Исследование влияния величины овальности чистовых калибров трёхвалкового непрерывного оправочного стана FQM на формоизменение раската

В последнее время широкое распространение получили непрерывные пяти клетевые трёхвалковые оправочные станы типа PQF (Premium Quality Finishing, поставщик SMS Meer, г. Таганрог, Россия,) и FQM (Fine Quality Mill, поставщик Danieli, г. Полевской, Россия). В работах [1, 2] приведены исследования распределения характера формоизменения геометрических параметров раската по линии ТПА со станом PQF по методике, изложенной в работе [3]. Исследования показали, что за станом PQF наблюдалось резкое увеличение доли гранёности, которая затем распространялась на раскат за ИКС, за РРС и готовые трубы. Расчёт доли гранёности на основе измерений раската за станом-извлекателем в период пуска стана FQM показал аналогичные результаты. Точность наружного диаметра готовых труб, изготовленных на ТПА со станами PQF, FQM отвечает самым жёстким требованиям, приведенным в современных стандартах и ТУ, поэтому доля гранёности в первую очередь негативно сказывается на точности внутреннего диаметра готовых труб. Повышение точности внутреннего диаметра на готовых трубах можно достичь за счёт увеличения точности раската по толщине стенки за станами PQF и FQM, которая во многом определяется характером формоизменения раската в системе калибров (рис. 1).

Рис. 1. Обозначение участков и зон используемых чистовых калибров трехвалковых оправочных ста- нов: ϕОЗ – угол обжимной зоны калибра; ϕвып – угол выпуска калибра

Исследования, приведенные в работах [4–7] показали, что толщина стенки по разъёму валков в i -й клети может как утолщаться, так и утоняться относительно толщины в вершине ( i – 1)-го калибра. При прокатке в двухвалковых калибрах установле-

Таблица 1

Величина овальности чистовых калибров станов PQF, FQM

Система калибров	Овальность калибров в клетях: G4, G5	ϕОЗ / ϕвып	µ G5
PQF		1	до 1,05
190 мм	1,09
265 мм	1,045
290 мм	1,09
FQM
290 мм	1,09
384 мм	1,09

но, что при коэффициентах вытяжки до 1,1 наблюдается утолщение стенки, а при больших значениях утонение. Также показано, что прокатку труб на плавающей оправке в чистовых клетях целесообразно осуществлять в системе калибров, выполненных по схеме построения: «круг с радиусным выпуском» при величине овальности 1,02–1,05. Здесь же даны эмпирические зависимости изменения толщины стенки по разъёму валков и показатели уширения по наружному диаметру раската в калиб- ре. Формоизменение раската в чистовых калибрах трёхвалковых оправочных станов на настоящий момент требует дополнительных исследований.

В табл. 1 приведены овальности чистовых калибров станов PQF, FQM в зависимости от используемой системы калибров (СК) при прокатке труб заданного сортамента.

На рис. 2 представлен характер распределения толщины стенки в поперечном сечении раската на выходе после пятой клети станов: PQF и FQM.

а)

б)

Рис. 2. Характер распределения толщины стенки в поперечном сечении раската: а – на выходе после пятой клети стана PQF при прокатке труб тонкостенного сортамента с использованием СК: 265, 290 мм по результатам измерений в промышленных условиях; б – на выходе после пятой клети стана PQF при прокатке труб тонкостенного сортамента с использованием СК 190 мм по результатам моделирования в среде QForm; в – на выходе после 5-й клети стана FQM при прокатке труб тонкостенного сортамента с использованием СК 291, 384 мм по результатам моделирования в среде QForm

в)

Анализ данных, приведенных на рис. 2 позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    При прокатке в СК PQF наблюдается утонение толщины стенки по выпуску калибра;

• 2.    При прокатке в СК FQM наблюдается утолщение толщины стенки по выпуску калибра;

• 3.    Характер формоизменения толщины стенки по выпуску калибра с использованием трёхвалковой схемы отличен от двухвалковой в сравнении с данными, приведенными в источниках [4–6].

