Разработка технологии прошивки непрерывно-литой заготовки для труб нефтяного сортамента размером 63•6 мм из стали группы прочности К

 

 

 

3. Предложения по 

совершенствованию

технологического процесса

 

  В настоящее время стальные бесшовные горячекатаные трубы размерного сортамента 32-114мм (по методу непрерывной прокатки) на ПНТЗ производят в цехе №8. Для изготовления труб используется катаная заготовка Нижнетагильского металлургического комбината, «Уральской стали», Магнитогорского металлургического комбината.

 В дипломном проекте предлагается:

- расширить существующий размерный сортамент цеха №8 ПНТЗ за счет освоения производства труб нефтяного сортамента диаметром 63 мм с толщиной стенки 6 мм из стали группы прочности К.

- для производства  всего сортамента труб использовать  непрерывно-литую заготовку производимую на ПНТЗ в ЭСПК «Железный Озон 32».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Обоснование выбора темы

 На мировом  рынке уже длительное время  сложилась ситуация, когда цены  на сырьё, материалы, энергоносители, рабочую силу растут быстрее, чем цены на металлопродукцию.

Возникшая острая конкуренция на рынке трубной продукции стимулирует предприятие проводить работу по расширению сортамента, улучшению качества выпускаемой продукции, снижению её себестоимости и соответственно к техническому перевооружению.

Использование непрерывно-литой заготовки «Железного Озона 32» позволит снизить себестоимость продукции так как своя заготовка будет обходиться дешевле в 1,25 раза.

Кроме этого за 2010 год процент брака выпущенной продукции из-за дефектов металла «Уральской стали» составил порядка 11%, Нижнетагильского металлургического комбината – около 9,4%, – а показатель заготовки «Железного Озона 32» по этому параметру составил всего 0,5%.

Более того: при прокатке труб из «круга-150» «Железного Озона 32» на стане-160 в цехе №1 (при базовом показателе 1,65%) брак по металлу составил 0%, а фактический расходный коэффициент металла составил 1,065, при плановом – 1,086.

Для расширения сортамента производимых труб на ОАО ПНТЗ в дипломном проекте предлагается использовать заготовку «Железного Озона 32» не только в цехе №1, но и в цехе №8 для производства труб размером 63•6 мм. Экономическая эффективность от предлагаемого мероприятия составит 1540317,7 тыс. руб.

 

2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

2.1 Расчет таблицы  прокатки труб на ТПА 30-102

 

Расчёт ведётся против хода трубы.

Определяем наружный диаметр трубы после редукционного стана:

Dк (1,01ˆ1,012)D0 ;              (1) [1]

где 1,01 ~1,012 - температурный коэффициент линейного расширения;

Dк= 1.011 • 63 = 63,7 мм.   

Толщина стенки трубы после редукционного стана должна быть равна толщине стенки готовой трубы.

Sк= S0= 6 мм.

Наружный диаметр черновой трубы (трубы, выходящей из непрерывного стана) является постоянным для всего сортамента труб и равен:

Dн=115 мм.

Толщину стенки трубы после непрерывного стана Sн рассчитываем исходя из условия отсутствия гранености на внутренней поверхности трубы. На диаметрах 45-60 мм, для уменьшения внутренней гранености труб, на редукционном стане должно быть обеспечено натяжение трубы у=0,6...0,8. Необходимо, чтобы стенка с непрерывного стана была на 1 мм больше стенки готовой трубы.

Sн= S0 + ∆Sк ;               (2) [1]

 

 

Sн= 6 + 0,5 = 6,5 мм.

Определяем стенку гильзы:

Sг = Sн + ∆Sн ;              (3) [1]

где ∆Sн - абсолютное обжатие по стенке в непрерывном стане, мм:

 ∆Sн =11ˆ12мм ;

Sг = 6,5 + 11,5 = 18 мм.

Определяем диаметр оправки непрерывного стана:

δн= Dн-2 • Sн-∆н ;          (4) [1]

где ∆н = 2 мм, - зазор между трубой и оправкой, мм.

