5.2. Методы расчета профиля обжимного участка (рабочего конуса) калибра стана хпт

При расчете калибровки обжимного участка калибра валков стана ХПТ определяют:

• размеры образующей рабочего конуса;

• площади поперечного сечения деформируемой трубы;

• толщины стенок трубы по длине рабочего конуса

К наиболее общей характеристике профиля обжимного участка процесса периодической прокатки относят закон изменения площади поперечного сечения F_x (коэффициента вытяжки μ_х или величины обжатия ε_х) деформируемой трубы (рис. 5.3).

Зарубежными и отечественными исследователями рекомендуются разные зависимости вида  = F(x), удовлетворяющие тем или иным условиям деформации трубной заготовки при прокатке на стане ХПТ и, таким образом, предлагаются разные методы расчета калибровки валков.

По мнению П.К. Тетерина вытяжка на обжимном участке μ_о должна быть распределена с учетом характера изменения пластических свойств металла, требуемого закона распределения усилий прокатки и допустимых осевых нагрузок, а также в зависимости от заданного соотношения обжатий по стенке и диаметру трубы (см. рис. 5.3). Однако автор не дает рекомендаций как учитывать степень использования ресурса пластичности _ф при расчете профиля обжимного участка калибра стана ХПТ.

Первые попытки теоретического определения профиля зоны обжатия при горячей периодической прокатке принадлежат немецким ученым Г. Гралю и Г. Лобковицу¹.

Для расчета профиля зоны обжатия Г. Граль принял положение о постоянстве уменьшения площади поперечного сечения зоны обжатия по ее длине и получил уравнение распределения профиля зоны по параболическому закону.

Г. Лобковиц заложил гиперболический закон распределения обжатия по длине рабочего конуса и получил соответствующие зависимости.

По мнению П.К. Тетерина, эти работы не имеют никакой технологической основы, не отражают действительный механизм деформации металла при периодической прокатке, поэтому представляют лишь исторический интерес.

В первых работах по расчету калибровок технологического инструмента станов ХПТ, выполненных в США, развертка ручья калибра валков представляла усеченный конус с постоянным углом наклона образующей – так называемая «коническая калибровка» (рис. 5.4). Построение профиля рабочего конуса возможно как по кривой близкой к архимедовой спирали, так и по ломаной линии, в этом случае рабочий конус состоит из нескольких конических участков с прямолинейными образующими – так называемая «многозонная калибровка» (рис. 5.5). Конусность первых трех участков в направлении прямого хода клети постепенно уменьшалась.

Анализ этих калибровок, выполненный П.И. Орро и Я.Е. Осадой², показал, что при прокатке труб по такой калибровке рабочей части ручья валков в пределах каждого конического участка обжатие и коэффициент вытяжки распределяются неравномерно. В начале первого участка обжатие и коэффициент вытяжки минимальны, а затем непрерывно возрастают и достигают максимальных величин в конце третьего и начале четвертого участков (рис. 5.6). Рост обжатий и вытяжек в пределах каждого конического участка приводило к неравномерности распределения толщины стенки прокатываемой заготовки, увеличению наклепа металла и как результат – к неравномерному распределению давления металла на валки. Пики давления металла на валки в пределах каждого участка приводили к перегрузке и поломке деталей (калибров и оправок) стана ХПТ.

Оптимален профиль части ручья по плавной кривой, обеспечивающий падение абсолютных и относительных степеней деформаций по длине обжимной части ручья, как показано на рис. 5.3.

Позднее П.Т. Емельяненко, Я.Е. Осадой, П.К. Тетеринным, Ю.Ф. Шевакиным и др. взамен конических были разработаны калибровки с плавной образующей рабочего конуса зоны деформации трубной заготовки. Внедрение этих калибровок обеспечило более благоприятное распределение обжатий, коэффициента вытяжки и нагрузки на инструмент по длине рабочего конуса, увеличению подачи и повышению производительности станов ХПТ, а также к улучшению качества труб. Это позволило создать отечественные станы ХПТ более производительными по сравнению с зарубежными и обеспечивающими получение холодной прокаткой передельных и готовых труб с более тонкой стенкой.

