Автор: Редакция Metaljournal

Категории: трубное производство

В 2015 году исполнилось 130 лет с момента изобретения и получения патента на использование прошивного стана при получении бесшовных труб.
Это революционное открытие в технике послужило мощным импульсом в развитии передовых технологий. Авторами открытия являются выдающиеся инженеры, учёные-изобретатели братья Маннесман.

прошивной стан — [piercing mill] двух или трехвалковый стан поперечно винтовой прокатки для горячей прошивки деформированной заготовки или слитка на короткой, удерживаемой оправке и получении толстостенной гильзы; устанавливается перед раскатными станами в линии трубопрокатного агрегата.   

стан-элонгатор — [elongator, elongating mill] стан поперечно винтовой прокатки с двухконусными валками для прошивки дна стакана, выравнивания стенки по поперечному сечению, уменьшения толщены стенки и удлинения толстостенной гильзы на короткой удерживаемой оправке.

Рейнхард Маннесман (нем. Reinhard Mannesmann, 13 мая 1856, Ремшейд — 20 февраля 1922, там же) — немецкий инженер, изобретатель и предприниматель, более всего известный изобретением совместно с братом Максом способа производства бесшовных труб.

Родился в семье Рейнхарда Маннесмана-старшего, владельца фабрики по производству напильников и прочего инструмента, существовавшей с 1776 года, и, как и его младший брат Макс, начал работать в семейном бизнесе. В 1884 году он изобрёл совместно с братом валковый прошивной стан, на который ими был получен патент в 1885 году. В 1891 году братья создали пилигримовый стан, с помощью которого можно было изготавливать бесшовные трубы, что стало настоящей революцией в трубной промышленности, поскольку сварные стальные трубы производились при высоком давлении, что было причиной многочисленных аварий с человеческими жертвами. К 1899 году технология бесшовных стальных труб уже была широко распространена в Германской империи, Австро-Венгрии и Великобритании.
В 1890 году Маннесманы создали очередное новшество — поперечный способ прокатки, на который получили патент 16 июля 1890 года и который стал очередным важным этапом в развитии трубной промышленности и нашёл применение не только в производстве труб, но и в архитектуре. Полученные за оба патента деньги в том же 1890 году позволили братьям основать собственный металлургический концерн «Маннесманрёрен верке», который стал крупнейшим предприятием трубопрокатного производства в мире на тот момент и, имея три производственных площадки в Германии и Австрии и уставный капитал в 35000000 марок, являлся одним из десяти крупнейших немецких концернов.

Существующие способы прокатки металла могут быть разде­лены в зависимости от направления вытяжки обрабатываемой заготовки и направления окружной скорости валков на три вида:

 

 

• продольную прокатку;
• поперечную прокатку;
• косую прокатку.

Продольная прокатка характеризуется совпадением основного направления те­чения металла с направлением движения деформирующих поверхностей.
Поперечная прокатка характеризуется тем, что основное течение металла (удли­нение штуки) происходит в направлении, перпендикулярном движению деформи­рующего инструмента.
Валки при поперечной прокатке сбли­жаются, обжимая заготовку на задан­ную величину. При некоторой величине обжатия в центральной части заготовки нарушается сплошность металла и проис­ходит образование центральной полости
Косая прокатка занимает промежуточное положение между продольной и поперечной прокаткой. В этом случае удлинение де­формируемого металла происходит под некоторым углом к на­правлению движения деформирующего инструмента. В станах ко­сой прокатки, применяющихся в производстве, угол между на правлением перемещения деформирующих поверхностей и на­правлением основной деформации составляет 79—85°, т. е. весь­ма близок к прямому. Поэтому косая прокатка по характеру де­формации близка к поперечной прокатке.

Рейнхард Маннесман известен и рядом изобретений в других областях техники: телефонии, производстве напильников, цементации стали.

