Винтовая прокатка непрерывно-литых заготовок из конструкционных марок стали

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. А. Богатов, Д. А. Павлов, Д. Ш. Нухов

Винтовая прокатка 
непрерывно-литых заготовок 
из конструкционных марок стали

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
в качестве учебного пособия
для студентов вуза, обучающихся по направлениям
22.03.02; 22.04.02 — Металлургия 
и 22.03.01; 22.04.01 — Материаловедение 
и технологии материалов

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.774.353:669.14.018.291-147(075.8)
ББК 34.621.66я73+34.222.23я73
          Б73

Рецензенты:
кафедра «Машины и технологии обработки материалов давлением»  
Южно-Уральского государственного университета (завкафедрой — проф., 
д-р техн. наук В. Г. Шеркунов);
О. С. Лехов, д-р техн. наук, профессор кафедры «Автомобили и подъемно-
транспортные машины» Российского государственного профессионально-
педагогического университета

Научный редактор — проф., д-р техн. наук Г. А. Орлов

 
Богатов, А. А.
Б73    Винтовая прокатка непрерывно-литых заготовок из конструкционных 
марок стали : учеб. пособие / А. А. Богатов, Д. А. Павлов, Д. Ш. Нухов. — 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 164 с.

ISBN 978-5-7996-2031-8

Предназначено для студентов (бакалавров и магистрантов) и аспирантов,  
обучающихся по направлениям 22.03.02; 22.04.02 — Металлургия и 22.03.01; 
22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов.

Библиогр.: 10 назв. Табл. 32. Рис. 115.

УДК 621.774.353:669.14.018.291-147(075.8)
ББК 34.621.66я73+34.222.23я73

ISBN 978-5-7996-2031-8 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

Оглавление

1. Теоретические основы винтовой прокатки заготовки .............................................. 6

1.1. Геометрия очага деформации .......................................................................... 6
1.2. Кинематика процесса винтовой прокатки ................................................... 10
1.3. Система ограничений процессов винтовой прокатки и прошивки 
        заготовки ........................................................................................................ 15

1.3.1. Условия захвата .................................................................................... 15
1.3.2. Преждевременное вскрытие полости при винтовой прошивке 
           заготовки ............................................................................................... 18
1.3.3. Скручивание заготовки в валках .......................................................... 19

1.4. Способы повышения надежности и стабильности процесса ....................... 21

2. Компьютерное моделирование процесса винтовой прокатки ................................. 23

2.1. Компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением .... 23
2.1.1. Развитие конечно-элементного моделирования процессов 
           обработки металлов давлением на основе вариационного 
           принципа механики, предложенного В. Л. Колмогоровым ............... 23
2.1.1.1. Шаговая процедура решения краевой задачи ОМД ............... 25
2.1.1.2. Структурно-чувствительная модель деформируемого тела ... 26
2.1.1.3. Дополнение алгоритма шаговой процедуры решения 
               краевой задачи ОМД ............................................................... 32
2.1.2. Основы работы в программе Deform ................................................... 33
2.1.3. Pre Processor .......................................................................................... 34
2.1.4. Simulator ................................................................................................ 37
2.1.5. Post Processor ........................................................................................ 39

2.2. Деформированное состояние металла при обжатии заготовки 
        в трехвалковом стане винтовой прокатки .................................................... 41
2.2.1. Постановка задачи компьютерного моделирования 
            и планирование вычислительного эксперимента .............................. 42
2.2.2. Анализ результатов исследования ....................................................... 44

2.3. Деформированное состояние металла при винтовой прошивке ................. 50

2.3.1. Постановка задачи компьютерного моделирования 
           и планирование вычислительного эксперимента ............................... 50
2.3.2. Анализ результатов исследования ....................................................... 51
2.4. Компьютерное моделирование формоизменения заднего конца 
        заготовки при обжатии и прошивке ............................................................. 56

2.4.1. Компьютерное моделирование процесса обжатия заготовки 
           на трехвалковом обжимном стане ....................................................... 56
2.4.2. Компьютерное моделирование процесса прошивки .......................... 59

Оглавление

3. Исследование формоизменения заднего конца заготовки при винтовой прокатке ...... 62
3.1. Исследование влияния формы конца заготовки и режимов прокатки 
        на размеры утяжины ...................................................................................... 62

