Національна Металургійна Академія України

ПАНЮШКІН Микола Євгенович

УДК 621.774

Розвиток методів розрахунку деформаційно-швидкісних режимів гарячого редукування з натяжінням труб підвищеної точності

Спеціальність 05.03.05

"Процеси та машини обробки тиском"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

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

Офіційні опоненти:

–

–

Захист відбудеться "18" грудня 2007 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4

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

Автореферат розісланий "16" листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

А.М. Должанський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки в машинобудуванні істотно зросло споживання гарячодеформованих труб з низьковуглецевих та легованих марок сталей, у тому числі токостінних. Такі труби також використовуються як заготовка для наступної холодної прокатки і їх точність впливає на якість готової продукції відповідального призначення. Одним з наукових напрямів розвитку виробництва труб є розробка та освоєння технології гарячої прокатки тонкостінних труб підвищеної точності.

Відтепер реконструкція діючих редукційних станів створюється з метою зменшення поперечної та подовжньої різностінності та зменшення кінцевої обрізі редукованих труб, підвищення точності прокату, розширення сортаменту труб, що виробляються.

Однак підвищення часткових обтисків по діаметру в клітях безоправочного стану призводить до збільшення наведеної при прокатці поперечної різностінності, підвищення ймовірності втрати стійкості периметру труби, створення дефектів на поверхні труб. Ці проблеми пов'язані у тому числі з розвитком нерівномірності деформації металу, що найбільша в двовалкових клітях, та з недосконалістю методів розрахунку деформаційно-швидкісних режимів прокатки в безперервних безоправочних станах.

Таким чином робота, що направлена на розвиток методів розрахунку деформаційно-швидкісних режимів прокатки, розробку технології безперервної гарячої безоправочної прокатки труб підвищеної точності, розробку нових технологічних схем редукційних станів зі значною кількістю робочих клітей, швидкість прокатки в яких сягає до 12-18 м/с, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язана з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України. Дослідження виконані в рамках програм та відповідної тематики держбюджету та держдоговірних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ, ДР № 0107U002849, ДР № 0106U002225,
ДР № 0103U003217.

Автор був виконавцем цих робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є виявлення закономірностей формозміни металу при гарячому редукуванні з натяжінням від параметрів прокатки труб та розвиток на основі отриманих даних методів розрахунку деформаційно-швидкісних режимів, а також розробка технології виробництва труб підвищеної точності з низьковуглецевих та легованих марок сталей.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі.

1. Розробити на базі методу МКЕ модель формозміни труби при прокатці з натяжінням в калібрі без оправки та виконати комп'ютерний аналіз утворення поперечної різностінності труб з урахуванням нерівномірності розподілу температури деформацій та напружень.

2. Удосконалити метод розрахунку катаючих радіусів валків у редукційно-розтяжних станах з 2...4-х валковими клітями.

3. Розробити метод та створити програму розрахунку швідкістних параметрів редукційних станів з різним типом приводу валків.

4. Розробити та впровадити у виробництво конструкцію клітей безоправочної прокатки з 4-х валковими калібрами та ефективну технологію виробництва труб підвищеної точності.

5. Розробити нову схему багатоклітьового редукційно-розтяжного стану для гарячої прокатки труб підвищеної точності.

6. Розробити метод, алгоритм та програму розрахунку деформаційно-швидкісних режимів прокатки труб з натяжінням та створити технологічний проект 30-ти клітьового двосекційного (групового) стану.

7. Впровадити розробки у виробництво та у навчальний процес.

Об'єкт дослідження. Технологія виробництва труб підвищеної точності на багатоклітьових редукційно-розтяжних станах гарячої безперервної прокатки.

Предмет дослідження. Закономірності, що впливають на нерівномірність розподілу при деформації температури та напружень в трубі та виявляють механізми створення поперечної різностінності труб при безперервній безоправочній прокатці.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних положеннях теорії обробки металів тиском, теорії прокатки і теплообміну, а також методі кінцевих елементів.

Натурні експерименти проводилися у промислових умовах з використанням вимірювальної техніки, яка передбачена технологією.

Наукову новизну мають такі найбільш вагомі результати роботи:

1. Отримали подальший розвиток результати теоретичних досліджень параметрів формозміни металу, розподілу температури, деформацій і напружень в залежності від форми калібру та обтиску труби по діаметру в клітях редукційно-розтяжного стану.

Розробка відрізняється використанням методу кінцевих елементів, що дає можливість виявити комплексний вплив факторів. Розробка дає можливість визначити також поперечну різностінність труб при прокатці в калібрах.

2. Отримало подальший розвиток теоретичне визначення катаючого радіусу валків у калібрах з різною кількістю приводних і неприводних валків.

Розробка відрізняється урахуванням фактичної форми, розмірів калібрів та дозволяє підвищити точність визначення катаючого радіусу валків при прокатці з натяжінням до 4...16% в залежності від кількості валків, що утворюють калібр, та обтиску труби по діаметру.

