Способы изготовления заготовок. Общие сведения о производстве трубных заготовок.
Бесшовные холоднотянутые трубы изготавливают из горячекатаной заготовки, получаемой преимущественно с автоматических и непрерывных станов, реже - с реечных, трехвалковых и пильгерных станов, а также из горячепрессованной заготовки, получаемой на горизонтальных и вертикальных прессах.
Сначала изготавливают гильзы из круглой заготовки (рис. 1, а) или слитка прошивкой на станах косой прокатки, а также из квадратной заготовки прошивкой на прессах б.
Затем на прокатных или реечных станах из гильз получают трубы.
Горячепрессованные трубы получают как из сплошной, так и из полой заготовки в.
При косой прошивке заготовку нагревают до 1200-1300 с в методической или кольцевой печи. Косовалковый стан имеет два валка бочкообразной, дисковой или грибовидной формы, наклоненные к оси прокатки под некоторым углом. Между валками устанавливается конусообразная оправка, удерживаемая упорным стержнем. При обжатии между валками металл в центральной части разрыхляется под влиянием растягивающих напряжений, способствуя образованию полости и облегчая раскатку гильзы на оправке. По окончании прошивки гильзу освобождают от стержня. При настройке стана с целью получения гильз заданных размеров рабочие валки устанавливают на определенном расстоянии один относительно другого и размещают между валками оправки необходимого размера. Способом косой прошивки получают гильзы для труб диаметром 40-600 мм.
В связи с тем, что валки станов косой прошивки имеют по своей длине различные радиусы и соответствующие окружные скорости по поверхности, перемещение наружных слоев заготовки будет происходить также с различными скоростями, что приводит к скручиванию гильзы. В направлении скручивания возникают большие растягивающие напряжения в металле, поэтому даже при незначительных поверхностных дефектах на заготовке (волосовины, неметаллические включения и др.) на поверхности гильзы образуются дефекты в виде плен, трещин, рванин и т.д. Большое значение для качества гильз, скорости прошивки и расхода энергии имеет форма оправки и место ее установки в прошивном стане. При косой прошивке литые слитки подают в валки донным концом, а не усадочной раковиной. Благодаря этому влияние некачественного металла в месте усадочной раковины резко уменьшается и ограничивается лишь небольшим участком длины прошитой гильзы. Большое влияние на качество гильз оказывает нагрев заготовки: при неравномерности образуется повышенная разностенность и кривизна, а при перегреве образуются наружные плены.
Производительность прошивных станов зависит в основном от продолжительности самой прошивки и вспомогательных операций. Продолжительность косой прошивки зависит от размеров и материала заготовки и гильз, калибровки валков, скорости вращения, наклона и других факторов.
На станах косой прошивки в сравнении с прошивкой на прессах получают более длинные и тонкостенные гильзы. Способ прошивки в гильзы на прессах заключается в следующем. Квадратную заготовку в горячем или холодном состоянии разрезают на мерные длины 300-700 мм, калибруют по диагонали, нагревают и прошивают на прессе в гильзы-стаканы. В процессе прошивки квадратной заготовки в круглой матрице круглым пуансоном происходит заполнение зазора между заготовкой и матрицей и подъем металла вверх между пуансоном и матрицей.
Преимуществом данного способа перед косой прошивкой является отсутствие растягивающих напряжений в металле и, как следствие, отсутствие трещин и плен на внутренней и наружной поверхностях. Даже если на заготовке имелись трещины и плены, то в процессе прошивки они "залечиваются" и не развиваются, как при косой прошивке. Гильза, полученная на прессе из квадратной заготовки, имеет внизу донышко. Если в дальнейшем предусмотрена деформация на реечном стане, то донышко оставляют, а для прокатки на двухвалковом стане пробивают на другом прессе. Для обеспечения минимальной разностенности гильз при настройке прошивного пресса необходимо обеспечить полное совпадение осей пуансона и матрицы [2], для чего применяют различные устройства и калибровку диагоналей заготовки.
