Способ производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой и устройства для его осуществления

Изобретение относится к металлургическому производству, а именно к способу производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой из цилиндрических трубных заготовок на новых установках пилигримовых станов с уменьшением диаметра и толщины стенки от одного конца к другому. Способ включает нагрев заготовок-труб до температуры пластичности и прокатку их на установках пилигримовых станов на длинной конусной оправке в валках, калибр которых выполняют по винтовой линии к оси валков, а оси валков располагают параллельно в вертикальной плоскости, полукалибр на верхнем валке выполняют с левосторонним, а на нижнем с правосторонним направлением винтовой линии или наоборот, количество витков круглого переменного калибра с выпусками определяют из выражения n=L sinα/(2πR_k), где L - длина конусного полого изделия, мм; R_K - катающий радиус валка, мм; α - угол наклона оси калибра к оси валка, град., а подающий аппарат синхронно вращению валков перемещают возвратно-поступательно в горизонтальной плоскости на величину, определяемую по формуле N=n[(Dmax+Dmin)/2]+K(n-1), где n - количество витков калибра по длине валка, шт.; Dmax - максимальный диаметр калибра, мм; Dmin - минимальный диаметр калибра, мм; К - ширина реборд валка между калибрами, мм, прокатку производят в валках с подшипниками скольжения, а перемещение валков в горизонтальной плоскости осуществляют за счет усилий прокатки или принудительного горизонтального перемещения от отдельного привода, работающего синхронно со скоростью вращения валков, возврат валков в исходное положение при прокатке производят за счет реверсивного вращения валков от главного привода или принудительного горизонтального перемещения от отдельного привода, а в устройстве (установке) для производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой соединительные муфты и приводные шейки рабочих валков выполнены в виде телескопических систем с перемещением валков в горизонтальной плоскости на величину, определяемую по формуле N=n[(Dmax+Dmin)/2]+K(n-1),подающий аппарат расположен под углом α к горизонтальной оси валков, диаметры конусной оправки равны внутренним диаметрам основания и вершины длинномерного конусного изделия, конусность оправки превышает конусность длинномерного конусного полого изделия на суммарную величину вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в длинномерное конусное полое изделие Σμ, а длина меньше в Σμ раза, которые определяют по формулам α_o=α_иΣμ,L_o=L/Σμ, где α_o - угол конусности оправки, град.; α_и - угол конусности изделия, град.; Σμ - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в конусное полое изделие; L - длина конусного изделия, мм. Изобретение позволят осуществить промышленное поточное производство качественных конусных длинномерных полых металлических изделий с необходимыми, заданными геометрическими размерами, обеспечить потребность народного хозяйства страны и производить конкурентоспособную продукцию. 3 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к металлургическому производству, а именно к способу производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой из цилиндрических труб на новых установках (пилигримовых станах) с уменьшением диаметра и толщины стенки от одного конца к другому.

Известен способ производства конусных длинномерных полых или сплошных железобетонных изделий (опор осветительных столбов, опор для натяжения и поддержания силовых кабелей трамвайно-троллейбусных линий), включающий изготовление каркаса из арматуры, заливку данного каркаса бетоном, сушку и транспортировку их к месту монтажа и установки.

Недостатком данного способа являются низкая производительность, трудоемкость изготовления, повышенный брак при транспортировке и выход из строя при дорожно-транспортных происшествиях с выводом из строя линий электропередач и трамвайно-троллейбусных силовых кабелей.

Известен также способ производства конусных длинномерных полых изделий, включающий развальцовку и стыковую сварку ручным способом нескольких трубных изделий разного диаметра и толщин стенок.

Недостатком данного способа являются также низкая производительность, трудоемкость изготовления, из-за стыковки трубных изделий разного диаметра и толщин стенок, нагрева и ручной развальцовки стыкуемых изделий, сварки их ручным способом в кондукторах с последующей правкой. Технологический процесс изготовления данных изделий не имеет поточности, а следовательно, имеет большой разброс геометрических размеров и качественных показателей. Такие изделия не имеют художественно-эстетического вида из-за отсутствия плавных переходов от основания к вершине.

