Исследование и совершенствование технологии и работы оборудования для раскатки грата электросварных труб из коррозионностойких сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.05, кандидат технических наук Гончар, Олеся Александровна

• Гончар, Олеся Александровна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гончар, Олеся Александровна

Введение.

1 Особенности производства электросварных прямошовных труб из коррозионностойких марок стали.

1.1 Современное состояние и тенденции развития производства прямошовных электросварных труб.

1.1.1 Перспективы развития нержавеющего проката и производства нержавеющих труб.

1.1.2 Перспективы развития рынка нержавеющих труб.

1.1.3 История развития нержавеющих труб на ОАО МТЗ «Филит».

1.2 Основные требования к качеству трубопроводов.

1.3 Механические, технологические и коррозионностойкие свойства сварного шва.

1.4 Пути достижения высокой чистоты поверхности трубы.

1.5 Прецизионные трубы из коррозионностойкой стали с субмикронной чистотой внутренней поверхности трубы.

1.6 Устройства для производства труб без внутреннего грата, их недостатки и преимущества.'.

1.6.1 Удаление внутреннего грата резцом.

1.6.2 Сжигание внутреннего грата в струе кислорода.

1.6.3 Электроэрозионный способ удаление грата.

1.6.4 Деформирование внутреннего грата.

1.6.5 Устройства для предотвращения образования внутреннего грата

1.6.6 Предотвращение появления внутреннего грата при сварке в среде инертных газов.

1.6.7 Зачистка наружного шва после удаления грата.

1.6.8 Характеристики и преимущества раскатки грата на оправке в линии ТЭСА 16-60 итальянской фирмы «Марчегалья».

Выводы по главе.

2 Разработка математических моделей для расчета геометрических и технологических параметров раскатки грата.

2.1 Расчет геометрии очага деформации трубы в устройстве раскатки грата.

2.2 Определение площади контакта трубы с валками.

2.3 Расчет средних давлений валков на металл трубы.

2.4 Математическая модель для расчета оптимальных скоростных режимов устройства раскатки грата в зависимости от скорости трубы.

Выводы по главе.

3 Экспериментальные исследования работы устройства раскатки грата на примере трубы 0 33 х 1,5 мм из стали марки 08Х18Н9 с существующими режимами раскатки грата.

3.1 Расчеты площадей контактной поверхности трубы с валками и средних давлений валков на металл трубы.

3.2 Отличительные особенности геометрии (диаметра и толщины стенки) трубы после процесса сварки и после процесса раскатки грата

3.3 Исследование механических свойств сварного шва трубы 0ЪЪ xl,5 мм, сталь 08Х18Н9 при неполной двукратной раскатке грата.

3.3.1 Исследование твердости сварного шва трубы 0 33 х 1,5 мм при неполной двукратной раскатке грата.

3.3.2 Изменение твердости раскатанного металла в зависимости от изменения давления в гидроцилиндре устройства раскатки грата.

3.4 Исследование качества поверхности сварного шва после процесса раскатки грата на оправке.

3.4.1 Выбор оптимальной марки бронзы для оправки.

3.4.2 Исследование шероховатости сварного шва трубы

0 33 х 1,5 мм с неполной двукратной раскаткой грата.

3.4.3 Исследование шероховатости сварного шва трубы

0 33 х 1,5 мм с неполной двукратной раскаткой в зависимости от изменения давления в гидроцилиндре устройства раскатки грата.

Выводы по главе.

4 Совершенствование технологии раскатки грата для достижения повышенного качества труб.

4.1 Изменение кратности раскатки грата и ее влияние на толщину стенки в областях контакта трубы с валками.

4.2 Изменение калибровки валков и расчет средних давлений раскатных валков на металл трубы для достижения равномерной толщины стенки по ее поперечному сечению после раскатки грата.

