Производство горячекатанных труб

Продольная прокатка труб на длинной оправке проводится в  нескольких (7—9) последовательно установленных  двухвалковых клетях и носит название прокатки труб в непрерывных станах. На них обычно прокатывают трубы диаметром 57—114 мм. Этот метод является одним из наиболее эффективных и экономичных процессов массового производства тонкостенных труб.

На станах периодической (пилигримовой) прокатки получают трубы диаметром 57—550 мм. При пилигримовой прокатке цикл деформации гильзы в трубу осуществляется за каждый оборот валка с переменным радиусом калибра. При этом направление вращения валков противоположно направлению истечения металла и за каждый цикл подвергается деформации небольшая часть гильзы («объем подачи»). Наиболее распространен этот метод для получения сравнительно толстостенных труб из слитков диаметром 168—550 мм.

Трехвалковые раскатные станы косой прокатки предназначены для получения толстостенных труб высокой точности диаметром 60—180 мм. Наибольшее распространение эти станы получили для производства подшипниковых труб (для изготовления колец шарико- и роликоподшипников).

Двухвалковые раскатные  станы косой прокатки с вращающимися проводками предназначены для получения тонкостенных труб диаметром 38—140 мм, они не получили широкого распространения. В настоящее время производство этих труб экономически более целесообразно на современных непрерывных станах.

Для уменьшения диаметра труб, полученных после раскатных станов, применяют продольную прокатку без  оправки в редукционных станах, которые состоят из ряда последовательно установленных двух-, трех- или четырехвалковых клетей. Станы работают с натяжением между клетями, что позволяет изменить не только диаметр трубы, но и толщину стенки. На редукционных станах обычно прокатывают трубы диаметром 25—76 мм.

Трубы 76—550 мм получают обычно непосредственно с раскатных станов. Для получения труб диаметром более 550 мм вслед за раскатным станом устанавливают станы-расширители. В связи с освоением массового производства сварных труб большого диаметра из различных сталей станы-расширители в настоящее время утратили свое значение.

Производство бесшовных  труб осуществляется на трубопрокатных агрегатах, представляющих собой комплекс машин и механизмов, предназначенных для получения бесшовных труб горячей прокаткой, их транспортирования, горячей и холодной отделки, складирования, упаковки и т. п. Таким образом, в состав трубопрокатного агрегата кроме прошивных, раскатных, редукционных (расширительных) станов входят нагревательные печи, обкатные и калибровочные станы, правильные станы, трубообрезные и трубонарезные станки и другое оборудование, необходимое для выполнения всех предусмотренных технологических операций. Однако оборудованием, определяющим основные характеристики агрегата, является раскатной стан, поэтому в наименование трубопрокатного агрегата входит тип трубораскатного стана (например, трубопрокатный агрегат с автоматическим станом; трубопрокатный агрегат с пилигримовым станом и т. п.). Основной численной характеристикой трубопрокатного агрегата является максимальный диаметр прокатываемой трубы (например, трубопрокатный агрегат с автоматическим станом 140) или минимальный и максимальный диаметр прокатываемых труб (например, трубопрокатный агрегат с непрерывным станом 30—102).

Наиболее распространенными  трубопрокатными агрегатами являются агрегаты с автоматическим, пилигримовым, непрерывным и трехвалковым раскатным станом.

Исходные материалы  и подготовка их к прокатке и сварке

Слитки и трубная  заготовка

Для производства бесшовных  труб используют слитки, катаную заготовку, заготовку, полученную с установок  непрерывной разливки стали; заготовку, полученную на установке центробежного  литья; кованую заготовку.

Слитки (круглые, многогранные и квадратные) применяют в трубопрокатных агрегатах с пилигримовыми станами. Слитки имеют массу 1,5—3,8 т и диаметр (эквивалентный) 320—675 мм.

Массовое получение заготовок  таких размеров другими способами затруднительно. Круглые и многогранные слитки используют на установках с прошивным станом; квадратные — на установках с прошивным прессом. Круглые слитки имеют соотношения размеров, весьма неблагоприятные с металлургической точки зрения. Круглая форма поперечного сечения приводит к меньшему отношению наружной поверхности слитка к его массе (сравнительно с квадратными и прямоугольными слитками) и ведет к большей склонности к образованию поверхностных трещин при охлаждении. Из этих соображений следовало бы применять граненые слитки (имеющие большую наружную поверхность), но при прокатке в прошивных станах грани могут вызвать появление закатов и плен. Поэтому граненые слитки (с большим количеством весьма пологих граней) используют только при производстве труб менее ответственного назначения. Для более равномерного обжатия многогранного слитка применяют нечетное число граней (23—27), чтобы в валках прошивного стана обжатие не приходилось одновременно на две грани или два ребра. Кроме того, круглые слитки отливают с малой конусностью (0,8—1,5 %), что ведет к увеличению протяженности усадочной раковины и зон ликвации и сегрегации сравнительно с обычными слитками. Большая конусность вызывает серьезные затруднения при прошивке.

