ITMI20091085A1 - Impianto per la laminazione di tubi. - Google Patents

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ITMI20091085A1 IT001085A ITMI20091085A ITMI20091085A1 IT MI20091085 A1 ITMI20091085 A1 IT MI20091085A1 IT 001085 A IT001085 A IT 001085A IT MI20091085 A ITMI20091085 A IT MI20091085A IT MI20091085 A1 ITMI20091085 A1 IT MI20091085A1
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Description

"Impianto per la laminazione di tubi"
La presente invenzione riguarda un impianto per la laminazione continua di tubi senza saldatura, in particolare per la laminazione continua di tubi senza saldatura di medio-grande diametro. L’invenzione riguarda inoltre un metodo per tale laminazione.
È noto produrre tubi metallici senza saldatura per deformazioni plastiche successive di una billetta di partenza. Come prima fase la billetta viene riscaldata in forno a circa 1220÷1280°C. Poi la billetta viene perforata longitudinalmente, in modo da ottenere un semilavorato forato, con parete spessa e lunghezza da 1,5 a 4 volte rispetto a quella della billetta iniziale. Successivamente in questo semilavorato viene inserito un mandrino. Il semilavorato viene poi passato attraverso un laminatoio (cui ci riferiremo di seguito come “laminatoio principale†) in grado di assottigliare via via la parete attraverso opportune riduzioni di diametro e aumentare la lunghezza del prodotto finito. Tale laminatoio comprende notoriamente una pluralità di unità di laminazione. Ciascuna unità comprende una gabbia sulla quale sono montati dei rulli aventi gole profilate. Solitamente i rulli profilati sono tre e l’insieme dei profili raccordati delle gole dei tre rulli definisce il profilo esterno del tubo rilasciato dall’unità di laminazione.
A valle del laminatoio principale viene estratto il tubo dal mandrino e si procede alle fasi finali di finitura che consentono di ottenere un tubo in grado di soddisfare standard qualitativi adeguati.
I parametri fondamentali da controllare sono lo spessore della parete e il diametro esterno del tubo.
Attualmente sono noti due differenti tipi di impianto che portano a termine le fasi finali di finitura.
Un primo tipo di impianto prevede che vi sia, a valle del laminatoio principale e in linea con esso, un laminatoio estrattore in grado di estrarre il tubo semilavorato dal mandrino. Tale laminatoio estrattore comprende solitamente tre gabbie.
Nelle fasi successive della lavorazione, non à ̈ più possibile intervenire direttamente sullo spessore della parete del tubo. È quindi consigliabile, in questo tipo di impianto, prevedere un controllo sullo spessore di parete appena a valle dell’estrattore. In questo modo se il tubo semilavorato ha uno spessore di parete che si discosta dallo spessore desiderato à ̈ possibile intervenire con una regolazione automatica del laminatoio principale così da correggere lo spessore sulle successive sezioni di tubo.
A valle dell’estrattore e del controllo sullo spessore à ̈ posizionato, fuori linea, un laminatoio calibratore. Tale laminatoio calibratore comprende una pluralità di gabbie fisse (solitamente 10÷12) adatte a definire il diametro finale del tubo conformandolo allo standard richiesto. Per ottenere un buon risultato sul diametro à ̈ consigliabile uniformare la temperatura del tubo in un apposito forno, così da uniformare anche l’effetto della contrazione che si ha nel tubo con il successivo raffreddamento. In questa fase di lavorazione infatti il tubo proveniente dal laminatoio principale può presentare temperature differenti nelle varie sezioni, in funzione delle condizioni geometriche del tubo e dei fattori transitori di processo. Il forno che precede il laminatoio calibratore deve avere dimensioni tali da ospitare al suo interno l’intero tubo per poterne uniformare la temperatura attorno ai 950°C.
In seguito all’azione del laminatoio calibratore, il diametro finale del tubo à ̈ conformato allo standard desiderato. Ciò che invece può discostarsi dallo standard à ̈ lo spessore di parete perché l’azione del laminatoio calibratore modifica in modo poco controllabile e talvolta imprevedibile lo spessore della parete. A valle del laminatoio calibratore può essere collocato anche un controllo sullo spessore finale del tubo che possa eventualmente correggere lo spessore del semilavorato a monte, a livello del laminatoio principale. È chiaro però che l’intervento di questo controllo à ̈ tardivo e le condizioni che hanno portato lo spessore a discostarsi dallo standard desiderato possono essere nel frattempo mutate nuovamente, in modo da vanificare l’effetto del controllo.
