1. Мазур С. В. Проблемы повышения надежности технологических процессов производства и качества труб // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. № 2. – С. 33-36.

2. Мазур С. В. Постановка задачи и закономерности течения смазки в очаге деформации при прокатке труб // В сб. Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 8. Пластична деформація металів. – Дніпропетровськ: “Системні технології”. – 2005. – С. 447-452.

3. Мазур С. В. Закономерности поступления смазки в очаг деформации при прокатке труб // Металлургическая и горнорудная промышленность. –
2005. – № 4. – С. 59-65.

4. Касьян В. Х., Мазур С. В. Влияние температурно-силовых условий деформации на стойкость прошивных оправок // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2003. № 2. – С. 57-61.

5. Мазур С. В., Касьян В. Х., Дрожжа П. В. Влияние неточности установки валков в клети на устойчивость при продольной прокатке труб // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні: Тематич. сб. наук. пр. – ДДМА, Краматорськ, 2004. – С. 562-566.

6. Касьян В. Х., Мазур С. В. Прогнозирование выхода годного при производстве труб нефтяного сортамента // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2003. № 4. – С. 58-61.

7. Влияние условий трения на оправке на энергосиловые параметры непрерывной прокатки труб / В. Н. Данченко, П. В. Дрожжа, С. В. Мазур,
С. А. Гордиенко // Технологические системы. Серия “Научные разработки и результаты исследований”, вып. 1. – 2002. – № 2 (13). – С. 36-40.

8. Данченко В. Н., Дрожжа П. В., Мазур С. В. Горячая непрерывная прокатка труб на длинной оправке с применением солевой смазки // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2002. № 8-9. – С. 433-437.

9. Касьян В. Х., Мазур С. В. Пути снижения энергозатрат при производстве горячекатаных труб // Вестник Национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”. – Машиностроение,
2003. – № 44 – С. 75-77.

10. Условия кантовки труб на роликовых кантователях и скручивание труб при продольной прокатке / В. Н. Данченко, П. В. Дрожжа, С. В. Мазур,
В. Х. Касьян // В сб. Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 7. Дніпропетровськ: “Системні технології”. – 2004. – С. 107-117.

АНОТАЦІЯ

Мазур С.В. Закономірності взаємодії металу, що деформується, з технологічним інструментом та підвищення ефективності виробництва труб на агрегатах зі станами подовжньої оправочної прокатки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2005.

У дисертації одержало розвиток рішення науково-технічної задачі, пов'язаної з визначенням закономірностей взаємодії металу, що деформується, з технологічним інструментом: оправками (прошивною, короткою та довгою для подовжньої прокатки), круглими калібрами валків, роликами кантувача. На цій основі отримані залежності для розрахунку критичного тиску, що ініціює пластичний плин приконтактних шарів носка оправки, розроблено критерій, що визначає граничні умови працездатності оправки. Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості прогнозування працездатності без проведення дослідних прокаток, що є важливим при освоєнні виробництва труб з нових конструкційних та важкодеформівних сталей.

Проведено аналіз кінематичної і силової взаємодії труби з роликами кантувача, умов тангенціальної стійкості недокантованої труби при захоплені та прокатці в круглому калібрі з урахуванням кутових та лінійних зсувів валків відносно одне одного, процесу скручування труби при прокатці.

Розроблено алгоритм розрахунку товщини