Процесс получения тонкостенных труб

Аннотация

В данном дипломном проекте разработан процесс получения тонкостенных труб на трубоэлектросварочном агрегате 140−250 в условиях ОАО «ВМЗ».

В специальной части проекта произведен расчет калибровки валков формовочного стана, расчет и уравновешивание тянущих усилий, произведена оценка напряженно-деформированного состояния штрипса в формовочном стане, рассчитана наклонная ось формовки и произведены прочностные расчеты наиболее нагруженной формовочной клети.

1. Обоснование проекта реконструкции

1.1 Характеристика завода

Выксунский металлургический завод находится в городе Выкса Нижегородской области в Волго-вятском географическом районе.

Расположение завода в средней полосе России обусловлено благоприятными климатическими условиями, близости таких крупнейших потребителей продукции завода, как Сургут, Башкирия, Северный Кавказ, а также наличие необходимых материальных и энергетических ресурсов для обеспечения производства. Все это и определяет целесообразность и необходимость дальнейшего производства труб на этом заводе.

Территория завода расположена на одинаковом расстоянии от крупнейших городов России: Москвы и Нижнего Новгорода, в промышленной зоне Западного административного округа.

Расположение завода обосновывается исходя из наиболее экономически выгодных транспортных связей предприятия. Недалеко от завода проходит железнодорожная и автомобильная магистраль, а также протекает река Ока, что обеспечивает удобство в транспортировки сырья и готовой продукции.

Рельеф территории относительно ровный, без значительных перепадов высот. По отношению к жилым районам завод находится с подветренной стороны, чем и обеспечивается благоприятное расположение завода.

Поставка рулонной стали для трубных цехов осуществляется по железной дороге с Череповецкого металлургического комбината и Липецкого металлургического завода.

Пароснабжение и теплоснабжение цехов завода и города осуществляется от собственной заводской котельной.

Снабжение сжатым воздухом и кислородом осуществляется от газокомпрессорной станции. Снабжение цехов завода природным газом осуществляется от газовой магистрали по газопроводу диаметром 200 мм. Обеспечение завода аргоном осуществляется поставкой его в баллонах.

Электроснабжение цехов завода осуществляется от Куйбышевской энергосети через распределительную подстанцию «Радуга» и центральную распределительную подстанцию завода.

Сегодня ОАО «ВМЗ» мощное, оснащенное современным оборудованием предприятие — одно из ведущих в черной металлургии России по производству стальных электросварных труб.

Завод располагает крупнейшим в Европе комплексом по производству легированной высококачественной колесной стали и изготовлению цельнокатаных железнодорожных колес. Годовой объем изготовления колес составляет 530 тыс. тонн.

Лаборатория по изготовлению заготовок под прокат из порошкового материала превратилась сейчас в цех порошкового проката, располагающий современным оборудованием для получения пористого и безпористого материала, применяемого во многих отраслях промышленности и народного хозяйства.

Для проведения исследований или контрольных измерений на заводе создан целый комплекс лабораторий: центральная заводская, контрольно-измерительных приборов и электротехническая. В лабораториях работают высококвалифицированные специалисты, владеющие современными методами исследований. Современная технология изготовления обеспечивает получение электросварных прямошовных труб высокого качества, соответствующего требованиям международного рынка.

1.2 Обоснование целесообразности модернизации цеха

В настоящее время наблюдается снижение потребности нефтяной и газовой промышленности в электросварных трубах и рост потребности тонкостенных труб в коммунальном и строительном хозяйстве.

Увеличение производства труб сваркой объясняется технико-экономическими преимуществами этого способа перед остальными.

Сварные трубы изготавливают на непрерывных агрегатах, работающих по «бесконечной» схеме формовки и сварки.

Трубоэлектросварочный цех № 5 ОАО «ВМЗ» включает в себя ТЭСА 140−250. Предлагается начать выпускать на нем трубы с отношением диаметра к толщине стенки Д/S>50.

В качестве мероприятия по реконструкции в данном дипломном проекте предлагается осуществить модернизацию стана за счет внедрения наклонной оси формовки и трех клетей с роликовыми проводками.

Данное мероприятие позволит производить трубы, необходимые для коммунального и строительного хозяйств, что позволит более стабильно работать в условиях рынка.

Вспомогательное оборудование для процесса получения электросварных труб будет использовано прежнее. Выведенное оборудование в виде трех вертикальных клетей планируется использовать в дальнейшем производстве.

Увеличение объема производства приведет к снижению себестоимости продукции, что в свою очередь при проектируемом объеме производства приведет к увеличению прибыли и быстрому сроку окупаемости.

Таким образом, предлагаемый проект реконструкции ТЭСА возможен и целесообразен.

2. Оборудование и технология производства

2.1 Назначение ТЭСА 140−250.

ТЭСА 140−250 предназначен для валковой формовки непрерывно-движущейся ленты в трубную заготовку, которая сваривается в трубу с продольным швом при помощи токов высокой частоты со скользящими контактами, с последующей локальной термообработкой сварного шва, правкой, порезкой, отделкой и пакетированием труб.

Заготовкой для изготовления обсадных труб является низколегированная горячекатаная рулонная сталь марки 22ГЮ и 17Г1С. Для изготовления гладких труб используется горячекатаная рулонная сталь марок 10, 20 и Ст3. Муфты изготавливают из горячекатаных труб углеродистых сталей.

Размеры и предельные отклонения по ширине и толщине рулонной стали представлены в табл. 1.

Таблица 1

Предельные отклонения готовых труб и муфт к ним представлены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристика готовых труб представлена в табл. 3.

