авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование и совершенствование процессов производства нефтяных труб диаметром 73-219 мм на трубопрокатных агрегатах с пилигримовым станом c целью улучшения их качества

На правах рукописи

ФАРТУШНЫЙ РОСТИСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ

Исследование и совершенствование процессов

производства нефтяных труб диаметром 73-219 мм

на трубопрокатных агрегатах с пилигримовым станом

c целью улучшения их качества

Специальность 05.16.05 – «Обработка металлов давлением»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2008

Работа выполнена на кафедре технологии и оборудования трубного производства Государственного технологического университета «Мо­ сковский институт стали и сплавов» и на ОАО «ТАГМЕТ»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Гончарук Александр Васильевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Сейдалиев Фикрат Сейдалиевич кандидат технических наук Фролов Андрей Николаевич

Ведущая организация ФГУП «ЦНИИЧермет»

Защита состоится 9 октября 2008 года в 15.00 часов на заседании диссертаци­ онного совета Д217.038.01 при ОАО «Научно-исследовательский, проектный и конструкторский институт сплавов и обработки цветных металлов» по ад­ ресу: 119017, Москва, Пыжевский пер., дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «Научно-исследова­ тельский, проектный и конструкторский институт сплавов и обработки цвет­ ных металлов».

Автореферат разослан 4 сентября 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета Ревина Н.И.

Справки по телефону (495)-951-50-55;

www.cmet.ru E-mail: post@cmet.ru

Общая характеристика работы

В настоящее время большое значение для развития отечественной экономики приобретает расширение выпуска труб нефтяного сортамента (буровых, обсад­ ных, насосно-компрессорных), труб из коррозионностойких сталей и сталей с по­ вышенной хладостойкостью. Таганрогский металлургический завод обладает все­ ми необходимыми предпосылками для решения этой задачи: наличием собствен­ ного сталеплавильного производства, обеспечивающего изготовление бесшовных труб широкого сортамента по стандартам API, оборудованием для выпуска обсад­ ных труб с эксклюзивными видами резьбовых соединений, наличием значитель­ ных мощностей по горячему цинкованию труб. В настоящее время бесшовные трубы на ОАО «ТАГМЕТ» получают прокаткой гильз, прошитых из слитков мар­ теновской стали, на пилигримовых станах. Рост требований к качеству труб дела­ ет необходимым переход на более совершенные методы производства стали и об­ работки металла давлением, что возможно только при глубокой реконструкции сталеплавильного и прокатного производства. Научной базой для ряда техниче­ ских решений в ходе реконструкции послужили результаты проведенных нами исследований в области совершенствования процессов прошивки заготовок и прокатки труб.

Актуальность работы вытекает из необходимости совершенствования совре­ менных технологий производства важнейшего вида металлопродукции – бесшов­ ных труб, повышения их качества. Крупную (по значению и объему производства) группу труб представляют трубы нефтяного сортамента, производство которых на отечественных предприятиях решает важные технические и экономические задачи.

Наиболее эффективные способы их производства основываются на прошивке непрерывнолитой заготовки на станах винтовой прокатки. Процесс прошивки об­ ладает высокой производительностью, хорошо поддается механизации и автомати­ зации, обеспечивают высокое качество продукции.

Цель и задачи работы. Разработка и освоение промышленных технологий производства бесшовных труб нефтяного сортамента на трубопрокатных агрегатах c пилигримовым станом. Указанная цель достигается решением следующих задач:

– разработка математической модели процесса зацентровки и калибровки заго­ товки, позволяющей анализировать характер течения металла в очаге деформации, прогнозировать размеры и форму торцевой части заготовки и на основании полу­ ченных результатов предлагать технологические режимы, обеспечивающие мини­ мальную разностенность передних концов гильз;

– совершенствование технологии прошивки заготовки большого диаметра на основе исследования закономерностей износа инструмента прошивного стана и анализа деформационно-скоростных параметров;

разработка новой калибровки инструмента прошивного стана (валков и оправок);

– исследование влияния технологической смазки на износостойкость дорнов и ка­ чество внутренней поверхности труб, а также исследование тепловых условий при пилигримовой прокатке;

– разработка и освоение промышленных технологий производства труб нефтяно­ го сортамента из сталей марок 32Г2, 32Г2М, 15ХФА, 25ХГМА и др.

Научная новизна. С использованием вариационного метода на основе принци­ па минимума мощности пластической деформации и кинематически возможного поля скоростей разработана модель процесса зацентровки, создана программа для расчета параметров процесса зацентровки.

Экспериментально установлены закономерности износа инструмента прошив­ ного стана винтовой прокатки (валков и оправок). Показано, что высокая износо­ стойкость оправки может быть достигнута с помощью рационального выбора ма­ териала и наплавки рабочей поверхности инструмента жаропрочным сплавом, вы­ бора режимов, обеспечивающих минимальное время прошивки, конструкцией и калибровкой инструмента, обеспечивающих интенсивный отвод тепла от оправки.

Определено влияние технологической смазки на износостойкость дорнов и каче­ ство внутренней поверхности труб при пилигримовой прокатке;

разработан сма­ зочный состав, применение которого позволило повысить качество внутренней по­ верхности труб и снизить токовые нагрузки на двигатель пилигримового стана.

Установлен характер изменения температуры заготовки на всех этапах техноло­ гии: в печи слиток нагревается равномерно, существенной разницы в качестве на­ грева в методической и кольцевой печах не обнаружено;

снижение температуры на участке от печи до прошивного стана незначительно;

длительная транспортировка гильзы от прошивного стана до пилигримового стана и процесс пильгерования вы­ зывают большие теплопотери (снижение температуры металла достигает 1500С), особенно на наружной поверхности гильз, что может вызвать перегрузку станов и ухудшение качества продукции.

