Автор: В.Ф. Балакин, В.В. Перчаник, А.Н. Степаненко, Ю.Д. Угрюмов.

Категории: трубное производство

Предложена концепция трехвалкового прошивного стана для модернизации трубопрокатного агрегата 5-12″  с пилигримовыми станами. Отличительными особенностями концепции являются: применение индивидуального привода каждого рабочего валка, использование устройства для обкатки передних концов гильз на выходной стороне клети прошивного стана, применение упорно-регулировочного механизма для перемещения стержня с оправкой в процессе прошивки, применение нескольких центрователей стержня оправки.

Постановка проблемы. ТПА 5-12″ с пилигримовыми станами ПАО «Интерпайп НТЗ» был пущен в эксплуатацию в декабре 1968 года.
В настоящее время этот агрегат является единственным ТПА с пилигримовыми станами, эксплуатирующимся в Украине. Основное оборудование ТПА 5-12″  для прокатки труб было изготовлено Чепельским машиностроительным заводом (Венгрия) по технологическому заданию ВНИТИ.

Трубопрокатный цех № 4 с ТПА 5-12″  был построен по проекту Укргипромеза. За почти 45 летний период эксплуатации оборудование ТПА 5-12″  подвергалось реконструкции и модернизации. К крупным мероприятиям можно отнести установку второго пятиклетевого калибровочного стана конструкции Электростельского завода тяжелого машиностроения (ЭЗТМ), замену пилигримовых клетей с усиленными станинами при участии Запорожского индустриального института и Новокраматорского машиностроительного завода (НКМЗ), модернизацию подающих аппаратов с участием Института черной металлургии, внедрение в опытно-промышленную эксплуатацию установки для подготовки передних концов гильз на стане – элонгаторе, изготовленной в Венгрии с участием Днепропетровского металлургического института (ДМЕТИ) и ВНИТИ, модернизацию гидропривода прошивного гидравлического пресса усилием 2000т с участием ДМЕТИ, замену станины клети стана-элонгатора с участием НКМЗ и др.

Последним значительным мероприятием в реконструкции ТПА 5-12″  ПАО «Интерпайп НТЗ» является пуск в 2013 году пилы фирмы «Лизингер» (Австрия) для порезки круглой непрерывнолитой заготовки на мерные части, которая обеспечивает необходимую производительность порезки НЛЗ в соответствие с программой прокатки труб по заказам.

Современная схема ТПА 5-12″  с пилигримовыми станами ПАО «Интерпайп НТЗ» приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема ТПА 5-12″  с пилигримовыми станами

ПАО «Интерпайп НТЗ»:

1 – пила «Лизингер» (Австрия) для порезки НЛЗ на мерные части;
2 – кольцевые нагревательные печи КП1 и КП2 (в настоящее время эксплуатируется одна кольцевая нагревательная печь);
3 – устройство для гидросбива окалины;
4 – гидравлический горизонтальный прошивной пресс;
5 – стан – элонгатор;
6 – пилигримовые клети;
7 – устройство для внестановой зарядки гильз дорнами;
8 – участок огневой резки труб и отделение технологической обрези;
9 – подогревательная печь с шагающими балками (ПШБ);
10 – 12-ти клетевой калибровочный стан;
11 – 5-ти клетевой калибровочный стан;
12 – холодильник;
13 и 14 – косовалковые правильные машины.

На ТПА 5-12″  с пилигримовыми станами используется проектная схема получения гильзы за счет прошивки исходной заготовки в стакан на гидравлическом горизонтальном прессе с последующим подогревом стакана и раскатки его в гильзу с прошивкой донышка на двухвалковом стане винтовой прокатки-элонгаторе.

С пуском в конце 2011 года электросталеплавильного комплекса «Интерпайп Сталь» и переходом ТПА 5-12″  на непрерывнолитую заготовку (НЛЗ) круглого поперечного сечения с максимальным диаметром 470 мм был решен вопрос значительного улучшения технико-экономических показателей в результате повышения качества исходной заготовки за счет отказа от слитков стационарной разливки в изложницы.

