Использование обжимного стана в линии ТПА-80
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития металлургического производства отмечается расширяющимся внедрением непрерывной разливки металлов и сплавов, совершенствованием и внедрением новых способов выплавки, применением рафинирующих составов. Наряду с улучшением эксплуатационных свойств, нередко снижается их технологичность при пластической обработке.
Традиционные способы производства горячедеформированных труб не всегда удовлетворяют современным требованиям к качеству производимой продукции и эффективности передела в целом.
Широко распространенный способ производства горячедеформированных труб включает в себя три передела:
- отливка слитка;
- нагрев слитка перед продольной прокаткой слитка для получения трубной заготовки;
- повторный нагрев трубной заготовки перед прошивкой и раскаткой полой гильзы до готового размера.
Основными недостатками такого способа являются высокий уровень суммарных технологических отходов, и значительные энергетические затраты, обусловленные тем, что способ предполагает три самостоятельных прокатных передела. Литейный передел, передел слитка в трубную заготовку на сортопрокатном стане и передел трубной заготовки в готовую трубу на трубопрокатном агрегате (ТПА). Каждый из переделов включает нагрев, прокатку, потери металла на обрезь. Энергозатраты и отходы каждого передела, суммируясь, определяют существенно завышенный сквозной уровень, т.к. для каждого передела требуется специализированное оборудование. Таким образом, объединив два последних передела, можно достичь существенного экономического эффекта.
Использование непрерывнолитой трубной заготовки диаметром 90-120мм для малых ТПА в настоящее время не целесообразно ввиду низкого качества такой заготовки и технологической сложности ее получения.
Выбор оборудования для получения трубной заготовки ø120мм из непрерывнолитой заготовки ø150-156мм для внедрения в состав ТПА-80 Синарского трубного завода был сделан в пользу трехвалкового стана винтовой прокатки. Данная технологическая схема в условиях ОАО «ТМК» использовалась впервые, поэтому в ходе работы исследовалось влияние режимов горячей деформации на структуру, механические свойства и качество прокатываемых труб.
Использование непрерывнолитой заготовки для производства труб является наиболее эффективным при способах деформации и технологических процессах, позволяющих устранить литую структуру металла и достигать требуемого уровня физикомеханических свойств продукции. Наличие в непрерывнолитой заготовке несплошностей материала (микрополостей, микропор) и структурных дефектов литья в виде дендритов, крупных фаз, макро и микросегрегаций обусловливает необходимость использования больших интенсивных деформаций для их устранения и лучшей проработки литой структуры.
Основной деформационный эффект проработки структуры металла достигается за счет макросдвиговых процессов в обжимаемой заготовке. Чем значительнее их развитие, тем при меньшей вытяжке металл может достичь необходимого уровня механических свойств. Угол подачи влияет на траекторию тангенциального сдвига и глубину проникновения сдвиговой деформации во внутренние объемы металла заготовки. С увеличением углов подачи глубина проникновения сдвиговой деформации и крутизна траектории сдвига возрастают, то есть имеется возможность влияния на величину проработки структуры металла по сечению заготовки.
ОПИСАНИЕ ОБЖИМНОГО СТАНА
Целью реконструкции ТПА-80 являлся переход на использование более дешевой непрерывнолитой трубной заготовки при сохранении действующей технологии производства труб. Для этого между ножницами горячей резки и прошивным станом в линии ТПА-80 был установлен обжимной стан для обжатия непрерывнолитой заготовки Ø150-156мм до Ø120мм (в соответствии с существующей схемой производства труб).
Обжимной стан состоит из трехвалковой клети винтовой прокатки, входной и выходной сторон. Для проведения перевалки верхний валок с крышкой откидывается открывая доступ к двум нижним валкам. Калибровка валков обжимного стана - чашевидная.
Краткая техническая характеристика приведена в таблице 1.
АНАЛИЗ КАЛИБРОВКИ ВАЛКОВ И РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ
Калибровка валков включает в себя захватной, обжимной и калибрующий участки. Течение металла при обжатии заготовки в значительной мере определяется соотношением между этими участками, а также самой калибровки валков.
Среди параметров процесса винтовой прокатки заготовки большое влияние оказывает угол подачи валков. Увеличение угла подачи до 15...18о обеспечивает бездефектную прокатку непрерывнолитой заготовки, имеющей низкую пластичность.
Безоправочное обжатие непрерывнолитой заготовки в трехвалковом калибре при величине относительного обжатия 20-30% обеспечивает развитие сдвиговой деформации во внутренние объемы металла заготовки и проработку литой кристаллической структуры непрерывнолитой заготовки. При этом механические свойства, макроструктура и микроструктура обжатой непрерывнолитой заготовки соответствуют свойствам катаной заготовки.
