Технология волочения труб: альтернативы нет

Волочение является одним из древнейших и наиболее распространенным сегодня видом обработки металлов давлением. Несмотря на появление других способов изготовления труб (горячая прокатка или прессование, холодная прокатка; появление сварных труб в качестве альтернативы бесшовным), волочение остается незаменимым процессом в трубном производстве.

В современных условиях волочением получают трубы из различных сталей, цветных металлов и сплавов на их основе наружным диаметром 0,1-765 мм (по некоторым данным даже до 1000 мм) с различной толщиной стенки (минимальная — 0,015 мм).

Среди крупнейших производителей труб с использованием процессов волочения значатся страны с развитой металлургией, на долю которых приходится более 70% выпуска таких труб — США, Япония, Германия, Великобритания, Китай, Южная Корея, Франция, Россия, Украина.

В Великобритании, США, Японии, Австрии процесс волочения труб более развит в сравнении с холодной прокаткой. В России и Украине трубы волочением изготавливают в основном с применением безоправочного волочения и волочения на короткой неподвижной оправке. В Великобритании основным способом производства холоднодеформированных труб является волочение на длинной подвижной оправке. В США распространен способ волочения на плавающей (самоустанавливающейся) оправке (в отличие от других стран). В тоже время барабанные станы для волочения труб малых диаметров в бухтах широко используются в Германии, США, Великобритании, Японии и других странах.

Особенности деформирования волочением

Волочение — пластическая деформация металла, заключающаяся в протягивании заготовки через отверстие волоки, размеры которого меньше размеров поперечного сечения заготовки. Различают волочение: черновое (заготовительное) и чистовое (заключительная операция для придания готовому изделию требуемых формы, размеров и качества); одно- и многократное (с несколькими последовательными переходами волочения одной заготовки); одно- и многониточное (с количеством одновременно протягиваемых заготовок 2, 4, 8); через неподвижную и вращающуюся относительно продольной оси волоку; холодное и теплое (с нагревом заготовки до температуры) и др.

Получили самостоятельное применение такие способы волочения как: барабанное или бухтовое волочение труб — волочение труб или профилей из заготовки, смотанной в бухту и (или) со сматыванием протянутой трубы в бухту на волочильном стане барабанного типа. При бухтовом способе применяются как оправочное (плавающая, самоустанавливающаяся оправка), так и безоправочное волочение на трубоволочильных бухтовых станах и барабанах. Данным способом получают трубы диаметром от 1 до 70 мм с толщиной стенки от 0,2 до 3 мм. Скорости волочения до 30 м/с, длина обрабатываемых труб до 6000 м.

Наиболее распространены следующие способы волочения:

— безоправочное волочение — волочение труб, при котором внутренняя поверхность заготовки при протягивании не контактирует с технологическим инструментом. Применяются чаще для промежуточных проходов с целью уменьшения наружного диаметра (далее — D) протягиваемых труб. В ряде случаев (трубки малого диаметра вплоть до капиллярных, достигнутый минимальный D = 0,1 мм) его используют и как отделочную операцию.

— длиннооправочное волочение — с протягиванием заготовки через волоку с длинной (подвижной) недеформируемой оправкой, которую затем извлекают из трубы. Волочение на длинной (подвижной) оправке используют для уменьшения D и толщины стенки (S), изготовления труб D менее 40 мм с очень тонкими стенками (S = 0,1 мм и менее).

— короткооправочное волочение — с обработкой внутренней поверхности заготовки короткой цилиндрической (цилиндроконической) оправкой, удерживаемой в очаге деформации стержнем, закрепленным на станине волочильного стана. Волочение на короткой (неподвижной) оправке применяют для уменьшения D и толщины стенки трубы, а также для улучшения чистоты внутренней поверхности трубы (достигается минимальная шероховатость Ra = 0,14 мкм).

