Исследование процесса раскатки труб на агрегатах с непрерывными станами с целью повышения износостойкости оправок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Исследование процесса раскатки труб на агрегатах с непрерывными станами с целью повышения износостойкости оправок

Специальность 05.16.05 - «Обработка металлов давлением»

кандидата технических наук

Красиков Андрей Владимирович

Москва - 2015

Работа выполнена на кафедре технологии и оборудования трубного производства (ТОТП) в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Вавилкин Николай Михайлович

Официальные оппоненты:

Роберов Илья Георгиевич доктор технических наук, ФГУП «Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации», главный технолог

Минтаханов Михаил Алексеевич кандидат технических наук, ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения», начальник конструкторского бюро перспективного проектирования

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)

Защита состоится «11» февраля 2015 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.132.09 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте НИТУ «МИСиС» www.misis.ru

Автореферат разослан «26» декабря 2014 года

Справки по телефону: (495) 955-01-27 E-mail: pdss@misis.ru

Ученый секретарь диссертационного совета С.М. Ионов

Общая характеристика работы

тепловой раскатка хромоникелевый сталь

Актуальность работы. Одной из главных задач, стоящей перед трубной промышленностью Российской Федерации, является сокращение производственных издержек при обеспечении высокого качества выпускаемой продукции. Производство труб на трубопрокатных агрегатах (ТПА) с непрерывными станами получило наибольшее развитие ввиду высокой производительности и экономичности. В отечественной и мировой практике, кроме плавающих оправок, эксплуатируются так же контролируемо-перемещаемые, раскатка гильз на которых осуществляется в двух и трехвалковых клетях. Изменение условий контакта контролируемо-перемещаемой оправки с деформируемым металлом в трехвалковых клетях существенно влияет на износостойкость инструмента и требует проведения сравнительного анализа деформационных, энергосиловых и кинематических параметров процесса раскатки. Длинные оправки непрерывных станов эксплуатируются в тяжелых температурных и силовых условиях, а тенденция к увеличению производства бесшовных труб из легированных сталей существенно усугубляет эти условия. Доля затрат на плавающие оправки в себестоимости готовых труб составляет 3-5 %, а на контролируемо-перемещаемые доходит до 20%. Одним из основных факторов определяющим стойкость длинных оправок является уровень температуры и её распределение по объёму раскатного инструмента. В этой связи сравнительное исследование теплового состояния плавающих и контролируемо-перемещаемых оправок в процессе раскатки в непрерывных станах с двух и трехвалковыми клетями является актуальной задачей. Неравномерный разогрев длинных оправок в процессе раскатки и дальнейшее резкое охлаждение приводят к появлению знакопеременных термических напряжений, что обуславливает необходимость исследования их циклического воздействия на инструмент с целью предотвращения появления сетки разгара.

Одним из характерных видов износа в производственной практике является уменьшение диаметра длинной оправки. Изнашивание оправок в цикле раскатки носит комбинированный характер. В производственных условиях уменьшение рабочего диаметра оправки до определенной критической величины является браковочным признаком, после чего инструмент направляется в переточку на меньший размер. В этой связи актуальной задачей является исследование уменьшения диаметра длинных оправок с целью повышения их стойкости.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование процесса раскатки на ТПА с непрерывными станами, и совершенствование на этой основе условий эксплуатации длинных оправок для повышения их износостойкости.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести сравнительный анализ деформационных, энергосиловых и кинематических параметров раскатки на плавающей и контролируемо-перемещаемой оправках в непрерывных станах с двух и трехвалковыми клетями;

- определить тепловое и термонапряженное состояние длинных оправок в зависимости от технологических факторов раскатки и оценить сходимость полученных результатов в промышленных условиях;

- изучить особенности одного из характерных видов износа уменьшения диаметра длинных оправок из конструкционных хромоникелевых сталей;

- исследовать особенности теплового и термонапряженного состояния длинных оправок с наплавленным слоем областей повышенного износа.

Научная новизна:

- проведен сравнительный анализ процесса формоизменения, действия сил трения в очагах деформации и скоростей движения плавающей и контролируемо-перемещаемой оправок в непрерывных станах с двух и трехвалковыми клетями;

- усовершенствована методика и произведен расчет теплового состояния плавающих и контролируемо-перемещаемых оправок при раскатке гильз в непрерывных станах, рассчитаны их температурные поля в цикле раскатки, произведена оценка термических напряжений. Установлены общие закономерности влияния основных технологических факторов, в широком диапазоне их изменения, на температурное поле и термонапряженное состояние;

- на основании экспериментальных исследований определены закономерности уменьшения диаметра длинных оправок из хромоникелевых сталей, обеспечивающие увеличение износостойкости инструмента при комбинированной раскатке гильз из углеродистых и легированных марок сталей;

- установлены характерные особенности теплового и термонапряженного состояния длинных оправок с наплавкой областей повышенного износа жаростойким сплавом.

