ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ S eria: HUTNICTWO z. 43
1992 Nr kol. 1156
T adeusz WIECZOREK, Romuald KADZIMIERZ, C zesław SAJDAK K a te d ra P o d staw Procesów M etalurgicznych
Wydział M etalurgii i Inżynierii M ateriałow ej P olitechnika Ś ląsk a
K azim ierz KUCIA, Wacław MEIXNER H uta B atory
OPRACOWANIE NOWEJ TECHNOLOGII WYTWARZANIA TRZPIENI PIELGRZYMOWYCH STOSOWANYCH W PROCESIE WYTWARZANIA RUR METODĄ MANNESMANNA
C zęść I I
WYNIKI BADAN I PRÓB EKSPLOATACYJNYCH
S tr e s z c z e n ie . W a r t y k u le p r z e d s ta w io n o w y n ik i badań m a ją c y c h na c e lu p o p r a w ę w ła s n o ś c i tr z p ie n i sto so w a n y c h w p r o c e s ie w a lc o w a n ia rur. R o zp a t
rzo n o r ó ż n e w a ria n ty ic h w y tw a rza n ia . Dobrano o p ty m a ln e p a ra m e tr y h a rto w ania in d u k c y jn e g o o ra z o b ró b ki c i e p l n e j p r z e d i p o h a rto w a n iu . E k s p lo a ta c ja tr z p i e n i p ie lg r z y m o w y c h w y k o n a n y c h w e d łu g o p r a c o w a n e j te c h n o lo g ii w y k a z a ła 2,5 - 3 ,5 - k r o tn e z m n ie j s z e n i e ich z u ż y c ia .
S u m m a ry. T he p a p e r p r e s e n ts th e in v e s tig a tio n s r e s u l t s w h ich are to im p r o v e th e m a n d re l p r o p e r tie s ' a p p lie d in th e p ip e s r o llin g p ro c e s s.
D i f f e r e n t a lte r n a tiv e s o f th e ir p ro d u c tio n have b een a n a ly s e d . The o p tim u m p a r a m e te r s o f in d u c tio n h a rd en in g and h ea t tr e a tm e n t b e fo r e and a f t e r h a rd e n in g h ave b een s e le c te d . T he o p e ra tin g o f m a n d r e ls m ade a cco rd in g to e la b o r a te d te c h n o lo g y sh o w e d 2,5 - 3,5 tim e s s m a lle r w ear.
P e3ioM e. B C T a T b e n p e n c T a B J ie H b i m to tm M ccjieflO B aH H ii, q e jib io KOTOpbIX HBJIHIOTCH yJiyHmeHM e CBOHCTB C Tpe*H eM n p H M e H H e M b I X B n p o q e c c e niuiHrpHM OBOH n ponaT K M T p y fi. PaccM O T pH bi pa3JiMMHbie BapKaHTbi MX npoM 3 BOflCTBa. n o flo ó p a H b i onTM M ajibH bie n a p a M e T p b i HHnyKUHOHHOH 3aK ajtK H h T e p M o o 6 p a 6 o T KM flO M nO C Jie 3 a K a j I K M - 3 K c n n y a T a iiM H cT p ex cH eii BbinymeHHbix n o p a 3 p a 6 o T a H H o ii TexHoJiorM M n o n a 3 a J i a ^M eH bm eH M e M 3H oca b 2 , 5 - 3 . 5 p a 3 a .
20 T. W iec zorek i inni
1. PRÓBY HARTOWANIA INDUKCYJNEGO TRZPIENI
Na p rzedstaw ionym w p racy [1] stanow isku dośw iadczalnym przeprow adzono próby indukcyjnego h a rto w a n ia trz p ie n i pielgrzym ow ych o różnych śred n icach . W tr a k c ie prób m ierzono p a ra m e try elek try czn e o ra z te m p e ra tu rę pow ierzchni tr z p ie n ia p rzed w ejściem pod n a try sk iw a c z (za pomocą p iro m etru optycznego). Po zakończeniu h a rto w a n ia ponownie m ierzono te m p e ra tu rę po
w ierzch n i tr z p ie n ia (term om etrem dotykowym) w celu oceny w arunków sam ood- p u szczan ia o ra z tw a rd o ść pow ierzchniow ą w różnych punktach trz p ie n ia [2,3],
T rzp ie n ie $102 mm i $104 mm nagrzew ano za pomocą w zbudnika cylindrycz
nego o średnicy w ew n ę trz n e j $113 mm. Część z nich, ze w zględu na znaczne o d k sz ta łc e n ia od p rostoliniow ości, nagrzew ano we wzbudniku $121 mm. Wybra
ne wyniki pom iarów p a ra m e tró w h a rto w a n ia trz p ie n i $102 mm podano w ta b .l,
T abela 1 P a ra m e try h a rto w a n ia tr z p ie n i $ 102 mm
Ug I
g P
g U
2
V T Chł o d z e n i e
V A kW A V mm/ s °C -
3 6 0 2 6 2 83 6 15 83 2 , 5 i o i o s p r ę ż .p o w .,p = 0 ,5 MP a 361 2 7 9 90 6 8 0 8 0 2 ,5 9 6 0 w o d n .— p o w .+ d o d .w o d a 3 5 0 2 7 0 85 6 2 5 80 2 , 5 9 5 0 w o d n . — p o w . ,p = 0 , 2 5 M P a 321 2 4 4 69 5 5 0 75 2 , 5 9 4 5 s w o b o d n e n a p o w i e t r z u 3 4 0 2 3 0 68 6 0 0 8 4 1,6 9 6 0 s w o b o d n e n a p o w i e t r z u
U - napięcie g e n e ra to ra , I - p rą d g e n e ra to ra (skompensowany), P - moc
g g g
czynna w ydaw ana p rz e z g e n e ra to r, -I - p rą d pierw otny tr a n s fo r m a to ra dopasow ującego, U - napięcie na zaciskach w zbudnika, v - prędkość ruchu trz p ie n ia , T - te m p e ra tu ra pow ierzchni trz p ie n ia .
