Производственные трубные мини-комплексы, оснащенные современными технологиями, оборудованием и вспомогательным средствами, могут представлять интерес для многих потребителей в современных условиях. Сравнительно невысокая стоимость ($100-500 тыс.) делает их доступными не только для крупных производителей.
Сварочные инновации
Первые базовые технологии предусматривали ряд этапов. Первый – лазерная сварка прямошовных труб (как товарных, так и передельных), при которой пластические свойства металла шва должны обеспечивать проведение холодной деформации (волочение на оправке или прокатка) без промежуточных отжигов. Второй – регламентированное варьирование деформационно-скоростных параметров при волочении с целью разупрочнения металла и исключения промежуточных отжигов, а также получения высоких механических свойств. Например, если при производстве капиллярных труб для игл диаметром 0,3-0,5 мм по традиционной технологии волочения требуется 5-7 промежуточных отжигов, а по новой — ни одного. Кроме того, по традиционной технологии, исходная сварная труба-заготовка размером 4,0´0,2-0,25 мм, изготовленная с использованием микроплазменной сварки и подвергаемая многократным деформациям до получения конечного размера 0,3-0,5´0,07-0,1 мм на завершающей стадии имеет сравнительно невысокую степень упрочнения (нагартовки) металла. По новой технологии возможно получение труб этих размеров с суммарной относительной степенью деформации до 95-97 % жесткостью (удельной прочностью) значительно превосходящей аналоги и более технологичных при заточке. Третий – волочение на оправке (подвижной, закрепленной и самоустанавливающейся). Четвертый – волочение в роликовых волоках.
Исходной заготовкой для производства сварных труб служит стальная лента требуемого размера, из которой формируется заготовка, свариваемая лазерной сваркой. Диаметр и толщина стенки заготовки подбираются таким образом, чтобы при последующем холодном волочении получить конечную трубу с требуемыми механическими свойствами. При правильном выборе можно получить конечную продукцию с низкой себестоимостью, применяя технологические лазеры небольшой мощности со скоростью сварки ниже 10 м/мин. Оптимальным вариантом является изготовление товарных труб с достаточной степенью нагартовки, например, капиллярных диаметром 0,3-0,5 мм для заготовок инъекционных игл. Для этих целей в качестве заготовки применяли сварную трубу диаметром 2-3 мм с толщиной стенки, близкой к конечной. Деформационно-скоростные режимы при волочении варьировали, в результате суммарная относительная степень деформации составила до 95-97% (для стали 12Х18Н10Т). Низкая скорость сварки (1,5 – 3,0 м/мин) компенсируется высокой скоростью при бухтовом волочении, а также отсутствием промежуточных отжигов, что позволяет получать рентабельную продукцию.
Сварные трубы-заготовки в бунтах целесообразно использовать в диапазоне размеров: диаметр 2-20 мм и толщина стенки 0,1-1,0 мм. Применение сварных труб-заготовок в бунтах диаметром >20 мм и толщиной стенки >1 мм нецелесообразно, так как это увеличивает габаритные размеры и стоимость оборудования.
Для получения толщины стенки трубы в необходимом допуске (от ±0,005 до ±0,02 мм) целесообразно применять следующие способы волочения: безоправочное через 2 – 3 волоки с учетом рекомендаций работы; на подвижной оправке с обеспечением значительной деформации стенки (коэффициент вытяжки достигает 4,0); на закрепленной оправке для получения высокого качества поверхности, а также для конечного волочения готовых труб, в том числе профильных, биметаллических, многоканальных и периодического профиля). Получены положительные результаты при изготовлении прецизионных труб из некоторых коррозионностойких сталей и сплавов с использованием длинной закрепленной оправки-стержня. Хорошо зарекомендовала сборная закрепленная оправка с алмазной составляющей. Проведены успешные опыты на самоустанавливающейся оправке для бухтового волочения труб из цветных сплавов, а также из сталей аустенитного класса типа 05Х18Н10, 08Х18Н9, 08Х18Н10Т (проверено при изготовлении капиллярных труб).