3. Отримав подальший розвиток метод розрахунку швидкісного режиму прокатки труб у редукційно-розтяжних станах.

Розробка відрізняється урахуванням форми і розмірів калібрів, уточненого катаючого радіуса, розподілу натяжіння по клітях та часткових обтисків труби по діаметру при гарячому редукуванні.

Розробка дозволяє підвищити точність визначення параметрів деформаційно-швидкісного режиму прокатки і отримати задану товщину стінки готових труб.

4. Отримав подальший розвиток метод розрахунку деформаційного режиму при гарячому редукуванні в клітях з чотирьохвалковими калібрами.

Розробка відрізняється врахуванням впливу форми і розмірів неприводних валків на формозміну металу при прокатці з натяжінням. Це дозволяє проводити модернізацію існуючих станів з двовалковими клітями для розширення сортаменту та підвищення точності готових труб.

5. Одержали подальший розвиток результати експериментальних досліджень формозміни при редукуванні труб з натяжінням.

Вони відрізняються тим, що одержані для умов гарячої прокатки труб зі сталей 10, 20 та 12Х1МФ в чотирьохвалкових калібрах з двома неприводними валками. Це дозволило розширити уяву про вплив калібровки на технологічні параметри редукування і вдосконалити технологію виробництва труб.

Практична цінність отриманих результатів. Практичне значення дисертаційної роботи полягає у тому, що результати теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють: –

розробити метод і програму розрахунку параметрів деформаційно-швидкісного режиму безперервної гарячої прокатки труб у редукційно-розтяжних станах з різним типом приводу;–

розробити конструкцію кліті з 4-х валковим калібром, створеним ручаями двох приводних і двох неприводних валків, де ширина та діаметр неприводних валків менша за ширину та діаметр приводних;–

розробити технологію прокатки труб с підвищеною точністю і підвищеним сумарним обтиском труби по діаметру в редукційному стані з 4-х валковими калібрами;–

розробити технологічну схему нового 30-ти клітьового редукційного стану з двома групами (секціями) клітей, в якому друга група тривалкових клітей повернута калібрами до першої на 30.

Результати роботи використані при удосконаленні технології виробництва труб на ТПА 140 ЗАТ НЗСТ "ЮТіСТ", де прокатка труб 60,35,50...8,0 мм за вимогами ГОСТ 8732-76 із трубної заготовки 100 мм здійснюється за запропонованою у роботі технологічною схемою, і розрахунок технологічних параметрів редукування цих труб ведеться за розробленими методиками (акт впровадження від 05.09.2007 р.).

Результати роботи також використані при реконструкції ТПА 80 ВАТ "ДТЗ" (звіт з науково-дослідної роботи ДР № 0107U002849).

Розробки, що були запропоновані в дисертації, використовуються в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при виконанні студентами дипломних проектів і випускних магістерських робіт (довідка від 10.09.2007 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі принципові теоретичні та експериментальні результати, що були отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, проведених автором. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Особистий внесок здобувача в публікаціях зі співавторами полягає в наступному: [1] – аналіз вітчизняних і зарубіжних літературних джерел та вибір раціонального шляху збільшення деформаційних можливостей калібрувального стану, розрахунок калібрування інструмента й швидкісних режимів прокатки; [2] – підготовка вихідних даних для моделювання, тестування математичної моделі і перевірка адекватності її роботи, дослідження параметрів формозміни, розподілу температури і напружень в трубі в залежності від зміни тертя, форми калібру та обтиску труби по діаметру; [3] – підготовка вихідних даних для моделювання, тестування математичної моделі і перевірка адекватності її роботи, дослідження параметрів формозміни, розподілу температури і напружень в трубі в залежності від зміни величини переднього та заднього натяжіння; [4] – аналіз впливу типу привода валків клітей стану, кількості валків та обтиску в кліті на величину виникаючої погрішності в розрахунку швидкісних режимів редукування по існуючим методикам і з урахуванням форми калібру; аналіз впливу форми і розмірів неприводних валків на формозміну металу при прокатці з натяжінням.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на: ІІІ Міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія - 2005" (Севастополь, 2005); Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні" (Краматорськ, 2006); IV Міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія - 2006" (Севастополь, 2006) та на об`єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ і прокатних відділів ІЧМ НАНУ (Дніпропетровськ, 2005, 2006, 2007 р.р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 4 статтях у спеціалізованих виданнях і тематичних збірниках.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків, викладена на 144 сторінках; містить: таблиць – 23, рисунків – 63, список використаних джерел з 73 найменувань, додатків – 3.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлена загальна характеристика роботи і обґрунтовано актуальність теми, визначені мета, задачі, об'єкт, предмет і методи досліджень, висвітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробація отриманих результатів.