4.3 Выбор оптимальной кратности раскатки грата для обеспечения равномерных механических свойств и шероховатости сварного шва по длине трубы.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и совершенствование технологии и работы оборудования для раскатки грата электросварных труб из коррозионностойких сталей»

Электросварные трубы из высоколегированных, в том числе коррози-онностойких сталей, по экономическим показателям могут успешно конкурировать с бесшовными трубами при условии обеспечения высокого качества сварного шва в любом сечении. С целью расширения области применения электросварных труб из легированных сталей, удовлетворения растущей потребности в них промышленности Московским трубным заводом ОАО «Филит» проводятся исследования, направленные на существенное повышение надежности сварного шва, точности размеров и других качественных показателей. Ни одна отрасль современного производства не может успешно развиваться без обеспечения ее трубами необходимого качества и размеров. Химия, добыча нефти и природного газа, их переработка и транспортировка, машиностроение, автомобилестроение, станкостроение, авиация, радиотехника, атомная энергетика, пищевая промышленности, строительство зданий и др. требуют огромного количества труб различного сортамента.

В настоящее время Россия импортирует электросварные высоколегированные прецизионные трубы, особенностью которых являются точные геометрические размеры, высокая чистота внутренней поверхности, идеально раскатанный внутренний грат, отсутствие поверхностных дефектов. Все возрастающие требования к качеству продукции уже не могут быть полностью удовлетворены на трубоэлектросварочных агрегатах (ТЭСА) с традиционным составом оборудования. Потребителями таких труб в первую очередь являются автомобильная, пищевая, химическая и энергетическая промышленность.

С целью производства электросварных труб повышенного качества из коррозионностойких марок стали Московским трубным заводом «Филит» в Италии у фирмы «Марчегалья» был приобретен трубоэлектросварочный агрегат 16-60. Данный агрегат позволяет изготавливать трубы диаметром от 16 до 60 мм и толщиной стенки от 1 до 3 мм из ферритных и аустенитных марок стали как круглого, так и профильного сечения с раскатанным внутренним и наружным гратом. В линии ТЭСА 16-60 установлено устройство раскатки грата, которое появилось в России впервые. Поэтому исследования, направленные на изучение особенностей данного устройства и на повышение качества труб, представляют собой научный и практический интерес и в первую очередь актуальны для пищевой, химической, энергетической и автомобильной промышленности.

Поставлена задача исследования и совершенствования технологии устройства раскатки грата. Для предприятия особо важно было оценить геометрию трубы, в частности толщину стенки после процесса раскатки грата. Проведены исследования геометрических параметров готовой трубы после процесса раскатки грата, в результате которых обнаружена наведенная поперечная разностенность трубы. В связи с этим возникла необходимость расчета средних давлений валков на металл трубы. Проведены исследования толщины стенки, механических свойств и чистоты поверхности раскатанного металла, в результате которых обнаружена неравномерность значений толщины стенки, твердости и шероховатости трубы по ее длине. Для устранения отмеченных недостатков было проведено следующее:

1. Расчет геометрических параметров очага деформации трубы. Для определения неизвестных параметров разработана математическая модель, представляющая собой систему трех уравнений и создана соответствующая программа для получения численных результатов.

2. Предложена методика определения площадей контакта трубы с валками. Экспериментально методом недоката и измерения отпечатка валка определена площадь контактной поверхности при раскатке, что позволило определить значения поправочных коэффициентов. Рассчитаны средние давления валков на металл трубы. Установлено, что среднего давления верхнего валка не достаточно для полной раскатки грата, среднее давление нижнего валка на металл велико, вследствие чего образуется утонение стенки.

3. Предложена методика поиска оптимальных средних давлений валков на металл трубы с учетом графиков и формул экстраполяции. Решена обратная задача и найдены новые радиусы калибров валков. Внедрены изменения в режимах работы устройства раскатки грата для сортамента труб с толщиной стенки 1,2-н2,5 мм и спроектированы новые калибровки валков, что позволяет добиться минимального утонения стенки в зоне контакта трубы с нижним валком, а также без остатка раскатать грат.

4. Установлено, что одним из факторов повышения качества является также кратность раскатки грата, влияющая как на величину толщины стенки, так и на значения твердости и шероховатости раскатанного металла по длине трубы. Разработана математическая модель для расчета оптимальных скоростных режимов устройства раскатки грата в зависимости от скорости трубы, что позволяет добиться двукратной постоянной раскатки, обеспечивающей равномерность толщины стенки, твердости и шероховатости по длине трубы.

5. Разработанные алгоритмы и математические модели могут быть использованы в дальнейшем для более глубокого исследования напряженно-деформированного состояния металла трубы в очаге деформации.

Результаты работы использованы ОАО МТЗ «Филит» при проектировании и изготовлении рабочего инструмента устройства раскатки грата.

