[1]Изобретения относятся к обработке металлов давлением и могут быть использованы при производстве горячекатаных бесшовных труб с одновременной обработкой внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности инструмента смазочно-дезоксидирующим продуктом.
[2]Известен способ прошивки в стане Маннесмана (заявка Японии №61-2446, B21B 19/04, B21B 25/04, опубл. 24.01.1986), заключающийся в том, что в прошивном стане Маннесмана при прошивке трубной заготовки по трубке через штангу оправки подают неактивный газ, поступающий из отверстий в носовой части оправки или из отверстия в передней части штанги оправки.
[3]Однако как при подаче неактивного газа из отверстий в носовой части оправки, так и через отверстие в передней части штанги не обеспечивается достаточного разделения контактных поверхностей в очаге деформации, что приводит к прямому контакту рабочей поверхности оправки и деформируемого металла. Деформируемый металл налипает на оправку, что снижает стойкость оправок и качество внутренней поверхности гильз. Вследствие нестабильной подачи неактивного газа, вызванной периодическим перекрытием отверстий в носовой части оправки при прошивке, защита деформируемой поверхности от воздействия кислорода воздуха недостаточна, что приводит к образованию высокотемпературной окалины в очаге деформации. Образовавшаяся окалина налипает на рабочую поверхность оправки, снижая стойкость оправок прошивного стана и качество внутренней поверхности гильз. Кроме того, при выходе гильзы из прошивного стана подачу неактивного газа прекращают, при этом интенсивность образования окалины на внутренней поверхности гильзы резко возрастает. Это приводит к снижению стойкости оправок при последующей раскатке гильз и снижению качества внутренней поверхности готовых труб.
[4]Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ производства трубной заготовки (заявка Германии №102011012761, B21B 17/02, B21B 25/04, опубл. 24.05.2012), включающий прокатку нагретой цельной заготовки, прошивку нагретой цельной заготовки в гильзу с помощью внутреннего инструмента с оправкой и дезоксидацию внутренней поверхности гильзы в процессе прокатки и/или прошивки. При этом дезоксидирующее вещество подают неактивной газовой средой в зазор между гильзой и внутренним инструментом через выводные каналы, расположенные радиально внутренней поверхности гильзы. В качестве дезоксидирующего вещества используют борнокислый натрий, или смесь борнокислого натрия с фосфатом или смесью фосфатов.
[5]Недостатком данного способа является то, что при радиальной подаче после выхода через зазор, образованный наружной поверхностью стержня и внутренней поверхностью гильзы, основная часть смеси дезоксидирующего вещества с неактивной газовой средой устремляется по пути наименьшего сопротивления в противоположную сторону от очага деформации через вскрытую полость переднего конца заготовки. При этом происходит недостаточное разделение контактных поверхностей в очаге деформации. Деформируемый металл и образовавшаяся в очаге деформации окалина налипают на оправку, что снижает качество внутренней поверхности гильзы и стойкость оправок прошивного стана.
[6]Известно устройство для винтовой прошивки нагретой заготовки, реализующее способ прошивки в стане Маннесмана (заявка Японии №61-2446, B21B 19/04, B21B 25/04, опубл. 24.01.1986), содержащее валки, оправку, установленную на штанге через переходник, узел для подачи охладителя, трубку для подачи неактивного газа в очаг деформации через отверстия, выполненные в носовой части оправки, или по изогнутой трубке из отверстия, расположенного в передней части штанги оправки.
[7]Недостатком устройства является то, что отверстия в носовой части оправки быстро забиваются окалиной и деформируемым металлом. В результате объем подачи неактивного газа в прошиваемую полость снижается, а затем полностью прекращается, что приводит к значительному увеличению образования высокотемпературной окалины в очаге деформации и интенсивному налипанию окалины на рабочую поверхность оправки. При подаче неактивного газа по изогнутой трубке, расположенной радиально внутренней поверхности гильзы, не обеспечивается разделения контактных поверхностей в очаге деформации, что приводит к налипанию деформируемого металла на рабочую поверхность оправки. Это уменьшает стойкость оправок прошивного стана и качество внутренней поверхности гильз, и в конечном итоге - готовых труб.
