На сегодняшний день гарантией получения качественной трубной продукции не является даже внедрение нового дорогостоящего оборудования — его технические возможности необходимо адаптировать к существующим на предприятиях производственным процессам.

В этой статье приведены результаты исследований влияния параметров исходной заготовки и конструкции валкового инструмента на качество трубной продукции, полученной в трубоэлектросварочном цехе № 2 АО «Выксунский металлургический завод» на трех новых трубоэлектросварочных агрегатах 12,7−60, 21−89, 40−133 производства Olimpia 80.

Компоновка всех трех формовочных станов одинакова. Она состоит из группы клетей с открытым профилем калибра, включающей восемь чередующихся клетей с горизонтальным и вертикальным расположением валков; группы клетей с закрытым профилем калибра и чередованием клетей, аналогичным предыдущей группе; а также шовонаправляющей и сварочной клетей (рис. 1).

P01-L04 - группа клетей с открытым профилем калибра; L05-P08 - группа клетей с закрытым профилем калибра; SG - шовонаправляющая клеть; SQ - сварочная клеть Рис. 1. Компоновка формовочно-сварочного стана P01-L04 — группа клетей с открытым профилем калибра; L05-P08 — группа клетей с закрытым профилем калибра; SG — шовонаправляющая клеть; SQ — сварочная клеть
Рис. 1. Компоновка формовочно-сварочного стана

В процессе производства на ряде типоразмеров были выявлены проблемы с качеством получаемых труб: обнаружились трещины сварного соединения, непровар, отклонение от формы профильных труб.

Чтобы определить причины возникновения брака, были проведены исследования технологического процесса валковой формовки трубной заготовки. При этом использовалась методика конечно-элементного моделирования, разработанная на базе COPRA RF — программного комплекса от компании data M. Программа позволяет производить необходимые инженерные исследования процесса формоизменения трубной заготовки и анализировать каждый этап сворачивания плоской заготовки (штрипса) в цилиндр. Посредством анализа виртуального очага деформации полосы в валках можно, не прибегая к физическим экспериментам на реальном оборудовании, предсказать поведение трубной заготовки в формовочном стане и возникновение дефектов. Это является неоспоримым преимуществом при проектировании и наладке технологического процесса.

На основе информации о компоновке формовочного стана и геометрии профиля валков был смоделирован процесс формовки труб исследуемого сортамента. Расчеты показали, что причиной брака стало наличие непроформованных участков профиля в клетях P03 и P05 (рис. 2). В результате увеличивается высота заготовки после группы клетей с открытым профилем калибра, что в свою очередь влечет излишнюю деформацию прикромочной области о разрезную шайбу клети P05 и, как следствие, уменьшение осадки в сварочной клети SQ и диаметра сваренной трубы на выходе из нее.

Рис. 2. Форма непроформованных участков Рис. 2. Форма непроформованных участков

Помимо того что клеть P05 не до конца исправляет прямые участки, поскольку они приходятся на труднодеформируемую область разъема валков, такая форма заготовки приводит к неравномерному износу валков (рис. 3).

Рис. 3. Геометрия профиля трубной заготовки на входе в первую клеть с закрытым профилем калибра Рис. 3. Геометрия профиля трубной заготовки на входе в первую клеть с закрытым профилем калибра

Из-за ошибок в исходной калибровке (ошибочна схема изменения периметров калибров клетей P05-SG) в последующих клетях стана вплоть до сварочной клети сохраняются прямые участки профиля.

Кроме того, ввиду неполного контакта трубной заготовки с калибрами клетей P06−08, происходит уменьшение тянущих сил и, соответственно, возможной скорости формовочной линии.

Рис. 4. Неполный контакт трубной заготовки с формовочными валками стана вследствие ее чрезмерного обжатия по периметру в клети P05 Рис. 4. Неполный контакт трубной заготовки с формовочными валками стана вследствие ее чрезмерного обжатия по периметру в клети P05

При настройке калибра сварочной клети под окружность (рис. 4) между кромками сохраняется зазор по причине малого периметра заготовки, что вынуждает на производстве смещать сварочные валки, сближая кромки и пытаясь обеспечить требуемую величину осадки. В результате профиль трубной заготовки на выходе из клети SQ имеет форму вертикального овала и условный диаметр, меньший требуемого схемой калибровки в последующих клетях. По этой причине приходится сводить как горизонтальные, так и вертикальные валки калибровочного стана, что приводит к чрезмерной знакопеременной деформации сварного соединения (при получившейся схеме «вертикальный овал» — «горизонтальный овал») и, как следствие, к возможным трещинам.