Таблица 3

2.2 Описание технологического процесса производства труб на ТЭСА 140−250

Для производства труб на трубоэлектросварочном агрегате используется лента (штрипс), в рулонах, полученная после резки на агрегате продольной резки (АПР).

Годные штрипсы, с промежуточного склада АПР, задаются в стан поплавочно электромостовым краном. Штрипсы укладываются краном на загрузочную тележку трубоэлектросварочного стана. Загрузочная тележка разделяет штрипсы, поворачивая их при необходимости на 180 в зависимости от направления кромки. Далее производится размотка штрипса и заправка его в правильную машину, в которой осуществляется правка штрипса.

Штрипс после правильной машины подается на стыкосварочную машину. Для обеспечения параллельности торцев перед сваркой осуществляется отрезка заднего и переднего концов штрипса. После этого производится сварка концов штрипса в среде защитного газа (двуокись углерода) с последующей зачисткой подтеков шва.

Для образования запасов штрипса, необходимого для обеспечения непрерывного процесса формовки и сварки труб, при остановке на стыковку, полоса направляется в накопитель ленты.

Из накопителя полоса подается тянущими роликами в формовочный стан со скоростью равной скорости сварки трубы. Перед подачей полосы в формовочный стан осуществляется рентгеновский контроль толщины штрипса с выдачей сигналов в систему регулирования режима сварки.

Стан состоит из формовочных клетей открытого и закрытого типов и вертикальных валков (эджеров). Формовка осуществляется при прямолинейной нижней образующей.

Сформованная трубная заготовка из клетей закрытого профиля задается в сварочный узел, где производится сварка непрерывно движущихся кромок токами высокой частоты. Подвод электроэнергии производится скользящими медными контактами через кондуктор. Сварка труб производится с использованием системы автоматического регулирования (САП).

После выхода трубы из сварочного узла производится удаление наружного и внутреннего грата. Далее производится автоматическая ультразвуковая дефектоскопия сварного шва и качества снятия грата с автоматической отметкой дефекта краскоотметчиком. Трубы, имеющие такие участки, автоматически выводятся из потока.

Для снятия остаточных напряжений в зоне сварного шва, выравнивания структуры и улучшение механических свойств шва, трубы подвергаются локальной термообработке (нормализации) сварного шва.

После этого «бесконечная» труба поступает в калибровочный стан и правильную клеть. Конструкция калибровочных клетей аналогичны конструкции клетей с закрытым профилем калибра формовочного стана. В правильной клети размещается четырехвалковая кассета с холостыми правильными валками.

Далее производится маркировка индекса смены и номера партии при помощи маркировщика барабанного типа. Маркировка производится светлой краской.

Автоматическая нарезка непрерывно движущейся «бесконечной» трубы на мерные длины осуществляется летучим отрезным станком с использованием системы оптимального раскроя и учетом последующей вырезки дефектных мест, с последующей вырезкой проб для проведения испытаний.

Последующая правка труб осуществляется на косовалковой правильной машине, имеющей три пары приводных валков и один холостой.

После правки труба поступает на загрузочные стеллажи торцеподрезных станков, где производится подрезка торцев и снятие наружной и внутренней фасок труб на двух параллельных линиях. Последующая нарезка резьбы также производится на двух параллельных линиях, каждая из которых оснащены транспортными средствами и двумя станками для нарезки резьбы на концах трубы.

Далее труба поступает на муфтонаверточный станок, с последующим гидравлическим испытанием труб внутренним давлением, для выявления скрытых дефектов тела трубы и обнаружение негерметичности резьбового соединения «труба-муфта». Трубы выдержившие гидравлические испытания подвергают навертке ниппелей, которые служат для защиты резьбы свободного конца муфты от механических повреждений и коррозии.

Для дальнейшей отделки труб, включающей в себя ремонт, взвешивание и измерение длины труб, маркировка труб клеймением они передаются на соответствующие участки.

Готовые трубы увязываются в пакеты и отправляются на склад готовой продукции.

2.3 Описание оборудования ТЭСА 140−250

2.3.1 Загрузочная тележка с промежуточным наклонным стеллажом

Загрузочная тележка предназначена для разделения штрипсов, поворачивая их при необходимости на 180 в зависимости от направления кромки (заусенцем вверх) и транспортируя по одному штрипсу к промежуточному наклонному стеллажу.

Прием штрипсов, их хранение и передача на позицию размотки осуществляется на промежуточном наклонном стеллаже. Стеллаж выполнен в виде сварной конструкции со встроенными в нее четырьмя стопорами, подъем и опускание которых производится гидроцилиндрами. При опускании стопора штрипс под собственным весом скатывается до следующего стопора. Емкость стеллажа 5 штрипсов.

2.3.2 Разматыватель

Размотка штрипса и заправка его в правильную машину производится разматывателем двухбарабанного типа. Он имеет два приводных барабана для фиксирования штрипса по внутреннему диаметру.

Штрипс в разматывателе может разматываться как сверху, так и снизу.

2.3.3 Клеть с отгибателем

Отгибание переднего конца штрипса и заправка его в правильную машину производится отгибателем.

Отгибатель клиновидного типа смонтирован на клети, имеющей прижимной ролик, верхний и нижний. Отгибание конца штрипса может производится сверху и снизу.

2.3.4 Правильная машина

Правильная машина предназначена для правки разматываемого штрипса, состоящая из пяти правильных валков и двух тянущих роликов.

Настройка правильной машины производится по заданным величинам перекрытия верхних и нижних правильных валков.

2.3.5 Стыкосварочная машина с ножницами.