δн = 115 - 2 • 6,5 - 2 = 100 мм.

Определяем внутренний диаметр гильзы:

dг =δн+∆г ;                   (5) [1]

где ∆г = 12 мм;

dг = 100 + 12 = 112 мм.

Определяем диаметр гильзы:       

Dг = dг + 2• Sг ;              (6) [1]

Dг = 112 + 2 • 18 = 148 мм.

Определяем длину гильзы:

; (7) [1]

μн = ; (8) [1]

 μн = = 3,317;

  =7838 мм.

 

 

 

Определяем длину заготовки:

;                    (9) [1]

;         (10) [1]

= 2,4.

= 3265 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Расчет калибровки  прокатного инструмента прошивного стана

 

В понятие калибровки инструмента прошивного стана входит определение геометрических размеров и построение профиля валков, оправок, линейки и ролика.

Калибровка определяется типом прошивного стана, характером деформации и технологическими требованиями, на основании которых инструмент должен обеспечивать: получение гильз требуемых геометрических размеров с высоким качеством наружной и внутренней поверхностей; хорошие условия захвата и нормальную устойчивость процесса деформации; высокую производительность при минимальном расходе энергии; повышенную стойкость инструмента и возможность осуществления процесса для широкого сортамента гильз.

С разработкой конструкции прошивных станов с двухопорным креплением чашевидных валков появилась перспектива их широкого внедрения в практику трубного производства.

Определяем габаритные размеры чашевидных валков по формулам:

Dб = 2•DTmax+ 630; (11) [1]

Lб = (0,45÷ˆ0,7)• Dб ; (12) [1]

где Dб - диаметр бочки валка, мм;

DTmax-максимальный диаметр трубы в сортаменте стана, мм;

Lб –длина бочки валков, мм.

Dб = 2•115+ 630 = 860 мм;

Lб = 0,63 • 860= 550 мм.

 

Находим длину конуса прошивки и конуса раскатки, которые связаны отношением:

L1 /L2 = 0.75ˆ1.00; (13) [1]

Отсюда:

L1 =(0,43ˆ0.5)•Lб ; (14) [1]

L2 =(0,5ˆ0,57)•Lб ; (15) [1]

L1 =0.43•550 =236 мм;

L2 = 0.57•550 =314 мм.

На основании теоретических и экспериментальных данных угол образующей входного конуса деформации принимают 2-5°, а выходного конуса 3 -6,5°.

Углы конуса прошивки и конуса раскатки валка можно принимать равными углам входного конуса и выходного конуса очага деформации лишь при малых углах подачи (5-8°).

При больших значениях углов подачи наблюдается искажение очага деформации и необходимо вводить поправки:

(16) [1]

где - угол конуса прошивки,°;

Dб - диаметр бочки валка, мм;

Dз - диаметр заготовки, мм;

Dг - расстояние между валками в пережиме, мм;

β- угол подачи,°;

α1 - угол входного конуса,°;

 

 

 

(17) [1]

где - угол конуса прошивки,°;

Dб - диаметр бочки валка, мм;

Dз - диаметр заготовки, мм;

Dг - расстояние между валками в пережиме, мм;

β- угол подачи,°;

α2 - угол выходного конуса,°;

 

Угол конуса прошивки и конуса раскатки определяются с учётом угла подачи β и угла раскатки ;

=-; (18) [1]

=+; (19) [1]

=8-2,7=5,3°; 
=8+3,8=11,8°.

По полученным данным определяем минимальный диаметр конуса прошивки D6min и максимальный размер валка D6max.

D6 max= D6+2L1 •; (20) [1]

D6 min= D6-2L2 •; (21) [1]

 

 

 

D6 max = 860+2•236•= 903,8 мм;

D6 min = 860-2•314•= 728,8 мм.

Плавный переход образующих конусов к торцам бочки валка во избежание порезов заготовки и гильзы выполняют радиусом r=10~30 мм.

Основная деформация при прошивке заготовки в пустотелую гильзу происходит между поверхностями рабочих валков и оправки.

Известно три формы оправок:

- сменная оправка;

-водоохлаждаемая оправка;

- оправка для  второй прошивки.