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ДЕФОРМАЦІЇ ТРУБ
ПРИ РЕДУКУВАННІ

Процес редукування труб характеризується складною тривимірною формозміною заготовки в калібрах. При цьому зменшення діаметру супроводжується виникненням різностінності труби по її периметру. Рішення задачі розрахунку тривимірної формозміни труби в калібрі в процесі редукування дозволить проектувати нові режими і схеми редукування, виходячи з досягнення найменшої різностінності. Така постанова задачі вимагає, проте, рішення тривимірної краєвої задачі, що зумовлює вибір методу кінцевих елементів (МКЕ) як найбільш відповідного для цієї мети. Процес редукування має ряд особливостей, що ускладнюють застосування МКЕ. Перш за все, це наявність в сортаменті тонкостінних труб. Це робить задачу чисельно нестійкою до погрішності задання граничних і початкових умов, вимагає оптимізації сітки кінцевих елементів. Інша особливість пов'язана з великою площею вільних (внутрішніх) поверхонь, що збільшує кількість мір свободи завдання і погрішність розрахунку. Все це ускладнює комп'ютерний аналіз процесу.

Математична модель процесу виникнення різностінності труб при прокатці в калібрах заснована на формозміні металу при прокатці в калібрах і відповідному програмному забезпеченні.

Модель заснована на варіаційному принципі Маркова, функціонал якого був сформульований таким чином:

(1)

де , , р – номер поточної ітерації; v – повна швидкість ковзання металу по поверхні інструменту; vn – нормальна швидкість руху металу; wn – нормальна швидкість руху інструменту; – напруження тертя;
– напруження текучості як функція параметрів металу, що деформується, в даній точці; – середнє напруження; – інтенсивність швидкості деформації; 0 – швидкість деформації всестороннього стиснення; K – штрафний множник на швидкість ковзання металу по інструменту (уточнюється методом ітерацій); Kn – штрафний множник на проникнення металу в інструмент; – умовна в'язкість металу, уточнюється по методу гідродинамічних наближень; – напруження натяжіння або підпору при прокатці; Fn – площа поперечного перетину кінця труби, до якого прикладено натяжіння або підпір.

Для врахування теплових процесів в металі використовувалося диференційне рівняння теплопровідності:

, (2)

де (t) щільність металу; t – температура; час; k(t) – коефіцієнт тепло-провідності; grad(t) приведена теплоємність (з урахуванням тепла алотропного перетворення); qdef – потужність пластичної деформації на одиницю об'єму:

. (3)

Граничні умови задавалися відповідно до закону конвективного теплообміну (граничні умови третього роду):

, (4)

де qconv – теплова енергія, що передається через одиницю поверхні за одиницю часу; – коефіцієнт теплопередачі; t – температура навколишнього середовища (у разі контакту металу з інструментом – температура поверхні валка).

Моделювання процесу редукування здійснювалося для ј об'єму заготовки, враховуючи симетрію цього процесу.

Тестування моделі проводилося за допомогою порівняння результатів моделювання процесу безоправочної прокатки з опублікованими раніше в НМетАУ експериментальними даними.

Порівняння величини різностінності по периметру труби з експериментальними даними дає задовільні результати, особливо при прокатці з натяжінням.

МЕТОД РОЗРАХУНКУ

ДЕФОРМАЦІЙНО-ШВИДКІСНИХ РЕЖИМІВ

РЕДУКУВАННЯ ТРУБ З НАТЯЖІННЯМ

Розрахунок деформаційно-швидкісного режиму включає розподіл по клітях стану деформацій по діаметру, необхідної величини коефіцієнта пластичного натяжіння по стану Zобщ, розрахунок коефіцієнтів витяжок, що катають діаметрів валків і частоти обертання двигунів головного приводу з урахуванням особливостей його конструкції.

Точність розрахунку необхідного коефіцієнта пластичного натяжіння по стану Zобщ визначає одержання заданої товщини стінки труб.

Для перших клітей стана, включаючи першу кліть, що катає, і для останніх, розміщених після останньої кліті, що катає, коефіцієнти пластичного натяжіння в них Zср.i менше необхідного Zобщ. Через такий розподіл коефіцієнтів пластичного натяжіння по всіх клітях стану розрахункова товщина стінки на виході з нього більше, ніж необхідна по маршруту редукування. Щоб компенсувати недостатню тягнучу здатність валків клітей, розташованих до першої й після останньої клітей, що катають, треба за допомогою ітераційного обчислення знайти таку величину Zобщ, щоб розрахункова й задана товщина стінки на виході зі стана були однаковими. Чим більше величина необхідного загального коефіцієнта пластичного натяжіння по стану Zобщ, тим більше помилка в його визначенні без ітераційного обчислення.

Після того, як ітераційним обчисленням розраховані коефіцієнти переднього й заднього пластичного натяжіння, товщини стінки труби на вході й виході осередків деформації по клітях редукційного стана, остаточно визначаємо положення першої і останньої клітей, що катають.

