Текст книги "Производство заготовок. Трубы"

Все древесные материалы относятся к классу волокнистых органических веществ с капилярно-пористой структурой. Деревянные трубы являлись одними из первых естественных труб полученных из ствола бамбука. Широкая доступность, а также ряд положительных свойств, как высокая механическая прочность, малый объёмный вес, лёгкая обрабатываемость, позволили широко использовать древесные материалы в различных отраслях промышленности.

Стекло – аморфное тело, не имеющее определённой температуры плавления (постепенный переход из твёрдого состояния в жидкое через все стадии размягчения.

Стёкла бывают органические (метакриловая кислота) и неорганические, которые, в свою очередь, подразделяются на:

– силикатные (основа SiO₂);

– алюмосиликатные (Al₂O₃ и SiO₂);

– боросиликатные (В₂О₃ и SiО₂) и др.

Структура стекол характеризуется беспорядочной пространственной трёхмерной сеткой, в узлах которой, расположены ионы, атомы или их группы. Механические свойства стёкол зависят от химического состава и термической обработки (более низкие свойства у стёкол, содержащих PbO, К₂О, Na₂О, а высокие у кварцевого и щелочного стекла. Химическая стойкость также определяется химическим составом. Для упрочнения стекла используют закалку, при этом характеристики повышаются в 4 – 5 раз. Химическую и химико-термическую обработку используют для обеспечения наглядности процесса или прибора.

Наряду со стёклами, в машиностроении используют ситалы (стеклокристаллические материалы). Они имеют более высокую температуру размягчения. Изготавливают изоляторы, цилиндрические пары ДВС, обтекатели ракет, химическую аппаратуру и детали насосов.

Клеи – это композиции высокополимерных веществ, в которых с течением времени происходят необратимые процессы – старение. В зависимости от применения различают клеи конструкционного и неконструкционного назначения. Их основная особенность заключается в возможности получения неразъёмных соединений разных (разнородных) материалов, что позволяет обеспечивать герметичное соединение и ускорить процесс сборки.

Основные свойства клеев – вязкость клеевой плёнки, рабочая жизнеспособность клея, теплостойкость, прочность сцепления.

Недостатки – низкие термостойкость и стойкость соединений при повышенных температурах. По отношению к температуре клеи делятся на термопластичные (обратимые) и термореактивные (необратимые).

В зависимости от природы связующего вещества клеи подразделяют на: белковые, смоляные и каучуковые. По состоянию поставки они бывают жидкие (наиболее распространённые), порошкообразные и плёночные (скотч). Также клеи бывают универсальные и специальные.

1.5 Дефекты исходного материала

Исходный материал, поступающий на обработку, может иметь дефекты, которые бывают поверхностными и внутренними.

Поверхностные дефекты образуются из-за нарушения технологии прокатки или прессования и к ним относят: наружные трещины; продольные риски; волосовины; заусенцы; захват и смещение профиля. Поверхностные дефекты требуют увеличение припусков на обработку резанием, и они могут явиться причиной брака на поверхности деталей.

К внутренним дефектам относят расслоение и рыхлости, представляющее собой усадочные раковины, слитка, вытянутые на длину при прокатке; скопление неметаллических включений, в том числе огнеупоров. Внутренние дефекты неисправимы.

К числу недостатков пластмасс следует отнести: невысокую длительную теплостойкость (до 300 °C); относительно низкие значения модуля упругости и ударной вязкости; старение, приводящее к изменению физико-механических свойств изделий в процессе длительного хранения и эксплуатации.

2 Производство труб

Трубы являются одним из продуктов без которого не обходится ни одно производство и значение труб для промышленности сравнивают со значением вен для живого организма, а диапазон их выпуска по размерам от долей миллиметра (оптико-волоконная связь) до десятка метров (тоннели). Материалом для изготовления труб является практически вся гамма имеющихся материалов от текстиля (пропитанного смолами для пожарных рукавов) через полимеры, резины, стекло, керамику, через все металлы и бетоны (железобетонные трубы) до скальных пород (трубы в горах – тоннели). Трубы весьма различны и по назначению. Их применяют для передачи светового сигнала (оптико-волоконная связь), воздуха и газов, жидких природных материаллов и искусственных веществ, а также и твердых материалов (пневмопочта и пневмопровод для транспортировки сыпучих материалов).

