Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МНОГОПРОХОДНОЙ РЕВЕРСИВНОЙ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ ПРУТКОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и касается производства прутков круглого профиля большого диаметра из металлов, сплавов (циркониевых, титановых) и высоколегированных сталей способом многопроходной реверсивной винтовой прокатки.

Известен способ многопроходной реверсивной винтовой прокатки в калибре, образованном тремя валками, развернутыми на углы подачи 18-25° (Потапов И.Н., Полухин П.И. Технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1990. 344 с.). Способ винтовой прокатки на больших углах подачи позволяет качественно изменить условия деформации металла, эффективно обрабатывать практически все деформируемые металлы и сплавы с коэффициентом вытяжки за проход до 4-25, в том числе непрерывнолитые и малопластичные. В области больших углов подачи не только исключается вскрытие осевой полости, но и происходит уплотнение металла с «залечиванием» пустот и рыхлостей, а благодаря интенсивным сдвиговым деформациям качественно улучшается проработка структуры металла и существенно улучшаются его свойства.

В процессе прокатки прутков большого диаметра, равного 150-350 мм, с углами подачи 18-25° на поверхности раската образуется винтовая волна, которая является следствием значительной овальности и неполной обработки поверхности раската калибрующим участком очага деформации.

Известен способ многопроходной поперечно-винтовой прокатки (авторское свидетельство СССР №956079, опубл. 09.09.1992, бюл. №33), в котором с целью улучшения структуры по всему сечению заготовки деформацию осуществляют последовательно тремя валками, развернутыми на большие углы подачи, за 2-5 проходов с коэффициентом вытяжки 2-3, а затем прокатку проводят двумя валками и направляющими дисками на двухвалковом стане. Предложенный способ применим для получения проката круглого профиля малого диаметра, так как использование двухвалкового стана с направляющими дисками вносит ограничение в сортамент получаемого проката большого диаметра, которое связано с размерами направляющих дисков. Использование двухвалкового стана приводит к увеличению массы рабочей клети и затрат на производство проката.

Известен способ поперечно-винтовой прокатки периодических профилей (авторское свидетельство СССР №450629, опубл. 15.12.1974, бюл. №43). Для повышения точности получаемого профиля в начале прокатки в валки задается задний конец заготовки. После формирования каждого участка с заданным профилем валки разводятся, а заготовка перемещается в направлении, противоположном направлению прокатки. Особенностью данного способа является разведение рабочих валков после формирования профиля каждого участка проката, однако данный способ не применим для процессов прокатки заготовок, имеющих постоянный профиль.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ реверсивной винтовой прокатки (Галкин С.П., Харитонов Е.А. Реверсивная радиально-сдвиговая прокатка. Сущность, возможности, преимущества // Титан. 2003. №1 (12). С. 39-45), включающий обжатие нагретой заготовки на трехвалковом стане валками, имеющими два поочередно работающих обжимных участка и общий калибрующий участок и развернутыми на угол подачи 15-25°, что обеспечивает проработку структуры металла по всему сечению прутка. Прокатку ведут в валках с углом наклона образующей к оси прокатки на одном обжимном участке в 1,5-5,0 раза больше, чем на другом.

Задачей предлагаемого технического решения является создание наиболее рационального способа получения прутков большого диаметра, а именно 150-350 мм из металлов, сплавов (циркониевых, титановых) и высоколегированных сталей.

Техническим результатом является обеспечение полной обработки и улучшение качества поверхности раската, повышение точности геометрических размеров, расширение сортамента производимых прутков большого диаметра на станах винтовой прокатки. Улучшить качество поверхности раската, повысить точность геометрических размеров и исключить образование винтовой волны можно путем уменьшения овальности раската, которая зависит от режимов обжатия и установочных параметров стана, таких как углы подачи.

Для решения поставленной задачи и достижения заявляемого технического результата в предлагаемом способе многопроходной реверсивной винтовой прокатки прутков большого диаметра, включающем обжатие нагретой заготовки в калибре, образованном тремя валками, развернутыми на угол подачи 18-25°, имеющими два обжимных участка и общий калибрующий участок, последний проход осуществляют с углами подачи валков в 1,5-2,5 раза меньшими, чем в основных проходах.

Для полного устранения овальности и получения прутка с точными геометрическими размерами последний проход предпочтительно осуществлять с обжатием, составляющим 0,1-0,3 от обжатия в основных проходах.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

- фиг. 1 - схема очага деформации в трехвалковом стане;

- фиг. 2 - схема очага деформации в трехвалковом стане, сечение А-А;

- фиг. 3 - схема очага деформации в последнем проходе при уменьшении угла подачи;

- фиг. 4 - схема очага деформации в последнем проходе при уменьшении обжатия;

- фиг. 5 - схема очага деформации в последнем проходе при уменьшении обжатия, сечение А-А.

