Диссертационная работа выполнялась с 2002 по 2011 гг. в соответствии с Федеральной научно-технической целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», по государственному контракту №02.740.11.0152 «Разработка комплексной металлургической технологии производства высококачественных стальных изделий массового назначения» (шифр «2009-1.1233-032-007»), а также в рамках стратегической инвестиционной программы ОАО «ТМК» и ОАО «СинТЗ» по реконструкции ТПА-80.
Актуальность работы. В настоящее время к трубам нефтяного сортамента, эксплуатируемым в условиях Крайнего Севера и Сибири, а также для нефтеносных районов, характеризующихся высокой коррозионной активностью, предъявляются особые требования по хладостойкости, коррозионной стойкости, прочности и вязкости разрушения металла. Удовлетворение растущих потребностей заказчика возможно только благодаря производству труб с высококачественной структурой стали, прошедших термообработку.
В условиях ужесточения требований к трубам для снижения себестоимости продукции целесообразно использование непрерывно-литого металла в качестве трубной заготовки. Современная технология электросталеплавильного производства, основанная на получении низкопримесного расплава, внепечной обработки и, при необходимости, вакуумирования стали, могут обеспечивать производство высококачественных непрерывно-литых заготовок и готовых труб. Однако существующие процессы прошивки затрудняют стабильное получение из литой заготовки высококачественной гильзы вследствие ярко выраженной литой структуры металла и наличия осевой пористости. В этом случае предварительное обжатие литых заготовок способом винтовой прокатки является весьма эффективным, но требует использования дополнительной технологической операции.
В связи с этим разработка эффективной технологии производства труб нефтяного сортамента из непрерывно-литых заготовок с предварительным обжатием на трехвалковом стане винтовой прокатки перед прошивкой является актуальной научно-технической задачей.
Цели и задачи работы. Целью работы является разработка, исследова¬ние и внедрение технологии производства высококачественных насосно-компрессорных труб из непрерывно-литой заготовки на трубопрокатном агрегате ТПА-80 ОАО «СинТЗ».
Для достижения указанной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
- разработать новую технологическую схему производства насосно-компрессорных труб, в том числе высокопрочных в хладостойком и коррозионно-стойком исполнениях из непрерывно-литой заготовки;
- изучить формоизменение металла в нестационарных стадиях процесса обжатия заготовки на трехвалковом стане винтовой прокатки;
- найти технические решения по улучшению технологии производства труб с использованием обжимного стана в линии ТПА-80 с целью снижения уровня брака;
- разработать новый способ резки заготовок, обеспечивающий получение рациональной формы концов и отсутствие утяжин после винтовой прокатки на обжимном стане;
- исследовать изменение макро- и микроструктуры, а также оценить уровень механических свойств при производстве труб по новой технологии;
- освоить производство насосно-компрессорных труб из непрерывно-литой заготовки, в том числе в хладостойком и коррозионно-стойком исполнениях следующих групп прочности: по ГОСТ - Д , К, Е , Л , М и по API 5СТ - N80, L80, P110;
- обеспечить снижение себестоимости труб на 10% и брака по прокату с 5-6% до 1-2%.
Научная новизна, ценность для науки и практики:
- получены закономерности изменения формы концевых частей заготовки при обжатии на трехвалковом стане винтовой прокатки;
- получена оценка влияния калибровки валков и режимов обжатия на формоизменение концевых частей заготовки при винтовой прокатке на трехвалковом стане;
- дана теоретическая оценка эффективности технологической операции предварительного профилирования конца заготовки на формоизменение металла при винтовой прокатке;
- изучены методами физического и математического моделирования закономерности формоизменения металла при новом способе резки заготовок, обеспечивающем одновременно разделение и профилирование ее концов;
- впервые получены результаты комплексного сравнительного исследования макро- и микроструктуры стали, а также уровня механических свойств труб после каждой технологической операции производства насосно-компрессорных труб из катаной и непрерывно-литой заготовки, иллюстрирующие эффективность применения обжатия литой заготовки;
- разработан и всесторонне исследован новый способ производства насосно-компрессорных труб из непрерывно-литой заготовки.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
- разработана и запатентована технология производства труб нефтяного сортамента из непрерывно-литых заготовок с применением дополнительной операции обжатия металла перед прошивкой (патент РФ №2361689), технология внедрена на ОАО «СинТЗ» и используется для производства насосно-компрессорных труб всего сортамента ТПА-80;
- результаты исследования процесса обжатия сплошных заготовок на трех-валковом стане способствовали определению оптимальных режимов деформации, созданию методики расчета калибровки валков обжимного стана винтовой прокатки, разработке патентно-охраняемой калибровки (патент РФ №2377085);
- всесторонне исследован новый способ резки, обеспечивающий одновременно разделение заготовки и профилирование ее концов, а также найдена оптимальная форма ножей (подана заявка на патент № 2011118932);