n a to m ia s t d la trz p ie n i $104 mm w ta b .2 . Zmiany napięcia wzbudnika (U^) i mocy czynnej (P ) w ynikały ze stosow anych różnych przekładni tr a n s fo r m a -
g
to r a dopasow ującego, różnych szybkości p rzesu w u o ra z te m p e ra tu r n ag rzew a
O p ra c o w a n i e n o w e j tec h n o l o g ii 21
nia. T rzp ie n ie $125 mm n agrzew ano we w zbudniku cylindrycznym o średnicy w ew n ętrzn ej 140 mm. W ybrane w yniki uzyskanych dla nich p a ra m e tró w h a rto w a nia p rzed staw io n o w ta b .3 .
Część z z ah arto w an y ch trz p ie n i o różnych śred n icach pocięto, p rz e z n a c z a ją c j e do badań m etalo g raficzn y ch , w ytrzym ałościow ych i pom iarów rozkładów tw a rd o śc i. P ozostałe p rzek azan o do e k sp lo a ta c ji, przy czym te , któ re h a rto w a n e były na dużą tw a rd o ś ć , poddano w cześn iej odpuszczaniu w piecu gazowym.
2. BADANIA LABORATORYJNE ZAHARTOWANYCH TRZPIENI
O pracow ując now ą technologię w y tw a rz a n ia tr z p ie n i pielgrzym ow ych k ie ro wano się założeniem , że stosow any będzie jed en g atunek s ta li d la w sz y st
kich śred n ic. Wybrano s ta l 50NHMF ze w zględu na j e j k o rzy stn e w łasności w podwyższonych te m p e ra tu ra c h .
R e z u lta ty w stępnych badań i obliczeń w sk azu ją, że g atunek 50NHMF spełnia założone w ym agania, tz n . dob rze n a d a je się do h a rto w a n ia indukcyj
nego o ra z może z a s tą p ić w szystkie doty ch czas używ ane gatu n k i d la całego zak resu śred n ic tr z p ie n i pielgrzym ow ych.
2.1. B a d a n ia m e t a lo g r a f ic z n e o r a z p o m ia r y t w a r d o ś c i w p r z e k r o j u p o p r z e c z nym w y b r a n y c h t r z p ie n i
Ze w zględu na złożony c h a ra k te r z ja w isk w y stęp u jący ch w c zasie n a g rz e w ania indukcyjnego obliczenia te o re ty c z n e o ra z wyniki pom iarów d y lato m et
rycznych stan o w ić mogą jed y n ie dane o rie n ta c y jn e d la doboru podstaw ow ych w arunków technologicznych. O stateczn e p a ra m e try pro cesu m ożna u s ta lić ty l
ko dośw iadczalnie d ro g ą p rób przeprow adzonych w różnych w arunkach na r z e czyw istych trz p ie n ia c h .
Z ty ch powodów za h a rto w a n o indukcyjnie sz e re g trz p ie n i p rzy różnych te m p e ra tu ra c h i szybkościach przesu w u m a te ria łu o ra z różnych w arunkach chłodzenia. W ybrane, n a jb a r d z ie j re p re z e n ta ty w n e , p a ra m e try zeb ran o w tab .4 . Z zah arto w an y ch trz p ie n i w ycięto poprzecznie ta r c z e , na k tó ry ch po w ytraw ien iu w a rstw y z a h a rto w a n e j wykonano w zdłuż p rom ienia pom iary tw ard o ści HRc. Z ta r c z w ycięto próbki do badań mikroskopow ych i po w y tra wieniu n italem wykonano na nich o b se rw a c je s tru k tu r y w płaszczy zn ach p ro s to p a d łe j i ró w n o leg łej do osi trz p ie n ia .
22 T. W ie czorek i inni
T abela 2 P a ram etry h a rto w a n ia trz p ie n i $ 104 mm
Ug Ig Pg *1 U 2 V T Chł o d z e n i e
V A kW A V m m / s ° C -
360 248 75 580 87 2.5 950 s w o b o d n e n a p o w i e t r z u 362 230 75 585 83 2,5 950 s w o b o d n e n a p o w i e t r z u 366 242 74 580 85 2.5 943 s w o b o d n e n a p o w i e t r z u 390 260 86 650 89 CM in 970 w o d n .- p o w . .p = 0 .34 M P a 380 260 85 625 88 2.5 960 w o d n . - p o w . ,p - 0 , 30 M P a 382 258 85 640 88 2.5 950 w o d n . - p o w . .p - 0 , 31 M P a
(oznaczenia ja k pod ta b .l)
Tabela 3 P a ra m e try h a rto w a n ia tr z p ie n i 4> 125 mm
Ug I
g Pg *1 c co V T Chł o d z e n i e
V A k W A V n m / s ° C -
520 220 100 630 104 2.5 1000 w o d n .- p o w ..p = 0 ,4 0 M P a 4 80 240 88 550 111 2.5 850 w o d n .- p o w ..p = 0 .4 0 M P a 4 90 224 90 570 112 2.5 870 w o d n .- p o w .,p = 0 ,4 0 M P a 5 1 8 225 97 590 107 2.5 900 w o d n .- p o w .,p = 0 ,4 0 M P a 480 225 95 650 104 2.5 960 w o d n .— p o w .,p = 0 ,4 0 M Pa 470 240 94 680 104 2.5 950 w o d n . - p o w . , p = 0 . 4 0 M P a
(oznaczenia ja k pod ta b .l)
O p ra c o w a n ie n o w e j technologii 23
T abela 4 P a ra m e try h a rto w an ia indukcyjnego trz p ie n i pielgrzym ow ych
w ybranych do badań
Nr t r z p i e ń ] a
T e m p . hartowani a
Szybk o ść
p r z e s u w u C h i o d z e m e -
o _
r mm / mi n .