Перед сваркой торцы штрипса, для обеспечения параллельности, обрезаются ножницами с нижним резом. Перед отрезкой оба конца (задний и передний) зажимаются механизмом с приводом от гидроцилиндра. Длина отрезаемого конца штрипса не более 200 мм.

Сварка концов штрипса происходит в среде защитного газа в автоматическом режиме одновременно двумя горелками. Для сварки используется сварочная проволока марки СВ-08Г2С, диаметром 1,2 мм.

2.3.6 Петлевое устройство

Для образования запаса штрипса, необходимого для обеспечения непрерывного процесса формовки и сварки труб, при остановке на стыковку, полоса направляется в петлевое устройство.

Петлеобразователь горизонтальный, расположенный под полом, с регулируемым натяжением петли.

Заправка петлевого устройства выполняется при снятом барабане. После припуска полосы через тянущие ролики, барабан опускают на провисшую полосу и крепят к передвижной тележке. Передвижение тележки осуществляется от электродвигателя канатом, наматываемым на барабан лебедки.

2.3.7 Рентгеновский контроль толщины штрипса

Перед подачей полосы в формовочный стан осуществляется рентгеновский контроль толщины штрипса с выдачей сигнала в систему регулирования режима сварки.

2.3.8 Формовочный стан

Для непрерывной формовки в трубную заготовку штрипс задается в формовочный стан.

Перед формовочным станом установлены тянущие ролики, служащие для подачи ленты из петлеобразователя к формовочному стану.

Штрипс при помощи задающей клети проходит через клеть предварительной формовки и непосредственно через горизонтальные формовочные клети открытого типа (№ 1 — № 3, № 5), вертикального типа (№ 4, № 6) и клети закрытого профиля (№ 1 — № 3).

Сформованная трубная заготовка из клетей закрытого типа имеет форму близкую к кругу.

2.3.9 Сварочная клеть

Трубосварочная клеть предназначена для сближения кромок сформованной трубной заготовки и сварке их токами высокой частоты.

Параметрами сварки является величина обжатия в сварочном калибре и вид частотной характеристики по диаграмме SPL.

Калибр сварочной клети образуется пятью валками для труб диаметром 219,1−244,5 мм или четырьмя — для труб диаметром 139,7−168,3 мм. Все валки холостые.

Нагрев кромок трубной заготовки производится на высокочастотной установке токами частотой 220 кГц. Сварка труб производится с использованием системы автоматического регулирования. Возможны два режима работы системы автоматического регулирования: автоматическое и полуавтоматическое. Сварочная мощность автоматически корректируется с учетом скорости стана и толщины шрипса.

После сварки трубы производится удаление наружного и внутреннего грата. Наружный грат срезается гратоснимателем, состоящим из двух суппортов для резцов, гратомоталки и двух опорных роликов. Грат удаляется заподлицо с телом трубы. Удаление внутреннего грата производится штангой, задний конец которой закреплен на станине формовочной клети с закрытым профилем калибра, а на переднем крепится головка гратоснимателя. Величина остатков внутреннего грата допускается не более 0,8 мм.

2.3.10 Локальная термообработка сварного шва (ЛТО)

Оборудование ЛТО состоит из клетей с тянущими роликами, пяти индукционных нагревателей, рольганга, установки водяного охлаждения шва.

Нагреватель состоит из нагрузочного трансформатора, конденсаторной батареи, верхнего направляющего ролика, механизма для регулировки положения нагревателя, самого нагревателя, шинопровода кабеля, трубопровода охлаждения.

Локальная термообработка проводится по всей длине труб за исключением несваренных участков шва, участков возникающих при пуске стана.

Нагрев шва труб до заданной температуры обеспечивается автоматической системой регулирования. После нагрева производится охлаждение шва на воздухе, при перемещении трубы до зоны водяного охлаждения. Дальнейшее охлаждение производится в установке водяного охлаждения. Температура трубы после установки водяного охлаждения не выше температуры кипения воды.

2.3.11 Калибровочный стан

Калибровочный стан предназначен для выравнивания геометрических размеров труб. Параметрами калибровки труб являются: периметр трубы после каждой клети и диаметр готовой трубы.

Калибровочный стан состоит из трех клетей, которые аналогичны конструкции клетей с закрытым профилем калибра формовочного стана.

Трубы, после калибровочного стана, подвергаются правке в правильной клети. Правильная клеть состоит из сварной конструкции открытого типа, в которой размещается четырехвалковая кассета. В кассете установлены четыре холостых правильных валка, имеющие свои нажимные механизмы. Кассета имеет механизм с электроприводом для перемещения ее в вертикальном и горизонтальном направлениях.

2.3.12 Маркировщик

С помощью маркировщика барабанного типа производится маркировка индекса смены и номера партии. Оператор отрезного станка, при подходе стыка рулона новой плавки, производит установку нового номера партии на незадействованном барабане маркировщика.

В начале смены устанавливается индекс смены. Перед индексом смены устанавливается цифра: цифра 1 соответствует первым 200 трубам, цифра 2 соответствует следующим 200 трубам данной плавки, цифра 3 соответствует последующим оставшимся трубам данной плавки.

Маркировка производится светлой краской.

2.3.13 Трубоотрезной станок

Автоматическая порезка, непрерывно движущейся, бесконечной трубы на мерные длины, осуществляется летучим отрезным станком.

Станок состоит из тележки с режущей головкой, рельсов, входного и выходного зажимов, входного и выходного поддерживающих роликов и механизма для передвижения тележки.

Разрезка трубы осуществляется четырьмя режущими дисками, вращающимися вокруг трубы и имеющими одновременное радиальное перемещение. Зажим трубы осуществляется кулачками, перемещающимися через рычажную систему от гидроцилиндра.

