Неоднородность деформации при продольной прокатке труб

Актуальной проблемой процесса продольной прокатки труб на короткой оправке является повышенная поперечная разностен-ность черновых труб, вызванная затеканием металла в выпуски калибра и формированием лампасов в процессе прокатки. Эта разно-стенность при дальнейшей прокатке черновых труб в полной мере не устраняется, однако известно, что ее причиной является неоднородность течения металла по сечению трубы. В работах [1–3] на качественном уровне было изучено влияние характера кривой упрочнения материала на распределение деформаций в получаемом изделии в процессах осадки цилиндрических заготовок, прессования прутков, а также продольной прокатки и волочения труб. Утверждается, что с увеличением склонности материала к упрочнению возрастает однородность распределения деформаций. Однако в указанных работах постановка задач носит изотермический характер, в то время как в горячем состоянии в металлах и сплавах происходят процессы разупрочнения, основными из которых являются возврат и полигонизация, а также рекристаллизация, при которых частично или полностью восстанавливаются структура и свойства деформированного материала [4–7]. Изучение влияния скорости деформации, а также учет изменения температуры материала в процессе обработки позволят более точно оценить влияние характера кривой упрочнения на распределение деформаций и качество прокатываемых труб на трубопрокатном агрегате ТПА-140 ПАО «Синарский трубный завод». В работе представлены результаты исследования формоизменения труб при прокатке на стане продольной прокатки труб «тандем».

Постановка задачи исследования

Стан тандем состоит из двух последовательно расположенных станов продольной прокатки труб (СПП-1 и СПП-2) [8, 9]. В ста- тье представлены результаты моделирования прокатки труб на короткой оправке в первом стане продольной прокатки (СПП-1). Моделирование процесса прокатки гильзы в черновую трубу осуществлялось в программе Deform [10, 11]. Компьютерная модель стана представлена на рис. 1.

Рис. 1. Компьютерная модель стана продольной прокатки труб на короткой оправке

При п ос танов к е з ада чи те мп е ра ту ра ги л ьзы принималась равной 1200 ° С . В к а че с тве материала заготовки исполь з ов а л ас ь с та л ь AISI- 1 045, явл яю щ а яс я ан а логом рос с и й ск о й ста ли 45. Д и а ме тр и тол щ и н а с те н к и ги льз ы составляли соответственно D _г = 166 мм и S _г = 10 мм . Диа ме тр и то лщ и н а с те н к и че рно в ой т ру б ы с ос та в ля ли с оотв е тс тв е н но D _ч = 160 мм и S _ч = 7 м м. Матриц а вычисли тельн ого э к с п е ри м е н та пре д с та в л е н а в таб ли ц е. В ка че с тв е п а ра м е тра, п озв оляю ще го оц е н и ть ра зн ос те н н ост ь тр убы и с клон н ос ть к о б ра зов а н и ю дефек тов н а в н у тре н н е й п ов е рх н ости труб, и с п ользов а но отн ош е н ие тол щ и н ы с те н к и в в ып у с к е к то лщ и н е с те нк и в в е ршине калибра S вып / S верш ( ри с . 2). В ра боте [ 12 ] было показано, что при S вып / S в ер ш ≥ 1,80 велика ск лон н о с ть тру б к об ра зов а н и ю д е ф е к тов на внутренней поверхности.

Матрица вычислительного эксперимента

Номер вычислительного эксперимента	Ча с тота в р а щ е н и я валк ов , об/ми н
1	95
2	105
3	115
4	125
5	135

Рис. 2. Поперечный разрез очага деформации

В конце каждого вычислительного эксперимента на выходе из очага деформации выполнялось вычисление наибольшей толщины стенки трубы в каждом выпуске калибра через координаты узловых точек конечных элементов и определялось среднее между ними значение толщины стенки в выпуске калибра – S _вып. Таким же образом было выполнено измерение толщины стенки в вершине калибра – S верш . На основе полученных результатов в каждом вычислительном эксперименте был определен безразмерный параметр S вып / S верш .