i 850-900 120 m i e s z a n k a w o d n o - p o w i e t r z n a
c. 1000-1050 80 m i e s z a n k a w o d n o - p o w i e t r z n a
3 9 5 0 -1000 10 0 - 1 2 0 m i e s z a n k a w o d n o - p o w i e t r z n a
4 950 - 1 0 0 0 1 00 - 12 0 m i e s z a n k a w o d n o - p o w i e t r z n a + woda
5 950 - 1 0 0 0 10 0 - 1 2 0 s p r ę ż o n e p o w i e t r z e
160 9 5 0-1000 10 0 - 1 2 0 s w o b o d n e
P rzykładow e wyniki badań m ak ro - i m ikroskopow ych p rzed staw io n o na rys. 1. Jak w idać na zam ieszczonych zd jęc iach , trz p ie n ie posiadały w a rstw ę za h a rto w a n ą o g ru b o ści ok. 12-15 mm i stosunkow o d ro b n ą s tru k tu r ę m a rte n - zytyczną w w a rs tw ie z a h a rto w a n e j.
W celu p rz e b a d a n ia wpływu odpuszczania na w łasności w a rstw y z a h a rto w a nej tr z p ie ń n r 4 (ta b .4 ) z ah arto w an o indukcyjnie p rzy m aksym alnej in ten sywności chłodzenia. Wycięto z niego ta r c z e do b adań m akro- i m ikroskopo
wych o ra z dw a f ragm enty, k tó re poddano o dpuszczaniu w te m p e ra tu rz e 600°C przez 4h i 8h. Po odpuszczeniu z frag m en tó w tr z p ie n ia n r 4 w ycięto ta r c z e do d alszych badań. Wyniki pom iarów tw a rd o ś c i w a rstw y h a rto w a n e j po 4h i 8h odpuszczania s ą p ra k ty c z n ie identyczne (rys. 2).
2 .2 . B ad aifta w ła s n o ś c i m e c h a n ic z n y c h z a h a r t o w a n y c h t r z p ie n i
U zyskiw ana g ru b o ść z a h a rto w a n e j indukcyjnie w a rstw y nie p o zw alała na określenie w szy stk ich j e j w łasności m echanicznych. Z tych w zględów p rz e prow adzono b ad a n ia modelowe, n a g rz e w a ją c próbki m a te ria łu w lab o rato ry jn y m piecu re z y sta n c y jn y m , przy czym niem ożliw e okazało się dokładne o d tw o rze
nie w arunków , k tó re p a n u ją w c zasie n a g rz e w a n ia indukcyjnego trz p ie n ia . Z naczna szybkość n ag rzew an ia m a te ria łu pow oduje, że p rzem ian a a=>y zachodzi w zn aczn ie w y ższej te m p e ra tu rz e niż w w aru n k ach rów now agow ych. Ze w zględu na b ard zo k ró tk i c z a s w ygrzew ania nie pow oduje to jednak niekorzystnych zm ian s tru k tu r y i w łasności m ateriału . H arto w an ie próbek modelowych, nag -
24 T. W iec zorek i inni
Rys. la. P rzykładow a m a k ro stru k tu ra trz p ie n ia pielgrzym ow ego zah artow anego indukcyjnie
Fig. la. E xam plary m a c ro stru k tu re of m andrel inductively hardened
rzew anych w piecu lab o ra to ry jn y m w te m p e ra tu rz e ró w n ej te m p e ra tu rz e uzys
k iw anej p rzy n agrzew aniu indukcyjnym , doprow adzić m usiałoby do znacznego r o z r o s tu z ia r n a a u ste n itu , a co z a tym idzie, do nieporów nyw alnych w łasności m echanicznych. W celu zam odelow ania w łasności, ja k ie m a te ria ł powinien posiadać w w a rstw ie z a h a rto w a n e j indukcyjnie, zastosow ano metodę p ośrednią. W stępnie obrobione m echanicznie próbki p rzeznaczone do badań w ytrzym ałościow ych poddano różnym w arian to m obróbki ciep ln ej w piecu labo
ra to ry jn y m . H artow anie odbyw ało się w te m p e ra tu rz e 850°C, co zapew niało uzyskanie s tru k tu r y zbliżonej do s tru k tu r y w a rstw y z a h a rto w a n e j indukcyj
nie. P ozw ala to założyć, że w łasności • próbek modelowych odpow iadają w łasnościom w a rstw y h a rto w a n e j indukcyjnie. Na próbkach tych wykonano b a dania m echaniczne i m eta lo g ra fic z n e (ta b .5) [41. Dla celów porów naw czych w ybrano losowo dwa trz p ie n ie pielgrzym ow e wykonane wg dotychczasow ej te c h nologii i w ycięto z nich próbki do badań w łasności mechanicznych (tab. 5, poz.1-6). Porów nanie wyników prób w ytrzym ałościow ych m a te ria łu ulepszanego
O p ra c o w a n i e n o w e j tec h n o l o g ii 25
Rys. Ib. P rzykładow a m ik ro s tru k tu ra tr z p ie n ia pielgrzym ow ego zah arto w an eg o indukcyjnie
Fig. lb. E xam plary m ic ro s tru c tu re o f m andrel inductively hardened
cieplnie o ra z próbek trz p ie n i (ta b .5, p o z .ll) w sk azu je na m ożliw ość z n acz
nego zw iększenia trw a ło ś c i trz p ie n i h arto w an y ch indukcyjnie, przy czym n a leży zaznaczyć, że uw aga t a dotyczy jedynie w a rstw y h a rto w a n e j.