Мировой опыт показывает, что при использовании в качестве исходной заготовки НЛЗ круглого поперечного сечения тенденцией развития технологии является переход к непосредственной прошивке НЛЗ на прошивном косовалковом стане. При этом выводятся из эксплуатации гидравлический пресс и подогревательная кольцевая печь. Новая технология получения гильзы из НЛЗ внедрена на ТПА 5-12″  с пилигримовыми станами Северского трубного завода (г. Полевское, Россия), что стало возможным после установки нового прошивного стана конструкции ЭЗТМ.
Вместе с тем, известна технологическая схема, когда часть сортамента гильз получается непосредственной прошивкой из НЛЗ, а более тяжелый сортамент гильз получается по старой схеме: предварительной прошивки НЛЗ в стакан с последующим его подогревом и раскаткой в гильзу на косовалковом стане с прошивкой донышка.

На больших ТПА 8-16″ с пилигримовыми станами используется непрерывнолитая заготовка с поперечным профилем восьмигранного сечения, так как пока не отливается НЛЗ круглого поперечного сечения диаметром более 500 мм.

Кроме того, при использовании старой схемы получения гильз может быть использованы слитки, отлитые в изложницы, с волнистой поверхностью.
Примером такой универсальной технологии является технология получения гильз на ТПА 8-16″, изготовленного немецкой фирмой «МДМ» и установленного в г. Эсфараене (Иран).

Таким образом, из мирового опыта следует, что технологическая схема с двухстадийным получением гильзы с промежуточным подогревом является более универсальной в части использования типа исходной заготовки.

В случае ТПА 5-12″  ПАО «Интерпайп НТЗ» для использования ресурсо- и энергосберегающей технологии при прокатке всего сортамента труб по диаметру (168-377 мм) с возможным расширением до диаметра 426 мм необходимо заменить существующий стан-элонгатор на более мощный стан который будет работать в режиме как непосредственной прошивки гильз из круглой НЛЗ, так и в режиме элонгирования при раскатке стаканов полученных на прессе после их подогрева.

Существующий стан-элонгатор имеет следующую техническую характеристику.
Тип клети – двухвалковая со съемной крышкой и кассетной системой изменения углов подачи и раскатки.
Диаметр прошиваемой заготовки от 300 до 590 мм.
Длина гильзы от 2400 до 4200 мм.
Максимальный диаметр рабочих валков – 875 мм.
Длина бочки валков – 960 мм.
Угол наклона осей валков в горизонтальной плоскости (угол раскатки) - ± 1,5о.
Угол наклона осей валков в вертикальной плоскости (угол подачи) – от 3° до 4° 30’.
Число оборотов двигателя от 45 до 70 об/мин. (от 0,75 до 1,17 С-1).
Максимальный диаметр стаканов (у донышка) – 560 мм.
Минимальный диаметр стаканов (у донышка) – 320 мм.
Максимальный ход перемещения верхней линейки – 200 мм.
Максимальный ход перемещения регулировочного винта стержня оправки – 160 мм.
Номинальная мощность двигателя – 3000 кВт.
Усилие на валок радиальное не более – 400 т.
Усилие на валок осевое, не более – 120 т.
Крутящий момент на валке, не более – 53 тм.

Необходимо отметить, что существующий стан-элонгатор физически и морально устарел и требует замены, что особенно актуально в связи целесообразностью перехода к энергосберегающей технологии прямой прошивки гильз из круглой НЛЗ.

В конце 70-х годов ХХ столетия рассматривался вопрос создания трехвалкового прошивного стана (элонгатора) для ТПА 5-12″  на Нижнеднепровском трубопрокатном заводе и ТПА 4-10″ на Таганрогском металлургическом заводе. Однако, многие решения, использованные в то время при разработке трехвалкового прошивного стана не отвечают современным тенденциям.