Точность порезки трубы 5 мм, длина порезанных труб составляет 11−11,2 м. Деформация конца трубы при порезке дисковыми ножами, не должна превышать 5 мм.

2.3.14 Правильная машина

На косовалковой правильной машине осуществляется правка труб. Она имеет три пары приводных валков и один холостой. Поворот валков на заданный угол, а также подъем и опускание валков обеспечивается от индивидуальных двигателей переменного тока.

Правка труб на правильной машине осуществляется знакопеременным изгибом, который получают за счет смещения средней пары валков относительно двух опорных пар валков в сочетании со знакопеременным сплющиванием.

Все трубы подвергаются визуальному контролю кривизны и должны быть достаточно прямыми. Кривизна на каждом из концов труб на длине 1,5 метра от торца не должна превышать 3,2 мм.

Трубы с кривизной, превышающей допустимые значения, передаются электромостовым краном на стеллаж перед правильной машиной для повторной правки.

2.3.15 Отделка, маркировка и складирование труб

В дальнейшие операции обработки труб входят:

— подрезка торцев и снятие фаски, которая производится на двух параллельных линиях, каждая из которых оснащена транспортными средствами и двумя торцеподрезными станками;

— нарезка резьбы также осуществляется на двух параллельных линиях, каждая из которых оснащена транспортными средствами и двумя станками для нарезки резьбы на концах труб;

— нанесение клейма и маркировочной полосы;

— навертка муфт, где производится нанесение уплотнительной смазки, предварительная навертка и окончательная довертка муфт;

— гидравлическое испытание тела трубы, включая сварной шов и муфтовые соединения;

— навертка ниппелей, осуществляется на трубы, выдержавшие гидравлическое испытание.

После этого трубы подаются на установку взвешивания и измерения длины труб. Измерение длины и взвешивание каждой трубы осуществляется в автоматическом режиме. Труба после взвешивания и измерения длины подается на клеймовочную машину.

Клеймение труб производится автоматически. Знаки клеймения наносятся на наружную поверхность вдоль трубы. При клеймении наносится номер трубы, товарный знак, наименование стандарта, теоретическая масса, марка стали.

Трубы после клеймения передаются на обвязочную машину, где формируется предварительный пакет, который обвязывается в двух местах по длине в две нитки.

Далее пакет труб передается краном на стеллажи, где после снятия обвязки трубы раскатываются для окончательной приемки. Трубы, не соответствующие требованиям, передаются в изолятор брака.

Годные трубы поступают на установку пакетирования и обвязки, где происходит формирование труб от 7 до 19 штук в пакеты шестигранной формы и обвязка их проволокой. Пакет труб должен состоять из труб одного размера и вида муфт. Каждый пакет должен иметь два металлических ярлыка.

Трубы после маркировки, упаковки поступают на склад готовой продукции, где складируются в штабели. Допускается складирование в один карман нескольких заказов с обязательным отделением одного от другого деревянной прокладкой.

2.4 Настройка агрегатов линии подготовки, формовки и калибровки

2.4.1 Настройка листоправильной машины

Настройка правильной пятивалковой машины производится по заданным величинам перекрытия верхних и нижних плавильных валков, приведенных в табл. 4.

Значения со знаком минус обозначают перекрытия верхнего валка относительно нижнего.

Таблица 4

2.4.2 Настройка стыкосварочной машины

Настройка стыкосварочной машины заключается в регулировании положения сварочной горелки. При настройке регулируют расстояние между горелкой и штрипсом, которое устанавливают равным 15 мм, при помощи рукоятки регулировки высоты. При резких толщинах штрипса расстояние устанавливается относительно штрипса большей толщины. При ровной толщине штрипса горелка устанавливается в середине зазора между свариваемыми кромками. Сварка разных по толщине штрипсов производится при смещении горелки ближе к кромке штрипса большей толщины.

Расстояние перемещения горелок устанавливается поворотом регулировочной рукоятки до совпадения со шкалой.

Режим сварки концов штрипсов в среде двуокиси углерода указаны в табл. 5.

Таблица 5. Параметры сварки штрипса

2.4.3 Настройка клетей формовочного стана

Предварительная настройка клетей формовочного стана производится на стендах, установленных на специальной площадке вне линии стана. После установки клетей в ТЭСА проверяется их положение по струне. Проверка положения калибров клетей проводится аналогично настройке клетей вне линии стана. При задаче штрипса в стан необходимо соблюсти его симметричное положение. Приподнятые в открытых клетях верхние валки постепенно опускаются с помощью прижимных механизмов по мере продвижения штрипса.

При настройке калибров клетей с закрытым профилем измеряется периметр трубной заготовки после каждой клети. В случае несоответствия параметров трубной заготовки, производится регулировка валков, уменьшая или увеличивая калибр.

В процессе настройки ТЭСА могут возникать следующие дефекты: смещение кромок, риски и вмятины на теле трубы. Смещение кромок устраняется регулировкой верхних сварочных валков при помощи нажимного механизма. При появлении риски или вмятины на трубе от валка или ролика устанавливается конкретный валок или ролик, являющийся причиной этого дефекта и путем его регулирования устраняется данный вид дефекта.

2.4.4 Настройка сварочной клети

Высота нижнего валка проверяется при настройке стана по натянутой струне протянутой от клети № 3 закрытого профиля до опорного ролика трубосварочной машины. Регулировка высоты нижнего валка производится вручную с помощью маховика и клина через пару винт-гайка.