Реализация результатов работы:

- сформулированы предложения по комбинированному режиму эксплуатации плавающих оправок непрерывных станов с двухвалковыми клетями, опробованные в промышленных условиях;

- результаты исследований внедрены в технологический процесс производства бесшовных труб из легированных марок сталей на агрегате с непрерывным станом ТПА 80 ОАО «Синарский трубный завод» (ОАО «СинТЗ»);

- результаты работы внедрены в процесс обучения студентов по направлению «Металлургия» с профилем «Обработка металлов давлением».

Методы исследований и достоверность результатов.

Сравнительный анализ процесса формоизменения при раскатке гильзы в непрерывных станах с двух и трехвалковыми клетями проводился с использованием объектно-ориентированной среды автоматизированного проектирования AutoCAD. Для реализации разработанной методики расчета теплового и термонапряженного состояния длинных оправок по средством метода конечных разностей была создана программа на языке Pascal в среде Delphi.

Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, имеют теоретическое и практическое обоснование, получены с использованием экспериментальных и теоретических методов исследования, математической обработки результатов на современной вычислительной технике. Промышленное опробование подтвердило сходимость полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на: второй международной научно-технической конференции «Павловские чтения» (ИМЕТ РАН, Москва, 2010); XIX международной научно-технической конференции «ТРУБЫ-2011» (ОАО «РосНИТИ», Челябинск, 2011); VII молодежной научно-практической конференции ОАО «Трубная металлургическая компания» (Сочи, 2011); VI Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии обработки металлов давлением» посвященной 100-летию со дня рождения П.И. Полухина (НИТУ «МИСИС», Москва, 2011).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 5 статьях в научно-технических рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, изложена на 136 страницах машинописного текста, включающего 49 рисунков, 11 таблиц, библиографический список из 81 наименования.

Основное содержание

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, отражена цель, раскрыта научная новизна, практическая значимость и приведена структура диссертации.

В первой главе отмечено, что теоретическим вопросам изучения процесса раскатки гильз в непрерывных станах посвящены многочисленные работы А.П. Чекмарева, Я.Л. Ваткина, И.П. Савкина, И.А. Чекмарева, Г.И. Гуляева, В.Н. Данченко и других авторов. Однако данные работы проводились и были ориентированы на непрерывные станы с двухвалковыми клетями. В последние годы в отечественной и мировой практике были введены в эксплуатацию непрерывные станы с трехвалковыми клетями и контролируемо-перемещаемой оправкой. Изменение схемы действия сил трения на границе контакта деформируемого металла и контролируемо-перемещаемой оправки, в сравнении с плавающей, требует дополнительного анализа деформационных, энергосиловых и кинематических параметров процесса раскатки.

Плавающие оправки изготавливаются из заготовок конструкционных легированных марок сталей, а контролируемо-перемещаемые инструментальных штамповых. Заготовку для изготовления плавающих оправок получают продольной прокаткой, для производства контролируемо-перемещаемых ковкой. Состояние рабочей поверхности и прочностные свойства плавающей оправки достигаются обкаткой заготовки, а контролируемо-перемещаемой нанесением дорогостоящего хромового покрытия. Качественный анализ позволяет сделать вывод, что стойкость оправки связана с твердостью ее рабочей поверхности и тем выше, чем больше значение данного показателя. Ввиду доступности и экономичности, наиболее перспективным представляется изготовление длинных оправок с использованием обкатки в стане поперечно-винтовой прокатки. Данное утверждение в равной мере относится как к плавающим, так и к контролируемо-перемещаемым оправкам. Имеющийся производственный опыт изготовления контролируемо-перемещаемых оправок способом обкатки и их последующей эксплуатации показал удовлетворительный результат.

Рассмотрены особенности эксплуатации оправок, работающих в тяжелых температурных и силовых условиях. Отмечена относительно низкая стойкость оправок, используемых для раскатки легированных марок сталей, при их высокой стоимости. Исчерпывающей информации по исследованиям условий эксплуатации и износа контролируемо-перемещаемых оправок при раскатке гильз, в том числе в трехвалковых клетях, в источниках нет.

Основными видами износа оправок являются: сетка разгара, уменьшение диаметра, налипание металла, вмятины рабочей поверхности и обрывы. Наиболее характерным из них в производственной практике является уменьшение диаметра оправки. Описание соответствующего механизма изнашивания в технической литературе отсутствует. Сетка разгара образуется вследствие неравномерного нагрева инструмента за время контакта с гильзой и связана с циклическим действием знакопеременных термических напряжений. Анализ износа позволяет сделать вывод о том, что одним из основных факторов, определяющих стойкость оправок, является уровень температуры и её распределение по длине и сечению инструмента.

Неоднородность температурного поля оправки возникает в момент введения инструмента в нагретую гильзу вследствие их линейного контакта. Тепловой баланс оправки складывается из количества тепла переданного теплопроводностью от нагретой гильзы, энергии пластической деформации и работы сил трения. Учитывая простую форму рассматриваемого нами объекта - оправки в виде цилиндра, наиболее подходящим для численного решения уравнения теплопроводности является метод конечных разностей.