W celu zb ad an ia m ożliw ości popraw y w łasności m echanicznych rd zen ia, tr z y fra g m e n ty tr z p ie n ia n r 150 o w ym iarach $ 102 mm i długości ok. 450 mm poddano obróbce ciep ln ej w różnych w arunkach. Z frag m en tó w ty ch w ycięto próbki do badań m echanicznych. Z cz w a rte g o fra g m e n tu trz p ie n ia , po sto c z e niu w a rstw y z a h a rto w a n e j, w ycięto próbki do badań m echanicznych w celu ok
re ś le n ia w łasności m a te ria łu , w sta n ie w yżarzonym . Wyniki prób zeb ran o w ta b .5, poz.7-10.
3. PRÓBY EKSPLOATACYJNE ZAHARTOWANYCH TRZPIENI
Próby te prow adzono na trz p ie n ia c h o różnych śred n icach w tra k c ie w al
cow ania r u r o różnych g ru b o ściach ścianek. T rzp ie n ie h a rto w an e były różnym i m etodam i: część z nich h a rto w a n a była na wysoka tw ard o ść i n astęp n ie po h arto w a n iu dodatkow o odpuszczana w piecu, a część h a rto w an ą tylko pow ietrzem p rzek azan o do- e k sp lo a ta c ji bez odpuszczania. P ierw sze
26 T. W iec zorek i inni
Rys. 2. Rozkład tw a rd o ś c i w p rz e k ro ju poprzecznym tr z p ie n ia hartow anego indukcyjnie po odpuszczeniu p rzez 4 h (1) i 8 h (2)
F ig .2. The d is trib u tio n o f th e h ard n ess in th e c ro s s -s e c tio n o f the mand
r e l h ard en ed inductively a f t e r tem pering fo r 4 h o u rs (1) and 8 hours
(2)
p a r tie trz p ie n i h arto w an y ch ulegały deform acjom i przew ężeniom ju ż po pierw szych cyklach w alcow ania. Z w iązane to było z niew łaściw ie dobranym i p a ra m e tra m i obróbki ciep ln ej i znacznym i naprężeniam i hartow niczym i. Wyni
ków e k sp lo atacy jn y ch dla ty c h trz p ie n i nie po d aje sie w opracow aniu.
E k sp lo atację n astępnych p a rtii trz p ie n i prow adzono aż do ich całkow itego zużycia się albo do zakończenia p rogram u w alcow ania r u r o d an ej średnicy.
Uzyskane wyniki z e b ra n o w t a b .6.
4. ANALIZA WYNIKÓW PRÓB I BADAŃ
Jak w ykazały p rzeprow adzone badania, s ta l w g a t. 50NHMF cechuje bardzo duża h arto w n o ść i s ta b iln a tw a rd o ść w w arunkach odpuszczania, co powoduje, że może być sto so w an a jako m a te ria ł na trz p ie n ie pielgrzym ow e dla w szy st
kich śred n ic. Poniew aż na s tru k tu r ę m a te ria łu po h arto w a n iu zasadniczy wpływ w y w iera w ielkość z ia r n a a u ste n itu , isto tn y j e s t ta k i dobór te m p e ra tu ry i czasu w ygrzew ania, by uzyskać całkow itą a u ste n ity z a c ję , nie dopusz-
O p ra c o w a n i e n o w e j technologii 27
T abela 5 Własności m echaniczne trz p ie n i pielgrzym ow ych
Lp O b r ó b k a c ie plna
R e Rm A
5 Z U Twardość Uwagi
M P a M Pa 7. 7. J / c m 2 HRc HB —
1.
hartowanie:
850° C - olej odpu szcza ni e:
5 7 5 ° C / 4 h —pow.
1320 1 370 1 3 3 0
1390 1410 1410
11 13 12
34 45 42
5 2 5 2 5 5 5 2
4 3,7 3 6 4
2.
hartowanie:
8 5 0 ° C - olej o dpuszczani e:
600° C/4 h-pow . 1300 1320 1 320
1370 1370 1380
10 12 13
45 44 47
6 8 6 5 5 7 62
4 3 , 5 3 6 0
próbki
3.
hartowanie:
8 5 0 ° C - olej odpus zcz ani e:
62^°C /4h-p ow.
1 150 1 150 1 1 3 0
1240 1280 1220
12 13 14
51 51 52
92 87 92 92
3 9 , 5 3 3 4
w s t ę p n i e o b r o b i o n e c i e p l n i e
4.
hartowanie:
8 5 0 ° C - olej o dpus zczanie:
650° C/4h-pow.
9 2 6 9 2 5 9 1 6
9 7 8 9 8 8 9 8 0
17 16 17
55 5 5 56
108 108 113 110
3 2 , 3 2 5 9
5. n orma lizacja:
8 5 0 ° C - pow. ■ - 4 6 , 4 451
6.
n orm aiizacja:
8 5 0 ° C - pow.
odpusz cza nie:
625°C/ 4h- pow.