Практическая значимость. Разработано устройство для калибровки и зацен­ тровки заготовки в виде трехвалковой рабочей клети. Устройство позволит обжи­ мать непрерывнолитую заготовку диаметром 400 мм до диаметра 360 и 340 мм с одновременным нанесением зацентровочного отверстия диаметром 60-80 мм на глубину до 100 мм. Таким образом достигается уменьшение числа типоразмеров отливаемых заготовок и повышается эффективность работы МНЛЗ (уменьшается число кристаллизаторов, сокращаются потери времени на переналадку машины при переходе на отливку заготовки другого диаметра). Внедрен метод точной по­ резки заготовки на пилах, позволивший значительно снизить неперпендикуляр­ ность торца заготовки и эксцентриситет центрирующего отверстия.

Разработана новая калибровка валков и оправок, позволившая уменьшить время прошивки на 12,5% (с 40 до 35 с) по сравнению с прошивкой на инструменте с су­ ществующей калибровкой.

Разработано и внедрено устройство для подачи смазочного состава на внутрен­ нюю поверхность гильзы перед пилигримовым станом.

Усовершенствованы и освоены в промышленном производстве ресурсосберега­ ющие технологии производства нефтяных труб (обсадных и магистральных) диа­ метром 73-219 мм из сталей марок 32Г2, 32Г2М, 15ХФА, 25ХГМА и др. для веду­ щих отраслей промышленности (нефтедобычи и нефтепереработки), позволившие решить актуальные технические, технологические и экологические проблемы как производителей, так и потребителей. Внедрение разработанных технологий и по­ лучаемой в соответствии с ними продукции в промышленное производство позво­ лило получить существенный технический и экономический эффект.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на:

использовании математических методов моделирования, планирования и анализа результатов проведенных исследований;

применении современных приборов и ме­ тодик, их метрологического обеспечения;

выпуске опытных и промышленных пар­ тий труб по разработанным технологиям и анализе их свойств.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на:

семинарах и совещаниях, проводившихся на ОАО «ТАГМЕТ», конгрессе прокат­ чиков, международных конференциях в г. Краматорске, г.Челябинске, г. Никополе, в институтах: МИСиС, ФГУП «ЦНИИЧермет», ОАО «Институт цветметобра­ ботка», на ведущих трубных предприятиях.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 статьях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, библио­ графического списка из 83 наименований, выводов и приложений;

содержит страниц машинописного текста, 39 иллюстраций, 5 таблиц и 2 приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, опреде­ лены цели и направления исследований и изложены основные положения, выноси­ мые на защиту.

В первой главе приведены результаты исследований в области совершенство­ вания процессов производства трубных сталей. Показано, что повышение качества труб – задача комплексная, ее успешное решение зависит от уровня работы всех звеньев технологического процесса, начиная с выплавки трубной стали и заканчи­ вая операциями отделки и контроля качества готовой продукции. Выявлены основ­ ные направления совершенствования технологии производства бурильных и обсад­ ных труб в условиях ОАО «ТАГМЕТ». К этим направлениям относятся: улучше­ ние качества трубных сталей (снижение содержания серы, фосфора, газов) в ходе выплавки и внепечной обработки, совершенствование процесса разливки сифон­ ным способом, переход на непрерывнолитую заготовку, замена мартеновского способа производства стали на электродуговой, обработка металла в установке печь-ковш. Пуск установки печь-ковш создал предпосылки для дальнейшего раз­ вития производства – строительства пятиручьевой машины непрерывного литья за­ готовки. В ходе освоения МНЛЗ был проведен анализ качества непрерывнолитых заготовок. В частности, исследовано влияние скорости разливки, температуры перегрева, содержания углерода, марганца, а также цветных металлов (меди и оло­ ва) в стали на количество брака по трещине на заготовках диаметром 340 мм из стали марки 32Г2. Кроме того, было исследовано влияние электромагнитного перемешивания на макроструктуру заготовок. Комплекс мероприятий по совер­ шенствованию процессов производства трубных сталей позволил освоить выплав­ ку новых для ОАО «ТАГМЕТ» марок стали: 15ХФА, 15ХМФА, 09ГСФА, 13ГФА, 20ФА, предназначенных для производства коррозионностойких и хладостойких труб.

Во второй главе представлены результаты моделирования и эксперименталь­ ного исследования процесса зацентровки и калибровки заготовок в трехвалковом стане винтовой прокатки. Основная причина разностенности передних концов гильз и труб - несовпадение оси оправки с осью заготовки в момент внедрения оправки в торец заготовки. Качественная зацентровка существенно снижает уро­ вень поперечной разностенности передних концов гильз и труб, однако не устраня­ ет полностью концевую разностенность, возникающую вследствие неперпендику­ лярности торца заготовки. Это вызвано неравенством объемов металла, поступаю­ щего в калибр между валками и оправкой, из-за неперпендикулярности торца, осо­ бенно на первых полушагах подачи после внедрения носка оправки в заготовку.

Наибольшими преимуществами обладает метод зацентровки заготовки в горя­ чем состоянии, осуществляемый в технологическом потоке непосредственно перед прошивным станом. В Московском институте стали и сплавов с участием автора разработан и исследован процесс калибровки и глубокой зацентровки заготовок перед прошивкой. Данная операция осуществляется в устройстве на базе трехвал­ кового стана винтовой прокатки, обеспечивая точную зацентровку заготовки с од­ новременным устранением продольной кривизны и овальности;

при этом сбивается печная окалина. Кроме того, устройство позволяет обжимать непрерывнолитую за­ готовку, т.е. уменьшать ее диаметр на 10 – 15%. Таким образом достигается умень­ шение числа типоразмеров отливаемых заготовок и повышается эффективность ра­ боты МНЛЗ.

Представляет практический интерес инженерный метод расчета параметров раз­ работанного процесса (энергосиловых, деформационных, в частности формооб­ разования торцевой поверхности заготовки в процессе зацентровки и калибровки).