Установлено, что при организации нового производства и реконструкции действующего приоритетным представляется применение агрегатов с непрерывным станом и контролируемо-перемещаемой оправкой.

Во второй главе представлены результаты исследования деформационных, энергосиловых и кинематических параметров раскатки на плавающей и контролируемо-перемещаемой оправках в непрерывных станах с двух и трехвалковыми клетями.

Для изучения формоизменения гильзы при деформации в непрерывных станах с двух и трехвалковыми клетями сравнивались процессы в двух раскатных станах ТПА 80 в условиях ОАО «СинТЗ» и PQF 10 3/4" ОАО «Таганрогский металлургический завод» (ОАО «ТАГМЕТ») при производстве одного типоразмера бесшовных труб 73х5,5 марки стали 32ХГ. В таблице 1 представлены исходные данные для проведения сопоставимого анализа.

Получение черновой трубы диаметром 94 мм на непрерывном стане с трехвалковыми клетями - одно из допущений, принятых в данной работе. В реальных условиях производства на агрегатах со станом PQF минимальный диаметр черновых труб составляет 125 мм.

Расчет калибровки валков непрерывного стана с трехвалковыми клетями проводился на основании рекомендуемого распределения обжатий по толщине стенки, представленного на рисунке 1.

Таблица 1 - Технические характеристики непрерывных станов с двух и трехвалковыми клетями

Сравнение по клетям модулей разности абсолютных обжатий по толщине стенки в выпуске и по дну калибра для двух и трехвалковой схем очага деформации показало существенно меньшие значения для последней. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о более равномерной деформации в трехвалковых клетях. Так же отмечается тенденция уменьшения модуля разности абсолютных обжатий со второй по шестую клети двухвалковой схемы, в то время как в трехвалковой данный показатель увеличивается до третьей клети и далее уменьшается.

Рисунок 1 - Распределение относительных обжатий по толщине стенки при раскатке гильзы по клетям непрерывных станов

Критерием плотности охвата оправки является суммарный центральный угол. Сравнение суммарных углов по клетям для двух и трехвалковой схем позволяет сделать вывод о более тесном охвате оправки в трехвалковых клетях. Наблюдается тенденция уменьшения области соприкосновения оправки с деформируемым металлом по клетям как для случая двух, так и трехвалковой схемы. Наибольший охват оправки осуществляется в первой и второй клетях для двухвалковой схемы и первой клети трехвалковой.

Контактная поверхность металла с валком в очаге деформации каждой клети при раскатке гильз в непрерывных станах с контролируемо-перемещаемой оправкой имеет зоны отставания и опережения. Ключевой особенностью данных станов, в которых скорость перемещения оправки меньше соответствующей величины выхода трубы из первой клети является то, что контактная поверхность металла с оправкой в очаге деформации каждой клети имеет только зону опережения. С одной стороны это создаёт дополнительное сопротивление течению металла в продольном направлении и необходимость подвода дополнительной мощности в очаг деформации со стороны валков. С другой - увеличение мощности приведёт к сокращению зоны опережения на контактной поверхности трубы с валками и реализации однонаправленной схемы действия сил трения.

При раскатке гильзы в непрерывных станах с трехвалковыми клетями на контролируемо-перемещаемой оправке, за исключением зазора, напряженное состояние деформируемого металла описывается схемой всестороннего сжатия. Данная схема обеспечивает благоприятное напряженное состояние, а значит контролируемое перемещение оправок создает возможность раскатки не только углеродистых, но и легированных сталей.

Для раскатки на плавающей оправке до транспортирующей клети действует схема с одним растягивающим и двумя сжимающими напряжениями, а после, как и в случае контролируемого перемещения, только схема всестороннего сжатия.

Стоит отметить, что как для раскатки на плавающей оправке, так и на контролируемо-перемещаемой радиальное напряжение металла в зазоре отсутствует, а в зоне выпуска, ограниченной калибром, его значение меньше по модулю в сравнении с соответствующими напряжениями по дну калибра и в средней точкой периметра.

При использовании трёхвалковой схемы уменьшается глубина ручьёв, соответственно уменьшается разность окружных скоростей валка в вершине и выпусках. Данное обстоятельство приводит к более равномерному распределению окружных скоростей по периметру трёхвалкового калибра и меньшему скольжению металла относительно валков на контактной поверхности.

Сравнительный анализ скоростей плавающей и контролируемо-перемещаемых оправок проводился в два этапа. На первом сравнивались плавающая и контролируемо-перемещаемая оправки, а на втором этапе две контролируемо-перемещаемые в условиях непрерывных станов с двух и трехвалковыми клетями. Сравнение проводилось для условий раскатки гильз в непрерывных станах ОАО «СинТЗ», ОАО «ТАГМЕТ» и ОАО «Волжский трубный завод» (ОАО «ВТЗ») при производстве труб одного типоразмера.

