Способ изготовления стальных бесшовных труб большого диаметра и горизонтальный гидравлический пресс для его осуществления

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к технологии и оборудованию для производства стальных бесшовных труб. Способ включает нагрев сплошного слитка, получение из него полой заготовки в виде гильзы с дном путем прошивки слитка в контейнере иглой и протяжку полученной гильзы на оправке в трубу через последовательно установленные матричные кольца. Операции прошивки и протяжки осуществляются на горизонтальном прессе. Пресс содержит станину с неподвижными траверсами, контейнер для размещения в нем слитка, прошивную систему, матричные кольца и выходной стол и имеет загрузочную, прошивную и протяжную рабочие позиции. Перед прошивкой в центрирующую иглу втулку, имеющую возможность осевого перемещения, устанавливается перед рабочим концом иглы смазочная стеклошайба. Контейнер имеет возможность перемещения между рабочими позициями. Изобретение обеспечивает снижение трудоемкости процесса, повышение производительности и качества изделий и сокращение капитальных затрат. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно - к технологии и оборудованию для производства стальных бесшовных труб.

Один из способов изготовления стальных бесшовных труб большого диаметра заключается в предварительном получении из исходного слитка полой заготовки и последующем изготовлении из нее готовой трубы методом горячего прессования. Прессование осуществляется на вертикальных гидравлических экструзионных прессах большой мощности. При этом полую заготовку под прессование получают либо свободной ковкой и раскаткой на ковочных прессах (Попов А.К., Кагановский Ф.И., Шухат О.М. Прессовый комплекс для производства стальных бесшовных труб большого диаметра. // Тяжелое машиностроение, 1990, №1, с.18-22), либо прошивкой на специальных вертикальных прессах (Avery D. How Cameron vertically extrudes seamless pipe. // Metal Progress, 1977, v.III, №2, p.52-57).

Главные недостатки упомянутого процесса, являющегося одним из аналогов предлагаемого изобретения, заключаются в чрезвычайно высоких капитальных затратах при создании основного технологического оборудования и весьма значительных текущих расходах при его эксплуатации. Это объясняется как сложностью конструкции и уникальностью оборудования (экструзионный пресс усилием 45000 тс по проекту НКМЗ-ВНИИМЕТМАШ для изготовления труб диаметром 530...1420 мм длиной до 12 м для атомной энергетики имеет габариты 15×31×53 ми общую массу 20 тыс. тонн), так и высокой трудоемкостью производства труб (две основные технологические операции - получение полой заготовки и прессование трубы - осуществляются раздельно на двух деформирующих агрегатах с соответствующим количеством нагревательных устройств).

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения, принятым в качестве его прототипа, является способ, включающий прошивку сплошного слитка на прошивном вертикальном прессе с получением полой заготовки (гильзы) с дном и последующую протяжку гильзы до размеров готовой трубы на протяжном горизонтальном прессе (Мюллер Э. Гидравлические прессы и их приводы - М., Металлургия, 1960, с.7-42).

В соответствии со способом-прототипом при прошивке нагретый сплошной слиток помещается внутрь контейнера прошивного пресса. Перед контейнером устанавливается втулка, предназначенная для центрирования прошивной иглы относительно полости контейнера. Затем под действием главного цилиндра пресса прошивная игла совершает ход прошивки, при котором последовательно происходят распрессовка (осадка) слитка в контейнере и внедрение рабочего конца иглы в слиток с истечением металла слитка в виде относительно тонкостенной гильзы в сторону, противоположную направлению движения иглы. В конце прошивки в полученной гильзе остается короткий сплошной донный участок. Возвратным ходом игла извлекается из гильзы, при этом центрирующая втулка используется в качестве съемника.

