Винтовая прошивка
С ростом производительности трубопрокатных агрегатов одной из актуальных задач становится интенсификация процесса прошивки. До недавнего времени на станах винтовой прокатки процесс осуществляли при углах не более 8-12 град. Теоретические и экспериментальные исследования выполненные в МИСиС коллективом ученых, возглавлемым И.Н.Потаповым и П.И. Полухиным показали возможность значительного увеличения скорости прошивки (до 6 гильз в минуту, ТПА 30-102 ПНТЗ) при применении повышенных углов подачи (до 15 град. и более). Практическое внедрение этих результатов в отечественной трубной промышленности в 60-70-е годы показало их высокую эффективность.
В это же время ЭЗТМ были созданы высокопроизводительные конструкции прошивных станов с осевой выдачей гильз, которые пришли на смену устаревшим станам с боковой выдачей заготовок. С этой целью были разработаны новые, центрователи закрытого типа, механизмы перехвата стержня и отвода упорно-регулировочного устройства. Изменились конструкции рабочих клетей прошивных станов, которые стали оснащаться гидроприводом, облегчающим перевалку валков, линеек и оправок. Конструкции валкового узла с одним нажимным винтом и новыми механизмами поворота и стопорения барабан-кассеты обеспечили повышение точности проката. Стал применяться индивидуальный и групповой привод рабочих валков со шпиндельными устройствами на подшипниках качения, увеличилась его мощность (до 7000 кВт и более).
Позднее ЭЗТМ и ВНИИМЕТМАШ создали конструкцию модернизированного прошивного стана с грибовидными валками, которая с середины 70-х годов используется в составе ТПА с автомат-станом (ЧТПЗ,СинТЗ, НДТЗ). В 70-80-е годы фирма "Mannesmann Demag Meer" (MDM) разработала прошивные станы нового поколения, имеющие грибовидные валки и обеспечивающие увеличение коэффициента вытяжки до 5...6, ужесточение допуска по толщине стенки (например, при прошивке гильзы размерами 177,5 х 12,4 мм из заготовки диаметром 175 мм максимальные отклонения по толщине стенки составили +1,6% и - 2,8%) , улучшение качества поверхности гильз и сокращение расхода инструмента. Применение повышенных коэффициентов вытяжки позволило в свою очередь увеличить массу исходной заготовки и длину готовых труб. При этом гильза требуемых размеров получается непосредственно на прошивном стане и ее дальнейшее элонгирование не требуется. Это позволило создать трубопрокатный агрегат (ФРГ) ,состоящий только из прошивного и калибровочного (для калибрования гильз способом продольной прокатки) станов. Этот процесс назван - CPS (Cross rolling piercing- sizing). Достоинствами такого ТПА являются малые производственные площади и масса оборудования, небольшие капитальные и текущие затраты (особенно на инструмент), гибкость технологии, возможность изготовления труб малыми партиями, снижение удельных энергозатрат (из-за ликвидации подогрева перед калиброванием), более высокая экологичность технологии.
Двухвалковые прошивные станы конструкции "MDM" имеют следующие особенности: вертикальное расположение рабочих валков, что улучшает условия монтажа направляющих дисков, упрощает компановку приводов рабочих валков и позволяет установить шпиндели под минимальным углом к оси валка; использование приводных направляющих дисков ( схема Дишера) диаметром 2 м вместо неподвижных линеек, что улучшает условия продольного перемещения заготовки , и, как следствие, позволяет увеличить длину прокатываемых гильз до 12 ...14м, а также снижает расход инструмента (стойкость дисков 80-100 смен); выдачу оправки вместе со стержнем из линии стана и внестановая замена оправок, обеспечивающая уменьшение времени вспомогательных операций до 4...5 с ( производительность до 4 гильз в мин.)и создающие предпосылку для дальнейшего увеличения длины заготовки; возможность прошивки как катаной так и непрерывнолитой заготовки без ее предварительной пластической деформации.
Последнее стало возможным благодаря освоению производства высококачественных непрерывнолитых заготовок, а также использованию новых режимов прошивки на повышенных углах подачи и раскатки (патент).
Последнее также позволяет прошивать заготовки с большим (до 30...40%)подъемом по диаметру, получая таким образом гильзы различных размеров, необходимые для производства труб широкого сортамента. Для ускорения перевалки валков крышку станины сдвигают с помощью гидропривода, а поворотно размещенные в станине кассеты с направляющими дисками выводят из нее в горизонтальной плоскости. Фирма Маннесманн в 1970 году приступила к разработке новой конструкции с приводными направляющими дисками.