Рис. 3. Геометрический очаг деформации

Для оценки влияния разогрева трубы в процессе прокатки на неоднородность деформации и разностенность в каждой задаче был вырезан геометрический очаг деформации. На рис. 3 представлен геометрический очаг деформации, вырезанный в программе Deform-3D [11].

Анализ результатовкомпьютерного моделирования

На основе результатов вычисления безразмерного параметра S вып / S верш была построена диаграмма (рис. 4). Из диаграммы, представленной на рис. 4, видно, что с увеличением частоты вращения валков от 95 до 115 об/мин

0 95  Н105  0115  8125  Ш135

Частота вращения валков, об/мин

Рис. 4. Влияние частоты вращения валков на поперечную разностенность наблюдается рост разностенности труб, так как параметр Sвып/Sверш увеличивается от 1,24 до 1,46. При дальнейшем увеличении частоты вращения валков до 125 и 135 об/мин наблюдается уменьшение разностенности труб, так как параметр Sвып/Sверш уменьшается до 1,34 и 1,31 соответственно. Для выяснения причин такого изменения параметра Sвып/Sверш в ходе вычислительных экспериментов была проанализирована неоднородность деформации в очаге деформации, а также распределение температур на поверхности контакта.

Анализ данных компьютерного модели- рования показал, что наиболее вероятной причиной повышенной неоднородности течения металла стало изменение температурного поля заготовок в очаге деформации. В этой связи было изучено распределение температуры трубы на поверхности контакта с валком и оправкой. Результаты измерения температур трубы на внутренней и внешней поверхности трубы представлены на рис. 5.

Из рис. 5 видно, что по мере увеличения частоты вращения валков происходило увеличение температуры трубы в очаге деформации. В результате в металле протекали про-

Рис. 5. Распределение температуры на поверхности контакта металла и инструмента

цессы скоростного упрочнения и температурного разупрочнения. На основании данных рис. 4 и 5а–в можно сделать вывод о том, что при увеличении частоты вращения валков от 95 до 115 об/мин скоростное упрочнение протекает более интенсивно, чем температурное разупрочнение. Это связано с тем, что разогрев металла трубы в процессе пластической деформации сравнительно не велик. При этом на поверхности контакта трубы с инструментом происходило интенсивное упрочнение металла и ему энергетически более выгодно было течь в выпуски калибра. В результате параметр S вып / S верш возрастал, то есть происходило увеличение разностенности труб. При дальнейшем увеличении частоты вращения валков до 135 об/мин процесс разупрочнения металла начинал превалировать над упрочнением, так как разогрев трубы в процессе пластической деформации увеличивался. Из рис. 5г, д видно, что на стыке вершины и выпуска калибра происходил интенсивный разогрев металла. При этом металл начинал более интенсивно течь в осевом направлении и утолщение трубы в выпусках калибра уменьшалось, так как параметр S вып / S верш снижался.

Заключение

В ходе работы исследовано влияние частоты вращения валков на неоднородность деформации, поперечную разностенность и температуру трубы в очаге деформации. Установлено, что существует критическое значение частоты вращения валков, при котором наблюдается наибольшая разностенность труб. При увеличении частоты вращения валков с 95 до 115 об/мин происходило интенсивное упрочнение металла трубы на поверхности контакта с инструментом, что привело к увеличению интенсивности затекания металла в выпуски калибра и росту параметра Sвып/Sверш. В ходе дальнейшего увеличения частоты вращения валков до 135 об/мин происходил рост температуры и интенсивности процесса разупрочнения металла. При этом металл более интенсивно начинал течь в осевом направлении. В результате наблюдалось снижение параметра Sвып/Sверш. На основании всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что при продольной прокатке труб на короткой оправке можно управлять неоднородностью деформации и поперечной разностенностью труб с помощью частоты вращения валков. При этом есть некоторое критическое значе- ние частоты вращения валков, при котором имеет место наибольшая разностенность труб. Следует также отметить, что при повышении температуры трубы велика вероятность пережога зерен металла, а также приваривания металла к инструменту, что приводит к росту уровня брака труб. В этой связи для снижения разностенности и объема брака труб процесс раскатки труб на короткой оправке следует проводить с уменьшенным значением частоты вращения валков.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых – кандидатов наук МК-1878.2020.8.