Прошивной стан - трубопрокатный стан, предназначенный для получения из сплошной заготовки или слитка толстостенной полой гильзы методом поперечно-винтовой прокатки.
Прошивной стан на большинстве трубопрокатных агрегатов состоит из двух косорасположенных рабочих валков, вращающихся в одном направлении, а заготовка при этом вращается в другом напрвлении. Для удержания заготовки между валками предусматривают специальные устройства (чаще линейки, реже – ролики). Рабочие валки имеют конусы прошивки и раскатки, а в середине — калибровочный пояс. Между валками на пути движения получающейся полой гильзы устанавливается оправка. При расположении рабочих валков под некоторым углом между их осями достигается вращение заготовки относительно своей оси и одновременно ее поступательное движение, благодаря чему заготовка надвигается на оправку и прошивается.

Прошивной стан – [piercing mill] - двух- или трехвалковый стан поперечно-винтовой прокатки для горячей прошивки деформированной заготовки или слитка на короткой, удержививаемой оправке и получения толстостенной гильзы. Устанавливается перед раскатными станами в составе ТПА. Прошивной стан состоит из главного привода с уравновешивающим устройством входной стороны, с механизмом вталкивания заготовок, рабочей клети и выходной стороны. На станах прошивают заготовки соответственно до 140, 250 и 400 мм с массой 0,5, 1,7 и 2,5 т.
Прошивной стан — прокатный стан, служащий для образования продольного круглого отверстия в заготовке, слитке.

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а точнее к прошивным станам поперечно-винтовой прокатки.
В настоящее время на всех трубопрокатных агрегатах страны и за рубежом для получения гильз распространены два типа станов: двухвалковые прошивные станы и трехвалковые прошивные станы. Главным критерием применения того или иного типа стана является качество прошиваемых гильз по геометрии, наличию внутренних и наружных плен, разностенности и точности размеров по диаметру, криволинейности и т.д. Главным преимуществом двухвалкового прошивного стана является сравнительно низкая разностенность гильз, недостатком - наличие плен на их внутренней поверхности. Главным достоинством трехвалкового прошивного стана является отсутствие плен на внутренней поверхности гильз, недостаток - повышенная разностенность.
Как уже отмечалось,- широко известен прошивной стан поперечно-винтовой прокатки, содержащий рабочую клеть с двумя рабочими валками и приводом вращения валков от двигателя постоянного тока. Особенность напряженно-деформированного состояния на входном конусе очага деформации двухвалковых станов определяет возможность разрушения металла в сечениях до носка оправки, что и приводит к образованию дефектов, а именно к появлению плен на внутренней поверхности гильз, особенно при неравномерном нагреве или перегреве заготовок. Более благоприятные условия для прошивки, с точки зрения кинематики, возможны на станах, где имеет место нагружение не в двух, а в трех точках по периметру заготовки.
Известен также стан поперечно-винтовой прокатки, содержащий рабочую клеть с тремя валками, симметрично расположенными (под углом 120°) относительно оси прокатки, и групповой привод вращения валков.
В трехвалковых прошивных станах поперечно-винтовой прокатки допускается любое обжатие перед носком оправки без разрыхления в центре заготовки, уменьшается склонность к образованию внутренних плен и увеличивается коэффициент осевого скольжения. Однако,так как процесс прошивки в трех валках отличается высокими требованиями к сочетаниям параметров, то трехвалковые прошивные станы применяют для ограниченного сортамента исходной заготовки и при этом не исключается разностенность гильз. Кроме того, в трехвалковых станах с симметричным очагом деформации пока сложно применить индивидуальный привод - более мобильный, надежный и экономичный.
Наиболее существенный вклад в исследование процесса прошивки, развитие передовых способов получения полых гильз и совершенствование конструкции прошивных станов внесли учёные и инженеры- конструкторы Украинской школы трубопрокатчиков П.Т.Емельяненко, А.П.Чекмарёв, И.А.Фомичев, М.И.Ханин, В.М.Друян, В.Ф.Балакин. Важно отметить, прошивной стан позволяет производить не только поперечную, но и косую прокатку.

Процесс косой прокатки нашел широкое применение в трубопрокатной промышленности при производстве бесшовных труб. Он применяется для основной операции — получения полой гильзы из сплошной заготовки.

