2. Калибровочные станы

На заключительной стадии горячей прокатки и прессовании труб используются безоправочные станы продольной прокатки: калибровочные, редукционно-калибровочные и

редукционно-растяжные.

Калибровочные станы предназначены для получения готовых труб точного размера. Калибровку труб производят на станах винтовой прокатки – трехвалковых и безоправочных станах продольной прокатки ( рис.5.2 ), получивших наибольшее распространение при отделке бесшовных и сварных труб. В состав калибровочных станов продольной прокатки входят от 3 до 12 двухвалковых клетей , которые устанавливают под углом 45⁰ к горизонту и под углом 90⁰ одну к другой. Этим обеспечивается обжатие заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Рисунок 5.2 Калибровочный стан с индивидуальным приводом каждой клети: 1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – универсальные шарнирные шпинделя; 4 – рабочие валки; 5 – рабочие клети; 6 – постамент, на который устанавливают клети; 7 – штурвал для управления нажимными устройствами

В составе главной линии каждой клети калибровочного стана рабочая клеть закрытого типа с одноручьевыми валками и привод, выполненный в виде кинематически связанных электродвигателя, комбинированного редуктора и универсальных шпиндельных соединений.

В современных конструкциях калибровочных станов каждая клеть имеет индивидуальный привод валков. Это делает стан более маневренным и улучшает условия его ремонта. В таблице 5.1 приведена характеристика двухвалковых калибровочных станов ТПА 140 с автоматическим станом тандем и 30 – 102 с непрерывным станом.

Таблица 5.1 Характеристика двухвалковых калибровочных станов.

Параметр	ТПА 140	ТПА 30 - 102
Диаметр изготовляемых труб, мм	73 - 146	68 - 102
Толщина стенки, мм	4,5 - 18	До 8
Количество клетей, шт	9	11
Диаметр валков / идеальный / , мм	450	350
Межклетевое расстояние, мм	750	300 - 340
Скорость выхода трубы из стана, м / с	1,2	3,0
Тип привода	Индивидуальный	Дифференциально-групповой
Установочная мощность главного привода, кВт	9 х 100	420 х 200

2. Редукционные станы и расчет основных технологических параметров

Редукционно-калибровочные станы предназначены для уменьшения наружного диаметра труб / до 40…45%, но при этом происходит увеличение толщины стенки / и их калибрования, что позволяет расширить сортамент агрегата в сторону получения труб меньших размеров и большей длины. Станы данного типа имеют обычно 12…20 клетей, работающих без натяжения или с небольшим натяжением.

Редукционно-растяжные станы предназначены для расширения сортаментных возможностей агрегатов в сторону получения тонкостенных труб небольших размеров / степень редуцирования может достигать 75…80% /. Эти станы работают с натяжением, при этом толщина стенки утоняется или остается неизменной, но точность труб по толщине стенки несколько снижается и происходит образование утолщенных концов труб, которые в дальнейшем должны быть отрезаны. Чем больше степень редуцирования и чем больше величина натяжения, тем больше длина утолщенных концов труб, поэтому считается экономически оправданным применение этих станов, когда исходная длина трубы не менеее 15…20м.

Конструкции станов. Станы продольной прокатки по конструкции классифицируют:

1 – по числу валков в рабочей клети – станы двух-; трех- и четырехвалковые ( рис.5.3 );

2 – по расположению опор валков – станы с консольным креплением валков и станы с двухопорным креплением валков; 3 – по системе привода – станы с групповым и индивидуальым приводом, станы с дифференциально-групповым приводом и с дифференциально-групповым приводом и индивидуальной регулировкой скорости валков каждой клети посредством гидравлической передачи.

Рисунок 5.3 Схемы двух- ( а ), трех- ( б ) и четырехвалковой ( в ) клетей редукционного стана.

Двухвалковые клети ( рис.5.4 ) редукционно-калибровочного и редукционно-растяж- ного станов имеют двухопорное крепление валков, что позволяет применять их при редуцировании толстостенных труб большого диаметра, когда радиальные усилия наиболее значительны. Двухвалковая клеть редукционного стана состоит из разъемного круглого корпуса 1, в расточках которого на конических двухрядных подшипниках качения 2 смонтированы два вала 3. На валках на конусной посадке со шпонкой устанавливаются рабочие валки 4, которые образуют калибр с регулируемым относительно оси прокатки раствором. На корпусе клети установлены питатели для подвода густой смазки в лабиринтовые уплотнения со стороны валков и в подшипниковые опоры, а также коллектор для подвода охлаждающей воды к валкам. Валки клети растачиваются в сборе с клетью; оба вала клети приводные. Двухвалковые калибры повернуты друг относительно друга на 60^о , а оси валков наклонены под углом 45^о к оси прокатки. Клети данной конструкции с индивидуальным приводом валков располагают в станах двух типов: с наклонно-расположенными двигателями и редукторами; в станах другой конструкции двигатели расположены горизонтально, а редукторы с коническими передачами – наклонно.