На современных гидравлических прессах изготавливают до пяти гильзов (стаканов) в минуту. Производительность пресса зависит от мощности и скорости прессования, а также от вспомогательных операций (подачи заготовок к прессу, уборки гильз от пресса и др.).
При изготовлении горячекатаных труб из гильз наибольшее распространение получили автоматические установки. Технологический процесс изготовления труб на этих установках включает следующие основные операции: прошивка на косовалковых станах, раскатка гильз в трубы, обкатка, калибровка и при необходимости редуцирование. На автоматических установках изготавливают трубы диаметром 60-426 мм, причем подразделяют автоматические установки по сортаменту на малые (60- 159 мм), средние (102-250 мм) и большие (159-426 мм). Применение редукционных станов позволяет получить минимальный диаметр труб на малых установках 38 мм, а на средних - 60 мм. Раскатной автоматический стан предназначен для прокатки гильз, полученных на прошивном стане, в трубы с заданной толщиной стенки. Схема прокатки труб в автоматическом стане дана на рис. 2, а. Трубы прокатывают за 2-3 пропуска в одном калибре на оправках различных диаметров. В последнее время появились автоматические установки с двумя последовательно установленными раскатными станами. Наиболее распространенные автоматические установки имеют в своем составе один или два прошивных стана, раскатной стан, две обкатные машины, калибровочный стан и другое оборудование. Два прошивных стана используют для труб диаметром более 219 мм, а для меньших диаметров - один.
Схемой деформации предусмотрено, что после осуществления захвата гильзы валками до встречи с оправкой происходит редуцирование по диаметру без изменения толщины стенки. В дальнейшем на конической части оправки происходит обжатие по толщине стенки, которая заканчивается на цилиндрическом пояске оправки. Внутрь трубы, перед прокаткой вводят технологическую смазку в виде смеси поваренной соли с графитом либо одной соли. Прокатанные в автоматическом стане трубы направляют попеременно по одной на первую и вторую обкатные машины, где трубы раскатываются на оправках. При этом диаметр трубы несколько увеличивается (на 3-9 %), сглаживаются полученные на стане неровности поверхности в виде бугров, выступов и царапин.
В обкатных машинах устраняются овальность труб и значительно уменьшается разностенность. Происходит также укорочение трубы на 1-6 %. На калибровочных станах получают заданные размеры готовых горячекатаных труб. Калибровочные станы состоят из непрерывной группы двухвалковых клетей с круглым калибром в последней клети. Обычно число клетей колеблется в пределах 3-7. Расположены клети под углом 90 друг к другу. Суммарное обжатие составляет 2-15 мм в зависимости от числа клетей. После калибровки трубы поступают на холодильник и далее на редукционный стан либо при его отсутствии - на отделку. Основными дефектами, появляющимися при прокатке труб на автоматическом стане, являются внутренние и наружные плены. Они образуются в результате неправильной настройки прошивного стана и вследствие низкого качества исходной заготовки. К часто встречающимся дефектам относятся также разностенность, риски и порезы.
На установках с непрерывным станом прокатывают трубы размером 51-108х2-15 мм, а при дальнейшем редуцировании - до диаметра 17 мм. В состав таких установок входят прошивной стан валкового типа, непрерывный стан для прокатки труб на длинной оправке, оправкоизвлекатель, калибровочный и редукционный станы. Такие установки в сравнении с существующими автоматическими станами имеют большую производительность, экономически более выгодны и позволяют получать лучшую по качеству заготовку для дальнейшей холодной деформации.