Наиболее близким техническим решением является способ производства длинномерных цилиндрических труб (до 40 метров) на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами, включающий нагрев заготовок (слитков) до температуры пластичности, прошивку их в толстостенные гильзы в станах косой прокатки и прокатку гильз на пилигримовых станах в длинномерные трубы с последующей порезкой их на мерные длины.

Известный пилигримовый агрегат (стан), выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит клеть с валками, имеющими переменный круглый калибр с выпусками, шпинделя, соединяющие валки через шестеренную клеть с приводом пилигримового стана, и подающий аппарат с длинной цилиндрической оправкой (дорном), осуществляющий периодическую порционную подачу объема металла (гильзы) в очаг деформации (в валки) с кантовкой на угол, равный ≈90°.

Недостаток данного способа и устройства (пилигримового стана) заключается в том, что они не обеспечивают производство конусных длинномерных полых металлических изделий необходимой формы и геометрических размеров. Это объясняется тем, что для производства конусных длинномерных полых металлических изделий необходимы многоручьевые валки с уменьшающимся калибром от начала к концу. С целью снижения габаритов валков и клети калибр необходимо выполнять по винтовой линии с углом наклона оси калибра к оси валка, что, в свою очередь, приведет к увеличению длины валков, расположению подающего аппарата под углом к горизонтальной оси валков, равным углу наклона оси калибра к оси валков, и к возвратно-поступательному перемещению валков или подающего аппарата. А это повлечет за собой проектирование, изготовление и наладку принципиально новой установки (пилигримового стана).

Целью предложенного способа является промышленное поточное производство конусных длинномерных полых металлических изделий, имеющих эстетический вид, запас прочности при значительном снижении их веса, снижение их стоимости и замена железобетонных изделий на экономически и эстетически конкурирующие долговечные облегченные изделия из металла.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой, включающим нагрев заготовок (труб) до температуры пластичности и прокатку их на установках (пилигримовых станах) на длинной оправке с периодической подачей и кантовкой на угол, равный ≈90° в валках, имеющих переменный круглый калибр с выпусками, конусные длинномерные полые металлические изделия прокатывают на длинной конусной оправке в валках, калибр которых выполняют по винтовой линии к оси валков, а оси валков располагают параллельно в вертикальной плоскости, полукалибр на верхнем валке выполняют с левосторонним, а на нижнем с правосторонним направлением винтовой линии или наоборот, а количество витков круглого переменного калибра с выпусками определяют из выражения

n=L sin α/(2πR_k),

где L - длина конусного полого изделия, мм;

R_k - катающий радиус валка, мм;

α - угол наклона оси калибра к оси валка, град.

Подающий аппарат синхронно вращению валков перемещают возвратно-поступательно в горизонтальной плоскости на величину, определяемую по формуле

N=n[(Dmax+Dmin)/2]+K(n-1),

где n - количество витков калибра по длине валка, шт.;

Dmax - максимальный диаметр калибра, мм;

Dmin - минимальный диаметр калибра, мм;

К - ширина реборд валка между калибрами, мм;

или прокатку производят в валках с подшипниками скольжения, а перемещение валков в горизонтальной плоскости осуществляют за счет усилий прокатки или принудительного горизонтального перемещения от отдельного привода, работающего синхронно со скоростью вращения валков, а возврат валков в исходное положение при прокатке производят за счет реверсивного вращения валков от главного привода или принудительного горизонтального перемещения от отдельного привода.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве (установке) для производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой согласно изобретению соединительные муфты и приводные шейки рабочих валков выполнены в виде телескопических систем с перемещением валков в горизонтальной плоскости на величину, определяемую по формуле

N=n(Dmax+Dmin)/2]+K(n-1),

а подающий аппарат расположен под углом α к горизонтальной оси валков, диаметры конусной оправки равны внутренним диаметрам основания и вершины длинномерного конусного изделия, конусность оправки превышает конусность длинномерного конусного полого изделия на суммарную величину вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в длинномерное конусное полое изделие Σμ, а длина меньше в Σμ раза, которые определяют по формулам

α_o=α_иΣμ,

L_o=L/Σμ,

где α_o - угол конусности оправки, град.;

α_и - угол конусности изделия, град.;

Σμ - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в конусное полое изделие;

L - длина конусного изделия, мм;

L_o - рабочая длина конусной оправки, мм.