Таким образом, в настоящее время является актуальной задача определения оптимальной величины овальности чистовых калибров для трёхвалковых непрерывных оправочных станов.

С учётом развития современного уровня техники основными задачами настоящего исследования являются:

• –    изучение характера формоизменения раската при прокатке в чистовых калибрах трёхвалкового непрерывного оправочного стана;

• –    изучение напряжённо-деформированного состояния раската при прокатке в чистовых калибрах трёхвалкового непрерывного оправочного стана;

• –    получение зависимостей величины утонения толщины стенки, уширения наружного диаметра раската по выпуску калибра в зависимости от параметров прокатки;

• –    описание геометрических параметров очага деформации на выходе из чистовых калибров с учётом полученных зависимостей величин утонения и уширения;

• –    определение оптимальной величины овальности чистовых калибров на основе результатов исследования;

• – разработка новой калибровки валков чистовых калибров трёхвалкового непрерывного оправочного стана;

  – опытно-промышленное изготовление горяче-деформированных труб на ТПА типа PQF и FQM.

В настоящей работе с использованием среды Deform-3D проведено исследование влияния вели- чины овальности чистовых калибров стана FQM для СК 384 мм на точность раската при прокатке труб наружным диаметром 325 мм с толщиной стенки 8 мм.

Величина овальности четвёртой клети на всех этапах моделирования принималась равной 1,09. Величина овальности в пятой клети по этапам моделирования принималась равной: 1,03, 1,06, 1,09. Таким образом, моделирование осуществлялось в три этапа.

Диаметр бочки валков для всех этапов моделирования был одинаковым. Обороты валков, обжатия по клетям стана FQM, скорость удержания оправки (620 мм/с), скорость задачи гильзы в стан FQM рассчитывались по математической модели поставщика оборудования FQM_MOD. В соответствии с таблицей прокатки использовалась гильза наружным диаметром 433 мм с толщиной стенки 26,9 мм. В качестве материала гильзы из библиотеки Deform-3D выбрана сталь AISI-1045, являющаяся российским аналогом стали 45. Температура гильзы на входе в стан FQM принята равной 1150 °С, температура инструмента (валки, оправка) – 90 °С. Основные допущения: материал изотропен, материал инструмента – абсолютно жесткое тело; протекание процесса осуществлялось по изотермическому закону. Коэффициент трения: на контактной поверхности металла с валком принят равным 0,4; на контактной поверхности металла с оправкой – 0,1. Скорость задачи гильзы в стан FQM: 757,7 мм/с, скорость выхода раската из пятой клети стана FQM составляла: 2750 мм/с. Калибровка валков чистовых калибров выполнена по схеме: «круг с радиусными выпусками». Центр радиуса обжимной зоны калибра и центр оправки концентричны.

Обработка результатов моделирования проводилась с использованием программы «КОМПАС-3D»: толщина стенки раската по периметру поперечного сечения очага деформации на выходе из пятой клети стана FQM измерялась с шагом равным 5 (рис. 3), результаты измерений были строго ориентированы относительно вершины калибра.

а)

Рис. 3. К определению геометрческих параметров раската в поперечном сечении очага деформации раската на выходе из пятой клети стана FQM: а – поперечное сечение очага деформации раската, вид в среде Deform-3D;

б – обработка данных в программе «КОМПАС-3D»

б)

Зафиксированные значения толщины стенки по периметру очага деформации раската в программе «КОМПАС-3D» усреднялись. Например, из трёх значений толщины стенки по выпуску калибра рассчитывали одно среднее (справедливо для каждого измеренного сечения).

На рис. 4 приведены лепестковые диаграммы распределения толщины стенки раската на выходе из пятой клети стана FQM. При использовании калибра с овальностью 1,03 характер распределения толщины стенки по периметру зоны выпуска калибра распределяется более равномерно в сравнении с калибрами, выполненными с овальностью 1,06 и 1,09, где наблюдаются локальные утолщения стенки.