Установка боковых валков производится при помощи калибр-шаблонов. При необходимости изменения высоты бокового валка, под него подкладывают регулировочные прокладки. Регулировка зазора боковых валков во время настройки и в процессе сварки осуществляется от электродвигателя и винтовых пар.

При настройке, после прохождения труб через валки и сварку кромок, измеряется периметр трубы и производится регулировка валков так, чтобы периметр трубы соответствовал требуемым значениям.

Для труб диаметром 219,1−244,5 мм применяются два верхних валка на планшайбе. Настройка верхних валков производится на стенде вне стана по шаблону. После установки планшайбы с валками в клеть, регулируют ее высоту при помощи червячного домкрата, предусмотренного в верхней части клети. При установке верхних валков зазор между ними и боковыми валками сжимающей клети должен быть одинаковым с обеих сторон.

Величины расстояния положения контактов от кромки трубной заготовки и внутреннего сердечника от оси сварочных валков представлены в табл. 6.

Таблица 6

Указанные параметры контролируются во время перевалки. Регулирование контактов вдоль от трубы и по высоте осуществляется вручную при помощи винтов, перемещающих всю раму, на которой крепится трансформатор.

2.4.5 Настройка калибровочной и правильной клетей

Методы регулировки валков калибровочных клетей аналогичны регулировке и настройке клетей с закрытым профилем калибра формовочного стана.

Валки устанавливаются по калибр-шаблону, зазоры между ребордами соседних валков поддерживаются одинаковыми по правой и левой сторонам.

После прохождения трубы через клети измеряется периметр трубы, и валки регулируются таким образом, чтобы периметр трубы после каждой клети и диаметр трубы на выходе из клети № 3 соответствовали определенным параметрам.

Предварительная настройка клетей осуществляется на стенде вне стана при помощи настроечного калибра.

После установки правильной кассеты в клеть линии стана, производится ее настройка. Настройка производится по струне относительно третьей калибровочной клети и измерительного ролика № 3. Точки середины профиля калибровочного нижнего валка, измерительного ролика № 3, нижняя точка профиля калибра правильной кассеты должны находится на одной линии.

2.4.6 Настройка косовалковой правильной машины

При переналадке правильной машины производятся следующие операции:

регулировка правильных валков;

установка скорости правки;

регулировка ширины желоба выходной стороны.

Перед началом настройки проверяется качество поверхности и геометрия рабочего профиля валков, которые не должны иметь трещин, раковин и других дефектов, приводящих к появлению брака на трубе.

Регулировка угла наклона правильных валков осуществляется путем поворота держателей каждого валка приводом от редукторов, через червячные передачи и рейки, вставленные в клеть машины. Величина угла поворота валка показывается индикатором, установленном на держателе. Подъем и опускание правильных валков производится через ходовые винты, вмонтированные в клети, которые приводятся во вращение от электродвигателя переменного тока. Через редукторы и червячные передачи производится перемещение рабочих валков в вертикальном направлении.

Валки заменяются и подвергаются перешлифовке, при глубине неравномерного износа свыше 1,5 мм.

2.5 Технологический инструмент

Из числа применяемого на агрегате технологического инструмента особого внимания заслуживает инструмент формовочного, калибровочного станов и сварного участка.

Этот инструмент по мере износа перестает соответствовать технологическим требованиям процесса и подлежит замене, вследствие чего он и называется сменным технологическим инструментом. Он подлежит замене и в тех случаях, когда на стане производится настройка оборудования на производство труб другого типоразмера.

Сменный технологический инструмент формовочного и калибровочного станов состоит из валков горизонтальных клетей и валков вертикальных клетей. Количество валков определяется конструкцией стана и качеством типоразмеров выпускаемых труб.

Возможен процесс реставрации инструмента путем обточки (для использования при производстве труб меньшего сортамента) или наплавкой.

Сменный технологический инструмент формовочного и калибровочного станов изготавливают из стали Х12М, химический состав которой представлен в табл. 7.

Таблица 7

Допускается производить реставрацию сварочных роликов. Уменьшение диаметра буртов при этом должно быть не более, чем на 1,5 мм, остальные параметры без изменений. Сварочные ролики изготавливаются из немагнитных материалов: латунь или бронза.

2.6 Технические характеристики оборудования трубоэлектросварочного агрегата 140−250

2.6.1 Загрузочная тележка

2.6.2 Промежуточный стеллаж

2.6.3 Клеть с отгибателем

2.6.4 Правильная машина

2.6.5 Стыковочная машина

2.6.6 Петлеобразователь

2.6.7 Формовочный стан

2.6.8 Трубосварочная машина

2.6.9 Калибровочные клети № 1 — № 3

2.6.10 Правильные клети

2.6.11 Трубоотрезной станок

2.6.12 Правильная машина

3. Специальная часть

3.1 Краткое теоретическое введение

Современные ТЭСА представляют собой набор приводных рабочих клетей с профилированными специальным образом калибрами формовочного, сварочного, калибровочного, редукционно-калибровочного и профилегибочного станов.

Характер построения приводных калибров определяется калибровкой или схемой формоизменения первоначально плоской заготовки по заданным изменениям кривизны до окончательно сформованной под сварку и последующего профилирования до заданных размеров. Вопросы разработки калибровок, способных обеспечивать получение качественно сформованных заготовок в линиях ТЭСА, всегда являлись достаточно сложными и трудоемкими.

В 70−80-х годах сложилось мнение о том, что правильно рассчитанная и адекватно реализованная при помощи сменного технологического инструмента калибровка позволит исключить образование типовых дефектов заготовки и прежде всего таких, как гофрообразование, смещение стыковых кромок по углу и высоте и распружинивание. Однако несмотря на усовершенствование расчетного аппарата калибровки, усложнения и уточнения методик экспериментального исследования и повышения качества технологического внедрения и отладки их в производстве, типовые дефекты продолжают присутствовать в реальной технологии.

