способ получения профилей мелких сечений и прокатный стан для его осуществления
Классы МПК: | B21B1/02 для прокатки крупных заготовок, например болванок, слитков, заготовок, в которых форма поперечного сечения не имеет существенного значения B21B19/00 Прокатка труб валками, расположенными с наружной части изделия и с осями, не перпендикулярными оси вращения изделия |
Автор(ы): | Галкин Сергей Павлович, Карпов Борис Владимирович, Михайлов Виктор Константинович, Романцев Борис Алексеевич, Хлопонин Виктор Николаевич |
Патентообладатель(и): | Галкин Сергей Павлович, Карпов Борис Владимирович, Михайлов Виктор Константинович, Романцев Борис Алексеевич, Хлопонин Виктор Николаевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-06-10 публикация патента:
19.06.1995 |
Использование: изобретение относится к обработке металлов давлением и касается технологии и оборудования прокатки мелких профилей. Сущность изобретения: нагретая заготовка деформируется дробно, сначала винтовой прокаткой в чашевидных валках с эксцентриситетом, а затем продольной прокаткой, с отношением дробностей деформации при продольной и винтовой прокатках, не превышающим 4, и с отношением частных коэффициентов вытяжки в пределах 0,35 - 1,00. Стан включает нагревательные устройства, обжимную клеть винтовой прокатки, дополнительную группу из двух параллельных клетей винтовой прокатки с чашевидными валками, установленными с эксцентриситетом, и чистовую группу клетей продольной прокатки, последовательно связанные транспортными устройствами. Изобретение позволяет повысить выход годного и свойства проката мелких сечений из легированных металлов и сплавов, расширить сортамент стана, повысить его технологическую маневренность, снизить энерго- и металлоемкость. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Способ получения профилей мелких сечений, включающий дробную деформацию нагретой заготовки сначала винтовой прокаткой в чашевидных валках с эксцентриситетом, а затем продольной прокаткой, отличающийся тем, что заготовку деформируют с отношением дробностей деформации при продольной и винтовой прокатках, не превышающим 4, и с отношением частных коэффициентов вытяжки в пределах 0,35 1,00. 2. Прокатный стан для получения профилей мелких сечений, включающий нагревательные устройства, обжимную клеть винтовой прокатки, оснащенную чашевидными валками с экстриситетом, и чистовую группу клетей продольной прокатки, последовательно связанные транспортными устройствами, отличающийся тем, что стан дополнительно снабжен группой из двух параллельно расположенных клетей винтовой прокатки с чашевидными валками, имеющими эксцентриситет, установленной между обжимной клетью и чистовой группой, причем входные стороны клетей дополнительной группы транспортно связаны между собой, с выдающими механизмами нагревательных устройств и выходной стороной обжимной клети, а выходные стороны этих клетей транспортно связаны между собой и с входной стороной чистовой группы клетей.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к обработке металлов давлением, касается технологии производства профилей мелких сечений прокаткой, в основном из легированных металлов и сплавов, и прокатного оборудования для его осуществления. Известны способы производства профилей мелких сечений продольной прокатной и станы, состоящие из клетей продольной прокатки [1]К основным недостаткам известного способа относятся крайне ограниченный выход годного и недостаточный уровень физико-механических и служебных свойств проката, особенно в прутках мелких и средних сечений из легированных металлов и сплавов. В структуре технологических отходов доминируют брак по поверхностным дефектам, отходы на ремонт поверхности и брак по кривизне прутков. Интенсивное образование поверхностных дефектов вызвано резким охлаждением обширной зоны контакта нагретого металла с относительно холодными валками. Приконтактное падение температуры, во многих случаях сопоставимое с весьма узким температурным интервалом горячей пластичности легированных металлов, неизбежно ведет к поражению поверхности прутков густой сеткой термодеформационных трещин. Продольная прокатка сопровождается существенной неравномерностью деформации и неразрывно связанным с ней высоким уровнем дополнительных растягивающих напряжений. Грубополосчатая, резкоанизотропная структура легированного металла продольной прокатки характеризуется высокой жесткостью и минимальной способностью к разрядке и релаксации внутренних напряжений. По ходу высокодробной