1 1 5 0 1 130 1 150
1290 1270 1290
12 12 12
5 0 50 51
87 8 0 8 0 8 2
3 7 , 7 321
7.
materiał w s t a n i e w y ż a r z o n y m
6 4 0 6 3 6 6 1 4
7 9 5 7 9 0 8 1 9
21 2 0 2 2
52 5 2 54
5 0 5 7 5 2
17,6 2 0 2 o b r ó b k ę c i e p l n ą Ł w y k o n a n o n a f r a g m e n t a c h t r z p i e n i a n r 160 o d ł u g o ś c i a c h o k o ł o 4 5 0 m m B- norma lizac ja:
8 5 0°C/ 2h- pow. 1 3 3 0 1270 1 3 0 0
1540 1500 1520
10 12 11
30 3 4 3 7
32 3 5 3 4
4 1 , 6 372
9.
normal iza cja:
8 5 0 ° C / 2 h —pow.
o d pusz cza nie:
600° C/4h- pow . i n o 11 2 0 1080
1250 1260 1230
15 14 13
48 52 52
5 0 50 50 52
3 6 , 2 3 1 6
10
hartowanie:
8 5 0 ° C / 2 h - spręż, pow, odpus zczan ie:
625° C/4h-pow.
12 7 5 1 250 1 255
1390 1 35 0 1 32 5
12 12 13
51 4 9 48
7 6 91 81 8 6 8 6
3 8 , 6 3 3 9
11
t r z p i e n i e w y k o n a n e ^ wg dotych.
technologii
9 1 6 9 6 8 9 6 8
1090 1090 1 07 0
12 io 12
47 44 44
3 3 4 0 20 3 0
2 8 , 8 2 8 3
wyniki u z y s k a n o n a p r ó b kach p o
□ Z N A C Z E N I A
R e , R e - g r a n i c a w y t r z y m a ł o ś c i i p l a s t y c z n o ś c i , A^,Z - w y d ł u ż e n i e i p r z e w ę ż e n i e w z g l ę d n e , U — udarnctść
c h o d z ą c y c h z 2
l o s o w o wy b r a n y c h trzpieni wyk. wg d o t .tech.
28 T. W iec zorek i inni
T abela 6 Wyniki ek sp lo atacy jn e trzp ien i wykonanych wg now ej technologii
I Nr
Trzpień
$ mm kg
Wa i cowa- ne rury
L i cz b a i m a s a rur
szt t
W a 1 c c w a ne r ur y
L i c z b a i m a s a rur
szt t
Ł ą c z n i e i iczba i m a s a szt/t 512
513 517 518 378
92 154 $ 1 2 1 / 1 6 m m
91 92 91 92
28.21 28.52 28.21 28.52
$ 1 0 1 /
6 . 3 m m 25 6 .0 116/34
94 163 $ 10 8 / 6 m m 114 29 .65 $ 1 2 7 / 17.5 m m
1 ,92 120/36
4 08 409 4 10 411*
412 4 13 415 416 417 339 341 345 346 347*
350*
352*
4 42 443 445 446 4 47 4 48
¡ 449 450 4 12 516
82 181 119 181 98 176 $ 1 0 8 / 6 . 3
mm
61 13.7
$ 1 2 7 / 1 6 m m
143/32 242/ 6 3 180/50 242/ 6 3
104 198
103 79 142
$ 1 3 3 79 16 142 m m 142 142
24.8 28, 1 51.1 28, 1 51.1 51.1 51 , 1
$ 1 1 4 6,3 m m
96 170 $ 1 2 1 / 14.8
m m
155 174 155 174 155 155 174 155 155 155
49 .54 49 ,54 4 4.64 49 .54 4 4. 6 4 4 4 .6 4 49.54 44.54 4 4.54 4 4.54
9 .84 9 , 8 4 9 , 84 9 , 8 4
$ 1 4 6 2 2, 2
m m
34 12,1 137/38 8 3. 28 145/41 8 3, 28 208/64 8 3, 28 87/3 1 , 3 34 12.1 234/73 34 12.1 23 4/73 34 12.1 234/73
m - masa t r z p i e n i a
* — trzpienie, k t ó r e u l e g ł y z u życiu
O p ra c o w a n ie n o w e j te c h n o lo g ii 29 c z a ją c jed n ak do ro z ro s tu z ia rn a . Jak w y k azu ją wyniki badań m e ta lo g ra fic z nych, d o b ie ra ją c odpow iednio te m p e ra tu rę i czas p rzetrzy m y w an ia m a te ria łu we wzbudniku (szybkość przesuw u) m ożna uzyskać w w a rstw ie z a h a rto w a n e j s tru k tu r ę porów nyw alną, a n aw et lep szą od o trzym yw anej p rzy nagrzew aniu w piecu. Złożony c h a ra k te r zm ian te m p e ra tu ry w p rz e k ro ju tr z p ie n ia zarów no podczas n ag rzew an ia, ja k i chłodzenia pow oduje konieczność ek sp ery m en tal
nego doboru p a ra m e tró w h arto w an ia. Szczególnie w ażny je s t dobór odpow ied
n iej intensyw ności chłodzenia. Badania w ykazały, że p rzy intensyw nym chłodzeniu w odno-pow ietrznym uzyskuje się w w a rstw ie z a h a rto w a n e j s tr u k tu r ę m a rten zy ty czn ą, k tó ra stopniow o przechodzi w b a in it dolny. W s tr e f ie p rz e jśc io w e j w y stęp u je s tr u k tu r a m ieszana, będąca wynikiem n iepełnej a u s - te n ity z a c ji, złożona z b ain itu o ra z pozostałości s tru k tu r y w yjściow ej.
S to su jąc m n ie jsz ą intensyw ność chłodzenia w w a rstw ie z a h a rto w a n e j uzyskuje się s tr u k tu r ę b ain ity czn ą lub (przy chłodzeniu swobodnym) s tr u k tu r ę m ie
szan ą złożoną z b a in itu i p e rlitu .
W stępne próby w alcow ania r u r na trz p ie n ia c h zah arto w an y ch indukcyjnie przy d u żej intensyw ności chłodzenia w ykazały, że trz p ie n ie , których nie poddano odpuszczaniu, ulegały w yginaniu, praw dopodobnie na skutek w yzw ala
nia się znacznych n ap rężeń hartow niczych. Poza tym w w a rstw ie z a h a rto w a n e j w ystępow ały liczne pęknięcia. Niemożliwe więc okazało się stosow anie trz p ie n i, których w a rstw a zew n ę trz n a posiada s tru k tu r ę m arten zy ty czn ą bez odpuszczania.