В тот же период в Московском Институте Стали и Сплавов (МИСиС) возникло предположение о том, что одной правильно реализованной калибровки не достаточно для получения качественной продукции в линии ТЭСА, и что весомыми составляющими качественного производства являются энергосиловые показатели процесса, непосредственно связанные с контактными условиями взаимодействия приводного инструмента и заготовки.

В связи с этим важным направлением исследования появилась разработка методик определения этих контактных площадей для различных по форме калибров станов ТЭСА и уточнения механизмов дефектообразования с этих позиций. При этом значительными условиями ведения процесса явились условия равномерного нагружения формуемой заготовки в сечениях деформационных калибров по всей линии агрегата.

Проведенные МИСиС исследования, на ряде различных агрегатов, позволили утвердиться в таком предположении и позволили сформулировать некоторые направления исследования, позволяющие определить приоритеты в вопросах качественного производства труб. Эти приоритеты можно расставить следующим образом:

— разработка методики выбора геометрических параметров очага деформации для данного типоразмера труб;

— определение и оценка напряженно-деформированного состояния заготовки по критериям и коррекция параметров очага деформации в случае необходимости;

— определение контактных условий взаимодействия приводного инструмента и заготовки по всей линии производства в конкретных климатических условиях;

— определение зависимости текущих усилий по приводным калибрам, оценка их и разработка методики, позволяющей корректировать их до обеспечения уравновешенной схемы агрегата;

— разработка нового инструмента, оборудования и компоновок станов ТЭСА.

На основании исследований, проведенных в МИСиС, был уточнен механизм образований типовых дефектов при производстве сварных труб. К таким дефектам следует отнести прежде всего гофрообразование, смещение кромок и распружинивание.

Гофрообразование — наиболее значимый дефект из перечисленных, который не позволяет производить качественную сварку заготовки. Ранее механизм образования гофра сводился к неправильно рассчитанной схеме сворачивания, приводящей к локальным перегрузкам в приводных калибрах (как правило, открытых) с последующей разгрузкой с образованием гофрированных участков. В настоящее время механизм гофрообразования уточнен и кроме деформированной схемы сворачивания учитывает специфику контактного взаимодействия инструмента и трубной заготовки по всей длине очага. Исследования показали, что гофрообразование возникает на участках между приводными калибрами, создающих схему осевого сжатия сформованной заготовки. Такая схема возникает из-за кинематических условий контакта, при которых последующий калибр является не текущим, а тормозящим (см. рис. 1).

Механизм образования гофра Рис. 1

Смещение кромок возникает при нарушении симметричности в контакте инструмента с заготовкой, что приводит к возникновению дополнительного изгибающего момента на плоскости контакта и вызывает нарушение осевого движения выходящего из калибра профиля. Причины нарушения симметрии могут быть различными (настройка инструмента, неравномерная выработка инструмента, состояние оборудования), но следствие — нарушение симметричного контакта всегда явно присутствует.

Распружинивание кромок связано с выбором деформационной схемы сворачивания и также определяется контактными условиями в приводных калибрах.

Контактное взаимодействие происходит следующим образом: трубная заготовка, выходящая из предыдущего калибра, входит в зону распружинивания приводной клети, а затем в зону внеконтактной деформации следующей. В этой зоне заготовка начинает изгибаться и формируется до определенной кривизны входящего в калибр профиля (по экспериментальным данным высота ее профиля составляет 94%).

В начале очага сворачивания изгиб и формоизменение во внеконтактной зоне происходит интенсивно на участках непосредственно предшествующих началу контакта с приводным калибром. Контактная площадь заготовки с нижним валком моделируется треугольниками.

Контактная площадь с нижним приводным валком определяется следующим образом. При подходе к контактной зоне, центральные волокна трубной заготовки депланируются по ходу формовки в продольном направлении до соприкосновения с верхним валком по дну и далее контактирует с ним по углу контакта и в зоне распружинивания по выходу из калибра.

Одним из мероприятий, направленных на повышение тонкостенности прямошовных электросварных труб, является формовка заготовки с изогнутой нижней образующей (с криволинейной осью формовки) и с применением роликовых проводок, устанавливаемых по кромкам.

Известно, что основным критерием при оценке процесса формовки тонкостенной заготовки является отсутствие на ее кромках гофров, которые являются следствием появления в кромках продольных сжимающих напряжений. Таким образом, при оценке процесса формовки тонкостенной заготовки следует в первую очередь принимать во внимание напряженное состояние заготовки, определяющее ее продольную устойчивость.

Положение дна заготовки в каждой клети определяется по формуле:

У_дn=0,5 (R_(n+1)· (1-соs_(n+1)) — R_n· (1-соs_n)+(R_n·sin_n-R_(n+1)sin_(n+1))²/{R_(n+1)·(1-cоs_(n+1)) — R_n· (1-cоs_n)}, мм где R_n-радиус формовки n-й клети, мм;

R (_n+1)-радиус формовки (n+1) — ой клети, мм;

_(n+1)-угол формовки (n+1) — ой клети, град.

Следует отметить, что наличие клетей с закрытым профилем калибра создает значительные местные деформации в кромках заготовки и тем самым нарушает монотонность ее формоизменения. Поэтому, при наличии закрытых калибров в стане, формовку тонкостенной заготовки с изгибом ее дна целесообразно осуществлять на участке только открытых калибров, т. е. на участке от задающей клети до первого закрытого калибра.