продольной прокатки формируемое структурное строение металла выступает накопителем и концентратором внутренних напряжений. Наведенные неравномерностью деформации остаточные напряжения, резко усиленные структурными концентраторами и накопителями, вызывают интенсивное коробление и искривление мелких и средних прутков в процессе последеформационного охлаждения или смягчающей термообработки. Они же ложатся отрицательным вкладом на свойства металла. Выправление значительной кривизны прутков из легированных металлов и сплавов во многих случаях не достижимо без разрушения. Кроме того, для способа продольной прокатки в вырезных калибрах характерен суженный марочный сортамент получаемых прутков. Данный недостаток связан с двухсторонним ограничением на коэффициент вытяжки за проход в каждом конкретном калибре. Верхняя граница коэффициента вытяжки




Подавляющее большинство способов и станов винтовой прокатки может быть разделено на два принципиально различных типа по схеме установки рабочих валков и принципу сообщений прокатываемой заготовке поступательного движения [2] В одном случае заготовка получает поступательное движение за счет разворота валков на угол подачи. Во втором варианте поступательная составляющая создается тангенциальным смещением (эксцентриситетом) валков с углом раскатки от оси стана. В первой группе известен способ получения круглого проката, включающий деформацию нагретой заготовки валками, развернутыми на угол подачи 20.45о, с обжатием за проход 25.50% [3]
При прокатке по этому способу легированных металлов и сплавов, обладающих пониженной пластичностью, неизбежно поражение разрывами поверхностных и периферийных слоев металла. Причина разрывов крутой пластический изгиб свободной поверхности деформируемого металла в зазоре между валками. Реализуемые в известном способе высокие единичные обжатия, активизируя боковое вытеснение металла в зазоры, доводят изгибающие напряжения растяжения до запредельных значений, при которых разрывы легированного металла неизбежны. Установка каждого из трех валков в рабочее положение в клетях, реализующих этот процесс, осуществляется двумя индивидуальными исполнительными механизмами механизмом разворота барабана с валком на угол подачи и механизмом сведения-разведения [4] Всего в настройке калибра участвует шесть исполнительных механизмов, что существенно снижает точность настройки и жесткость калибра. Существенную погрешность в настройку калибра может вносить искажение продольного профиля очага деформации, вызванное углом подачи. В итоге получение проката удовлетворительной точности на указанном оборудовании представляется весьма сложной задачей. Особенно большие трудности возникают в средних и мелких сечениях (до диаметра 30-40 мм), где абсолютные допуски на размер минимальны. Кроме того, реализация способов прокатки в валках, развернутых на угол подачи, связана с применением сложных и относительно слабых шпиндельных передач с высоким углом перекоса, создающих большие динамические нагрузки при вращении. При обработке легированных металлов, особенно в малых диаметрах, низкая прочность шпинделей главной линии переходит из конструктивного фактора в фактор технологический, ограничивающий выбор режимов деформации и снижающий точность проката. В случае мелких сечений конструктивно тесная трехвалковая схема просто не оставляет физического пространства для размещения работоспособных механизмов установки и закрепления валков. Обобщением перечисленных недостатков является практическая невозможность промышленного применения способа и станов [4] для получения прутков мелких и средних сечений (30-40 мм и менее). Изобретение относится к способам, использующим винтовую прокатку в чашевидных валках, установленных с эксцентриситетом. Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ получения профилей мелких сечений, включающий дробную деформацию нагретой заготовки сначала винтовой прокаткой в чашевидных валках с эксцентриситетом, а затем продольной прокаткой [5]
Способ реализуется на прокатном стане, также принятом за ближайший аналог и включающем нагревательные устройства, обжимную клеть винтовой прокатки, оснащенную чашевидными валками с эксцентриситетом, и группу клетей продольной прокатки, последовательно связанные транспортными устройствами [5]