Прошивные станы типа Дишера с бочковидными валками в последующие годы были установлены на 15 -ти новых ТПА: в 1972 г. на заводе фирмы"Mannesmann - Rohren -Werke" (Мюльгейм, ФРГ); в 1977 г. на заводах фирм "Валлурек"(Франция) и "Син ниппон сэйтэцу"(Япония); в 1983 г. на заводах фирм"Син ниппон сэйтэцу", "Сумитомо киндзоку коге", "Ниппон кокан"(Япония); в 1984 г. на заводе фирмы "Tubos Reunidos"(Испания); в 1985 г. на заводе фирмы"Colorado Fuel and Iron Steel"; в 1986 г. на заводах фирм "Algoma" (Канада), "Баошань"(Китай)и "Benteler"(ФРГ); в 1987 г. на заводе фирмы "North Star.Steel" (США),в 1988 г. на заводе фирмы"Siderca"(Аргентина); в 1990 г. на заводе фирмы "Sidor"(Венесуэла); в 1992 г. на заводе фирмы "Tianjin Steel"(Китай).Современные прошивные станы с линейками пущены в эксплуатацию в 1983 г. на заводе фирмы "TAMSA" (Мексика) и в 1985 г.на заволе фирмы "United States Steel"(США). Исследовательские работы по новым прошивным станам с грибовидными валками были начаты фирмой "Сумитомо Синдзоку когэ" в 1963 году и завершены пуском в 1983 году прошивного стана названного "Сумитомо - супер" в составе ТПА с непрерывным станом. Если на традицинных прошивных станах коэффицинт вытяжки не превышал 4,5 , то на новых станах с грибовидными валками он достигает 6.
Другим преимуществом новой технологии прошивки является возможность получения тонкостенных гильз, например 183 х 6,6 мм (D/S= 27,5). В настоящее время достигнута минимальная толщина стенки гильзы S=5,5 мм. В перспективе фирма Маннесманн считает возможным получение гильз с более тонкой стенкой S=5 мм. Благодаря повышению коэффициентов вытяжки при прошивке отпадает необходимость в больших деформациях на раскатном стане ТПА. Поэтому коэффициент при раскатке может быть ограничен величиной l= 1,5...2, что способствует дальнейшему повышению производительности ТПА. Прошивные станы Дишера последнего поколения с грибовидными валками использованы на ряде ТПА с непрерывным станом, которые были построены в 1993 г. на заводе фирмы "Tosa seamless tubes", а в 1996 г.- на заводах фирм "Baotou" (Китай) и "Sumitomo" (Япония).
Эти новые станы винтовой прошивки успешно конкурируют со станами пресс-валковой прошивки при производстве высококачественных гильз из непрерывнолитой заготовки. Более благопрятная схема напряженно-деформированного состояния в очаге деформации стане Дишера позволяет прошивать малопластичные сплавы, Например, использование на станах Дишера повышенных углов подачи и раскатки( соответственно, 15 и 10 град.) позволило освоить прошивку высокачественных гильз ( при коэффициенте вытяжки 2,8...3) из коррозионностойких сталей с содержанием Cr 12...25%, Ni 7...13%, Mo 2...3% и Ti 0.5% (фирма "Сумитомо киндзоку коге", 1982 г.). Показана возможность прошивки без разрушения высоколегированных сталей с содержанием Cr более 30%, Ni более 40 % путем использования углов подачи до 14...16 град. и угла повышения раскатки с 10 до 15 град. .
