Основные направления исследований ИЦ ТМК при разработке технологий и оборудования для производства бесшовных труб

Существование современной промышленности немыслимо без использования стальных бесшовных труб различного назначения. На первый взгляд может показаться, что бесшовная труба – это достаточно простое изделие, представляющее собой полый цилиндр. Подтверждается это тем, что современная бесшовная труба изобретена более 100 лет назад, когда немецкие инженеры братья Макс и Рейнхард Маннесман в 1885 г. прокатали сплошную цилиндрическую заготовку между двумя косо расположенными друг относительно друга и вращающимися в одну сторону валками и обнаружили, что в центральной зоне заготовки образуется сквозное отверстие. Данное явление получило название эффект Маннесмана и легло в основу процесса винтовой прошивки сплошных заготовок в полые гильзы. Благодаря этому изобретению стал возможен массовый выпуск стальных бесшовных труб. Данный процесс настолько впечатлил Томаса Эдисона (изобретателя фонографа, лампы накаливания и многого другого), что он назвал бесшовную трубу братьев Маннесман самым удивительным изобретением XIX века [1].

Переходя от исторических фактов к современным научно-теоретическим аспектам, можно утверждать, что на самом деле бесшовная труба – это сложный высокотехнологичный продукт, для производства которого применяется множество различных процессов обработки металлов давлением (ОМД). В настоящее время бесшовные трубы производят из множества различных марок сталей и сплавов с учетом их реологических свойств и особенностей деформации как в горячем, так и в холодном состоянии. Для изучения и развития процессов производства бесшовных труб создаются различные направления в науке [2, 3] и целые научно-исследовательские институты.

Так, в 1961 г. основан Уральский научноисследовательский институт трубной промышленности (УралНИТИ), который в 2001 г. был переименован в Российский научноисследовательский институт трубной промышленности (РосНИТИ) и далее, в 2020 г., в Русский научно-исследовательский институт трубной промышленности (РусНИТИ) уже в составе Трубной металлургической компании [4].

В начале 2023 г. научный кластер РусНИТИ поэтапно выведен в обособленное подразделение в г. Челябинске Исследовательского центра ТМК (участника проекта «Сколково»), в котором отдел бесшовных труб продолжил заниматься вопросами разработки и совершенствования технологий и оборудования для производства бесшовных труб в рамках выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

По направлению бесшовных труб в Исследовательском центре ТМК выделено четыре лаборатории (винтовой прокатки, продольной прокатки, волочения и прессования, моделирования технологических процессов) и участок экспериментальных исследований процессов ОМД. Все подразделения работают в тесном взаимодействии между собой и с основными трубопрокатными предприятиями Российской Федерации, а область их научных исследований достаточно обширна.

Лаборатория винтовой прокатки занимается процессами прокатки как в двухвалковых (прошивных и риллинг-станах), так и трехвалковых (обжимных, раскатных и риллинг-) станах винтовой прокатки.

Основные цели: повышение эффективности производства бесшовных труб за счет совершенствования технологий винтовой прокатки и сокращение расхода металла путем повышения точности и качества продукции. Для достижения поставленных целей решаются следующие основные задачи:

• –    разработка рациональных схем и режимов деформации;

• –    повышение стойкости рабочего инструмента;

• –    снижение энергосиловых параметров при винтовой прокатке;

• –    разработка цифровых помощников для станов винтовой прокатки;

• –    освоение производства новых видов бесшовных труб.

Наиболее значимые исследования последних лет были посвящены снижению энергосиловых параметров при обжатии заготовок из нержавеющих марок стали на трехвалковых станах винтовой прокатки, в ходе которых была определена зависимость токовых нагрузок на привод стана от изменения различных технологических параметров процессов прокатки (рис. 1) [5, 6].

Также разработана технология получения гильз для промежуточных калибров непрерывного стана FQM, которая позволила повысить эффективность использования дорогостоящих длинномерных оправок [7].

0,0   2,0   4,0   6,0   8,0 10,0 12,0 14,0 16,0

Снижение токовой нагрузки, %

• ■ Вариант калибровки валков № 1    ■ Вариант калибровки валков № 2

Рис. 1. Зависимость токовых нагрузок на привод трехвалкового стана винтовой прокатки при обжатии заготовок от изменения различных технологических параметров процессов прокатки на условную единицу

• Fig. 1. Loading of the motor of a three-roll screw rolling mill during rolling of a billet with changes in various process parameters

З а в е рш е на с е ри я раб от н а п рош и в н ых ста н а х р а зли чн ых тру б о п рок а тн ых а г ре г а тов (Т ПА ) , в к а ж д ой и з к ото рых б ы ло достигнуто п ов ыше н и е ка че с тв а и точн ос ти ги льз и тру б [8–10].

В облас ти п ов ыше н и я с то й к ос ти р а б очего и н с тру ме н та н а и боле е з н а чи мые ре зу льта ты, д о стиг нут ые л а бо рат ори ей винто во й п р окатки, – это пов ы ш ен ие с т о й к ос ти оп равок про ши вн ы х с та нов от 3 д о 5 ра з п ри п р ош и в ке за г от ов ок из тру д н оде ф орм и ру е мых марок сталей [11–13].

Основная деятельность л а бора то рии п р одольной прокатки ка са е т с я те хн ологи и гор я ч е й ра с ка тк и ги л ьз в ли н и и Т ПА с и с п ольз о в ани е м оп равочн ых ст анов ра зли чн ого ти п а: н епрерыв н ых , а в том атич е ск и х (в том чи с л е станов- т ан д е м) и п и ли гримов ых.