Известный способ и стан предполагают получение прутков диаметром 13-16 мм и катанки диаметром 5,5 мм из заготовки диаметром 140-160 мм. Согласно способу исходная заготовка деформируется винтовой прокаткой разово (за один проход) на промежуточный раскат диаметром 60-80 мм и непосредственно затем прокатывается в 12-клетевой группе клетей продольной прокатки на профиль диаметром 13-16 мм. Винтовая и продольная прокатки совмещены в непрерывный процесс. Для получения мелких сечений диаметром 5,5 мм пруток диаметром 14,5 мм обжимают в дополнительной десятиклетевой чистовой линии продольной прокатки. Обжимная клеть винтовой прокатки оснащена чашевидными валками, имеющими эксцентриситет и отрицательный угол раскатки, равный 50-60о. Винтовая прокатка выполняется с коэффициентом вытяжки за проход до 6,0 и более, а продольная прокатка 1,40-1,55. Путем прямого экспериментирования над способом установлено, что применение его для обработки легированных металлов и сплавов с пониженной пластичностью неизбежно связано с чрезмерным уровнем брака и технологических отходов по поверхностным дефектам, особенно в средних и мелких сечениях. Высокие коэффициенты вытяжки при винтовой прокатке, сконцентрированные в одном обжатии, сообщают процессу большое количество циклов деформации (более 10-20). Через значительное падение диаметра чашевидных валков по ходу прокатки создаются мощный кинематический напор в очаге деформации и интенсивное скольжение на контактной поверхности. Кинематический напор и высокая цикличность процесса образуют крайне негативную комбинацию для винтовой прокатки легированных металлов и сплавов. Под действием кинематического напора в условиях протяженного, незамкнутого очага деформации резко активизируется боковое вытеснение металла в зазоры между валками. Объемы металла, охваченные принудительным боковым вытеснением, имеют свойства лавинообразно накапливаться от цикла к циклу в геометрической прогрессии. Участки свободной поверхности заготовки подвергаются крутому пластическому изгибу, крутизна которого поциклово возрастает, достигая максимума в конце обжимного участка перед калибрующим. Высокоамплитудный знакопеременный изгиб периферийных слоев заготовки вызывает их интенсивное пластическое разрыхление, переходящее в многочисленные разрывы поверхности. В случае более пластичных легированных материалов, способных деформироваться в охарактеризованных жестких условиях без существенных разрушений, возникают трудности другого рода, преодоление которых требует большого числа клетей продольной прокатки. Значительные объемы металла, вытесненные подпором и цикличностью в зазоры между валками, существенно искажают форму поперечного сечения раската, удаляя ее от круглой. Принятые для известного способа и стана большие углы раскатки определяют малую, конструктивно ограниченную длину калибрующего участка рабочих валков. На такой длине невозможно сформировать достаточно правильный круглый профиль с равной поверхностью при крутых изгибах поперечного контура раската в зоне обжатия. После винтовой прокатки заготовка имеет развитую волнистость поверхности. Устранение остаточной волнистости в известном способе предписано осуществлять высокодробной продольной прокаткой в 12-клетевой группе с коэффициентами вытяжки, в 3-4 раза меньшими, чем при винтовой прокатке. Выправить профиль поверхности меньшим числом проходов не представляется возможным. Деформация винтовой прокаткой при развитой некруглости поперечного сечения интенсифицирует тангенциальное скольжение с образованием микродефектов, поверхностных разрыхлений и мелких отслоений. Разрыхление поверхности раската прогрессирует в процессе последующей высокодробной продольной прокатки, приводя к макродефектам. Необходимость высокодробной продольной прокатки для формирования относительно качественного профиля усложняет организацию способа в целом, требуя большого числа единиц деформирующего оборудования. Согласно данным прямого опробования при дробности продольной прокатки (n>7) и применяемых единичных коэффициентах вытяжки способ в полной мере отягощается недостатками, свойственными "чистой" продольной прокатке [1] Известные преимущества мелкодисперсного, спирализованного строения, формируемого винтовой прокаткой, в значительной мере утрачиваются. Такая же ситуация возникает, когда недостаточна деформация винтовой прокаткой (коэффициент вытяжки не превышает 3,0-4,0). Кроме того, для многих легированных металлов и сплавов (например, типа ХН51ВМТЮКФР) применяемые коэффициенты вытяжки за проход при продольной прокатке чрезмерно велики и ведут к макроразрушению. В известном решении единичное обжатие в клети винтовой прокатки совпадает с суммарным. Это ограничивает величину