Различные трубопроводы от медицинской системы до трансконтинентальных нефте– и газопроводов (рисунок 4), жизненно важных как для индивидуального человека, так и для человечества.

Рисунок 4 – Трубопроводы и их монтаж

Рисунок 5 – Монтаж колоны с помощью автомобильного крана

Промышленное значение имеют несколько способов изготовления труб, в том числе с использованием всех основных методов обработки конструкционных материалов (литьем, обработкой давлением, сваркой и обработкой резанием). Наиболее распространенными являются две принципиально различные технологии производства труб. Первый способ: стальной лист или ленту сворачивают в трубу и сваривают по прямой линии или по спирали. Второй способ: нагретую до 1300 ^оС круглую заготовку прошивают на специальном винтовом стане в полую гильзу с толстыми стенками, которую затем раскатывают в длинную трубу с требуемой толщиной стенки. Так изготавливают бесшовные трубы.

2.1 Производство сварных труб

Сварные трубы получают из плоской заготовки – рулонов ленты, называемой штрипсом, или из листов, ширина которых обычно соответствует длине окружности трубы. Сварные трубы изготовляют несколькими способами: печной сваркой (встык или внакладку), электрической и газовой сваркой.

Сварные трубы изготавливают с толщиной стенкой от 0,5 до 20 мм и диаметром более 2400 мм с хорошо выполненным прямым или винтовым швом (рисунок 6) и высоким качеством поверхности.

Рисунок 6 – Виды труб

Способом печной сварки изготовляют трубы на цепных и непрерывных станах главным образом встык диаметром от 10 до 114 мм при толщине стенки до 5 мм. Для печной сварки применяется малоуглеродистая сталь (С – 0,3 %).

Процесс изготовления труб сваркой встык на цепных станах начинают с того, что у одного конца полосы обрезают углы, а сам конец загибают (рисунок 7). Затем заготовку 1 нагревают в печи до сварочной температуры 1300-1350 °C. После чего специальными клещами 3 захватывают за загнутый конец полосы (или приваренного стержня) и протягивают ее через воронку 2, в которой она одновременно сворачивается в трубу и благодаря давлению сваривается встык. При малых диаметрах труб к заготовке приваривается стержень. Окалина перед сваркой сбивается струей сжатого воздуха.

Рисунок 7 – Схема процесса получения труб сваркой встык в печи

В настоящее время сварку труб встык производят в непрерывных станах, состоящих из нескольких клетей (от 6 до12), в которых валки имеют круглые калибры. В этих станах размотанная с рулона лента вначале проходит роликовую правильную машину, а затем поступает в узкую длинную (до 40 м) газовую печь, где она нагревается до 1350 °C.

По выходе из печи лента попадает в непрерывный прокатный стан, где она формуется в трубу и сваривается встык. После выхода из стана труба на ходу разрезается специальной пилой на куски требуемой длины (сейчас этот способ применяется реже).

Большинство труб производят электросваркой, с использованием индукционной сварки токами высокой частоты, контактной сварки сопротивлением, сварки под слоем флюса и газовой сварки. При этом представляется возможным получать трубы с прямым или винтовым швом.

Технологический процесс получения сварных труб осуществляется в трех основных поточных участках – подготовительном, формовки и сварки (выполняются как непрерывный процесс) и отделки.

Разновидностью процессов гибки является получение профильных заготовок, имеющих постоянную по длине пространственную форму поперечного сечения, получаемую из плоской листовой заготовки (гнутые профили и трубы). Профилированием изготовляют легкие, но жесткие профили простой и сложной конфигурации различной длины. Исходным материалом при профилировании являются холоднокатаные ленты, полоса или листы толщиной от 0,5 до 20 мм и шириной до 2000 мм из мягкой коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали, цветных металлов и их сплавов.

Существует много способов и специализированных гибочных машин для получения профильных заготовок из листового металла. Широкие, но короткие профили из тонкого полосового и листового металла изготовляют на универсально-гибочных машинах.

