Исследование влияния коэффициента кинематического натяжения на формоизменение трубы в выпусках калибра при прокатке на короткой оправке

На трубопрокатном агрегате ТПА-140 ОАО «Синарский трубный завод» с автомат-станом «тандем» прокатывают трубы из углеродистых и легированных марок стали ответственного назначения: бурильные, обсадные, для энергомашиностроения диаметром от 73 до 168 мм с толщиной стенки от 5 до 20 мм. В состав ТПА-140 входит автоматический стан «тандем», который состоит из двух последовательно расположенных клетей продольной прокатки (СПП-1 и СПП-2).

• 1.    Постановка проблемы

• 2.    Исследование влияния натяжения

В настоящее время на ТПА-140 при производстве труб используется как катаная (диаметром 120 мм), так и непрерывнолитая заготовка (диаметром 150 и 156 мм). Использование непрерывнолитой заготовки является экономически более выгодным. В этой связи важной целью является разработка технологии производства всего сортамента горячекатаных труб из непрерывнолитой заготовки. Для достижения поставленной цели необходимо разработать технологию раскатки с повышенным коэффициентом вытяжки.

В ходе промышленных наблюдений было установлено, что увеличение коэффициента вытяжки на автоматическом стане «тандем» приводит к росту объема брака труб по дефекту «риска». В настоящее время нет однозначного мнения о причи- нах появления продольной риски на внутренней поверхности трубы в процессе прокатки труб на автомат-стане «тандем».

В статье [1] авторы полагают, что наиболее вероятной причиной образования риски является встречное течение металла при деформации лампасов в вершинах калибра СПП-2. Кроме того, было показано, что с увеличением коэффициента вытяжки и толщины стенки в выпусках калибра возрастает вероятность образования дефекта.

В ходе предшествующих исследований [2, 3] было установлено, что при использовании эджер-ных вертикальных валков с коэффициентом ова-лизации 1,25 перед рабочей клетью СПП-1 удается повысить коэффициент вытяжки с 1,5 до 1,99. При этом не происходит увеличения вероятности образования дефекта «риска» на поверхности труб.

Задачей дальнейшего исследования являлось определение влияния натяжения при прокатке гильзы в СПП-1 на толщину стенки в выпусках калибра.

на формоизменение металла в выпуске калибра при прокатке на СПП-1

Исследование проводилось в программном комплексе Deform-3D. В ходе исследования, как и в [2, 3] гильзе придавалась овальная форма перед прокаткой на короткой оправке с помощью эджер-

Рис. 1. 3D-модель СПП-1 с эджерными валками

Матрица вычислительных экспериментов

Таблица 1

№ эксперимента Диаметр гильзы Dг, мм Толщина стенки гильзы Sг, мм Диаметр черновой трубы Dч, мм Толщина стенки черновой трубы Sч, мм Коэффициент вытяжки λ на СПП-1 Коэффициент натяжения ω 1 166 13 160 7 1,99 1,02 2 1,04 3 1,06 4 1,08 5 1,1 6 1,2 ных валков с коэффициентом овализации 1,25, установленных перед клетью СПП-1. Для создания натяжения на выходной стороне СПП-1 были установлены эджерные валки (рис. 1), форма калибра которых соответствовала форме черновой трубы, полученной при моделировании процесса прокатки в СПП-1 с коэффициентом вытяжки 1,99 [3].

Матрица вычислительных экспериментов представлена в табл. 1. Варьируемым параметром во всех вычислительных экспериментах являлся коэффициент кинематического натяжения ω, который представляет собой отношение окружной скорости рабочих валков к окружной скорости вертикальных эджерных валков. Варьирование ω осуществлялось за счет изменения окружной скорости эджерных роликов, установленных за рабочей клетью СПП-1.

По рекомендации разработчиков программы и с учетом практических данных о прокатке труб на автоматическом стане «тандем» температура трубы была выбрана 0 = 1200 °С, температура валков и оправки 0 = 150 °С, температура воздуха 0 = 20 °С. Теплоотдача от заготовки к инструменту была задана коэффициентом теплопередачи X = 5 Вт/м3К. Для уменьшения времени расчета в очагах деформации были созданы окна плотности с размером элементов 5 мм. Вне окон плотности размер элементов составлял 19 мм. Степень деформации элемента, при достижении которой происходит автоматическое обновление сетки, была принята равной ε = 0,15. На поверхности инструмента граничные условия были заданы следующим образом: нормальная составляющая скорости частиц металла Vn|5s = 0; закон трения был задан по Зибелю т^ = фту. Показатель напряжения трения на рабочих и эджерных валках был принят равным ф = 0,7, на оправке - ф = 0,2. Скорость вращения валков на СПП-1 принята равной 125 об/мин. В качестве материала заготовки использовалась сталь AISI-1045, являющаяся аналогом российской стали 45. При постановке тепловой задачи температура заготовки принималась равной 1200 °С, а инструмента – 150 °С. Скорость перемещения толкателя была принята равной 20 мм/с.

В каждом вычислительном эксперименте после моделирования процесса раскатки гильзы на короткой оправке производилось измерение толщины стенки в выпуске 5_вып и вершине 5_верш калибра, а затем вычислялся безразмерный параметр ( ^{5 вып} ) , где i - номер вычислительного экс-

^ верш ^

перимента (табл. 2). По данным табл. 2 была построена диаграмма, которая представлена на рис. 2.

В вы ч и сли т ель н о м э к сп ер и м ен т е № 6 произо ш ло и ск ажен и е г ео мет р и и тру б ы н а выхо д е из э д ж ерн ых в а л ков (рис . 3), поэтом у па ра м е тр ^ вып

-----не измерялся.

^ верш (i)

Таблица 2

Результаты измерения параметра ^{5 вып} , ^ верш (i) характеризующего формоизменение в выпуске калибра

Номер вычислительного эксперимента	1	2	3	4	5	6
Коэффициент натяжения ω	1,02	1,04	1,06	1,08	1,1	1,2
вып S™. ™ верш (1)	1,49	1,47	1,46	1,44	1,42	–

Из табл. 2 и рис. 2 ви д н о , чт о с у вели ч ени ем ко э ф ф и ц и ен т а ки н емат и чес к о г о н ат я жен и я ω п р о и с ход ит умень ш е ни е б е зр азмер н о г о пар амет р а

S

-----, т. е. уменьшается поперечная разностен- ^ верш (i)

ность черновой трубы. Также следует отметить, что при прокатке с натяжением параметр ^{5 вь}™ ^ верш (i) принимает меньшие значения, чем при прокатке без натяжения [3]. Таким образом, применение кинематического натяжения создает резерв для увеличения коэффициента вытяжки на СПП-1 более 1,99.

Заключение

В ходе исследования было установлено, что кинематическое натяжение в процессе прокатки на короткой оправке предварительно овализиро-ванной гильзы позволяет уменьшить интенсивность утолщения стенки гильзы-трубы в выпусках калибра при прокатке в СПП-1, что позволяет уменьшить вероятность образования продольных рисок на того, при тяжением увеличен.

внутренней поверхности труб. Кроме прокатке гильзы-трубы в СПП-1 с на-коэффициент вытяжки может быть

Рис. 2. Зависимость параметра ^{5 вып} от коэффициента ^ верш (i)

кинематического натяжения ω

Рис. 3. Искажение геометрии трубы на выходе из эджерных валков