Производство бесшовных и сварных труб.

ВВЕДЕНИЕ

Формообразование пластическим деформированием основано на способности заготовок из металлов изменять свою форму без разрушения.

Пластическое деформирование один из основных способов получения заготовок и деталей в машиностроении. Почти 90% всей выплавляемой стали и 60% цветных металлов подвергают тем или иным способам обработки давлением. Широкое применение заготовок и деталей, полученных обработкой давлением объясняется прежде всего их малой стоимостью, большой производительностью изготовления, малой материалоемкостью, высокой точностью и высоким качеством поверхности.

При пластическом деформировании происходит частичное или полное изменение формы заготовки за счет перераспределения объема под действием внешних сил. При этом первоначальная масса металла, претерпевшего формообразования, остается неизменной. Пластическая деформация может проводится в холодном, либо в горячем состоянии металла. К этому виду обработки относят ковку; листовую и объемную штамповку; прокатку; волочение; выдавливание; штамповку взрывом, импульсным магнитным полем, эластичными рабочими средами и др.

Обработкой давлением могут быть получены заготовки или детали из материалов, обладающих пластичностью.

В основе физической сущности различных видов пластического деформирования лежат общие закономерности, на основании которых возможно управление физическими свойствами деталей и процессами формообразования.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

1. Закон постоянства объема. Объем металла при его пластическом деформировании остается неизменным.

2. Закон наличия упругой деформации при пластическом деформировании. При любом пластическом деформировании общая деформация складывается из упругой и остаточной.

3. Закон остаточных напряжений. При обработке давлением однородная пластическая деформация практически не имеет места, хотя при решении она принимается равномерной. Неоднородность деформаций обусловлена контактным трением, неравномерным распределением температур, неоднородностью химического состава и механических свойств, формой деформируемого тела и деформирующего инструмента. При неравномерной деформации отдельные зерна деформируются по-разному. Однако благодаря связи между собой они не могут самостоятельно изменять размеры. В результате взаимного влияния возникают напряжения со стороны более деформированных участков, которые будут увеличивать деформацию менее деформированных участков и наоборот. Эти напряжения называются дополнительными. Дополнительные напряжения бывают трех видов:

– напряжения первого рода, уравновешивающиеся между отдельными частями тела;

– напряжения второго рода, уравновешивающиеся между отдельными зернами;

– напряжения третьего рода, уравновешивающиеся между отдельными элементами зерна.

После снятия деформирующего усилия дополнительные напряжения остаются в металле; в этом случае их называют остаточными, их характеристика аналогична характеристике дополнительных напряжений. Остаточные напряжения можно полностью или частично снять при нагреве металла:

– при температурах нагрева выше температуры возврата и ниже температуры рекристаллизации снимают остаточные напряжения второго и первого родов;

– при температуре рекристаллизации снимают остаточные напряжения третьего, второго и первого родов.

 

ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Операции пластического деформирования классифицируют в зависимости от используемого инструмента, оборудования, температуры обрабатываемого металла и других признаков. В зависимости от применяемого инструмента, деформирующего металл, различают штамповую и бесштамповую обработку.

При штамповой обработке на машине используют специальный инструмент – штамп. С помощью штампа можно получать изделия одинаковых размеров. При бесштамповой обработке на машине используют универсальный деформирующий инструмент, позволяющий получать различные размеры и формы заготовок изделий.

К операциям штамповой обработки относят объемную и листовую штамповку. При операциях листовой штамповки исходная заготовка деформируется из листового металла и в процессе пластического деформирования ее толщина не меняется или изменяется незначительно. При операциях объемной штамповки размеры исходной заготовки значительно изменяются по трем направлениям.

Основными операциями бесштамповой обработки являются прокатка, ковка, волочение, прессование.

 

ПРОКАТКА

Прокаткой называют вид обработки давлением, при котором металл пластически деформируется вращающимися гладкими или имеющими соответствующие канавки (ручьи) валками. Взаимное расположение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различными. При этом получают прокат – готовые изделия или заготовки для последующей обработки ковкой, штамповкой, прессованием, волочением, резанием. В прокат перерабатывают до 80% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов и сплавов. Его используют в машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности.

Виды прокатки. Существуют три основных вида прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая (косая). При продольной прокатке (рис. 3.1, I) заготовка 2 деформируется между гладкими или имеющими калибры валками 1, вращающимися в противоположные стороны, и перемещается перпендикулярно к осям валков.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 3.1, II) валки 1 вращаются в одном направлении, оси их параллельны, а заготовка 2 деформируется ими, вращаясь вокруг своей оси.