Наиболее распространенными способами профилирования листового металла являются: гибка на гибочных прессах с поступательным движением ползуна или гибка на роликовых профилировочных станках.

Крупные профили как из тонкого, так и из толстого листа изготовляют на специальных листогибочных прессах. Схема изготовления профилей на прессах с поступательным движением ползуна приведена на рисунке 8.

Длина профиля, который можно получать на гибочных прессах, несколько меньше длины пуансонов и матриц.

Заменой пуансонов и матриц на гибочных прессах можно получать и более сложные профили, в том числе и закрытые профили, например, трубчатые и имеющие круглое сечение (рисунок 8).

Рисунок 8 – Схема гибки закрытых профилей на прессах

Для получения достаточно длинных профилей гибочные прессы обычно делают двухстоечными с длинным, но узким столом и ползуном. Существующие прессы обеспечивают получение профилей длиной более 6 м из листа толщиной более 10 мм. Роликовые профилировочные станки представляют собой станок с удлиненной станиной, вдоль которой размещается несколько пар роликов, приводимых во вращение от общего или от индивидуальных приводов. Каждая пара роликов имеет желоб (на одном из роликов) и ребристый выступ (на другом ролике). Зазор между ребром и желобом примерно равен толщине исходной заготовки, а профиль этих элементов (отличный от профилей предыдущих пар роликов) определяет характер и величину формоизменения заготовки в промежутке между смежными парами роликов (рисунок 9).

В профилировочных станках пары роликов по ходу деформирования могут иметь горизонтальное и вертикальное расположение осей вращения. Поэтому ролики действуют на заготовку вертикальными или горизонтальными внешними силами, что позволяет получить как открытые, так и закрытые профили, причем последние могут быть сделаны с внутренним наполнителем.

Профили, полученные гибкой на прессах, на валковых гибочных машинах и на профилегибочных станках, при необходимости в дальнейшем подвергаются разделительным или формоизменяющим операциям.

Профили большой длины из ленты или полосы изготовляют на специальных многороликовых профилировочных станках (рисунок 9).

Рисунок 9 – Гибка на профилировочных станках

Плоская заготовка постепенно изгибается в требуемую форму посредством пропускания ленты через несколько пар вращающихся роликов.

Формовку ленты (горячекатаной с δ> 1,75 мм, холоднокатаной с δ< 1,75 мм) производят в девяти приводных клетях и одной не приводной. Сварка кромок сформованной трубы осуществляется в сварочной клети, где кромки сближаются вертикальными не приводными роликами.

К подготовительным операциям относятся разматывание рулонов, их резка, правка, при необходимости травление, холодная прокатка, строжка кромок, сварка концов одного рулона с другим и др.

Формовка и электросварка выполняются как непрерывный процесс.

На рисунке 9в показана последовательность профилирования одного конкретного профиля из полосы толщиной 0,8 мм. Производительность станов достигает 15 м/мин и более. Разновидностью профилегибочных станов являются станы для производства труб. На рисунке 10 приведена схема размещения оборудования трубосварочного стана.

1 – весы для взвешивания рулонов; 2 – приемное устройство для рулонов; 3 – консольно-поворотный кран; 4 – загрузочное устройство; 5 – разматыватель штрипса; 6 – девятироликовая правильная машина; 7 – ножницы для отрезки концов; 8 – машина для сварки концов рулонов; 9 – тянущие ролики; 10 – регулятор петли; 11 – петлеобразователь; 12 – передвижные ножницы; 13 – автомат для приварки иглы к концу штрипса; 14 – машина для подачи штрипса в печь; 15 – печь для нагрева штрипса; 16 – шести клетевой формовочно-сварочный стан; 17 – летучие кривошипные ножницы для клетевого отделения иглы; 18 – четырнадцати клетевой редукционный стан; 19 – трехклетьевой калибровочный стан; 20 – летучая пила для разрезки труб на ходу; 21 – винтовая секция холодильника с винтовым сбрасывателем труб; 22 – цепная секция холодильника; 23 – делительное устройство; 24 – рольганги четырех линий отделки труб.