последнего и существенно сужает технологические возможности стана. Основными лимитирующими факторами являются низкая пластичность металла, значительный температурный эффект деформационного разогрева, часто превышающий интервал горячей обработки давлением, высокий уровень энергосиловых параметров. Клеть винтовой прокатки слабоманевренна и используется как достаточно грубое обжимное средство без надлежащей ориентации на конечный профиль и качество поверхности. Получение заданного профиля достигается достаточно сложным маневрированием в группе клетей продольной прокатки. Это усложняет организацию процесса, увеличивает потребный парк валков и дробность деформации. Большие коэффициенты вытяжки при винтовой прокатке требуют применения массивных клетей и мощных приводов с одной стороны и большого числа клетей продольной прокатки для получения качественного профиля с другой. С обеих сторон возрастают металлоемкость и энергоемкость стана в целом. Клети винтовой и продольной прокатки объединены в непрерывную деформирующую группу. Это стало возможным благодаря применению планетарного варианта исполнения клети винтовой прокатки, в котором кассета с валками, обкатывая заготовку, оставляет ее неподвижной. Однако определенное скручивание заготовки остается, и поэтому в последующей группе продольной прокатки можно получить только круглые профили. Получить квадратные, полосовые фасонные профили при скручивании раската и непрерывности процесса не представляется возможным. Велики трудности в соблюдении достаточно жестких температурных условиях прокатки. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выхода годного и свойств проката мелких сечений из легированных металлов и сплавов, расширение размерно-марочного сортамента стана, повышение его технологической маневренности при одновременном снижении энерго- и металлоемкости. Указанный результат достигается тем, что в способе получения профилей мелких сечений, включающем дробную деформацию нагретой заготовки сначала винтовой прокаткой в чашевидных валках с эксцентриситетом, а затем продольной прокаткой, согласно изобретению заготовку деформируют с отношением дробностей деформации при продольной и винтовой прокатках, не превышающим 4, и с отношением частных коэффициентов вытяжки в пределах 0,35-1,00. Цель достигается также тем, что прокатный стан для получения профилей мелких сечений, включающий нагревательные устройства, обжимную клеть винтовой прокатки, оснащенную чашевидными валками с эксцентриситетом, и чистовую группу клетей продольной прокатки, последовательно связанные транспортными устройствами, согласно изобретению дополнительно снабжен группой из двух параллельно расположенных клетей винтовой прокатки с чашевидными валками, имеющими эксцентриситет, установленной между обжимной клетью и чистовой группой, причем входные стороны клетей дополнительной группы транспортно связаны между собой, с выдающими механизмами нагревательных устройств и с выходной стороной обжимной клети, а выходные стороны этих клетей транспортно связаны между собой и с входной стороной чистовой группы клетей. Способ реализуется следующим образом. Нагретая исходная заготовка из легированного металла или сплава диаметром dо30-65 мм деформируется сначала дробной винтовой прокаткой в чашевидных валках с эксцентриситетом до диаметра d1 за nв проходов (nв




Полученный раскат направляется на продольную прокатку. Между винтовой и продольной прокаткой выдерживается пауза продолжительностью 5-25 с. Во время паузы раскат либо остается на воздухе, либо помещается в проходную экранированную или обогреваемую проводку. Назначение промежуточной выдержки завершение процессов выравнивания и стабилизации температурного поля заготовки за счет равномерного рассеяния мощности деформационного разогрева, сообщенной раскату при винтовой прокатке. Далее раскат деформируется на заданный конечный профиль приведенного диаметра dк за nп 3-7 прохода (приведенный диаметр dк это диаметр круглого сечения, равновеликого по площади сечению заданного конечного профиля, которое в общем случае не является круглым, со средним коэффициентом вытяжки за проход



Деформация ведется с соблюдением соотношений, выражающих существенные отличительные признаки способа