W celu dośw iadczalnego o k reślen ia te m p e ra tu ry odpuszczania, frag m en ty trz p ie n ia n r 4 po z a h arto w an iu indukcyjnym poddano odpuszczaniu w te m p e ra tu r z e 600°C w czasie 4 h i 8 h. Uzyskano p rak ty czn ie tak ie sam e tw ard o ści dla m a te ria łu odpuszczanego w ty ch sam ych czasach (r y s .2), co w sk azu je na stab iln o ść jeg o w łasności. Wyniki t e p o tw ie rd z a ją , że s ta l 50NHMF ulepszo
ną cieplnie cech u je duża odporność na tru d n e w arunki te rm iczn e w y stęp u jące w tra k c ie e k sp lo a ta c ji tr z p ie n ia pielgrzym ow ego.
Na p o d staw ie wyników badań w ytrzym ałościow ych o ra z prób e k sp lo a ta c y j
nych m ożna stw ie rd z ić , że przy w a rstw ie z a h a rto w a n e j o grubości 12-15 mm w ytrzym ałość s ta ty c z n a rd z e n ia pow inna w ynosić ^ emin=
i Rm = 1000 MPa. W przeciw nym wypadku trz p ie ń będzie ulegał szybkiem u
min
zużyciu w części roboczej.
Spośród trz p ie n i, k tó re uległy zniszczeniu w e k sp lo a ta c ji, w ybrano dwa do badań lab o ra to ry jn y c h . W arstw a z a h a rto w a n a m iała rów ną grubość, co św iadczy o stab iln o ści p a ra m e tró w h a rto w an ia. Pom iary tw ard o ści wykazały j e j spadek w odległości ok. 1 m od uchw ytu, co je s t n iew ątp liw ie wynikiem
30 T. W iec zo rek i inni
w arunków e k sp lo a ta c ji zw iązanych z kontaktem t e j części trz p ie n ia z gorącym wsadem. Z jaw isko to jednak nie w pływa w isto tn y sposób na żyw otność trz p ie n ia . Na obu badanych trz p ie n ia c h w ystąpiły pęknięcia zm ęczeniowe ułożone podłużnie. Badania m etalo g raficzn e w ykazały, że pęknięcia te p o w sta ją w w a rstw ie z e w n ętrzn ej. Ze w zględu na dużą ciągliw ość m a te ria łu h artow anego ro zw ó j pęknięcia w w a rstw ie z a h a rto w a n e j zachodzi kosztem zużycia zn aczn ej energii o ra z to w a rz y s z ą mu duże od
k sz ta łc e n ia p lasty czn e. N ato m iast po p rzekroczeniu w a rstw y z a h a rto w a n e j pęknięcie ro z w ija się łatw o i m a cechy pęknięcia kruchego.
Z badań w ynika, że n a jk o rz y stn ie js z e re z u lta ty (w ytrzym ałość sta ty c z n a , w łasności p lasty czn e, udarność i tw ard o ść) uzyskuje się s to s u ją c po h a rto w aniu odpuszczanie w te m p e ra tu rz e 625-630°C p rz e z 4 h. O dpuszczanie w tem p e ra tu rz e 650°C p rz e z 4 h zw iększyłoby w praw dzie żyw otność części roboczej trz p ie n ia , lecz n astąp iłab y u t r a t a tw ard o ści w części uchw ytow ej i z tego względu szybkie w ycofanie z ek sp lo a ta c ji.
W celu oceny popraw y w łasności trz p ie n i po h arto w an iu indukcyjnym wyb
ran o losowo dwa trz p ie n ie wykonane według dotychczasow ej technologiii i pobrano z nich m a te ria ł do badań. Uzyskane wyniki zam ieszczono w tab .5 . p o z.ll. Porów nanie w łasności p o tw ierd za m ożliw ości znacznego zw iększenia żyw otności trz p ie n i hartow anych. Z w rócić należy p rzy tym uw agę na fa k t, że m etodą h a rto w a n ia indukcyjnego uzyskuje się popraw ę w łasności jedynie w stosunkow o cienkiej w a rstw ie z e w n ę trz n e j, podczas gdy rd zeń trz p ie n ia po
z o s ta je nadal kruchy i ma nadal nieodpow iednie w łasności.
W celu zbadania m ożliw ości popraw y w łasności rd zen ia trz p ie n ia p iel- grzym owego, frag m en ty trz p ie n ia n r 160 obrobiono cieplnie sto s u ją c norm a
lizow anie, norm alizow anie i odpuszczanie o ra z h arto w an ie sprężonym pow iet
rzem i odpuszczanie. Uzyskane wyniki zam ieszczono w ta b .5 , poz..8-10. Dla porów nania podano w łasności i s tru k tu r ę m a te ria łu w sta n ie w yżarzonym (tab .5 , poz.7). Z uw agi na to , że badania zo stały przeprow adzone na s to sunkowo dużych fra g m e n ta c h trz p ie n ia , wyniki mogą być uznane za re p re z e n ta ty w n e d la całego trz p ie n ia poddanego analogicznym obróbkom cieplnym. Po
ró w n u jąc wyniki badań trz p ie n i norm alizow anych lub h artow anych sprężonym pow ietrzem (tab .5 , poz.9 i 10) z w łasnościam i trz p ie n i dotychczas sto so w a
nych (tab .5 , p o z .ll) s tw ie rd z a się znaczne m ożliw ości zw iększenia trw a ło śc i trz p ie n i p o przez popraw ę w łasności m echanicznych rd zen ia. Wynika stą d , że trz p ie n ie p rzed hartow aniem indukcyjnym powinny z o sta ć w stępnie znorm alizow ane.