Прошивные станы Дишера с грибовидными валками и приводными направляющими дисками или линейками также применяются в качестве элемента новой технологии CPC(Cross Poll Piersing Sizing, т.е. винтовая прошивка - редуцирование). Примерная техническая характеристика такого прошивного стана с рабочими валками диаметром 900 мм следующая. Мощность главного привода составляет 2х2000 кВт. Используются заготовки трех размеров 100,130 и 160 мм. Длина прошитых гильз достигает 8...10 м. Минимальная продолжительность такта прошивки равна 28 с. Дальнейшее сокращение такта до 20 с достигается использованием механизмов быстрой смены оправки. Необходимая стойкость оправки (300...600 проходов и более) при прошивке длинномерных тонкостенных гильз обеспечивается специальной термообработкой и формированием на ее поверхности слоя окалины. Высокие значения коэффициента вытяжки при прошивке позволяют во многих случаях получать размеры черновой трубы непосредственно на прошивном стане. Поэтому в состав новых ТПА для CPC- технологии входят только два стана: прошивной и калибровочный или редукционно-растяжной, что значительно уменьшает затраты на инструмент и оборудование (отпадает необходимость в раскатном стане и подогревательной печи перед редукционно-растяжным станом). Благодаря высокой точности прошитых гильз на данном ТПА могут производиться трубы с узким полем допуска, например, трубы с наружным диаметром 122 мм и толщиной стенки 5 мм, что после редуцирования обеспечивает толщину стенки готовой трубы равную 3 мм. Несмотря на то, что эта технология не может быть использована для получения еще более тонких стенок, она обеспечивает обычный диапазон толщин стенок. С помощью этой технологии может быть достигнуто соотношение между диаметром и толщиной стенки 28:1 в случае производства труб диаметром 21,3...339,7 мм. В нижнем диапазоне размеров на такой установке можно получать водопроводные трубы и трубы для металлоконструкций. В диапазоне труб нефтяного сортамента по этой укороченной технологической схеме можно получать обсадные трубы и некоторые виды труб для магистральных трубопроводов.
Использование новых прошивных станов совместно с раскатными станами Ассела новейшей конструкции, работающими с использованием способа NEL, позволяет получать как толстостенные и нормальные, так и высокоточные тонкостенные трубы с отношением D/S до 40. Технология CPC является эффективной для средних производственных мощностей от 30 до 100 тыс. тонн в год, а также пригодна для небольших партий продукции. Другое применение прошивные станы последнего поколения нашли на современных ТПА с реечным станом, на которых используется так называемый CPE - процесс (Crossrolling Piercing Elongating - винтовая прошивка-элонгирование ). Способ заключается в получении гильзы, которая после ввода в нее оправки передается на гидропресс для завальцовки ее переднего конца, а затем на реечный стан для раскатки в тонкостеннную трубу.
Применение стана винтовой прокатки вместо прошивного пресса позволило увеличить длину гильзы/стакана, уменьшить их разностенность и сократить потери металла, связанные с формированием упора для оправки.
В последние годы новый прошивной стан (VIP - Vertical Integrate Piercer) с грибовидными валками также был разработан американской фирмой ITAM. Особенностью этого стана является размещение валков в вертикальной, а линеек или приводных дисков в горизонтальной плоскости. Линейки смонтированы на поворотных приводных рычагах, что обеспечивает их быструю замену в случае износа или налипания металла. Верхняя и нижние барабан-кассеты размещены в цилиндрических проточках общей станины. При перевалке обе кассеты извлекаются из станины в вертикальном направлении. Стан отличается высокой жесткостью и прочностью элементов конструкции, сочетающихся с легкостью их монтажа и сравнительно низкими капитальными затратами. Требуемая жесткость обеспечивается оптимизацией проектных решений и использованием гидроцилиндров для настройки и фиксации рабочих валков.
Стан оборудован трехуровневой системой автоматизированного управления, связанной с компьютером цеха. Ряд новых технических решений, например конструкция первого центрователя, обеспечивающая уменьшение игзиба оправочного стержня опробованы на прошивном стане построенном фирмой ITAM для ТПА в Шенгду (КНР). Известен ряд других технических решений, направленных на дальнейшее повышение производительности прошивных станов и качества гильз. Среди них можно выделить прошивку с осевым подпором заготовки, которая впервые была теоретически обоснована и исследована Тетериным П.К. (А. с. №142268,1961 г).Подпор обеспечивает устойчивый захват заготовки рабочими валками при пониженных обжатиях заготовки перед носком оправки. Одновременно повышается критическое обжатие.В результате этого исключаются внутренние плены при прошивке малопластичных материалов. Другое предложение касается использования принудительно вращаемой оправки прошивного стана (патент США, 1957 г.). В 70-е годы этот способ исследовали Ведякин Н.М. (ПНТЗ) и Карташов (УралНИТИ). В результате лабораторных и промышленных экспериментов было показано, что наиболее рациональными условиями прошивки являются те, при которых скорость вращения оправки в 1,5...2 раза больше, чем скорость вращения гильзы. При этом обеспечивается скорость прокатки на 25% выше, чем при традиционном процессе прошивки. В лабораторных условиях Т.З.Блазинский (Англия) показал, что изменяя скорость оправки и степень обжатия заготовки можно обеспечить снижение уровня "избыточных" сдвиговых деформаций, что по его мнению, предотвратит развитие трещин на внутренней поверхности гильз. Лабораторные исследования, выполненные в Японии, показали , что принудительное вращение оправки со скоростью превышающей скорость валков в 4,7...12 раз уменьшает момент прокатки на валках в 4 раза, а осевое усилие на оправку в 1,5 раза. Снижение осевого усилия на оправку и ее износа также можно обеспечить за счет применения технологической смазки, которую наносят на рабочую часть оправки, подают через отверстия в ее носике в гильзу или закладывают в углубление, выполненное на торце исходной заготовки перед ее нагревом.
