Непрерывная прокатка

 Агрегаты с непрерывным станом в силу их высокой производительности ( до 1 млн. тонн/год )применяются для производства труб массового сортамента. На этих агрегатах производят трубы диаметром от 16 мм до 170 мм с толщиной стенки 2...25 мм преимущественно из углеродистых и низколегированных марок стали. Способ непрерывной прокатки труб на длинной подвижной оправке (способ Фассля - Форена) известен с 1920 г. В начале он применялся для производства готовых и передельных труб диаметром 60...80 мм сравнительно небольшой длины . С 1960 г. начато производство труб диаметром 46...83 мм и толщиной стенки 3...4,5 мм, а на установках оборудованных редукционно-растяжными станами - диаметром 21...133 мм и стенкой 2,5...8 мм. В результате этого появилась возможность прокатывать широкий сортамент труб из заготовки и черновой трубы постоянного диаметра. Последнее позволило увеличить производительность ТПА ( при определенном сортаменте до 1 млн. т/год. К преимуществам данного способа прокатки следует также отнести благоприятные условия деформации трубы в непрерывном стане, минимальные технологические отходы (удельный расход металла 1050 кг/т) и расположение оборудования, удобное для автоматизации технологических операций. В 60-е годы был пущен первый отечественный ТПА 30-102 на Первоуральском новотрубном заводе, который предназначен для производства горячекатаных бесшовных труб диаметром 30...102 мм и толщиной стенки 3...8 мм из низкоуглеродистой стали. В процессе эксплуатации ТПА 30-102 ПНТЗ выявились возможности интенсификации производства путем прошивки заготовки на углах подачи 14...17 град. , модернизации входной стороны непрерывного стана для снижения времени такта прокатки до 8,5 с, повышение мощности индукционных подогревательных печей перед редукционным и калибровочным станами, замена 19-клетевого редукционного стана на 24-клетевой. В результате реконструкции цеха в 1974 г производительность ТПА 30-102 увеличилась в 1,5 раза и достигла 700 тыс.т/год.. С учетом опыта работы этого агрегата в 1970 г. был пущен второй ТПА 30-102 на Никопольском южнотрубном заводе, который отличается целым рядом технологических и конструктивных особенностей: усовершенствована технология прокатки и создана новая конструкция линии непрерывного стана с роликовой задачей гильзы и оправки в стан, применены более надежные рабочие клети, привод стана выполнен наклонным, усовершенствован дифференциально-групповой привод редукционного и калибровочного станов и т.д. Все это позволило довести время рабочего такта непрерывного стана до 7,5 с. Интенсивное развитие производства труб на ТПА с непрерывным станом в конце 70-х годов стало возможным благодаря улучшению качества непрерывнолитых заготовок, автоматизации технологических процессов и создания нового оборудования непрерывных станов. В России, Италии, Японии, США и других странах были построены новые или реконструированы, пущенные в 60-х годах ТПА с непрерывным станом. Эти трубопрокатные агрегаты с непрерывным станом предназначены в основном для выпуска труб нефтяного сортамента, в связи с чем в цехах сооружаются крупные участки для отделки этих труб с оборудованием для высадки и нарезки концов труб, их термической обработки и контроля качества. Например на Синарском трубном заводе в 1987 г. был сооружен цех с ТПА-80 для выпуска насосно-компрессорных труб и труб общего назначения диаметром 27...83 мм с толщиной стенки 2,5...8 мм из углеродистых и легированных сталей. Дальнейшее развитие традиционного способа непрерывной прокатки сдерживается следующими ограничениями: длина черновой трубы не должна превышать 30 м, так как максимальная (по условиям изготовления) длина оправки равна 24-30 м; увеличение диаметра трубы вызывает значительный рост массы оправки, что приводит к росту динамических нагрузок : уменьшение толщины стенки трубы затрудняет извлечение оправки. В связи с этим в отечественной и зарубежной практике были разработаны способы прокатки с удержанием длинной оправки и принудительным перемещением ее в направлении прокатки со скоростью, равной скорости прокатки в первой клети (способ MRK-R). Такой режим перемещения оправки стабилизирует скоростные и силовые условия раскатки и температурный профиль оправки, что создает благоприятные условия для получения равномерных значений толщины стенки и диаметра по всей длине черновой трубы. Кроме того, применение удерживаемой оправки позволяет уменьшить ее длину и массу ,по сравнению с обычной длинной подвижной оправкой, что обеспечивает возможность прокатки труб большого диаметра (до 426 мм).