Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 3. Трубное производство

270

Результаты расчетов показывают, что невозможно получить квадратную трубу в диапазоне

радиусов r = (1.6-2.4)S профилированием за один проход, потому что, как видно из графика (Рис.

4), условия r = (1.6-2.4)S и t < 0.5 мм одновременно не выполняются, происходит потеря

устойчивости стенки. Поэтому следующим шагом нами поставлена задача исследования процесса

получения квадратных труб в данном диапазоне радиусов за два прохода. Первый проход

осуществляются в калибре, представляющим собой выпуклый прямоугольник. Второй проход – в

калибре, имеющий форму квадрата. Важными технологическими параметрами процесса

профилирования за два прохода являются ширина В и радиус вреза валка R первого калибра.

Варьируя различными значениями R, D, S и B можем определить радиус скругления получаемого

профиля, а также условия потери устойчивости стенки. В результате мы сможем определить

условия деформирования, при которых стенка трубы не теряет устойчивость, а радиус находится в

данном диапазоне. Если эти условия не будут выполняться, будет предпринята попытка получения

квадратных труб с заданным диапазоном радиуса скругления за три прохода.

Список литературы:

1. ГОСТ 30245-94. Профили стальные гнутые гнутые замкнутые сварные квадратные и

прямоугольные.

2. EN 10219-2:1997. Профили полые сварные конструкционные, отформованные в холодном

состоянии, из нелегированных и мелкозернистых сталей.

3. ГОСТ 13663-86. Трубы стальные профильные.

4. А.А. Харламов, А.П. Латаев, В.В. Галкин, П.В. Уланов. Моделирование обработки

металлов давлением с помощью комплекса DEFORM. Москва. САПР и графика №5 2005г.

Секция 3. Трубное производство

271

ТЕПЛОВОЕ И ТЕРМОНАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ

ОПРАВОК

Вавилкин Н.М., Бодров Д.В., Волкова Е.А.

Россия, Москва, НИТУ «МИСиС», varhorn@gmail.com

Прошивная оправка, является важнейшим элементом технологического инструмента

прошивного стана, работающая в тяжелых условиях и подвергающаяся длительному

циклическому воздействию высоких температур и большим давлениям. Наиболее эффективными

в эксплуатации показали себя водоохлаждаемые оправки, отличаясь по стойкости при прокатке

легированных сталей по сравнению со сменяемыми.

Основными видами износа являются пластическая деформация носка, рабочей

поверхности и ее растрескивание. Установлено, что износ несменяемых оправок происходит из-за

периодического воздействия температур в определенном диапазоне, вызывающего

обезуглероживание поверхностного слоя [1]. Появление трещин на сферической части

обусловлено возникающими термическими напряжениями.

Таким образом, основным фактором определяющим стойкость оправок является уровень

температуры и её распределение по объёму прошивного инструмента. Для оценки этого

воздействия необходимо провести анализ температурного и термонапряженного состояния.

Сравнительный анализ способов получения температурных моделей показал, что аналитические

методы не позволяют учесть все условия эксплуатации и получить полноценную картину

распределения температуры [2]. Поэтому целесообразно остановиться на численных методах, а

именно конечных разностей (МКР) и конечных элементов (МКЭ). МКР является одним из самых

точных и наиболее простых, но в то же время область его применения существенно ограничена

формой рассматриваемого тела [3]. Достаточную точность можно получить только на фигурах

простой формы или упростив (разложив на составные), что является задачей программирования.

МКЭ – более высокая ступень развития численных методов, его применение не ограничено ни

формой, ни условиями контакта или взаимодействия. Основной недостаток – относительная

сложность и трудоемкость расчетов, но современные программные комплексы (CosmosWorks,

Deform, Forming, Algor, Ansys, Nastran и тд.), позволяют моделировать процессы теплообмена и

деформации с применением мощных вычислительных средств и получать необходимые

результаты, достоверность и адекватность которых зависит от компетентности пользователя. Для

расчета с применением этого метода необходимо описание геометрии исследуемого объекта

конечно-элементной сеткой на основе твердотельной модели созданной в CAD системах.

Изучение очага деформации при винтовой прокатке, темплетов заготовок [4] и

результатов моделирования с использованием Deform-3D, позволило выявить условия

взаимодействия и контакта оправки с заготовкой и выбрать граничные условия (рис. 1).