При проведении сравнительного анализа скоростей движения плавающей и контролируемо-перемещаемой оправок учитывалась последовательность движения и условие обеспечения стабильности процесса раскатки для последней. Контролируемо-перемещаемая оправка с постоянной скоростью передвигается вдоль очага деформации до тех пор, пока ее передний конец не выходит на 1,5-2 м за последнюю клеть стана, после чего тормозится и меняет направление на обратное. При этом скорость обратного хода оправки выбиралась таким образом, чтобы ее рабочая часть не вышла из очага деформации пятой клети до завершения процесса раскатки гильзы.

Скорость перемещения плавающей оправки носит ступенчатый характер. Абсолютная скорость инструмента в цикле раскатки гильзы колеблется от 1400 до 4200 мм/с. Максимальное ее значение достигается на шестой секунде процесса и не меняется до конца цикла.

С первой по седьмую секунду процесса раскатки гильзы в черновую трубу контролируемо-перемещаемая оправка движется с постоянной скоростью 1280 мм/с. Далее в течение двух секунд оправка тормозится и меняет направление на противоположное. Извлечение инструмента с десятой по двенадцатую секунду происходит со скоростью 1080 мм/с.

При сравнении условий раскатки в непрерывных станах PQF 10ѕ" ОАО «ТАГМЕТ» с трехвалковыми клетями и ТПА 159-426 ОАО «ВТЗ» с двухвалковыми в качестве базового был рассмотрен типоразмер труб 168х10 мм, который изготавливается как на первом, так и на втором агрегатах. Из особенностей отмечено сходство характера изменения скоростей оправок обоих станов. В целом графики подобны с небольшими различиями в узлах изменения скоростей, а также смены направления движения оправок, что связано с особенностями конструкций раскатных и, работающих в комплексе с ними, калибровочно-извлекательных станов. Максимальная скорость движения оправки стана PQF 10ѕ" при раскатке превышает наибольшую скорость инструмента непрерывного стана ТПА 159-426 на 260 мм/с при движении вперед, и на 180 мм/с в обратном направлении. Разность во времени между сменой направления движения оправки с прямого на обратное равна 3 с, что составляет 25 % и 19 % длительности цикла раскатки для станов PQF 10ѕ" и ТПА 159-426 соответственно.

В третьей главе представлены результаты исследования теплового состояния длинных оправок непрерывных станов на основе решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности методом конечных разностей и влияния на него технологических факторов раскатки.

Для упрощения расчетов при решении задачи теплоотвод к валкам из-за кратковременности их контакта с гильзой не учитывался. С учетом допущения, тепловой баланс оправки состоит из количества тепла полученного от нагретого металла теплопроводностью, энергии выделившейся в процессе пластической деформации и работы сил трения. При расчетах температурного поля оправки использовали физические характеристики стали 35ХН2Ф для плавающей и 35Х5МФ для контролируемо-перемещаемой. Решение тепловой задачи проводилось в граничных условиях (ГУ) второго и третьего рода. Для учета особенностей теплового эффекта деформации в качестве материала гильзы принимали сталь 32ХГ из сортамента производимых труб на ОАО «СинТЗ».

В зависимости от режима работы оправки и количества валков в клети, расчеты производили в различных контрольных точках (в выпуске калибра, в средней точке периметра, по дну калибра). Контакт оправки и гильзы симметричен, поэтому достаточно рассмотреть одну часть сечения.

Разработанная методика учитывает особенности расположения оправки относительно пар валков традиционных непрерывных станов. Специфика связана с чередующимся наклоном 45 и 135 осей валков к основанию, что в свою очередь способствует более равномерному распределению тепла в процессе раскатки в сравнении с ортогональной схемой.

На первом этапе был выполнен сравнительный анализ разогрева плавающих и контролируемо-перемещаемых оправок. В таблице 1 представлены исходные данные для проведения сопоставимого анализа. Для условий раскатки гильзы на контролируемо-перемещаемой оправке коэффициент трения, обеспечиваемый использованием технологической смазки на основе графита, принимался равным 0,1. Коэффициент трения при применении триполифосфатной смазки, традиционно используемой для плавающей оправки, равен 0,042. Расчет для схем непрерывных станов с двух и трехвалковыми клетями проводили на примере производства труб размером 73Ч5,5 мм в условиях ТПА 80 ОАО «СинТЗ» и PQF 10 3/4" ОАО «ТАГМЕТ».

