способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов

Формула изобретения

1. Способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающий отливку слитков из стали, ковку цилиндрических сплошных или полых заготовок, черновую механическую обработку, термическую обработку, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующим упрочнением обкаткой роликом и эксплуатацию их до образования сетки разгарных трещин, отличающийся тем, что дорновые заготовки изготавливают из углеродистой стали, на их наружную поверхность наносят теплостойкий износостойкий слой путем наплавки, а в процессе эксплуатации при появлении сетки разгарных трещин производят переточку дорнов, нанесение теплостойкого износостойкого слоя путем наплавки, механическую обработку на чистовой размер с последующим упрочнением обкаткой роликами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку теплостойкого износостойкого слоя производят толщиной, значение которой определяют из выражения

=А(1+К·D/S),

где А - минимальная толщина наплавленного слоя после чистовой механической обработки, равная 10 мм;

D - максимальный диаметр труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

S - минимальная толщина стенки труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

К - коэффициент, учитывающий геометрические размеры труб.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку теплостойкого износостойкого слоя на наружную поверхность дорновых заготовок наносят многократно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу изготовления и эксплуатации технологического инструмента, и может быть использовано при изготовлении и эксплуатации дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров (273-550 мм).

Известен способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающий отливку слитков из стали марки СД1 (50ХН) с химическим составом по ГОСТ 4543-71, ковку их в цилиндрические заготовки (поковки) с уковом 2,25-2,5, черновую механическую обработку с припуском по диаметру 10-15 мм с учетом поводки поковок при термической обработке, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующим упрочнением обкаткой роликом и эксплуатацию их до образования сетки разгарных трещин, "волны" или продольных трещин (Ф.А.Данилов и др. Горячая прокатка труб. М.: Металлургия, 1962, с.355-356. Отчет по теме 22-V-13-541-73: "Разработка технологии изготовления дорнов повышенной износостойкости и внедрение их в производство на ЧТПЗ", Днепропетровск, 1975. ТП 158-148-98 "Технологический процесс механической обработки направляющих и рабочих валков прошивного стана, дорнов и пилигримовых валков в цехе №1 ОАО "ЧТПЗ").

Недостатком данного способа является то, что дорна выходят из строя по "волне" (гофрам), поверхностным разгарным кольцевым трещинам и грубым продольным трещинам, а также неравномерному истиранию их по длине (потеря геометрических размеров). Как правило, при прокатке труб диаметром 377 и 426 мм на дорнах из стали марки СД1 основным видом дефектов является "волна" (гофр). "Волна" на поверхности дорнов возникает на расстоянии 1500-2000 мм от дорнового замка. "Волна" - это пластическая деформация поверхностных слоев металла дорнов, которая обусловлена разогревом их поверхности до температуры выше 700°С и вызвана продолжительным контактом гильз-труб и дорнов или прокаткой двух и более гильз на одном дорне без охлаждения. При прокатке труб размером 426×9×32000-35000 мм время контакта дорна с гильзой-трубой составляет от 5,0 до 6,0 минут. За это время дорн на участке 2000-4000 мм от замковой части нагревается от 600 до 650°С. Наибольшую температуру дорн имеет на участке от 2000 до 3000 мм от дорнового замка, т. е. на центральной части. Стойкость дорнов по "волне" находится в прямой зависимости от соблюдения инструкции по их эксплуатации.

Кольцевые трещины связаны с некачественной механической обработкой, наличием концентраторов напряжения (подрезов и канавок от резцов). Грубые продольные трещины глубиной от 1/3 до 3/4 радиуса дорнов являются следствием низких значений пластических свойств и ударной вязкости стали при циклически изменяющихся температурах.

Известен также способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф), имеющей следующее содержание элементов: углерод 0,24-0,32%, марганец 0,3-0,6%, кремний 0,15-0,40%, хром 1,6-1,9%, молибден 0,6-0,9%, ванадий 0,15-0,25%, никель до 0,5%. Дорна из этой стали более износостойкие. Стойкость их в 1,2-1,3 раза выше, чем из стали СД1 (Отчет по теме 23-V-13-81/19-72/П2-аПП "Изыскание сталей повышенной термостойкости и разработка составной конструкции пильгердорнов". Уральский НИИ трубной промышленности, Уфимский авиационный институт, Челябинский трубопрокатный завод, Челябинск, 1972 г.