Рисунок 5.4 Двухвалковая рабочая клеть редукционного стана конструкции НПО " ВНИИметмаш" и АО "ЭЗТМ"

Редукционные станы с трехвалковыми клетями ( рис.5.5) получили наибольшее распространение в отечественной и зарубежной практике, поскольку они обеспечивают получение труб более высокой точности по толщине стенки, имеют несколько меньшее расстояние между клетями и проще в обслуживании. Рабочие клети с тремя вводами обладают большей несущей способностью, более долговечны и их целесообразно применять для более тяжелых режимов редуцирования.

Валки рабочих клетей изготовляют из обычного отбеленного чугуна или из легированного чугуна с отбеленным слоем в зоне расположения калибра; марка чугуна – СПХН-65; твердость отбеленного слоя составляет 52 НRC.

В нашей стране основными разработчиками и изготовителями редукционных станов являются АО "ВНИИМЕТМАШ" и АО "ЭЗТМ"; за рубежом – фирмы "Kocks " "Manesmann Meer" / Германия /; " Innocenti " / Италия /. В таблице 5.2 приведена характеристика отечественных и зарубежных редукционных станов.

Таблица 5.2 Характеристика отечественных и зарубежных редукционных станов

Рисунок 5.5 Трехвалковая рабочая клеть редукционного стана: 1 – корпус клети; 2 – рабочие валки; 3 – ведущий вал; 4 – ведомые валы; 5 – подшипниковый узел.

Размер трубы,мм Dо Sо		Количество клетей	Тип привода	Мощность привода, кВт	Скорость выхода трубы,м/с	Страна и фирма - изготовитель
30-73 33-83 30 –140 35-140 27-133 17-116 42-189 17-114	2 – 6 3 – 18 – – – 2 – 4 – 2 - 6	24 20 22 23 24 26 24 20	Д-Гр И Д-Гд Д-Гд И Д-Гр Д-Гд Д-Гд	2900 5000 1400 800 3600 800 2000 800	7,2 6,0 – – 9,5 5,0 3,4 7,0	Россия, АО "ЭЗТМ"  Германия, "Manesmann Meer " Германия, "Demag " Германия,"Kocks" Италия,"Innocenti" 

Примечание: И – индивидуальный; Д-Гр – дифференциально-групповой; Д-Гд – дифференциально – гидравлический.

Расчет основных технических параметров редукционных станов. Калибровка валков и скоростной режим прокатки в редукционных станах в значительной мере определяют качество труб, стойкость технологического инструмента, распределение нагрузок в рабочих клетях и приводе, а, следовательно, и технико-экономические показатели работы оборудования.

Исходными данными для расчета калибровки валков и скоростного режима редуцирования являются исходные и конечные размеры труб, марка стали, коэффициент трения, температура редуцирования, диаметр бочки рабочих валков:

Задано	Требуется определить
I Размеры готовой трубы Количество клетей стана Средний коэффициент вытяжки	I Размеры трубы-заготовки Относительное обжатие по диаметру трубы во всех клетях (кроме первой и последней) Форму и размеры калибров по клетям Размеры валков
II Размеры трубы-заготовки Размеры готовой трубы Суммарный и средний коэффициенты вытяжки	II Количество работающих клетей Относительное обжатие по диаметру во всех клетях (кроме первой и последней) Форму и размеры калибров по клетям Размеры валков

Форма калибров валков редукционного стана зависит от заданных исходных данных. При редуцировании труб круглого сечения более рациональным является калибр овальной формы как для двухвалковых, так и для трехвалковых клетей (рис.5.6), поскольку трубы, прокатанные в таких калибрах, имеют наименьшую разностенность.

Рисунок 5.6 Форма калибров в двух ( а ) и трехвалковом ( б ) редукционном стане.

Чистовые калибры двух последних клетей выполняют круглыми с радиусом, равным половине диаметра трубы.

Диаметр бочки валка D_б = D_ред.max  (200300) мм;

Длина бочки валка L_б = D_ред.max  (80…120) мм.

Величина абсолютного обжатия по диаметру D_ред. в одной клети / при постоянном обжатии по всем клетям, кроме первой и двух последних /определяется по графику рис.5.7

Среднее относительное обжатие по диаметру в одной клети при редуциоровании без натяжения: при редуцировании с натяжением в средних клетях:

Рисунок 5.7 Распределение обжатий по клетям редукционного стана.