Неравномерность нагрева оправки с исходной температурой 100 С возникает при ее введении в нагретую до температуры 1100 С гильзу в следствие их линейного контакта. Результаты расчетов, представленные на рисунке 2, позволили установить, что температура рабочей поверхности инструмента при раскатке в трехвалковых клетях достигает 805С, в то время как в двухвалковых не более 710 С. При этом интенсивность разогрева оправки для случая контролируемого перемещения в трехвалковых клетях превышает соответствующую ей величину для плавающего режима с раскаткой в двухвалковых. В середине процесса раскатки гильзы в черновую трубу температура рабочей поверхности контролируемо-перемещаемой оправки превышает соответствующий показатель для плавающей на 39,4 %. Это можно объяснить работой сил трения вследствие контролируемого перемещения инструмента, а также более тесным охватом оправки деформируемым металлом в трехвалковых клетях.

Рисунок 2 - Разогрев рабочей поверхности плавающей и контролируемо-перемещаемой оправок

Качественный анализ влияния технологических факторов на температурное поле оправки показал, что ключевыми являются начальная температура гильзы, калибровка валков, геометрические размеры оправки и раскатываемой гильзы, время контакта с металлом, последующее время охлаждения, режим работы инструмента, вид технологической смазки, толщина слоя окалины, материал для изготовления оправок. В производственных условиях наибольшее влияние на температурное поле инструмента оказывают температура гильзы, время раскатки и диаметр оправки.

Для определения характера влияния температуры исходной гильзы на тепловое поле плавающей оправки в процессе раскатки в дополнение к расчету для случая 1100 °С, были осуществлены соответствующие вычисления для 1050°С и 1150 °С. Результаты показали разность температур 11 °С в области наконечника и более существенный градиент 23 °С в середине оправки. Данные изменения не существенно влияют на износ инструмента.

Время раскатки зависит от скорости вращения валков. Для оценки влияния данного фактора кроме рассмотренного базового варианта 12 с, проводился расчет температурного поля оправки с общим временем раскатки 8 с и 16 с. Изменение времени раскатки на 4 с приводит к изменению температуры областей максимального разогрева примерно на 50 ?С, что является существенным для исследования.

Для анализа влияния диаметра плавающей оправки на ее температурное поле в цикле раскатки были осуществлены соответствующие расчеты для размеров 63, 69, 75, 81, 83 мм. Максимальная разность температур в рассматриваемом диапазоне диаметров оправок составила 24 °С и достигается на последних двух секундах процесса раскатки. Для контролируемо-перемещаемой оправки расчеты показали максимальную разность температур 31 °С. Установлена тенденция к увеличению разогрева рабочей поверхности оправки с возрастанием ее диаметра.

Для оценки сходимости полученных расчетным путем значений температур в контрольных точках инструмента были проведены промышленные эксперименты для плавающей оправки в условиях ТПА 80 ОАО «СинТЗ», а для контролируемо-перемещаемой на непрерывном стане PQF 10 3/4" ОАО «ТАГМЕТ». Экспериментальные замеры температур в контрольных точках оправки производились пирометром «Raytek Raynger ST» при производстве бесшовных труб размером 73х5,5 мм из стали 32ХГ. При этом учитывалась особенность раскатки, заключающаяся в отсутствии контакта крайних полутора метров оправки, в том числе хвостовика, с нагретой гильзой в течении всего процесса. Замер в каждой точке производился три раза, а результат брался как среднее арифметическое. Значения температур, представленные в таблицах 2, 3, подтвердили факт неравномерного разогрева оправки по длине и сечению.

Таблица 2 - Расчетно-экспериментальные значения температур в контрольных точках на поверхности плавающей оправки

Таблица 3 - Расчетно-экспериментальные значения температур в контрольных точках на поверхности контролируемо-перемещаемой оправки

Градиент температур плавающей оправки по длине достигает 175 °С, в сечении 130 °С. Соответствующие показатели для контролируемо-перемещаемой оправки равны 200 °С по длине и 140 °С в сечении. Максимальные значения температур зафиксированы в средней точке периметра и расположены в диапазоне с 6 по 13 м от наконечника плавающей оправки и с 5 по 11 м контролируемо-перемещаемой. Сравнение расчетных результатов с экспериментальными подтвердило высокую сходимость значений. Ошибка не превысила 7 %.

В четвертой главе представлены результаты исследования термонапряженного состояния длинных оправок и влияния на него технологических факторов раскатки. Причиной появления термических напряжений является неравномерный разогрев оправки в цикле раскатки. Тепловое поле определяет интенсивность и распределение термических напряжений, возникающих в оправке при нагреве во время раскатки и дальнейшем охлаждении.

Температурные напряжения, возникающие в переменном температурном поле, находятся решением линейной квазистатической задачи термоупругости в декартовой системе координат. Постановка плоской задачи термоупругости заключается в определении восьми компонентов - трех тензоров напряжений, трех тензоров деформаций и двух векторов перемещений, удовлетворяющих двум уравнениям равновесия при отсутствии объемных сил, трем соотношениям между деформациями и напряжениями, а так же соотношениям между деформациями и перемещениями. Дифференциальное уравнение для напряжений по оси получается путем подстановки в уравнение совместимости деформаций их выражения через напряжения. Применяя уравнение равновесия и интегрируя, определяем формулу напряжений. Для численного решения задачи использовался метод конечных разностей. Алгоритм вычисления термических напряжений включает задание исходных физико-механических характеристик материала оправки, расчет коэффициентов интерполяции и средних температур. Свойства материала оправки принимались постоянными. Данное допущение вносило определенную погрешность при расчете температурных напряжений. Однако эта погрешность практически не влияет на оценку запасов прочности. Результаты предварительных расчетов касательных напряжений показали, что их значения составляют не более 5 % от максимальных показателей осевого и радиального. В этой связи было сделано допущение, что данные термические напряжения являются главными.