Именно заявляемая установка (пилигримовый стан), размещение и компановка механизмов обеспечивают согласно способу горячей прокаткой производство качественных, с необходимыми (заданными) геометрическими размерами, конусных длинномерных полых металлических изделий и тем самым достижение цели изобретений. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Так как аналогичного способа и оборудования в мировой практике не существует, то пример конкретного выполнения в данный период времени привести не представляется возможным. Вместо примера конкретного выполнения приведена технологическая последовательность операций производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой.

Создав определенную овализацию в очаге деформации, осуществляют отрыв металла от оправки со стороны реборд (выпусков) калибра. При этом периметр по внутренней поверхности горячедеформированных конусных длинномерных полых металлических изделий будет больше периметра оправки. А так как процесс прокатки на конусной оправке периодический, с кантовкой трубы-заготовки (конусного длинномерного полого изделия) на угол ≈90°, то за счет внеконтактной деформации овал переходит в круг, внутренний диаметр которого больше диаметра оправки и который будет увеличиваться с увеличением угла поперечного выпуска калибра. Таким образом, горячедеформированное конусное длинномерное полое изделие свободно сходит с конусной оправки (дорна) и имеет конусную форму, наружный диаметр которого ограничивается геометрическими размерами калибра, а внутренний диаметр - геометрическими размерами конусной оправки, с учетом увеличения его за счет овальности калибра. Так как процесс прокатки периодический, то за счет подач и кантовок наружный диаметр горячедеформированных конусных длинномерных полых металлических изделий уменьшается от начала к концу прокатки при одновременной деформации стенки, т.е. толщина стенки у основания конусных длинномерных полых металлических изделий равна толщине стенки цилиндрической заготовки, а у вершины толщину стенки можно определить с большой достоверностью из выражения

S=S_o/Σμ,

где S - толщина стенки конусного длинномерного полого металлического изделия у вершины, мм;

S_o=S_t - толщина стенки конусного длинномерного полого металлического изделия у основания, мм;

Σμ - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в конусное длинномерное металлическое полое изделие.

Коэффициент вытяжки - величина переменная и увеличивается от основания к вершине конусного длинномерного полого металлического изделия и определяется (рассчитывается) в зависимости от требований к геометрическим размерам готовых изделий. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что конусные длинномерные полые металлические изделия прокатывают на длинной конусной оправке в валках, калибр которых выполняют по винтовой линии к оси валка, а оси валков располагают параллельно в вертикальной плоскости, полукалибр на верхнем валке выполняют с левосторонним, а на нижнем с правосторонним направлением винтовой линии или наоборот, количество витков круглого поперечного калибра с выпусками определяют из выражения

n=L sinα/(2πR_к),

где L - длина конусного полого изделия, мм;

R_k - катающий радиус валка, мм;

α - угол наклона оси калибра к оси валка, град.

Подающий аппарат синхронно вращению валков перемещают возвратно-поступательно в горизонтальной плоскости на величину, определяемую по формуле

N=n[(Dmax+Dmin)/2]+K(n-1),

где n - количество витков калибра по длине валка, шт.;

Dmax - максимальный диаметр калибра, мм;

Dmin - минимальный диаметр калибра, мм;

К - ширина реборд валка между калибрами, мм;

или прокатку производят в валках с подшипниками скольжения, а перемещение валков в горизонтальной плоскости осуществляют за счет усилий прокатки или принудительного горизонтального перемещения от отдельного привода, работающего синхронно со скоростью вращения валков, а возврат валков в исходное положение при прокатке производят за счет реверсивного вращения валков от главного привода или принудительного горизонтального перемещения от отдельного привода.