Как показал проведенный анализ существующих методов моделирования процес­ сов обработки давлением, наиболее приемлемым с инженерной точки зрения мето­ дом моделирования течения металла при радиальном обжатии является вариацион­ ный метод, основанный на кинематически возможных полях скоростей с использо­ ванием принципа минимума мощности пластической деформации, известный как «метод верхней оценки». С помощью разбиения очага деформации на жесткие бло­ ки можно моделировать различные типы макротечений в соответствии с экспери­ ментально наблюдаемыми картинами течения, определять соотношение потоков пластического течения в зависимости от режимов деформации и геометрических параметров инструмента и заготовки. Учет полученных соотношений позволяет оп­ тимизировать форму инструмента и режимы прокатки.

Применение данного метода требует выполнения операции дискретизации сре­ ды и разработки структурной схемы очага деформации для нестационарной стадии винтовой прокатки при калибровке и зацентровке заготовки. Переход от сплошной среды к дискретной позволяет заменить сложные системы дифференциальных уравнений алгебраическими системами, которые в большинстве случаев могут быть решены точно или приближённо стандартными методами.

Очаг деформации (рисунок 1) представлен следующими структурными элемен­ тами. Под валком формируется макрозона затрудненной деформации, боковые по­ верхности которой являются поверхностями макросдвигов, а их ориентация и раз­ меры определяются непосредственно из решения. При воздействии валка на заго­ товку макрозона, примыкающая к поверхности валка, создаёт потоки вытеснения и формирует зоны, перемещающиеся в продольном направлении и в межвалковые пространства. Структурные элементы очага деформации с целью выполнения усло­ вия несжимаемости находятся в постоянном контакте. Результаты расчета, выпол­ ненные на основе полученных полей скоростей, имеющих разрывы на поверхно­ стях макросдвигов, могут быть использованы для решения практических задач, а также в качестве начальных скоростей в решениях методом конечных элементов.

1 – валок;

2 – зона контакта металла с валком;

3 и 4 – зоны внеконтактной деформа­ ции;

5 – недеформируемая зона;

6 – зона непроработанного металла Рисунок 1 – Структура очага деформации в поперечной и продольной плоскостях при прокатке на трехвалковом зацентровщике Известно, что при винтовой прокатке материальные точки заготовки в очаге де­ формации совершают сложные перемещения по винтовой линии. Поэтому при со­ здании трехмерной модели макротечения на начальном этапе сложное движение на основе принципа суперпозиции можно рассматривать как одновременное наложе­ ние двух простых движений: вращательного в плоскости перпендикулярной оси прокатки и поступательного в направлении оси прокатки. В качестве кинематиче­ ских условий на контактной поверхности приняты зависимости для скоростей, определяемые по известным формулам для поступательной и тангенциальной со­ ставляющих скорости точек на поверхности заготовки с учетом скольжения в лю­ бом сечении очага деформации.

При зацентровке и калибровке заготовок боек зацентровщика может находиться перед пережимом валков или за ним. Проанализируем случай, когда боек и торце­ вая часть находятся перед пережимом.

Разобьем очаг деформации на участки длиной, равной шагу подачи заготовки Lx :

FD d x tg 1 1 0 x х, Lx = Fx D x tх где d x – диаметр заготовки в сечении х ;

F1 – площадь поперечного сечения заготовки в пережиме;

Fx – то же в сечении х ;

D1 – диаметр валка в пережиме;

D2 – диаметр валка в сечении х ;

0 х – коэффициент осевой скорости ( 0 х = 0,8) ;

tх – коэффициент тангенциальной скорости ( tx = 0,9) ;

х – коэффициент овализации заготовки ( х = 1,14).

Выделим в очаге деформации четыре блока, таким образом, что под валком формируется зона, размеры которой определяются известной длиной 1,5 – равной длине втянутой в зону первичного захвата части заготовки, неизвестные параметры hi и i являются варьируемыми параметрами. Размер hi определяет глубину про­ никновения деформаций сдвига (глубину деформационной проработки литой структуры исходной заготовки). Угол i определяет положение границы между зо­ нами 2 и 3 очага деформации.

Значения hi и i могут быть определены при минимизации мощности пластиче­ ской деформации в очаге деформации:

0,5 S f ij vij + µ s f ik vik, W= где f ij, vij – соответственно площади поверхностей сдвига и скорости относитель­ ного перемещения смежных блоков;

f ij, vij – площади поверхностей контакта заготовки с инструментом и скорости от­ носительного перемещения блоков на поверхностях инструмента;

µ – коэффициент трения ( 0 µ 0,5 ).

Суммирование производится по всем контактным поверхностями перемещения блоков. Для идеального жесткопластического материала S = const и определяется с учетом температуры заготовки и степени деформации для каждого участка.

Для определения значений скоростей блоков строят годограф скоростей, а в случае большого количества блоков, скорости блоков определяются через коорди­ наты узлов элементов и равенство нормальных составляющих скоростей блоков на поверхностях f ij.

Площади поверхностей смежных блоков определим как f ij = b lij, где b - ширина контактной поверхности, мм;

lij - длина соответствующих отрезков, мм.

Длину соответствующих отрезков рассчитаем по формуле (x x j ) + ( yi y j ), 2 lij = i где xi, x j, yi, y j - координаты вершины блоков.

Уравнение мощности пластической деформации в очаге деформации для дан­ ной схемы очага деформации имеет вид:

Wi = 0,5 S b ( l1 4 V2 3 + l 2 4 V3 4 + l 4 5 V2 4 ).

Варьируемые параметры определим в результате минимизации Wi min Wi Wi = 0;

= 0.

i hi Процесс изменения формы торцевой поверхности показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Изменение контура торцевой поверхности при движении заготовки в зоне первичного захвата Моделирование процесса зацентровки и калибровки реализовано в интегриро­ ванной среде Borland Delphi 7 с использованием методов объектно-ориентирован­ ного программирования.

