Основы теории и технологических процессов ОМД и трубного производства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 

Кафедра обработки металлов давлением 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2808 

 

Основы теории 
и технологических процессов 
ОМД и трубного производства 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2017 

УДК 621.77 
 
О-75 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. С.М. Горбатюк 

Авторы: 
И.А. Харитонов, С.П. Галкин, С.В. Самусев, А.С. Будников, В.А. Фадеев 

Основы теории и технологических процессов ОМД и трубного 
О-75 производства / Е.А. Харитонов и [и др.] – М. : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2017. – 172 с. 
 

Представленные лабораторные работы соответствуют дисциплинам: «Оборудование трубных цехов», «Деформационные модули и комплексы ресурсосберегающих технологий для производства сплошных и полых изделий», «Технологические процессы производства сварных и холоднодеформированных труб», 
«Современные проблемы металлургии и материаловедения».  
При составлении пособия авторы стремились предоставить студентам 
возможность глубже освоить содержание читаемых курсов и улучшить уровень их подготовки.  
Лабораторный практикум предназначен для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлениям: 22.03.02 «Металлургия», «Оборудование высокотехнологических комплексов ОМД» 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» программам подготовки «Технологии производства металлопродукции 
методом управляемой пластической обработки», а также для студентов, обучающихся по программе магистратуры по направлениям: 15.04.02 «Технологические машины и оборудование» и по программа: «Инновационные технологии и 
оборудование для производства сплошных и полых изделий», 22.04.02 «Металлургия» «Технология прокатных производств». 

УДК 621.77 

 
 Коллектив авторов, 2017 
 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие .............................................................................................. 5 
Основы техники безопасности при выполнении лабораторных 
работ ........................................................................................................... 6 
Оформление отчета и порядок сдачи лабораторных работ .................. 8 
Лабораторная работа 1. Коэффициенты деформации при  
прокатке. Условие постоянства объема металла ................................... 9 
Лабораторная работа 2. Течение металла при осадке ......................... 24 
Лабораторная работа 3. Упругие деформации рабочей клети ........... 33 
Лабораторная работа 4. Условие постоянства объема металла.  
Коэффициенты деформации при прокатке бесшовных труб.  
Точность гильз и труб ............................................................................ 51 
Лабораторная работа 5. Определение и анализ точности  
сварных и бесшовных труб .................................................................... 66 
Лабораторная работа 6. Влияние холодной обработки  
давлением на механические свойства металлов и сплавов ................ 79 
Лабораторная работа 7. Определение энергосиловых  
и деформационных параметров процесса раскатки труб  
в трехвалковом стане винтовой прокатки ............................................ 90 
Лабораторная работа 8. Изучение очага деформации  
двухвалкового прошивного стана винтовой прокатки,  
его настройки и влияния на процесс прошивки ................................ 117 
Лабораторная работа 9. Условие постоянства объема металла  
и коэффициенты деформации при прошивке и раскатке  
круглых полых профилей и труб ........................................................ 126 
Практическая работа 10. Косвенное определение толщины  
стенки при прокатке бесшовных труб ................................................ 131 
Лабораторная работа 11. Экспериментальное исследование  
формоизменения кромок листовых заготовок по способу JCOE ..... 135 
Лабораторная работа 12. Экспериментальное исследование  
формоизменения основной части листовых заготовок  
по способу JCOE ................................................................................... 154
Библиографический список ................................................................. 163 
Приложение А. Пример титульного листа ......................................... 165 
Приложение Б. Исходные данные к лабораторной работе 2 
«Течение металла при осадке» ............................................................ 166 
Приложение В. Исходные данные к лабораторной работе 4 
«Условие постоянства объема металла» ............................................ 167 