Одно из основных напр ав л е н и й и сс ле до в ани й л а б ор а тори и с в язано с ра зр а б от к ой к а л и б ров ок в алк ов и с и с т ем к а ли бров д ля д в у х- и тре хв а лк овых н е п р е ры в н ых с та н ов с ц ель ю р е ш е н и я ра зли чн ых за да ч, в ча с тнос ти : повышения эф фек т и в н ос ти и с п ол ьзован ия п арк а диаметров оправок, улучшения к ачества труб, освоения нов ого сорта мен та [ 14 ] .

Актуальные исследования касаются дорогостоящих оправок непрерывных станов продольной прокатки и проводятся с целью увеличения срока их службы, сокращения парка диаметров оправок и улучшения качества труб [15]. Новые решения в этой области ис- следований [16] в настоящее время применяются на всех основных станах с удерживаемой оправкой: МРМ, PQF и FQM.

Еще одним важным направлением исследований лаборатории является изучение трансформации дефектов наружной поверхности исходных заготовок, которые позволяют определить причины и место возникновения дефектов в линии ТПА и разработать рекомендации по способам их устранения. Завершен цикл исследований для технологии ТПА-80 с непрерывным раскатным станом и ТПА-140 со станом-тандем [17, 18].

Обеспечение точности геометрических параметров и стабильности качества труб, получаемых по существующей технологии, а также при апробации новых технических решений невозможно без высокой конструктивной точности оборудования. По данному направлению специалистами лаборатории продольной прокатки разработаны новые методы осевой настройки и контроля технологической оси непрерывных станов, также нашедшие применение в заводских условиях [19, 20].

Лаборатория волочения и прессования совершенствует процессы как горячей деформации труб и трубных полуфабрикатов (прессование, ковка, штамповка, высадка), так и холодной деформации (волочение, прокатка на станах ХПТ и ХПТР).

Основным направлением деятельности является научно-технологическое сопровож-

Рис. 2. Моделирование процессов прошивки на двухвалковом стане винтовой прокатки и на прессе, редуцирования на многоклетьевом стане продольной прокатки

Fig. 2. Computer simulation of piercing on a two-roll screw rolling mill;

piercing on a press; rolling on a reducing mill

дение производства новых видов трубной продукции – горяче- и холоднодеформиро-ванных труб из специальных сталей и сплавов, применяемых в атомно-энергетическом комплексе РФ.

Примерами новых решений в направлении совершенствования процесса прессования труб являются следующие работы: внедрение режимов прессовой прошивки с целью минимизации дефектообразования [21], исследование условий эксплуатации прессового инструмента [22], разработка методики контроля параметров оребрения труб с внутренним винтовым оребрением [23].

Разработаны и внедрены решения, позволяющие снизить разностенность горячештампованных изделий и сократить РКМ при их производстве [24], завершаются работы по внедрению эффективных систем охлаждения штампового оборудования.

Определенной синергии межзаводской кооперации требуют задачи импортозамеще-ния в технологии производства холодноде-формированных труб. Так, с 2015 г. успешно ведется работа по совершенствованию режимов холодной прокатки труб из хромоникелевого сплава ТМК-С: с высокой корреляцией определены зависимости влияния химического состава, тонкостенности трубы, геометрических параметров очага деформации на уровень упрочнения данного сплава [25–27].

Лаборатория моделирования технологических процессов объединяет все направления исследований и обладает современными вычислительными комплексами и необходимым программным обеспечением для компьютерного моделирования различных процессов ОМД¹ (рис. 2) при выполнении как собственных научно-исследовательских работ, так и совместных с другими лабораториями работ, а также решает другие аналитические задачи, требующие проведения сложных расчетов.

Моделирование технологических процессов позволяет существенно сократить затраты на освоение новых видов продукции и совершенствование существующих технологий производства бесшовных труб.

Профильным направлением деятельности лаборатории является безоправочная непрерывная прокатка труб в калибровочных и редукционных станах, применяемых в нефтегазовом секторе и машиностроении [28–30].

Важным направлением деятельности отдела бесшовных труб является такое совре- менное направление, как цифровизация различных процессов ОМД с разработкой математических моделей и созданием собственных цифровых помощников различного уровня и программных продуктов [31–35].

Отдел также располагает уникальной лабораторно-технической базой для реализации физического моделирования изучаемых процессов [36, 37], которая включает три прокатных стана: двух- и трехвалковые станы винтовой прокатки и универсальный стан продольной прокатки, а также гидравлический пресс, вальцовочную машину, экспериментальную волочильную установку и комплекс специальной технологической оснастки, позволяющей при необходимости реализовать другие исследуемые процессы ОМД.

Подводя итог представленного в настоящей статье краткого обзора достижений и исследований отдела бесшовных труб ИЦ ТМК, стоит отметить, что большинство сотрудников и руководителей отдела являются выпу- скниками и/или аспирантами кафедры «Процессы и машины обработки металлов давлением» (ранее «Обработка металлов давлением») Южно-Уральского государственного университета, многие защитили на ней свои кандидатские диссертации. Поэтому все мы являемся последователями Уральской научной школы обработки металлов давлением, основы которой были заложены преподавателями нашей кафедры, и гордо несем звание металлургов-трубников, которое стремимся передать юному поколению.

От всего коллектива отдела бесшовных труб ИЦ ТМК поздравляем с юбилейной датой – 70-летием со дня основания – родную кафедру, желаем ей оставаться носителем уникальных знаний и лучших практик в прокатной отрасли, играя важнейшую роль в обеспечении российских предприятий высококвалифицированными кадрами.

Желаем коллегам продолжать задавать высокие стандарты высшей школы, успехов, творческой энергии и новых достижений!