После прокатки каждой трубы оправку, задний конец которой закреплен в каретке с электромеханическим приводом, отводят "назад" в положение, в котором производят ее охлаждение и смазку перед зарядкой в следующую гильзу (способ MRK-R) или заменяют на другую оправку рабочего комплекта стана (способ MRK-AR). В последнем случае, отработанная оправка поступает на линию рециркуляции, где ее охлаждают, смазывают и подогревают в проходной печи для выравнивания температуры по длине рабочей части. В обоих способах для облегчения извлечения оправки из трубы на выходе из раскатного стана ее деформируют на трубосъемочном (3 клети) или извлекательно-калибровочном (4...9 клетей) станах. Теоретические и экспериментальные исследования непрерывной раскатки на удерживаемой оправке интенсивно велись в нашей стране в 70-е годы применительно к ТПА типа 30-102. Первый непрерывный стан с удерживаемой оправкой был спроектирован Кальмесом в 1970 г. При разработке этой конструкции была использована идея Хокерта, по которой производились в 1889 г. В США бесшовные трубы компанией "Келлорга".Однако десять лет спустя от этой технологии отказались. В1979 г. в Италии был введен в эксплуатацию первый трубопрокатный агрегат ТПА 48...339,7 х 3...25 мм с непрерывным станом с удерживаемой оправкой и станом пресс-валковой прошивки заготовок квадратного сечения. Применение такой технологии позволило впервые прокатать на непрерывном стане трубы большого диаметра со значительной толщиной стенки. Однако при производстве труб малых диаметров производительность этого агрегата оказалась ниже, чем у обычных ТПА с непрерывным станом с длинной подвижной оправкой. Причиной этого является режим перемещения удерживаемой оправки, который приводит к увеличению машинного и вспомогательного времени раскатки. Поэтому технология раскатки на удерживаемой оправке наиболее эффективна для труб с наружным диаметром более 150 мм, хотя на ряде зарубежных фирм: "United States Steel" (США), "Algoma Steel" (Канада), "TAMSA" (Мексика) и других ее применяют для получения черновых труб диаметром 177...288 мм, из которых на редукционно-растяжных станах получают готовые трубы диаметром 48,3...114,3 мм. Для производства труб малого и среднего диаметра 26,9...194 мм в последние годы используют новую технологию раскатки на частично удерживаемой оправке (способ MRK-S ). Начальная стадия раскатки не отличается от процесса прокатки на удерживаемой оправке, но незадолго до выхода трубы из стана оправка отсоединяется от держателя и вместе с черновой трубой поступает на отводящий рольганг, а далее после поперечной передачи на оправкоизвлекатель удаляется из трубы. Этот способ позволяет отказаться от дорогостоящей подготовки оправок, используемой на других непрерывных станах, работающих с использованием удерживаемой оправки, так как позволяет применять для изготовления оправок обычные стали, исключить хромирование поверхности, а также уменьшить разогрев оправок при прокатке, что повысит их эсплуатационную надежность и стойкость. В Японии по такой технологии с 1983 г. работают непрерывные станы на заводах фирм "Син ниппон сэйтэцу" в Явате и "Сумитомо киндзоку коге" в Кайнане. Последний приспособлен для работы в трех режимах: на удерживаемой оправке (основной режим), на длинной подвижной оправке и на частично удерживаемой оправке. Аналогичный ТПА построен в 1996 г. в Китае на заводе фирмы "Hengyang Steel Tube Co". На ТПА 26,9-127 фирмы "Vallourece" в Сен-Сальве (Франция) реализован процесс прокатки труб, при котором цилиндрической стержень оправки прошивного стана используется в качестве частично удерживаемой оправки непрерывного стана. Это позволяет исключить операцию зарядки оправки в гильзу, а также на сравнительно коротких (длина17 м, вместо 27 м) стержнях-оправках получать длинные трубы с меньшей продольной разностенностью, контролировать состояние и качество оправок после каждой прокатки, одновременно обеспечивая весьма высокий темп (до 300 шт/ч) работы всего агрегата. На многих современных ТПА с непрерывным станом применяются АСУ ТП, автоматизированные линии отделки и контроля качества продукции, обеспечивающие получение труб с высокой точностью размеров и качеством поверхности, повышение производительности и экономию материальных и трудовых ресурсов. Примером такой АСУ ТП является трехуровневая автоматизированная система, внедренная на Волжском трубном заводе. Нижний уровень базируется на микро-ЭВМ или программируемых контроллерах для управления переменными параметрами технологического процесса и выполнения последовательности операций. Оператор устанавливает значение исходных переменных и запускает программу выполнения операций. Средний уровень управления, оснащенный мини-ЭВМ, контролирует технологические процессы и управляет информацией, относящейся к продукции. Это осуществляется с помощью следующих систем:

- АСУ отделений выплавки и непрерывной разливки стали, включая МНРС, имеет назначение дать указания оператору для выполнения следующих действий: наблюдения за работой участка, контроля процесса плавки для каждой электродуговой печи, контроля за выплавкой стали и расходом требуемой энергии;
- АСУ контроля процесса плавки для каждой электродуговой печи (расчет садки, контроль плавки, расчет рафинирования ферросплавами);
- АСУ каждой МНРС, предназначенной для слежения за продуктом, а также контроля качества, охлаждения и резки заготовки;
- АСУ работой нагревательной печи с математической моделью для оптимизации расхода топлива;
- АСУ ТПА, предназначенная для расчета параметров прокатки и для слежения за продукцией. Контролируемыми параметрами являются: усилие на валки в каждой клети, осевое усилие на оправку, размеры калибров и обороты рабочих валков (см. примерный вид экрана монитора оператора). Изменяя последние ЭВМ перестраивает стан для получения труб заданной точности;
- АСУ для управления работой промежуточного склада (необработанные трубы);
- АСУ для слежения за трубами на линиях термообработки и отделки;
- АСУ для управления складом готовой продукции;
- АСУ обратного дистанционного управления электросетью завода.

 Верхний уровень предназначен для автоматизации управления производством в рамках электрометаллургического комплекса и завода, включая планирование производства по месяцам, слежение за продукцией, контроль хода производства, выполнение контроля качества продукции. Непрерывный характер процесса раскатки гильзы на длиной подвижной оправке также позволяет уменьшить разброс размеров черновой трубы. Известен ряд систем автоматического регулирования толщины стенки трубы при прокатке на непрерывном стане. Разброс средней толщины стенки труб в партии может быть снижен регулированием параметров настройки стана перед прокаткой каждой гильзы с учетом текущих значений факторов, определяющих среднюю толщину стенки (величиной раствора валков, диаметра оправки , диаметра и толщины стенки гильзы, ее температуры на входе в стан). При этом необходимо учитывать неравномерный характер распределения размеров и температуры гильзы по ее длине. Также должен учитываться и неравномерный износ оправки. САРТ зарубежных непрерывных станов имеют сложное устройство, так как оснащены датчиками измеряющими давление прокатки и уширение трубы по клетям стана, время прохождения металлом межклетевых промежутков, изменение настройки валков вследствие их износа, а также другие указанные выше параметры процесса, изменение большинства из которых носит случайный характер. Отечественные САУ несколько проще. Например, в основу алгоритма регулирования толщины стенки трубы на непрерывном стане ТПА 30-102 НЮТЗ положена экспериментальная зависимость в виде уравнения регрессии, устанавливающая вероятностную связь между средней толщиной стенки трубы, растворами валков, диаметром оправки и температурой гильзы на входе в стан. В случае несовпадения прогнозируемой толщины стенки с фактической ЭВМ проводит коррекцию зазора между валками клетей стана, обеспечивающую минимальное отклонение средней фактической толщины стенки трубы от заданной. Другая САУ внедрена на ТПА 30-102 НЮТЗ. На концах черновой трубы отклонения размеров трубы от номинальных значений вызваны изменением межклетевых натяжения и усилий прокатки в периоды нестационарных стадий раскатки, когда идет заполнение (или освобождение) клетей стана металлом и значительно изменяется скорость трубы и оправки. Поэтому толщина стенки на переднем конце трубы значительно меньше, а на ее заднем конце больше номинальной Для уменьшения продольной разностенности труб используют системы автоматического регулирования частотой вращения валков по клетям непрерывного стана. Моменты подачи управляющих воздействий на двигатели привода клетей определяются в зависимости от положения в стане трубы и скорости течения металла относительно оправки. Изменение частоты вращения по клетям обеспечивает прокатку переднего участка трубы в первых клетях стана с дополнительным подпором и заднего ее участка в последних обжимных клетях с натяжением.В результате достигается уменьшение нестационарных силовых условий процесса прокатки различных участков трубы, несколько увеличивается толщина стенки на переднем конце трубы и снижается на заднем. Продольная разностенность труб уменьшаетсяв среднем в 1,7...1,8 раза, отклонения диаметра трубы по ее длине снижаются на 2...3 мм, при этом на 7...10% повышается средняя скорость входа гильзы в стан, что приводит к сокращению такта прокатки труб на 1,0...1,5%.