3.1.1. Исследование влияния технологических параметров процесса 
            обжатия на образование утяжин ......................................................... 62
3.1.2. Исследование влияния формы конца заготовки на размеры 
            утяжины ............................................................................................... 70
3.1.3. Исследование влияния глубины утяжины на формоизменение 
            гильзы при прошивке .......................................................................... 73

3.2. Проверка достоверности результатов компьютерного моделирования  ..... 75
        сопоставлением результатов вычислительного и промышленных 
        экспериментов ............................................................................................... 75
3.3. Физическое моделирование процесса профилирования заднего 
        конца заготовки на трехвалковом обжимном стане ..................................... 83

3.3.1. Рабочий проект устройства для моделирования процесса 
           профилирования заднего конца заготовки на трехвалковом 
           обжимном стане ................................................................................... 83
3.3.2. Планирование физического эксперимента ......................................... 86
3.3.3. Анализ результатов модельного эксперимента ................................... 88
3.4. Компьютерное моделирование процесса профилирования заднего 
        конца заготовки на трехвалковом обжимном стане ..................................... 89

3.4.1. Компьютерное моделирование процесса профилирования 
           конца заготовки в программном комплексе DEFORM-3D ............... 90
3.4.2. Влияние температурных полей на формоизменение концевой 
           части заготовки ..................................................................................... 95

4. Оборудование и настройка станов винтовой прокатки ........................................... 98
4.1. Оборудование и настройка трехвалкового стана винтовой прокатки ......... 98

4.1.1. Назначение и область применения ..................................................... 98
4.1.2. Описание оборудования участка обжимного стана ............................ 99
4.1.3. Описание работы обжимного стана ...................................................104
4.1.4. Настройка обжимного стана и его эксплуатация ..............................106
4.2. Реконструкция оборудования входной стороны трехвалкового 
        обжимного стана на основе результатов компьютерного 
        моделирования и промышленных экспериментов .....................................107

4.2.1. Участок входной стороны трехвалкового обжимного стана .............107
4.2.2. Техническое задание на реконструкцию входной стороны 
            обжимного стана ТПА-80 ...................................................................109
4.2.3. Компоновка основных узлов входного стола обжимного стана 
           по предлагаемому варианту реконструкции ......................................111
4.2.4. Кинематический расчет процесса профилирования заднего 
           конца заготовки ...................................................................................112
4.2.5. Реконструкция вталкивателя заготовки .............................................113
4.2.6. Реконструкция желоба входной стороны обжимного стана .............114
4.2.7. Реконструкция входной проводки .....................................................115

Оглавление

4.2.8. Описание процесса прокатки заготовки в трехвалковом 
           обжимном стане ..................................................................................116

4.3. Оборудование и настройка прошивного стана ............................................118

4.3.1. Состав оборудования прошивного стана ...........................................118
4.3.2. Описание работы стана .......................................................................124
4.3.3. Настройка прошивного стана .............................................................124

5. Способы изготовления непрерывно-литой заготовки ...........................................130

5.1. Конверторный способ производства стали .................................................130
5.2. Технологическая схема электросталеплавильного способа 
        производства стали и непрерывно-литых заготовок ...................................134

6. Повышение качества стали, непрерывно-литых заготовок и труб .......................139

6.1. Освоение технологии внепечной обработки стали .....................................139
6.2. Повышение качества непрерывно-литой заготовки ...................................143
6.2.1. Исследование образования трещин в осевой зоне слитка.................143
6.2.2. Технические решения по уменьшению вторичного окисления 
           стали на МНЛЗ ....................................................................................145

6.3. Исследование процесса формирования структуры и механических 
        свойств при винтовой прокатке ...................................................................146

6.3.1. Структура высокопрочной стали 03Х11 Н10 ......................................146
6.3.2. Влияние предварительного обжатия непрерывно-литой 
           заготовки на зеренную структуру .......................................................148

6.4. Результаты освоения производства непрерывно-литой заготовки 
        на ОАО «Первоуральский новотрубный завод». Оценка качества труб .....150
6.5. Исследование влияния технологических режимов прошивки 
        на образование дефектов на поверхности труб и уровень брака 
        продукции .....................................................................................................153

6.5.1. Оценка влияния типа трубопрокатного агрегата на качество 
           поверхности труб .................................................................................156
6.5.2. Анализ влияния способов и режимов прокатки на ТПА 
          на образование наружных дефектов ....................................................157

Список библиографических ссылок .......................................................................163