В цехе 8 на ТПА 30-102 используются водоохлаждаемые оправки, которая состоит из четырёх участков: носик оправки, рабочий конус поперечной раскатки и цилиндрический поясок или обратный конус.

Размеры носика опраВки Выбирают из практических данных L1 =20 мм, δ'''оп =30 мм.

Находим длину рабочего конуса оправки:

L2 = δоп+25

L2 =100+25=125 мм.

Находим диаметр рабочего конуса:

δ''on= δоп-5;

δ''on= 95 мм.

Находим радиус скругления:

 

; (22) [2]

 

 

 = 276 мм.

Длину раскатного участка принимаем L3 = 45 мм, а длина обратного конуса водоохлаждаемой оправки равна L4 =40 мм.

Калибровка линейки прошивного стана.

Линейка прошивного стана служит направляюшим и ограничивающим овализацию инструментом. Уклон рабочей поверхности на входной стороне больше угла входного конуса деформации на 1-3°, что необходимо для облегчения условий захвата заготовки:

ω1 = α1 +1°; (23) [2]

где ω1 - уклон рабочей поверхности на входной стороне, °; 
α1 -угол входного конуса,°;

ω1 = 3° +1°=4°.

Угол наклона рабочей поверхности линейки на выходной стороне обычно равен углу выходного конуса очага деформации:

ω2 = α2 ; (24) [2]

где ω2 - уклон рабочей поверхности на выходной стороне, °; 
α2 -угол выходного конуса,°;

ω2 = 4°.

Находим длину линейки:

LLmax+Pmax ; (25) [2]

; (26) [2]

; (27) [2]

UΣ =0,13;

Lmax = 1,25 мм.

 

 

 

; (28) [2]

где D3 =0,9•DГ => DГ =150:0,9=166,6 мм.

 

L = 269 мм.

Определяем высоту гребня линейки hr , по формуле:

hГ =Н-0,5•Вл+Сл , (29) [1] 
hГ =60-0,5•143+20=8,5 мм.

где Н- расстояние от оси прокатки до опорной плоскости линейкодержателя,

Сл- глубина выемки рабочей поверхности линейки принимаем 20мм,

Находим расстояние между линейками:

Bл = Dr •(1+0.75• UΣ • Dr /D3); (30) [1]

Вл=135•(1+0,75•0,125-166,6/150)=143 мм,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Расчет усилий  и момента 

прокатки

 

Определение усилия при прошивке сплошной заготовки в полую гильзу на прошивном стане.

Определяем полное усилие при прошивке:

P=P1+P2=P(ср)уд1 • F1 + P(ср)уд2 • F2 ; (31) [2]

где Р- полное усилие при прошивке; 
P1- на участке прошивки;

Р2-на участке раскатки;

P(ср)уд1 -среднеудельное давление на участке прошивки;

P(ср)уд2 - среднеудельное давление на участке раскатки;

F1-площадь контактной поверхности на участке прошивки;

F2- площадь контактной поверхности на участке раскатки;

Р=1855,8 ×3500,8+390,6• 3109,9 =7711,3 кН.

Находим площадь контактной поверхности на участке прошивки:

F1 = 0,67•bП •L1 ; (32) [2]

F1 = 0,67•41,8•125=3500,8 мм2;

Находим ширину контактной поверхности в пережиме:

; (33) [2]

 

где bп - ширина контактной поверхности в пережиме валков, мм; 
Dп - расстояние между валками в пережиме, мм; 
Dб - диаметр бочки валка, мм;

D3 - диаметр заготовки, мм. 
Еп - относительное обжатие в пережиме; 
мм.

Относительное обжатие:

; (34) [2]

 

Длина участка прошивки;

(35) [2]

 

Определяем площадь контактной поверхности на участке раскатки:

F2 =0,8•b•L2 ; (36) [2]

F2 =0,8•41,8•93=3109,9мм2.

(37) [2]

L2 =93 мм.

Находим среднеудельное давление на участке прошивки:

P(ср)уд1 = 2•δт•[1,25•(еn •-0,25] ; (38) [2]

где δт =76 Н/мм предел текучести.