Очаг деформации образован (фиг. 2) верхним 1, левым нижним 2 и правым нижним 3 валками. Нагретая до температуры горячей прокатки заготовка задается в валки, в процессе прокатки, вращаясь в очаге деформации, последовательно обжимается каждым из трех валков, развернутых на угол подачи. Величина осевого перемещения металла от одного валка к другому характеризуется шагом подачи за 1/3 оборота. Приближенно зависимость шага подачи за 1/3 оборота от угла подачи можно выразить соотношением (1) (Романцев Б.А., Гончарук А.В., Вавилкин Н.М., Самусев С.В. Обработка металлов давлением: учеб. пособие. М.: Изд. дом МИСиС, 2008. 960 с.):

где S - шаг подачи за 1/3 оборота, мм;

- диаметр получаемого прутка, мм;

β - угол подачи валков, °.

При раскатке в валках, развернутых на больший угол подачи, величина осевого перемещения заготовки от валка к валку увеличивается, следовательно, разовое (частное) обжатие заготовки валком становится больше, что сопровождается существенным развитием поперечных деформаций, которые приводят к увеличению ширины контактной поверхности металла с валком и овальности раската.

В основных проходах обжатие заготовки диаметром D_осн осуществляется (фиг. 1) обжимными участками валков, имеющими угол наклона к оси прокатки 10-15° на шаге подачи S₀, а также калибрующим участком на шаге подачи S₁, в результате чего ширина контактной поверхности В в сечении А-А (фиг. 2) становится наибольшей, а овальность раската достигает максимального значения. Уменьшение овальности раската и ширины контактной поверхности В осуществляется калибрующим участком следующего по ходу вращения заготовки валка на шаге подачи S₂. В процессе прокатки на больших углах подачи, равных 18-25°, обжатие раската на шаге подачи S₂ осуществляется обжимным участком второго валка на меньшую величину, как показано на фиг. 1, в результате чего диаметр раската превышает диаметр заданного калибра на величину 2А. Обработка поверхности и уменьшение овальности раската калибрующим участком осуществляется не полностью, так как сумма величин шагов подачи S₁ и S₂ при больших углах подачи превышает длину калибрующего участка L_k, а обжимной участок второго валка с углом наклона к оси прокатки в 10-15° не устраняет образовавшуюся овальность по всему диаметру прутка, что и является причиной образования волны.

В станах винтовой прокатки длину калибрующего участка рекомендуется выбирать равной 3-5 величинам шага подачи при прокатке сплошных заготовок (Потапов И.Н., Полухин П.И. Новая технология винтовой прокатки. М.: Металлургия, 1975. 338 с.; Коликов А.П., Романцев Б.А. Теория обработки металлов давлением: учеб. пособие. М.: Изд. дом МИСиС, 2015. 451 с.), что позволяет осуществлять обжатие раската по диаметру более двух раз для устранения овальности и обеспечения качества и точности геометрических размеров. Увеличение длины калибрующего участка в процессе раскатки сплошных заготовок большего диаметра не является целесообразным, поскольку существенно увеличиваются длина бочки рабочих валков, а также габариты клети, ее масса и энергосиловые параметры процесса.

Для обеспечения качества поверхности прутка, точности его геометрических размеров и устранения образования винтовой волны необходимо, чтобы обжатие раската по диаметру на калибрующем участке осуществлялось не менее трех раз, т.е. многократно. Добиться данного эффекта можно путем уменьшения величины осевого перемещения металла в последнем проходе, которое должно быть меньше длины калибрующего участка. Значения углов подачи валков в последнем проходе должны соответствовать неравенству (2):

Поставленная цель достигается тем, что в последнем проходе прокатку осуществляют в валках, развернутых на углы подачи в 1,5-2,5 раза меньше углов подачи в основных проходах. Согласно соотношению (1) шаг подачи зависит не только от углов подачи, но и от диаметра получаемого прутка. Прокатка прутков небольшого диаметра сопровождается меньшей величиной шага подачи, последний проход необходимо осуществлять на углах подачи в 1,5-2,0 раза меньших, чем в основных проходах. Процесс прокатки прутков большого диаметра сопровождается большей величиной S, последний проход следует вести на углах подачи в 2,0-2,5 раза меньших, чем в основных проходах. При прокатке прутка диаметром 250 мм в валках с длиной калибрующего участка 200 мм, развернутых на угол подачи 20°, величина S равна 95 мм, а максимальный угол подачи, при котором осуществляется трехкратное обжатие калибрующим участком, составляет 13°. В последнем проходе величину углов подачи необходимо уменьшить более чем в 1,6 раза. Прокатку прутка диаметром 350 мм при тех же установочных параметрах стана осуществляют с шагом подачи, равным 133 мм, максимальный угол подачи последнего прохода составляет 10°, величину углов подачи необходимо уменьшить в 2,0-2,5 раза. Изменение угла подачи более чем в 2,5 раза неосуществимо, это связано с конструктивными особенностями станов винтовой прокатки, а прокатка в последнем проходе на углах подачи, уменьшенных менее чем в 1,5 раза, не дает ожидаемого эффекта в процессе раскатки прутков большого диаметра.

Прокатка раската диаметром (фиг. 3) в последнем проходе с величиной суммарного обжатия ΔD, равного обжатию в основных проходах, и углами подачи валков, уменьшенными в 1,5-2,5 раза, осуществляется с меньшими значениями осевого перемещения металла, вследствие чего обжатие на шаге подачи S₂ полностью осуществляется калибрующим участком второго валка, что обеспечивает уменьшение овальности раската.