Результаты расчетов для плавающей оправки выявили неоднородность распределения термических напряжений по длине инструмента как при раскатке, так и в процессе охлаждения. Однако существенная неоднородность термонапряженного состояния появляется именно в процессе охлаждения. В течение процесса раскатки главные напряжения на поверхности рабочей части оправки сжимающие, а при охлаждении появляются растягивающие. Таким образом, действующие на оправку напряжения изменяются циклически, что приводит к увеличению вероятности возникновения микротрещин после определенного числа пропусков инструмента. Термические напряжения максимальны на рабочей поверхности плавающей оправки, температура которой достигает 710 С. Анализ статистики выхода из строя плавающих оправок непрерывного стана ТПА 80 за 2009-2014 годы подтвердил результаты расчетов, в том числе в части расположения области максимального нагрева и износа инструмента. Для контролируемо-перемещаемой оправки, расчеты так же показали неоднородность распределения термических напряжений по длине. Однако в численном выражении разность интенсивностей напряжений для случая контролируемого перемещения и плавающей оправки достигает 134 МПа, что составляет примерно 15 % от максимального значения.

Для определения характера влияния температуры исходной гильзы на термонапряженное состояние оправки в процессе раскатки в дополнение к расчету для случая 1100 °С, были осуществлены соответствующие вычисления для 1050 °С и 1150 °С. Результаты показали разность интенсивностей напряжений 13 МПа в области наконечника оправки и градиент 27 МПа в зоне максимального разогрева с 6 по 13 м. Данные изменения не существенно влияют на стойкость инструмента.

Для оценки влияния фактора общего времени к рассмотренному варианту 12с, проводился расчет термонапряженного состояния оправки с общим временем раскатки 8 с и 16 с. Корректировка времени раскатки на 4 с приводит к изменению интенсивности напряжений в области наибольшего разогрева примерно на 71 МПа, что составляет 8 % от максимального значения данного показателя на поверхности плавающей оправки и является существенным для исследования.

Для анализа влияния диаметра оправки на ее термонапряженное состояние в цикле раскатки были осуществлены соответствующие расчеты для размеров 63, 69, 75, 81, 83 мм. Максимальная разность интенсивностей напряжений в рассматриваемом диапазоне диаметров оправок составила 36 МПа. Установлена тенденция возрастания интенсивности напряжений на рабочей поверхности оправки с увеличением ее диаметра.

Одним из основных видов износа оправок является сетка разгара, образование которой непосредственно связано с температурой инструмента и развитием термических напряжений. Для недопущения появления дефекта сетки разгара рекомендованы условия раскатки при которых температура рабочей поверхности и интенсивность напряжений не превысят 710 єС и 890 МПа для плавающей оправки, а так же 805 єС и 1024 МПа для контролируемо-перемещаемой. Минимальная температура рабочей поверхности не должна быть ниже 100 єС, а амплитуда колебаний интенсивности напряжений в цикле работы превысить 640 МПа для плавающей и 760 МПа для контролируемо-перемещаемой оправок. Поддерживать необходимый уровень температуры рабочей поверхности и интенсивности напряжений возможно осуществляя подбор рассмотренных технологических факторов.

В пятой главе приведены результаты исследования условий работы и износа длинных оправок.

Одним из характерных видов износа в производственной практике является уменьшение диаметра оправки. Как было установлено ранее наиболее перспективным представляется изготовление оправок с использованием обкатки в стане поперечно-винтовой прокатки. В процессе изготовления оправки подвергаются обкатке с припуском 1 мм в пять пропусков. Температура нагретой заготовки оправки при выходе из печи должна находиться в пределах от 820 до 870°С. Обкатка инструмента способом поперечно-винтовой прокатки сопровождается упрочнением поверхностного слоя. На каждом этапе изготовления оправок способом обкатки были осуществлены замеры твердости ее рабочей поверхности на темплетах (свидетелях) с вычислением среднего арифметического значения. Результаты показали закономерное повышение твердости от 179 до 330 HB с увеличением количества пропусков при изготовлении инструмента. Так же на всех этапах обкатки раскатных оправок проводились замеры шероховатости ее рабочей поверхности. Замеры производились с шагом 0,5 м по всей длине. Установлено, что в процессе обкатки происходит уменьшение величины шероховатости с 2,5 до 0,4 мкм.