[8]Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для получения гильзы из нагретой цельной заготовки с помощью внутреннего инструмента (заявка Германии №102011012761, B21B 17/02, B21B 25/04, опубл. 24.05.2012). Устройство для получения гильзы из нагретой цельной заготовки содержит внутренний инструмент, включающий оправку, установленную на штанге, устройство для охлаждения внутреннего инструмента, устройство для подачи дезоксидирующего вещества неактивной газовой средой в гильзу, расположенное отдельно от устройства для охлаждения внутреннего инструмента, переходник, соединяющий штангу с оправкой и выполненный с выводными каналами, расположенными радиально к внутренней поверхности гильзы.
[9]К недостаткам устройства относится то, что при выходе смеси дезоксидирующего вещества с неактивным газом через радиально расположенные каналы в зазор между внутренней поверхностью гильзы и штангой основная часть смеси устремляется по пути наименьшего сопротивления через вскрытую полость переднего конца заготовки в сторону, противоположную очагу деформации. При этом происходит недостаточная дезоксидация рабочей поверхности оправки и внутренней поверхности заготовки в очаге деформации. Деформируемый металл и образовавшаяся в очаге деформации окалина налипают на рабочую поверхность оправки, что приводит к снижению стойкости оправок прошивного стана и качества внутренней поверхности гильз.
[10]Техническая задача, решаемая изобретениями, заключается в повышении качества внутренней поверхности гильз и стойкости оправок прошивного стана.
[11]Поставленная задача решается за счет того, что в способе винтовой прошивки нагретой заготовки, включающем ее деформацию рабочими валками на вращающейся оправке, установленной на штанге посредством переходника, с подачей через переходник смазочно-дезоксидирующего продукта на основе фосфатных компонентов потоком неактивного газа и охлаждение прокатного инструмента, согласно изобретению, используют смазочно-дезоксидирующий продукт в виде порошковой смеси с размером гранул от 1,0 до 100 мкм, который подают после заполнения очага деформации в процессе деформации под углом 2÷35° к продольной оси заготовки в направлении, противоположном направлению прошивки, и продолжают подачу неактивного газа после освобождения очага деформации от заготовки. Кроме того, смазочно-дезоксидирующий продукт подают в направлении, встречном направлению вращения заготовки.
[12]Поставленная задача решается также за счет того, что в устройстве для винтовой прошивки нагретой заготовки, содержащем рабочие валки, оправку, установленную на штанге через переходник, выполненный с выводными каналами, узел для подачи смазочно-дезоксидирующего продукта на основе фосфатных компонентов потоком неактивного газа, соединенный герметично с переходником, и узел для охлаждения, согласно изобретению, узел для подачи смазочно-дезоксидирующего продукта выполнен с возможностью подачи смазочно-дезоксидирующего продукта в виде порошковой смеси с размером гранул от 1,0 до 100 мкм, при этом переходник выполнен с выводными каналами, расположенными в продольном сечении под углом 2÷35° к продольной оси оправки, с устьями каналов, ориентированными в направлении оправки, и снабжен по меньшей мере одним средством предотвращения попадания в выводные каналы охлаждающей среды. Кроме того, в поперечном сечении выводные каналы устьями ориентированы в направлении, противоположном направлению вращения оправки, и выводные каналы выполнены сопловыми.
[13]Сущность изобретения заключается в том, что в процессе винтовой прошивки после заполнения очага деформации подают смазочно-дезоксидирующий продукт (далее - СДП) на основе фосфатных компонентов в виде порошковой смеси потоком неактивного газа под углом 2÷35° к продольной оси заготовки в направлении, противоположном направлению прошивки.
[14]Подача СДП на контактную поверхность «оправка - деформируемый металл» после заполнения очага деформации стабилизирует процесс прошивки, повышая, таким образом, качество внутренней поверхности заготовки и стойкость оправок. При этом исключается возможность попадания СДП на рабочие валки, что стабилизирует процесс вторичного захвата заготовки.
[15]При угле подачи СДП в диапазоне 2÷35° к продольной оси заготовки в направлении, противоположном направлению прошивки, происходит формирование сплошного и равномерного смазочно-дезоксидирующего разделительного слоя на внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки, что обеспечивает повышение качества внутренней поверхности готовых труб и увеличение стойкости оправок.
[16]После освобождения очага деформации от заготовки продолжают подачу неактивного газа, что позволяет предотвратить засорение трубопровода, подающего СДП, и выводных каналов смазочно-дезоксидирующим продуктом, стабилизирует процесс обработки внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки и способствует повышению качества внутренней поверхности гильз и стойкости оправок прошивного стана.