Tale primo tipo di impianto, pur molto impiegato, non à ̈ esente da svantaggi. Innanzitutto il forno tra l’estrattore e il calibratore costituisce un investimento aggiuntivo e, dovendo rimanere sempre acceso, comporta considerevoli spese di gestione. Poi, da un punto di vista logistico, il calibratore a rulli fissi necessita di un importante parco gabbie per potersi adattare ai differenti diametri richiesti, ai differenti acciai impiegati e alle loro caratteristiche. Infine, come anticipato sopra, il controllo sullo spessore finale della parete del tubo à ̈ solo indiretto e non à ̈ in grado di garantire tolleranze stringenti.
Un secondo tipo di impianto noto prevede che vi sia, a valle del laminatoio principale e in linea con esso, un laminatoio estrattore-calibratore. Tale laminatoio estrattore-calibratore comprende una pluralità di gabbie a rulli regolabili ed à ̈ così in grado di estrarre il tubo dal mandrino e di controllare il diametro finale del tubo. Un controllo sullo spessore di parete à ̈ previsto appena a valle del laminatoio estrattore-calibratore. In questo modo se il tubo finito ha uno spessore di parete che si discosta dallo spessore desiderato à ̈ possibile intervenire con una regolazione automatica del laminatoio principale così da correggere lo spessore sui tubi successivi. A fronte di una evidente compattezza di questo tipo di impianto, rispetto a quello descritto precedentemente, vi sono comunque alcuni inconvenienti che ne rendono l’uso poco vantaggioso.
Il laminatoio estrattore-calibratore comprende infatti molte gabbie regolabili (solitamente 10÷12) ed à ̈ quindi una macchina molto complessa e costosa.
Inoltre il controllo del diametro del tubo non può essere condotto in modo accurato in linea. Occorre notare infatti che, al termine del processo di laminazione, il tubo si muove lungo l’impianto ad una velocità di circa 5÷6 m/s. È quindi molto difficile implementare un controllo retroazionato che consenta di poter controllare i parametri del tubo ed intervenire in tempo reale sui rulli di laminazione. Questa difficoltà si amplifica in presenza di differenze di temperatura lungo il tubo. Tali differenze di temperatura non possono essere compensate efficacemente e danno luogo ad altrettante differenze del diametro finale del tubo.
Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello si superare almeno parzialmente gli inconvenienti riportati sopra con riferimento alla tecnica nota.
In particolare, compito della presente invenzione à ̈ quello di rendere disponibile un impianto per la laminazione continua che consenta di controllare in modo efficace sia il diametro esterno sia lo spessore di parete del tubo finito.
Inoltre, compito della presente invenzione à ̈ quello di rendere disponibile un impianto per la laminazione continua che consenta investimenti iniziali contenuti e costi di gestione limitati.
Infine, compito della presente invenzione à ̈ quello di rendere disponibile un impianto per la laminazione continua che consenta una gestione semplificata da un punto di vista logistico.
Lo scopo e i compiti sopra indicati sono raggiunti da un impianto in accordo con quanto rivendicato nella rivendicazione 1 e da un metodo secondo la rivendicazione 8.
Le caratteristiche e gli ulteriori vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di alcuni esempi di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo con riferimento alle figure allegate, in cui: - la figura 1 rappresenta uno schema a blocchi di un primo tipo di impianto di laminazione secondo l’arte nota;
- la figura 2 rappresenta uno schema a blocchi di un secondo tipo di impianto di laminazione secondo l’arte nota;
- la figura 3 rappresenta uno schema a blocchi di un impianto di laminazione secondo l’invenzione.
L’impianto per la laminazione di un tubo senza saldatura secondo l’invenzione comprende in modo in sé noto un laminatoio principale, in cui la posizione radiale dei rulli à ̈ regolabile, per la laminazione su mandrino di un tubo semilavorato. L’impianto secondo l’invenzione comprende quindi un laminatoio estrattore-riduttore a rulli fissi posizionato a valle del laminatoio principale e in linea con esso. Tale laminatoio estrattoreriduttore à ̈ adatto ad estrarre il tubo semilavorato dal mandrino e ridurre il diametro del tubo semilavorato fino ad un valore predeterminato prossimo a quello desiderato per il tubo finito. A valle del laminatoio estrattoreriduttore, l’impianto comprende mezzi di misurazione dello spessore di parete del tubo; il laminatoio principale à ̈ adatto a regolare la posizione radiale dei rulli sulla base delle misure dello spessore di parete del tubo. Infine, l’impianto secondo l’invenzione comprende un laminatoio calibratore del tipo in cui la posizione radiale dei rulli à ̈ regolabile. Tale laminatoio calibratore à ̈ posizionato a valle del laminatoio estrattoreriduttore e fuori linea rispetto ad esso. Il laminatoio calibratore comprende mezzi di misurazione della temperatura del tubo in entrata e mezzi di misurazione del diametro del tubo in uscita; esso à ̈ adatto a regolare la posizione radiale dei rulli sulla base delle misure della temperatura del tubo in entrata e del diametro del tubo in uscita.