— волочение на самоустанавливающейся оправке — с обработкой внутренней поверхности заготовки незакрепленной (плавающей) самоустанавливающейся оправкой, удерживаемой в очаге деформации уравновешиванием действующих на нее втягивающих и выталкивающих сил. Волочение на плавающей оправке применяют: для изготовления труб большой длины, а также в случаях, когда необходимо разгрузить стержень для крепления оправки от осевых усилий и устранить его вибрацию. При этом способе волочения достигается улучшение качества внутренней поверхности труб и повышение стойкости оправок.

— профилировочное волочение — волочение труб некруглой (фасонной) формы с использованием двух технологических схем. По 1-й трубу получают из заготовки круглого сечения безоправочным волочением в волоке с каналом фасонного сечения. По 2-й волочат на оправках фасонную заготовку, сечение которой подобно сечению готовой трубы. Это позволяет снизить трудоемкость процесса, повысить точность размеров и качество внутренней поверхности труб;

Для волочения труб широкое распространение получили цепные волочильные станы. В настоящее время применяются механизированные трубоволочильные станы: одноцепные и двухцепные с волочением одной, двух и трех труб одновременно, барабаны для волочения длинных труб малых диаметров. В СНГ распространены станы с усилием до 15000 кН, на которых протягивают трубы длиной до 15 м со скоростью 0,75-2 м/с. Бухтовое волочение производят на вертикальных барабанных трубоволочильных станах. Диаметр волочильного барабана — 1000-1500 мм, а для труб малого диаметра 750 мм.

Практическое применение волочения при производстве труб.

Волочение находит широкое применение при производстве труб по различным технологическим схемам:

— традиционные (базовые) при изготовлении труб из углеродистых и коррозионностойких сталей, из цветных металлов и сплавов на их основе с применением комбинированных технологий с использованием волочения;

— короткие при изготовлении труб из тугоплавких металлов с использованием гидропрессованной и кованой заготовки малых размеров, сварной тонкостенной заготовки с использованием волочения;

— сквозные по схеме «выплавка металла — заготовка — получение черновой трубы — получение готовой трубы — отделка» с использованием волочения.

В Украине волочение в производстве труб применяется на следующих предприятиях: «Интерпайп Нижнеднепровский трубопрокатный завод» (ТПЦ-3; специализированный участок по производству труб для ПЭДов, ПЭНов и др.), «Днепропетровский трубопрокатный завод» (два трубоволочильных цеха объединили в единый комплекс; пр-во труб из углеродистых сварных и бесшовных труб-заготовок); «Днепропетровский завод прецизионных труб» (трубы из различных материалов — коррозионностойкие сплавы); «Сентравис Продакшн Юкрейн» (нержавеющие бесшовные трубы); «ЮТиСТ» (труба из углеродистых сталей); «Никопольский трубный завод» (труб широкого сортамента из широкого спектра материалов); «Трубный завод «ВСПО-Ависма» (трубы из титановых сплавов); «Днепровский завод «Алюмаш» (трубы из алюминиевых сплавов); «Артемовский завод по обработке цветных металлов» (медные и латунные трубы).

Современные проблемы

Производство труб волочением является многопроходным процессом, цикличность которого определяется размерами готовой трубы и исходной заготовки. При изготовлении труб волочением имеют место ряд многочисленных вспомогательных операций (термообработка, травление, обезжиривание, промывка, сушка, нанесение подсмазочных покрытий и смазки, правки, обрезка головок и порезка на необходимые длины, формовка головок, нанесение консервационных покрытий и др.).

К заготовке для волочения предъявляют повышенные требования, так как большинство дефектов переходит на готовые трубы. Так, заготовку для безрисочных труб подвергают расточке и последующему контролю с помощью перископа. Недостатки безоправочного волочения — низкое качество внутренней поверхности труб и большая разнотолщинность стенки трубы после волочения.

Применение волочения труб на подвижной оправке не получило широкого развития в СНГ, так как не всегда обоснованно и оправдано предпочтение было отдано станам холодной прокатки (валкового и роликового типов). В то же время при производстве некоторых видов труб (например, труб с микронными стенками и др.) этот способ волочения является единственным способом. Серьезным фактором, сдерживающим применение процесса волочения на подвижной оправке, является необходимость осуществления после волочения трудоемких операций по снятию трубы с оправки.