Для изучения уменьшения диаметра оправок были произведены соответствующие замеры инструмента, а так же шероховатости поверхности после раскатки гильз из углеродистых и легированных сталей. Шероховатость измерялась по длине с шагом 0,5 м портативным измерителем TR200.

При раскатке гильз из стали 20 в количестве 800 штук микрометром «Micromar» с точностью 0,001 мм осуществлялись замеры диаметров оправки в трех сечениях: два метра от наконечника, в середине и на пятнадцатом метре. Выбор данных сечений обусловлен особенностями разогрева инструмента. Полученные результаты показали, что кампания оправок может быть условно разделена на две части - до 280 пропусков, по видимому, происходит незначительная (?D ~ 0,001-0,002 мм) пластическая деформация металла оправки в осевом направлении, сопровождающаяся дополнительным упрочнением ее рабочей поверхности, затем процесс изнашивания замедляется. Максимальное уменьшение диаметра наблюдается в области наибольшего разогрева инструмента. Шероховатость рабочей поверхности в процессе раскатки 800 штук гильз из углеродистой стали 20 возрастает от 0,25 до 4 мкм. Максимальная шероховатость наблюдается в области наибольшего разогрева оправки с 6 по 13 м от наконечника.

Результаты замеров рабочих диаметров оправки при раскатке гильз из стали 32ХГ показали, что после 150 пропусков рабочий диаметр оправки в среднем сечении уменьшился на 1 мм. Данный показатель является браковочным признаком. Интенсивность уменьшения данного показателя при раскатке легированной стали 32ХГ существенно выше, чем для стали 20. Результаты замеров шероховатости рабочей поверхности оправки показали существенную неравномерность распределения данного показателя по длине инструмента, что возможно обусловлено изменением характера изнашивания от преимущественно пластической деформации к микрорезанию.

Проведенный анализ процесса уменьшения рабочего диаметра оправки при раскатке гильз из углеродистых сталей позволил установить количество пропусков - 280, после которых интенсивность износа существенно снижается. Установленный факт замедления износа оправки послужил основанием для проведения опытной комбинированной раскатки 280 гильз из стали 20, с дальнейшей деформацией 32ХГ до браковочного признака. На момент уменьшения диаметра оправки на 1 мм было раскатано 180 гильз из легированной марки стали. Изменение шероховатости на рабочей поверхности плавающей оправки при комбинированной раскатке, представленное на рисунке 3, подтверждает эффективность предложенного режима эксплуатации инструмента.

Рисунок 3 - Изменение шероховатости рабочей поверхности оправки при комбинированной раскатке углеродистых и легированных сталей

В сравнении со штатным режимом, дополнительное упрочнение поверхности оправки при предварительной раскатке обеспечило более равномерное распределение и меньшую по абсолютному значению шероховатость инструмента после раскатки 180 штук гильз из стали 32ХГ.

По окончании промышленного эксперимента осуществлялись замеры твердости рабочей поверхности опытных оправок по длине с шагом 0,5 м. Анализ результатов замеров показал, что исходная твердость рабочей поверхности оправки снижается до 290 HB при комбинированной раскатке и до 280 HB при деформации стали 32ХГ на участках, находящихся на расстоянии с 6 по 9 м от наконечника.

Анализ результатов исследования уменьшения диаметра оправки и ее шероховатости косвенно подтверждает гипотезу о дополнительном упрочнении рабочей поверхности инструмента в процессе раскатки гильз из углеродистых сталей. Повышение износостойкости можно объяснить характером действия сил трения и направлением течения металла на рабочей поверхности оправки. При изготовлении инструмента способом обкатки силы трения действуют по винтовой линии, а значит течение металла на поверхности оправки происходит по соответствующей траектории. Можно предположить, что в процессе раскатки происходит пластическая деформация инструмента в осевом направлении. Таким образом, при предварительной раскатке углеродистых сталей сначала преобладает незначительная пластическая деформация инструмента, следствием которой является дополнительное упрочнение поверхности оправки. При дальнейшей раскатке легированных сталей, по видимому, преобладает абразивное изнашивание микрорезанием, о чем косвенно свидетельствует увеличение шероховатости.

С целью продления срока службы инструмента широко применяется наплавка областей повышенного износа высокопрочными сплавами. В качестве наплавочного материала хорошо зарекомендовал себя сплав ЭП-567. Был рассмотрен вариант оправки диаметром 81 мм с износостойким покрытием толщиной 2 мм. Анализ результатов тепловых расчетов показал, что характер распределения температуры по длине наплавленной оправки аналогичен цельной. В то же время величина температуры на наплавляемых участках оправки выше. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности материала наплавки на 10 % меньше основной стали 35ХН2Ф. Разность температур в месте соединения наплавки толщиной 2 мм с основным металлом 35ХН2Ф для цельной и наплавленной оправок составляет 25 °С. При восстановлении изношенных оправок наплавкой, установлено, что увеличение толщины наплавленного слоя с 1,5 до 2 мм оказывает существенное влияние на напряжения рабочей поверхности и границы соединения материалов. Вероятность растрескивания и отслаивания наплавки толщиной 2 мм меньше, так как значение интенсивности напряжений слоя 1,5 мм приближается к временному сопротивлению. При этом увеличение толщины дает положительный эффект, так как температура увеличивается незначительно, а уровень напряжений существенно снижается.