В диссертации также выполнены исследования по выбору материала оправки, обладающей хорошими антифрикционными и высокими механическими свойствами. В результате исследований выбрана бронза марки БрБ2 (твердость после «старения» - 380 ч- 450 НУ).

Вышеприведенные пункты представляют собой научную и практическую значимость диссертационной работы.

Работа выполнена на кафедре ТИ-2 «Информационные технологии обработки давлением» в МГУПИ.

Заключение диссертации по теме «Технологии и машины обработки давлением», Гончар, Олеся Александровна

Основные выводы и результаты

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Впервые разработана математическая модель для расчетов параметров очага деформации трубы, контактных площадей трубы с валками и силовых параметров процесса раскатки грата. Создана соответствующая программа для получения численных результатов на базе программного обеспечения Mathsoft MathCAD® и Microsoft Excel®.

2. Проведены исследования и по разработанной математической модели, соответствующей программе определены геометрические и силовые параметры раскатки грата труб сортамента ТЭСА 16-60 на существующих режимах устройства раскатки грата.

3. Исследовано влияние среднего давления верхнего валка на металл сварного шва. Установлено, что твердость раскатанного металла и соответственно прочностные характеристики увеличиваются в зависимости от увеличения среднего давления. При изменении среднего давления от 257 до 772 МПа твердость соответственно изменяется от 260 до 303 ед НУ, шероховатость раскатанного металла уменьшается с 0,80 мкм до 0,24 мкм, а класс чистоты поверхности увеличивается с 16 на 96.

4. Впервые разработана математическая модель для расчета оптимальных скоростных режимов устройства раскатки грата в зависимости от скорости сварки трубы. Создана соответствующая программа для расчетов конкретных задач на базе Microsoft Excel®. Установлена зависимость частоты ходов верхнего валка устройства раскатки грата (мин"1) от скорости сварки трубы (м/мин).

5. Экспериментально установлено, что в случае несогласованной скорости сварки трубы и частоты ходов верхнего валка устройства раскатки грата наблюдается циклическое изменение толщины стенки, твердости и шероховатости по длине трубы.

В результате проведенных исследований для получения повышенного качества труб внедрены новые скоростные режимы устройства раскатки грата в зависимости от скорости трубы:

- частота ходов верхнего валка устройства раскатки грата в минуту пУРГ = 38 мин"1 при скорости трубы Утр = 4 м/мин;

- скорость рабочей клети устройства раскатки грата Уу.р.г.= 12,2 м/мин;

- длина хода рабочей клети Ь = 160 мм.

Такие режимы обеспечивают постоянную двукратную раскатку грата и сохраняют равномерной толщину стенки, твердость и шероховатость раскатанного металла по длине трубы.

6. Проведены исследования по выбору материала оправки, обладающей хорошими антифрикционными и высокими механическими свойствами. В результате исследований выбрана бронза марки БрБ2 (твердость после «старения» - 380 - 450 НУ).

7. На основании математической модели, результатов практических исследований и соответствующих расчетов внедрены изменения в режимах работы устройства раскатки грата для сортамента труб ТЭСА 16-60 с толщиной стенки 1,2-^2,5 мм, спроектированы новые калибровки валков. Такие изменения позволяют добиться минимального утонения стенки (0,01 мм) в зоне контакта трубы с нижним валком по сравнению с ранее имеющимся (0,05 мм), а также без остатка раскатать грат.

8. Повышение качества позволяет повысить цену трубы на 5 %. Ожидаемый экономический эффект составляет 8522880 руб/год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гончар, Олеся Александровна, 2008 год

1. А. Маланичев. Нержавеющие перспективы. // Национальная металлургия № 2, 2007. С. 27-33.

2. Ж. Раус. Нержавеющая труба. Сколько? Кому? Зачем? // Национальная металлургия № 4, 2007. С. 37-42.

3. Б.Н. Матвеев, JI.A. Никитина. Современное состояние и перспективы производства труб в России и за рубежом (часть 3). // Производство проката № 2, 2000. С. 39-40.

4. В.К. Афонин, Б.С. Ермаков, E.JI. Лебедев, Е.И. Пряхин. Металлы и сплавы. Справочник. С-Пт.: AHO НПО «Профессионал», AHO НПО «Мир и Семья», 2003. 1066 с.

5. А.П. Грудев. «Теория прокатки». М.: «Металлургия», 1988. 239 с.