Однако на шаге подачи S₃ деформация третьим валком по-прежнему осуществляется обжимным участком. Несмотря на это за счет снижения овальности величина Δ становится меньше.

Для полного устранения овальности и получения прутка с точными геометрическими размерами наряду с уменьшением угла подачи в последнем проходе следует снизить обжатие раската.

При прокатке с меньшим значением обжатия в последнем проходе ширина контактной поверхности металла с валком уменьшается, что гарантирует снижение овальности раската на калибрующем участке и получение готового прутка без образования винтовой волны за меньшее число проходов.

На фиг. 4 показана схема прокатки прутка в последнем проходе с диаметром раската после основных проходов это обеспечивает обжатие раската, равное 0,1-0,3 от обжатия в основных проходах. Обжатия на шагах подачи S₂ и S₃ по сравнению со схемой прокатки на фиг. 1 становятся меньше. Максимальная ширина контактной поверхности b в сечении А-А калибрующего участка (фиг. 5) значительно уменьшается, в результате чего существенно снижается овальность раската, что способствует полной обработке поверхности прутка и устранению винтовой волны.

Для обеспечения условий захвата металла валками и его осевого перемещения в очаге деформации необходимо иметь достаточную площадь контактной поверхности, а это обеспечивается длиной очага деформации, которая зависит от обжатия. При обжатии в последнем проходе более 0,3 от обжатия в основных проходах увеличивается овальность раската (фиг. 3), как следствие, увеличивается величина А. Если обжатие в последнем проходе менее 0,1 от обжатия в основных проходах, захват металла валками осуществляться не будет, поскольку площадь контактной поверхности является недостаточной.

Значение обжатия в последнем проходе зависит от веса и размеров заготовки. При раскатке заготовки, имеющей большие размеры и массу, обжатие в последнем проходе следует выбирать равным 0,15-0,30 от обжатия в основных проходах, а при раскатке с меньшими размерами и массой выбирается 0,10-0,15 от обжатия в основных проходах, это позволит существенно снизить овальность раската, тщательно обработать поверхность прутка и избежать образование волны.

В таблице 1 представлены параметры прокатки прутков диаметром 100-350 мм в последнем проходе по прототипу с углом подачи валков 20°, длиной калибрующего участка 200 мм и обжатием по диаметру 60 мм. Рассчитаны значения шага подачи S, количество циклов деформации на калибрующем участке n, максимальная ширина контактной поверхности b, длина калибрующего участка валков L_k, которая обеспечивает пятикратное обжатие калибрующим участком без изменения значения угла подачи.

Из таблицы 1 видно, что раскатка основного сортамента диаметром 100 мм в валках с углами подачи 20° и длиной калибрующего участка 200 мм с обжатием 60 мм осуществляется с пятикратным обжатием на калибрующем участке, получаемый пруток имеет точные геометрические размеры и хорошо обработанную поверхность. Прокатка прутков диаметром 150-350 мм осуществляется с обжатием на калибрующем участке менее четырех раз и сопровождается шириной контактной поверхности 36-84 мм. Обработка поверхности прутков в последнем проходе производится не полностью, овальность прутков не устраняется, образуется винтовая волна. Для осуществления пятикратного обжатия калибрующим участком при прокатке прутков диаметром 150-350 мм его длина должна быть увеличена до 300-700 мм, что является нецелесообразным.

В таблице 2 представлены параметры прокатки прутков диаметром 150-350 мм в последнем проходе по предлагаемому способу с сохранением длины калибрующего участка валков 200 мм и обжатием по диаметру 100 мм (без снижения обжатия раската по диаметру в последнем проходе), 30 мм (0,3 от обжатия в основных проходах), 20 мм (0,2 от обжатия в основных проходах), 10 мм (0,1 от обжатия в основных проходах). Параметры прокатки прутков в основных проходах: угол подачи валков β_оп 20°, обжатие по диаметру 100 мм.

Для рассматриваемых диаметров проката при углах подачи 8, 10 и 13° рассчитано количество циклов деформации на калибрующем участке n (таблица 2). Согласно расчетным данным для четырех-, пятикратного обжатия калибрующим участком при прокатке прутка диаметром 150 мм углы подачи валков в последнем проходе необходимо уменьшить до 13°, т.е. в 1,5 раза, диаметром 200 мм - в 2,0 раза, а диаметром 300, 350 мм - в 2,5 раза. Согласно расчетам ширины контактной поверхности при значениях обжатия в последнем проходе, соответствующих 0,10-0,30 от обжатия в основных проходах, видно, что для прутков диаметром 150, 200 мм обжатие выбирается равным 0,10-0,15 от обжатия в основных проходах, диаметром 300, 350 мм следует выбирать равным 0,15-0,30 от обжатия в основных проходах. Рекомендуемые параметры прокатки в последнем проходе (таблица 2) обеспечивают четырех-, пятикратное обжатие калибрующим участком и значительное снижение ширины контактной поверхности и овальности раската за счет уменьшения обжатия.