 

 

 

 

 

P(ср)уд1 = 2•76•[1,25•(2,7 • -0,25]=1855,8 Н/мм2.

Находим среднеудельное давление на участке прошивки:

P(ср)уд2 = 5,14 • δт ; (39) [2]

P(ср)уд2 = 5,14 •76= 390,6 Н/мм2.

Определяем осевое усилие на оправку:

Q=0,4•P; (40) [2]

Q =0.4•7711,3 =3084,5 кН.

Определяем усилие на линейку;

E=0,2•P•f•sinβ; (41) [2]

E=0,2•7711,3 •0,4•0,15=92,535 кН.

Определяем крутящий момент при прошивке:

М=0,5•Р•Вср(1/ i +1) (42) [2]

где M - момент, Н•мм;

P - полное давление металла на рабочие валки, Н;

i - передаточное отношение диаметра заготовки к диаметру бочки валка;

Вср -ширина контактной поверхности в середине, мм.

М=0,5•7711,3 •30,3(1/0,17+1)=99,85 кН·м;

Определяем ширину контактной поверхности по формуле:

Вср = ; (43) [2]

где Вср-ширина контактной поверхности, мм;

L1 - длина очага деформации в конусе прошивки, мм ; 
L2 - длина очага деформации в конусе раскатки, мм.

Вср = =30,3 мм.

 

 

Определяем передаточное отношение диаметра заготовки к диаметру бочки валка:

i=Dз/Dб ; (44) [2]

где i - передаточное отношение диаметра заготовки к диаметру бочки валка;

D3 - диаметр заготовки, мм;

DБ - диаметр бочки валка, мм.

i=150/860=0,17 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Расчет прокатного  валка на

прочность

 

В расчете валка на прочность рассчитывается допускаемое напряжение, и исходя из запаса прочности, сравнивается с результирующим напряжением.

l1 =0,281 м; l2 =0,239 м; d=0,18 м; L=0,52 m.

Определим реакции в опорах валка:

Ra= [Р х l2 cos(7) + Dб sin(7)] /L; кН; (45) [2]

Ra= 3517,87 кН;

Rb= [P x l2 cos(7) - Dб sin(7)] /L; кН; (46) [2]

RB=3517,47 kH

Определим суммарное осевое усилие на валки:

ΣMc(F)=0

Q=( RА l1 – RВ l2 )/0,5Dб ; кН; (47) [2]

Q=343,82 кН.

Учитывая то, что QA и QB расположены на одной оси, то они воспринимают осевую составляющую усилия прокатки поровну, следовательно:

QА=QВ =Q/2=171,91 кН.

Схема нагружения валка раскатного стана распределена на рис.5

Напряжение изгиба в бочке валка:

Ϭизг=Мизг/0,1 d3, МПа; (48) [2]

где МИЗГ - момент изгиба, кН·м;

МИЗГ =7,88 кН·м;

 

тогда:

Ϭизг=13,51 МПа.

Рисунок 5 - Схема нагружения валка прошивного стана.

Напряжение кручения:

т =МКр/0,2d3, МПа; (49) [2]

где Мкр - момент кручения, Нм;

Мкр=N•30 ɳдв/п, кНм. (50) [2]

где N=1600-мощность электродвигателя, кВт;

п=450-частота вращения, мин-1; 
               ɳдв = 0,93-КПД электродвигателя.

Мкр=31,6 кНм;

тогда

т =27 МПа.

 

 

 

Результирующее напряжение:

, МПа, (51) [2]

где допустимое напряжение, Н/мм2,

, (52) [2]

где в- предел прочности материала валка на изгибе, МПа.

Допустимое напряжение принимаем из пятикратного запаса прочности. Предел прочности для марки стали 45 в =610 МПа; п =5

[]=122 МПа. 
Результирующее напряжение равно

 =16,21 МПа;

16,21 МПа<122 МПа. 
Таким образом, размеры шейки валка и материал обеспечивают достаточную прочность для ведения технологического процесса.