Средние относительные и критические частные обжатия ( рис.5.8) при редуцировании труб из легированных, высоколегированных и особенно нержавеющих сталей определяют по графикам, полученным Г.И. Гуляевым. После выбора среднего относительного обжатия производится проверка трубы на устойчивость ее при редуцировании по специальной методике.

Число клетей n, необходимых для редуцирования трубы заданного размера:

( 5.1 )

Рисунок 5.8 Зависимость критического частного обжатия в клети от соотношения D₀ / S₀ при свободной прокатке в редукционном стане.

При известном количестве клетей величина среднего относительного обжатия трубы по диаметру _ср по клетям стана определяется по формуле

( 5.2 )

Средний диаметр трубы по калибрам всех клетей D_i

Толщина стенки трубы в любой клети стана при работе без натяжения:

Исходную толщину стенки трубы рассчитывают по формуле А.З. Глейберга, исходя из известной толщины стенки готовой трубы:

менее 15 мм - S₀ = S_ред.[10,0044(D₀D_ред.)];

более 15 мм - S₀ = S_ред - (D₀D_ред.)/2,

где – суммарное утолщение стенки в клетях от 1-ой до i-той.

Исходную толщину стенки трубы при редуцировании с натяжением рассчитывают с учетом распределения коэффициента натяжения по клетям стана ( рис.5.9).

Площадь поперечного сечения трубы F_i = (D_i  S_i)S_i.

Рисунок 5.9 Раcпределение коэффициента пластического натяжения по клетям редукционного стана.

Коэффициент вытяжки в любой клети стана _i

Значения коэффициентов вытяжки в одной клети обычно равны  = 1,03…1,08.

Овальность калибра (по Г.И. Гуляеву и В.А. Юргеленасу)

(5.3)

где _i – овальность калибра; b_i – половина ширины калибра; h_i – высота ручья или половина высоты калибра; _i – частная деформация; q – степенной показатель, учитывающий работу стана с уширением или утяжкой, равный для рабочих клетей:

2-валковой 1,5/3,5^

3-валковой 1,23/2,40

^ В числителе – для углеродистых и легированных сталей, в знаменателе – для нержавеющих.

Ширина калибра b_i = D_i/E, ( D_i – средний диаметр калибра; Е – коэффициент, зависящий от овальности калибра: при  = 1,01…1,05 Е = 1,98…1,93; при  = 1,06…1,10 Е = 1,93…1,88; при  = 1,11…1,15 Е = 1,86…1,83 и при  = 1,16…1,20 Е = 1,82…1,78 )

Половина высоты калибра h_i = b_i/_i.

Эксцентриситет калибра e_i,: .

Радиус двухвалкового калибра

Радиус места сопряжения ручьев с ребордами:

r = (0,05…0,1)D_i = 2…10 мм.

Зазор между валками  = 1…3 мм.

Ширина калибра многовалкового стана b_ai определяется, исходя из ширины двухвалкового калибра

где  - угол, характеризующий число валков, образующих калибр, равен 90-180/а;

а – число валков в клети.

В таблице 5.3 приведены результаты расчета калибровки валков при редуцировании труб из углеродистой марки стали по маршруту 173,6 х 7,5  63,5 х 6,5 мм.

После расчета калибровки валков определяют скоростной режим редукционного стана, т.е. размеры катающих диаметров валков и числа оборотов валков по клетям. Скоростной режим прокатки в редукционном стане влияет на точность геометрических размеров труб так же, как и калибровка валков. С использованием различных теоретических решений создан ряд методик расчета скоростных режимов редукционных станов, включая и применение ЭВМ (В.П. Анисифоров, В.Е. Ериклинцев, В.Н. Данченко и др.).

Таблица 5.3. Параметры калибровки валков и скоростной режим редуцирования прессованых труб из углеродистой стали по маршруту D_T x S_T = 173,6 х 7,5  63 х 6,5 мм

Номер клети	Средний диаметр калибра,мм	Частная деформация,%	Высота калибра,мм	Ширина калибра,мм	Частота вращения валков,мин-1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20	169,24 160,05 151,36 143,15 135,38 128,03 121,08 114,5 108,29 102,41 96,85 91,59 86,52 81,83 77,33 73,03 68,98 66,10 64,79 64,14	2,5 5,4 5,4 5,4 5,4 5.4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,4 5,5 5,5 5,5 5,5 4,2 2,0 1,0	83,16 77,16 73,04 69,15 65,45 61,95 58,55 55,41 52,45 49,64 46,97 44,44 42,05 39,72 37,53 35,48 33,52 32,41 32,07 32,07	86,08 82,89 78,32 74,0 69,93 66,08 62,53 59,09 55,84 52,77 49,83 47,15 44,57 42,11 39,77 37,55 35,46 33,77 32,72 32,07	37,7 40,0 42,5 45,3 48,4 51,5 67,8 71,9 76,1 80,2 84,7 89,5 94,7 100,4 106,3 112,3 118,0 121,8 123,4 124,0