Построение дна заготовки следует вести от первого закрытого калибра (где Уд=0) против хода формовки.

Угол _i, характеризующий наклон i-ого выходного сечения заготовки относительно вертикальной оси, с достаточной точностью может быть определен из уравнения:

_i=аrсtg (У_дi/l_i), рад где У_дi-относительное изменение дна заготовки в i-ом сечении по сравнению с (i+1) сечением, мм;

l_i-расстояние между этими рассматриваемыми сечениями, мм.

Разработанная методика приемлема для монотонного очага формовки. Поэтому при формовке тонкостенной заготовки с изгибом ее нижней образующей целесообразно применение роликовых проводок и клетей с открытым профилем калибра, не охватывающим кромку заготовки.

3.2 Исходные данные

Формовочный стан состоит из семи приводных горизонтальных клетей и двух неприводных вертикальных клетей. Привод формовочного стана индивидуальный.

Таблица 8. Исходные данные

Скоростные характеристики клетей формовочного стана, использующиеся для расчета кинематических параметров стана представлены в табл. 9

Таблица 9

3.3 Расчет калибровки валков формовочного стана

Выбор того или иного типа калибровки связан с учетом большого количества факторов и требований, основные из которых следующие:

— технологичность калибровки;

— минимальная величина продольных деформаций формовочной ленты;

— возможность интенсификации процесса гиба;

— возможность формовки тонкостенных труб;

— универсальность (возможность унификации);

— износ валков;

— сложность изготовления и габариты валков.

Проведенный анализ МИСиС позволяет делать вывод, что при производстве тонкостенных труб целесообразно применение однорадиусного типа калибровки.

Выбирается равномерная зависимость распределения кривизны по очагу сворачивания Матвеева — закон равномерного распределения кривизны на открытом участке формовки.

Ширина штрипса определяется по формуле:

В_л=· (D-S)+_ф+_с+_к, мм

где D-диаметр требуемой трубы, мм;

S-толщина стенки трубы, мм;

_ф-припуск на обжатие в формовочном стане, мм;

_с-припуск на обжатие в калибровочном стане, мм.

_ф=4,5 мм; _с=1,5 мм; _к=4,5 мм

В_л=3,14· (219,1−6)+4,5+1,5+4,5=679,63 мм

3.3.1 Радиусы формовки нижнего валка

Радиусы формовки нижнего валка представлены на рис. и определяются по формуле:

R_iн=n/I· R_c.ц., мм

где n-порядковый номер первой горизонтальной клети с закрытым профилем;

i-порядковый номер клети;

R_с.ц.-радиус трубы в сварочном узле, мм

Радиус трубы в сварочном узле находится по формуле:

R_с.ц.=(В_л-_ф-_с)/2+S/2, мм

R_с.ц.=(679,63−4,5−1,5)/2· 3,14+6/2=110,27 мм

Радиусы формовки нижних валков по клетям:

R_1н=5/1· 110,27=551,35 мм

R_2н=5/2· 110,27=275,68 мм

R_3н=5/3· 110,27=183,78 мм

R_4н=5/4· 110,27=137,84 мм

3.3.2 Радиусы формовки верхних валков

Радиусы формовки верхних валков определяются по формуле:

R_iв=R_iн-S, мм

R_1в=551,35−6=545,35 мм

R_2в=275,68−6=269,68 мм

R_3в=183,78−6=177,78 мм

R_4в=137,84−6=131,84 мм

3.3.3 Определение угла формовки

Угол формовки находится по формуле:

_i=В_л/R_iн, рад

по клетям

₁=679,63/551,35=1,23 рад

₂=679,63/275,68=2,47 рад

₃=679,63/183,78=3,7 рад

₄=679,63/137,84=4,93 рад

3.3.4 Определение ширины калибрующей части нижнего валка

Ширина калибрующей части нижнего валка при _i180 определяется по формуле:

В_iн=2R_iн· Sin (_i/2), мм

В_1н=2· 551,35·Sin (1,23/2)=636,21 мм

В_2н=2· 275,68·Sin (2,47/2)=520,57 мм

Ширина калибрующей части нижнего валка при 180 определяется по формуле:

В_iн=2· R_iн, мм

В_3н=2· 183,78=367,56 мм

Ширина калибрующей части нижнего валка для четвертой формовочной клети:

В_iн=2· R_iн·sin (88/2), мм

В_4н=2· 137,84·sin (88/2)=191,5 мм

3.3.5 Определение ширины калибрующей части верхнего валка

При _i180 ширина калибрующей части верхнего валка определяется по формуле:

В_iв=2· R_iв·sin (_i/2), мм

В_1в=2· 545,35·sin (1,23/2)=629,29 мм

В_2в=2· 269,68·sin (2,47/2)=509,24 мм

При _i180 ширина калибрующей части верхнего валка определяется по формуле:

В_iв=2· {_iв·(sin (2-_i)/2)-}, мм

гдерасстояние от кромки штрипса до валка, мм

В_3в=2· {177,78·(sin (2· 3,14−3,7)·2) — 20}=301,63 мм

В_4в=2· {131,84·(sin (2· 3,14−4,93)/2) — 20}=124,77 мм

3.3.6 Габаритные размеры валков

Для верхних валков габаритные размеры определяются по формуле:

В_i=В_iв+(25), мм

где В_iв-ширина калибрующей части верхнего валка, мм.

В₁=629,29+5,71=635 мм

В₂=509,24+5,76=515 мм

В₃=301,63+5,37=307 мм

В₄=124,77+5,23=130 мм

Для нижних валков габаритные размеры определяются:

В_i=В_iн+(4050), мм

где В_iн-ширина калибрующей части нижнего валка, мм.