 Деформация стенки при косой прокатке полой заготовки без оправки зависит в основном от величины обжатия и угла подачи. Несмотря на то, что не все вопросы, связанные с изучением теоретических основ процесса получения полых гильз при прошивке из сплошной заготовки окончательно решены, многие практические выводы, сделанные на основании исследований и разработанные теоретические положения способствовали успешному развитию отечественной трубной промышленности. 
Вопрос о причинах образования внутренней полости до сих пор не нашел достаточно полного освещения. Исследования, про­водившиеся рядом авторов за границей, характеризуются в боль­шинстве своем почти полным отсутствием экспериментального материала, и поэтому выводы являются умозрительными и недо­статочно убедительными. Экспериментальные данные имеются только в работе Зибеля, определявшего напряжения в цилиндре при сжатии его двумя плитами. Зибель пришел к выводу, что на­рушение сплошности металла является результатом скалывающих напряжений, величина которых максимальна в центре заготовки. Вывод этот неубедителен и опровергается опытами самого Зибеля.

Рис. Образование полости при поперечной прокатке

Обстоятельные и весьма ценные работы по изучению процес­сов поперечной и косой прокатки были проведены украинскими учеными.Исследования украинских ученых и их выводы характеризуют­ся принципиально новой трактовкой вопроса, основанной на цен­ных экспериментальных данных, и стремлением найти исчерпы­вающее решение проблемы. Ученые чл.-корр. АН Украины П. Т. Емельяненко, докт. техн. наук В. С. Смирнов, кандидаты технических наук И. А. Фомичев, А. Ф. Лисочкин и другие впервые дали действи­тельно научную трактовку сложных явлений, происходящих при поперечной и косой прокатке. Несмотря на то, что ряд вопросов в этих работах окончательно не решен, многие практические вы­воды, сделанные на основании проведенных исследований, и раз­работанные теоретические положения способствовали успешному развитию трубной промышленности. Рассмотрим их взгляды подробнее
П.Т.Емельяненко в своё время высказано предположение об образовании полости в результате знакопеременных напряжений и непрерывных сдвигов в центральной зоне заготовки, обусловленных перемещениями частиц металла по эллиптическим траекториям.

Рис. Образование плен и трещин при прошивке

 Вследствие действия этих напряжений в сердцевине металла наблюдается образование радиальных трещин и рванин. После появления трещин в осевой зоне заготовки поперечная прокатка рассматривается П. Т. Емельяненко как процесс непрерывного пластического изгиба. Эта гипотеза является весьма ценной, так как позволила автору сделать важный вывод о значительном влиянии степени овализации заготовки на образование полости, что подтверждается многочисленными опытами и практикой производства. 
Явлением пластического изгиба при косой прокатке полых тел объясняется появление иногда при вторичной прошивке трещин на внутренней поверхности гильз. 
Исследователь процесса прошивки В.С. Смирнов, на основании большого количества тщательно поставленных экспериментов, разработал теорию о возникновении полости в результате действия всесторонних растягивающих напряжений. Разрушение сердцевины заготовки и образование полости, по мнению автора, объясняется тем, что действующие напряжения превосходят значения хрупкой прочности металла, и поэтому разрушение является хрупким, а не вязким, как полагали другие авторы. Гипотеза В. С. Смирнова является оригинальной и трактует вопрос по-новому. Однако в этой теории трудно доказуема возможность создания всесторонних растягивающих напряжений в сердцевине заготовки при воздействии внешних сжимающих сил от валков.
 Изучая макроструктуру образцов, взятых из различных участков очага деформации при прошивке, И. А. Фомичев пришел к выводу, что образование полости является результатом неравномерности деформации по сечению и длине заготовки и связанного с этим явления осевой утяжки. По мнению И. А. Фомичева, скручивание заготовки, происходящее в станах косой прокатки, также способствует вскрытию полости. Несколько позднее И. А. Фомичев, исследуя характер истечения металла при прошивке, дал эпюры радиальных, тангенциальных и осевых напряжений. Радиальные растягивающие напряжения, возникающие вследствие наличия тангенциальных сил, смещающих металл -по окружности заготовки, при большой их величине, по мнению автора, могут привести к разрывам сердцевины. И. А. Фомичев придает также большое значение наличию оправки, возбуждающей силы утяжки. Фомичев сделал вывод большой практической важности о необходимости вести процесс прошивки без образования полости перед оправкой, поскольку вскрытие полости перед оправкой приводит к появлению внутренних плен и трещин на гильзе. К такому же выводу пришли несколько позднее И. В. Дубровский и Л. И. Матлахов, специально изучавшие влияние положения оправки в очаге деформации на образование внутренних плен. 