[17]При подаче СДП в очаг деформации под углом менее 2° и более 35° часть продукта не попадает в просветы между деформируемой заготовкой и вращающейся оправкой, в очаг деформации поступает недостаточное количество продукта, происходит нарушение сплошности разделительного слоя на контакте «оправка-деформируемый металл», что приводит к снижению качества внутренней поверхности заготовки и стойкости оправок.
[18]При подаче СДП навстречу направлению вращения заготовки происходит повышение скорости химической реакции его взаимодействия с деформируемым металлом, интенсифицируется процесс образования смазочно-дезоксидирующего разделительного слоя на внутренней поверхности заготовки, что в свою очередь повышает качество заготовки и стойкость оправок. Одновременно подаваемый неактивный газ препятствует проникновению кислорода воздуха в очаг деформации и на сформированную в процессе деформации внутреннюю полость заготовки. В качестве подаваемого неактивного газа может быть использован, например, азот.
[19]Предпочтительный размер гранул компонентов смеси СДП составляет от 1,0 до 100 мкм, что значительно снижает время расплавления смеси и, таким образом, повышает скорость химических реакций расплава с деформируемым металлом заготовки и поверхностью оправки и образование смазочно-дезоксидирующих разделительных слоев, препятствующих налипанию окалины на рабочую поверхность оправки. За счет этого также происходит увеличение стойкости оправок и качества внутренней поверхности гильз.
[20]Использование СДП с размером гранул компонентов смеси менее 1,0 мкм нецелесообразно, так как это не приводит к дальнейшему повышению качества внутренней поверхности гильз и стойкости оправок прошивного стана. Кроме того, происходит повышенное распыление смеси, увеличение ее расхода и как следствие - повышение затрат на СДП. При величине гранул более 100 мкм увеличивается время расплавления СДП, что ведет к снижению стойкости оправок прошивного стана и качества внутренней поверхности гильз.
[21]Изобретения иллюстрируются рисунками, где на фиг. 1 показано устройство в очаге деформации при реализации способа, на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1 и на фиг. 3 показан вид Б на фиг. 1.
[22]Устройство для винтовой прошивки нагретой заготовки 1 содержит охлаждаемые рабочие валки 2, оправку 3, установленную на штанге 4 через переходник 5, выполненный с выводными каналами 6 и по меньшей мере с одним средством предотвращения попадания в выводные каналы охлаждающей среды, например с выточкой 7, узел 8 для подачи СДП и узел для охлаждения 9. Узел 8 соединен герметично с переходником 5, выводные каналы 6 переходника 5 расположены под острым углом а к продольной оси оправки 3 и устьями ориентированы в направлении оправки, в поперечном сечении выводные каналы устьями ориентированы в направлении, противоположном направлению вращения ωо оправки 3.
[23]Расположение выводных каналов 6 переходника 5 в продольном сечении под углом α=2÷35° к продольной оси оправки 3 обеспечивает максимальное попадание СДП в очаг деформации прошивного стана через просветы 10 между деформируемым металлом заготовки 1 и рабочей поверхностью оправки 3. При этом достигаются лучшие показатели по стойкости оправок прошивного стана и качества внутренней поверхности готовых труб.
[24]При расположении выводных каналов под углом а менее 2° и более 35° часть СДП не попадает в просветы 10 и в очаг деформации поступает недостаточное количество СДП. Происходит нарушение сплошности разделительного слоя на контакте «оправка - деформируемый металл», что приводит к снижению качества внутренней поверхности заготовки и стойкости оправок.
[25]Выполнение выводных каналов 6 в поперечном сечении ориентированными устьями в направлении, противоположном направлению вращения ωо оправки 3, способствует эффективному и более равномерному распределению СДП по внутренней поверхности заготовки, что повышает стойкость оправок и качество внутренней поверхности гильз.
[26]Переходник 5 выполнен, например, с выточкой 7 для предотвращения попадания в выводные каналы 6 охлаждающей среды, что препятствует проникновению в каналы вместе с охлаждающей средой частиц окалины и других включений. При этом обеспечивается стабильная подача и равномерное нанесение СДП. Выводные каналы 6 могут быть выполнены, например, в виде цилиндрических сопловых отверстий, что обеспечивает более равномерное нанесение СДП за счет ламинарного истечения потока струи смеси.