Термическому анализу подвергались водоохлаждаемые оправки диаметрами 80, 98, 120 мм

применяемые на ОАО «СинТЗ» (ТПА-80, ТПА-140).

При решении уравнения теплопроводности МКР, использовалась схема Кранко-

Николсона, а решение систем разностных уравнений, получаемых при реализации этой схемы,

осуществлялось методом прогонки, что позволило достичь наибольшей точности с наименьшими

затратами времени. Водоохлаждаемая оправка имеет достаточно сложную конфигурацию и задание её

геометрии конечно-разностной сеткой сопряжено со значительными трудностями, поэтому

дальнейший расчет оправок с другими

проводить с применением МКЭ.

В результате расчета теплового

полученных МКР и МКЭ, подтверждена

подверженные наибольшему разогреву

охлаждения 12 сек уже через 5

исследуемого объёма

Рисунок 1

имеет осевую симметрию (рис. 2).

950 °С (точка 1), а прилегающей

воздействие на тепловое состояние

образом, возможна оценка изменения

параметров (угол подачи, скорость

известной зависимости времени и скорости

Материал опр

авки 35ХН2Ф

°С) поэтому целесообразно изготовление

пределом рабочих температур (1000

По полученным температурным

возникающих вследствие неравномерности

наибольшему воздействию –

это рабочий

полости охлаждения в месте перехода

в этой области интенсивность напряжений

на рабочей поверхности 827 МПа

неравномерность σ

по толщине стенки

металлом уровень напряжений прошивной

Секция 3.

272

с другими диаметрами и измененной конфигурации

теплового поля оправки диаметром 98 мм и сравнения

подтверждена достаточная точность МКЭ, а также

разогреву. Установлено, что при

выбранных условиях

через 5 циклов наблюдается квазистационарное

объёма. Температурное

Рисунок 1

–

Схема теплообмена в очаге деформации

рис. 2). Максимальная температура на носке

прилегающей сферической части

–

650 °С (точка 2) (

состояние оказывает время контакта заготовки

изменения температурного режима в зависимости

скорость прокатки, длина заготовки) определяющих

времени и скорости прошивки[5].

ХН2Ф работает намного выше своего рабочего

изготовление их из жаропрочного сплава ЭП

температур (1000

-1100 °С).

температурным полям был произведен анализ

термических

неравномерности температуры [6], выявлены области

это рабочий участок сферическая поверхности

перехода от широкого канал

а к узкому. Для оправок

интенсивность напряжений (

) составляет 640 МПа и 430 МПа

827 МПа и 870 МПа. Так же следует отметить

толщине стенки и её дл

ине. В целом, при уменьшении

напряжений прошивной оправки снижается.

Секция 3. Трубное производство

конфигурации, целесообразно

мм и сравнения температур,

а также выявлены области

выбранных условиях нагрева 5 сек и

квазистационарное тепловое состояние

Температурное поле

деформации

на носке составляет около

точка 2) (рис. 3). Значительное

заготовки с оправкой

, таким

зависимости от технологических

определяющих время прошивки по

рабочего диапазона (600

-650

сплава ЭП

-745 с более высоким

термических напряжений,

выявлены области подверженные

поверхности у носка и поверхность

Для оправок диам. 84 и 98 мм

430 МПа соответственно, а

следует отметить значительную

уменьшении времени контакта с

Рисунок 2 –

Тепловое поле водоохлаждаемой

Рисунок 3 –

Изменение температуры

контрольных точках, рассчитанное

Расчет термических напряжений

превышение σ

пределов текучест

200

400

600

800

1000

0 1 2 3 4 5

т.2, МКЭ

t, °

Секция 3.

273

поле водоохлаждаемой оправки при прошивке (сверху

(снизу) диам. 98 мм

температуры

оправки диам. 98 мм на 5

цикле прошивки

рассчитанное МКР и МКЭ в точках 1 (носок), 2 (сферическая

напряжений производился в рамках теории

текучест

и в нагруженных зонах, может говорить о переходе

7 8 9 10 11 12 13 14 15

т.1, МКР

т.1, МКЭ

т.2, МКР

Секция 3. Трубное производство

прошивке сверху) и охлаждении

прошивки и охлаждения в

сферическая поверхность)

теории упругости, поэтому

говорить о переходе материала на

Секция 3. Трубное производство

274

локальных участках поверхностного слоя в пластическое состояние, что может быть объектом

дальнейших исследований с использованием моделей с применением упруго-пластичной средой.