Звичайно катаючий діаметр визначають через центральний кут к.п. між вертикальною віссю симетрії ручаю валка й лінією, проведеною із центра калібру, що збігається з віссю прокатки у крапку на поверхні ручаю калібру, де на його поверхні перебуває нейтральна лінія осередку деформації, умовно розташована паралельно вісі прокатки. Величина кута к.п., насамперед, залежить від величини коефіцієнта заднього Zзад. і переднього Zпер. натяжіння, а також коефіцієнта
витяжки .

Визначення катаючого діаметра по величині кута к.п. звичайно виконують для калібру, що має форму кола із центром на вісі прокатки й діаметром, рівним середньому діаметру калібру Dср.

Найбільші погрішності при визначенні величини катаючого діаметра без урахування фактичних геометричних розмірів калібру будуть для випадку, коли умови прокатки визначають його положення або біля дна, або біля реборди калібру. Чим більше реальна форма калібру буде відрізнятися від прийнятого в розрахунках кола, тим значніше буде ця погрішність.

Максимально можливий діапазон зміни фактичної величини діаметра, що катає, калібру являє собою вріз ручаю валка. Чим більша кількість валків утворює калібр, тим буде більша відносна погрішність визначення катаючого діаметра без урахування фактичних геометричних розмірів калібру.

Зі збільшенням часткового обтиснення діаметра труби в калібрі зростає відмінність його форми від круглої. Так при збільшенні обтиснення діаметра труби від 1 до 10% відносна погрішність у визначенні величини катаючого діаметра без урахування фактичних геометричних розмірів калібру збільшується від 0,7 до 6,3% для двовалкової, 7,1% – для тривалкової і 7,4% – для чотирьохвалкової „катаючої” кліті коли по кінематичних умовах прокатки катаючий діаметр розташований по дну калібру.

Одночасне збільшення однакового переднього й заднього натяжіння, прикладеного до труби на виході й вході осередку деформації ( ), приводить до зсуву положення катаючого діаметра убік дна калібру, як показано на прикладі тривалкової кліті, і характерно для клітей середньої обтискної групи стана.

Тому розрахунок катаючого діаметра валків редукційного стана варто виконувати по формулах, що обов'язково враховують фактичні геометричні розміри калібру:

, (5)

де – ідеальний діаметр валка; – частина висоти калібру в площині розміщення діаметра, що катає.

Величину визначають:

, (6)

де – ексцентриситет калібру; – радіус калібру; – кут положення катаючого радіуса.

На заключній стадії розрахунку деформаційно-швидкісного режиму редукування визначають частоту обертання двигунів головного привода валків клітей стана по кінематичних параметрах редуктора.

Диференційно-груповий і диференційно-секційний типи привода валків клітей редукційного стана припускають наявність на його вході "гальмової" групи клітей. Призначення "гальмової" групи, яка складається з першої й другої клітей редукційного стана – забезпечити мінімальний рівень величини коефіцієнта пластичного натяжіння в середній обтискній групі клітей .

Для виконання "гальмової" функції валками цих клітей обертання їм передають груповим приводом головної лінії диференційного привода, а передатні відносини його обрані так, щоб труба в ручаях валків першої й другої клітей проволочувалася валками інших клітей стана. Величину мінімального , з яким можна вести прокатку в середній обтискній групі клітей стана з таким типом привода, можна "регулювати", змінюючи обтиснення діаметра труби при прокатці в першій і другий "гальмових" клітях стана, вносячи відповідні зміни в калібровку його валків.

Друга особливість цих типів привода (особливо диференційно-групового) припускає, що третя по ходу прокатки кліть редукційного стана повинна бути завжди першою „катаючою” кліттю. Тому, максимальна величина коефіцієнта пластичного натяжіння в середній обтискній групі клітей стана не може перевищувати максимального переднього натяжіння, що розвивається третьою кліттю стана із прикладеним до неї з боку "гальмової" групи клітей заднім натяжінням . При фіксованій величині мінімального коефіцієнта пластичного натяжіння в середній обтискній групі клітей максимальну його величину можна "регулювати", змінюючи обтиснення діаметра труби в осередку деформації третьої кліті й вносячи відповідні зміни в калібровку валків стана.

Таким чином, у випадку привода валків редукційного стана диференційно-груповим або диференційно-секційним редуктором, при розробці деформаційно-швидкісного режиму редукування варто так коригувати величину (при незмінних , і ), щоб необхідна величина загального по стану коефіцієнта пластичного натяжіння (після виконання ітераційної фази розрахунку) була:

, (7)

а перша "катаюча" кліть була завжди третьою кліттю стану по ходу прокатки ().

При цьому обов'язково виконувати перевірку працездатності "гальмових" перших двох клітей стана з умови проволочення труби:

, . (8)

ТЕХНОЛОГІЯ РЕДУКУВАННЯ ТРУБ З ПІДВИЩЕНИМИ ЧАСТКОВИМИ ДЕФОРМАЦІЯМИ ДІАМЕТРА В ЧОТИРЬОХВАЛКОВИХ КЛІТЯХ

Для розширення сортаменту труб убік зменшення їхнього діаметра, як правило, здійснюють реконструкцію редукційного стана з додаванням до складу діючого стана відповідної кількості однотипних клітей із приводом.