 Ряд современных непрерывных станов оборудованы системой гидроутонения концов труб. Перед прокаткой переднего конца трубы специальными гидроцилиндрами, установленными под нажимными винтами, рабочие валки двух последних обжимных клетей сводят, уменьшая размеры калибра. При захвате металла валками указанных клетей рабочая жидкость выдавливается из полости гидроцилиндров, обеспечивая разведение валков с трекбуемой скоростью до получения номинальной толщины стенки трубы. В процессе прокатки заднего конца черновой гидроцилиндры осуществляют быстрый свод рабочих валков по определенной программе. При этом на концах трубы формируются участки с переменной толщиной стенки и диаметром. Впоследствии при редуцировании черновой трубы возникает утолщение стенки на концах трубы. В результате обоих процессов примерно в 2 раза сокращается длина, так называемых, утолщенных концов труб прокатанных на ТПА с непрерывным станом. Исследования технологии гидроутонения проводились в нашей стране с начала 70-х годов. В 1975г. этот способ впервые в практике трубного производства был успешно опробован ВНИИМЕТМАШем на ТПА 30-102 ПНТЗ. Большие теоретические и экспериментальные исследования, а также работы по освоению этой технологии были выполнены ВНИТИ (Г.И.Гуляев с острудниками). При их активном участии этот способ был внедрен на ТПА в г.Риза (ГДР). С 1985 г. данная технология используется на непрерывном стане фирмы ""Сумитомо металл индастриз" в Кайнане (Япония). Недостатками гидроутонения является рост межклетевого подпора, которое наряду с уменьшением раствора между валками, вызывает локальное изменение диаметра и рост поперечной разностенности на концах трубы. На указанном выше стане фирмы ""Сумитомо металл индастриз" одновременно со сводом рабочих валков осуществляют регулирование их частоты вращения, изменяя межклетевое натяжение для компенсации отклонений толщины стенки и диаметра трубы. При непрерывной прокатке на длинной подвижной оправке возможны отклонения технологического процесса, вызывающие образование "гармошек" или разрывов трубы под действием черезмерного межклетевого подпора или натяжения. Эти явления увеличивают потери металла и могут привести к выходу из строя рабочих валков. Для предотвращения подобных явлений разработана в УГТУ и внедрена в 80-х годах на на непрерывном стане ТПА - 80 СинТЗ система мониторинга нагрузок на привод рабочих валков, которая отключает стан при появлении первых признаков аварийных режимов раскатки. Обычно непрерывные станы имеют 5...8 клетей с соответствующими индивидуальными электроприводами. Коэффициент вытяжки при раскатке составляет 2,5...7. Как указывалось выше при использовании прошивных станов последнего поколения значительная часть деформации может быть перенесена на стадию прошивки, так что при последующей раскатке необходимо обеспечить не более чем двухкратное удлинение гильзы.