1. Теоретические основы  
винтовой прокатки заготовки*

1.1. Геометрия очага деформации
А

нализ известных технологических схем производства горячекатаных 
труб показывает, что определяющим как с точки 
зрения повышения производительности, так и формирования 
качества продукции, является процесс винтовой прокатки [1–10]. 
При винтовой прокатке движение деформируемой заготовки происходит 
под действием сил трения на поверхности контакта металла с валками. 
Заготовка совершает поступательное и вращательное движение. 
Винтовое движение заготовки обеспечивается при наклоне осей рабочих 
валков относительно оси заготовки и одинаковом направлении 
вращения рабочих валков. Обжатие заготовки происходит вследствие 
того, что в конусе захвата расстояние между рабочими поверхностями 
валков в осевом направлении движения заготовки уменьшается, однако 
в конусе раскатки это расстояние увеличивается, а обжатие характеризуется 
введением в очаг деформации оправки.
Винтовая прошивка — это процесс формоизменения сплошной 
в исходном состоянии заготовки в полую гильзу при прокатке. В дальнейшем 
гильза подвергается раскатке на оправке различными способами 
и в результате получают черновую трубу, а после горячей отделки (
обкатка, редуцирование, калибровка) получают чистовую трубу. 
На практике применяются преимущественно литые, катаные и кованые 
заготовки цилиндрической формы. Процесс винтовой прошивки 
является наиболее распространенным при производстве горячекатаных 
труб. Он менее затратный по сравнению с прессовой 
и пресс-валковой прошивкой и обеспечивает получение длинномерных 
и тонкостенных гильз. Точность размеров гильз, полученных вин-

* Выполнено совместно с В. А. Топоровым.

1.1. Геометрия очага деформации

товой прошивкой, также выше, чем при прессовой и пресс-валковой 
прошивке.
Очаг деформации при винтовой прокатке деформируемой заготовки 
определяется взаиморасположением и движением инструмента деформации: 
валки, линейки (направляющий инструмент) и оправка. 
По форме валков станы винтовой прокатки подразделяются на четыре 
типа (рис. 1.1): с бочковидными, грибовидными, чашевидными 
и дисковыми валками.

а

в

б

г

Рис. 1.1. Схемы прокатки:

а — бочковидными, б — грибовидными, в — чашевидными валками;  
г — дисковыми валками

Размеры валков характеризуются диаметром (D) и длиной (L) бочки 
валка, углами наклона образующих входного (α1) и выходного конусов (
α2) относительно оси валка (рис. 1.1, а). В некоторых случаях 
применяется многоконусная бочка валка. Ось валка относительно оси 
прошивки в горизонтальной плоскости наклонена под углом раскатки 
δ (рис. 1.1, б), а в вертикальной плоскости под углом подачи — β. 
Для бочковидных валков δ = 0, грибовидных δ = 7–10°, для чашевидных 
δ = — (9–11°). Угол подачи β настраивается на значение в диапазоне (
7–16°).
Схемы очага деформации с использованием направляющего инструмента 
различного типа представлены на рис. 1.2.

1. Теоретические основы винтовой прокатки заготовки

а

б

в

Рис. 1.2. Схемы очагов деформации с различными видами  
направляющего инструмента:

а — линейки, б — ролики, в — диски

Наиболее распространенным направляющим инструментом явля-
ются линейки, расположенные в вертикальной плоскости вместе с ме-
ханизмом настройки расстояния между ними (рис. 1.2, а). Вместо ли-
неек могут применяться направляющие ролики (рис. 1.2, б). Известны 
компоновки инструмента деформации с расположением валков в вер-
тикальной плоскости и расположением направляющих приводных дис-
ков в горизонтальной плоскости (рис. 1.2, в) [8]. Направляющий ин-
струмент совместно с валками удерживает заготовку и гильзу в очаге 
деформации строго по оси прокатки.
Используемые при прошивке оправки могут быть подразделены 
на три вида: сферические, дуговые, конические (см. рис. 1.3). Наибо-
лее распространенными среди них являются оправки со сферическим 
профилем (см. рис. 1.3, а) [5–7].