Гильза выталкивается из контейнера и после повторного нагрева (или подогрева) поступает на протяжной пресс. В процессе рабочего хода этого пресса протяжная оправка вводится в гильзу до упора в ее дно и проталкивает гильзу через набор установленных друг за другом матричных колец с диаметром рабочего отверстия, уменьшающимся от одного кольца к другому до заданного размера готовой трубы. Таким образом, при протяжке происходит уменьшение наружного диаметра гильзы с утонением ее стенки и увеличением длины. В зависимости от требуемой величины суммарной деформации при протяжке матричный набор может состоять из двух, трех и более колец, а сама операция может потребовать нескольких технологических переходов с дополнительными подогревами полуфабриката. После протяжки возвратным ходом оправки она выводится из полученной трубы, при этом последняя удерживается неподвижной с помощью съемника, установленного за последним матричным кольцом. Изготовление трубы заканчивается отрезкой ее донного конца.

Таким образом, в способе-прототипе по сравнению с первым описанным аналогом операция прессования заменяется протяжкой и, соответственно, вместо экструзионного пресса большой мощности используется существенно меньший по усилию, габаритам и массе, а также гораздо более простой по конструкции протяжной пресс. В результате при создании трубного производства по такому способу весьма значительно сокращаются потребные для этого капитальные затраты. На практике технология изготовления труб большого диаметра (особенно толстостенного сортамента) прошивкой-протяжкой имеет гораздо большее распространение по сравнению с процессом, основанным на прошивке-прессовании. Последний применяется, главным образом, при производстве продукции особо ответственного назначения, например трубной арматуры для крупных энергетических установок (атомных электростанций и других).

Однако, несмотря на очевидные достоинства способа-прототипа, ему остается присущ существенный недостаток, характеризующий все известные процессы производства труб большого диаметра - высокая трудоемкость и соответственно значительные текущие эксплуатационные затраты трубного производства, связанные, как уже отмечалось, с применением двух деформирующих операций, осуществляемых раздельно на двух специализированных прессах с двумя и более нагревами обрабатываемого металла в разных нагревательных устройствах.

Другой недостаток прототипа заключается в использовании центрирующей иглу втулки, остающейся при прошивке неподвижной. В результате внедрение иглы в прошиваемый слиток начинается на значительном расстоянии от втулки. Это отрицательно сказывается на точности получаемых гильз, увеличивая их разностенность. Кроме того, при этом также не обеспечивается возможность оптимального использования при прошивке для снижения трения по игле и защиты ее от перегрева эффективной технологической смазки на основе стекла в виде шайбы, устанавливаемой на верхний торец слитка, поскольку в данном случае в начальный момент прошивки стеклошайба разрушается иглой и почти полностью вытесняется из-под ее торца.

Основными целями изобретения настоящей заявки являются снижение трудоемкости процесса получения труб методом прошивки-протяжки, повышение его производительности и качества изделий, существенное сокращение капитальных затрат при создании трубного производства и эксплуатационных расходов при изготовлении труб. Таким образом, изобретение призвано устранить недостатки известных аналогов.

Это достигается за счет того, что технологический процесс изготовления стальных бесшовных труб большого диаметра по п.1 формулы изобретения включает нагрев исходного сплошного слитка, получение из него полой заготовки в виде гильзы с дном путем распрессовки и прошивки слитка в контейнере иглой с использованием центрирующей иглу втулки и протяжку полученной гильзы на оправке в трубу через последовательно установленные матричные кольца для уменьшения наружного диаметра гильзы до заданного размера трубы, а также заключительную операцию отрезки донной части трубы. При этом получение гильзы и изготовление из нее готовой трубы объединены в один рабочий цикл и осуществляются на специализированном горизонтальном прессе с позициями прошивки и протяжки. Предварительно перед прошивкой в центрирующую втулку, имеющую возможность осевого перемещения, устанавливается перед рабочим концом иглы смазочная стеклошайба, распрессовка слитка в контейнере ведется при совместном движении иглы и центрирующей втулки, прошивка слитка производится с коэффициентом вытяжки не менее 2, а протяжка гильзы начинается после перемещения контейнера с находящейся в нем гильзой с позиции прошивки на позицию протяжки.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами на фиг.1(а-г) и фиг.2(а-в). На фиг.1 показана последовательность технологических переходов получения из сплошного слитка гильзы на прошивной позиции пресса, а на фиг.2 - последовательность технологических переходов получения из гильзы готовой трубы на протяжной позиции пресса.