В табл. 2 приведены основные параметры формоизменения раската в соответствии с результатами измерений.

В табл. 2 символами обозначены параметры поперечного сечения очага деформации на выходе из пятой клети стана FQM:

S _вер5 – толщина стенки раската по вершине калибра, мм;

Sвып5 – толщина стенки раската по выпуску калибра, мм;

A S - абсолютная разнотолщинность стенки раската по периметру калибра, мм;

ПД – поле допуска по толщине стенки раска- та (%), рассчитывается по формуле:

ПД =

S max S min - 100% ;

S вер5

B _У5 – показатель уширения раската по выпуску калибра, рассчитывается по формуле (при B У5 <  1 - переполнение калибра):

B

B _Ф5

У5 = Н

H _Ф4

где B _Ф5 – ширина раската в поперечном сечении очага деформации на выходе из пятой клети стана FQM, мм;

H _Ф4 – высота раската в поперечном сечении очага деформации на выходе из четвёртой клети стана FQM, мм;

B _УП5 – показатель уширения раската по вы-

а)

б)

в)

Рис. 4. Распределение толщины стенки раската на выходе из пятой клети стана FQM при величине овальности: а – 1,09; б – 1,06; в – 1,03

Таблица 2

Основные параметры формоизменения раската в соответствии с результатами измерений

BУП5 = BКП5 - ВФ5 , где BФ5 – ширина раската в поперечном сечении очага деформации на выходе из пятой клети стана FQM, мм;

H _Ф4 – высота раската в поперечном сечении очага деформации на выходе из четвёртой клети стана FQM, мм;

F _В/О – отношение площади зоны выпуска к площади обжимной зоны, рассчитывается по формуле:

FB/О = F3B /FG3 , где FЗВ – площадь зоны выпуска, мм ;

F _ОЗ – площадь обжимной зоны, мм ² .

На рис. 5 приведена толщина стенки раската по вершине и выпуску калибра в зависимости от овальности калибра.

Анализ данных на рис. 5 показывает, что наименьшее соотношение S _вер5 S _вып5 наблюдается при овальности 1,03.

Формоизменение толщины стенки в зоне выпуска калибра пятой клети относительно толщины стенки по периметру обжимной зоны калибра в четвёртой клети представлено на рис. 6. Максимальная величина утонения толщины стенки наблюдается на участке 30–50°, утолщения – 60°.

На рис. 7 приведена зависимость параметра F _В/О от овальности калибра.

Анализ данных на рис. 7 показывает, что с уменьшением овальности происходит перераспределение течения металла, параметр F _В/О уменьшается.

На рис. 8 приведены зависимости параметров очага деформации (в соответствии с табл. 2) от овальности калибра.

■ Толщина стенки в выпуске калибра 5 клети, мм

■ Толщина стенки в вершине калибра 5 клети, мм

Овальность калибра

Рис. 5. Толщина стенки раската в зависимости от величины овальности калибра

Положение толщины стенки, град

Рис. 6. Величина утонения (–)/утолщения (+) стенки в зоне выпуска калибра пятой клети (участок: 30–60°) в зависимости от величины овальности калибра

Рис. 7. Зависимость параметры F _B/O от величины овальности калибра

■ Абсолютная разнотолщинность стенки И Показатель уширения калибра (Ву5) ЕЗУгол окова оправки металлом

■ Толщина стенки в выпуске калибра

□ Fe/o

Рис. 8. Параметры формоизменения раската на выходе из пятой клети стана FQM в зависимости от величины овальности калибра

Выводы по результатам моделирования:

• 1.    Наименьшая величина абсолютной разно-толщинности, утолщения по выпуску калибра, поля допуска по толщине стенки получена при использовании калибра с овальностью 1,03.

• 2.    Показатель уширения раската ( B _УП5 ), площадь раската в обжимной зоне калибра, величина угла окова оправки металлом принимают максимальные значения при использовании калибра с овальностью 1,03.

• 3.    Переполнение калибров отсутствовало на всех этапах моделирования.