Необходимо отметить, что созданный братьями Маннесманн первый в мире прошивной косовалковый стан был трехвалковым. Однако вследствие сложности конструкции такого стана, особенного его главной линии, развитие в основном получили двухвалковые прошивные станы с направляющими валками или линейками, а также их комбинации (верхний валок – нижняя линейка).

Значительный прогресс достигнут ЭЗТМ в проектировании и изготовлении современных двухвалковых грибовидных прошивных станов для ТПА 140 со станами тандем и ТПА 5-12″  Северского трубного завода.

В настоящее время отсутствует опыт проектирования и строительства мощных 3-х валковых прошивных станов для прошивки гильз из НЛЗ диаметром до 500 мм.

Особенностью процесса горячей пилигримовой прокатки труб является наличие неустановившегося, затравочного режима прокатки переднего конца гильзы, что увеличивает машинное время прокатки и снижает производительность, а также уменьшает выход годного за счет отделения в отходы переднего конца трубы повышенной длины.

Анализ публикаций

Прошивка заготовки в гильзу является не только важнейшим, но и наиболее сложным в техническом и технологическом отношениях процессом при изготовлении бесшовных труб.

Первые попытки осуществить прошивку в трехвалковом стане относится к 1883 г., когда был построен первый опытный трехвалковый прошивной стан.

Процесс прошивки заготовки в гильзу на косовалковом стане был изобретен братьями Маннесманн и запатентован в Германии (Патент № 34167, Германия от 27.01.1885 г.). Согласно этому патенту прошивку осуществляют в трехвалковом прошивном стане.

Долгое время полагали, что процесс прошивки в стане с тремя валками, где условия, облегчающие внедрение носика оправки в металл, отсутствуют, либо не осуществим, либо весьма затруднен, либо окажется слишком энергоемким, что явилось основной причиной, по которой эти станы в течение долгого времени не находили промышленного применения.

Преимущества и недостатки трехвалковых прошивных станов подробно рассмотрены в работе [1]. Применение трехвалковых прошивных станов можно признать целесообразным при использовании дешевых заготовок, полученных методом непрерывной разливки и отличающихся низкой прочностью сердцевины, а потому менее пригодных для двухвалковой прошивки. По мнению большинства исследователей, склонность к разрушению металла при прошивке по трехвалковой схеме значительно меньше, чем по двухвалковой [2-9].

Одним из недостатков трехвалковой схемы прошивки является повышенная разностенность гильз (по сравнению с двухвалковой схемой прошивки), что предъявляет более высокие требования к центрированию оправки по оси прошивки.

Можно ожидать, как отмечается в работе [1], что применение литой заготовки после УНРС, имеющей рыхлую сердцевину, позволит избежать трудностей, связанных с точным центрированием оправки в трехвалковых станах в связи с уводом ее от центра в ослабленную растягивающими напряжениями кольцевую зону, так как центральная часть заготовки хотя и будет испытывать всестороннее сжатие, однако абсолютные значения этих напряжений будут несколько меньшими.

Известно применение трехвалковых прошивных станов на ТПА с раскатным станом «Ассела» и непрерывным станом [1].
Впервые промышленный трехвалковый прошивной стан был введен в эксплуатацию в 1968 году на ТПА с раскатным станом «Асселя» на заводе фирмы «Tubes Ltd» (Англия). После успешного освоения первого промышленного трехвалкового прошивного стана было принято решение об установке аналогичного стана на ТПА с непрерывным станом на заводе Weldless (Англия).Аналогичные прошивные станы введены в эксплуатацию на ТПА с раскатным станом «Асселя» в США и Японии.