В исходном положении прошивки (фиг.1а) нагретый слиток 1 помещен в полость контейнера 2 специализированного горизонтального пресса. Передний рабочий конец иглы 3 заходит в центрирующую втулку 4, снабженную независимым приводом осевого перемещения. В эту же втулку устанавливается перед концом иглы смазочная стеклошайба 5. Распрессовка слитка и начальная стадия прошивки (фиг.1б) осуществляются при совместном движении иглы и центрирующей втулки в контейнере. При этом усилие от иглы на слиток передается через стеклошайбу, находящуюся в закрытом объеме, благодаря чему шайба при распрессовке не разрушается и в начале прошивки оказывается полностью внедренной в прошиваемый слиток. Следующая за распрессовкой прошивка слитка (фиг.1в) происходит при дальнейшем внедрении иглы в слиток. При прошивке стеклошайба под действием тепла слитка постепенно оплавляется и тонким слоем вытесняется на поверхность контакта слитка с иглой. Прошивка сопровождается отходом центрирующей втулки назад под действием удлиняющейся гильзы. Полная распрессовка и качественная прошивка с минимальной разностенностью получаемых гильз обеспечиваются также благодаря выполнению условия, заключающегося в том, что коэффициент вытяжки, определяемый соотношением площадей поперечного сечения полости контейнера и гильзы, должен составлять не менее 2. Прошивка заканчивается (фиг.1г) получением гильзы с дном и последующим извлечением иглы из гильзы, при котором центрирующая втулка выполняет роль съемника.

Протяжка гильзы начинается после перемещения контейнера 2 с находящейся в нем гильзой 6 с прошивной на протяжную позицию пресса (фиг.2а). Контейнер оказывается на одной оси с оправкой 7, поддерживаемой подвижным люнетом 8, и матричными кольцами 9 и 10, первое из которых непосредственно примыкает к контейнеру. За вторым кольцом размещен съемник трубы с упорами 11. Протяжка гильзы (фиг.2б) осуществляется при рабочем ходе оправки. При этом оправка сначала вводится в гильзу до соприкосновения с дном последней, а при дальнейшем своем движении, упираясь в это дно, последовательно проталкивает гильзу через матричные кольца с отверстиями уменьшающегося диаметра. Проходя через последнее кольцо, труба приобретает наружный диаметр готового изделия. После сведения упоров съемника при возвратном ходе оправки происходит ее извлечение из трубы (фиг.2в).

В п.2 формулы изобретения описывается устройство, а именно - специализированный горизонтальный гидравлический пресс для производства стальных бесшовных труб большого диаметра по технологии, составляющей суть первого изобретения заявки.

Существует много различных конструкций прошивных и протяжных прессов для изготовления труб (см. Мюллер Э. Гидравлические прессы и их приводы - М., Металлургия, 1960, с.7-42). Однако, поскольку каждый из них служит для осуществления какой-либо одной из двух операций (прошивка или протяжка), а заявляемый пресс предназначен для объединения этих операций в одном рабочем цикле, упомянутые прессы могут считаться лишь отдаленными аналогами пресса - объекта настоящего изобретения.

В связи с этим в качестве прототипа изобретения принят горизонтальный гидравлический пресс по авторскому свидетельству СССР №268137 «Пресс для прессования полых профилей» (опубликовано в Бюллетене изобретений №13, 1970). Пресс предназначен для изготовления полых изделий (труб и профилей) из сплошной заготовки способом совмещения операции прошивки заготовки с другой основной деформирующей операцией - прессованием.

Пресс-прототип имеет станину с неподвижными траверсами, контейнер, пресс-шайбу, матрицу, прошивную систему с гидроцилиндром, подвижной прошивной траверсой и полой прошивной иглой, прессующую систему с главным цилиндром, подвижной прессующей траверсой, полым пресс-штемпелем, через который проходит прошивная игла, а также выходной стол. Помимо этого пресс включает систему привода прессующей иглы, располагающейся в отверстии прошивной иглы.