С целью снижения энергозатрат путем значительного уменьшения усилий при волочении, т.е. применения менее мощного оборудования для получения труб больших диаметров, и расширения технологических возможностей волочильного оборудования целесообразно применять роликовые волоки. Это позволяет также расширить сортамент производимой продукции (профильные, перфорированные, а также трубы периодического профиля).
Важным условием при производстве прецизионных труб является наличие оборудования, обеспечивающего продукцию высокого качества с минимальными затратами и оказывающего минимальное воздействие на окружающую среду. В настоящее время оборудование, выпускаемое в странах СНГ, не отвечает этим требованиям. Оно, как правило, узкоспециализированное, энерго- и металлоемкое и требует значительного времени на переналадку с одного вида продукции на другую, кроме того, обладает высокой стоимостью и требует значительных затрат при эксплуатации.
Работы по реализации предложенной концепции организовали сразу по нескольким направлениям. Первым направлением стало создание оборудования для получения передельной заготовки. В качестве оптимального выбрали трубосварочный агрегат, поскольку сварная прямошовная труба имеет небольшую себестоимость, позволяет сократить ряд переделов, сырьем для нее служит лента. Базовой технологией для получения высокого качества шва и высококачественной продукции, не уступающей в ряде случаев бесшовной, стала лазерная сварка. Дополнительно предусмотрели установку второго источника — микроплазменной или аргонно-дуговой сварки. Для тонкостенных труб применили лазерную сварку, для толстостенных — аргонно-дуговую. Такая комбинация позволила использовать на стане маломощные, но простые в эксплуатации твердотельные лазеры. Для получения качественного шва при лазерной сварке рекомендовали использовать кассетную (модульную) конструкцию формовочно-сварочного и калибровочного станов. Суммарная длина формующей кассеты (5-9 клетей) составила примерно 40-60 диаметров свариваемой трубы, конечная геометрия придавалась трубе в калибровочной кассете (5-9 клетей). Система слежения за швом отсутствовала, его стабилизация в поперечном направлении обеспечивалась конструктивными особенностями стана и рядом технических решений. Перестройка стана занимала 40-60 мин.
Вторым направлением реализации выбранной концепции стали выбор и создание оборудования для холодной деформации, позволяющего изготавливать широкий сортамент труб, как по размерам, так и по форме. Было выбрано оборудование для труб: мерной длины диаметром 2-50 мм – линейный волочильный стан; диаметром 2-20 мм в бунтах – дисковый волочильный стан, диаметром 0,3-6,0 мм в бунтах – барабанный волочильный стан и для труб в бунтах и в мерных отрезках диаметром 1,5-20 мм – стан скоростной прецизионной прокатки. Скорость прокатки 30 м/с.
Трубные мини-производства
Исходя из того, что на трубных заводах основное оборудование работает лишь 30-70% установленной мощности, была разработана концепция мобильных мини-производств. В оборудование трубного мини-завода входят:
· универсальный линейный волочильный стан (усилие волочения P = 125 – 300 кН, скорость волочения 50 – 100 м/мин, длина 8 – 12 м), работающий в режимах всех способов волочения;
· дисковый волочильный стан (диаметр тянущего диска 1,5 – 2,5 м, усилие волочения P = 15 – 100 кН, скорость волочения 30 – 600 м/мин);
· барабанный волочильный стан (диаметр тянущего барабана 500 – 800 мм, усилие волочения P = 5 – 10 кН, скорость волочения 30 – 600 м/мин).
