Дипломная (вкр): Разработка технологического процесса и оборудования для изготовления особо тонких сварных труб

Рис. 5. Схема высокочастотной сварки с контактным подводом тока: 1 токоподводящие контакты; 2 - трубная заготовка; 3 - сжимающие валки; 4 точки схождения кромок; 5 - два возможных пути тока (пунктирные линии)

Рис.6. Схема высокочастотной сварки с индукционным подводом тока:1  - трубная заготовка; 2 - индуктор; 3 - ферритовый стержень; 4 - сжимающие валки; 5 - путь тока; 6 - точка схождения кромок

При индукционном способе передачи энергии свариваемую заготовку помещают в цилиндрический индуктор (рис.5). При этом ток, индуктируемый в заготовке, проходя по ее периметру, достигает максимальной концентрации на свариваемых кромках и замыкается в точке схождения их. Для усиления эффекта внутрь трубы вводят магнитный сердечник, набираемый обычно из ферритных колец.

Нагрев кромок трубной заготовки токами радиочастоты позволяет осуществлять сварку как с оплавлением, так и без оплавления кромок; при этом возможны три режима нагрева кромок.

Разогрев кромок свариваемой заготовки ниже температуры плавления металла с последующим обжатием в опорных валках.

Разогрев кромок свариваемой заготовки с оплавлением в точке схождения кромок с последующим обжатием в опорных валках. При этом жидкий металл с окислами легко удаляется давлением шовсжимающих валков.

Кромки при подходе к точке схождения нагреваются до расплавления, а на стыке дополнительно перегреваются. В дальнейшем при схождении кромок происходит интенсивный выброс оплавленного металла, сопровождающийся разрушением окислов и удалением их из зоны шва.

Выбор того или иного варианта ведения сварочного процесса зависит от свойств металла трубы, качества поверхности заготовки и требований, предъявляемых к внутреннему грату;

При наличии на поверхности металла плотных тугоплавких окислов, например при сварке нержавеющих сталей, для их удаления из зоны шва наиболее эффективен третий способ сварки, с предварительным оплавлением кромок до момента их схождения.

Малоуглеродистые стали хорошо свариваются как при разогреве кромок ниже температуры плавления, так и в расплавленном состоянии.

Однако в первом случае давление на свариваемые кромки должно быть больше, чем в случае сварки с расплавлением, что ведет к образованию ровного, но значительного по величине внутреннего грата. Поэтому целесообразно вести процесс с расплавлением в точке схождения кромок

При изготовлении труб токами радиочастоты качество сварного соединения повышается с увеличением скорости сварки. Это вызвано тем, что сокращается время нагрева и ширины зоны нагрева кромок, а также сокращается период времени интенсивного окисления металла.

Состояние поверхности ленты в значительной степени влияет на качество сварного соединения.

Качество сварного соединения труб, изготовленных радиочастотной сваркой, проверяют стандартными методами: сплющиванием до появления трещины и раздачей конусной оправкой. Результаты испытаний показывают, что механические свойства сварного шва труб, сваренных токами радиочастоты значительно превышают требования ГОСТа, так, при раздаче конусом трубы выдерживают увеличение наружного диаметра до 20-25%. При этом разрушение происходит преимущественно по основному металлу вдали от шва и зоны термического влияния. Трубы выдерживают сплющивание до соприкосновения стенок. Стабильность получаемого качества сварного шва при двухрадиусной калибровке валков формовочного стана выше, чем при однорадиусной. Это объясняется лучшей формовкой трубной заготовки в районе кромок.

При отсутствии фильтра в анодной цепи генераторной лампы значительная амплитуда колебаний выпрямляемого напряжения приводит в ряде случаев к получению не проваренных участков. Установка фильтра позволяет получать трубы с хорошо проваренным по длине швом.

Размеры и форма внутреннего грата при радиочастотной сварке определяется тепловым режимом сварки и давлением в сварочном узле. По внешнему виду различают сплошной каплевидный грат; каплевидный прерывистый; сплошной трапециидального сечения.

Сплошной каплевидный грат получается при сравнительно низких скоростях сварки (38-40 м/мин) и едко при более высоких скоростях. Высота его колеблется в пределах 0,3-0,45 мм.