Качество поверхности  слитков, а также внутреннее их строение заметно улучшается, если разливку стали вести под слоем жидкого  шлака или других теплоизолирующих или экзотермических материалов. Положительные результаты также дает применение специальных изложниц с теплоизолирующими надставками.

Катаная заготовка (круглая  и квадратная) используется при всех способах производства бесшовных труб; круглая заготовка — при прошивке на прошивных станах, квадратная —  на прошивных прессах. Круглую заготовку (диаметром 90—350 мм) прокатывают на трубозаготовочных станах, устанавливаемых непосредственно за блюмингом (1150—1250) и имеющих в своем составе одну двухвалковую реверсивную клеть 900 и несколько последовательно расположенных двухвалковых клетей 700—750. Круглую заготовку диаметром 270—350 мм прокатывают также на блюмингах в специальной калибровке. Квадратную заготовку в зависимости от сечения прокатывают на блюмингах или непрерывных заготовочных станах.

В связи с вводом в металлургической промышленности машин непрерывного литья заготовок в трубном  производстве также начали применять круглые и квадратные заготовки, полученные с этих установок. В большинстве случаев используют машины радиального типа и трехвалковые прокатные клети. Использование их для производства труб аналогично использованию катаной заготовки (круглых — на прошивных станах; квадратных — на прессах). Высокая эффективность непрерывной разливки стали снижает стоимость трубной заготовки, а качество ее близко к качеству обычной катаной заготовки, и поэтому этот вид заготовки получит широкое распространение в трубной промышленности.

При производстве труб из легированных труднодеформируемых сталей на пилигримовых и автоматических станах используют полую центробежнолитую заготовку с наружным диаметром до 900 мм. Качество центробежнолитой заготовки намного выше, чем обычных литых слитков, однако ее распространение ограничивается высокой ценой.

В случае затруднения получения  заготовки диаметром более 300 мм прокаткой такие заготовки получают ковкой, обкатывают и просверливают. Используют кованые заготовки обычно при производстве труб из высоколегированных сталей и для ответственного назначения на агрегатах с пилигримовыми станами.

Таким образом, при производстве бесшовных труб наиболее широко используют круглые (граненые) слитки и круглую катаную заготовку.

Подготовка слитков и  заготовки к прокатке заключается  в удалении поверхностных дефектов, раскрое на мерные длины и центровке. Состояние наружной поверхности слитков и заготовки определяет качество наружной поверхности труб, поскольку такие дефекты значительно увеличиваются при прокатке. Поэтому наружные дефекты в виде плен, трещин, закатов, волосовин и т. п. удаляются вырубкой пневматическими зубилами или огневой зачисткой специальными газовыми горелками. Участок после удаления дефекта должен быть пологим, с плоским дном и без резких переходов от дна к поверхности заготовки или слитка. Применяют также зачистку дефектов наждачным кругом.

Катаная заготовка имеет  обычно длину значительно большую, чем требуется для прокатки трубы заданной длины. Раскрой заготовок на требуемые мерные длины может проводиться перед нагревом заготовки в холодном состоянии (ломка на гидравлическом прессе, резка на пресс-ножницах и пилах) и в горячем состоянии (разрезка на ножницах или пилах).

Пресс-ножницы применяют для разрезки заготовки из углеродистой и легированной стали (а_в до 600 МПа) диаметром до 140 мм. Заготовки большего диаметра и из стали с большим сг„ ломают на гидравлических прессах. Качество поверхности торца при ломке несколько лучше, чем при резке ножницами. Наилучшее качество торца дают дисковые пилы, однако из-за их низкой производительности их используют главным образом для резки высокоуглеродистой и легированной стали, а также квадратной заготовки.

В горячем состоянии разрезка заготовки проводится после нагрева  в специальных многокамерных  нагревательных печах, требующих для  удовлетворительной работы нагреваемых  штанг значительной длины.

Зацентровка заготовок преследует целью максимальное совмещение носка оправки при прошивке с осью прошиваемой заготовки, что уменьшает разностенность гильзы и, следовательно, разностенность готовой трубы. На переднем торце слитка или заготовки наносится цилиндрическое углубление (глубина до 35 мм, диаметр до 30 мм) сверлением на токарном станке, выжиганием кислородно-ацетиленовым пламенем или выдавливанием отверстия на горячей заготовке пневматическими машинами или гидравлическим прессом.