При поперечно-винтовой (косой) прокатке (рис. 3.1, III) валки 1 вращаются в одном направлении, оси их расположены под некоторым углом, благодаря чему заготовка 2 деформируется валками и при этом не только вращается, но и перемещается поступательно вдоль своей оси.

Рис. 3.1.Основные виды прокатки:

I – продольная прокатка (а – в гладких валках; б – в калибрах); II – поперечная прокатка; III – поперечно-винтовая прокатка (а – в гладких валках; б – в спиральных валках; в – винтовая (косая) прокатка труб)

ОБОРУДОВАНИЕ ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Прокатным станом называется технологический комплекс последовательно расположенных машин и агрегатов, предназначенных для пластической деформации металла в валках, дальнейшей его обработки, отделки и транспортировки. Высокая производительность прокатных станов определяется тем, что в них совмещены рабочие и транспортные операции и процесс обработки можно вести непрерывно. Использование полученного со станов фасонного и листового проката в качестве заготовок под штамповку резко повышает производительность штамповочного оборудования, снижает отходы металла.

Различают станы продольной, поперечной и поперечно-винтовой прокатки.

На станах продольной прокатки получают листовой и сортовой прокат.

С таны поперечной прокатки служат для получения заготовок в форме тел вращения. На станах поперечной прокатки получают заготовки зубчатых колес, шаров и других деталей.

Станы поперечно-винтовой прокатки используются для производства заготовок осей, шпинделей зубчатых колес, труб и других деталей.

Комплект прокатных валков со станиной называется рабочей клетью.

На рис. 3.2. представлена кинематическая схема оборудования для деформации прокатываемого металла в валках.

Рис. 3.2. Кинематическая схема прокатного стана:

1 – рабочая клеть, 2 – валки, 3 – шпиндели, 4 – шестеренная клеть,

5 – муфты, 6 – редуктор, 7 – электродвигатель

В рабочей клети 1 в подушках с подшипниками расположены валки 2, вращательное движение не которые передается от главного электродвигателя 7 через редуктор 6, муфты 5, шестеренную клеть 4 и шпиндели 3.

В зависимости от конструкции и расположения валков рабочие клети прокатных станов подразделяются на шесть групп: дуо; трио; кварто; многовалковые; универсальные и специальной конструкции (рис. 3.3).

Клети дуо (двухвалковые) бывают реверсивные (прокатка ведется в две стороны) и нереверсивные (прокатка ведется в одну сторону).

Клети трио чаще нереверсивные. Прокатка на таких станах ведется вперед между нижним и средним валком и назад между верхним и средним. Различают клети трио сортовые – все валки приводные, имеющие одинаковый диаметр, и листовые – средний валок у которых меньшего диаметра и является холостым; при прокатке он прижимается то к верхнему, то к нижнему валку, за счет чего получает вращение.

Клети кварто имеют четыре валка, расположенные друг над другом, и из них два рабочих валка меньшего диаметра и два опорных – большего диаметра. Различают листовые клети кварто, применяемые для прокатки толстых листов, полос и броневых плит, и клети кварто для прокатки рулонов. Последние применяются в станах холодной и горячей прокатки тонких листов, полос, лент, причем перед клетью может устанавливаться разматыватель рулонов, а сзади моталка, создающая натяжение полосы.

Многовалковые клети имеют пять и более валков. Благодаря жесткости и относительно малому прогибу опорных валков на этих клетях производится холодная прокатка тонких полос и узких лент с малым допуском по толщине.

Рис. 3.3. Классификация рабочих клетей:

а – дуо; б – трио сортовые; в – трио листовые; г – кварто листовые; д – кварто для прокатки рулонов; е – многовалковая (шестивалковая); ж – многовалковая (двадцативалковая); з – универсальная; и – специальная (колесопрокатная);

1 – разматыватель рулонов; 2 – моталка, создающая натяжение

Универсальные клети имеют горизонтальные и вертикальные валки: последние обеспечивают обжатие металла в поперечном направлении. Вертикальные валки располагаются, как правило, с передней стороны.

К клетям специальной конструкции относятся клети прокатных станов узкого назначения: колеснопрокатных, кольцепрокатных, шаропрокатных, станов для прокатки профилей переменного сечения.