Среди методов расчета калибровки технологического инструмента станов ХПТ можно выделить два основных направления: К первому направлению можно отнести методы расчета профиля гребня валков, основанные на определенном изменении обжатия с учетом значительного снижения пластичности металла в процессе прокатки. Этот принцип положен в основу теоретических методов расчета калибровок, разработанных П.Т. Емельяненко (1940 г.), А.И. Целиковым и А.Н. Ирошниковым (1940 г.), Я.Е. Осадой (1951 г.), Ю.Ф. Шевакиным (1963 г.) и др. авторами, а также экспериментально-расчетных методов НИТИ-НТЗ, НТЗ (НИТИ – бывший ВНИТИ; НТЗ – ПНТЗ – Первоуральский Новотрубный завод).

Ко второму направлению относятся методы расчета профиля гребня валков, основанные на условии постоянства давления металла на валки (калибровка П.К. Тетерина). При теоретическом расчете калибровки учитываются закон изменения абсолютного обжатия по длине рабочего конуса, допустимая нагрузка на валки, основные узлы рабочей клети и привод стана.

Первые фундаментальные работы по теории пилигримовой прокатки в нашей стране были выполнены П.Т. Емельяненко³⁴. Принимая изменение относительного уменьшения площади поперечного сечения зоны обжатия (рис. 5.7) по квадратичной параболической зависимости

, (5.6)

П.Т. Емельяненко предложил определять профиль зоны обжатия при холодной периодической прокатке по формуле:

(5.7)

где a, b и c – коэффициенты.

При выводе формулы (5.7) П.Т. Емельяненко исходил из схемы деформации металла в очаге, не учитывающей условия постоянства объемов металла при периодической прокатке. По мнению П.К. Тетерина, данная схема деформации металла в зоне обжатия ошибочна, однако, определение П.Т. Емельяненко профиля зоны обжатия нашло в свое время широкое применение и сыграло положительную роль, а формула (5.6) представляет определенный теоретический интерес.

Впервые попытка отыскания профиля зоны обжатия, основанная на правильном представлении схемы деформации металла и определении степени деформации при периодической прокатке была сделана А.И. Целиковым и А.И. Ирошниковым⁵. Затем решения этого вопроса были предложены П.К. Тетериным⁶, Я.Е. Осадой⁷ и П. Грюнером⁸.

А.И. Целиков и А.И. Ирошников рекомендуют определять профиль зоны обжатия из условия постоянства частных вытяжек (μ_х = const) по длине очага деформации или по любому заданному закону μ_х = ƒ(х) по длине очага (см. рис. 5.7)

(5.8)

Я.Е. Осада предложил профиль обжимной зоны ручья выполнять по плавной кривой, удовлетворяющей заданному закону изменения (уменьшения) относительных деформаций по длине хода клети (рис. 5.8):

(5.9)

где F_x – площадь поперечного сечения трубы в сечении x очага деформации; F_o – площадь поперечного сечения в месте начала рабочего конуса; (x) = ΔF / F – относительное уменьшение площади поперечного сечения прокатываемой трубы в пределах рабочего конуса.

Я.Е.Осадой выведена формула для определения уменьшения толщины стенки трубы S_x в сечении х-х рабочего конуса при любом режиме обжатия стенки по длине ручья:

(5.10)

где S₀ = S_з + p; S_з – толщина стенки заготовки, p – величина зазора между внутренней поверхностью заготовки и цилиндрической частью оправки; R_з – радиус заготовки; m – величина подачи.

Функция (х) – многочлен, определяемый из граничных условий.

Недостаток методики Я.Е. Осады – сложность расчетных формул и вследствие этого невозможность применения их для расчетов калибровки валков станов ХПТ.

Во ВНИТИ и ПНТЗ был разработан графоаналитический метод расчета калибровки ручья калибра, в основу которого положены формулы Я.Е. Осады и условие соблюдения падающего режима относительных деформаций стенки трубы по длине рабочего конуса. На рис. 5.9 показана схема продольного разреза очага деформации, которая применяется для расчета калибровки ручья калибра по данному методу. Линия АВ на рис. 5.9 проведена параллельно образующей оправки. Радиус ручья калибра по длине обжимной зоны:

, (5.11)

где R_т и S_т – радиус и толщина стенки готовой трубы; S_x – толщина стенки трубы в сечении х-х определяется по формуле:

, (5.12)

где (х) – закон изменения относительной частной деформации, выраженной в форме: (х) = _х − 1; _х – коэффициент частной вытяжки, переменной по длине обжимной зоны; m – величина подачи; r_ц – радиус цилиндрической части оправки; tg – угол конусности оправки и ручья.