В 1965-1966 годах в СССР была разработана первая промышленная конструкция рабочей клети трехвалкового прошивного стана [10-11], в которой крышка вместе с установленными на ней барабаном с валком откидывается с помощью гидроцилиндра, что позволяет быстро и удобно проводить перевалку валков. В 1974 году в СССР был введен в строй первый в мире трехвалковый прошивной стан для прокатки труб из титановых сплавов [1]. В 70-80-х годах ХХ столетия предполагалось установить трехвалковые прошивные станы на ТПА 5-12″  Нижнеднепровского трубопрокатного завода, ТПА 4-10″ Таганронгского металлургического завода и ТПА 8-16″ Челябинского трубопрокатного завода. Еще ранее, в 60-х годах ХХ столетия, существовал проект строительства нового большого ТПА 12-24″ с пилигримовыми станами, в котором предусматривалась установка 3-х валкового стана элонгатора [12-13].

Однако, использование 3-х валковых прошивных станов на ТПА с пилигримовыми станами до настоящего времени не осуществлено за исключением прошивного стана со смещенной осью (два приводных валка и один холостой) на ТПА 8-16″ немецкой фирмы «МДМ», установленного в настоящее время в г. Эсфараен (Иран).

Такой прошивной стан занимает промежуточное положение между 3-х и 2-х валковыми станами по созданию напряженно-деформированного состояния в середине заготовки при прошивке.

Постановка задачи. Необходимо предложить концепцию 3-х валкового прошивного стана для замены стана-элонгатора ТПА 5-12″  ПАО «Интерпайп НТЗ», что позволит перейти к энергосберегающей технологии прямой прошивки гильз из круглой НЛЗ. Кроме того, на этом стане предлагается осуществлять элонгирование стаканов, полученных на прессе с промежуточным подогревом. Для улучшения условий затравочного режима пилигримовой прокатки необходимо осуществлять подготовку передних концов гильз на основании опыта работы экспериментальной установки для заострения передних концов гильз на стане-элонгаторе ТПА 5-12″  Нижнеднепровского трубопрокатного завода.

Изложение результатов исследований. Для модернизации ТПА 5-12″  с пилигримовыми станами ПАО «Интерпайп НТЗ» с заменой существующего двухвалкового элонгатора с направляющими линейками предлагается концепция 3-х валкового прошивного стана с универсальным обкатным устройством.

Общий вид 3-х валкового прошивного стана приведен на рис. 2.

Рис. 2. Схема трехвалкового прошивного стана:

1 – клеть прошивного стана;
2 – приводной электродвигатель;
3 – муфта;
4 – универсальный шпиндель;
5 – приемный желоб;
6 – вталкиватель заготовки;
7 – холостые валки для обкатки конца гильзы;
8 – центрователи стержня;
9 – упорно-регулировочный механизм.

Техническая характеристика 3-х валкового прошивного стана.
Используемая заготовка – НЛЗ с круглым поперечным сечением:
- диаметр заготовки – 350-500 мм;
- длина заготовки – 1200-2300 мм.

Размеры гильзы:
- диаметр – 250-550 мм;
- длина – 2100-4500 мм.

Привод рабочих валков:
- мощность электродвигателя – 2000 кВт;
- количество двигателей – 3 шт.

Скорость вращения – 27,6-55,2 об/мин.

Вталкивающее устройство

Усилие вталкивания – 9500 кг.
Скорость перемещения вталкивателя – 200 мм/с.
Ход вталкивателя – 3100 мм.

Универсальные шпиндели (шаровые).
Наибольший угол перекоса – 8 град.

Рабочая клеть:
- диаметр рабочего валка – 900 мм;
- длина рабочего валка – 950 мм.

Окружная скорость рабочих валков – 1,3-2,6 м/с.
Угол подачи рабочих валков не регулируемый – 6° град.
Угол раскатки (наибольший) рабочих валков:
- с подшипниками скольжения – 5 град.;
- с подшипниками качения – 3 град.