Однак, у тому випадку, якщо частина таких труб у сортаменті агрегату невелика, варто шукати інші технічні можливості збільшення обтиснення діаметра з меншими витратами, наприклад, збільшивши часткові обтиснення по клітях стана. Збільшення часткових обтиснень стримується двома основними факторами - втратою стійкості поперечного переріза труби з утворенням ужимів і складок, а також збільшенням поперечної різностінності, що наводиться у процесі редукування. Ці два завдання з успіхом вирішують сучасні чотирьохвалкові кліті, але вимагають заміни існуючого обладнання.

Розроблено пристрій для модернізації клітей, валки яких установлені у вікнах станини на подушках, що не виключає експлуатацію модернізованих клітей за звичайною технологією.

Модернізація виконана для клітей 10-ти клітьового стана безоправочної прокатки ТПА 140 ЗАТ НЗСТ "ЮТіСТ" на базі його валкових вузлів з подушками.

У розробленій конструкції безстанинної кліті між подушками приводних валків розміщують касету із двома неприводними валками, ручаї яких охоплюють периметр труби, що відповідає куту 60 кожний. Таким чином калібр розробленої безстанинної кліті утворений двома приводними й двома неприводними валками.

Особливість цього калібру в порівнянні з відомим чотирьохвалковим калібром з усіма приводними валками полягає ще й у тому, що ширина й діаметр валків, ручаї яких його утворюють, неоднакові.

Тому його геометричні розміри не можна визначати по формулах для відомого чотирьохвалкового калібру.

Для розробленого чотирьохвалкового калібру створений метод розрахунку його геометричних розмірів, що зв'язує обтиснення mi діаметра труби в такому калібрі з його овалізацією i і параметром Еi, що відбиває відношення середнього Di діаметра й ширини bi калібру по розніманню приводних і неприводних валків.

Виконано порівняльний аналіз умов розширення металу у випусках двовалкового й розробленого чотирьохвалкового калібру в широкому діапазоні величини частинного обтиснення діаметра, результати якого представлені у вигляді номограм для визначення коефіцієнта овалізації та параметра

Після визначення по номограмах для відомих параметрів і коефіцієнтів і , розраховують величину половини ширини й висоти розробленого чотирьохвалкового калібру по формулах: ; , а величину половини відстані по дну калібру неприводних валків приймаємо .

Величини ексцентриситету та радіуса приводних валків находимо по формулах:

; (9)

, (10)

а для неприводних валків, відповідно:

; (11)

. (12)

Дослідження формозміни й точності труб, що прокатують, зі збільшеними частковими обтисненнями діаметра в безстанинних чотирьохвалкових клітях виконали в умовах 10-ти клітьового стана з індивідуальним приводом валків ТПА-140 ЗАТ НЗСТ "ЮТіСТ".

Прокатували труби 60,3 мм з товщиною стінки 5,54 мм зі сталі 20 із заготівки 100 мм довжиною 1,4...1,8 м. При розробці калібровка валків чотирьохвалкових клітей часткові деформації в їхній обтискній групі установили 8,5%, у предчистових 5,0% і 3,5%. Сумарна деформація труби в 10-ти клітьовому безоправочному стані більше 40%, що в 1,7 рази більше, ніж раніше застосовувалась.

Калібровка валків і швидкісні режими редукування розробили із застосуванням методів і програм, отриманих у ході виконання дисертаційної роботи.

Ужими та складки на готових трубах були відсутні (D/S = 18...20;
mi = 3,5…8,5%) навіть при mi = 11% і D/S > 25. Поперечна різностінність, що наводиться на трубах у чотирьохвалкових калібрах, порівняна з її величиною для двовалкових клітей, що працюють при менших величинах обтиснення діаметра. При прокатці з натяжінням збільшення вихідної поперечної різностінності менше, ніж при вільній прокатці.

Дослідження точності готових труб 60,35,54 мм, прокатаних з натяжінням, показало, що середня товщина стінки на передньому торці склала 5,6 мм при різностінності 16,64% і 5,42 мм при різностінності 14,41% на задньому торці. Довжина переднього стовщеного кінця труб склала 600 мм, заднього 800 мм.

РЕКОНСТРУКЦІЯ РЕДУКЦІЙНОГО СТАНА ТПА 80 ВАТ "ДТЗ"

ТПА 80 ВАТ "ДТЗ" являє собою агрегат з безперервним длиннооправочним станом, який виробляв "чорнові" труби одного зовнішнього діаметра 83 мм і товщиною стінки від 3 до 8 мм із вуглецевих та низьколегованих марок сталей.

Ці труби редукували в 15-ти клітьовому редукційному стані з диференційно-секційним приводом у готові труби діаметром 57...76 мм і товщиною стінки
3,5...8 мм.