Рис. Схема радиально-растяги- вающих напряжений при прошивке (по И. А. Фомичеву)

Характерно, что при прокатке полых заготовок наиболее частым является кольцевое разрушение (расслоение). С уменьшением обжатия в первой зоне очага деформации (перед оправкой) сопротивление оправки продвижению заготовки возрастает, так что при определенных условиях уменьшение обжатия может быть не только бесполезным, но даже вредным, так как при этом увеличивается число знакопеременных нагрузок, повышающих склонность к вскрытию полости. 
Величина деформации во второй зоне очага также оказывает определенное влияние на качество внутренней поверхности трубы. Чем больше эта деформация, тем больше вероятность получения дефектов при прочих равных условиях. Это особенно отчетливо проявляется при косой прокатке полых заготовок из высоколегированной стали. 
Следует отметить, что на вскрытие полости существенное влияние оказывает число рабочих валков. Еще А. Ф. Лисочкиным указывалось, что трехвалковые станы в этом отношении предпочтительнее станам с двумя валками. В последнее время это теоретическое предположение подтверждено прямыми экспериментами. 
В практике трубопрокатного производства применяются прошивные станы с двумя валками. В тех случаях, когда при прошивке получают тонкостенные гильзы и очаг деформации должен быть плотно закрытым, применение двухвалковых станов с линейками неизбежно. Если же при прошивке всегда получают толстостенную гильзу, то можно применять станы с тремя валками. В таких станах нельзя иметь закрытый очаг, но при прошивке толстостенных гильз это необязательно. В наиболее общем случае косой прокатки в валковом стане оси валков наклонены к оси прокатки под углом , который называется углом раскатки. Кроме того, оси валков имеют перекос относительно оси прокатки. Угол перекоса валков называется углом подачи.

Рис. Схема танген­циальных и радиальных напряжений (по А. Ф. Лисочкину)

На основании работ ученых и данных практики производства можно указать следующие основные факторы, вли­яющие на образование полости:

• уменьшение относительного обжатия снижает склонность к образованию полости;
• уменьшение овализации заготовки в очаге деформации снижает склонность к вскрытию полости;
• легированные стали более склонны к образованию полости;
• с понижением температуры склонность к образованию по­лости увеличивается, однако перегрев стали приводит к преждевременному вскры­тию полости.

Рис.  Скорости при прошивке в валковом стане

Кинематика процесса прошивки
Круглая заготовка, задаваемая в валки, вращаю­щиеся в одну сторону, вследствие возбуждающихся сил трения получает вращатель­ное движение. Одновременно вследствие наклонного положения валков по отношению к оси заготовки она имеет также осевое перемещение. Таким образом, каждая точка поверхности заготовки со­вершает в очаге деформации движение по винтовой линии.

Очаг деформации в прошивном стане можно условно разде­лить на две зоны. Первая зона — от начала захвата заготовки до места наибольших диаметров (пережима) валков — называется конусом прошивки. Только в конце этой зоны, когда заготовка встречается с установленной в очаге деформации оправкой, на­чинает образовываться внутренняя полость. Далее, во второй зоне, оправка вместе с валками увеличивает сечение полости и стенка гильзы уменьшается. Вторая зона называется конусом раскатки.
По мере продвижения заготовки в очаге деформации площадь ее сечения уменьшается и особенно сильно с момента образования внутренней полости. Поэтому скорость заготовки в очаге деформации возрастает, а скорости валков изменяются незначи­тельно или совсем не изменяются, как в дисковом стане. Вследствие этого между деформируемым металлом и валками неиз­бежно возникает скольжение.
Скольжение металла относительно валков — один из наиболее важных факторов в процессе прошивки заготовки. Оно влияет на производительность установки и качество получаемых гильз.
На основе многочисленных измерений установлено, что коэф­фициент осевого скольжения практически находится в пределах 0,35—0,85. Для ориентировочных расчетов Ю. М. Матвеев и Я. Л. Ваткин рекомендуют пользоваться эмпирическими зависи­мостями для определения коэффициента осевого скольжения как функциями диаметра заготовки при различных скоростях прошивки.