Наибольшее усилие радиальное на валок – 300 т.
Рабочая клеть. Рабочая клеть 1 содержит станину, рабочие приводные валки с подшипниками, нажимное и уравновешивающее устройство валков (рис. 2).

Каждый рабочий валок прошивного стана получает вращение от электродвигателя 2 через муфту 3 и универсальные шпиндели 4. Шпиндель верхнего валка соединен с муфтой 3 через горизонтальный промежуточный вал. Для разгрузки шарниров шпинделей в геометрической середине каждого шпинделя установлена опора с гидравлическим уравновешиванием и пружинными амортизаторами динамических нагрузок. Для приема заготовки и направления ее в валки прошивного стана между шпинделями установлен приемный желоб 5, регулировка которого по высоте осуществляется с помощью прокладок. Для задачи заготовки в валки установлен гидравлический вталкиватель 6. Перемещение штанги вталкивателя осуществляется двумя гидравлическими цилиндрами плунжерного типа. Посредством верхнего гидроцилиндра производится вталкивание заготовки, нижнего – обратный ход задающей штанги. С двух сторон для очистки поверхности штанги от окалины подведены по два сопла со сжатым воздухом.
Три рабочих валка размещены в станине под углом 120о друг к другу (с верхним расположением одного валка и нижним – двух остальных), а на заднем торце станины установлены три холостых валка 7 для обкатки переднего конца гильзы, сдвинутые относительно рабочих валков на 60°.

Для удобства замены рабочих валков станина выполнена разъемной из трех частей. Нижняя часть установлена на фундаментной раме, а две верхние части, установлены шарнирно на нижней и могут раскрываться от четырех гидравлических цилиндров. В рабочем положении верхние части станины соединены между собой и нижней частью посредством откидных стержней с клиновым креплением. Подшипниковые опоры рабочих валков могут быть выполнены в нескольких вариантах: на подшипниках скольжения и качения.

Рабочий валок с подшипниками установлен в подушке, закрепленной болтами в кассете, которая размещена в направляющих станины с возможностью поступательного перемещения и поворота. Для этого со стороны входа заготовки кассета шарнирно соединена с башмаками, связанной поступательной парой с направляющими планками. Со стороны выхода заготовки кассета находится в направляющих планках без фиксации в осевом направлении. Угол подачи рабочих приводных валков постоянный и составляет 6о. Необходимо разработать конструкцию для регулирования угла подачи в пределах 5-12о. Установка рабочих валков на необходимый калибр и изменение угла раскатки производится двухшпиндельным нажимным устройством. Поджатие кассеты к торцам нажимных винтов производится гидравлическим уравновешивающим устройством, плунжер которого через траверсу двумя тягами шарнирно соединен с кассетой. Привод нажимных винтов осуществляется от электродвигателя через редуктор и червячную передачу. При этом червячные валы двух нажимных валков соединены между собой посредством электромагнитной муфты для возможности отсоединения одного из них с целью регулирования угла раскатки. У нажимных винтов установлены указатели их положения.

Входная сторона прошивного стана. Входная сторона стана содержит три электрических приводных двигателя для индивидуального привода рабочих валков, муфты сцепления, универсальные и промежуточный шпиндели, приемный желоб и вталкиватель заготовок.

Рис. 3. Схема входной стороны прошивного стана:

1,2 и 3 – основные универсальные шпиндели;
4 – промежуточный горизонтальный шпиндель;
5, 6 и 7 – приводные электродвигатели.

На рис. 3 приведена схема входной стороны прошивного стана с тремя основными 1,2 и 3 и одним промежуточным 4 шпинделями и тремя приводными электродвигателями 5,6 и 7.
Вопрос оптимального расположения трех приводных электродвигателей при допустимом угле перекоса шпинделей 8о путем возможного изменения углов раскатки рабочих валков и длин шпинделей предстоит рассмотреть в дальнейших исследованиях.