Важный фактор, определяющий качество труб -применение высокоэффективных технологических смазок, которые должны либо легко удаляться после деформации, либо полностью возгоняться при термической обработке.

Отжиг труб с особо тонкими стенками следует производить в защитной атмосфере, либо вакууме, так как толщина слоя образующейся окалины соизмерима с допусками на геометрические размеры трубы. Величина допустимой вытяжки за проход ограничивается еще и наличием различного рода дефектов (наружных дефектов, несплошностей, нарушений кристаллической решетки и т.п.).

Приоритетные направления развития технологий производства труб с применением процессов волочения

1. Интенсификация процесса волочения без оправки возможна при условии учета всех факторов процесса: расходуемой мощности, усилия, напряжения волочения, при этом энергетические параметры зависят от степени деформации, физико-механических свойств обрабатываемого металла, геометрических размеров трубы, формы волочильного инструмента. Это обусловлено тем, что полная мощность формоизменения расходуется на: изгиб сечения при входе в очаг деформации и выходе из него, преодоление сил трения на поверхности контакта металла с инструментом и внутреннее сопротивление металла, причем в зависимости от угла наклона образующей волоки соотношение между составляющими полной мощности изменяется.

2. Развитие волочения на короткой оправке проходит параллельно с развитием холодной прокатки на станах ХПТ и ХПТР при производстве холоднодеформированных труб широкого сортамента из углеродистых и низколегированных марок стали. Это определяется: высокой скоростью процесса (в сравнении со скоростью при холодной прокаткой), простотой обслуживания станов при настройке и переходе на другой размер, получение высокой точности размеров труб (D и S) и чистоты внутренней поверхности труб (Ra), возможностью изготовления профильных труб при относительной простоте инструмента. Однако, повышенное число проходов при короткооправочном волочении, что обусловлено ограничением разовых деформаций по сравнению с прокаткой труб широкого сортамента, увеличение расходного коэффициента металла (р.к.м.) — всё это делает его экономически нецелесообразным при производстве труб общего назначения. Применение инструмента оптимальной формы из материалов с низким коэффициентом трения приведет не только к снижению расхода энергии, но и к возможности увеличения разовых деформаций трубы за проход, а следовательно, к снижению цикличности, расхода инструмента и др. Схема напряженного состояния оказывает существенное влияние на степень деформации, поэтому снижение противодействующих сил трения на границе контакта «металл-инструмент» является важным фактором при снижении цикличности.

3. Перспективным направлением в современных условиях при производстве прецизионных труб является внедрение сквозных технологий. Структурно сквозные технологии состоят из отдельных самостоятельных (завершенных) в технологической цепочке блоков — модулей (I-V) по схеме: сырье; I блок — выплавка металла; II блок — получение исходных заготовок (слитков); III блок — изготовление передельной заготовки; IV блок — изготовление готовых труб; V блок — обеспечение специальных служебных свойств товарных труб. По мере разработки и внедрения научно-методологических основ этих технологий возникает реальная возможность организации мини-производств или мини-заводов для производства труб широкого сортамента высокого качества (включая прецизионные).

4. С целью снижения коэффициента трения и износа технологического инструмента (волоки, оправки) целесообразно применять нанопокрытия на рабочей (контактирующей) поверхности.

5. С целью снижения цикличности целесообразно использовать в качестве исходной заготовки тонкостенную сварную заготовку размером максимально приближающимся к размеру готовой трубы.

6. С целью интенсификации процессов волочения и обеспечения высокого качества продукции применять целесообразно приложение внешнего воздействия в очаге деформации или к деформируемой трубе: ультразвуковых колебаний, магнитного поля, кручения и др.

Редакция благодарит www.ugmk.info
и д.т.н. Стасовского Ю.Н.
за предоставленные материалы