Основные результаты и выводы по работе

1. Проведен сравнительный анализ деформационных, энергосиловых и кинематических параметров раскатки на плавающей и контролируемо-перемещаемой оправках в непрерывных станах с двух и трехвалковыми клетями. Большие величины сил трения при раскатке на контролируемо-перемещаемой оправке в сравнении с плавающей, обеспечивают благоприятное напряженное состояние деформируемого металла, и позволяют прокатывать не только углеродистые, но и легированные марки стали. Раскатка гильз в трехвалковых клетях характеризуется более равномерной деформацией и тесным охватом длинной оправки в сравнении с двухвалковыми.

2. Усовершенствована методика определения температурного поля длинных оправок. С использованием метода конечных разностей произведен расчет температурных полей и определены основные закономерности влияния технологических факторов раскатки на уровень температур в объеме плавающей и контролируемо-перемещаемой оправок. Установлена существенная неоднородность распределения температуры по длине и сечению оправки в цикле раскатки и охлаждения. Уровень нагрева рабочей поверхности оправки для случая контролируемого перемещения с трехвалковой схемой достигает 805 °С и превышает соответствующую ей температуру 710 °С для плавающего режима с раскаткой в двухвалковых клетях, что связано с работой сил трения в следствие удержания инструмента. На основании промышленных экспериментов установлена сходимость полученных результатов.

3. На основе результатов расчета температурного поля произведена оценка термонапряженного состояния плавающей и контролируемо-перемещаемой оправок. Установлены закономерности влияния технологических факторов раскатки на термонапряженное состояние длинной оправки. Интенсивность напряжений на рабочей поверхности оправки для случая контролируемого перемещения с трехвалковой схемой достигает 1024 МПа и превышает соответствующий ей показатель 890 МПа для плавающего режима с раскаткой в двухвалковых клетях. Охлаждение плавающей оправки в ванне с водой и смена знака возникающих при этом термических напряжений увеличивают вероятность образования сетки разгара. Установлены диапазоны температур и интенсивности напряжений на рабочей поверхности оправки равные 100-805°С, 264-1024 МПа для контролируемо-перемещаемой и 100-710 °С, 250-890 МПа для плавающей, обеспечение которых при эксплуатации инструмента позволит предупредить появление сетки разгара.

4. Проведено промышленное исследование уменьшения диаметра длинных оправок. Экспериментально определено количество пропусков при раскатке углеродистых сталей - 280, после которых происходит существенное замедление интенсивности уменьшения диаметра оправки. Разработан рациональный комбинированный режим работы длинных оправок, позволяющий увеличить количество раскатанных гильз из легированных сталей после предварительной эксплуатации инструмента на углеродистых. Рациональное соотношение числа пропусков при предварительной раскатке и числа пропусков при раскатке гильз из легированных марок сталей - 60/40 % (±5 %). В процессе предварительной раскатки углеродистых сталей происходит незначительная пластическая деформация инструмента, сопровождающаяся упрочнением рабочей поверхности, а при дальнейшей деформации легированных преобладает абразивное изнашивание.

5. Установлены особенности теплового и термонапряженного состояния длинных оправок с наплавкой рабочей поверхности. Характер распределения температуры по длине наплавленной оправки аналогичен цельной, а температура на соответствующих участках длинной оправки выше на 5-15 °С. Увеличение толщины наплавленного слоя с 1,5 до 2 мм приводит к снижению максимального значения интенсивности напряжений на 30 МПа.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Исследование деформационных и кинематических параметров раскатки труб на непрерывном стане. / Вавилкин Н.М., Красиков А.В. //Изв. вуз. Черная металлургия. №11. 2009. С.22-25.

2. Особенности исследования теплового и термонапряженного состояний длинных оправок непрерывного стана при раскатке труб. / Вавилкин Н.М., Красиков А.В. //Производство проката. №8. 2010. С.25-28.

3. Исследование и разработка рациональных режимов работы технологического инструмента непрерывных трубных станов. / Красиков А.В., Вавилкин Н.М. //Производство проката. №4. 2011. С.26-28.

4. Исследование тепловых условий работы длинной оправки на непрерывных станах различной конструкции. / Романцев Б.А., Вавилкин Н.М., Лубе И.И., Красиков А.В. //Изв. вуз. Черная металлургия. №5. 2011. С.27-30.

5. Исследование и совершенствование режимов работы длинных оправок непрерывных трубных станов. / Вавилкин Н.М., Красиков А.В. // Черные металлы. №4. 2012. С.13-17.

Размещено на Allbest.ru