В₁=636,21+40,79=677 мм

В₂=520,57+40,43=561 мм

В₃=367,56+40,44=408 мм

В₄=191,5+40,5=232 мм

3.3.7 Диаметры валков открытых калибров

Минимальный диаметр нижних валков по дну калибра первой горизонтальной клети равен:

D_1н^д=(1,82,0)· D_тmax, мм

где D_тmax-максимальный диаметр трубы, изготовляемой на данном стане, мм

D_1н^д=2· 245=490 мм

Последующий диаметр валков увеличивается для создания натяжения периферийных участков трубной заготовки:

D_(i+1)н=1,005· D_iн, мм

где D_(i+1)н-диаметр нижнего валка по дну калибра последующей клети, мм

D_2н^д=1,005· 490=492 мм

D_3н^д=1,005· 492=494 мм

D_4н^д=1,005· 494=496 мм

D_5н^д=1,005· 496=498 мм

D_6н^д=1,005· 498=500 мм

D_7н^д=1,005· 500=502 мм

Диаметры верхних валков горизонтальных клетей принимаем конструктивно:

D₁₁₃^д=670 мм;

D₂₁₃^д=770 мм;

D₃₁₃^д=820 мм;

D₄₁₃^д=900 мм;

D₅₁₃^д=D_5н^д=498 мм;

D₆₁₃^д=D_6н^д=500 мм;

D_тв^д= D_тн^д=502 мм;

Определение диаметров валков по ребордам при _i180:

D_iн^р=D_iн^д-2· Z, мм где D_iн^д-диаметр нижнего валка по дну калибра, мм;

z-прогиб полосы, мм.

Прогиб полосы определяется по формуле:

Z=R_iн(1-cоs (_i/2)), мм Диаметр валков по ребордам равен:

D_1н^р=490+2· 551,35 (1-соs (1,23/2))=688,49 мм

D_2н^р=492+2· 275,68 (1-соs (2,47/2))=861,96 мм Определение диаметров валков по ребордам при _i180:

D_iн^р=D_iн^д+2· R_iн, мм

D_3н^р=494+2· 183,78=861,56 мм Определение диаметра валка для четвертой клети по ребордам:

D_4н^р=D_iн^д+2· R_iн·(1-соs (1,536/2)), мм

D_4н^р=496+2· 137,84·(1-соs (1,536/2))=579,26 мм Диаметры верхних валков по ребордам при _i180:

D_iв^р=D_iв^д-2·, мм где D_iв^д-диаметр верхнего валка по дну калибра, мм;

— прогиб полосы, мм.

Прогиб полосы в данном случае определяется:

=R_iв-R_iв-В_iв/4, мм где R_iв-радиус формовки верхнего валка, мм;

В_iв-ширина калибрующей части верхнего валка, мм.

D_iв^р=670−2· 545.35·(1-соs (1,23/2))=473,67 мм

D_2в^р=770−2· 269,68·(1-cоs (2,47/2))=408,09 мм Прогиб полосы при _i180:

=R_iв-R²_iв-В²_iв/4, мм

D_3в^р=820−2 (177,78−177,78²-301,63²/4)=652,7 мм

D_4в^р=900−2 (131,84−131,84²124,77²/4)=868,62 мм

3.3.8 Параметры закрытых калибров

Клеть с закрытым калибром показана на рис. 3. Радиус формовки нижнего и верхнего валков, центральный угол формовки находятся из системы уравнений:

В_лi=_i· R_i

S_шi=R_i· (2-_i),

где В_лi-ширина штрипса i-ого калибра, мм;

S_шi-ширина разрезной шайбы, мм

В результате ряда математических преобразований система уравнений приводится к виду:

R_i=(S_шi+В_лi)/2, мм

Для решения получившегося математического выражения в него подставляются известные значения ширины разрезной шайбы и ширины листа. В результате подстановки определяется значение радиуса формовки, с помощью которого, в свою очередь, определяется значение угла формовки.

Решение системы уравнений для пятой клети:

S_ш5=100 мм,

₅=5,77 рад,

R₅=139,6 мм.

Для шестой клети:

S_ш6=50 мм

₆=5,807 рад,

R₆=131,4 мм

Для седьмой клети:

S_ш7=22 мм,

₇=6,011 рад,

R₇=126,7 мм

Ширина контакта трубной заготовки с нижним валком находится по формуле:

для пятой клети:

В_5н=2· 139,6·sin (1,536/2)=193,96 мм

для шестой клети:

В_6н=2· 131,4·sin (1,536/2)=182,567 мм

для седьмой клети:

В_7н=2· 126,7·sin (1,536/2)=176,06 мм

Ширина контакта трубной заготовки с верхним валком находится по формуле:

В_iв=2· R_iн·sin (1,536/2) — S_шi, мм

В_5в=2· 139,6·sin (1,536/2)· 100=93,96 мм,

В_6в=2· 131,4·sin (1,536/2) — 50=132,56 мм,

В_7в=2· 126,7·sin (1,536/2) — 22=154,03 мм

Диаметры по ребордам определяются по формуле:

D_5в^р=D_5н^р=498+2· 139,6·(1-cоs (1,536/2))=576,37 мм,

D_6в^р=D_6н^р=500+2· 131,4·(1-cоs (1,536/2))=573,76 мм,

D_7в^р=D_7н^р=502+2· 126,7·(1-cоs (1,536/2))=573,129 мм Параметры расчета горизонтальных клетей сведены и представлены в табл. 10.