Рисунок 10 – Схема расположения оборудования трубосварочного стана ½ – 2 и последовательность процесса свертывания трубы из полосы в шести парах валков профилезагибочного стана (а)

Трубную заготовку полученную на стане сваривают в трубу в специальных валках после нагрева индуктором. Сварочное устройство стана состоит из индуктора (рисунок 11) или системы контактного токоподвода, магнитопровода, высокочастотного трансформатора и контура конденсаторов. Эти элементы объединены в один блок – сварочную головку.

Сварка токами высокой частоты (ТВЧ) по технологии производства сварных профилей дает чрезвычайно широкий диапазон свариваемых материалов и толщины. Сварка ТВЧ отлично работает при производстве труб, где нагреваемые кромки одинаковы. Энергия, выделяющаяся в кромках, составляет от 40 до 70 % энергии, передаваемой в заготовку трубы. В индукторе теряется примерно 10 % подводимой энергии.

Ток высокой частоты, подводимый к трубной заготовке индукционным или контактным методом, вследствие эффекта близости стягивается на стороны кромок, обращенных друг к другу, и быстро разогревает тонкий слой металла до плавления. Расплавленный металл выдавливается при осадке в сварочных валках вместе с окислами, образуя наружный и внутренний грат. Минимальное количество расплава определяется надежностью удаления загрязнений. Увеличение глубины прогретого слоя приводит к росту потребляемой мощности, возрастанию объема грата и снижению устойчивости тонких кромок при осадке в сварочной клети.

Электрический режим характеризуется частотой тока и расходом энергии на единицу длины (м) и толщины трубы (мм).

Для индукционной сварки труб за основную частоту принята частота 440 кГц, однако при малой толщине стенки (от 0,3 до 0,4 мм) используется частота 1760 кГц, а при толщине 6 мм и большом диаметре стальных труб – 10 кГц.

При индукционном подводе энергии используются внешние и внутренние индукторы. Внешний индуктор имеет один или несколько витков (рисунок 11) и может быть разъемным для облегчения монтажа.

1 – сердечник; 2 – индуктор; 3 – тело заготовки; 4 – точка схождения кромок

Рисунок 11 – Схема сварки трубы внешним индуктором

С ростом диаметра трубы увеличиваются потери тока в ее теле. Этот недостаток индукционного подвода сглаживается при использовании внутреннего индуктора на частоте 10 кГц, что осуществимо, однако лишь при диаметре труб свыше 200 мм.

Магнитное поле индуктора 2 наводит в теле заготовки 3 ток, часть которого (рабочий ток) проходит по кромкам и замыкается через точку их схождения 4. Остальной ток замыкается по внутренней стенке трубы (шунтирующий ток). Для его уменьшения в полость трубы вводится сердечник 1 из феррита или трансформаторной стали (при 10 кГц), закрепленный на кронштейне, проходящем через щель заготовки. Сердечник интенсивно охлаждается водой. Возможен нагрев одновременно внешним и внутренним индукторами, что повышает скорость сварки и равномерность нагрева кромок.

Трубы со спиральным швом получают значительное распространение, так как их производство выгодно отличается от производства труб с прямым швом, ибо при этом требуется более простое оборудование, а отходы металла уменьшаются в несколько раз. Характерная особенность способа получения труб со спиральным швом – это его универсальность, т. е. возможность из одной и той же ширины листа изготовлять трубы различных диаметров, производя лишь переналадку стана в соответствии с измененным углом спирали, и, наоборот, трубы одного диаметра можно изготовлять из листа или ленты различной ширины.

Основными операциями при сварке труб со спиральным швом являются формовка трубы, сварка и резка на ходу. Поэтому стан спиральной сварки состоит из трех основных механизмов:

– задающего;

– формовки и сварки;

– отрезного.

На рисунке 12 представлена схема стана спиральной сварки труб. Стан предназначен для получения сварных труб диаметром от 150 до 560 мм из ленты шириной от 400 до 750 мм.