Con riferimento all’impianto di laminazione, si può definire in modo univoco un asse di laminazione, che à ̈ l’asse longitudinale di un tubo in lavorazione. Si dirà dunque radiale la direzione di una semiretta perpendicolare all’asse e avente origine su di essa.
In accordo con alcune forme di realizzazione, l’impianto di laminazione secondo l’invenzione comprende, a monte del laminatoio principale, un forno per il riscaldamento di una billetta e un perforatore adatto a perforare longitudinalmente la billetta, in modo da ottenere un semilavorato forato, con parete spessa e lunghezza da 1,5 a 4 volte rispetto a quella della billetta iniziale.
In accordo con una forma di realizzazione, l’impianto di laminazione secondo l’invenzione comprende, a valle del laminatoio calibratore, un apparato per il raffreddamento del tubo fino alla temperatura ambiente e una stazione di taglio adatta a tagliare il tubo in lunghezze prestabilite. L’impianto secondo l’invenzione à ̈ particolarmente adatto per la laminazione di tubi senza saldatura di diametro medio-grande. Con tale espressione ci si riferisce a diametri superiori a 168,3 mm (6â… pollici), tipicamente ci si riferisce a diametri compresi tra 168,3 mm e 457,2 mm (18 pollici).
In accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione, il laminatoio estrattore-riduttore comprende 8÷12 gabbie di laminazione a rulli fissi. Tale laminatoio à ̈ detto estrattore-riduttore perché à ̈ in grado di estrarre il tubo in lavorazione dal mandrino e di ridurre il diametro del tubo semilavorato fino ad un valore predeterminato prossimo a quello finale.
Come detto sopra, a valle del laminatoio estrattore-riduttore, sono previsti mezzi di misurazione dello spessore di parete del tubo adatti a consentire di regolare la posizione radiale dei rulli del laminatoio principale. La possibilità di intervenire direttamente sullo spessore della parete del tubo à ̈ infatti limitata al laminatoio principale che opera su mandrino. Il successivo laminatoio estrattore-riduttore opera invece senza mandrino ed à ̈ in grado di intervenire direttamente sul diametro del tubo. Durante la modifica del diametro ad opera del laminatoio estrattore-riduttore si ha anche, come effetto collaterale, una variazione dello spessore. Tale variazione non à ̈ però determinabile con precisione a priori.
In accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione, il laminatoio calibratore comprende 2÷3 gabbie di laminazione del tipo con rulli mobili radialmente. Tali gabbie di laminazione a rulli mobili possono ad esempio essere simili a quelle descritte nel brevetto EP 0921873 concesso alla stessa richiedente. Il laminatoio calibratore à ̈ adatto a ridurre il diametro del tubo fino al valore predeterminato desiderato per il tubo finito.
L’uso di rulli mobili nel laminatoio calibratore, consente di ottenere differenti diametri finali racchiusi in una variazione di diametro fino a 3,5 mm con la medesima dotazione di rulli; consente di compensare le usure dei rulli allungandone la durata e di controllare il differente ritiro termico dei materiali e degli spessori prodotti. Si ottiene così, a fronte di una approssimazione ampiamente accettabile, una drastica riduzione del parco rulli in dotazione al laminatoio. Tale riduzione può essere stimata in almeno 30%, con riferimento al parco rulli complessivo (estrattore-riduttore e calibratore).
Come detto sopra, il laminatoio calibratore non à ̈ in linea con le precedenti parti dell’impianto. Ciò consente di movimentare il tubo, in questa fase di lavorazione, ad una velocità assiale nettamente inferiore a quella che raggiunge al termine delle fasi di lavorazione precedenti. Tipicamente, all’uscita del laminatoio principale, all’interno del quale subisce il maggiore incremento di velocità, il tubo scorre a circa 5÷6 m/s. La velocità ottimale per una laminazione finalizzata alla calibrazione del diametro esterno del tubo à ̈ stata individuata invece nell’intervallo compreso tra circa 1,2 m/s e circa 2,5 m/s. In accordo con una forma di realizzazione dell’impianto secondo l’invenzione, nel laminatoio calibratore il tubo scorre a circa 1,5 ÷ 2 m/s.