1.1. Геометрия очага деформации

φ0

R

R

R

φ0

d0

l0
lk

l0

lk
l0
lk

a
б

в

Рис. 1.3. Виды оправок прошивного стана с различным профилем:

а — сферическим, б — дуговым, г — коническим

Кроме того, оправки различают водоохлаждаемые и без принуди-
тельного охлаждения.
Процесс прошивки характеризуется силовыми и тепловыми усло-
виями взаимодействия заготовки и инструмента деформации. В об-
щем случае по длине очага деформации можно выделить семь участков 
со специфическими силовыми и тепловыми условиями эксплуатации 
инструмента [7]. Расположение характерных точек и соответствую-
щих участков очага деформации определяются условиями первично-
го и вторичного захвата заготовки, стационарного протекания процес-
са прошивки, его начала и окончания (см. рис. 1.4).
На участке касания заготовки с валком от точки 1 до точки 2 заго-
товка может свободно овализироваться. От точки 2 до точки 3 овали-
зация приобретает упорядоченный характер, определяемый калибров-
кой валков и линеек, а также технологическими режимами процесса 
прошивки. Наиболее интенсивная деформация происходит на участ-
ке от точки 3 до точки 4. На калибрующем участке оправки от точки 4 
до точки 6 деформационные, силовые и тепловые характеристики про-
цесса уменьшаются. Точки 5, 6, 7 и 8 определяют границы участков, 
на которых происходит отрыв поверхности гильзы от оправки, направ-
ляющих линеек и валков.

1. Теоретические основы винтовой прокатки заготовки

l
m
p

α1

Dз

Dг

lp

d0

1
3
8

8

7
2

5

4 6

Рис. 1.4. Характерные зоны очага деформации прошивного стана

Следует отметить весьма сложный характер напряжений трения 
и скольжения металла на поверхности валков, направляющего ин-
струмента и прошивной оправки, которые зависят от калибровки тех-
нологического инструмента и скорости вращения валков. Настройка 
инструмента деформации и его калибровка, а также точность подачи 
заготовки и выдачи гильзы из очага деформации оказывают влияние 
на качество гильзы: точность размеров и наличие дефектов на вну-
тренней и наружной поверхности гильзы [8].

1.2. Кинематика процесса винтовой прокатки

При винтовой прокатке одновременно происходит вращение и пе-
ремещение заготовки в осевом направлении, а также радиальное об-
жатие ее валками. При винтовой прокатке перемещение заготовки ха-
рактеризуется осевой u и тангенциальной v составляющими вектора 
скорости. Величины этих скоростей отличаются от соответствующих 
составляющих uў и vў скорости валков. Отношение фактической ско-
рости металла в осевом направлении к соответствующей составляю-
щей скорости валков называют коэффициентом осевого скольжения 
h0, а отношение тангенциальной составляющей скорости вращения 
заготовки к соответствующей составляющей скорости валков называ-

1.2. Кинематика процесса винтовой прокатки

ют коэффициентом тангенциального скольжения hТ, тогда u = h0 uў, 
v = hТ·vў. На рис. 1.5 представлена схема скоростей металла и валка при 
поперечной прокатке: угловые скорости валка wв и заготовки wз, тан-
генциальные составляющие скорости валка и скорости заготовки 

в точке А равны ў =
v
Rn
p
в

30  и v
Rn
= p
з

30  соответственно, где nв, nз, R и rз — 

число оборотов вращения и радиусы валка и заготовки; положение точ-
ки А на контактной поверхности определено радиус-вектором rx.

Рис. 1.5. Схема скоростей в тангенциальном направлении

Вектор Dv
v
v
=
ў -
(
) характеризует скорость скольжения металла 
в тангенциальном направлении. Если Δv > 0, то имеет место отстава-
ние металла от валка, а если Δv < 0 — опережение. Полагая, что углы 
подачи и раскатки при винтовой прокатке малы, можно утверждать, 
что рассмотренная диаграмма скоростей, характерная для поперечной 
прокатки, достаточно точно описывает течение металла и при винто-
вой прокатке. Определив положение точки А угловыми координата-
ми φв и φз, найдем тангенциальные составляющие скорости валка и ме-
талла

 
ў =
+
v
Rn

x

p
j
j
в

в
з
30

cos(
),

 
v
r n

x

x
з
= p
30 .