В зависимости от положения бойка, начальных и граничных условий выполня­ ется расчет варьируемых параметров, а также зависимости угла i и глубины де­ формации от минимума мощности на различных участках.

Результаты расчета сопоставляли с экспериментальными данными. В ходе экс­ перимента зацентровке подвергали заготовку с начальным радиусом R = 32,5 мм, н конечный радиус заготовки R = 30 мм. Эксперимент проводили на зацентровщике к со следующей характеристикой: длина бочки валка L = 230 мм;

максимальный диа­ в метр валка D = 250 мм;

длина заходного участка L = 120 мм;

угол заходного кону­ в зах са = 10о;

частота вращения валка n = 56 мин-1.

Анализ сходимости расчетных и экспериментальных результатов подтвердил достоверность результатов расчета.

В третьей главе изложены результаты экспериментального исследования про­ цесса зацентровки заготовки и разработки конструкции зацентровщика примени­ тельно к условиям ОАО «ТАГМЕТ».

Эксперимент выполняли на опытно-промышленном стане винтовой прокатки МИСиС-100Т. Заготовки из сталей марок 40Х, 60, 50, 45ХН2МФА, 45Х1, 30ХГС­ НА диаметрами 80, 85, 90 и 110 мм, длиной до 300 мм после нагрева в печи до тем­ пературы прокатки 1150-1200°С калибровали и зацентровывали на глубину до мм на валках и бойках различной калибровки. Материал бойка – сталь 30ХН2М­ ФА, термообработка по режиму: нагрев до 950-1000 °С и выдержка в течение 30- мин с последующим охлаждением на воздухе. Рабочие валки были изготовлены из стали 45, твердость рабочей поверхности НВ 190-195, диаметр валков в пережиме 282 мм, длина бочки валка 280 мм.

В процессе исследований фиксировали шаги винтовой линии на наружной по­ верхности гильз L, машинное время прошивки м, время первичного захвата п.з, время контакта бойка с металлом б, усилие металла на валки Р и осевое усилие на боек Q. Полное усилие металла на валки измеряли кольцевыми месдозами, осевое усилие определяли с помощью месдозы, установленной в упорно-регулировочном механизме.

После прокатки заготовки охлаждали на воздухе, осматривали, затем измеряли их размеры с точностью 0,1 мм. Разностенность рассчитывали как разность между максимальной и минимальной толщинами стенки, измеренными в шести точках у переднего торца заготовки и на расстоянии 40 мм от дна.

На эксцентриситет центрирующего углубления большое влияние оказывает не­ перпендикулярность торца заготовки К, которая образуется при разрезке прутков.

Исследования проводили при угле подачи 8° и обжатии по диаметру 8 %. При из­ менении К от 0 до 3° эксцентриситет при глубине зацентровки 50 мм сохраняется на уровне 0,1-0,2 мм и возрастает до 0,3-0,5 мм при увеличении К от 3 до 7°. Такой характер зависимости эксцентриситета от исходной неперпендикулярности торца заготовки обусловлен недостаточной жесткостью конструкции центрирующего устройства.

Неперпендикулярность торца заготовки изменяется при калибровке и зацен­ тровке в зависимости от угла подачи и обжатия Uп. Так, изменение от 8 до 17° при калибровке заготовок с обжатием 5 % сопровождается ростом К относительно исходной 8° на 30 %, а изменение Uп от 2 до 22 % при =8° – на 50 %. Причем наи­ более интенсивное изменение формы торцов заготовок наблюдается при обжатии свыше 5 % и угле подачи валков более 12° (диаметр заготовки 80 мм).

Таким образом, обжатие необходимое для калибровки и зацентровки заготовок, имеющих неперпендикулярные торцы должно составлять 4-5 %, угол подачи 12°.

Проведенные исследования позволили определить рациональную калибровку валков, которая состоит из двух участков: входного конического l1 и калибрующего l2, выполненного в виде цилиндра.

Протяженность и угол наклона образующей входного участка определяют исхо­ дя из допускаемых обжатий заготовок, а протяженность калибрующего участка – из условий формирования торца заготовки в круг до встречи с бойком и центриру­ ющего углубления:

d l1 = ;

2tg, l 2 = 2 Lср1об + nLср1об.

где d – абсолютное обжатие;

– угол наклона образующей валка.

На основании выполненных исследований применительно к условиям ОАО «ТАГМЕТ» разработан технический проект устройства для калибровки и зацен­ тровки слитков.

Устройство представляет собой трехвалковую клеть винтовой прокатки со ста­ ниной закрытого типа малой металлоемкости и позволяет осуществлять зацентров­ ку бойком диаметром 60-100 мм на глубину до 100 мм (рисунок 3). Кроме того, на зацентровщике можно существенно уменьшить диаметр заготовки (с 400 до 360 и 340 мм) и тем самым сократить число типоразмеров непрерывнолитых заготовок.

Рисунок 3 – Схема расположения зацентровщика Четвертая глава посвящена исследованию и совершенствованию процесса прошивки заготовок большого диаметра и их дальнейшей прокатки на пилигримо­ вом стане. При получении горячекатаных труб на ТПА с пилигримовым станом для операции прошивки используют стан винтовой прокатки. Из-за значительного уровня усилий при прошивке слитков большого диаметра процесс осуществляется при углах подачи до 6 градусов с большим коэффициентом овализации. Такие ре­ жимы нередко приводят к образованию внутренних плен и интенсивному износу технологического инструмента. В свою очередь, износ технологического инстру­ мента существенно влияет на качество и себестоимость продукции трубопрокат­ ных агрегатов, а также на их производительность.