В зависимости от назначения прокатные станы можно подразделить на следующие группы: заготовочные, рельсовые, толстолистовые, среднелистовые, тонколистовые, непрерывные листовые (широкополосные) и штрипсовые (производящие штрипс-заготовку для труб в виде полосы шириной до 300 мм).

Основным параметром обжимных и сортовых станов продольной прокатки обычно является диаметр валков. Основным параметром листовых станов является длина бочек валка, которая определяет максимальную ширину прокатываемых листов и полос. Основным параметром трубных и специальных станов является максимальный размер прокатываемого на стане изделия.

 

ПРОИЗВОДСТВО БЛЮМОВ, СЛЯБОВ, ЛИСТОВОГО И СОРТОВОГО ПРОКАТА

Исходными заготовками при производстве сортового проката или листов являются слитки. Перед прокаткой слитки подогревают до температуры 1300^оС.

На рис. 3.4. приведена схема производства сортового проката.

Исходные заготовки – стальные слитки массой до 60 т – нагревают в нагревательных колодцах 1 и подают на слитковоз, который привозит и укладывает слиток 2 на приемный рольганг блюминга 3, после прокатки на котором получают полупродукт квадратного сечения (от140х140 до 400х400 мм), называемый блюмом 4. Блюм, двигаясь по рольгангу, проходит машину огневой зачистки, где производится зачистка поверхностных дефектов, и подается к ножницам, где режется на мерные заготовки. Далее блюм поступает, иногда после дополнительного нагрева, на заготовочный стан 5, где производится прокатка на блюмы сечением от 50х50 до 150х150 мм и затем непосредственно на сортопрокатный стан. Для получения требуемого профиля заготовка проходит ряд клетей.

На рис. 3.4. представлено полунепрерывное расположение клетей сортопрокатного стана. В первой группе (7, 8,9) заготовка прокатывается непрерывно, т.е. находится в них одновременно, а во второй группе (10, 11) осуществляется последовательная прокатка.

Рис. 3.4. Схема прокатного производства сортового проката:

1 – нагревательный колодец; 2 – слиток; 3 – блюминг; 4 – блюм;

5 – заготовочный стан; 6 – блюм меньшего сечения; 7, 8, 9, 10, 11 – клети сортопрокатного стана

Полученный прокат требуемого профиля разрезают на заданную длину, охлаждают, правят в холодном состоянии, обрабатывают термически и удаляют поверхностные дефекты.

На рис. 3.5 приведена схема прокатки листов.

Рис. 3.5. Схема прокатного производства листового проката:

1 – слиток; 2 – слябинг; 3 – слябы; 4 – рабочая черновая клеть;

5 – рабочая чистовая клеть

Нагретый слиток 1 массой до 50 т подается на обжимной универсальный стан – слябинг 2 для прокатки в слябы 3, которые имеют прямоугольное сечение размером от 90х1000 до 250х1800 мм и длиной 1,5…5,5 м. Процесс прокатки на слябинге в основном аналогичен процессу прокатки на блюминге. После 15…21 проходов металл поступает в машину огневой очистки для зачистки поверхностных дефектов, затем его транспортируют к ножницам и далее – на листовые станы. Листовые станы состоят из двух рабочих клетей – черновой 4 и листовой 5, расположенных друг за другом. По выходе из чистовой клети толщина листа достигает 4 мм, затем листы подвергают охлаждению, правке в листоправильных машинах, обрезке боковых кромок и резке на мерные длины или сматывают в рулон.

 

ПРОИЗВОДСТВО БЕСШОВНЫХ ТРУБ

На рис. 3.6. представлена схема производства бесшовных труб на установке с пилигримовым станом.

Рис. 3.6. Схема прокатки бесшовных труб на трубопрокатной установке с пилигримовым станом:

а – прошивной стан; б – пилигримовый стан; в – калибровочный стан;

1 – заготовка; 2 – валки; 3 – игла; 4 – рабочие валки пилигримового стана;

5 – заготовка; 6 – заготовка с оправкой; 7 – калибровочные валки

В качестве заготовок для производства бесшовных труб используют слитки, а также катанные заготовки. Процесс прокатки состоит из двух основных операций: прошивки отверстия в заготовке и прокатки прошитой заготовки. Прошивку выполняют на прошивном стане поперечно-винтовой прокатки двумя конусообразными рабочими валками 2, оси которых пересекаются под углом 6…12⁰. В валках такого стана заготовка 1 получает одновременно вращательное и поступательное движение. При этом в заготовке возникают радиальные растягивающие напряжения, вызывающие течение металла от ее центра и периферии, в результате чего металл в центре заготовки доводится до состояния разрыхления, и заготовка сравнительно легко прошивается прошивнем (иглой) 3 с образованием трубной заготовки – гильзы, которая передается к пилигримовым станам.