Другим вариантом является прошивка заготовки на трехвалковом стане. Станы такого типа имеют три приводных валка одинакового диаметра, симметрично расположенные по отношению к оси прошивки. Коэффициент вытяжки на этих станах несколько больше, чем при пресс-валковой прошивке, но меньше, чем на двухвалковых прошивных станах традиционной и современной конструкции. Преимуществом этих станов является более благоприятное напряженно-деформированное состояние, обеспечивающее возможность прошивки малопластичных сталей и сплавов. Недостатками этого способа является невозможность прошивки тонкостенных гильз с отношением диаметра и толщины стенки более 12, а также повышенное осевое усилие на оправку. Исследованиями Романцева Б.А. и др. установлено, что в отличие от двухвалкового стана, при трехвалковой прошивке не происходит самоцентрирования оправки на оси стана. Поэтому в поперечной разностенности прошитых гильз велика доля эксцентричной составляющей, которая несмотря на последующую раскатку остается на готовых трубах. В связи с изложенным трехвалковые станы нашли ограниченное применение для прошивки сравнительно толстостенных гильз.
Трехвалковый прошивной стан был запатентован фирмой Irvingh & Griffit (США) еще в 1900 г. Первые экспериментальные работы в США в этой области были проведены с 1928 по 1932 г, что привело к созданию раскатного стана типа Ассела. Позже целесообразность применения трехвалковых прошивных станов было теоретически обосновано J.C. Ech (1948 г.) и Тетериным П.К.(1958 г.), которым запатентован ряд технических решений (А. с. №111972,1958 г; А. с. №222315,1968 г.). В 1961 г. фирма United States Steel Co построила деревянную модель трехвалкового прошивного стана, с помощью которой имитировали прошивку заготовок из смеси воска и глины. В 1962 г. Был построен первый опытный трехвалковый прошивной стан, на нем прошивали заготовку диаметром 38,1 мм и длиной 152,4 мм из различных материалов. В 1963 г. По заказу этой же фирмы было начато проектирование промышленного трехвалкового прошивного стана. В 1966 г. на одном из ТПА с трехвалковым раскатным станом вместо двухвалкового прошивного стана была установлена трехвалковая клеть стана Ассела, что позволило продолжить исследования в процессе производства промышленных партий труб диаметром 82,5...114,3 мм из всех сталей, включая нержавеющие. В том же году клеть стана Ассела была заменена новым прошивным станом, который предназначался для прокатки высококачественных труб из углеродистых, легированных и нержавеющих сталей диаметром до 101,6 мм. Первый в Европе промышленный прошивной стан был пущен в Англии в 1967 г. В 1974 г. первый отечественный трехвалковый прошивной стан был введен в эксплуатацию на ВСМПО в составе ТПА для прокатки титановых труб. За рубежом трехвалковые прошивные станы применяют в составе ТПА с трехвалковым раскатным станом Ассела: на заводе фирмы "Desford Tube Investments"(Англия) и Хомутовском металлургическом заводе (Чехия). На заводе "Wendsfild steel tube"(Англия) работает ТПА 24,5-127 с непрерывным станом, включающая трехвалковый прошивной стан.На заводе фирмы "Tubes Ltd" (Англия) трехвалковый прошивной стан применяют для прошивки непрерывнолитой заготовки из низкоуглеродистой стали, а также катаной заготовки более широкого марочного сортамента. На стане прошивают заготовки диаметром 178 мм (вытяжка 1,72) с производительностью до 3 штук в минуту. В Японии и США на трехвалковых прошивных станах получают гильзы диаметром , соответственно, до 230 мм и до 150 мм. Известен проект реконструкции ТПА -550 ЧТПЗ. согласно которому двухвалковый прошивной стан предлагается заменить трехвалковым, что позволит повысить качество труб и снизить расходный коэффициент металла.