При редуцировании труб без натяжения расчет катающих диаметров и числа оборотов валков аналогичен расчету этих величин для непрерывных станов при прокатке труб на длинной оправке. При прокатке с натяжением величина катающего диаметра в каждой клети определяется с учетом коэффициента пластического натяжения. Величина катающего диаметра определяется по формуле, представленной в общем виде:

D_кi = D_ид  2R_icos'_к. (5.4 )

Значение угла '_к, характеризующего положение точки дуги калибра, имеющей окружную скорость, равную скорости движения трубы, определяем как сумму

:'_к = '_к0  '_к.н,

где _к0 – центральный угол, соответствующий точке дуги калибра, которая относится к катающему диаметру при прокатке без натяжения; _к.н. – приращение угла _к0, вызываемое действием натяжения.

Величину угла '_к0 В.П. Анисифоров рекомендует определять по формуле

(5.5)

где а- число валков, образующих калибр; l_i – длина дуги захвата по дну калибра.

( 5.6)

Приращение '_к.н. рассчитывается с учетом величины переднего и заднего натяжения по формуле

( 5.7)

где D_ср(i-1) – средний диаметр трубы, входящей в калибр, D_ср(i-1) = 0,5R_i(1  _i);

_i – коэффициент вытяжки в данной клети;

_i – коэффициент, учитывающий влияние внеконтактных зон,

z_{п i}, z_{з i} – коэффициенты переднего и заднего натяжений, определяемые по формуле:

, ( 5.8)

здесь А_i – средняя тонкостенность трубы до и после деформации .

После проверки толщины стенки трубы по принятым коэффициентам натяжения и уточнения величин катающих диаметров для каждой клети определяют коэффициент нарастания скорости валков от входной клети где _i – суммарный коэффициент вытяжки в i-той клети; _i = ₁_{2 …}_i.

Скоростью валков первой клети обычно задаются, исходя из необходимой входной скорости v_вх или допустимой скорости выхода v_n трубы: Практически входная скорость трубы равна 2…3,5 м/с, а выходная скорость для различных конструкций редукционных станов и режимов деформации составляет 8…12 м / с и более.

Тип привода редукционного стана определяет специфику выбора частоты вращения вала электродвигателя. На стане с индивидуальным приводом частота вращения двигателя N₁ устанавливается в зависимости от передаточного числа i_pi редуктора привода каждой клети N_i = n_ii_pi . Частоту вращения вала главного и вспомогательного электродвигателей в станах с дифференциально-групповым приводом можно определить по формулам:

( 5.9)

(5.10)

где i_гi; i_вi – передаточные числа соответственно от главного и вспомогательного двигателей к валкам первой клети; I_г; I_в – отношение передаточных чисел от двигателей к валкам первой клети к передаточным числам последней рабочей клети соответственно в линии главного и вспомогательного приводов:

I_г = i_г1/i_гn, I_в = i_вi/i_вn, k_n – коэффициент частоты вращения валков;

С одной стороны, частота вращения валков в каждой клети определяется как сумма частот вращения главного и вспомогательного электродвигателей n_i = n_гi  n_вi, где n_{гi =} n_г1(i_{г1 /} i_гi); n_вi = n_в1(i_в1/i_вi); с другой стороны, частота вращения валков определяется деформационными условиями прокатки, т.е. через катающие диаметры из формулы (5.4)

. (5.11)

Как видно из приведенных зависимостей, на стане с дифференциально-групповым приводом при изменении частоты вращения вала вспомогательного привода изменяются пропорционально передаточным числам частота вращения валков каждой клети, что приводит к изменению натяжения трубы между клетями. На редукционных станах с дифференциально-гидравлическим приводом регулировка частоты вращения валков каждой клети осуществляется от гидропривода, установленного для каждой клети. Расчет частоты вращения валков редукционного стана с дифференциально-гидравлическим приводом аналогичен приведенному выше расчету валков редукционного стана с дифференциально-групповым приводом, за исключением составляющей частоты вращения валков от вспомогательного привода n_вi, которая для этого случая n_вi =  n_гдi/i_дi, где n_гдi – частота вращения входного вала гидропривода; i_дi – передаточное число дифференциального редуктора.

Результаты расчета скоростного режима редуцирования труб размерами D_T x S_T = 173,6 х 7,5  63,5 х 6,5 мм представлены в таблице 5.3