Конструкция и условия работы оправок трехвалкового раскатного стана

Обзор литературы

Конструкция и условия работы оправок трехвалкового раскатного стана

Длинная оправка раскатного стана - длинный цилиндрический стержень с проточкой на заднем конце для захвата при извлечении трубы. Длина оправки всегда больше длины гильзы, но меньше длины прокатываемой трубы.

На практике встречаются оправки, имеющие внутреннюю полость (труба с большой толщиной стенки). Как правило, это инструмент большого диаметра. Внутренняя полость обеспечивает лучшее охлаждение оправки водой после прокатки. Кроме того, такая конструкция позволяет значительно снизить вес, не ухудшая при этом прочностных свойств. Недостатком такого инструмента является сложность его изготовления - чрезвычайно сложно получить толстостенную трубу большого диаметра и длиной более 10-12 метров.

Длинная оправка состоит из следующих частей: наконечник, оправка (рабочая часть), удлинитель, хвостовик. В процессе работы, с нагретым металлом контактирует только рабочая часть и она воспринимает все нагрузки как тепловые, так и силовые. Удлинитель служит исключительно для увеличения длины оправки. Он соединяется с рабочей частью с помощью замка, который в процессе раскатки воспринимает тянущие усилия. Хвостовик необходим для удержания оправки в процессе роботы, а так же для извлечения оправки из черновой трубы.

Стойкость рабочей части оправки составляет 500-2000 прокатанных труб. После чего она отправляется на переточку на меньший размер. Срок службы удлинителя и хвостовика значительно больше и ограничивается лишь техническим состоянием соединений.

Оправка изготавливается по довольно трудоемкой технологии, которая включает следующие операции:

1. Плавка стали и рафинирование;

2. Дегазация под вакуумом;

3. Разливка на восьмиугольные слитки;

4. Черновая ковка;

5. Отжиг;

6. Ультразвуковой контроль;

7. Обработка поверхности и резка на мерные длины;

8. Чистовая ковка;

9. Отжиг;

10. Ультразвуковой контроль;

11. Правка;

12. Черновая токарная обработка для термообработки;

13. Термообработка (закалка и отпуск);

14. Правка;

15. Снятие напряжений;

16. Контроль:

- механических свойств;

- твердость по Бринелю;

- ультразвуковой контроль;

- микроскопический анализ;

17. Окончательная правка;

18. Снятие напряжений;

19. Контроль (то же, что и пункт 16);

20. Обработка на станке (прорезание и токарная обработка);

21. Нарезка резьбы и фосфатизация;

22. Контроль магнитных частиц;

23. Подготовка для планирования хромом;

24. Планирование хромом;

25. Контроль размеров.

Такая технология имеет высокую стоимость, в себестоимости продукции доля затрат приходящихся на оправки доходит до 3-5%.

Длинные оправки изготавливаются из инструментальных сталей 4ХМФ1СА, 15ХЗГНМ, ЗОХЗМФ, З5ХН2Ф, обладающих высокими прочностными характеристиками, такими как поверхностная твердость, которая гарантирует жесткие условия, обеспечивающие способность справится с высокими контактными нагрузками и температурами [ 1-6, 48].

В настоящее время для увеличения сортамента и для наибольшей экономичности затрат на производство применяют укороченные цилиндрические оправки.

Отличием технологии изготовления укороченных цилиндрических оправок является разделение последних на длины соответствующие стандартам, и заключительная механическая обработка оправок, для создания посадочных мест на оправочный стержень.

Оправки для упрочнения их поверхности подвергают поперечной обкатке на специальном двухвалковом стане поперечно-винтовой прокатки в несколько проходов, предварительно подогрев в печи до 750-800°С.

Сталь, легированная различными материалами, среди которых хром, ванадий, молибден и кремний используется для эффективного увеличения срока службы оправки. С одной стороны содержание углерода имеет отмеченное влияние на возникновение трещин в условиях циклических температур, но с другой стороны он увеличивает твердость стали; критическая величина содержания углерода составляет 0,3°/о. Более высокое содержание углерода коррелирует с увеличением возникновения трещин.

Оправки необходимо подвергать термообработке для получения оптимизированных механических свойств. Эти оправки имеют хромовое покрытие для уменьшения коэффициента трения и энергосиловых параметров при прокатке труб. Хромовое покрытие имеет высокую твердость HRC до 60-80.

В процессе прокатки на оправку воздействуют напряжения нормальные сжимающие, со стороны валков, продольные растягивающие, от действия сил трения при контакте с металлом, продольные растягивающие обусловленные градиентом температур поверхности и центральной части оправки. В результате на поверхности оправки появляются дефекты, накопление которых приводит к выводу оправки из строя.

Основным дефектом на поверхности оправки является сетка разгара, образующаяся вследствие неравномерного нагрева оправки за время контакта с нагретым металлом. С увеличением количества прокатанных труб указанные дефекты проявляются более интенсивно: трещины проникают вглубь металла оправки, окисляются и развиваются более активно. Появившиеся первоначально трещины расположены перпендикулярно к поверхности, затем по мере увеличения количества прокатанных труб трещины изгибаются в направлении противоположном направлению прокатки, соединяются с другими трещинами и металл выкрашивается.

Неоднородность температурного поля возникает во время введения оправки в гильзу вследствие их линейного контакта (оправка лежит на нижней образующей отверстия гильзы в течение всего времени подготовки к прокатке). Величина нагрева составляет: на поверхности до 400°С и на глубине 25 мм до 150°С.

Температурные условия работы длинных оправок существенно влияют на их стойкость и качество прокатываемых труб. Как правило, абразивный износ поверхности оправок неравномерный по длине, что приводит к снижению точности труб. Образование же сетки разгара и трещин ухудшает условия трения на оправке и снижает качество поверхности труб.

Время контакта оправки с нагретым металлом трубы мало по сравнению с тепловой инерцией оправки. За это время тепловому воздействию подвергается только тонкий поверхностный слой оправки, поэтому ее можно рассматривать как полубесконечное тело, нагреваемое с поверхности, при условии, что тепловой поток через единицу поверхности граничной плоскости величина постоянная.

Разогрев оправки при прокатке на ней трубы обусловлен контактной передачей тепла от нагретой трубы (теплопроводностью) и работой сил контактного трения (конвекцией и излучением можно пренебречь).

При небольших значениях скорости скольжения разогрев оправок от работы контактных сил трения невелик, однако уже при скорости скольжения более 2-3 м/с он соизмерим с разогревом от тепла, переданного теплопроводностью. Дальнейшее увеличение приводит к тому, что разогрев оправки в большей мере зависит от работы контактных сил трения, чем от передачи тепла теплопроводностью. С ростом хода оправки при прокатке повышение температуры ее поверхности, обусловленное работой сил трения, вначале резко уменьшается, а при коде свыше 200-300 мм изменяется незначительно. Аналогичный характер носит изменение суммарной температуры поверхности оправки.

Таким образом, смазки, обеспечивающие относительно высокий коэффициент трения, но обладающими хорошими теплоизоляционными свойствами, можно применять при малых скоростях скольжения трубы по оправке. При высоких скоростях скольжения смазка должна иметь прежде всего хорошие антифрикционные, а так же теплоизоляционные свойства.

После извлечения оправок из труб температура их поверхности составляет 380-410 °С, а после охлаждения в ванне с водой 150-200°С. Такой режим работы оправок определяет их стойкость главным образом в соответствии с их локальным износом [34].