Однако известный способ также имеет недостатки: дорна с содержанием углерода 0,24-0,32% выходят из строя в основном из-за появления на их поверхности разгарных трещин, а также неравномерного истирания по длине (потеря геометрических размеров). Разгарные трещины возникают вследствие тепловых и структурных напряжений в поверхностном слое дорнов, которые нагреваются при контакте с горячими гильзами-трубами до температуры Ac1-АсЗ (650°С и выше). Образование сетки разгарных трещин есть результат необратимых структурных изменений (сдвиговых деформаций внутри зерна, дробление зерен, образование пустот, деформации по границам зерен и образование субмикроскопических разрывов и повреждений поверхностного слоя). Термоусталостное повреждение поверхности является причиной возникновения первых очагов разрушения, инициирующих дальнейшее развитие трещин. С увеличением числа циклов нагрева и охлаждения возрастает количество и размер трещин, трещины соединяются и переплетаются между собой, образуя так называемую "сетку". Образование сетки разгарных трещин на поверхности дорнов ускоряет истирание и вырывание частиц металла. В этих трещинах происходит интенсивное окисление металла и процессы их расклинивания. Решающее влияние на срок эксплуатации дорнов оказывает интенсивность развития сетки разгарных трещин в более крупные, которые являются браковочным признаком дорнов.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления и эксплуатации дорнов (оправок) пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающий получение конического электрошлакового слитка из стали СД2-Ш и последующую его радиальную ковку на цилиндрическую заготовку, имеющую замковую и рабочую части, а ковку ее рабочей части осуществляют с линейным увеличением уковки в направлении к замковой части при отношении величин максимальной уковки к минимальной 1,26-1,56, отжиг заготовок и сверление отверстия диаметром 100-105 мм (Патент РФ №2055660 от 10.03.96 г., Бюл. №7).

Однако известный способ также имеет недостатки: стойкость возросла в 1,1-1,2 раза по сравнению с существующей, а дорна также выходят из строя по продольным трещинам и сетке разгарных трещин.

Целью предложенного способа является увеличение стойкости и снижение стоимости дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающем отливку слитков из теплостойкой износостойкой стали (СД2-25Х2М1Ф), ковку цилиндрических сплошных или полых заготовок, черновую механическую обработку, термическую обработку, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующим упрочнением поверхности обкаткой роликом и эксплуатацию их до образования сетки разгарных трещин, дорновые заготовки изготавливают из углеродистой стали, на наружную поверхность которых наносят теплостойкий износостойкий слой путем наплавки, а в процессе эксплуатации при появлении сетки разгарных трещин производят многократную переточку дорнов, нанесение теплостойкого износостойкого слоя путем наплавки, механическую обработку на чистовой размер с последующим упрочнением поверхности обкаткой роликами, наплавку теплостойкого износостойкого слоя производят толщиной, значение которой определяют из выражения

=А(1+K*D/S),

где - минимальная толщина наплавленного слоя после чистовой механической обработки, равная 10 мм;

D - максимальный диаметр труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

S - минимальная толщина стенки труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

К=0,02 - коэффициент, учитывающий геометрические размеры труб.

Дорна в процессе работы подвергаются многократному циклическому нагреву и охлаждению. Кроме теплового воздействия дорна подвергаются давлению со стороны валков пилигримового стана и продольному растяжению, вызванному силами трения деформируемого металла во время прокатки и извлечения дорнов из труб подающим аппаратом. Из-за непостоянства очага деформации, за один оборот валков, давление на дорна и действие сил трения постоянно меняются. Сложность условий работы дорнов заключается в длительном нахождении их в контакте с нагретым пластически деформируемым металлом, отсутствии охлаждения в процессе деформации, больших температурных перепадах рабочей поверхности дорнов за один цикл их работы (охлаждение до температуры 180-200°С в ванне с водой и смазкой, нагрев в процессе прокатки и работа в течение 3,5-6,0 минут при температуре 500-650°С). Совместные действия больших температур и давлений приводят к быстрому выходу дорнов из строя, в основном по сетке разгарных трещин. Разгарные трещины на поверхности дорнов начинают появляться через 0,80-0,85 от первоначальной их стойкости, которые в дальнейшем начинают прогрессировать, расти как качественно, так и количественно, т.е. вширь и вглубь. В этот момент дорна принудительно изымают из эксплуатации и перетачивают до удаления наплавленного теплостойкого износостойкого слоя. После переточки на дорна наносят новый теплостойкий износостойкий слой толщиной , производят механическую обработку на чистовой размер с последующим упрочнением поверхности обкаткой роликом и возвращают дорна в технологический цикл производства. Дорна после переточки и нанесения нового теплостойкого износостойкого слоя эксплуатируют до появления (зарождения) сетки разгарных трещин. Цикл работы повторяют, т.е. их изымают из технологического процесса, перетачивают до удаления теплостойкого износостойкого слоя, наносят новый теплостойкий износостойкий слой, производят чистовую механическую обработку с последующим упрочнением поверхности роликом. Таким образом, дорна эксплуатируют до выхода из строя по причинам, не связанным с разгарными трещинами (поломка дорна, износ замка и т.д.).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров отличается от известного тем, что дорновые заготовки изготавливают из углеродистой стали, на наружную поверхность которых наносят теплостойкий износостойкий слой путем наплавки, а в процессе эксплуатации при появлении сетки разгарных трещин производят многократную переточку дорнов, нанесение теплостойкого износостойкого слоя путем наплавки, механическую обработку на чистовой размер с последующим упрочнением поверхности обкаткой роликом, наплавку теплостойкого износостойкого слоя производят толщиной, значение которой определяют из выражения

=A*(1+k*D/S),

где - минимальная толщина наплавленного слоя после чистовой механической обработки, равная 10 мм;

D - максимальный диаметр труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

S - минимальная толщина стенки труб, прокатываемых на данном дорне, мм;

К=0,02 - коэффициент, учитывающий геометрические размеры труб.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения “новизна”.