Приложение Г. Исходные данные к лабораторной работе 7 
«Определение энергосиловых и деформационных параметров 
процесса раскатки труб  в трехвалковом стане винтовой 
прокатки» .............................................................................................. 168 
Калибровка рабочих валков раскатного стана ................................... 170 
Механические свойства материалов при различных  
температурах ......................................................................................... 171 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Практикум подготовлен коллективом кафедры обработки металлов 
давлением в соответствии с программами курсов: «Оборудование трубных цехов»; «Деформационные модули и комплексы ресурсосберегающих технологий для производства сплошных и полых изделий», «Технологические процессы производства сварных труб», «Современные 
проблемы металлургии и материаловедения», целью которых является 
обеспечение студентов необходимым теоретическим и практическим 
материалом, улучшение уровня подготовки к практическим и лабораторным работам. 
Представлены двенадцать лабораторных работ, основанных на 
теории обработки металлов давлением, технологических процессов 
производства бесшовных и сварных труб. Показаны принципы расчета основных деформационных и энергосиловых параметров процессов прокатки и формовки труб, закономерности течения металла 
при осадке, влияние холодной обработки давлением на механические 
свойства металлов и сплавов. Изложены основные параметры калибровки технологического инструмента, настройки очага деформации 
станов винтовой прокатки при производстве бесшовных труб. Представлены материалы, отражающие работу оборудования и технологические операции получения сварных труб круглого сечения. Описан способ экспериментального исследования формоизменения и 
формовки листовых заготовок. 
Цель настоящего лабораторного практикума: 
– закрепление и углубление знаний по теории, технологии и оборудованию производства бесшовных и сварных прямошовных труб и 
профилей; 
– формирование у студентов умения и навыков управления основными технологическими процессами и качеством изделий на основе анализа влияния на них технологических факторов и режимов 
настройки лабораторного оборудования. 
В период с 2005 по 2016-й учебный годы изложенные материалы 
были опробованы на практических и лабораторных занятиях, а также 
в период подготовки к курсовым научно-исследовательским и выпускным квалификационным работам. Это позволило проработать материал с учетом накопленного опыта.  
Лабораторные работы с 1 по 7 подготовлены Е.А. Харитоновым, 
А.С. Будниковым, с 8 по 10 – С.П. Галкиным, с 11 по 12 С.В. Самусевым, В.А. Фадеевым. 
 

ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ 
ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

1. Перед выполнением лабораторных работ обязателен вводный 
инструктаж, проводимый преподавателем, о чем составляется соответствующий документ за подписью студентов и преподавателя. 
2. Каждый студент должен следить за условиями и приемами выполнения порученной ему работы, ставить в известность преподавателя о замеченной в работе опасности, своевременно принимать меры к ее устранению. 
3. Студент не должен трогать оборудование, на котором на данном занятии не выполняется экспериментальное исследование. 
4. При работе на учебном оборудовании студент должен быть 
предварительно ознакомлен с его основными узлами, их взаимодействием и приемами управления агрегатом. 
5. При работе на прокатном стане учебный мастер и студенты 
обязаны руководствоваться следующими правилами: 
а) перед началом работы осмотреть стан: валки, нажимное устройство, проводковую арматуру (столы и линейки), шпиндели и другие передаточные механизмы; 
б) перед пуском стана необходимо удалить от стана посторонних 
лиц и предупредить работающих возгласом: «Осторожно, включаю!»; 
в) запрещается стоять на линии прокатки (линии движения прокатываемого металла); 
г) запрещается во время работы стана проводить наладку проводок, открывать или снимать ограждения; 
д) запрещается смазывать механизмы стана при его работе, а также производить какой-либо ремонт стана; 
е) запрещается обтирать проводковую арматуру и валки во время 
их вращения со стороны переднего проводкового стола (со стороны 
входа в них металла); 
ж) при прокатке коротких образцов для подачи их к валкам через 
направляющие линейки следует пользоваться деревянным толкателем. 
6. При работе на испытательной машине необходимо соблюдать 
следующие правила: 
а) к работе на универсальной машине допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности; 