В ходе проведения опытных работ было выявлено, что при обжатии заготовки с небольшими углами подачи (10-12о) увеличивается машинное время прокатки, что приводит к снижению производительности ТПА. А также наблюдается увеличение «утяжин» на торцах заготовки, что свидетельствует о недостаточном развитии сдвиговой деформации во внутренние слои заготовки. Углы подачи валков 16-18о -являются оптимальными.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
В ходе проведения работ было выявлено, что при обжатии заготовки в трехвалковом калибре происходит образование «утяжин» на торцах заготовки (рис. 1), что обеспечивает центрирование оправки при прошивке и приводит к снижению разностенности прокатываемых гильз. Глубина «утяжин» составляет 25-35мм и уменьшается при увеличении угла подачи от 12 до 18о. Также выявлено влияние формы заготовки на глубину «утяжин». В настоящие время продолжаются работы на НГР, обжимном и прошивном станах по устранению данных «утяжин».
С целью установления особенностей поведения литой структуры в зависимости от режимов деформирования были проведены исследования образцов непрерывнолитой трубной заготовки после нагрева в печи до температуры прокатки (перед прокаткой в обжимном стане), после прокатки трубной заготовки диаметром 156мм в круг 120мм на обжимном стане ТПА-80 и после прошивки.
Торец обжатой заготовки
Рис. 1
Полученные результаты показали, что по-сле прокатки непрерывнолитой заготовки на трехвалковом обжимном стане винтовой про-катки полностью устраняется характерная для непрерывнолитой заготовки дендритная структура, механические свойства (предел текучести, прочности, удлинение) сопоставимы со свойствами традиционной - катаной заготовки.
Уровень механических свойств трубной заготовки, гильзы, черновой трубы и трубы готового размера приведен в таблице 2.
Из анализа таблицы 2 следует, что:
- существует значительное различие в механических свойствах исходной (до нагрева в печи с шагающим подом) трубной заготовке, относительное удлинение выше в 3 раза, а прочностные характеристики (sв, sт) выше на 30-50 МПа у катаной заготовки в сравнении с непрерывнолитой заготовкой (НЛЗ). Это свидетельствует о хрупкой структуре непрерывнолитой заготовки;
- после ПШП различие в свойствах НЛЗ и катаной заготовки не устраняется, однако у НЛЗ повышается предел прочности и снижается предел текучести, что может происходить в результате увеличения объемной доли перлита и аннигиляции при высокой температуре и выдержке дислокаций (вызванных быстрой скоростью охлаждения в процессе изготовления в ОАО «ВТЗ» заготовки сравнительно малого сечения);
- после обжимного стана устраняется различие в относительном удлинении, что свидетельствует о деформации средних слоев заготовки (проработке хрупкой непрерывнолитой структуры), однако различие в прочностных свойствах остается на прежнем уровне.
Макроструктура непрерывнолитой заготовки до нагрева в печи с шагающим подом имеет кристаллический вид, характерный для непрерывнолитой структуры. После нагрева кристаллический вид структуры устраняется. После нагрева и после всех этапов деформирования макроструктура не имеет следов кристаллической структуры. На образцах до нагрева, после нагрева и после обжимного стана присутствует центральная пористость, не превышающая второго балла. На всех исследованных образцах пустот, трещин, пузырей и других пороков, видимых без специальных приборов не обнаружено.
Макроструктура катаной заготовки до нагрева имеет кристаллический вид, характерный для непрерывнолитой структуры. После нагрева кристаллический вид структуры устраняется.
После нагрева и после всех этапов деформирования макроструктура не имеет следов кристаллической структуры. На образцах до нагрева, после нагрева и после обжимного стана присутствует центральная пористость, не превышающая второго балла. На всех исследованных образцах пустот, трещин, пузырей и других пороков, видимых без специальных приборов не обнаружено.
Результат анализа микроструктурного контроля трубной заготовки на различных переделах показал следующее:
- до нагрева микроструктура катаной заготовки имеет более мелкодисперсную структуру и равноостную структуру относительно НЛЗ. Отличия имеются также в процентном содержании доли перлита;
- после операции нагрева разница в микроструктуре катаной заготовки и НЛЗ уменьшается по дисперсности составляющих фаз. Разница процентного содержания фаз уменьшается, но меняется форма феррита, который приобретает видманштеттовый характер;
- после обжимного стана микроструктура как НЛЗ (рис.1), так и катаной заготовки (рис.2) измельчается. Значительных различий в микроструктуре НЛЗ и катаной заготовки не наблюдается.
рис.1 рис.2
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обжатие непрерывнолитой заготовки на трехвалковом стане винтовой прокатки с использованием оптимальных режимов деформации позволяет устранять литую структуру заготовки даже при небольших коэффициентах вытяжки за проход.
