Способ получения буровой стали

Изобретение относится к обработке металлов давлением и касается получения буровой стали - горячекатаного фасонного профиля (труб) для изготовления бурового инструмента, а также может быть использовано для получения профилированной многогранной трубы, используемой в атомной энергетике, строительстве, машиностроении.

Известен способ производства бурового инструмента, при котором исходную заготовку сплошного квадратного или круглого сечения просверливают на всю длину, в полученное отверстие вставляют пруток круглого сечения из пластичной стали (сердечник), нагревают полученную составную заготовку и прокатывают ее в стане продольной прокатки. После прокатки заготовки охлаждают, растягивают пластичный сердечник на растяжных машинах и извлекают его из отверстия (И.М. Забудько, B.C. Лурье. Производство пустотелой буровой стали. М., Л.: БИ 1936 г., 78 с.; Энциклопедический словарь по металлургии / Под ред. Н.П. Лякишева. М.: Интермет Инжиниринг, 2000 г., с. 222). Недостатками данного способа являются низкое качество буровой стали по состоянию поверхности канала и точности геометрических размеров, а также высокая трудоемкость технологического процесса из-за необходимости сверления на большую длину высокопрочной стали и выполнения операции извлечения сердечника, который не подлежит дальнейшему использованию, с чем связано высокое значение расходного коэффициента металла.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения горячекатаных толстостенных труб, включающий резку прутка на мерные длины, нагрев, прошивку в стане винтовой прокатки, раскатку гильзы в черновую трубу на короткой перемещаемой оправке в стане винтовой прокатки, редуцирование в стане винтовой прокатки, калибрование трубы в стане продольной прокатки, охлаждение (Б.А. Романцев, А.В. Гончарук, Н.М. Вавилкин, С.В. Самусев. Трубное производство. М.: Издательский Дом МИСиС, 2011 г., с. 464-470).

Основным недостатком известного технического решения является низкое качество внутренней поверхности получаемого проката из-за наличия дефектов, образующихся на стадиях технологического процесса. Так, при прошивке на внутренней поверхности образуются плены и механические повреждения, причиной возникновения которых является наличие в металле неметаллических включений и износ поверхности оправки. Далее к этим дефектам добавляются морщины и складки, а также микротрещины из-за большой степени деформации при редуцировании. Таким образом, даже при использовании механически обработанной прошитой гильзы внутренняя поверхность получаемой трубы не будет свободна от дефектов, которые образуются на последующих операциях технологического процесса.

Целью изобретения является повышение качества буровой стали по состоянию внутренней поверхности.

Технический результат достигается тем, что в способе получения буровой стали, включающем резку прутка на мерные длины, нагрев, прошивку в стане винтовой прокатки, раскатку гильзы в черновую трубу на короткой перемещаемой оправке в стане винтовой прокатки, редуцирование в стане винтовой прокатки, калибрование трубы в стане продольной прокатки, охлаждение, согласно предлагаемому способу редуцирование в стане винтовой прокатки осуществляют с обжатием по внутреннему диаметру до 40%, затем трубу охлаждают, механически обрабатывают по внутренней поверхности до удаления дефектов, вновь нагревают до температуры 900…950°C и редуцируют с относительным обжатием, предельную величину которого определяют из выражения:

где S, D - толщина стенки и диаметр гильзы перед редуцированием;

s=Δd/d,

где d - внутренний диаметр гильзы перед редуцированием, мм, Δd - величина уменьшения внутреннего диаметра, мм;

а калибрование осуществляют с уменьшением внутреннего диаметра, допустимое значение которого для каждой клети рассчитывают по формуле:

где μ - суммарный коэффициент вытяжки во всех клетях при калибровании.

В предлагаемом способе дефекты, образовавшиеся в процессе прошивки и редуцирования с обжатием по диаметру до 40%, удаляются механической обработкой внутренней поверхности после охлаждения до температуры 20…120°C. В ходе экспериментальных исследований установлено, что обжатие по диаметру при редуцировании свыше 40% приводит к резкому увеличению глубины дефектов, что влечет за собой увеличение толщины снимаемого при механической обработке слоя металла и, как следствие, уменьшение выхода годного. При величине обжатия 40% и менее глубина дефектов не превышает значения 0,4 мм, и они полностью удаляются при расточке отверстия на 1 мм по диаметру. Таким образом, перед окончательным редуцированием и калибровкой дефекты отсутствуют, что гарантирует высокое качество поверхности и точную геометрию профиля трубы. Для исключения появления дефектов в виде микротрещин при редуцировании в стане винтовой прокатки суммарное обжатие по диаметру не должно превышать значений, рассчитанных по формуле (1), в противном случае наблюдается интенсивное течение металла в радиальном направлении, которое является причиной образования микротрещин на внутренней поверхности трубы.