Особенно большое значение имеет износостойкость инструмента (валков и оправки) на прошивных станах, где процесс идет при давлении на контакте 80- МПа и температуре до 1200оС, при этом рабочая поверхность валков обильно охла­ ждается водой. На основе результатов исследования предложены и опробованы но­ вые режимы деформирования и калибровки технологического инструмента, позво­ лившие повысить качество прокатываемых труб.

Износостойкость валков зависит от многих факторов: химического состава и ка­ чества нагрева прокатываемого металла, диаметра и длины заготовок, настройки калибра, предварительного раскручивания заготовок, химического состава и струк­ туры материала валков, калибровки инструмента, условий охлаждения и т.д. В про­ цессе исследований изучали износ рабочих валков диаметром 750-850 мм при углах подачи = 4–15°.

В производственных условиях была испытана партия наплавленных валков, имевших на рабочей поверхности перлитную структуру с твердостью НВ 220-240.

Установлено, что более твердые валки обладают повышенной материалостойко­ стью, однако склонны к заполировке и имеют меньшую тянущую способность, чем валки, изготовленные из стали 45. Процесс прошивки на этих валках протекает при повышенном скольжении металла в очаге деформации. Эти исследования еще раз подтвердили, что процесс прошивки в станах винтовой прокатки протекает удовле­ творительно, если поверхность валков подвергается непрерывному обновлению, для чего она должна иметь в своей структуре мягкую составляющую (в нормализо­ ванной стали 45 этой составляющей является феррит).

То обстоятельство, что материалостойкость валков почти не зависит от их ка­ либровки и настройки прошивного стана, было успешно использовано для анализа закономерностей износа валков и для повышения их износостойкости.

Анализ полученных данных показал следующее:

- максимальный износ валков происходит не в месте вторичного захвата, а в ме­ сте встречи заготовки с валками;

- износ происходит в результате "высверливания" валка острыми кромками торца невращающейся в момент подачи в стан заготовки;

это усугубляется также наличи­ ем окалины, действующей в качестве абразивного материала;

- особенно интенсивно валки изнашиваются в начальный период работы, затем интенсивность роста глубины максимального износа уменьшается.

В процессе работы валков сечение максимального износа перемещается в направлении движения заготовки. Однако скорость этого перемещения непрерывно уменьшается. По мере выработки валков место встречи заготовок с валками пере­ мещается в направлении к пережиму. Вследствие этого сокращается расстояние от места встречи заготовки с валками до носка оправки и ухудшаются условия пер­ вичного и особенно вторичного захвата. Для нормального протекания процесса прошивки уменьшают расстояние между валками, а для сохранения размеров гильз оправку отодвигают по ходу прошивки (уменьшают выдвижение за пережим).

После такой перенастройки стана сечение валков имеет сложную форму, огра­ ниченную линией прежней выработки валков и почти параллельной ей линией большего износа. Следовательно, выработка валков происходит до определенного контура, зависящего от новой установки валков и оправки.

Таким образом, изучение закономерностей износа и профиля рабочих валков, образующегося в процессе износа, позволяет сделать следующие практические вы­ воды. Фактическое суммарное обжатие заготовки перед носком оправки значитель­ но больше расчетного. Обжатие заготовки перед носком оправки на изношенных валках происходит в основном на втором участке - гребне износа, имеющем угол наклона образующей 11-17°. Это уменьшает склонность металла к центральному разрушению. Эти исследования позволили создать ряд рациональных калибровок, повысивших стойкость рабочих валков, и обосновано рекомендовать увеличение их диаметра. Рабочие валки целесообразно калибровать с уменьшенными углами конусности. В этом случае получается более равномерное распределение износа по длине бочки валка. Выработка валка на глубину h происходит при большем объеме изношенной части.

Повышению износостойкости валков способствует уменьшение углов конусно­ сти не только на участке прошивки, но и на участке раскатки. В этом случае по мере выработки следует в меньшей степени изменять расстояние между валками, а интенсивнее отодвигать по ходу прокатки оправку. Такой режим прокатки способ­ ствует распределению износа валков на большей длине входного конуса.

В ходе совершенствования технологии прошивки заготовок был освоен метод электроискрового легирования (ЭИЛ) рабочей поверхности валков, которое обеспе­ чивает заданную шероховатость валков и их высокую тянущую способность на протяжении всей кампании.

Наряду с валками, длительному циклическому воздействию высоких темпера­ тур (до 1200 °С) и больших давлений (до 170 МПа) подвергается и оправка, поэто­ му материал оправок должен обладать высокой прочностью, термостойкостью и повышенной теплопроводностью. Даже при высокой прочности материала, но при недостаточной его термостойкости и теплопроводности носок оправки разогревает­ ся, теряет первоначальную форму и оправка выходит из строя. Кроме того, поверх­ ность оправки не должна свариваться с прокатываемым металлом. Это достигается созданием окисной пленки на поверхности оправки при термообработке и при кон­ такте ее во время работы с прокатываемым металлом. На стойкость оправок суще­ ственно влияет большое количество факторов: химический состав материала и ре­ жим термообработки оправок, их калибровка, марка прокатываемой стали, каче­ ство нагрева заготовок, режим прокатки, условия охлаждения оправок. В настоя­ щее время в трубном производстве в качестве материала оправок широко применя­ ются стали марок 20ХН4ФА, 40Г2Ф.

В результате проведенных исследований был предложен эффективный способ повышения износостойкости оправок путем наплавки на рабочую поверхность жа­ ропрочных сплавов на никелевой основе: ЭП-567, нимоник, нихром, а также сор­ майт. Наилучшие результаты достигнуты при использовании сплава ЭП-567. Сле­ дует отметить, что высокая износостойкость оправок способствует снижению раз­ ностенности благодаря более осесимметричному распределению нагрузки на инструмент в процессе деформации.