В последние годы на ВСМПО были пущены в эксплуатацию несколько трехвалковых станов конструкции ЭЗТМ для реверсивной винтовой прокатки сплошных прутков круглого сечения из титановых сплавов. Из-за чрезвычайно высокого уровня сдвиговых деформаций при прокатке на повышенных углах подачи данный процесс получил название радиально-сдвиговая прокатка. Благоприятное напряженно-деформированное состояние в очаге деформации трехвалкового стана позволяет получать титановые прутки с равномерной структурой и высокими механическими свойствами. При этом прокатка осуществляется в одной клети со сравнительно большими обжатиями за проход и без промежуточного подогрева заготовки. Технико-экономические показатели этого процесса значительно выше, чем при традиционной технологии непрерывной сортовой прокатки. В МИСиСе ведутся исследования возможности расширения области применения этого способа деформации для прокатки круглых заготовок из высоколегированных сталей и других труднодеформируемых , в том числе литых, материалов.
Пресс-валковая прошивка ("Press Piercing Mill - PPM") является одним из способов получения гильз из непрерывнолитой заготовки квадратного сечения. Этот сособ был предложен объединением "Dalmine" совместно с бюро фирмы "Calmes". Прошивка осуществляется в двухвалковом стане с приводными ручьевыми калибрами и оправкой сферической формы, стержень которой закреплен в упорно-регулировачном устройстве, установленном на выходной стороне стана. На его входной стороне имеется центрующая квадратную заготовку проводка и толкатель с гидравлическим или электромеханическим приводом. Процесс прошивки происходит со значительным задним подпором. Поэтому в металле возникают в основном сжимающие напряжения, что в сочетании с незначительной вытяжкой (не более 1,2) благопрятно сказывается на качестве гильзы. Созданию промышленного стана предшествовал комплекс научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, выполненных в период с 1958 г. (зарождение идеи) до 1973 г. (ввод в эксплуатацию опытно-промышленного стана). Решение о строительстве последнего было принято в 1972 г. В процессе его эксплуатации были проверены и отработаны следующие вопросы: использование непрерывнолитой заготовки (НЛЗ) квадратного сечения вместо круглой катаной заготовки; уплотнение при прошивке в стакан литой структуры НЛЗ с целью предотвращения образования дефектов; получение стакана (после прессвалковой прошивки) и гильзы (после элонгирования) сравнительно большой длины с высокой точностью размеров и хорошим качеством поверхности. К недостаткам способа пресс-валковой прошивки следует отнести относительно высокую разностенность стакана(средняя 18%, максимальная 25 %), а также невозможность получения стакана с отношением длины к диаметру более 25. Поэтому операция элонгирования стакана является обязательной. При коэффициенте вытяжки на элонгаторе, равном 2-3, и исходной разностенности 40% конечная разностенность после элонгирования снижается до 10%. Применение двойного элонгирования стакана в сочетании с прокаткой на автомат-стане позволяет получать на готовых трубах величину разностенности в пределах 3...8%. Опытно - промышленная установка пресс-валковой прошивки была сооружена на одном из предприятий фирмы "Dalmine" в составе действующей пилигримовой установки, на которой в период испытаний было произведено 7103 т труб общего назначения, газопроводных, толстостенных и обсадных. Эти исследования показали, что пресс-валковая прошивка позволяет значительно сократить расход энергии на прошивку; уменьшить износ инструмента; использовать заготовки большой длины и массы с целью повышения производительности ТПА; улучшить качество используемого металла; получить на дальнейшем переделе высокое качество поверхности и точность размеров труб; повысить выход годного на 4% (сопоставление производилось на ТПА с пилигримовым станом с получением гильз как на пресс-валковом стане, так и по схеме Кальмеса - прошивка на прессе и последующее элонгирование).
Впоследствии пресс-валковая прошивка была внедрена в Японии на заводе фирмы "Син ниппон сэйтэцу" в Явате в составе ТПА с автоматическим (1977 г.) и непрерывным станами, а также в Испании на заводе фирмы "Tubos Reunidos" (1978 г.) и в Италии на заводе фирмы "Dalmine" в Бергамо (1978 г.) в составе ТПА с непрерывным станом. В1983 году пресс-валковый прошивной стан был установлен на ТПА с непрерывным станом на заводе фирмы "United States Steel" в Фэрфилде (США),. В 1990 г. был введен в эксплуатацию пресс-валковый стан в составе ТПА 159-426 Волжского трубного завода (Россия).
