Автор: Балакин В.Ф., Гармашев Д.Ю.,Степаненко А.Н.,Угрюмов Ю.Д.,Павловский Б.Г.,

Категории: трубное производство

Большим достижением в области прокатки стало создание и практическое использование в 60-х годах XIX века непрерывных прокатных станов [1].
Трубопрокатные установки с непрерывным ста­ном, впервые появились в 1890 г. и получили довольно ши­рокое распространение в трубной промышленности Европы и США в начале XX века. В 1902 г. Келлог спроектировал и построил пятиклетевой стан (три клети горизонтальные и две -вертикальные). Прокатка труб в этом стане проводи­лась на гладкой цилиндрической оправке. В непре­рывной установке конструкции Фассль были устра­нены конструктивные недостатки 5-клетьевого ста­на Келлога, который является непрерывным станом и в ко­тором производилась прокатка прошитых в стане косой прокатки гильз в трубы со сравнительно не­большой толщиной стенки (3…5 мм), и добавлены две пары клетей (горизонтальная и вертикальная). 7-клетьевой стан конструкции Фассль впервые был построен во Франции, а затем - Бельгии и России. Всего было установлено шесть таких станов [2].

УДК 621.774.35

Балакин Валерий Федорович
Заведующий кафедрой технологического проектирования
Доктор технических наук, профессор
Национальная металлургическая академия Украины

Гармашев Д.Ю., к.т.н., ведущий инженер ЦЗЛ ПАО «ИНТЕРПАЙП НТЗ».

Степаненко А.Н., ГП «ГИПРОМЕЗ».

Угрюмов Ю.Д., к.т.н., ведущий инженер ГП "ГИПРОМЕЗ"

Павловский Б.Г., к.т.н., научный консультант ПАО «Дне­пропетровский трубопрокатный завод».

Выбор технологических параметров прокатки на непрерывном стане

с плавающей оправкой.

Особенности процесса непрерывной прокатки в двухвалковых калибрах на длинной плавающей оправке

Введение.
В 1912 г. непрерывная установка Фассль была установлена на заводе Шодуар, а вторая, несколь­ко модернизированная, вступила в действие уже в СССР в 30-е годы XX века на Днепропетровском тру­бопрокатном заводе им. Ленина (ныне ПАО «Дне­пропетровский трубопрокатный завод») [1-3].
Дальнейшее развитие ТПА с непрерывным оправочным станом было подготовлено рядом техниче­ских достижений. Так, в начале 30-х годов XX века в США был введен в эксплуатацию непрерывный оправочный стан Форена, состоящий из 26 пар вал­ков с индивидуальным приводом от электродвигате­лей постоянного тока с целью улучшения качества труб и совершенствования технологического про­цесса. Анализ работы показал, что число пар валков может быть уменьшено до девяти.
В последующие 50-60-е годы XX века были пред­приняты попытки по усовершенствованию таких ста­нов в США и Италии [2].
В 70-х годах XX века в отечественной и зарубеж­ной практике трубного производства прогрессивно развивалось производство труб способом непре­рывной прокатки. В этот период были построены или реконструированы и введены в эксплуатацию ТПА с непрерывным станом в СССР (Синарский, Первоуральский, Волжский трубные заводы), Германии, Японии, США, Италии и других странах.
ТПА с непрерывным удлинительным станом наи­более производительный, и примерно с 50-х годов XX века получил широкое применение для прокатки труб диаметром до 110 мм.
В разработке современных ТПА такого типа большая роль принадлежит советскому стано­строению, создавшему в 60-х годах XX века два уникальных трубопрокатных агрегата с рекордной производительностью (400-600 тыс. т в год), успеш­но работающих на Первоуральском новотрубном (ныне - ОАО «Первоуральский новотрубный завод») и Никопольском южнотрубном (ныне - ООО «ИНТЕРПАЙП Нико Тьюб») заводах.
Современное трубное производство, вместе с ростом производительности, требует одновременно­го освоения новых видов труб и улучшения качества выпускаемой трубной продукции.
Постановка проблемы. Один из вариантов улучшения качества продук­ции - усовершенствование технологии производ­ства труб на ТПА с непрерывными станами с двух-и трехвалковыми калибрами, а именно: расширение сортамента на основе улучшения технологических возможностей калибровки валков и оборудования, а также режимов прокатки и новых методик эксплуа­тации валкового парка [3-5].
Для решения рассматриваемой задачи при совершенствовании уже созданных и строительстве новых трубопрокатных установок с непрерывным оправочным станом требуется глубокое исследование технологических параметров процесса прокатки. При разработке калибровок валков важно знать степень заполнения ка­либра металлом, толщину стенки трубы в выпуске, степень оковыва­ния оправки металлом в том или ином случае прокатки.
Анализ опубликованных исследований. К технологическим параметрам относятся:

• суммарный коэффициент вытяжки - μΣ;
• коэффициент вытяжки по клетям непрерывного стана – μi;
• катающие диаметры валков по клетям - D;

-        число оборотов валков по клетям - ni.
Выбрать или определить вышеуказанные параметры можно лишь после расчета таблицы про­катки и калибровки валков, а также коэффициентов кинематического натяжения по клетям.
Максимально четко рассматриваемые вопросы изложены в наиболее цитируемой работе [4]. В работе [5] обозначены на­правления для реализации поставленных вопросов, а у авторов работы [6] приведена чрезвычайно сложная методика, предусматривающая использование ЭВМ (программа не представлена). В последней ра­боте используется метод последовательных приближений.
Кроме того, в технической литературе четко не определена формулировка такого важного параметра как коэффициент кинематического натяжения.
В работе [4] последний определяется из выражения
                                             (1).
Здесь F и V - соответственно площадь сечения трубы в клети непрерывного стана и выходная скорость металла.
В работе [5] для подсчета коэффициента кинематического натяжения используется формула
,                                                          (2)
В первом случае рассматриваемый коэффициент может быть равен С>0 (натяжение) и С<0 (подпор). Во втором случае - при С>1 имеет место натяжение между клетями, а при С<1 - подпор металла между клетями.
В работах [4] и [5] оперируют величиной - ω, называемой натяжением в последующей клети (размерность - проценты). Например, секундный объем металла в последующей клети равен
,                                                             (3)
В работе [6] в расчетах используется так же, как и вработе [5], коэффициент кинематического натяжения, вычисляемый по формуле (2).     
В большинстве литературных источников не приведены примерные согласованные расчеты в следующей последовательности: таблица прокатки, распределение коэффициентов вытяжки по клетям, выбор профиля калибра вал­ков, расчет калибровки валков по стану, расчет коэффициентов кинематического натяжения, расчет катающих диаметров валков в зависимости от заполнения металлом калибра, расчет чисел оборо­тов валков. Так же отсутствуют рекомендации по выбору величины зазора между валками и радиусов за­кругления галтелей валков.
Следует отметить, что на 7-и клетевых непрерывных станах Фассль, работающих с жесткой ки­нематической связью оборотов валков, за счет применения отдельных шестеренных клетей для вер­тикальной и горизонтальной групп прокатных клетей, установлены зависимости по уширению ме­талла в калибрах, распределению коэффициентов вытяжек металла по клетям и другие необходи­мые для расчетов зависимости и приведены в работах Ю.М. Матвеева и Я.Л. Ваткина [7]. В работах же, посвященных исследованию процесса прокатки в непрерывных станах с индивидуальными при­водами клетей, необходимых данных так же практически нет.
Обычно при проведении исследований для изучения уширения и опережения металла, опреде­ления катающих диаметров и др. применяют метод торможения раската в стане. Для непрерывных станов с индивидуальным приводом валков такой метод может приводить кошибкам, поскольку в момент торможения теряется жесткая связь между клетями и в результате изменяются коэффици­енты кинематического натяжения, меняя в какой- то мере заполнение калибров металлом. Видимо, для исследования такого процесса требуется усовершенствование указанного метода.
Основываясь на собственном опыте и результатах опубликованных ранее работ [1-9] в данной статье сделана попытка сформулировать в сжатом виде основные положения и обобщенную методику расчета основных технологических параметров  процесса прокатки в непрерывном стане с плавающей оправкой.
Процесс прокатки труб в непрерывном стане протекает в соответствии с законом постоянства секундных объемов металла, проходящего через каждую клеть. Прокатка осуществляется на длин­ной оправке, движущейся с усредненной скоростью. Скольжение металла относительно валков в значительной мере определяется движением оправки. За счет кинематического натяжения между клетями имеет место подпор или натяжение - задний или передний прокатываемой трубы. Натяжение или подпор возникают тогда, когда соседние клети в единицу времени могут пропустить разный объем металла.
Если последующая клеть может пропустить в единицу времени больший объем металла, чем предыдущая, в первой клети имеет место переднее натяжение, во второй - заднее. Если предыдущая клеть может в единицу времени пропустить больший объем металла, чем последующая, в первой клети возникает передний подпор, в последующей - задний. В клетях кроме первой и последней процесс прокатки может протекать с передним или задним натяжением либо подпором. В первой клети могут быть только передние натяжение или подпор, в последней - только задние.