Тому що найбільша сумарна деформація діаметра "чорнових" труб не перевищувала 31%, а мінімальна товщина стінки становила 3 мм, прокатку в 15-ти клітьовому редукційному стані з істотним натяжінням не вели.

В 2006 році було ухвалене рішення про реконструкцію ділянки редукційного стана ТПА 80, що передбачала істотне розширення сортаменту готових труб по діаметру й товщині стінки як убік їхнього збільшення, так і зменшення. З метою мінімізації витрат на реконструкцію було вирішено перед існуючим редукційним станом установити новий 15-ти клітьовий редукційно-розтяжний стан з індивідуальним приводом валків його клітей. Розробку технології прокатки всього сортаменту труб на реконструйованій ділянці редукційного стана ТПА 80 ВАТ "ДТЗ виконано НМетАУ.

Після реконструкції ділянки редукційного стана з “чорнових” труб
92 мм будуть прокатуватися готові труби з мінімальним діаметром
21,3 мм, а сумарне обтиснення досягне 77%.

При такому загальному обтиску діаметра "чорнових" труб часткові деформації по клітях у середній частині стана, коли всі тридцять його клітей установлені на одному постаменті, могли б скласти 5,3%.

При розміщенні тридцяти клітей редукційно-розтяжного стана в окремо розташованих двох секціях, постаменти яких несуть по п'ятнадцять клітей, утворюється традиційно наведена поперечна різностінність труб.

Відомо, що комбіноване (з розворотом навколо осі прокатки рознімань калібрів від кліті до кліті на кут, кратний 90, для двовалкових і 60 для тривалкових клітей) розташування сусідніх клітей стана сприяє суттєвому зниженню поперечної різностінності готових труб після редукування.

Тому, для підвищення точності готових труб за рахунок зниження різностінності, що наводиться при редукуванні в новому двосекційному редукційно-розтяжному стані, запропоновано новий п'ятнадцятиклітьовий стан (першу секцію) установити так, щоб рознімання валків його останньої кліті були повернені навколо осі прокатки на 30 щодо рознімання валків першої кліті існуючого стана (другої секції).

Таке розміщення клітей нових і існуючих п'ятнадцятиклітьових секцій дозволяє знизити результуючу поперечну різностінність готових труб, тому що тепер рознімання калібрів валків обох секцій "умовно" будуть рівномірно розташовані по периметру готових труб у дванадцятьох точках з інтервалом 30, що припускає дванадцятиразове чергування ділянок поперечного переріза труби з більшою або меншою товщиною стінки, а для товстостінних трубах – утворення внутрішнього дванадцятигранника.

При цьому можна припустити, що абсолютна різностінність між найбільшою й найменшої товщиною стінки у таких труб повинна бути приблизно такою, як різностінність труб, прокатаних у п'ятнадцятьох клітях. Дослідження, раніше виконані в НМетАУ, це підтверджують.

Передбачається вести прокатку труб з товщиною стінки готових труб до 2,30 мм, що можливо тільки за рахунок застосування істотного натяжіння при редукуванні. Тип привода валків клітей нового стана індивідуальний.

Застосування сучасних систем керування двигунами головного привода валків дозволить вирішувати широкий спектр задач по підвищенню точності готових труб у процесі вводу в експлуатацію комплексу тридцятиклітьового двосекційного редукційно-розтяжного стану.

Розроблено базовий режим деформування діаметра "чорнової" труби по клітях тридцятиклітьового двосекційного редукційно-розтяжного стану зі створенням умов прокатки між секціями для стабільного переміщення труби без обертання.

У випадку застосування класичної схеми заміни клітей редукційно-розтяжного стана для одержання всього діапазону діаметрів труб, передбаченого сортаментом після реконструкції, ефект підвищення точності готових труб від конструктивно закладеного повороту однієї секції щодо іншої на 30 використовується лише частково.

Для використання повною мірою ефекту підвищення точності готових труб від закладеної в конструкції редукційно-розтяжного стана одночасної прокатки у двох повернених на 30 навколо осі прокатки секцій одна щодо іншої, запропоновано для частини сортаменту труб застосувати індивідуальні калібровки валків.

Із цією метою для труб діаметрами 76, 73, 70, 63,5, 60,3, 57, 54, 51, 48,3 та 44,5 мм розроблені індивідуальні режими деформування діаметра "чорнових" труб одночасно у двох секціях нового редукційно-розтяжного стана.

Розрахунок швидкісного режиму виконаний за методикою й програмою, розробленою в другому розділі даної дисертації з обліком того, що привод першої секції індивідуальний, а другої – диференційно-секційний.

Результати розрахунку швидкісного режиму прокатки готової труби 21,32,30 мм із "чорнової" труби 923,10 мм по розробленому деформаційному режиму з урахуванням всіх обмежень, обговорених у технічному завданні замовника, наведені в табл. 1.