 Для этой цели можно использовать новые непрерывные мини-станы с двумя - пятью рабочими клетями с особой калибровкой валков (более тесные калибры). Раскатка на таком стане (mini-MPM) осуществляется на удерживаемой (перемещаемой) оправке. В первых двух - трех клетях производится основная деформация по диаметру и толщине стенки, в двух последних необходимое калибрование по диаметру. При этом в результате уменьшения длины стана и раскатки с небольшими вытяжками сокращается длина оправки, которая может быть изготовлена из более дешевых материалов и без дорогостоящего упрочняющего хромового покрытия, которое может быть заменено оксидированием. Оправка имеет головки с обоих концов, что позволяет использовать ее повторно в развернутом на 180 град. положении, после того как износ ее передней части превысит допустимое значение. Таким образом затраты на оправки на стане mini-MPM меньше, чем на стане MRK-AR. Кроме того небольшие теплопотери при раскатке на "коротком" стане позволяют исключить из состава агрегата подогревательную печь. Поэтому в дополнение к невысоким капитальным затратам на строительство такого стана можно ожидать снижения расходов на инструмент. Для уменьшения затрат рабочие клети выполнены очень компактными, с чередующимся горизонтальным и вертикальным расположением рабочих валков. Все узлы главного привода стана размещены на одной стороне, что позволяет сократить стоимость строительных работ и уменьшить затраты на сооружение коммуникаций. Двигатели клетей с вертикальными валками находятся ниже уровня пола. В случае ремонта, благодаря специальным направляющим, они могут быть быстро премещены вместе с редукторами в подходящую позицию для дальнейшей транспортировки с помощью крана. Малая протяженность зоны чистовых клетей имеет следствием улучшение схемы течения металла и уменьшение растягивающего осевого усилия на оправку. Последнее позволяет упростить конструкцию механизма удерживания оправки. Повышение точности черновых труб достигается применением гидравлических нажимных и уравновешивающих устройств, обеспечивающих точную настройку рабочих валков, а также возможность изменения настройки валков во время прокатки для того, чтобы компенсировать неравномерность температуры по длине гильзы или возможность прокатки труб с гидроутонением стенки на переднем и заднем концах. Для повышения точности труб предусмотрено также непрерывное измерение и управление межклетевым натяжением во время прокатки, а также автоматическая настройка валков во время входа и выхода гильзы из стана для компенсации деформации системы. В случае аварии валки автоматически разводятся, что обеспечивает их долговечность. Как отмечалось выше раскатному стану mini-MPM обычно предшествует прошивной стан последнего поколения с грибовидными валками. На входе в первую клеть стана mini-MPM может быть установлена дополнительная четырехвалковая клеть для калибрования прошитой гильзы. Это позволит минимизировать зазор между гильзой и оправкой и, тем самым, улучшить условия прокатки в первой клети. Новая конструкция раскатного стана типа MRK-R и MRK-AR для производства бесшовных труб высшего качества разработана фирмой INNSE совместно с J.P. Calmes Consultants. Такой стан получил название PQF (Premium Quality Finishing mill - стан для окончательной отделки труб высшего качества). Отличительной особенностью данного стана является применение трехвалковых рабочих клетей с регулируемым размером калибра. Кроме того, улучшение условий захвата позволяет использовать более тесные калибры. Поэтому применение , трехвалковой схемы вместо традиционной двухвалковой позволяет уменьшить неравномерность окружной скорости валков, а также параметров напряженно-деформированного по периметру калибра. Результатом этого является уменьшение уширения металла, снижение пиковых значений давления металла на валки и лучшее центрирование оправки в калибре.

 Основные преимущества стана PQF:

- высокая точность размеров и качество поверхности труб;
- возможность прокатки труб из высоколегированных сталей, а также более тонкостенных труб;
- снижение концевой обрези (вследствие уменьшения величины "раздутых" концов черновой трубы); меньший расход инструмента;
- более высокая маневренность стана, позволяющая прокатывать широкий сортамент труб; более равномерный температурный режим раскатки;
- малая длина стана, обеспечивающая уменьшение рабочей длины оправки.

 Сравнительные варианты компоновок оборудования станов типа MPM и PQF: вариант 1, вариант 2.
 Стан PQF состоит из 4...7 клетей, которые смонтированы в общей станине тоннельного типа, в которой размещены следующие механизмы: нажимные и уравновешивающие гидравлические устройства, прижим кассет, а также приспособления для разъединения и поддержки шпинделей при их перевалке. Для быстрой перевалки рабочие клети выталкиваются из станины в осевом направлении и заменяются на новый комплект. Рабочие клети для ускорения перевалки валков выполнены разъемными в осевом направлении. Внутри клети каждый из трех валков с подшипниковыми опорами размещен в П-образной кассете, установленной конце рычага, имеющем возможность поворота его относительно оси, эксцентрично закрепленной в плоскости перпендикулярной оси прокатки. Поворот рычага кассеты для радиального перемещения (сведения или разведения) валка осуществляется от гидравлического или винтового нажимного устройства. Во время прокатки подушки с валками зафиксированы уравновешивающими устройствами.

 Раскатка осуществляется на удерживаемой оправке, которую центруют на оси стана при помощи трехроликовых центрователей.

 Фирма Sumitomo (Япония) на ТПА 16 3/4'' с непрерывным раскатным станом MPM использует извлекательно-калибровочный стан типа FQS. Рабочие клети стана FQS и PQF имеют аналогичные конструкции.