При деформировании толстостенных труб с отношением диаметра к толщине стенки (D/S)=3,2…4,5 в стане продольной прокатки с обжатием по диаметру в одном калибре более 5% часто имеет место потеря устойчивости профиля трубы и, соответственно, потеря формы, происходит смятие профиля с образованием складки или морщины на внутренней поверхности трубы. Для предотвращения этого явления и обеспечения высокой точности габаритных параметров при высоком качестве поверхности необходима дробность деформации в сочетании с ограниченной скоростью деформации, что обеспечивается использованием нескольких рабочих клетей. Рациональная величина обжатия по диаметру определяется из выражения (2), в котором коэффициент вытяжки определяется как отношение площади сечения трубы до и после калибрования. Взяв за основу полученную величину, определяется значение максимально допустимого абсолютного обжатия по диаметру, и далее рассчитывается необходимое количество клетей для достижения требуемой вытяжки при получении готовой трубы. Такие условия обеспечивают необходимый запас пластических свойств материала для деформирования без образования дефектов. Деформирование при больших обжатиях в одной клети приводит к снижению объема металла, перемещаемого по оси прокатки, и образованию складок металла. Дробность деформации достигается за счет того, что формоизменение осуществляют при обжатии по диаметру в очагах деформации в пределах 1,5-4,5%. Уменьшение величины обжатия, менее указанного нижнего предела, снижает эффективность процесса прокатки.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходный пруток круглого сечения заданного диаметра режут на заготовки мерной длины. Полученную заготовку устанавливают на рольганге перед индукционным нагревателем и с помощью подающих роликов перемещают через индуктор. В процессе передвижения сквозь индуктор заготовка нагревается до заданной температуры, после выхода из индуктора она поступает к прошивному стану винтовой прокатки, где из сплошной заготовки формируется полая гильза. Далее прошитая гильза поступает к раскатному стану винтовой прокатки, в котором производят раскатку гильзы в черновую трубу на короткой перемещаемой оправке. После раскатки трубу подвергают редуцированию в стане винтовой прокатки со степенью обжатия по внутреннему диаметру до 40%.

Полученная черновая труба передается на холодильник и охлаждается до температуры 20…120°C, а затем поступает на участок металлорежущих станков и растачивается по внутренней поверхности на глубину 0,9…1,4 мм для снятия дефектного слоя металла. Затем расточенная труба вновь нагревается до температуры 900…950°C и подвергается редуцированию в стане винтовой прокатки без оправки с относительным обжатием по диаметру, не превышающим значение, рассчитанное по формуле (1) для исключения возможности образования микротрещин в процессе редуцирования. После редуцирования труба подается к стану продольной прокатки, где калибруется по диаметру с заданной дробностью деформации в определенном количестве рабочих клетей. Максимальная абсолютная величина обжатия в одной клети рассчитывается по формуле (2). После калибрования готовая труба передается на холодильник и охлаждается до заданной температуры.

Пример осуществления способа

В ходе опытной прокатки получали калиброванную сталь наружным диаметром 32±0,2 и внутренним диаметром 9±0,3.

Исходный пруток из стали 28ХГМ3МА диаметром 58 мм разрезали на заготовки мерной длины 1200 мм, нагревали в индукторе до температуры 1180°C и прошивали на двухвалковом стане винтовой прокатки при угле подачи 16° и обжатии в пережиме валков 13% на оправке диаметром 28 мм в гильзы диаметром 58 мм с толщиной стенки 14 мм. Далее гильзы передавали к редукционно-раскатному двухвалковому стану винтовой прокатки с направляющими дисками, где прокатывали на короткой перемещаемой оправке диаметром 21 мм с обжатием по диаметру и толщине стенки в черновую трубу диаметром 46 мм с толщиной стенки 12,1 мм. Полученную черновую трубу редуцировали в двухвалковом стане винтовой прокатки с направляющими дисками при обжатии по внутреннему диаметру 39,6% до получения предчистовой трубы диаметром 37,4 мм с толщиной стенки 12,1 мм, глубина дефектов в виде микротрещин при такой степени деформации не должна превышать 0,4 мм. Далее трубу охлаждали до температуры 45°C, осматривали на предмет обнаружения дефектов. В ходе осмотра внутренней поверхности трубы обнаружили микротрещины глубиной до 0,38 мм, затем трубу подвергали расточке изнутри на глубину 0,45 мм по толщине стенки (0,9 мм на диаметр) до полного удаления дефектов, получая механически обработанную трубу диаметром 37,4 мм с толщиной стенки 11,65 мм, внутренним диаметром 14,1 мм. Далее трубу вновь нагревали в индукционном нагревателе до температуры 900…950°C и редуцировали в стане винтовой прокатки без оправки. Максимально допустимую величину обжатия по внутреннему диаметру рассчитывали по формуле (1):

ε=(1,5×(1-11,65/37,4)^0,5-0,75)=0,266

Т.к. ε=Δd/d,

где d - внутренний диаметр трубы, то при такой степени деформации обжатие по диаметру должно составлять не более 3,7 мм (Δd=0,266×14,1=3,7), принимаем его равным 3,1 мм. При редуцировании обточенной трубы с такой величиной обжатия получаем следующие размеры: диаметр - 34,3 мм, толщина стенки - 11,65 мм, внутренний диаметр - 11 мм (14,1-3,1=11 мм).

Калибрование труб выполняли путем прокатки в четырех последовательно установленных трехвалковых клетях с обжатиями по диаметру, рассчитанными по формуле (2). Суммарный коэффициент вытяжки при прокатке определяли по формуле:

μ=F₀/F₁,

где F₀ и F₁ - площадь сечения трубы до и после прокатки.

μ=((34,3-11,65)×11,65)/((32-11,5)×11,5))=1,119 (для расчета берем номинальные размеры готовой трубы и фактические исходной).

Из формулы (2) следует:

Δd≤((1-1,119)/1,119)×11=1,17.

Так как нам необходимо уменьшить внутренний диаметр трубы на 2 мм (с 11 до 9 мм), принимаем, что калибрование трубы будем осуществлять в двух клетях при уменьшении внутреннего диаметра в каждой на 1,1 мм. Тогда наружный диаметр после прокатки будет равен 34,3-2,2=32,1 мм, что соответствует заданному размеру 32±0,2, внутренний диаметр составит 11-2,2=8,8 мм, что также соответствует допуску 9±0,3.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение буровой стали с высоким качеством поверхности и достижением точных геометрических размеров.