Аналогічні швидкісні режими розроблені для всього сортаменту труб, передбаченого реконструкцією редукційного стана ТПА 80 ВАТ "ДТЗ".

Таблиця 1

Швидкісний режим прокатки труб 21,32,30 мм із "чорнових"
923,10 мм в 30-ти клітьовому редукційно-розтяжному стані

Редукційний стан №1 | Редукційний стан №2

Розмір труби | Розмір труби

на вході | на виході | на вході | на виході

Do, мм | So, мм | Dк, мм | Sк, мм | Do, мм | So, мм | Dк, мм | Sк, мм

92 | 3,10 | 51 | 2,60 | 51 | 2,60 | 21,3 | 2,30

Швидкість труби, м/с | Швидкість труби, м/с

на вході | на виході | на вході | на виході

0,476 | 1,043 | 1,043 | 3,000

Довжина труби, м | Довжина труби, м

на вході | на виході | на вході | на виході

12921 | 28296 | 28296 | 81401

Сумарна витяжка | 2,19 | Сумарна витяжка | 2,88

Номер кліті | Номер двигуна | Частота обертання двигуна, об/хв. | Коефіцієнт зростання частоти обертання | Номер кліті | Номер двигуна | Частота обертання двигуна, об/хв. | Коефіцієнт зростання частоти обертання

1 | 1 | 135 | 0,4499 | 16

2 | 2 | 139 | 0,4642 | 17

3 | 3 | 153 | 0,5119 | 18 | 1 | 639 | 0,6312

4 | 4 | 178 | 0,5930 | 19

5 | 5 | 188 | 0,6264 | 20 | 2 | 706 | 0,6976

6 | 6 | 199 | 0,6630 | 21

7 | 7 | 210 | 0,7011 | 22 | 3 | 741 | 0,7324

8 | 8 | 222 | 0,7424 | 23

9 | 9 | 236 | 0,7870 | 24 | 4 | 782 | 0,7728

10 | 10 | 250 | 0,8347 | 25

11 | 11 | 273 | 0,9126 | 26 | 5 | 832 | 0,8222

12 | 12 | 287 | 0,9587 | 27

13 | 13 | 296 | 0,9873 | 28 | 6 | 977 | 0,9647

14 | 14 | 300 | 1,0000 | 29

15 | 15 | 300 | 1,0000 | 30 | 7 | 1012 | 1,0000

ВИСНОВКИ

У дисертації отримано теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає у розвитку методів розрахунку деформаційно-швидкісних режимів гарячого редукування труб з натяжінням з урахуванням форми і розмірів калібрів, кількості приводних і неприводних валків, що утворюють калібр, фактичних часткових обтисків труби по діаметру, а також розробці ефективної технології гарячої безперервної безоправочної прокатки труб підвищеної точності..

1. На основі аналізу існуючого стану теорії, технології та практики процесу гарячої безперервної безоправочної прокатки труб у редукційно-розтяжних станах показано, що дослідження, які направлені на розробку ефективної технології редукування труб підвищеної точності з натяжінням, розвиток методів розрахунку деформаційно-швидкісних режимів безперервної прокатки без оправки з натяжінням, є актуальними.

2. Отримали подальший розвиток теоретичні дослідження параметрів формозміни металу, розподілу температури, деформацій і напружень в залежності від форми калібру та обтисканні труби по діаметру в клітях редукційно-розтяжного стана. Використання методу кінцевих елементів дає можливість виявити комплексний вплив факторів, та визначити поперечну різностінність труб при прокатці в калібрі.

3. Отримало подальший розвиток теоретичне визначення катаючого радіусу валків у калібрах з різною кількістю приводних і неприводних валків. Урахування фактичної форми і розмірів валків в калібрі кліті дозволяє підвищити точність визначення катаючого радіусу валків при прокатці з натяжінням в залежності від кількості валків, що утворюють калібр, та обтискання труби у ньому. Показано, що розрахунок величини катаючого діаметру без урахування фактичних геометричних розмірів калібру призводить до істотних погрішностей при розрахунку необхідної частоти обертання двигунів головного приводу стану і не забезпечує створення необхідного розрахункового натяжіння. Зміна обтиску діаметра труби в калібрі від 1% до 10% збільшує погрішність при визначенні катаючого діаметра без врахування фактичних геометричних розмірів калібру й для чотирьохвалкових клітей досягає 7,4%. При прокатці з натяжінням ця погрішність складе до 16%.

4. Отримав подальший розвиток метод розрахунку швидкісного режиму прокатки труб у редукційно-розтяжних станах. Урахування фактичної форми і розмірів калібрів, уточнення катаючого радіуса, розподілу натяжіння по клітях та часткових обтиснень труби по діаметру при гарячому редукуванні дозволяє точно визначити параметри деформаційно-швидкісного режиму прокатки і отримати задану товщину стінки труби. Розроблені універсальний метод і програма розрахунку деформаційно-швидкісного режиму редукування для будь-якого типу головного приводу валків редукційного стану з урахуванням особливостей їх конструкції, фактичних геометричних розмірів калібрів і перерозподілу натяжіння по клітях стану. Так, наприклад, розрахунок швидкісного режиму прокатки “чорнової” труби 924,0 мм із натяжінням у готову трубу 573,5 мм без ітерацій дає погрішність у визначенні необхідної величини пластичного натяжіння до 10,7%, у результаті чого кінцева розрахункова товщина стінки готової труби буде 3,7 мм, що на 5,7% більше необхідної.