При скоростях сварки более 0,75 м/сек (45 м/мин) наиболее характерен прерывистый каплевидный грат высотой 0,3 мм. При этих же скоростях реже наблюдается грат трапециидального сечения высотой до 0,15мм. Во всех случаях грат более или менее оплавлен.

Результаты технологических испытаний труб, и металлографических исследований показывают, что качество труб, сваренных токами радиочастоты, выше, чем при сварке труб методом сопротивления и приближается к качеству бесшовных труб.

Имея в виду, что данное оборудование должно быть приспособлено к частой смене выпускаемых труб или профилей, а также значительную длину тонкостенной ленты в рулоне, считаем, что в основном данного типа станы должны иметь прерывистый технологический процесс с остановкой на время стыковки концов рулона.

Однако, это не исключает возможность при больших объемах однотипных профилей (труб) создание станов с непрерывным технологическим циклом.

Прежде чем перейти к составу оборудования собственно стана необходимо отметить, что в объем данной работы не входит оборудование для подготовки рулонов соответствующей ширины, т.е. агрегат продольной резки.

Постоянно расширяющийся рынок различных изделий из тонколистового металла требует создания высокоманевренного оборудования для разделки широкополосового проката на ленты различной ширины. Агрегаты продольной резки предназначены для порулонной обработки в холодном состоянии широкополосового проката из различных металлов включающей операции разматывания рулонов, обрезки боковых кромок, разрезки полосы исходной ширины на более узкие полосы мерной ширины, смотки их в рулоны заданного размера, обвязки по образующей и выдачи порезанных рулонов из зоны агрегата.

Планируемое на стане производство особотонких профилей (труб) требует получения на агрегатах продольной резки получения мерной заготовки особой точности (± 0,02 мм) и без заусенцев.

В настоящее время в России нет агрегатов продольной резки, отвечающих повышенным требованиям к точности исходной заготовки для трубосварочного стана.

3. Состав оборудования стана

Рис. 7. Состав оборудования ТЭСА 10-20

На рис. 7 представлена схема расположения оборудования ТЭСА 10-20. В ее состав входят:

. Двухпозиционный разматыватель ленты, состоящий из позиции подготовки рулона к размотке и позиции его размотки в линии стана.

Максимальный наружный диаметр рулона ленты, мм до 1600

Внутренний диаметр рулона, мм 250

. Машина для точечной сварки предназначена для сварки концов рулона из нержавеющей стали, цветных металлов и сплавов.

Ширина ленты, мм 30...70

Толщина ленты, мм 0,15...0,1

В составе машины должны быть гильотинные ножницы для обрезки концов рулонов.

. Клеть для перфорации ленты.

. Формовочно-сварочный стан

Формовочно-сварочный стан предназначен для формовки трубной заготовки, ее сварки и снятия наружного грата.

Формовочный стан состоит из 7 двухвалковых горизонтальных приводных клетей и одной неприводной. Неприводная горизонтальная клеть предназначена при необходимости для нанесения на формуемую ленту перфорационных отверстий и меток. Часть горизонтальных клетей с открытым калибром, остальные с закрытым.

Между семью горизонтальными клетями расположены шесть вертикальных неприводных клетей.

Привод клетей осуществляется через карданные валы от общей шестеренной клети и далее от регулируемого электродвигателя.

Сварочный участок состоит из клети шовонаправляющей, шовосжимающей клети и наружного гратоснимателя. Регулируемая шовонаправляющая клеть оснащена для направления шлицованной трубной заготовки минералокерамическим ножом. Для снижения вибрации заготовки в районе шовонаправляющей клети необходимо снабдить виброгасителем.

Далее идет шовосжимающая клеть, куда попадает трубная заготовка, разогретая до сварочной температуры индуктором от высокочастотной установки. Валки шовосжимающей клети должны быть настроены на регламентированное сварочное давление, создаваемое упругим элементом.

Наружный гратосниматель оснащен механизмом отвода резцов при аварийной остановке и двумя направляющими клетями.

Профилировочный стан состоит из 4-х универсальных клетей с приводными горизонтальными валками и парой вертикальных неприводных валков. Горизонтальные валки через карданы приводятся во вращение от общей шестеренной клети и далее от регулируемого электродвигателя.

Кроме того в состав профилировочного стана входят две четырехвалковые правильные клети.