Нагрев слитков и заготовки  проводят в пламенных или электрических печах. Нагрев в электрических (индукционных) печах требует значительной затраты электроэнергии и поэтому все еще не получил широкого распространения. Основным видом нагрева металла перед прокаткой является нагрев в пламенных печах, отапливаемых газом: ролевых или перекатных, туннельного типа, кольцевых и секционных многокамерных. Во всех нагревательных печах осуществляется методический нагрев: слитки или заготовки постепенно из зоны более низких температур поступают в зону более высоких температур.

Ролевые или перекатные печи для нагрева слитков и круглой  заготовки имеют наклонный под (6—12 %), что облегчает их передвижение. Слитки передвигают в печи при помощи специальных кантовальных машин. Печи этой конструкции требуют большой затраты тяжелого физического труда и поэтому вытесняются печами других более совершенных конструкций.

Кольцевые печи (применяемые  для заготовок диаметром 100— 350 мм) имеют рабочее пространство в  форме замкнутого пустотелого кольца, образуемого 'наружной и внутренней стенками, подвесным сводом и вращающимся подом. На вращающийся под специальной машиной укладывают нагреваемые заготовки; аналогичной по конструкции машиной после нагрева заготовки, совершившие полный оборот в печи, извлекают из печи. Эти машины представляют собой тележку, имеющую на конце длинный хобот с клещами. Кольцевые печи — высокопроизводительный современный агрегат для нагрева заготовки, имеющий высокие технико-экономические показатели.

Проходные секционные печи состоят из ряда (свыше 50) отдельных камер — секций. Транспортирование длинных штанг осуществляется приводными водоохлаждаемыми роликами, расположенными между секциями. Длинные штанги, проходя через ряд секций, постепенно нагреваются до температуры прокатки.

Ролевые (перекатные) печи применяют  в агрегатах с пилигримовыми и автоматическими станами; туннельные печи применяют в агрегатах с пилигримовым станом; кольцевые печи — в трубопрокатных агрегатах всех типов; секционные печи —в трубопрокатных агрегатах с непрерывным станом.

Основы поперечно-винтовой прокатки

Поперечно-винтовая (косая) прокатка является обычно основной операцией  для производства бесшовных труб и некоторых специальных профилей. Поперечно-винтовую прокатку применяют для прошивки (получения полых заготовок — гильз); раскатки гильз, полученных на прессах; для получения готовых труб из гильз; для расширения (увеличения диаметра) труб; для горячей отделки труб (калибровочные и обкатные станы); для получения некоторых специальных изделий (шаров, осей, периодических профилей и др.). В зависимости от назначения станы поперечно-винтовой прокатки имеют различное число (два или три), форму и расположение рабочих валков.

Наибольшее значение имеет  применение косой прокатки для получения  гильз (прошивки). Обычно прошивные  станы имеют два рабочих валка; теоретические и экспериментальные  исследования свидетельствуют о  целесообразности использования для  прошивки трехвалковых станов, однако они пока не нашли широкого промышленного применения.

При косой прокатке вращательное и поступательное движение заготовки  обеспечивается за счет наклона осей валков в вертикальной плоскости  к оси заготовки на некоторый  угол j (угол подачи); наклона осей валков к оси заготовки в горизонтальной плоскости на некоторый угол a (угол раскатки); смещения (положения) оси заготовки относительно оси стана на величину q. Эти характеристики определяют тип прошивного стана (рис. 1).

В станах с бочкообразными валками j>0, a»0, q»0;  в станах с грибовидными валками j>0, a>0, q»0;

в станах с чашевидными  валками j>0, a<0, q»0;  в дисковых станах j=0, a>0, q>0.

Наибольшее распространение  получили валковые прошивные станы (с бочкообразными валками), поэтому кинематика процесса рассматривается для этих станов. Валки состоят из двух или нескольких конусов и вращаются в одном направлении. Окружная скорость v любой точки поверхности валка (рис. 2, a) v = pDn/60, где D — диаметр валка, м; p — частота вращения валка, об/мин.

Вектор скорости валка  дает осевую составляющую v₀ и тангенциальную v_t, величина которых зависит от угла подачи

Основы продольной и периодической прокатки полых  тел

Процесс продольной прокатки полых тел (раскатка гильзы в трубу, редуцирование, калибровка и т. п.) производится в двух-, трех- и четырехвалковых станах. Наибольшее распространение получили двухвалковые станы (автомат-станы, непрерывные, пилигримовые и др.) Трех- и четырехвалковые станы применяют для редуцирования и калибровки труб. В двухвалковых станах применяют четыре типа калибров (рис. 2): круглые и овальные применяют в непрерывных, трубосварочных, редукционных и калибровочных станах; с выпусками по касательной — на пилигримовых и непрерывных станах; с выпусками по дуге окружности — главным образом при прокатке на короткой оправке. Геометрические размеры калибров (высота h_k и ширина b_k) могут быть определены по основным параметрам калибра из элементарных геометрических соотношений.