6. Г.И. Гуляев, С.Л. Войцеленок. Качество электросварных труб. М: Металлургия, 1978. — 256 с.

7. Э.Ш. Духан. «Трубы из нержавеющей стали». К.: «Техника», 1970.199 с.

8. А.П. Чекмарев, Я.Л. Ваткин. «Основы прокатки труб в круглых калибрах». М.: «Металлургиздат», 1962.-222 с.

9. В.В. Швейкин. Обработка металлов давлением. Выпуск III. М.: «Металлургиздат», 1954, с. 190-202.

10. С.И. Краев. Обработка металлов давлением. Выпуск III. М.: «Металлургиздат», 1954, с. 218-231.

11. Г.И. Гуляев, П.Н. Ившин, И.Н. Ерохин, А.К. Зимин, В.П. Рукобрат-ский, В.А. Юргеленас. Технология непрерывной безоправочной прокатки труб. М.: «Металлургия», 1975 г. 264 с.

12. В.В. Волков, М.А. Костенко, А.Н. Тетиор. Автоматизация трубопрокатных и трубосварочных станов. М.: Металлургия, 1976. 247 с.

13. A.A. Бабаков. М.В. Приданцев. Коррозионностойкие стали и сплавы. М: Металлургия, 1971. С. 129-130.

14. В .Я. Осадчий, A.C. Вавилин, В.Г. Зимовец, А.П. Коликов. Технология и оборудование трубного производства. М: «Интермет Инжиниринг», 2001.-606 с.

15. М.И. Клушин. Резание металлов. М.: Машгиз, 1958. 454 с.

16. В.А. Аршинов, Г.А. Алексеев. Резание металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1964. 544 с.

17. И.П. Скрыпник, Б.Е. Черток. Технология металлов. K.M.: Машгиз, 1958.-355 с.

18. П.Т. Емельяненко, A.A. Шевченко, С.И. Борисов. Трубопрокатное и трубосварочное производство. М.: Металлургиздат, 1954. -495 с.

19. И.Н. Потапов, А.П. Коликов, В.Н. Данченко, В.В. Фролочуин. А.Н. Зеленцов, В.В. Горбунов. Технология производства труб. М: Металлургия, 1994.-528 с.

20. Ю.Ф. Шевакин, B.C. Шайкевич. Обработка металлов давлением. М: Металлургия, 1972. С. 211-214.

21. Ал.В. Серебряков, A.A. Богатов, Ан.В. Серебряков, Д.В. Марков (ОАО «ПНТЗ», ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»). Прецизионные трубы из коррози-онностойкой стали с субмикронной чистотой поверхности канала. // Сталь № 3, 2004 г. С. 42-43.

22. Ан. В. Серебряков, E.JI. Шулин, Ал.В. Серебряков. A.A. Богатов, И.М. Вдоветти (ОАО «ПНТЗ», ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»). Влияние качества поверхности труб на стойкость против межкристаллитной коррозии. // Сталь № 7, 2004 г. С. 39-40.

23. Р.В. Головкин, Е.М. Кричевский. Производство прямошовных труб на непрерывных трубоэлектросварочных станах. М.: «Металлургия», 1969. — 283 с.

24. А. П. Коликов и др. Машины и агрегаты трубного производства. М.:МИСиС, 1998.-536 с.

25. P.B. Головкин, E.M. Кричевский. Производство прямошовных труб на непрерывных трубоэлектросварочных станах. М.: «Металлургия», 1969. -283 с.

26. А.П. Чекмарев, С.И. Борисов, Ю.М. Матвеев. Технический прогресс в трубном производстве. М.: «Металлургия», 1965. 264 с.

27. И.В. Приходько. Тематический отраслевой сборник № 4. // Производство труб. М.: «Металлургия», 1978. С. 76-80.

28. Д. Шмидт. Стальные трубы Справочник. М.: Металлургия, 1982.535 с.

29. И.М. Павлов, Н.М. Федосов, В.п. Северденко, И.Я., И.Я. Тарнов-ский, Б.Л. Ланге, Я.М. Охрименко. Обработка металлов давлением. М.: Ме-таллургиздат, 1955. 483 с.

30. И.К. Суворов. Обработка металлов давлением. М.: «Высшая школа», 1964.-355 с.