- освоено на ОАО «СинТЗ» производство хладостойких и коррозионно-стойких насосно-компрессорных труб групп прочности по ГОСТ - Д, К, Е, Л, М и по API 5CT - N80, L80, P110, достигнуто снижение себестоимости на 10% и уменьшение брака по прокату в среднем в 2 раза;
- результаты работы используются в учебном процессе в рамках дисциплин «Технология трубного производства» и «Оборудование трубных цехов» по направлению «Металлургия», специальность «Обработка металлов давлением» (150106), а также при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Методы исследований и достоверность результатов. Для исследования процессов резки и винтовой прокатки сплошных заготовок использовалось физическое и математическое моделирование. Математическое моделирование проведено с использованием программы Deform-SD , основанной на методе конечных элементов, при этом построение геометрических моделей инструмента осуществлялось с помощью системы твердотельного моделирования Компас-3D. Результаты исследований хорошо согласуются с данными промышленных исследований, проведенных на ТПА-80.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием современных методов механики обработки металлов давлением и воспроизводимостью результатов теоретического исследования, лабораторных и промышленных экспериментов, а также использованием методов математической статистики при обработке экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты доложены и обсуждены на: VII Конгрессе прокатчиков (г. Москва, 2007); Неделя металлов в Москве (г. Москва, 2007); XVII Международной научно-технической конференции «ТРУБЫ - 2009» (г. Челябинск, 2009); XVIII Международной научно-технической конференции «ТРУБЫ - 2010» (г. Челябинск, 2010); Международной конференции «Форсированное индустриальное инновационное развитие в металлургии» (Республика Казахстан, 2010); VIII Конгрессе прокатчиков (г. Магнитогорск, 2010), 9-ой международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 2011).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 2 статьи - в рецензируемых журналах, получено 2 патента РФ, подана 1 заявка на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, изложена на 247 страницах машинописного текста (145 страницах без приложений), содержит 129 рисунков, 36 таблиц, библиографический список из 44 источников, включая зарубежные публикации, и 10 приложений.
1. Разработана новая технологическая схема производства высококачественных насосно-компрессорных труб на ТПА-80 из непрерывно-литой заготовки. Для этого в линии ТПА-80 перед прошивным станом установлен трехвалковый стан винтовой прокатки, позволяющий обжимать литые заготовки диаметром 150^156 мм до диаметра 120 мм. Новая технология производства бесшовных труб запатентована (патент РФ №2361689) и впервые была применена на ОАО «СинТЗ».
2. В результате анализа новой технологии показано, что применение операции обжатия непрерывно-литых заготовок совместно с разработанными на ОАО «СинТЗ» режимами термообработки обеспечивает получение высоко-качественных насосно-компрессорных труб, в том числе высокопрочных, а также в коррозионно-стойком и хладостойком исполнениях. Показано, что использование непрерывно-литых заготовок обеспечивает высокое качество готовой продукции по макро- и микроструктуре стали.
3. Разработан новый способ резки заготовок на ножницах горячей резки в линии ТПА-80, позволяющий совместить операции резки и профилирования концов заготовок (подана заявка на патент №2011118932). Найдены оптимальные калибровки ножей, применение которых способствует уменьшению глубины утяжины на заднем конце заготовки и повышению качества насосно-компрессорных труб.
4. Разработана калибровка валков обжимного стана, позволяющая за счет уменьшения глубины утяжины повысить качество готовой продукции (патент РФ №2377085). Кроме того, разработанная калибровка валков обеспечивает устойчивый захват заготовки в широком диапазоне значений относительного обжатия.
5. Качество готовой продукции, изготовленной из непрерывно-литых заготовок, не уступает качеству труб, произведенных из катаных заготовок. Исключение составил вид дефектов «раковина-вдав».
6. В результате исследований, проведенных с целью снижения уровня брака по дефектам «раковина-вдав», определено влияние технологических параметров процесса обжатия на образование утяжин и найдены оптимальные режимы прокатки. Показано, что наибольшее влияние на уменьшение глубины утяжины оказывает увеличение угла подачи до 16^18° и предварительное формоизменение концов непрерывно-литых заготовок.
7. Результаты проведенных экспериментально-исследовательских работ позволили разработать и внедрить новые технические решения по модернизации технологии, которые позволили уменьшить количество дефектов «раковина- вдав» на поверхности готовых труб при использовании непрерывно-литых заготовок в 2-3 раза.
8. В результате модернизации существующей технологии производства труб на ТПА-80 достигнуто снижение себестоимости труб около 10% , повышена производительность агрегата на 15% и увеличен выход годного до 99%.
9. Применение непрерывно-литых заготовок после обжатия позволило улучшить условия прошивки, в результате чего уменьшилась разностенность получаемых гильз в среднем на Ы2%, а износостойкость инструмента повысилась на 8т 10%.
10. Новая технология производства высококачественных горячекатаных труб из непрерывно-литой заготовки может быть рекомендована для внедрения при реконструкции существующих и создании новых трубопрокатных агрегатов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