б) перед испытанием необходимо проверить надежность крепления приспособлений и образца в захватах; 
в) не допускается прикасаться к приспособлениям, образцу, узлам 
и деталям машины во время испытаний; 
г) в случае любых отклонений от нормального хода испытания 
следует выключить рубильник силового щитка и пригласить лаборанта или преподавателя, ведущего занятия, для выяснения причин 
отклонения. 
7. При работе на гидравлическом прессе студентам запрещается 
включать гидропривод пресса без разрешения учебного мастера или 
преподавателя. При установке инструмента и образца гидропривод 
пресса должен быть отключен. 
В период рабочего и обратного хода траверсы пресса запрещено 
касаться руками подвижных частей пресса и проводить какие-либо 
операции с инструментом и образцом. В случае нарушения нормального хода процесса прессования или осадки следует немедленно остановить гидропривод пресса и пригласить учебного мастера или 
преподавателя для выяснения причин отклонений. 
8. При работе с измерительной электрической аппаратурой необходимо соблюдать следующие основные правила: 
а) включать установки только после разрешения преподавателя; 
б) перед включением аппаратуры проверить ее заземление; 
в) при включенной аппаратуре запрещено проводить какой-либо 
электромонтаж; 
г) запрещается работать при снятых крышках и щитах. 

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА И ПОРЯДОК СДАЧИ 
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

Каждый студент представляет индивидуальный письменный отчет с обязательным оформлением титульного листа по форме, приведенной в приложении А, в брошюрованном виде. Отчет должен быть 
аккуратно оформлен; сокращения слов, кроме общепринятых, не допускаются; текст отчета располагается на одной стороне листа, вторая сторона оставляется для записи замечаний преподавателя и материалов обсуждения результатов при защите работы. Чертежи и схемы выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД, диаграммы – 
в соответствии с ГОСТ 2.319–81 с соответствующим расположением 
их по тексту отчета. В текст отчета должны быть введены ссылки на 
рисунки, таблицы и библиографические источники. В отчете обязательно должны содержаться выводы по работе. 
Статистическая обработка экспериментальных данных, полученных 
студентами, 
должна 
производиться 
в 
соответствии 
с 
ГОСТ 8.207–76. Обработка данных и оформление отчета могут быть 
перенесены на часы самостоятельной работы. В этом случае отчет о 
выполненной работе принимается преподавателем перед началом 
экспериментальной части следующей работы. 
Принимая отчет, преподаватель проверяет полученные студентом 
результаты, правильность ведения записей, обработки и оформления 
результатов. Студент должен ответить на вопросы теоретического и 
практического характера, связанные с данной работой. При бригадном выполнении лабораторных работ отчет выполняется и защищается студентом индивидуально.  
При выполнении студентом всех установленных программой курса работ и своевременной их защите зачет по лабораторному практикуму выставляется без проведения дополнительного опроса. 

Лабораторная работа 1 

КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ 
ПРОКАТКЕ. УСЛОВИЕ ПОСТОЯНСТВА ОБЪЕМА 
МЕТАЛЛА 

(2 часа) 

1.1. Цель работы 

Приобретение навыков замера образцов, обработки полученных 
данных, расчета основных величин, характеризующих пластическую 
деформацию металлов. Приобретение практических знаний о проявлении закона постоянства объема металла. 

1.2. Теоретическое введение 

При разработке новых, а также при совершенствовании действующих технологий, выполнении исследований в области обработки 
металлов давлением используется условие постоянства объема металла, согласно которому плотность деформируемого металла сохраняется постоянной в течение всего цикла обработки. 
Условие постоянства объема записывается в следующем виде: 

 
0 0 0
1 1 1
h b l
h b l

, 
(1.1) 

где h0, b0, l0 и h1, b1, l1 – высота, ширина и длина образца, имеющего 
форму прямоугольного параллелепипеда, до и после первой технологической операции деформирования соответственно. 

В реальных условиях обработки металлов давлением наблюдаются отклонения от этого условия. Так, при горячей прокатке на обжимных станах слитков и литых заготовок, вследствие исчезновения 
в первых 5–6 проходах пустот, усадочной раковины, пузырей, плотность металла повышается (например, для кипящей стали – с 6,9 до 
7,85 т/м3, т.е. объем слитка уменьшается на 12%. При дальнейшей 
горячей деформации плотность металла, а следовательно, и его объем не изменяются. 
При холодной обработке давлением ранее деформированного металла его плотность снижается в результате увеличения числа дефектов кристаллической решетки, вакансий, дислокаций и др. В соответствии с этим объем металла увеличивается. Экспериментальным пу