O pra cow anie n o w e j tec h n o l o g ii 31
5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Przeprow adzone b ad an ia p ro cesu indukcyjnego h a rto w a n ia pow ierzchniow ego znacznej ilości różnorodnych trz p ie n i pielgrzym ow ych um ożliw iły komplekso
wą ocenę p rzy d atn o ści te c h n ic z n e j stan o w isk a dośw iadczalnego [1] o ra z własności ek sp lo atacy jn y ch zah arto w an y ch trz p ie n i. Z ap ro jek to w an y i wyko
nany układ zezw ala na osiągnięcie żądanych p a ra m e tró w h a rto w a n ia , a . zbudo
wane w zbudniki, natryskiw :«”?? w o dno-pow ietrzny o ra z zm odyfikow any sam otok mogą z o sta ć , bez w iększych zm ian konstrukcyjnych, zasto so w an e w urząd zen iu przemysłowym. Konieczne jed n ak j e s t w ro zw iązan iu docelowym, z uw agi na znaczne zużycie wody ch ło d zącej, wykonanie zam kniętego obiegu chłodzenia.
Pomiar te m p e ra tu ry , dokonywany w c z a sie prób jedynie doryw czo, w sta n o w is
ku przem ysłow ym pow inien z o sta ć zautom atyzow any. Zmiany w ymaga rów nież sposób re g u la c ji prędkości sam otoku (w tr a k c ie prób odbyw ał się ręczn ie, poprzez zm ianę k ą ta pochylenia ro lek sam otoku).
Wyniki badań m etalo g raficzn y ch , w ytrzym ałościow ych i eksploatacyjnych zahartow anych trz p ie n i p o tw ierd ziły słu szn o ść p r z y ję te j koncepcji. Uzyska
ne w tr a k c ie e k sp lo a ta c ji p a r tii próbnych trz p ie n i h arto w an y ch w skaźniki zużycia są od 2 ,5 - do 3 ,5 -k ro tn ie n iższe w porów naniu ze w skaźnikam i zużycia trz p ie n i wykonywanych wg d o ty ch czaso w ej technologii. Badania la b o ra to ry jn e w ykazują, że p o p raw a ty ch w skaźników może być je s z c z e w iększa, je śli tylko w yelim inow ane z o sta n ą błędy . popełniane w fa z ie przygotow ania trzp ien i do h a rto w a n ia . Zapew ni to odpow iedhią w ytrzym ałość i w łaściw ą s tru k tu rę rd z e n ia trz p ie n ia . W łaściw ie przygotow any tr z p ie ń poddany h a r to waniu indukcyjnem u uzyska w łasności odpow iadające poz.3 ( t a b .5 i w w a rstw ie z a h a rto w a n e j i poz.10 (tab .5 ) w rd zen iu , a w ięc znacznie w yższe od obecnie osiąganych (ta b .5 , p o z .ll). Popraw na obróbka cieplna tr z p ie n i p rzed h a r to waniem je s t w w arunkach k ażd ej h u ty m ożliw a i nie w ym aga żadnych nakładów inw estycyjnych, a jedynie p rz e s trz e g a n ia zaproponow anej w tym opracow aniu technologii.
P rzed staw io n e w [2] w a ria n ty zm iany d otychczasow ej technologii w ytw a
rz a n ia trz p ie n i pielgrzym ow ych p o kazują, ja k znaczne i różnorodne są możliwości ro z w ią z a n ia problem u. W celu w yboru opty m aln ej (w w arunkach d a - p e j huty) koncepcji konieczne je s t p rzean alizo w an ie (o p a rte na p rz e d s ta wionych opracow aniach) p rz e z w yspecjalizow ane służby technologiczne, e n e r
getyczne i ekonom iczne, stro n y te c h n ic z n e j, nakładów i spodziew anych e fe k tów. Powinno to , zdaniem au to ró w , pozw olić na ro zw iązan ie, w krótkim c z a
32 T. W ie czorek i inni
sie, problem u trz p ie n i pielgrzym ow ych, nie tylko w w arunkach Huty Batory, lecz ta k ż e innych sto su jący ch sposób w alcow ania r u r m etodą Mannesmanna lub zbliżony.
LITERATURA
[1] K adzim ierz R., S ajd ak C ., W ieczorek T ., Kucia K., Meixner W.: O praco
w anie now ej technologii w y tw a rz a n ia trz p ie n i pielgrzym ow ych stosow anych w p ro cesie w alcow ania r u r m etodą M annesmanna. Cz.I Stanow isko do induk
cyjnego h a rto w a n ia pow ierzchniow ego trz p ie n i pielgrzym owych. ZN P ol.Ś l., s e r ia H utnictw o n r 43, G liw ice 1992.
[2] K adzim ierz R., S ajd ak C ., W ieczorek T ., Kucia K., K adzim ierz T ., P a r- ty k a S., Meixner W., W arw as L.: O pracow anie now ej technologii w y tw a rz a n ia trz p ie n i pielgrzym ow ych dla zespołu MM II. S praw ozdanie z pracy n -b K atow ice 1989 (m a te ria ły niepublikow ane).
[3] K adzim ierz R., S ajd ak C ., W ieczorek T ., Kucia K., K adzim ierz T ., P a r - ty k a S., Meixner W., W arw as L .: Wpływ indukcyjnego h a rto w a n ia p o w ierz
chniowego trz p ie n i pielgrzym ow ych na popraw ę ich w łasności m echanicz
nych i zw iększenie trw a ło śc i e k sp lo a ta c y jn e j. IV K o n feren cja "Badania naukowe w e le k tro te rm ii" , Wisła 1989, s s .66-79.