Как и при прокатке на автоматических станах, для прокатки труб на непрерывном стане применяют катаную круглую заготовку. После прошивки гильзу подают на непрерывный стан. В клетях этого стана (7-9 рабочих клетей) имеется по два рабочих валка, расположенных под углом 90 друг к другу по оси прокатки. Труба прокатывается на оправке одновременно во всех клетях, перед прокаткой оправка смазывается. На современных непрерывных станах применяют сочетание круглых и овальных калибров. Схема прокатки труб в одной клети приведена на рис. 2, б. Обжатие трубы в различных парах валков различно: в первой паре происходит в основном редуцирование по диаметру с незначительной деформацией по толщине стенки, в основной группе - деформация по диаметру и толщине стенки, в последней паре - калибровка по диаметру из овала в круг с целью создания равномерного зазора между трубой и оправкой.
Прокатанные на непрерывном стане трубы вместе с оправками подают на стержнеизвлекатель, где извлекают оправку из трубы. Стержнеизвлекатель представляет собой обычный цепной волочильный стан, где выступающий задний конец оправки захватывают подвижными клещами, а труба упирается в специальный упор. Извлеченная оправка поступает по рольгангу на смазку, а труба - в калибровочный или редукционный стан. Основной брак при прокатке на непрерывных станах получается из-за износа валков и оправок, настройки стана, а также некачественного металла. Брак, полученный на прошивном и на непрерывном станах, как правило, не исчезает. Применение современных непрерывных станов, как заготовочных для дальнейшего холодного передела, позволяет получать горячекатаные трубы с чистой и гладкой наружной и внутренней поверхностью. К недостаткам применения станов данной конструкции относятся ограниченный сортамент горячекатаных труб и наличие большого парка инструмента.
Заготовкой для волочения могут быть бесшовные трубы, полученные на реечных станах. Трубы-заготовки изготавливают диаметром 57-219 мм с толщиной стенки 2,5-15 мм. Для изготовления труб на реечных станах используют катаную заготовку квадратного сечения. Технологический процесс производства труб на установках с реечным станом состоит из следующих основных операций: прошивки на прессе в гильзы-стаканы, раскатки на стане-элонгаторе, проталкивания стаканов при помощи дорна через ряд колец или роликовых обойм на реечном стане, обкатки в обкатной машине, извлечения дорна, обрезки донышка, калибровки наружного диаметра в калибровочном стане и отделки. Схема проталкивания труб на реечном стане через матрицы (кольца) показана на рис. 2, в. Преимуществом способа изготовления труб на установках с реечным станом в сравнении с другими является отсутствие плен на внутренней поверхности из-за применения данного способа прошивки. Все виды брака на установках с реечным станом подразделяются на недокат (разрыв стакана в элонгаторе, пробивание донышка, разрыв труб в реечном стане) и брак готовых труб (риски, мелкие трещины, раковины, повышенная разностенность и др.). Основным недостатком установок с реечным станом является получение труб с повышенной разностенностью; кроме того, данные установки имеют довольно низкую производительность. В СССР установки с реечным станом не получили широкого распространения.
На установках с трехвалковым раскатным станом получают горячекатаные бесшовные трубы с точностью по толщине стенки в 2-2,5 раза больше, чем на установках с автоматическим станом. На установках прокатывают трубы диаметром 38-200 мм с толщиной стенки 3-25 мм и более. Технологический процесс включает в себя прошивку на косовалковых станах, раскатку гильз в трубы на трехвалковых станах на длинной оправке и калибровку труб на калибровочных станах. На трехвалковых станах получают трубы с минимальными допусками и припусками по разностенности. Схема очага деформации при прокатке труб на трехвалковом стане показана на рис. 2, г. В трехвалковой раскатной клети валки расположены под углом 120 относительно друг друга. Валки наклонены к оси прокатки (угол раскатки) примерно на 7, угол скрещивания осей валка и прокатки (угол подачи) составляет 3-6. Угол раскатки определяет степень поперечной раскатки, а угол подачи - скорость прокатки. Валки вращаются в одном направлении. При прокатке гильзы (вследствие наклонного положения валков относительно оси прокатки) после захвата происходит ее редуцирование, так как существует зазор между гильзой и оправкой. При дальнейшем движении гильзы в конусе захвата происходит обжатие по диаметру и толщине стенки, причем величина обжатия по стенке равна уменьшению радиуса гильзы. Основная деформация по стенке осуществляется гребнем валка. Условием стабильности процесса прокатки на трехвалковом стане является создание достаточных втягивающих сил, которые обеспечиваются на участке захвата, для преодоления выталкивающих сил, которые образуются передней частью гребня валка. После обжатия стенки происходит ее калибровка на калибрующем участке и дальнейшая раскатка на выходном коническом участке с подъемом трубы по диаметру и образованием зазора, необходимого для свободного извлечения оправки из трубы. Основными видами брака при прокатке на трехвалковых станах являются наружные винтовые порезы, граненность, расслоение, мелкие раковины и рябизна, повышенная овальность, трещины и др. Производительность установок с трехвалковым станом ниже, чем установок с автоматическим станом.