Рабочие валки 4 пилигримового стана вращаются в разные стороны с одинаковой скоростью. При этом направление вращения валков противоположно направлению подачи заготовки 5. Валки имеют переменный профиль, вследствие чего сечение калибра непрерывно изменяется при каждом обороте валков. При максимальном размере калибра заготовка с оправкой 6 продвигается в валки на величину подачи. После того, как валки сделают полный оборот и возвратятся в исходное положение, оправку с заготовкой поворачивают на 90⁰ и снова подают в валки для обжатия. Этот цикл повторяется до получения трубы требуемых размеров.

В современных условиях применяется многовалковый калибровочный стан для одновременной калибровки и правки труб. Трубы после калибровки поступают на оборудование для отделки и контроля качества. На установках с пилигримовым станом получают трубы различного назначения: бурильные, насосно-компрессорные, нефте-, газо- и паропроводные из углеродистых и низколегированных сталей.

На рис 3.7. представлена схема установки с автоматическим станом.

Рис. 3.7. Схема прокатки бесшовных труб на трубопрокатной установке с автоматическим станом: а – прошивной стан; б – автомтический стан; в – обкатной стан; г – калибровочный стан; 1 – заготовка; 2 – валки; 3 – игла; 4 – труба;

5 – круглые калибры; 6 – оправка; 7 – обкатные валки; 8 - калибровочные валки

Прокатку заготовки 1, прошитой на прошивном стане, производят на неподвижной оправке в круглых калибрах 5. Толщина стенки трубы 4 зависит от просвета между калибром и оправкой 6. При получении требуемой толщины стенки наружный диаметр трубы уменьшается. Прокатку выполняют за два прохода с поворотом трубы на 90⁰ после первого прохода. Для устранения неровностей, рисок, овальности и неравномерной толщины стенок полученную трубу обкатывают в обкатном стане и для получения заданных размеров пропускают через калибровочный стан. На этой установке получают трубы диаметром 60…426 мм с толщиной стенки 4…13 мм.

ПРОИЗВОДСТВО СВАРНЫХ ТРУБ

Сварные трубы из низколегированных и низкоуглеродистых сталей прокатывают из прокатных полос, называемых штрипсами, ширина которых равна длине окружности трубы. Процесс производства сварных труб включает в себя формовку плоской заготовки в трубу, сварку (печную, электрическую, газовую, высокочастотную и др.), правку, калибровку (рис. 3.8).

 

Рис. 3.8. Схема производства труб непрерывной печной сваркой:

1 – щтрипс в рулонах; 2 – тянущие ролики; 3 – нагревательная печь;

4 – формовочно-сварочный стан; 5 – клети редукционного стана;

6 – клети калибровочного стана

Для получения сварных труб заготовкой служит горячекатаный штрипс в рулонах 1, который своим передним концом сваривается с задним концом штрипса предыдущего рулона. Подача концов штрипсов к месту сварки производится при помощи тянущих роликов листоправильной машины 2. Непрерывный штрипс проходит через нагревательную печь тоннельного типа 3, где нагревается до температуры 1320…1400^оС.

При выходе из печи штрипс обдувается сжатым воздухом, что повышает температуру кромок на 60…100^оС и сбивает окалину. Непосредственно за печью устанавливается многоклетьевой формовочно-сварочный стан 4, в клетях которого штрипс сворачивается в полный круг, кромки сжимаются и свариваются. В последующих клетях происходит обжатие трубы. Для получения трубы требуемого размера и качества поверхности она прокатывается в клетях редукционного 5 и калибровочного 6 станов. Процесс осуществляется со скоростью 200 м/мин.

 

Контрольные вопросы

1. Назовите основные законы пластического деформирования.

2. Перечислите операции штамповой и бесштамповой обработки.

3. Что называется прокаткой?

4. Виды прокатки.

5. Что называется прокатным станом?

6. Что такое рабочая клеть?

7. Что называют блюмом, слябом?

8. На каких станах получают бесшовные и сварные трубы?

Лекция № 4.

Тема: «ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОКОВОК»

Введение.

Ковка.