На основании многочисленных исследований установлено, что осевое скольжение увеличивается:

• при увеличении скорости прошивки, с повышением числа оборотов и в меньшей степени с увеличением угла наклона вал­ков или эксцентриситета;
• при увеличении диаметра заготовки;
• с уменьшением толщины стенки ГИЛЬЗЫ;
• с уменьшением обжатия перед оправкой;
• при снижении температуры прошивки.

   

  Нужно отметить, что хотя с понижением температуры коэф­фициент трения металла о валки увеличивается, все же сопротивление оправки возрастает более интенсивно, вызывая увеличение осевого скольжения.

  На коэффициент скольжения в значительной мере оказывает влияние форма инструмента.
  Исследованиями С. П. Грановского, а также опытами О. А. Пляцковского установлено, что на всей длине очага деформации осевая скорость заготовки меньше скорости валков, т.е. происходит отставание металла. Нейтрального или критического сече­ния, в котором скорости валков и заготовки равны, не существует. Это положение иллюстрируется измерениями С. П. Грановского, проводившего опыты на лабораторном стане.
  Большая разни­ца в скоростях валков и заготовки в начальный момент прошивки и в конце процесса и наибольшее скольжение на этих участках очага деформации приводят к более интенсивному износу валков в этих местах, что подтверждает известное из практики явление неравномерного износа валков по длине бочки.
  Скольжение в тангенциальном направлении изучено в зна­чительно меньшей степени, что объясняется трудностями определения коэффициента тангенциального скольжения.

   

  

  Рис.  Схема очага деформации при прошивке

   

  Каждая точка поверхности заготовки-гильзы совершает дви­жение по винтовой лини.
  При определении расхода энергии для продольной прокатки результаты аналитических расчетов можно сопоставлять с установленными практикой величинами. Для косой прокатки такое сопоставление весьма затруднительно, так как в литературе по­чти совершенно отсутствуют систематизированные данные по расходу энергии. Имеются лишь данные П. Т. Емельяненко и 10. М. Матвеева, относящиеся к прошивке слитков. Несмотря на большое количество проведенных экспериментов, достаточно надеж ной закономерности изменения расхода энергии как функции величины деформации до сих пор не найдено.
  Экспериментально установлено, что выдвижение оправки за пережим валков в известных пределах приводит к некоторому уменьшению расхода энергии, а ее чрезмерное выдвижение приводит к увеличению расхода энергии. Из опытов известно, что расход энергии уменьшается при увеличении угла наклона валков Например, с увеличением угла с 7 до 9° расход энергии уменьшается на 20—25%, что объясняется, в первую очередь, уменьшением машинного времени.
  Представлена нагрузочная диаграмма, на которой хорошо выражены три участка. Первый участок — от момента захвата до полного заполнения очага деформации металлом — характеризуется постепенным нарастанием нагрузки с более или менее явным перегибом кривой, соответствующим моменту встречи металла с оправкой, пос­ле чего рост нагрузки происходит более интенсивно. Второй участок соответствует установившемуся процессу, при котором на­грузка изменяется мало. Третий участок характеризуется возрастанием нагрузки в конце процесса. Начало пика совпадает с мо­ментом попадания заднего конца заготовки в валки.

  

  
  Рис. 51. Нагрузочная диаграмма при прошивке заготовки

  По мере освобождения конуса прошивки от металла вследствие уменьшения осевого скольжения увеличивается подача за полуоборот. Увеличенная подача приводит к возрастанию частных обжатий за каждый полуоборот, что вызывает увеличение мощности прошивки при выходе заготовки из очага деформации. Величина средней мощности и пиковое ее значение резко меняются при из­менении скорости прошивки, температуры прошивки, формы применяемого инструмента и других технологических факторов. В частности, возрастание скорости деформации вследствие увеличения числа оборотов или угла наклона валков вызывает возрастание нагрузки. В отдельных случаях пиковые значения нагрузки могут даже ограничивать возможность повышения скорости прошивки, если мощность двигателя недостаточна.
  Таким образом, учитывая все вышеизложенное, можно смело утверждать,
  что прошивной стан стал величайшим изобретением и незаменимым средством работы для всей мировой металлургии, позволяющим производить продольную, поперечную и косую прокатку.