31. И.П. Скрыпник, Б.Е. Черток. Технология металлов. K.M.: Машгиз, 1958.-355 с. С 138-153.

32. П.Т. Емельяненко, A.A. Шевченко, С.И. Борисов. Трубопрокатное и трубосварочное производство. М.: Металлургиздат, 1954. 495 с.

33. Техническое руководство «Линия по производству труб из нержавеющей стали сваркой TIG. Устройство закатывания внутреннего грата» ЗАО ППП «Техноспецсталь» ОАО МТЗ «Филит». Контракт п.М-125/05-02. Saronno-Italy: «Marchegagliya S.p.A.», 2003. 60 с.

34. H.B. Розов. Холодная прокатка стальных труб. М: Металлургия, 1977. С. 18-21.

35. Ю.Ф. Шевакин, Ф.С. Сейдалиев. Станы холодной прокатки труб. М: Металлургия, 1966. С. 7-9.

36. З.А. Кофф, П.М. Соловейчик, В.А. Алешин, М.И. Гриншпун. Холодная прокатка труб. Свердловск: «Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии», 1962 г. 431 с. С. 6-10

37. Ю.И. Абальян, В.Ф. Клестов, О.А. Еремина, А.В. Малюков, А.Б. Ламин, В.Я. Осадчий, В.Д. Дмитриев. Особенности нового трубоэлектросва-рочного агрегата ТЭСА 16-60 Московского трубного завода «Филит». //Бюллетень «Черная металлургия», №55 2005. С. 41-45

38. В.Я. Осадчий, В.Д. Дмитриев, O.A. Еремина, A.B. Малюков. Исследование процесса раскатки грата с целью повышения качества труб из фер-ритных и аустенитных сталей. //Производство проката, №7, 2007. С. 23-28.

39. A.A. Шевченко. Непрерывная прокатка труб. М.: «Металлургиз-дат», 1954. 268 с.

40. Б.С. Ермаков, Е.И. Пряхин, В.К. Афонин, Е.Л. Лебедев. Металлы и сплавы. Справочник. С-Пт.: «Профессионал», 2003. 1066 с.

41. Инструкция по обслуживанию прибора для определения твердости типа ХПО-250. Leipzig DDR: «VEB Werkstofфrüfmaschmenen п. Frizz Hekkert», 1960. 105 с.

42. Измерение твердости алмазной пирамидой (по Виккерсу). ГОСТ 2999-59 Методы испытаний. М: «Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов», 1970. 5 с.

43. М.В. Сторожев и Е.А. Попов. Теория обработки металлов давлением. М: Машгиз, 1957. С. 128-130.

44. Прутки из бериллиевой бронзы Технические условия. ГОСТ 1583570. М: «Издательство комитета стандартов», 1970. 12 с.

45. Прутки и полосы из сплава Медь-Кобальт-Бериллий МКБ 2,5-0,5. ТУ 48-21-5049-74. М: «Издательство комитета стандартов, 1974. 16 с.

46. Прутки из бериллиевой бронзы. Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением. ГОСТ 18175-78. М: «Издательство комитета стандартов, 1978.- 12 с.

47. В. Зисельман, М. Кудин, Ю. Лаврищев (ОАО «Московский завод по производству цветных металлов», ООО «БериллиУМ»). Бериллиевые бронзы: проблемы и перспективы. // MPT, № 1, 2006 5 с.

48. В. Зисельман, О. Толмачев (ОАО «Московский завод по производству цветных металлов», ООО «БериллиУМ»). Низколегированные берил-лиевые бронзы. Свойства, преимущества и применение в автомобилестроении. // MPT, № 1,2006 4 с.

49. А.Г. Косилова. Справочник технолога-машиностроителя, том 1. М: «Машгиз», 1958. С. 29-31,368-370.

50. B.C. Бабкина, М.М. Герасименко. Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения. ГОСТ 2789-73. М: «Издательство стандартов», 1990 10 с.

51. B.C. Бабкина, Л.Я. Митрофанова. Шероховатость поверхности. Термины и определения ГОСТ 25142-82. М: «Издательство стандартов», 1982.-20 с.

52. И.Н. Потапов. Теория обработки металлов давлением, теория прессов, ковки, штамповки и прессования. Лабораторный практикум для студентов специальности 0408. М.: МИСиС, 1982. С. 160-164.