тем установлено, что при степени деформации 80 % увеличение объема стали составляет 0,25…0,35 %; при степени деформации 60 % 
изменение объема меди и латуни достигает 1…2 %. В практических 
расчетах параметров технологических процессов отмеченными изменениями плотности и, соответственно, объема пренебрегают. 
Из условия постоянства объема следует, что 

 
1 1 1

0 0 0
1
h b l
h b l  . 
(1.2) 

Величина 
0
1
/
h
h    характеризует деформацию металла в направлении высоты полосы и называется коэффициентом высотной 
деформации; соответственно величина 
0
1
/
b
b    характеризует деформацию в направлении ширины полосы и называется коэффициентом поперечной деформации; величина 
1
0
/
l
l    характеризует 
деформацию в направлении длины полосы и носит название коэффициента продольной деформации. 
Используя вышеуказанные обозначения, запишем выражение постоянства объема в следующем виде: 

 
1
 

 
(1.3) 

или после логарифмирования 

 
ln
+ ln + ln
= 0




. 
(1.4) 

Следовательно, алгебраическая сумма логарифмов коэффициентов деформации по трем взаимно перпендикулярным направлениям 
равна нулю. 
При выполнении технологических расчетов при продольной прокатке используются следующие величины, характеризующие деформацию: 
– абсолютное обжатие за проход 

 
Δh = h0 – h1, 

за n проходов  

 
ΔhΣ = h0 – hn; 

– относительное обжатие за проход (%) 

0
1

0
100;
h
h
h

 

 

за несколько проходов  

 
0
Σ
0

n
h
h
h

 
100; 

– абсолютное уширение Δb = b1 – b0; 
– коэффициент вытяжки за проход  

 
0
0 0

1
1 1
;
F
h b

F
h b
 

 

за несколько проходов  

 
0
0 0

n
n n

F
h b

F
h b

 

 

или  

 
1
2
3...
n

    
  

и вышеназванные коэффициенты η, β, λ. 
При прокатке широких листов, когда b / h > 100, а также на широкополосных станах при прокатке тонких листов и при холодной прокатке, когда уширение незначительно изменяет ширину, пользуются 
формулой 

 
0

n

h
h
 
. 

В этом случае связь между коэффициентом вытяжки и относительным обжатием может быть представлена в следующем виде: 

 
1
1
1
100;
1
/100


 


 



 


. 
(1.5) 

Средний коэффициент вытяжки по проходам рассчитывается по 
формуле  

 
ср
n




 . 
(1.6) 

1.3. Оборудование, инструмент, образцы 
Проверка условия постоянства объема металла осуществляется 
путем прокатки на стане образцов прямоугольного сечения из углеродистой стали и алюминиевого сплава, имеющих размеры: длина 
l0 = 100…120 мм; 
толщина h0 = 1,9…2,1 мм; 
ширина b0 = 15 мм, b0 = 20 мм, b0 = 25 мм. 
Прокатка осуществляется на лабораторном стане ДУО 210. 
Техническая характеристика стана ДУО 210 приведена ниже: 

Сортамент, мм: 
толщина листа ....................................... 1…10 
ширина листа ......................................... до 270 
Тип клети: ................................................. Закрытого типа 
Рабочие валки: 
длина бочки, мм .................................... 310 
диаметр бочки, мм ................................ 210 
частота вращения, об / мин .................. 19 
Обжатие за проход, мм ............................ 0,1…3 
Главный привод: 
тип двигателя ........................................ Переменного тока 
мощность, кВт ....................................... 55 
частота вращения, об / мин .................. 1000 
общее передаточное число ................... 53 

Общий вид стана представлен на рис. 1.1 и 1.2 

 
 
а 
б 
Рис. 1.1. Общий вид стана ДУО 210: а – вид спереди; б – вид сбоку 

До и после каждого прохода производится измерение образцов: 
– толщины – микрометром; 
– ширины и длины – штангенциркулем. 
Применение указанного инструмента обеспечивает величину погрешности определения объема деформируемого металла не более 
5 %, а с учетом точности изготовления образцов не более 10 %.