При исследовании процесса прошивки заготовок диаметром 65 мм из стали 12Х18Н10Т на опытно - промышленном стане МИСиС-130 установлено, что при угле подачи 8° неохлаждаемые оправки диаметром 38 мм выходили из строя после одной прокатки - осаживался, а иногда полностью истирался носик оправки, на ее рабочей части имелись вырывы и задиры. При прокатке на углах подачи 18-24° стойкость этих оправок повысилась до 2-3 проходов. Оправки диаметром 46 и мм при прокатке на больших углах подачи имели незначительный износ и исполь­ зовались многократно (до 20-30 раз).

Таким образом, высокая износостойкость оправок достигается путем рациональ­ ного выбора материала и наплавки рабочей поверхности жаропрочным сплавом, выбором режимов, обеспечивающих минимальное время прошивки, конструкцией и калибровкой, обеспечивающими интенсивный отвод тепла от оправки.

На основании проведенного исследования разработаны рекомендации по калиб­ ровке рабочих валков и оправок прошивного стана. Для облегчения условий захва­ та, повышения стабильности процесса прошивки и облегчения выхода гильзы зна­ чения углов конусности входного и выходного конусов валков приняты минималь­ ными. Оправка имеет обтекаемую форму с углом наклона образующей 50, выдви­ жение оправки за пережим - 100 мм. Такая калибровка инструмента позволяет ве­ сти процесс прошивки без образования центрального разрушения металла перед носком оправки.

С целью проверки эффективности разработанной калибровки инструмента был проведен эксперимент в условиях ОАО «ТАГМЕТ». Испытаниям подвергли комплект валков и оправок диаметром 160 мм. В ходе исследований фиксировали следующие параметры: положение оправки в очаге деформации;

качество бесшов­ ных труб;

стойкость оправок и валков.

В результате эксперимента было установлено, что время прошивки с использо­ ванием валков новой калибровки уменьшилось на 12,5% (с 40 до 35 с) по сравне­ нию с прошивкой на валках с существующей калибровкой. Это положительно влияет на износ самих валков и оправок, так как они меньшее время находятся в контакте с горячим металлом. Кроме того, сокращение времени прошивки приво­ дит к увеличению производительности стана.

Решающее влияние на качество внутренней поверхности труб при пилигри­ мовой прокатке оказывают условия трения на поверхности контакта «дорн – ме­ талл». От стойкости дорнов зависят не только качество и себестоимость продук­ ции, но и производительность стана - преждевременный износ дорнов может при­ вести к снижению производительности в 1,5-2 раза. В основе всех видов износа дорна лежит отсутствие разделительной смазочной пленки на контакте «дорн - де­ формируемый металл». Из-за тяжелых температурно-деформационных условий раскатки на рабочей поверхности дорнов (температура поверхности дорна достига­ ет 750-8500С) уже после прокатки нескольких гильз образуется сетка неравномерно распределенных разгарных трещин.

Анализ эксплуатации дорнов пилигримовых станов ТПА 6-10" показал, что дор­ ны, изготовленные из стали 40ХГ2Ф, выводятся из эксплуатации по причине изно­ са, а дорны из стали 40ХГСА - по причине образования разгарных трещин. Каче­ ство внутренней поверхности труб непосредственно зависит от состояния и степени износа дорнов. Износ дорнов по наружному диаметру на величину более 1,0-1,5 мм ведет к снижению точности геометрических размеров и выходу внутреннего диа­ метра труб за пределы поля допуска. Необходимо отметить, что окалина, образую­ щаяся на поверхности горячего металла, налипая на дорны, также является причи­ ной снижения качества труб по состоянию внутренней поверхности.

Экспериментально исследовано влияние технологических смазок на стойкость дорнов пилигримовых станов и состояние внутренней поверхности трубы. Главной функцией технологической смазки в этих условиях является надежное разделение контактных поверхностей в паре «инструмент - деформируемый металл» в течение всего времени протекания процесса деформирования, которое составляет 150-240 с.

Поэтому большое значение приобретает термостойкость смазки, а также ее способ­ ность преобразовывать (растворять) окалину за счет химических реакций с образо­ ванием антикоррозионного слоя. Это возможно при использовании смазочных со­ ставов с дезоксидантами, которые вводят в гильзу после прошивки заготовки с це­ лью преобразования окалины и создания смазочного слоя.

На ОАО «ТАГМЕТ» при участии ОАО «РосНИТИ» был разработан смазочно дезоксидирующий состав представляющий собой высокотемпературную эвтектиче­ скую смесь на основе фосфатов и неорганических смазывающих добавок. Фосфат­ ная часть в продукте плавится при температуре свыше 600°С, она же дезоксидирует внутреннюю поверхность гильзы. Смазывающая составляющая плавится при тем­ пературе около 8000С. В процессе плавления состава одновременно происходит преобразование окалины в жидкую фазу, которая хорошо разделяет контактные по­ верхности пары «инструмент - деформируемый металл», препятствуя образованию вторичной окалины, а также образование вязкой и термостойкой смазочной фазы.

Смазку используют в виде порошка с хорошими сыпучими свойствами, что позво­ ляет вдувать ее внутрь гильзы сжатым воздухом. Для полного устранения окалины и равномерного распределения смазки по внутренней поверхности время вдувания должно составлять 3-5 с.

Внутренняя поверхность гильзы покрывается пленкой фосфида железа толщи­ ной до 20 мкм, которая не только препятствует образованию вторичной окалины, но и действует как дополнительное смазочное покрытие. Позитивным фактором яв­ ляется также то, что при взаимодействии смазки с окалиной выделяется большое количество тепла, повышающего температуру гильзы.