Выводы:

В результате проведенной работы создана методика расчета температурных полей и

термических напряжений водоохлаждаемых прошивных оправок, позволяющая производить

оценку их износостойкости.

Выявлены области подверженные наибольшему температурному воздействию.

Отмечена возможность анализа влияния технологических факторов на температурное

поле оправок.

Список литературы:

1. Вавилкин Н.М., Гончаров В.С., Бодров Д.В., Липнягов С.В. Особенности износа

водоохлаждаемых оправок при прошивке легированных сталей // Изв. вуз. Черная

металлургия. 2009. №6

2. Баскаков А.П., Толмачев Е.М., Добыш А.Н. Тепловой режим охлаждаемой оправки

прошивного стана // Сталь. 2006. №3

3. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование

тепловой работы промышленных печей. М.: Металлургия, 1990 – 239 с.

4. Романцев Б.А., Гончарук А.В., Вавилкин Н.В., Самусев С.В. Обработка металлов

давлением. М.: МИСиС, 2008 – 960 с.

Вавилкин Н.М., Белевич А.В., Бодров Д.В., Изотов Д.Г., Гончаров В.С.

Исследование теплового поля прошивной водоохлаждаемой оправки // Изв. вуз. Черная

металлургия. 2010. №3

6. Вавилкин Н.М., Белевич А.В., Изотов Д.Г., Бодров Д.В., Гончаров В.С. Исследование

термонапряженного состояния водоохлаждаемых прошивных оправок // Изв. вуз. Черная

металлургия. 2010. №7

Секция 3. Трубное производство

275

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА НЕПРЕРЫВНЫХ ТРУБНЫХ СТАНОВ

Вавилкин Н.М., Красиков А.В.

РФ, НИТУ «МИСИС», KrasikovAV@tmk-group.com

Одной из главных задач, стоящих перед трубной промышленностью РФ, является

повышение качества и объемов выпускаемой продукции при существенном сокращении

производственных издержек. Ввиду высокой производительности и экономичности, производство

труб на трубопрокатных агрегатах (ТПА) с непрерывным станом получило наибольшее

распространение. Развитие традиционного способа непрерывной прокатки сдерживалось рядом

технологических ограничений, а именно: максимальная длина оправки (~ 30 м) ограничивала

размеры черновой трубы; увеличение диаметра трубы приводило к недопустимой массе оправки;

уменьшение толщины стенки усложняло извлечение инструмента. В отечественной и мировой

практике, кроме плавающих оправок, используются так же перемещаемые и контролируемо-

перемещаемые.

В себестоимости готовой продукции доля затрат, приходящихся на оправки, доходит до 3-

5%. Длинные оправки раскатных непрерывных станов, считающиеся в настоящее время наиболее

перспективными, эксплуатируются в тяжелых температурных и силовых условиях. При этом

возникает проблема повышения стойкости оправок. В этой связи исследование и

совершенствование режимов работы технологического инструмента непрерывных трубных станов

является актуальной научно-технической задачей, решению которой посвящена настоящая работа.

Усложнение схемы взаимодействия гильзы с длинной оправкой, в сравнении с плавающим

режимом, существенно меняет условия их контакта на поверхности и требует дополнительного

исследования кинематических параметров всего процесса. Эти параметры являются важной

частью всех последующих расчетов, так как определение температурного поля длинных оправок и

их напряженного состояния невозможно без данных о характере взаимодействия инструмента с

нагретым металлом.

Согласно результатов работы [1] из особенностей кинематических и деформационных

параметров можно отметить, что при раскатке на трехвалковом непрерывном стане максимальные

обжатия осуществляются в 1-й и 2-й клетях и обжатия эти практически равноценны в процентном

соотношении, чего нет в случае с двухвалковым непрерывным станом. Данная особенность

связана с конструкцией самого стана.

В процессе работы оправки непрерывных станов подвергаются циклическому тепловому

воздействию за счет нагрева в период взаимодействия с горячим прокатываемым металлом и

охлаждения в период их “отдыха” после снятия со стана. При этом величина и характер

распределения температуры в оправках, определяющие механические свойства их материала и

величину термических напряжений, в значительной степени влияют на возникновение и развитие

термоусталостных дефектов и на их стойкость.