Изготовление труб на прессе-прототипе происходит следующим образом. Исходный слиток подается на ось пресса между контейнером и прессующей траверсой. Под действием плунжера главного цилиндра слиток пресс-штемпелем заталкивается в контейнер. Затем при движении прошивной траверсы под действием плунжера прошивного цилиндра происходит прошивка слитка прошивной иглой, проходящей внутри пресс-штемпеля и через отверстие в пресс-шайбе, центрирующей эту иглу. При прошивке отверстие в последней заглушено прессующей иглой. Вслед за этим ходом прессующей иглы производится просечка непрошитого переднего участка слитка, и, наконец, при совместном рабочем ходе пресс-штемпеля с пресс-шайбой и прессующей иглы осуществляется выдавливание трубы в кольцевой зазор, образованный матрицей и этой иглой. При этом прошивная игла остается неподвижной.

Пресс-прототип помимо главного своего недостатка, а именно - невозможности осуществления на нем операции протяжки прошитого слитка в трубу, характеризуется и некоторыми другими серьезными недостатками, обусловленными как сложной конструкцией и очень высокой мощностью, так и сверхбольшими массой и габаритами всего пресса, его основных узлов и технологического инструмента.

Целью изобретения является также создание пресса, конструкция которого обеспечила бы реализацию производства на нем труб объединенными в один рабочий цикл одной прессовой машины операциями прошивки слитка в контейнере иглой и протяжки полученной гильзы на оправке через матричные кольца. Изобретение, таким образом, призвано устранить недостатки известных аналогов.

Это достигается тем, что заявляемый пресс содержит станину с неподвижными траверсами, контейнер, прошивную систему и выходной стол. При этом конструкция пресса включает загрузочную, прошивную и протяжную рабочие позиции, а передняя неподвижная траверса имеет рабочие посты прошивки и протяжки, расположенные в плоскости, перпендикулярной продольной оси пресса. Контейнер пресса снабжен приводом для его перемещения по передней траверсе с одного поста на другой. Позиция загрузки пресса снабжена толкателем. На позиции прошивки размещены прошивной гидроцилиндр, подвижная прошивная траверса с иглой и центрирующая эту иглу втулка с приводом, обеспечивающим ее осевое перемещение. На позиции протяжки расположены протяжной гидроцилиндр, подвижная протяжная траверса с оправкой, центрирующий оправку подвижный люнет, установленные друг за другом матричные кольца, съемник трубы и выходной стол, причем первое матричное кольцо закреплено на передней неподвижной траверсе пресса с ее внутренней стороны, а остальные кольца помещены с внешней стороны этой траверсы с возможностью регулировки их положения вдоль оси протяжки.

Пример конструктивного исполнения заявляемого пресса и иллюстрация его работы при изготовлении на нем труб по технологии, соответствующей первому изобретению заявки, представлен на фиг.3(а-е).

Пресс (фиг.3а) имеет горизонтальную станину 12 с неподвижными траверсами 13, 14 и 15. Контейнер 2 установлен на направляющей платформе 16 и имеет привод 17, обеспечивающий возможность перемещения контейнера вдоль передней неподвижной траверсы 13 и установку его на любую из трех позиций - загрузки, прошивки и протяжки.

На прошивной рабочей позиции пресса располагается прошивная система, состоящая из гидроцилиндра 18, подвижной траверсы 19, иглы 3, центрирующей эту иглу подвижной втулки 4 со своей траверсой 20 и приводом 21.

На протяжной рабочей позиции пресса размещена протяжная система с гидроцилиндром 22, подвижной траверсой 23, оправкой 7, поддерживающим эту оправку подвижным люнетом 8 и его приводом 24. На этой же позиции находятся матричные кольца 9 и 10 (в данном примере их два, что соответствует представлению изобретения по п.1 данной заявки на фиг.1 и 2). Первое матричное кольцо 9 установлено неподвижно в углублении на внутренней стороне передней неподвижной траверсы 13, а второе кольцо 10 помещено с внешней стороны этой траверсы с возможностью регулировки его положения вдоль оси протяжки. За кольцом 10 располагается съемник трубы с подвижными упорами 11 и выходной стол 25.

Загрузочная рабочая позиция пресса снабжена толкателем 26.

Изготовление трубы на прессе осуществляется следующим образом.