Con queste velocità di avanzamento il controllo sulla posizione radiale dei rulli di calibrazione riesce a tenere in considerazione in tempo reale la misura della temperatura delle successive sezioni del tubo in entrata e del diametro del tubo in uscita.
La possibilità di controllare in tempo reale il movimento dei rulli sulla base della temperatura del tubo consente dunque di gestire differenze di temperatura lungo il tubo stesso. In questo modo non à ̈ più necessario prevedere un forno per uniformare la temperatura del tubo.
Si ottiene con questo impianto una finitura ottimale del tubo che consente di raggiungere il diametro desiderato con tolleranze molto strette.
Occorre notare qui che, a differenza di quanto segnalato per l’impianto del primo tipo della tecnica nota, la calibrazione finale del diametro del tubo non ha sostanzialmente alcun effetto sullo spessore della parete. Infatti la calibrazione avviene, nell’impianto secondo l’invenzione, mediante poche gabbie di laminazione a rulli mobili. Al contrario, nell’impianto di tipo noto, la calibrazione finale avveniva mediante una dozzina di gabbie a rulli fissi.
Si consideri a questo proposito che la tolleranza sullo spessore di parete nominale ottenuto mediante l’impianto secondo l’invenzione à ̈ contenuta, perfino nei casi più critici con spessori di parete sottili o acciai alto legati, entro ±7% (3σ). Viceversa, per la tolleranza sullo spessore nominale ottenuto mediante impianti noti del primo tipo occorre riferirisi all’intervallo fino al ±9%. Per quanto riguarda invece gli impianti noti del secondo tipo, la tolleranza sullo spessore nominale à ̈ piuttosto stretta ma à ̈ invece la tolleranza sul diametro ad essere affetta da un’elevata dispersione. Occorre qui considerare che i tubi di grande diametro, specie se a parete sottile, sono comunemente soggetti ad una ovalizzazione dovuta al peso proprio. Infatti, in alcune condizioni di temperatura i materiali metallici sono soggetti a scorrimento viscoso (o creep), cioà ̈ ad una deformazione crescente a sforzo costante. Si può considerare che tale fenomeno si manifesti con temperature al di sopra della metà della temperatura di fusione del materiale, misurata in gradi Kelvin. Queste condizioni si verificano per il tubo appena finito, nell’impianto noto del secondo tipo. Infatti, all’uscita dal laminatoio estrattore-calibratore a rulli fissi, il tubo ha ancora una temperatura piuttosto elevata, 1000°C circa.
Nell’impianto secondo l’invenzione, all’uscita del laminatoio calibratore si ottengono temperature decisamente più basse per il tubo finito (850°C circa), limitando considerevolmente il fenomeno dell’ovalizzazione per scorrimento viscoso.
L’invenzione riguarda anche un metodo per la laminazione di tubi senza saldatura, tipicamente di tubi di grande diametro.
Il metodo di laminazione secondo l’invenzione comprende le fasi di:
- laminare su mandrino un semilavorato forato in un laminatoio principale a rulli regolabili fino ad ottenere un tubo semilavorato;
- estrarre il tubo semilavorato dal mandrino;
- ridurre il diametro del tubo semilavorato fino ad un valore predeterminato; in cui le fasi di estrarre il mandrino e ridurre il diametro del tubo semilavorato sono ottenute mediante un solo laminatoio estrattoreriduttore a rulli fissi posizionato a valle del laminatoio principale e in linea con esso;
- misurare lo spessore della parete del tubo a valle del laminatoio estrattore-riduttore e, sulla base di tale misura, regolare la posizione radiale dei rulli del laminatoio principale;
- calibrare il diametro del tubo fino ad un valore predeterminato; in cui la fase di calibrare il diametro del tubo à ̈ ottenuta:
- mediante un laminatoio calibratore in cui la posizione radiale dei rulli à ̈ regolabile,
- a valle del laminatoio estrattore-riduttore;
- fuori linea rispetto al laminatoio estrattore-riduttore;
- regolando la posizione radiale dei rulli sulla base della misura della temperatura del tubo in entrata nel laminatoio calibratore e sulla base della misura del diametro del tubo in uscita dal laminatoio calibratore.