В установке (пилигримовый стан) с шестеренной клетью, соединительными шпинделями, муфтами и рабочими валками для производства конусных длинномерных полых металлических изделий соединительные муфты и приводные шейки рабочих валков выполнены в виде телескопических систем с перемещением валков в горизонтальной плоскости на величину, определяемую по формуле

N=n[(Dmax+Dmin)/2]+K(n-1),

подающий аппарат расположен под углом α к горизонтальной оси валков, а диаметры конусной оправки равны внутренним диаметрам основания и вершины длинномерного конусного изделия, конусность оправки превышает конусность длинномерного конусного полого изделия на суммарную величину вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в длинномерное конусное полое изделие Σμ, а длина меньше в Σμ раза, которые определяют по формулам

α_o=α_иΣμ,

L_o=L/Σμ,

где α_o - угол конусности оправки, град.;

α_и - угол конусности изделия, град.;

Σμ - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в конусное полое изделие;

L - длина конусного изделия, мм.

Зная геометрические размеры готового изделия, рассчитывают (определяют) геометрические размеры цилиндрических труб-заготовок. Диаметр и толщина стенки цилиндрических труб-заготовок равны диаметру и толщине стенки основания горячедеформированных конусных длинномерных полых металлических изделий. Цилиндрические полые заготовки нагревают до температуры пластичности в секционной проходной печи или в индукторе в процессе прокатки. Нагретые до температуры пластичности цилиндрические трубы-заготовки надевают на конусную оправку (дорн) и подающим механизмом (аппаратом), расположенным под углом α к оси стана (валков), подают в очаг деформации (в валки). Величину подачи определяют в зависимости от величины обжатия по диаметру и стенке. Во время подачи выводят за линию центров (осей) валков трубу-заготовку вместе с оправкой на величину m_p (расчетная величина подачи трубы-заготовки в очаг деформации). Валки вращают против хода подачи, которые захватывают порцию (часть трубы-заготовки длиной m_p) и начинают обжимать (деформировать) наружный диаметр и толщину стенки трубы-заготовки с одновременным возвратом оправки и трубы-заготовки в исходное положение. При вращении валков часть цилиндрической трубы-заготовки длиной m_p обжимают (деформируют) в конус, а валки за счет усилий прокатки, возникающих при деформации, или отдельным приводом, работающим синхронно со скоростью вращения валков, перемещают в горизонтальной плоскости в сторону муфт, соединяющих валки со шпинделями и приводом. Муфты и приводные шейки валков, вращающиеся в подшипниках скольжения, выполнены в виде телескопических систем с перемещением валков в горизонтальной плоскости, или перемещают возвратно-поступательно в горизонтальной плоскости подающий аппарат, чтобы ось подающего аппарата всегда совпадала с осью калибра валков. После завершения цикла прокатки (подача - обжатие - возврат подающего механизма в исходное положение) валки возвращают в исходное положение за счет реверсивного вращения валков от главного привода или за счет вращения от отдельного привода. Таким образом, система (подающий механизм с конусной оправкой - цилиндрической трубой-заготовкой - валками) находится в исходном состоянии, а затем производят последующую подачу цилиндрической заготовки-трубы с конусной оправкой в очаг деформации с кантовкой на угол ≈90°. В данный момент происходит обжатие (деформация) цилиндрической части заготовки на величину подачи и дальнейшее обжатие по диаметру, стенке и раскатка бунта от уширения конусного участка после первой подачи. Затем происходит возврат системы в исходное положение и осуществление последующих подач заготовки-трубы в очаг деформации. После последней подачи трубы-заготовки в очаг деформации производят, в зависимости от геометрических размеров готовых изделий, одну или две кантовки конусной оправки с раскатанным горячедеформированным конусным длинномерным изделием, чтобы раскатать бунт от последней подачи и придать изделию расчетные геометрические формы и параметры. После завершения последних кантовок и возвращения системы в исходное положение производят извлечение оправки из готового изделия. Оправку охлаждают или заменяют на охлажденную. Изделия из клети передают на транспортный рольганг, по которому они поступают в отделение отделки, где производят подрезку концов, правку, покраску, приемку, складирование и отгрузку потребителю. Использование предлагаемого способа производства конусных длинномерных полых металлических изделий, расположение и конструкция оборудования для их производства позволят, по сравнению с существующими способами, резко повысить производительность, снизить металлоемкость, значительно снизить стоимость и впервые в мировой практике осуществить промышленное поточное производство качественных с заданными геометрическими параметрами изделий, обеспечить потребность народного хозяйства страны, производить конкурентоспособную продукцию и экспортировать ее в другие страны мира.