Представленная в работе [2] методика оценки теплового состояния длинных оправок,

реализованная с помощью метода конечных разностей, позволяет оценить их тепловое состояние.

Метод конечных разностей выбран в связи с простотой его применения и достаточной точностью

расчетов для исследуемого объекта несложной формы - оправки в виде бесконечного цилиндра.

На базе указанной методики была разработана математическая модель теплового и

термонапряженного состояния длинных оправок непрерывного стана в процессе раскатки. Суть

Секция 3. Трубное производство

276

сводится к построению модели взаимодействия оправки с нагретым металлом, описываемого

дифференциальным уравнением нестационарной теплопроводности.

Разработанная модель учитывает особенности расположения длинной оправки

относительно пар валков непрерывного стана. 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.

Динамика прогрева оправки 81мм по сечению в зависимости от количества числа

раскатанных гильз представлена на рис. 1. Из приведенных графиков видно, что прогреваемый

слой инструмента в процессе его эксплуатации непрерывно растет и выравнивается, стремясь к

гармоническому распределению.

Для оценки температурного поля оправки при решении поставленной задачи в сечении

выбирались три контрольные точки: в выпуске калибра, в средней точке периметра, по дну

калибра. Контакт оправки и гильзы симметричен относительно оси Y, поэтому достаточно

рассмотреть одну половину сечения.

Рис.1. График изменения температуры оправки 81мм в зависимости от числа проходов

Адекватность разработанной математической модели была проверена экспериментальными

замерами соответствующих температур в характерных точках инструмента пирометром «Raytek

Raynger ST» и показала высокую сходимость результатов. Замеры проводились в условиях

непрерывного стана ТПА 80 ОАО «Синарский трубный завод» при раскатке труб 73х5,5мм на

оправке 81мм.

Результаты расчетов показали, что неравномерность температурного поля длинных оправок

в процессе раскатки приводит к появлению напряжений, анализ которых, в свою очередь,

позволяет дать оценку характера износа технологического инструмента.

На основании результатов, полученных при исследовании температурного поля, был

выполнен расчет напряженного состояния на этапе раскатки и охлаждения. Результаты расчета

напряженного состояния длинной оправки диаметром 81мм непрерывного стана ТПА-80 показали,

что уровень напряжений, вызванных тепловым взаимодействием с заготовкой и механическим

воздействием валков в середине процесса, сопоставим с температурными напряжениями после

150

250

350

450

550

650

750

0 10

20,5 30,5 40,5

Радиус, мм

Температура, град С

ый проход

5-ый проход 15-

ый проход

50-ый проход

Секция 3. Трубное производство

277

окончания раскатки. В то же время сравнение результатов расчета напряженного состояния в

процессе раскатки и охлаждения, представленных на рис. 2, 3, показывает, что неравномерность

напряженного состояния существенно увеличивается 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 может привести к появлению трещин. Термические напряжения

максимальны в приконтактном слое, температура которого достигает 710-780°С.

Рис.2. Изменение интенсивности σi и главных σ1, σ3 напряжений по длине рабочей части

оправки при тепловом и механическом воздействии (середина процесса раскатки):

□ − главное напряжение σ1;

◊ − главное напряжение σ3;

∆ − интенсивность σi.

Рис.3. Изменение интенсивности σi и главных σ1, σ3 напряжений по длине рабочей части

оправки при охлаждении (середина процесса):

□ − главное напряжение σ1;

◊ − главное напряжение σ3;

∆ − интенсивность σi.

Проведенное исследование выявило особенности расчета теплового и термонапряженного

состояния длинных оправок непрерывного стана. Адекватность разработанной математической

модели проверена экспериментально в условиях ТПА-80 ОАО «СинТЗ» и позволяет с высокой

-1500

-1000

-500

500

1000

0,0 2,3 4,9 7,4 10,0 12,5 16,4 19,5

Длина оправки, м

Напряжение, МПа

-50

100

150

200

250

300

0,0 2,3 4,9 7,4 10,0 12,5 16,4 19,5

Длина оправки, м

Напряжение, МПа

Секция 3. Трубное производство

278

точностью рассчитывать температурное поле, а так же напряженное состояние в различные

моменты времени. Предложенная методика может быть использована на этапе проектирования

технологического инструмента.