Универсальная клеть монтируется на раму профилировочного стана без рабочих инструментов, т.е. валков. Для монтажа валков по оси прокатки натягивается стальная проволока, по которой выставляются валки в соответствии с калибровкой. Перемещение валков относительно струны осуществляется с помощью направляющих винтов. В конструкции универсальной клети их предусмотрено пять единиц. Два винта (поз. 24) отвечают за перемещение верхнего, нижнего и левого валков в горизонтальной плоскости (влево - вправо), два винта (поз. 26) - за перемещение в вертикальной плоскости. Винт под поз.25 отвечает за перемещение правого валка в вертикальной плоскости Регулировка положения валков осуществляется вручную.

Элементы универсальной клети не испытывают больших нагрузок. При проектировании клети учитывались не только конструкторские требования и особенности, но и эргономические. Поэтому ряд элементов клети имеют большой запас прочности.

Выполним расчет подшипников универсальной клети профилировочного стана.

=700 H=606 H=220 H=Px=P sin 45°=495 H=320 об/мин

T=39.2 Hм

Силы в зацеплении

Окружная: Ft=2*103T/d1=606H

Радиальная: Fr=Ft*tg20°=220H

Определим реакции в опорах

Наиболее нагруженной является опора В.

Поэтому все расчеты в последующем ведем по опоре В.

Требуемы ресурс при вероятной безотказности работы 90%:

L10ah=20000 часов

Поскольку подшипники работают при n>10 мин-1, то принимаем их по динамической грузоподъемности, рассчитывая их ресурс при требуемой надежности.

Подшипники приняты шариковые радиально-упорные, поставленные в распор.

Подшипниковый узел опоры образуют два одинаковых радиально-упорных однорядных шарикоподшипника, которые рассматриваем как один двухрядный подшипник, нагруженный силой Fr=RB.

Для типового режима нагружения III коэффициент эквивалентности Ke=0.56.

Эквивалентная нагрузка на опору:

Назначенные шариковые радиально-упорные подшипники легкой серии 26203.

С углом контакта α=12°

Cor=3400 H

Cr=5580 H

Для комплекта из двух подшипников имеем

Осевое усилие отсутствует Fa=0

Эквивалентная динамическая нагрузка

=1, т.к. вращается внутреннее кольцо подшипника

X=1

Kб=2 - коэффициент нагрузки

KT=1.05 - температурный коэффициент.

Pr=985H

Определим скорректированный по уровню надежности и условиям применения расчетный ресурс подшипников

где a1 - коэффициент долговечности в функции необходимой надежности

a23=0.7 - коэффициент, характеризующий совместное влияние на долговечность особых свойств материала деталей подшипника и условий его эксплуатации

К=3 - показатель степени для шариковых подшипников

L10ah=23000 часов > требуемого L =20000 часов.

Расчет шпоночного соединения

В соединении диаметром d1=14 мм принята призматическая шпонка шириной b=5 мм, длиной L=20 мм.

Выбранную шпонку проверяем на смятие:

Шпонка изготовлена из чистотянутой стали 45.

Ступица и вал увеличены и закалены.

Допускаемое напряжение

k=2.3 мм - глубина врезания шпонки в ступицу

h=5 мм - высота шпонки по ГОСТ 8788-78

lp - рабочая длина шпонки

В соединении диаметром d2=25 мм принята призматическая шпонка шириной b=8мм, длиной L=22 мм.

Ступица выполнена из чугуна, шейка вала улучшена.

Сварочный участок. Холодильник.

Холодильник оснащен коллектором с 6 соплами. Труба, попадая в холодильник, подвергается орошению струёй технической воды, подаваемой через сопла. Время нахождения трубы в холодильнике составляет около 2 сек. Это время, за которое труба охлаждается до температуры, не вызывающей разогрев клетей профилировочного стана. На выходе из холодильника труба подвергается обдуву сжатым воздухом с целью сушки.

Исходные данные для расчета охлаждающей жидкости в холодильнике

Вес одного погонного метра трубы:

Количество тепла, отводимое при охлаждении тела трубы с разностью температуры на входе и выходе из холодильника:

количество воды (mв), необходимое для одномоментного поглощения тепла, выделяемого при охлаждении трубы от 3000С до 500С

При этом:

Своды при 200С, ккал/кг.град 1,004

Температура воды на входе в холодильник, 0С 25

Температура воды на выходе из холодильника, 0С 50

Время нахождения трубы в холодильнике (t)