Линия универсального линейного волочильного стана состоит из нескольких модулей. Основной модуль — собственно волочильный стан состоит из секционной балки (длина секции 2,0 – 2,5 м), тумбы привода, тумбы волокодержателя, опора и каретки. Балка выполнена из отдельных секций, скрепленных между собой, а также с тумбами и опорами. Количество секций подбирается под требуемую длину стана (6 – 18 м). Главный привод постоянного тока мощностью до 30 кВт с редуктором, тянущие звездочки и механизм возврата каретки находятся в тумбе привода. В качестве линии извлечения оправки используется аналогичный модуль меньшего размера. Кроме того, в линию входят механическая обкатная машина, загрузочные карманы, шлепперы и приемные карманы. Линия оснащена устройствами для волочения на закрепленной оправке, роликовыми волоками и кареткой для прокатки, при деформации только по диаметру работает в режиме двух волочильных станов. Обслуживающий персонал линии — минимальный (двое рабочих). Напольное исполнение оборудования позволяет обходиться без фундаментов и проведения специальных строительных работ. Удельная нагрузка на перекрытия пола 4 кН. Масса основного модуля стана (усилие волочения P = 125 кН) составляет около 4 т (вся линия — около10 т, вместо 70 – 90 т аналогичного серийного оборудования). Производительность оборудования — 20 – 40 м/мин.
Дисковый волочильный стан предназначен для бухтового волочения сварных передельных труб, поступающих с трубосварочного агрегата, или бесшовных тянутых, поступающих с линейного волочильного стана. В конструкции стана реализован принцип шкива. Диск имеет профильную проточку по периметру, подобную по профилю канавке на шкиве, куда входит труба и, вращаясь, протягивает обрабатываемую трубу через волоку. Наклонные стенки проточки обеспечивают зажим (заклинивание трубы), что позволяет тянуть трубы разных диаметров на одном и том же оборудовании.
Предложена конструкция дискового стана, состоящую из следующих модулей: тянущий узел, разматыватель, сматыватель, загрузочный карман для труб в отрезках. Тянущий узел имеет электропривод постоянного тока мощностью до 5 – 30 кВт). Конструкция стана не требует специальных фундаментов, масса комплекта 2,5 – 4,0 т, обслуживающий персонал представлен одним волочильщиком. Тянущий модуль и разматыватель могут использоваться как первый модуль волочильного комплекса из нескольких станов бухтового волочения.
Барабанный волочильный стан предназначен для бухтового волочения и состоит из двух блоков: тянущий модуль и разматыватель. Масса комплекта 0,35 – 0,5 т. Тянущий модуль имеет электропривод постоянного тока мощностью 1,1 – 5,0 кВт и может быть совмещен с такими же модулями в единый комплекс для многократного волочения. Обслуживающий персонал — один волочильщик на 3 – 7 модулей.
Возможен вариант комплектации оборудования станом скоростной прецизионной прокатки, состоящим из 5 модулей: разматыватель и загрузочный карман, головной трехклетевой прокатный модуль, основной шестиклетевой прокатный модуль, чистовой трехклетевой прокатный модуль, сматыватель с карманом готовых труб. Работы по разработке стана начали в 1991 г. по заказу Министерства промышленности Украины. В период 1991 – 1997 г. разработали пять модификаций станов, одна из которых прошла незначительную доработку в ГТИ, после которой изготовили и опробовали пилотный образец. Кроме перечисленного основного технологического оборудования, современный производственный участок комплектуется вспомогательным оборудованием: машиной для забивки головок на трубах, вакуумной печью отжига, правильной машиной, ванной для промывки готовых труб.
Третьим направлением реализации разработанной концепции стал рациональный подбор технологических материалов и инструмента, обеспечивающих высокое качество продукции и значительное снижение себестоимости. Кроме того, в течение 1992 – 1999 гг. опробовали целую гамму технологических смазок для волочения отечественных и зарубежных производителей.