Коэффициент тангенциального скольжения определим по следу-
ющей формуле:

1. Теоретические основы винтовой прокатки заготовки

 
h
j
j

т
з

в
в
з

=
+

r n

n R

x
cos(
). 
 (1.1)

По-видимому, на контактной поверхности есть точка, положение 
которой определено радиусом r ў, в которой тангенциальные составля-
ющие скорости заготовки и валка равны. Для этой критической точки 
коэффициент тангенциального скольжения равен единице:

 
ў

ў + ў
=
r n
n R

з

в
в
з
cos(
)
.
j
j
1  
 (1.2)

Будем полагать, что все точки заготовки вращаются с одинаковой 
угловой скоростью (wз = const), т. е. совершают nз оборотов в минуту. 
Таким образом, пренебрегаем влиянием поля скоростей пластической 
деформации на значение вектора скорости v. Решая совместно урав-
нения (1.1) и (1.2), получаем

 
h
j
j

j
j

т

в
з

в
з

=
ў

+

+

ў
ў
r

r

x cos(
)

cos(
)

.

Используя уравнения

 
R
r
R
r
x
x
cos
cos
,
j
j
в
з
+
=
+

 
R
rx
sin
sin
j
j
в
з
=

и аналогичные уравнения для критической точки, получим оконча-
тельно:

 
h

j
j
т

в

в
=
+
+
-
-

+
+
-

-

ў

й

л
к

щ

ы
ъ
1
2
1
1
2
2

1
1

2
i
i
i

i

i
i

(
)cos
(
)cos
,

где i
r
R
=
.

Эта зависимость впервые была получена П. К. Тетериным, который 
обратил внимание на тот факт, что в выходном сечении, когда φв = 0, 
коэффициент тангенциального скольжения ηТ < 1, а на входе — ηТ > 1. 
Это означает, что при поперечной прокатке имеются зоны отставания 
и опережения, но в отличие от продольной прокатки их расположе-
ние иное: на входе в очаг деформации имеет место зона опережения, 
а при выходе из валков — зона отставания.
При винтовой прокатке в каждом сечении, перпендикулярном оси 
прокатки, величина коэффициента тангенциального скольжения нео-

1.2. Кинематика процесса винтовой прокатки

динакова. В этой связи представляет интерес исследование изменения 
коэффициента вдоль очага деформации. Согласно исследованиям, 
выполненным О. А. Пляцковским, на большей части очага деформа-
ции в тангенциальном направлении имеет место отставание металла 
от валков (ηТ < 1), и лишь на входном участке очага деформации име-
ется зона опережения, где ηТ > 1. Протяженность этой зоны — 10–20 %. 
Таким образом, по длине очага деформации имеется нейтральное се-
чение, где скорость заготовки и валка одинакова. В экспериментах 
С. П. Грановского отмечены два нейтральных сечения: первое — меж-
ду входным и выходным сечением очага деформации, второе — ней-
тральное сечение — расположено вблизи выхода металла из очага де-
формации. Следует отметить, что во всех экспериментах полученные 
коэффициенты тангенциального скольжения имеют значения, близ-
кие к единице, hТ = 0,97–0,98, а в зоне опережения в тангенциальном 
направлении hТ =1,02–1,04.

Осевая составляющая скорости валков сравнительно мало изменя-
ется по длине очага деформации — в основном пропорционально ра-
диусу валка — и зависит от угла подачи. Заготовка при прошивке пре-
терпевает значительную деформацию (коэффициент вытяжки при 
прошивке достигает 3,0–4,5), при этом увеличивается осевая состав-
ляющая скорости металла. Несоответствие скорости металла и валков 
вызывает осевое скольжение. Коэффициент осевого h0 скольжения 
может быть больше или меньше единицы. Это означает, что в осевом 
направлении также может быть как зона отставания, так и зона опе-
режения [5].
Устойчивое протекание процесса с осевым отставанием металла 
по всей контактной поверхности объясняется наличием резерва сил 
трения в тангенциальном направлении. Обычно коэффициент осе-
вого скольжения определяют для сечения выхода, а по его величине 
судят о производительности процесса. При прошивке в станах с боч-
ковидными валками h0 =0,5–0,9; в станах с грибовидными валками — 
h0 = 0,8–0,95. Исследования П. К. Тетерина показали, что при прошив-
ке в трехвалковых станах коэффициент осевого скольжения больше, 
чем в двухвалковых (на 15–20 %). Многочисленными исследованиями 
[1–10] на качественном уровне установлено влияние различных техно-
логических факторов на величину коэффициента осевого скольжения. 
Увеличение коэффициента вытяжки при прошивке вызывает увели-
чение коэффициента осевого скольжения. Увеличение скорости про-