1. Способ производства конусных длинномерных полых металлических изделий горячей прокаткой, включающий нагрев заготовок-труб до температуры пластичности и прокатку их на установках пилигримовых станов на длинной оправке с периодической подачей и кантовкой на угол, равный ≈90°, в валках, имеющих переменный круглый калибр с выпусками, при этом конусные длинномерные полые металлические изделия прокатывают на длинной конусной оправке в валках, калибр которых выполняют по винтовой линии к оси валков, а оси валков располагают параллельно в вертикальной плоскости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полукалибр на верхнем валке выполняют с левосторонним, а на нижнем - с правосторонним направлением винтовой линии или наоборот.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество витков круглого переменного калибра с выпусками определяют из выражения

n=L sinα/(2πR_k),

где L - длина конусного полого изделия, мм;

R_k - катающий радиус валка, мм;

α - угол наклона оси калибра к оси валка, град.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку подающим аппаратом синхронно c вращением валков перемещают возвратно-поступательно в горизонтальной плоскости на величину, определяемую по формуле

N=n[(Dmax+Dmin)/2]+K(n-1),

где n - количество витков калибра по длине валка, шт.;

Dmax - максимальный диаметр калибра, мм;

Dmin - минимальный диаметр калибра, мм;

К - ширина реборд валка между калибрами, мм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокатку производят в валках с подшипниками скольжения, а перемещение валков в горизонтальной плоскости осуществляют за счет усилий прокатки или принудительного горизонтального перемещения от отдельного привода, работающего синхронно со скоростью вращения валков.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что возврат валков в исходное положение при прокатке производят за счет реверсивного вращения валков от главного привода или принудительного горизонтального перемещения от отдельного привода.

7. Установка пилигримового стана с шестеренной клетью, соединительными шпинделями, муфтами и рабочими валками для производства конусных длинномерных полых металлических изделий, при этом соединительные муфты и приводные шейки рабочих валков выполнены в виде телескопических систем с перемещением валков в горизонтальной плоскости на величину, определяемую по формуле

N=n[(Dmax+Dmin)/2]+K(n-1),

где n - количество витков калибра по длине валка, шт.;

Dmax - максимальный диаметр калибра, мм;

Dmin - минимальный диаметр калибра, мм;

К - ширина реборд валка между калибрами, мм.

8. Установка пилигримового стана с механизмом подачи и кантовки - подающим аппаратом для производства конусных длинномерных полых металлических изделий, при этом подающий аппарат расположен под углом α к горизонтальной оси валков.

9. Установка пилигримового стана по п.8, отличающаяся тем, что диаметры конусной оправки равны внутренним диаметрам основания и вершины длинномерного конусного изделия, конусность оправки превышает конусность длинномерного конусного полого изделия на суммарную величину вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в длинномерное конусное полое изделие Σμ, а длина меньше в Σμ, которые определяют по формулам

α_o=α_иΣμ;

L_o=L/Σμ,

где α_o - угол конусности оправки, град.;

α_и - угол конусности изделия, град.;

Σμ - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке цилиндрической трубы в конусное длинномерное полое изделие;

L - длина конусного изделия, мм.