В исходном положении рабочих органов пресса (фиг.3а) контейнер находится на загрузочной позиции. Прошивная траверса с иглой отведены в крайнее левое положение. Рабочий конец иглы размещается в центрирующей втулке. Протяжная траверса с оправкой и люнет также находятся в своих крайних исходных положениях.

Рабочий цикл начинается с установки в отверстие центрирующей втулки перед торцом иглы смазочной стеклошайбы 5. Затем следует загрузка в контейнер нагретого слитка 1. Слиток подается на ось загрузки перед контейнером и толкателем перемещается в полость контейнера.

Далее контейнер со слитком с помощью своего привода перемещается по передней неподвижной траверсе на пост прошивки (фиг.3б). Прошивка слитка с получением гильзы (фиг.3в) соответствует приведенному выше описанию технологии и фиг.1.

После окончания прошивки и выведения из гильзы иглы контейнер перемещается на пост протяжки (фиг.3г). Протяжка гильзы с получением готовой трубы (фиг.3д) соответствует описанию технологии и фиг.2. На фиг.3д протяжка изображена на стадии проталкивания гильзы через второе (последнее) матричное кольцо. После окончания протяжки и сведения упоров съемника трубы из нее возвратным ходом протяжной траверсы извлекается оправка (фиг.3е).

Цикл получения трубы на прессе заканчивается перемещением его рабочих органов в исходное положение, показанное на фиг.3а.

Применение заявляемых технологий изготовления стальных бесшовных труб большого диаметра и пресса для ее осуществления позволит существенно повысить технико-экономические показатели производства таких труб, потребляемых определяющими отраслями экономики - энергетическим машиностроением, газовым и нефтяным секторами, химической промышленностью и некоторыми другими. Особенно эффективным это применение будет при изготовлении относительно толстостенных труб, используемых во многих промышленных объектах нового поколения с повышенным давлением внутри трубы, так как протяжка таких труб возможна с использованием всего лишь одного-двух матричных колец.

1. Способ изготовления стальных бесшовных труб большого диаметра, включающий нагрев исходного сплошного слитка, получение из него полой заготовки в виде гильзы с дном путем распрессовки и прошивки слитка в контейнере иглой с использованием центрирующей иглу втулки и протяжку полученной гильзы на оправке в трубу через последовательно установленные матричные кольца для уменьшения наружного диаметра гильзы до заданного размера трубы, а также заключительную операцию отрезки донной части трубы, отличающийся тем, что получение гильзы и изготовление из нее готовой трубы осуществляют на горизонтальном прессе с операциями прошивки и протяжки за один рабочий цикл, при этом предварительно перед прошивкой в центрирующую втулку, имеющую возможность осевого перемещения, устанавливают перед рабочим концом иглы смазочную стеклошайбу, распрессовку слитка ведут при совместном движении иглы и центрирующей втулки, при этом прошивку слитка производят с коэффициентом вытяжки не менее 2, а протяжку гильзы начинают после перемещения контейнера с находящейся в нем гильзой с позиции прошивки на позицию протяжки.

2. Горизонтальный гидравлический пресс для производства стальных бесшовных труб большого диаметра, содержащий станину с неподвижными траверсами, матричные кольца, контейнер, прошивную систему и выходной стол, отличающийся тем, что пресс выполнен с загрузочной, прошивной и протяжной рабочими позициями, на передней неподвижной траверсе размещены рабочие посты прошивки и протяжки, расположенные в плоскости, перпендикулярной продольной оси пресса, а контейнер снабжен приводом для перемещения его по этой траверсе с одного поста на другой, при этом пресс на позиции загрузки имеет толкатель, на позиции прошивки размещены прошивной гидроцилиндр, подвижная прошивная траверса с иглой и центрирующая иглу втулка с приводом, установленным с обеспечением возможности осевого перемещения иглы, а на позиции протяжки расположены протяжной гидроцилиндр, подвижная протяжная траверса с оправкой, центрирующий оправку подвижный люнет, установленные друг за другом матричные кольца, съемник трубы и выходной стол, причем первое матричное кольцо закреплено на передней неподвижной траверсе пресса с ее внутренней стороны, а остальные кольца размещены с внешней стороны неподвижной траверсы с возможностью изменения их положения вдоль оси протяжки.