Горячекатаные бесшовные трубы, полученные на установках с пилигримовыми станами, редко применяются в качестве заготовки для волочения. На пилигримовых станах получают трубы диаметром 48-650 мм с толщиной стенки 2,25-50 мм. Технологический процесс производства труб на установках с пилигримовым станом включает прошивку слитков в гильзы, прокатку гильз в трубы на пилигримовых станах, калибровку или редуцирование труб, отделку. В соответствии с размерами прокатываемых труб пилигримовые установки делятся на малые, средние и большие. На этих установках основная деформация осуществляется на пилигримовых станах, а не на прошивных.
Схема прокатки труб на пилигримовых станах показана на рис. 2, д. Рабочие валки имеют круглый ручей с переменной по окружности шириной и глубиной. Валки вращаются в направлении, обратном направлению подачи гильзы. Размеры холостого калибра больше диаметра гильзы. Гильза вместе с длинной оправкой (дорном) подающим аппаратом задается в раскрытый зев валков. При дальнейшей прокатке размеры калибра "в свету" постепенно уменьшаются и происходит деформация трубы. При этом валками отжимается захваченный кольцеобразный участок гильзы в направлении вращения валков, а участок гильзы вместе с дорном перемещается назад. Гильзу подают частями после поворота валков на 360 с кантовкой гильзы вокруг оси на 90. При прокатке на пилигримовых станах всегда остается задний конусный участок гильзы, называемый пилигримовой головкой, которая после прокатки обрезается на пиле. Прошитая гильза всегда задается в стан донной частью слитка. После прокатки каждой гильзы необходима смена и охлаждение дорна, поэтому для одного стана в работе одновременно используют несколько дорнов. На качество труб влияет не только правильное ведение технологического процесса, но и дендритная структура литого металла. Основные виды брака: трещины, плены, расслой металла, местное утолщение диаметра труб в виде "бугров", закаты, рванины, "гармошка" и др.
Одной из разновидностей пилигримовой прокатки служит холодная (теплая) прокатка труб на станах типа ХПТ. Трубы, полученные на этих станах, широко применяются в виде заготовки для волочения. Отличительной особенностью процесса холодной прокатки состоит в том, что коническая оправка неподвижна, а рабочая клеть с валками подвижна.
Сущность способа валковой холодной (теплой) прокатки заключается в периодическом уменьшении диаметра и толщины стенки труб. Рабочие калибры с полукруглой выточкой переменного сечения закрепляются на валках, а коническая оправка - на неподвижном стержне.
Трубная заготовка, надетая на стержень с оправкой, задним концом зажимается в патроне подачи и поворота, а передним концом входит в кольцевую щель, образованную калибрами и оправкой. При движении клети вперед сначала труба обжимается только по диаметру до соприкосновения с оправкой, а затем по диаметру и толщине стенки. В крайнем переднем положении клети получают заданные размеры готовой трубы и заготовки поворачиваются. Обратным ходом клети раскатывается неравномерность толщины стенки по периметру, полученная за счет выпусков калибров.