После продольной прокатки профили охлаждаются в открытых стеллажах-холодильниках, обогреваемых или необогреваемых термостатах в зависимости от марки металла или сплава. Металлофизическая концепция способа и стана основана на оптимизации параметров винтовой прокатки в чашевидных валках с эксцентриситетом и продольной прокатки в калибрах по критериям целевой установки предлагаемого решения. В качестве средства достижения цели выбрано строгое разделение функций винтовой и продольной прокатки через соблюдения соотношений [1]
Винтовая прокатка с регулируемыми дробностью и коэффициентами вытяжки за проход через ограничивающее воздействие на интенсивность осевого подпора, цикличность процесса, уровень контактного скольжения и др. обеспечивает бездефектную деформацию практически любых металлических материалов (не относящихся к литейным и керамическим композициям). Структура металла интенсивно прорабатывается и уплотняется на всех уровнях металлофизического строения и на всю глубину сечения заготовки. Элементы структурного строения подвергаются интенсивному дроблению на практически изотропные мелкодисперсные микрочастицы. На макроуровне мелкие, изотропные элементы, равномерно растворенные в матрице, образуют порядок в форме плотно скрученных объемных спиралей. Грубые протяженные формирования элементов структурной неоднородности в прутках после винтовой прокатки отсутствуют. Такая структура обладает повышенным запасом технологической пластичности, строение металла подвижно, имеет развитую способность к релаксации и аннигиляции внутренних перенапряжений. Винтовой прокаткой же закладывается база для искомого повышения уровня физико-механических и служебных свойств готового проката. Большинство легированных металлов и сплавов приобретают запас технологической пластичности, достаточный для реализации продольной прокатки с учетом отмеченного выше двухстороннего ограничения на единичные коэффициенты вытяжки. Это относится и к материалам, которые в исходном состоянии таким запасом пластичности не обладали, и продольная прокатка их была невозможной, т.е. достигается расширение марочного сортамента. Ограниченные сверху единичные коэффициенты вытяжки удерживают осевой подпор, цикличность процесса и контактное скольжение в пределах, исключающих образование волнистой поверхности промежуточного раската и ее повреждение. По состоянию поверхности и точности геометрических размеров промежуточные раскаты полностью удовлетворяют требованиям ГОСТ 2590-71 на готовый прокат повышенной точности. Диаметр получаемого винтовой прокаткой промежуточного раската d1 ориентирован на конечный профиль dк таким образом, чтобы между d1 и dк содержалось минимально необходимое число проходов продольной прокатки для получения заданного профиля из круглого. Продольная прокатка ведется при минимальном числе проходов и выполняет функции исключительно профилеобразующего средства, преобразующего круг оптимального диаметра в требуемый профиль. Обычно nп не превышает 5-7. Минимизация доли деформации, выполняемой продольной прокаткой, эффективно ограничивает неравномерность деформации и уровень остаточных напряжений на безопасном уровне, а спирализованная мелкодисперсная структура металла, имеющая высокую релаксирующую способность, гасит внутренние перенапряжения до естественного фона. Остаточные пластические разрыхления отсутствуют во всем объеме проката, включая приповерхностные слои, обычно склонные к трещинообразованию. Конечные свойства металла стабилизируются на искомом повышенном уровне. Геометрия заданного профиля выполняется точно в соответствии с калибровкой валков. Получаемые длинномерные профили сохраняют практически полную прямолинейность на всех последующих стадиях охлаждения и термообработки. Какая-либо дополнительная правка не требуется. Повышению технологической деформируемости при продольной прокатке способствует также выравнивающее действие регулируемого деформационного разогрева при винтовой прокатке, которое эффективно смягчает практически неизбежные погрешности начального нагрева заготовок. Сама винтовая прокатка благодаря варьированию единичных коэффициентов вытяжки ведется практически при изотермических условиях, оптимально установленных для каждого конкретного материала. Соотношения (Ia) и (Iб) следует рассматривать в неразрывной совокупности, как систему. Вне обозначенных пределов численных коэффициентов эксплуатируемый технический эффект отсутствует. Практикой установлено, что при











Класс B21B1/02 для прокатки крупных заготовок, например болванок, слитков, заготовок, в которых форма поперечного сечения не имеет существенного значения
Класс B21B19/00 Прокатка труб валками, расположенными с наружной части изделия и с осями, не перпендикулярными оси вращения изделия