Экспериментальное исследование эффекта термоциклического упрочнения материала

длинных оправок выявило существенное увеличение их износостойкости при раскатке гильз из

легированных сталей на оправках ранее применявшихся для раскатки гильз из сталей 10, 20. На

ТПА-80 проведена опытная прокатка с использованием оправок Ø81 мм при раскатке гильз

сначала из углеродистых марок сталей 10, 20 в количестве 280 проходов, затем из легированных

марок сталей в количестве 150 проходов. Величина износа рабочей поверхности опытных оправок

составила 0,8 мм при средней величине износа серийных оправок 1 мм. Повышение

износостойкости обусловлено увеличением плотности и движением дислокаций в образовавшейся

стабильной субструктуре поверхностного слоя оправки в процессе ее предварительного

использования. Определена глубина упрочненного поверхностного слоя оправок до 0,2 мм,

рациональное количество проходов при предварительной раскатке углеродистых труб – 280,

рациональное соотношение числа проходов при предварительной раскатке и числа проходов при

раскатке труб из легированных сталей - 65/35%.

В процессе исследования проблемы износа инструмента экспериментально определена

фактическая предельная стойкость оправок Ø81мм при раскатке труб 73х5,5мм из сталей 38Г2СФ,

32Г2, 32ХГ без принудительного снятия и последующей переточки. Средняя стойкость одной

оправки составила ~112тн. В сравнении с действующим порядком эксплуатации инструмента,

предусматривающим принудительное снятие с целью последующей переточки на меньший

размер, запас стойкости составил ~34,8%. Анализ статистики выхода из строя оправок

непрерывного стана ТПА-80 за 2009-2010гг подтвердил результаты моделирования в части

расположения области максимального нагрева и износа инструмента.

Выводы и результаты исследования:

В результате исследования технологии раскатки гильз на длинной оправке в

условиях ТПА 80 ОАО «Синарский трубный завод» доказана необходимость совершенствования

режимов работы технологического инструмента с целью повышения его стойкости и более

равномерного износа при раскатке легированных марок сталей.

2. Разработана комплексная методика расчета кинематических параметров процесса

раскатки труб на непрерывном стане для различных режимов работы длинной оправки

(плавающий, перемещаемый, контролируемо-перемещаемый). Проведен сравнительный анализ

деформационных и кинематических параметров процесса раскатки труб на непрерывном стане на

основании экспериментальных данных для условий ТПА 80 ОАО «Синарский трубный завод»,

ТПА 159-426 ОАО «Волжский трубный завод», PQF 10 ¾" ОАО «Таганрогский

металлургический завод».

3. Разработана комплексная математическая модель теплового и

термонапряженного состояния длинных оправок при раскатке труб, позволяющая вычислять в

любой момент времени температурное поле оправки, а так же распределение напряжений по

объему. Адекватность разработанной математической модели проверена экспериментально в

условиях ТПА-80 ОАО «СинТЗ».

4. Проведено промышленное исследование условий работы и механизма износа

технологического инструмента. Выявлено уменьшение износа длинной оправки при раскатке труб

Секция 3. Трубное производство

279

из легированных марок сталей после предварительной эксплуатации инструмента на

углеродистых трубах.

5. Разработаны рациональные режимы работы технологического инструмента

непрерывных трубных станов. Определена глубина упрочненного поверхностного слоя оправок до

0,2мм, рациональное количество проходов при предварительной раскатке углеродистых труб –

280, рациональное соотношение числа проходов при предварительной раскатке и числа проходов

при раскатке труб из легированных сталей - 65/35%.

6. Результаты исследований внедрены в технологический процесс производства

труб на агрегате с непрерывным станом ТПА 80 ОАО «Синарский трубный завод».

Список литературы:

1. Вавилкин Н.М., Красиков А.В. //Изв. вуз. Черная металлургия. №11. 2009. С.22-25.

2. Вавилкин Н.М., Красиков А.В. //Производство проката. №8. 2010. С.25-28.

3. Чикалов С.Г. Производство бесшовных труб из непрерывно-литой заготовки. Волгоград:

ВГТУ, 1999. 408 с.

4. Данченко В.Н., Чус А.В. Продольная прокатка труб. М.: Металлургия, 1976. 136 с.

5. Вавилкин Н.М., Бухмиров В.В. Прошивная оправка. М.: МИСиС, 2000. 128 с.