Сравнение заявляемого способа изготовления и эксплуатации дорнов не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию “существенные отличия”.

Способ опробован на трубопрокатной установке с пилигримовыми станами 8-16'' ОАО “ЧТПЗ”. В производство было задано по два новых дорна диаметром 409/410 мм и 309/310 мм, изготовленных по существующей и предлагаемой технологиям. Данные по стойкости дорнов пилигримовых станов, изготовленных по существующей и предлагаемой технологиям, приведены в таблице. Из таблицы видно, что средняя статистическая стойкость дорнов диаметром 409/410 мм, изготовленных и эксплуатируемых по существующему способу, составляет 1100 тонн труб размером 426×9 мм, а дорнов диаметром 309/310 мм - 800 тонн труб размером 325×9 мм. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном по существующей технологии, было прокатано 1185 тонн труб размером 426×9 по ГОСТ 8732, а на дорне диаметром 309/310 мм - 865 тонн нефтепроводных труб размером 325×9 по ГОСТ 8732. Оба дорна вышли из строя по сетке разгарных трещин. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном по новой технологии, было прокатано 950 тонн труб размером 426х9 по ГОСТ 8732. На поверхности дорна начала появляться сетка разгарных трещин. Дорн был изъят из технологического цикла и переточен. При переточке был снят наплавленный теплостойкий износостойкий слой, а затем нанесен новый теплостойкий износостойкий слой толщиной 20 мм, с учетом припуска под механическую обработку. После наплавки теплостойкого износостойкого слоя произведена чистовая механическая обработка, а поверхность дорна была упрочнена обкаткой роликом. Затем на дорне диаметром 409/410 мм после первой переточки и наплавки нового теплостойкого износостойкого слоя было прокатано 835 тонн труб размером 426×9 по ГОСТ 8732. На поверхности дорна начала появляться сетка разгарных трещин. Дорн был изъят из технологического цикла и снова переточен. При переточке был снят наплавленный теплостойкий износостойкий слой, нанесен новый слой толщиной 19,5 мм. После наплавки теплостойкого износостойкого слоя и чистовой механической обработки поверхность дорна упрочнена обкаткой роликом. Затем на этом дорне было прокатано 945 тонн. Из таблицы видно, что стойкость дорна диаметром 309/310 мм, изготовленного и эксплуатируемого по новой технологии, составляет 3565 тонн, то есть стойкость возрастает в 4,46 раза по сравнению с дорном, изготовленным по существующей технологии. Дорн прошел пять переточек и наплавок с последующей чистовой механической обработкой и обкаткой (упрочнением) рабочей поверхности роликом и вышел из строя по поломке дорнового замка. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном по предлагаемой технологии, прокатано 5450 тонн труб размером 426×9 мм, т.е. его стойкость возросла в 4,6 раза по сравнению с дорном, изготовленном по существующей технологии. Дорн может быть использован для дальнейшей работы после наплавки и фрезерования замка, а также шестой переточки и наплавки рабочей поверхности.

Таким образом, на дорне диаметром 309/310 мм, изготовленном и эксплуатируемом по существующей технологии, прокатано 865 тонн труб размером 325×9 мм (дорн вышел из строя по сетке разгарных трещин), а на дорне, изготовленном и эксплуатируемом по предлагаемой технологии, после пяти переточек и наплавок износостойкого теплостойкого слоя прокатано 3565 тонн труб, т.е. стойкость возрастает в 4,46 раза. Дорн вышел из строя по трещине на замковой части.

На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном и эксплуатируемом по существующей технологии, прокатано 1185 тонн труб размером 426×9. Дорн вышел из строя по сетке разгарных трещин. На дорне диаметром 409/410 мм, изготовленном и эксплуатируемом по предлагаемой технологии, за 5 переточек и наплавок прокатано 5450 тонн труб размером 426×9 мм, т.е. стойкость дорна возросла в 4,6 раза. Дорн может быть использован в работе после ремонта (наплавки) и фрезеровки дорнового замка, а также шестой переточки и наплавки на рабочую поверхность теплостойкого износостойкого слоя. Использование предлагаемого способа изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов для прокатки горячекатаных труб большого и среднего диаметров позволяет использовать дорновые заготовки из углеродистой стали вместо легированной (СД2-25Х2М1Ф), значительно снизить расход дорнов за счет многократной переточки и наплавки на рабочую поверхность теплостойкого износостойкого слоя, а следовательно, снизить стоимость технологического инструмента (дорнов) и стоимость передела горячекатаных труб на ТПА с пилигримовыми станами.