5. Отримав подальший розвиток метод розрахунку деформаційного режиму при гарячому редукуванні в клітях з чотирьохвалковими калібрами. Розроблені новий метод і програма розрахунку геометричних параметрів калібру, утвореного ручаями двох приводних і двох неприводних валків, діаметр і ширина яких неоднакова, що дозволяє проводити модернізацію існуючих станів з клітями з двовалковими калібрами для розширення сортаменту та поліпшення точності готових труб.

6. Одержали подальший розвиток експериментальні дослідження формозміни при редукуванні труб з натяжінням. Результати досліджень в умовах ТПА 140 ЗАТ НЗСТ "ЮТіСТ" розширили уяву про вплив калібровки на технологічні параметри редукування і дозволили вдосконалити технологію виробництва труб. Промислові прокатки в 10-ти клітьовому стані, обладнаному клітями з чотирьохвалковими калібрами, підтвердили їх високу деформаційну здатність. Так при прокатці труб з
D/S > 20 і обтисненням діаметру в кліті до 11% ужимів і складок не утворюється
(акт від 05.09.2007 р.). Відносна поперечна різностінність, отриманих із застосуванням чотирьохвалкових клітей з підвищеними у 2,3 рази (до 8,5%) частковими обтисками діаметру, труб розміром 60,35,54 мм, при сумарному обтисненні діаметру 43,5% становить 14,4…16,6%, що не перевищує величину різностінності труб розміром 766,0 мм, які прокатують у цьому ж стані в існуючих двовалкових клітях з частковими обтисненнями діаметру до 3,7%, та сумарним 24,7%.

7. Розроблена технологія прокатки готових труб в двосекційному 30-ти клітьовому стані (деформаційно-швидкісні режими редукування), яка забезпечує стабільність підвищення точності труб, що прокатуються, за рахунок конструктивного закладеного розвороту навколо осі прокатки на 30 однієї секції стану щодо іншої. Розробка виконана в рамках програми та відповідної тематики робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ, ДР № 0107U002849 "Розробка режимів прокатки труб на модернізованому редукційному стані ТПА з безперервним станом ВАТ "Дніпропетровський трубний завод" (довідка від 07.09.2007 р.).

8. Результати роботи застосовуються на кафедрі обробки металів тиском Національної металургійної академії України у навчальному процесі (довідка від 07.09.2007 р.).

Основний зміст дисертації відображено у роботах:

1.

2.

3.

4.

АНОТАЦІЯ

Панюшкін М. Є. Розвиток методів розрахунку деформаційно-швидкісних режимів гарячого редукування з натяжінням труб підвищеної точності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. – Процеси та машини обробки тиском. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація присвячена розвитку методів розрахунку деформаційно-швидкісних режимів гарячого редукування з натяжінням труб підвищеної точності. Теоретичним та експериментальним шляхом виявлені напрями розвитку технології безперервної безоправочної прокатки труб з натяжінням з підвищеною точністю та з більшими частковими обтисненнями по діаметру.

Отримало подальший розвиток теоретичне визначення катаючого радіусу валків у калібрах з різною кількістю приводних і неприводних валків. Урахування фактичної форми калібрів дозволяє підвищити точність визначення катаючого радіусу валків при прокатці з натяжінням до 4-16%. Розроблені метод і програма розрахунку деформаційно-швидкісних режимів редукування труб у станах з будь-яким типом головного приводу валків. Розроблені технології редукування труб з використанням запропонованих чотирьохвалкових клітей у редукційному стані на ТПА-140 ЗАТ НЗСТ "ЮТіСТ" зі збільшенням сумарного обтиснення труб по діаметру у 2 рази при підвищенні точності труб. Розроблена також технологія редукування з натяжінням труб у 30-ти клітьовому двосекційному стані, одна з секцій якого повернута відносно іншої на 30, що забезпечує підвищення точності готових труб.

Ключові слова: гаряча безоправочна прокатка, труба, натяжіння, різностінність, редукційно-розтяжний стан.

АННОТАЦИЯ

Панюшкин Н.Е. Развитие методов расчета деформационно-скоростных режимов горячего редуцирования с натяжением труб повышенной точности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. – Процессы и машины обработки давлением. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

В диссертации получено теоретическое обоснование и новое решение научно-технической задачи, которое заключается в развитии методов расчета деформационно-скоростных режимов горячего редуцирования с натяжением труб повышенной точности.

Получили дальнейшее развитие теоретические