Коэффициент кинематического натяжения (отношение секундных объемов металла смежных клетей) определяется следующими выражениями
,         ,                ,              ,
                                           (4)
Здесь: Di и Di+1 – катающие диаметры валков;
ni и ni+1 – числа оборотов валков;
μi+1 – коэффициент вытяжки в последующей клети.
В практических расчетах рекомендуется определять катающий диаметр валков из выражения
D=DИД - 0,75·dКВ ,                                          (5)
где dКВ - средний диаметр калибра валков.
Коэффициент кинематического натяжения является расчетной величиной. Поэтому, даже когда С≠1, процесс прокатки протекает с сохранением постоянства секундных объемов металла благодаря воздействию одной клети на другую через деформируемый металл и изменению в результате ка­тающих диаметров валков.
Когда закон постоянства секундных объемов нарушается, то при значительном натяжении на­ступает разрыв трубы в стане (подобно тому, что происходит с образцом в разрывной машине), а при большом подпоре образуется «гармошка» (как это бывает при осадке между плитами полого тела круглого сечения).
При осадке и растяжении полого тела, прежде всего, изменяется его наружный диаметр и лишь затем толщина стенки.
В случае непрерывной прокатки труб на оправке происходит подобное.
Особенно большое влияние на процесс прокатки оказывают заднее натяжение и подпор. Заднее натяжение уменьшает уширение металла в калибре, препятствуя его переполнению, и при большой величине приводит к утяжке металла, вызывая уменьшение толщины стенки в области выпусков калибра, где она, как правило, не контактирует с оправкой. Задний подпор увеличивает уширение металла в калибре и при большой его величине приводит к переполнению последнего, способствуя затеканию металла в зазор между валками, что может привести к появлению наружных закатов на трубе.
Переднее натяжение и подпор оказывают меньшее влияние на переполнение калибра валков металлом.
Практикой установлено, что при переднем или заднем натяжении изменяется средний диаметр трубы, выходящий из валков. В результате по длине трубы изменяется наружный диаметр, что осо­бенно ощутимо при заполнении и освобождении стана от металла. На колебание диаметра трубы оказывает влияние давление металла на валки, изменяющего упругое изменение расстояния между последними (достигает 0,5…1,0 мм).
При межклетевом натяжении уменьшение диаметра трубы приводит к плотному охвату оп­равки металлом - оковыванию и затрудняет ее перемещение, особенно, при извлечении из трубы. Это способствует быстрому износу оправки и уменьшению ее номинального диаметра.
Коэффициент кинематического натяжения, например, на 9-и клетевом непрерывном стане ООО «ИНТЕРПАЙП Нико Тьюб» при­нимают на основании практических данных для первых клетей равными С=1,01…1,015, для средних - 01,005…1,01 и последних - С=0,995…0,999.
Калибровка валков обычно характеризуется таким показателем как овальность - λ.
,                                                       (6)
где b - ширина калибра (устанавливается на оси разъема между валками);
h - высота калибра.
Овальность, как известно, оказывает существенное влияние на процесс деформации.
В первых клетях стана, где толщина стенки имеет большую величину и оковывание оправки металлом не оказывает решающего влияния на образование дефектов на трубах (разрывов и тре­щин) в зонах выпусков калибров, чаще применяют тесные калибры с овальностью λ=1,2…1,25; в пер­вых средних - λ =1,25…1,30; в последних средних - λ =1,24…1,25; в последних (сругляющих) - λ = =1,02…1,06. Углы выпуска калибра в деформирующих клетях применяют равными β=40…50° в скугляющих β=30°.
Применяют и другие параметры калибров валков непрерывного оправочного стана. Например, овальность в первых клетях 1,2…1,4, в средних - 1,25…1,30, в последних- 1,07…1,09. Здесь соответст­венно форма калибра овальная с углами выпусков 28…30°, в остальных - круглая с прямыми выпус­ками и углами выпусков 42…43°.
Для извлечения оправки из трубы целесообразно применять зазор между внутренним диамет­ром прокатанной трубы и оправкой примерно равный 1…3 мм.
В 7-и клетевых станах Фассль ОАО «Дне­пропетровского трубопрокатного завода», где прокатка ведется с натяжением, полного отделения трубы от оправки добиться не удается.
Распределение же деформаций по клетям непрерывного оправочного стана в технической литера­туре представлено двояким образом:

• распределение по клетям коэффициентов вытяжки металла;
• распределение по клетям обжатий по толщине стенки в вершине калибра.

Для примера в таблицах 1 и 2  приведены литературные данные по станам Фассль и ТПА 30-102.
Данные по 8-и клетевым непрерывным станам в технической литературе практически отсутст­вуют.
Также в технической литературе отсутствуют данные по изменению толщины стенки трубы в области выпусков при различных режимах натяжения. Обычно принимают при расчете калибровок валков толщину стенки в рассматриваемой области равной толщине стенки трубы в вершине ка­либра предыдущей клети, что, по нашему мнению, не совсем правильно.

Таблица 1 – Технические данные приведенные в литературе для стана
Фассль 57-83

Таблица 2.- Технические данные приведенные в литературе для ТПА 30-102

Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, свидетельствуют, что обжатие по толщине стенки в вер­шине калибра последующей клети значительно отличаются от относительного изменения высоты калибров.
Таким образом, можно сделать вывод, что «более-менее» строгая методика расчета технологи­ческих параметров для непрерывных станов с плавающей оправкой отсутствует.
Для каждого ТПА с непрерывным станом с учетом местных условий разрабатывают свою ка­либровку валков, а технологические параметры подбирают практическим путем. При переходе на прокатку труб с другой толщиной стенки настройку стана вальцовщик производит, полагаясь на свой практический опыт.
Учитывая выше изложенное, необходимо применительно к ТПА 80 выполнить исследования процесса прокатки для существующего положения и затем разработать более строгую методику расчета ка­либровки валков и технологических параметров с использованием результатов ранее выполненных работ и собственного опыта.
В технической литературе практически отсутствуют данные о влиянии соосности калибров вал­ков и методиках проверки, установки оси прокатки непрерывного стана на его работу.

Список используемой литературы

• Стасовский Ю.Н.. Развитие и использование круглого калибра в непрерывных трубопрокатных станах / Ю. Н. Стасовский , О. И. Сокирко, Ю. А. Гладкий / МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ 9-10'2010.  С. 65-69.
• Современное состояние и перспективы развития производства труб на установках с непрерывными оправочными станами /А. А. Шевченко, Я. Л. Ваткин, Г. И. Гуляев и др. // Матер, науч.-техн. конф. «Теория, практика и перспекти­вы развития производства бесшовных труб на установках с непрерывными станами». - Днепропетровск, 1968. С. 8-21.
• Чекмарев А. П. Исследование калибровки стана Фассля / А.П. Чекмарев, М.П. Галемин, И.П. Николаец // ДОМЕЗ. - 1935. - № 7. С. 56-62.
• Данилов Ф.А. Горячая прокатка и прессование труб /Ф.А. Данилов, А.З. Глсйберг, В.Г. Балакин.// М. «Метал­лургия». 1972. С. 576.
• Шевакин Ю.Ф., Глейберг А.З. Производство труб. М. «Металлургия». 1968. С. 440.
• Данченко В.Н., Чус А.В. Продольная прокатка труб. М. «Металлургия», с. 137.
• Матвеев Ю.М. и Ваткин Я.Л. Калибровка валков и инструмента трубных станов. М. 1951. Металлургиздат. С. 412.
• Емельяненко П.Т., Шевченко А.А., Борисов С.И. Трубопрокатное и трубосварочное произ­водство/ П.Т. Емельяненко, А.А. Шевченко, СИ. Борисов// М. Металлургиздат. 1954. С. 496.

Чекмарев А.П., Друян В.М. Теория трубного производства. М. «Металлургия». 1976. С. 304.