[4] K adzim ierz R., S ajd ak C ., W ieczorek T ., Kucia K., K adzim ierz T ., P a r- ty k a S ., Meixner W.: Issled o w an ija nowogo m ietoda te rm ic z e sk o j o b ra b o t- ki s tr ie ż n e j d la p ro k atk i tr u b w prokatnom a g re g a tie Mannesmanna 34.
Int.W iss. Kolloquium, Ilm enau 1989.
DEVELOPING OF A NEW TECHNOLOGY IN PRODUCTION OF PILGER MANDRELS APPLIED FOR PIPES ROLLING IN THE MANNESMANN METHOD
PART I I
THE RESULTS OF RESEARCHES AND EXPLOITATION TESTS
A b str a c t
In th e ex p erim en tal sta n d (described in [1]) re s e a rc h e s o f induction hardening o f p ilg er m andrels w ith various d ia m e te rs w ere led. D uring inve
stig a tio n s some e le c tric a l p a ra m e te rs and th e su rfa c e te m p e ra tu re of a
O p ra c o w a n ie n o w e j tec h n o l o g ii 33 m andrel (b efo re its cooling) w ere m easured (by an o p tical p y ro m eter). To end w ith hardening, th e su rfa c e te m p e ra tu re of th e m andrel f o r e stim atio n o f s e lf-te m p e rin g w as m easured once again (by a c o n ta c t th erm o m eter) as w ell as su rfa c e h ard n e ss on th e w hole m an d rel’s lenght w as m easu red (2,31.
The m andrels $ 102 mm and $ 104 mm in d ia m e te r w ere heated by th e cy
lin d ric a l in d u cto r $ 113 mm in d iam eter. Chosen r e s u lts o f h ardening p a r a m e te rs have been p re se n te d in T ables 1 and 2. The changes of th e inductor voltage (U ) and activ e pow er (P ) w ere re s u lte d by v ario u s tr a n s fo rm a tio n
2 8
ra tio s , speeds o f tr a v e l and end te m p e ra tu re s o f m andrels. The m andrels
$ 125 mm in d ia m e te r w ere heated by th e cy lin d rical in d u cto r $ 140 mm in d iam eter. Chosen r e s u lts of hard en in g p a ra m e te r s have been shown in T ab
le 3.
Due to com plication o f th e induction h ard en in g p rocess, th e fin a l p a r a m e te rs w ere able to o b tain only by an e x p erim en tal way. T h e re fo re , many m an d rels w ere h ardened e ith e r in v ario u s te m p e ra tu re s and speeds of tra v e l o r v arious cooling conditions. Chosen (m ost re p re se n ta tiv e ) r e s u lts w ere collected in T able 4. E xem plary r e s u lts o f m acro - and m icroscopic te s ts w ere shown in Fig. 1. The h ardened zone o f th e m andrels w as 12 15 mm in th ick n ess and had th e clo se -g ra in e d , m a rte n s itic s tru c tu r e .
The tem p erin g p ro cess w as te s te d on m andrel No 4 (Table 4). T his m an
d re l w as inductively h ardened and tem p ered (in a g as fu rn a c e ) in te m p e ra tu r e of 600 °C f o r 4 and 8 hours. H ardness o f th e m andrel ( a f te r te m p e r
ing) w as m easured and th e o btained r e s u lts have been shown in Fig. 2.
F or e stim atio n o f m echanical p ro p e rtie s of inductively hardened m an
d re ls th e sim ulation of th e induction p ro cess w as led in an e le c tric a l r e sista n c e fu rn a c e . Some t e s t b a rs w ere c u t out fro m a m andrel and th en h a r dened in te m p e ra tu re o f 850 °C, w hich conditions ensured th e obtaining of th e s tr u c tu r e sim ila r to th e s tr u c tu r e of inductively hardened m andrels.
On th e se t e s t b a rs , m echanical and m etallo g rap h ic re s e a rc h e s w ere c a rrie d out (Table 5). F or com parison o f o b tain ed r e s u lts , tw o p ilg e r m andrels m a
de o f th e p re s e n t technology (w ithout h ardening - see [1]) w ere te s te d a d ditionally (Table 6, po sitio n 1 - 6).
Some e x p lo ita tio n in v e stig a tio n s of hardened m andrels in vario u s diam e
te r s w ere led during th e tu b e s ro llin g process. The o btained r e s u lts w ere
‘collected in Table 6.
On th e b asis o f obtained r e s u lts th e re is able to a s c e rta in , th a t steel in g rad e 50NHMF has got high h a rd e n a b ility and tem pering re s ista n c e , th e re f o re it m ight be use as a m a te ria l f o r p ilg er m andrels. Because, the
34 T. W iec zo rek i inni
p ro p e rtie s o f th is m a te ria l (a f te r hardening) stro n g ly depend how big th e g ra in s o f a u s te n it a re , th e choice o f a te m p e ra tu re ran g e and a heating tim e a re very im p o rtan t. The com plicated fo rm o f te m p e ra tu re changes in th e m an d rel’s c ro s s -s e c tio n durin g induction h eatin g , m akes n ecessary to choose th e main h ardening p a ra m e te rs (like te m p e ra tu re , heatin g tim e, speed o f tra v e l, in te n sity o f cooling) on th e ex p erim en tal way only. Espe
cially im p o rtan t is th e choice o f cooling in ten sity . Investigations made c le a r, th a t by intensive w a te r - a ir cooling has been able to obtain a m a r- te n s itiv e s tr u c tu r e (in h ardened zone) and a b ain itiv e s tr u c tu r e (in t r a n s ie n t zone).