Задающий механизм стана разматывает рулон, подготавливает кромки ленты (зачистка и отбортовка), и подает ленту с необходимым усилием и под определенным углом в механизм формовки и сварки, где лента сворачивается в спиральную трубу, а затем сваривается по кромкам сплошным швом. Так как процесс формовки и сварки трубы происходит непрерывно, то резка на мерные длины с помощью газового резака выполняется на ходу. При этом весь цикл резки – включение газового резака и сбрасывающего механизма, выключение резака и отвод всех механизмов отрезного устройства в исходное положение – выполняется автоматически за один оборот трубы, т. е. за один шаг спирали.

Такой стан обслуживают всего лишь два человека, а его производительность составляет 60 – 80 м труб в час.

1 – механизм поворота рамы; 2 – разматыватель; 3 – приемные валки; 4 – гильотинные ножницы; 5 – установка для стыковой сварки ленты; 6 – зачистное устройство; 7 – рама задающего механизма; 8 – валковая клеть; 9 – коробка скоростей; 10 – щелевые проводки; 11 – механизм возврата; 12 – тележка с резаком; 13 – тележка концевая; 14 – поворотно-регулирующий блок; 15 – разжимное приспособление; 16 – формующая гильза; 17 – кронштейн сварочной головки.

Рисунок 12 – Схема стана спиральной сварки труб

Отрезанные трубы подвергают отделочным операциям (калибровке концов и др.) и проводят испытания гидравлическим способом.

Трубосварочный стан спиральной сварки может быть передвижным, установленным на транспортных машинах. Это позволяет использовать стан в полевых условиях для изготовления и укладки, например, газовых магистральных труб.

После выхода из сварочной клети труба имеет некоторую овальность, что устраняется прокаткой в калибровочном стане или волочением, которое не только позволяет устранить овальность, но и из одинаковых заготовок получать труды разного сечения.

Сетчатые трубы представляют продольные проволочные стержни с приваренной к ним точечной сваркой наружной проволочной спиральной оплеткой (рисунок 12 а).

1 – спираль наружной оплетки; 2 – продольные стержни

Рисунок 12 а – Сетчатая труба

Такие трубы применяют в качестве закладной арматуры для:

– железобетонных, асбоцементных и других трубчатых конструкций повышенной прочности;

– дренажных трубопроводов и вентиляционных шахт и каналов;

– вертикальных емкостей хранения слеживающихся "сыпучих" материалов, а также в качестве каркасов для:

– тканевых рукавов вентиляционных систем;

– рукавов пневмотранспортных устройств;

– кассетных рукавных, зернистых, кольцевых фильтров;

Сетчатые трубы имеют следующую характеристику:

– внутренний диаметр, мм, от 70 до 300

– длина, м, от 1,5 до 11,0

– диаметр проволоки продольных стержней, мм, от 2.5 до 3,5

– шаг продольных стержней, мм, от 5 до 25

– шаг спирали наружной оплетки, мм, от 5 до 50

– количество продольных стержней (максимальное), шт., 96

– диаметр проволоки наружной оплетки, мм, от 5 до 50

– диаметр проволоки продольных стержней и наружной оплетки может быть одинаковым или в любых сочетаниях в указанных пределах.

Волочением получают проволоку, калибруют прутки и трубы круглого и фасонного сечения (рисунок 13).

а – прутка; б – трубы на оправке; в – трубы без оправки; 1 – волока; 2 – калибрующая и 3 – деформирующая части; 4 – заготовка; 5– оправка

Рисунок 13 – Схемы волочения

При волочении заготовку 4 деформируют, протягивая ее через отверстие в инструменте – волоке 1. Волока – это кольцо из инструментальной стали или твердого сплава с отверстием переменного сечения заданной формы. Отверстие волоки имеет коническую деформирующую 3, калибрующую цилиндрическую часть 2 и выходной конус для лучшего выхода изделия. Обработку волочением осуществляют за один или несколько проходов.

При многопроходной обработке заготовку протягивают через несколько волок последовательно, при этом рабочие размеры отверстий каждой последующей волоки меньше, чем у предыдущей волоки.

Резку труб на мерные длины производят на ходу специальным автоматически работающим разрезным станком.

Подобные трубосварочные станы имеют устройства для удаления наружного и внутреннего грата, т. е. избытка металла, вытесняемого при сварочном давлении по шву. Наружный грат удаляется резцом, а внутренние – закатываются роликами.