К недостаткам станов ХПТ относятся: низкая производительность, трудоемкость изготовления инструмента, высокие эксплуатационные расходы и др.
Роликовые станы холодной прокатки труб (типа ХПТР) имеют также возвратно-поступательное движение рабочей клети, имеющей 3-4 катающих ролика. Прокатка осуществляется на цилиндрической оправке. Калибр роликов в конце прямого хода клети образует замкнутый круг. Данные станы предназначены для получения тонкостенных и особотонкостенных труб. Сортамент прокатываемых труб: 8-120х0,1-0,8 мм.
Прессованная заготовка для волочения применяется широко для изготовления труб из цветных металлов и меньше для труб из черных металлов. Основным преимуществом прессования является возможность получения труб из малопластичных металлов, специальных профилей, биметаллических и др. Прессованием получают стальные трубы диаметром 38-140 мм с толщиной стенки 2- 6 мм. Технологический процесс изготовления труб на установках с прессом состоит из следующих основных операций: прессования, редуцирования и отделки. Исходным материалом для прессования служат круглые катаные заготовки. При прессовании вначале штемпелем запрессовывают заготовку в приемник пресса. Затем пуансоном прошивают ее и выдавливают через кольцевое отверстие, образованное матрицей и иглой; причем пуансон и штемпель двигаются одновременно до полного выпрессовывания трубы. Оставшийся пресс-остаток обрезается пилой. В отдельных случаях применяется заранее прошитая или просверленная заготовка; длина прессованных труб 25-40 м.
Сварные трубы изготовляют формовкой из полосы или штрипса; кромки соединяют сваркой различными способами. В последнее время сварные трубы находят все большее распространение, так как они значительно дешевле бесшовных. Водопроводные и газопроводные трубы размером 10÷114х2÷5 мм изготавливают из углеродистой стали печной сваркой встык. Технологический процесс состоит из следующих основных операций: размотки рулона, нагрева, формовки со сваркой давлением, редуцирования или калибровки, отделки. При электрической сварке кромок после формовки цикл технологических операций примерно одинаков. Электросваркой получают тонкостенные трубы с высоким качеством сварного шва. Наиболее распространенной является сварка сопротивлением. Этим способом получают трубы диаметром до 630 мм с толщиной стенки 0,15-20 мм. Трубы формуют на непрерывном стане (5-12 клетей). Кромки штрипса разогревают электрическим током и сваривают. Наружный грат снимается резцом в процессе сварки труб, внутренний - в процессе сварки или на отдельно стоящем оборудовании; иногда применяют закатку грата. При производстве труб большого диаметра применяют сварку под слоем флюса. В последнее время при производстве сварных труб применяют индукционную и радиочастотную сварку. При индукционной сварке кромки штрипса нагревают вихревыми токами и сваривают давлением приводных роликов. При радиочастотной сварке током частот 400-500 тыс. Гц нагревают только узкую зону кромок и также под давлением сваривают. Применение данных способов положительно влияет на качество шва и повышает производительность станов.
Свертно-паяные трубы как заготовки для дальнейшего холодного волочения изготавливают диаметром 3-32 мм с толщиной стенки 0,2-1,5 мм с продольным расположением кромок из омедненной стальной ленты и со спиральным - из стальной неомедненной ленты. Технологический процесс состоит из подготовки и сворачивания ленты в заготовку, нагрева заготовки для спайки, разрезки и отделки труб. Все операции осуществляют непрерывно на одной установке. Свертно-паяные трубы могут изготавливаться биметаллическими. При изготовлении труб из неомедненной ленты в состав установки входит кромкоскашивающий стан для среза кромки резцами. Производительность установок для изготовления свертно-паяных труб до 35 м/мин.