Водорастворимые смазки различных модификаций испытывали в течение пяти лет при различных способах волочения и прокатке, их свойства позволяли проводить большие обжатия при оправочном волочении. Максимальный результат (коэффициент вытяжки за один проход — 4) получили при изготовлении капиллярных труб из сварной трубы-заготовки стали 12Х18Н10Т. Смазка также позволила обеспечить стабильный процесс волочения на плавающей оправке. Нужно сказать, что при нанесении смазки не требовалась предварительная подготовка поверхности трубы. Наиболее яркий пример — волочение без оправки бывших в эксплуатации труб размером 38´3 мм длиной 5 м из стали 12Х18Н10Т, наружная поверхность которых покрыта окалиной, на размер 30´3 мм. Для сравнения процесс провели с применением различных технологических смазок, в том числе фирмы “Henkel”, и хлорпарафина. Максимальная скорость волочения представленных смазок составила 15 – 20 м/мин, исходной — 38 – 40 м/мин (ее скорость ограничена возможностями оборудования). Испытания проводились в 1997 г. в условиях Опытного завода ГТИ (ОЗ ГТИ), где при длиннооправочном волочении проводили последовательно деформацию через две волоки на одной оправке без ее извлечения, но с промежуточной обкаткой на обкатной машине. При испытаниях протянули около 15 000 м труб наружными диаметрами 6 и 8 мм из исходной трубы-заготовки размером 10´1 мм. Расход смазки составил около 1,6 кг. Остатки смазки на поверхности готовых труб легко удалялись водой при комнатной температуре в течение 20 – 40 мин.
Четвертым и основным направлением стал комплексный подход к определению сортамента труб, технологий и оборудования, позволяющих мобильно реагировать на спрос рынка, соответственно при минимальных времени и затратах на перестройку от одного вида продукции на другой. Наибольший экономический эффект достигался при производстве и реализации труб диаметром до 50 мм с толщиной стенки 0,1 – 3,0 мм, в первую очередь капиллярных из коррозионно-стойких сталей и сплавов на основе цветных металлов.
Промышленная проверка элементов предложенной концепции в течение 1992 – 1999 гг. подтвердила правильность первоначальных предложений: себестоимость продукции на 30 – 200 % ниже, чем у традиционных производителей, причем ее колебания в зависимости от объема партии составляли 5 – 20 %, что позволяло выпускать рентабельную продукцию даже при партиях объемом 10 – 50 м труб. Причем больших производственных площадей и проведения специальных строительных работ не требуется. Для организации производственного участка достаточно 150 – 500 м2 в зависимости от выбранного комплекта оборудования.
Единственным энергоносителем является электроэнергия, но возможно также и автономное питание от генераторов. Варианты конструкций технологического оборудования и технологий предусматривают даже размещение в мобильном исполнении (ангары, 20-т футовые контейнеры, автофургоны). Опробовали системы, состоящие из автономных мини-производств, с размещением их в регионах, приближенных к потенциальным потребителям. В состав систем входит одно базовое мини-производство, включающее трубосварочный агрегат, линию длиннооправочного волочения и комплекс из нескольких станов бухтового волочения со вспомогательным оборудованием, а также несколько мини-производств завершающей обработки. Базовое мини-производство организовано на площади 400–500 м2 с потреблением до 200 кВт × ч электроэнергии и обслуживающим персоналом 7 – 10 человек. Производительность составляет до 4 млн.м труб в год мерной длины или до 12 млн.м капиллярных и труб малых размеров в бухтах в год. Также в регионах, приближенных к потребителям, могут быть размещены финишные мини-производства, имеющие только волочильное оборудование, состоящее из комплекса для производства труб мерной длины или бухтового волочения, или то и другое. Заготовкой для регионального мини-производства служит передельная труба, производимая на базовом предприятии или приобретенная. Занимаемая площадь 150 – 200 м2, персонал — 4 – 6 человек, энергопотребление — до 100 кВт × ч, производительность — до 4 млн.м труб в год. Региональные мини-производства со своей сетью дилеров формируют портфели заказов на продукцию, близость расположения к конечному потребителя и возможность контактировать с непосредственным изготовителем вызывает доверие к производителю и позволяет успешно конкурировать на рынке.
В ближайшее время планируется завершить работы по разработке комбинированного волочильно-прокатного агрегата, позволяющего изготавливать широкий сортамент труб, в том числе конических с переменной стенкой и периодического профиля.