Обобщая все сказанное, стоит отметить, что по причине ошибок в исходных калибровках происходит уменьшение периметра трубной заготовки в валках формовочных клетей, что приводит к уменьшению диаметра заготовки на выходе из сварочной клети. В итоге сварка происходит с малой величиной осадки, уменьшается скорость технологической линии, появляется неравномерный износ валков, не выполняются требования к геометрии готовых труб, возникают трещины в сварном соединении и непровар.

Был отмечен и еще один факт: при подаче в валки штрипса с толщиной, меньшей той, под которую они спрофилированы, образуются зазоры в области реборд верхних валков, что также приводит к недоформовке участков трубной заготовки, соответствующих этим зазорам (рис. 5).

Рис. 5. Формирование зазора в калибре клети P03 при переходе на другую толщину Рис. 5. Формирование зазора в калибре клети P03 при переходе на другую толщину

Чтобы предотвратить появление прямых участков, были предложены два равнозначных варианта корректировки профиля валков (рис. 6) на основе данных о положении профиля трубной заготовки в каждом калибре формовочного стана. Выбор был сделан в пользу первого варианта (рис. 7) — как менее дорогостоящего благодаря использованию верхнего валка от вышестоящего типоразмера.

Рис. 6. Варианты корректировки калибра клети P03 Рис. 6. Варианты корректировки калибра клети P03 Рис. 7. Геометрия профиля верхнего валка клети P03 согласно варианту 1 Рис. 7. Геометрия профиля верхнего валка клети P03 согласно варианту 1

Изменение геометрии профиля валкового инструмента позволило увеличить пятно контакта трубной заготовки с валками клети P03 и, соответственно, снизить их износ за счет снижения величины контактных нормальных сил (рис. 8).

Рис. 8. Распределение контактных нормальных сил по поверхности калибра

Аналогичный эффект от проформовки проблемных участков профиля заготовки наблюдается и в клети P05: уменьшается износ разрезной шайбы и дна валков (рис. 9). Исключается чрезмерное обжатие прикромочной области и, следовательно, увеличивается осадка.

Рис. 9. Распределение контактных нормальных сил по поверхности калибра

Предложенная калибровка позволяет увеличить осадку в сварочной клети на 0,3−0,5 мм (предотвращая обжатие прикромочной области в клетях закрытой группы) и тем самым повысить качество сварного соединения без дополнительных затрат.

Однако основная причина проблем с качеством сварного соединения заключалась в выборе ширины исходной заготовки (согласно рекомендациям Olimpia 80). Результаты исследований процесса формообразования ряда типоразмеров труб позволили получить новую формулу расчета исходной ширины штрипса под скорректированный профиль валкового инструмента. Правильный выбор ширины штрипса исключает потери металла на излишнее обжатие трубной заготовки в формовочных клетях (одновременно с увеличением периметров калибров клетей P05−08). С учетом формоизменения, характерного для станов Olimpia, формула приняла такой окончательный вид:

В=π∙(DH+∆DK)+k∙t+ε∙PK05-m∙t-t∙tanφ,
где π∙(DH+∆DK) - наружный периметр трубной заготовки на выходе из клети SQ, мм;
k∙t - величина осадки трубной заготовки в валках клети SQ, мм;
ε∙PK05 - величина обжатия по наружному периметру заготовки в группе клетей с закрытым профилем P05-P08, мм;
m∙t - изменение наружного периметра за счет гиба в группе клетей с открытым профилем калибра P01-P04, мм;
t∙tanφ - изменение наружного периметра за счет гиба в группе клетей с закрытым профилем калибра P05-P08, мм.

Коротко подытожим. Расширяя сортамент, устанавливая новое оборудование, стремясь улучшить расходный коэффициент и производительность формовочных линий, металлургические предприятия часто сталкиваются с невозможностью обеспечить стабильность технологического процесса формовки и сварки труб. Исследования показали, что чаще всего это связано с калибровкой валков формовочного стана, которая требует соответствующей корректировки. Кроме того, причиной возникновения проблем может стать ошибочный выбор оптимальной ширины штрипса, рассчитанной по одной и той же принятой формуле, которую, как показано в этой статье, необходимо скорректировать под конкретный характер формоизменения.

Дмитрий Новокшонов
АО «Выксунский металлургический завод» (г. Выкса),
Ольга Соколова
МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва),
Антон Лепестов
ЗАО «СиСофт» (г. Москва)