Оценку эффективности смазочного состава проводили по энергосиловым пара­ метрам раскатки гильзы и состоянию внутренней поверхности труб. Для этого, в со­ ответствие с цеховой технологической инструкцией, на пилигримовом стане ТПА 6-10" проводили сравнительную прокатку гильз: базовую - без смазки и опытную с использованием смазки. Перед раскаткой гильз оценивали состояние рабочей по­ верхности дорнов. После проведения сравнительных испытаний производили от­ бор образцов от труб, прокатанных по базовому и опытному вариантам. Испытания проводили при прокатке труб размерами 219x14,0 мм из стали марки 13ХФА. Раз­ меры гильзы: длина 2400 мм, внутренний диаметр гильзы 195 мм;

наружный диа­ метр 340 мм. Температура наружной поверхности гильзы составляла 1180-1200°С.

Оценку износа дорнов пилигримового стана проводили по следующим крите­ риям: наличие сплошной или местной выработки более 1,0 мм для производства труб по стандартам API;

наличие сплошной или местной выработки более 1,5 мм, а также дорнов с трещинами, раковинами и другими дефектами для производства труб по межгосударственным стандартам. При этом разница диаметров одного комплекта дорнов не превышала 0,5 мм при толщине стенки трубы до 9 мм включи­ тельно и не более 0,75 мм при толщине стенки 10 мм и более.

Испытания показали следующее. Токовые нагрузки на двигатель пилигримовых станов снизились с 340 до 280 кА. Внутренняя поверхность труб, обработанная смазочным составом, не имела ржавчины и окалины, трубы, раскатанные без смаз­ ки, имели более шероховатую внутреннюю поверхность. Износостойкость дорнов повысилась в среднем на 15-20%.

В пятой главе с целью анализа температурных условий проведено сравнитель­ ное исследование изменения температуры заготовок при прокатке на ТПА в цехах №1 и №2 от слитка до готовой трубы. На ТПА цеха №2 для нагрева заготовок при­ меняется кольцевая печь, а в цехе №1 – методическая печь с наклонным подом.

Измерение температуры осуществляли тепловизионным способом, который позволяет получить полную картину распределения температуры по всей видимой поверхности трубы. В качестве приемного тепловизионного блока использовали аналоговую портативную видеокамеру Sony TR-515. Процесс измерения состоит из следующих операций:

- видеосъемка исследуемой поверхности;

- преобразование видеоматериала в цифровую форму (оцифровка);

- сравнение полученных изображений с эталонными данными и вычисление тем­ пературы каждой точки изображения в градусах Цельсия;

- представление массива температур в наглядном виде (термограммы, графики, гистограммы).

Преобразование видеоматериала в цифровую форму выполняется компьютером при помощи видеоадаптера Asustek 3DP-V3000 с видеовходом. Далее информация о яркости и цвете каждой точки изображения обрабатывается разработанным про­ граммным обеспечением с использованием тарировочных зависимостей и пред­ ставляется в виде последовательности термограмм. Тарировку проводили путем видеосъемки стальных образцов, нагретых в электрической муфельной печи с ша­ гом 50 °С и одновременного замера температуры поверхности с помощью зачека­ ненной термопары. Видеокамера позволяет производить съемку как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах излучения, что делает ее пригодной для исследова­ ния температуры поверхности нагретого объекта в широком диапазоне от 400 до 1600°С, а компьютерная обработка видеоизображения позволяет получить точность измерения ±10 °С.

Экспериментальное исследование показало (рисунок 4), что после выдачи из на­ гревательной печи слиток имеет равномерную температуру поверхности по длине, равную 1180°С.

Рисунок 4 – Диаграмма изменения температуры металла в течение технологиче­ ского процесса Следует отметить, что для толстостенных гильз и слитков из-за охлаждения по­ верхности реальная температура в толще металла на глубине 10–20 мм выше на 50–70 °С. Слиток покрыт окалиной с температурой менее 1000 °С, поэтому для из­ мерения доступны лишь участки, где окалина отслоилась. Установлено, что охла­ ждение поверхности на пути от печи до прошивного стана составляет около 10 °С.

На слитках, нагретых в кольцевой либо методической печи, существенной разницы в картине теплового поля не обнаружено. Охлаждение поверхности на входной стороне прошивного стана на протяжении процесса прошивки почти отсутствует благодаря большому диаметру (до 436 мм) и массе (до 1500 кг) слитка (время про­ шивки составляет 40-45 с). После прошивки температура гильзы практически оди­ накова по ее длине. Внутренняя поверхность гильзы имеет примерно ту же темпе­ ратуру, что и исходный слиток (1150 – 1170 °С), а наружная – холоднее на 50 °С.

В процессе транспортировки гильзы от прошивного до пилигримовых станов температура наружной поверхности снижается на 30-50°С, а внутренняя остается такой же высокой. Концы гильз охлаждаются на 100-150°С.

В процессе зарядки дорна, передачи гильзы с дорном на линию прокатки пили­ гримового стана ее охлаждение продолжается. Общее падение температуры от окончания прошивки до начала прокатки на пилигримовом стане достигает 70°С.

Прокатка длится 2-4 мин, за это время снижение температуры составляет 120– 160°С, что обусловливает разницу в сопротивлении деформации 40-60%. В про­ цессе пильгерования заготовка испытывает сильный неравномерный деформацион­ ный разогрев. Максимальная температура на выходе составляет 1150–1200°С, а ми­ нимальная – всего 850°С.

После подогрева перед задачей в калибровочный стан трубы имеют равномер­ ную температуру 930–950°С, существенных различий ее по длине и диаметру на термограммах не обнаружено.

Для снижения теплопотерь рекомендовано применение теплосохраняющих устройств на рольгане между прошивным и пилигримовыми станами, а также не­ посредственно перед пилигримовыми станами.

Статистический анализ результатов работы завода за последние два года пока­ зал, что благодаря использованию усовершенствованных технологий производства нефтяных труб, число рекламаций заказчиков по поводу несоответствия эксплуата­ ционных свойств поставляемых нефтяных труб требованиям технических условий снизилось на 20%.