В данном методе расчета определяющим фактором является коэффициент частной вытяжки μ_х, который и определяет режим деформации заготовки в очаге при прокатке в стане ХПТ.

Площадь поперечного сечения рабочего конуса в сечении х-х определяется по формуле:

. (5.13)

При расчете калибровки инструмента по данному методу приводило к повышению конусности гребня ручья и оправки (2tg ≥ 0,07), что вызывало появление волнистости наружной и внутренней поверхности трубы.

Профиль обжимной части ручья П.К. Тетерин рекомендует определять так же, как и для горячей пилигримовой прокатки из условия постоянства давления металла на валки по следующим формулам.

При x = 0:

. (5.14)

При x = 1:

. (5.15)

Формула (5.14) рекомендуется автором при гиперболическом законе распределения степени деформации металла в очаге:

, (5.16)

где ₁ и ₀ – частные степени деформации в начале и конце зоны обжатия; N_ = ₁/₀.

Наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике получили калибровки ручья калибров станов ХПТ, разработанные Ю.Ф. Шевакиным в МИСиС; в них удачно сочетается оптимальная крутизна профиля обжимной зоны с прокаткой на оправке, имеющей малую конусность.

Ю.Ф. Шевакин рекомендует определять профиль обжимной части ручья при изменении относительного обжатия по формуле :

; (5.17)

где ; n = 0,64 – коэффициент крутизны профиля обжимной зоны; х – текущая координата; l = l₀; m – величина подачи.

Полученное на этой основе уравнение для определения толщины стенка в любом сечении обжимной зоны при редуцировании:

; (5.18)

где S_з = S_з + ∆S_ред; _ = S_x / S_т – суммарная вытяжка по стенке трубы.

Кроме учета утолщения стенки, особенностью данного метода расчета калибровки технологического инструмента станов ХПТ являются пониженная конусность ручья в предчистовой зоне (2tg = 0,015…0,03) и повышенная конусность ручья в зоне редуцирования (2tg_р ≤ 0,22) по сравнению с калибровками, рассчитанные по методике ВНИТИ-ПНТЗ. Применение таких калибровок позволило снизить давление металла на валки по сравнению с калибровками ВНИТИ-ПНТЗ и ПНТЗ (рис.5.10), а также повысить производительность станов ХПТ и улучшить геометрические характеристики прокатываемых труб.

Для расчета коэффициента вытяжки Ю.Ф. Шевакин рекомендует формулу:

, (5.19)

где х – расстояние от начала обжимного участка до рассматриваемого сечения очага деформации.

Для инженерных нужд Ю.Ф. Шевакин предлагает профиль гребня ручья рассчитывать по формуле (5.18) и по номограмме (рис. 5.11, б) в следующей последовательности: 1) суммарный коэффициент вытяжки по стенки трубы _, исходя из параметров процесса; 2) коэффициенты вытяжки _ по стенке в соответствующих контрольных сечениях (7 равных по длине контрольных участков см. рис. 5.11, а); 3) толщина стенки в контрольных сечениях – на основании значений _; 4) глубина ручья калибров – с учетом значений S_x в контрольных сечениях, конусности оправки, диаметра прокатываемой трубы и величины зазора между калибрами.

Универсальность метода расчета калибровки технологического инструмента станов ХПТ, разработанного Ю.Ф. Шевакиным, позволила применить этот метод и для расчета калибровки инструмента при теплой прокатке путем его усовершенствования: увеличения конусности профиля ручья в зоне редуцирования (2tg_р = 0,35…0,4), смещения обжатия заготовки к началу зоны обжимной зоны и уменьшения коэффициента полировки с К_п = l_к / (m) от 3…5 до 1,8…3. Это позволило успешно освоить прокатку труб из КС-сталей типа Х18Н10Т при 150…300С и коэффициентах вытяжки за проход  = 2,5…5.