[27]Способ винтовой прошивки нагретой заготовки реализован при помощи предлагаемого устройства следующим образом.
[28]Нагретую заготовку 1 подают в очаг деформации, где происходит захват заготовки рабочими валками 2, внедрение в заготовку оправки 3, установленной на штанге 4 через переходник 5. Деформация нагретой заготовки 1 происходит воздействием охлаждаемых рабочих валов 2 и вращающейся оправки 3. С переходником 5, выполненным с выводными каналами 6, герметично соединен узел 8 для подачи СДП. Устройство снабжено узлом охлаждения 9 для охлаждения штанги.
[29]После заполнения очага деформации, когда контактная поверхность металла заготовки 1 с оправкой 3 достигает значительной величины, из узла 8 подают СДП через выводные каналы 6 переходника 5. При этом выводные каналы 6 в продольном сечении расположены под острым углом α=2÷35° к продольной оси оправки 3 и ориентированы в направлении оправки. В поперечном сечении выводные каналы устьями могут быть ориентированы в направлении, противоположном направлению вращения ωо оправки. Используют СДП в виде порошковой смеси на основе фосфатных компонентов с размером гранул от 1,0 до 100 мкм. Смесь подают под углом 2÷35° к продольной оси заготовки с помощью потока неактивного газа, при этом СДП воздействует на деформируемый металл в очаге деформации и нагретую рабочую поверхность оправки. В результате химических реакций на поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки образуются разделительные слои 11 и 12, препятствующие налипанию окалины на рабочую поверхность оправки 3 и снижающие силу трения на контактной поверхности «оправка - деформируемый металл», что повышает стойкость оправок прошивного стана и качество внутренней поверхности гильз.
[30]Одновременно неактивный газ препятствует проникновению кислорода воздуха в очаг деформации и окислению металла и, таким образом, способствует завариванию микротрещин, образующихся в результате пластической деформации, что способствует повышению качества внутренней поверхности гильз. После освобождения очага деформации продолжают подачу неактивного газа, что позволяет предотвратить засорение трубопровода, подающего СДП, и выводных каналов смазочно-дезоксидирующим продуктом, стабилизирует процесс обработки внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки и способствует повышению качества внутренней поверхности гильз и стойкости оправок прошивного стана.
[31]Предлагаемые способ винтовой прошивки и устройство были опробованы на прошивном стане винтовой прокатки с валками грибовидного типа и направляющими дисками при получении гильз из стали 13ХФА размером 222×16 мм из заготовки диаметром 210 мм. Технологические параметры процесса прошивки представлены в таблице.
[32]
[33]Согласно предлагаемому способу и устройству при прошивке после заполнения очага деформации, а именно после 3 секунд, в очаг деформации подавали СДП под углом 12° к продольной оси заготовки в направлении, противоположном направлению прошивки, и предпочтительно навстречу направлению вращения заготовки. Использовали СДП из порошковой смеси, в частности на основе полифосфата натрия, с размером гранул 60÷100 мкм. Подачу СДП осуществляли неактивным газом, в частности через 6 выводных каналов переходника диаметром 10 мм, расположенных под углом 12° к продольной оси заготовки. В качестве неактивного газа использовали, например, азот. В поперечном сечении выводные каналы переходника, в частности устьями были ориентированы в направлении, противоположном направлению вращения оправки. Переходник устройства был выполнен, в частности с выточкой для предотвращения попадания в выводные каналы вместе с охлаждающей средой частиц окалины и других включений, что обеспечивало стабильную подачу и равномерное нанесение дезоксидирующего вещества. После освобождения очага деформации продолжали подачу неактивного газа для предотвращения засорения трубопровода, предназначенного для подачи СДП, и выводных каналов смазочно-дезоксидирующим продуктом и обеспечения стабильности процесса обработки СДП внутренней поверхности гильзы и рабочей поверхности оправки.
[34]Средняя стойкость оправок при прошивке по предлагаемому способу составила 1070 прошивок, что в 1,5 раза выше показателей стойкости оправок при прошивке заготовок по действующей технологии.
[35]Использование предлагаемого способа винтовой прошивки и устройства позволит снизить коэффициент трения на контактной поверхности «оправка - деформируемый металл», повысить стойкость дорогостоящих оправок прошивного стана и снизить их расход и повысить качество внутренней поверхности гильз и готовых труб.