Основные результаты и выводы по работе 1. Разработана модель процесса зацентровки заготовки, выполненная вариацион­ ным методом, основанным на принципе минимума мощности пластической дефор­ мации и кинематически возможном поле скоростей;

экспериментальные исследова­ ния процесса зацентровки подтвердили работоспособность созданной модели, поз­ воляющей определять форму торцевой поверхности заготовки и определять уро­ вень энергосиловых параметров процесса.

2. Применительно к условиям ОАО «ТАГМЕТ» разработано устройство для ка­ либровки и зацентровки заготовки в виде трехвалковой рабочей клети, которое поз­ воляет устранять конусность слитков всех типоразмеров и зацентровывать заготов­ ку бойком диаметром 60-80 мм на глубину до 100 мм.

3. В результате исследования износостойкости инструмента прошивного стана установлено, что износ валков происходит в результате "высверливания" валка острыми кромками торца не вращающейся в момент подачи в стан заготовки;

это усугубляется также наличием окалины, действующей в качестве абразивного мате­ риала. Показано, что высокая износостойкость оправки может быть достигнута с помощью рационального выбора материала и наплавки рабочей поверхности жаро­ прочным сплавом, выбором режимов, обеспечивающих минимальное время про­ шивки, конструкцией и калибровкой, обеспечивающими интенсивный отвод тепла от оправки.

4. Разработаны рекомендации по калибровке рабочих валков и оправок прошив­ ного стана. Установлено, что время прошивки с использованием валков новой ка­ либровки уменьшилось на 12,5% (с 40 до 35 с) по сравнению с прошивкой на вал­ ках с существующей калибровкой, значительно снизился брак труб по внутренним пленам.

5. Установлено влияние технологической смазки на износостойкость дорнов и качество внутренней поверхности труб при пилигримовой прокатке. Разработаны смазочный состав и установка для его нанесения на внутреннюю поверхность гильзы. Использование смазки позволило снизить нагрузки на двигатель пилигри­ мовых станов в среднем на 18-20%;

при этом заметно повысилось качество вну­ тренней поверхности труб, увеличилась износостойкость дорнов и производитель­ ность стана.

6. Определен характер изменения температуры заготовки на всех этапах техноло­ гии: наиболее значительно снижение температуры на участке от прошивного до пилигримового стана и в процессе пильгерования (снижение температуры металла достигает 1500С), что может вызвать перегрузку станов и ухудшение качества про­ дукции. Для снижения потерь тепла предложено применить теплосохраняющие устройства на рольгангах от прошивного до пилигримовых станов и непосредственно перед рабочими клетями пилигримовых станов.

В результате принятых рекомендаций по усовершенствованию процессов про­ шивки заготовки и прокатки труб нефтяного сортамента из легированных сталей на ОАО «ТАГМЕТ» получен значительный экономический и технический эффект. В частности, статистический анализ результатов работы завода за последние два года показал, что число рекламаций заказчиков по поводу несоответствия эксплуатаци­ онных свойств поставляемых нефтяных труб требованиям технических условий снизилось на 20%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах 1. Гончарук, А.В. Основные направления повышение качества труб нефтяного сортамента [Текст] / А.В. Гончарук, В.Г. Поярков, Б.А. Романцев, Р.Н. Фартушный //Труды седьмого конгресса прокатчиков. Том П. - М.: Черметинформация. 2007. С.

395-400. (авт. 3 стр.) 2. Фартушный, Н.И. Распределение температуры при прокатке труб на ТПА с пильгер-станом [Текст] / Н.И. Фартушный, Б.А. Романцев, П.А. Алексеев, А.В.Гон­ чарук, Р.Н. Фартушный //Производство проката. 2007. № 3. С. 29-31. (авт.2 стр.) 3. Fartushnyi, N. I.Temperature Distribution in Pipe Rolling on a System with a Pilger Mill. [Текст] / N. I. Fartushnyi, B.А. Romantsev, P. A. Alekseev, А.V. Goncharuk, R. N.

Fartushnyi // Steel in Translation. 2007. Vol. 37. No. 3. Р. 214-216. (авт. 2 стр.) 4. Гончарук, А.В. Моделирование и экспериментальное исследование зацентров­ ки и калибровки заготовок в стане винтовой прокатки [Текст] / А.В. Гончарук, Г.П.

Жигулев, Р.Н. Фартушный, А.Б. Онучин А.Б // Изв. вузов. Черная металлургия.

2008. № 3. С. 40-44. (авт. 3 стр.) 5. Гончарук, А.В. Калибровка и зацентровка слитков в трехвалковом стане винто­ вой прокатки [Текст] / А.В. Гончарук, Б.А. Романцев, Р.Н. Фартушный // Произ­ водство проката. 2008. № 3. С. 34-37. (авт. 2 стр.) 6. Поярков, В.Г. Опыт совершенствования сортамента и качества труб [Текст] / В.Г. Поярков, А.В. Гончарук, Б.А. Романцев, Р.Н. Фартушный, А.В. Поливец // Сталь. 2008. № 1. С. 47-50. (авт. 2 стр.) 7. Матыко, О.К. Совершенствование технологии прошивки непрерывнолитых за­ готовок из легированных марок стали на ТПА с пилигримовым станом. [Текст] / О.К. Матыко, Р.Н. Фартушный, В.В. Мульчин, Б.А. Романцев //Современные проблемы металлургии. 2008. Том. 11. С. 132-135. (авт. 2 стр.) 8. Алюшин, Ю.А. Кинематически возможные поля скоростей при поперечно-вин­ товой прокатке [Текст] / Ю.А. Алюшин, А.В. Гончарук, Г.П. Жигулев, Р.Н. Фар­ тушный // Исследование процессов обработки давлением в металлургии и машино­ строении. Тематический сборник научных трудов. - Краматорск. 2008. С. 3-8. (авт.

3стр.)

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.