In accordo con alcune forme di realizzazione, il metodo di laminazione secondo l’invenzione può comprendere altre fasi prima della fase di laminare su mandrino un semilavorato forato. In particolare, il metodo di laminazione secondo l’invenzione può comprendere le fasi di riscaldare in forno una billetta e di perforare longitudinalmente la billetta in modo da ottenere il semilavorato forato, con parete spessa.
In accordo con alcune forme di realizzazione, il metodo di laminazione secondo l’invenzione può comprendere altre fasi dopo la fase di calibrare il diametro del tubo. In particolare, il metodo di laminazione secondo l’invenzione può comprendere le fasi di raffreddare il tubo fino alla temperatura ambiente e di tagliarlo in lunghezze prestabilite.
Come detto sopra, la fase di calibrare il diametro del tubo non à ̈ condotta in linea con le precedenti fasi del metodo. Ciò consente di movimentare il tubo, in questa fase di lavorazione, ad una velocità assiale nettamente inferiore a quella che raggiunge al termine delle fasi di lavorazione precedenti. Tipicamente, al termine della fase di laminazione su mandrino, fase in cui subisce il maggiore incremento di velocità, il tubo scorre a circa 5÷6 m/s. La velocità ottimale per la fase di calibrazione del diametro esterno del tubo à ̈ stata individuata invece nell’intervallo compreso tra circa 1,2 m/s e circa 2,5 m/s. In accordo con una forma di realizzazione del metodo secondo l’invenzione, nella fase di calibrazione il tubo scorre a circa 1,5÷2 m/s.
Con queste velocità di avanzamento il controllo sulla posizione radiale dei rulli di calibrazione riesce a tenere in considerazione in tempo reale la misura della temperatura delle successive sezioni del tubo in entrata e del diametro del tubo in uscita.
La possibilità di controllare in tempo reale il movimento dei rulli di calibrazione sulla base della temperatura del tubo consente anche di gestire differenze di temperatura lungo il tubo stesso. In questo modo non à ̈ più necessario prevedere un forno per uniformare la temperatura del tubo.
Si ottiene con questo metodo una finitura ottimale del tubo che consente di raggiungere il diametro desiderato con tolleranze molto strette.
Come risulterà chiaro alla persona esperta, l’impianto e il metodo di laminazione secondo l’invenzione superano almeno parzialmente gli inconvenienti individuati con riferimento alla tecnica nota.
Alle forme di realizzazione dell’impianto e del metodo per la laminazione di tubi senza saldatura di grande diametro secondo l’invenzione, la persona esperta potrà, al fine di soddisfare specifiche esigenze, apportare modifiche e/o sostituzioni di elementi descritti con elementi equivalenti, senza per questo uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto per la laminazione di un tubo senza saldatura, comprendente: - un laminatoio principale, in cui la posizione radiale dei rulli à ̈ regolabile, per la laminazione su mandrino di un tubo semilavorato; - un laminatoio estrattore-riduttore a rulli fissi posizionato a valle del laminatoio principale e in linea con esso, il laminatoio estrattore-riduttore essendo adatto ad estrarre il tubo semilavorato dal mandrino e a definire il diametro del tubo semilavorato fino ad un valore predeterminato prossimo a quello del tubo finito; - mezzi di misurazione dello spessore della parete del tubo semilavorato; il laminatoio principale essendo adatto a regolare la posizione radiale dei rulli sulla base della misura dello spessore di parete del tubo in uscita dal laminatoio estrattore-riduttore; e - un laminatoio calibratore del tipo in cui la posizione radiale dei rulli à ̈ regolabile, in cui il laminatoio calibratore: - à ̈ posizionato a valle del laminatoio estrattore-riduttore e fuori linea rispetto ad esso; - comprende mezzi di misurazione della temperatura del tubo in entrata e mezzi di misurazione del diametro del tubo in uscita; ed - à ̈ adatto a regolare la posizione radiale dei rulli sulla base della misura della temperatura del tubo in entrata nel laminatoio calibratore e sulla base della misura del diametro del tubo in uscita dal laminatoio calibratore.
  2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre, a monte del laminatoio principale, un forno per il riscaldamento di una billetta e un perforatore adatto a perforare longitudinalmente la billetta.
  3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre, a valle del laminatoio calibratore, un apparato per il raffreddamento del tubo fino alla temperatura ambiente e una stazione di taglio adatta a tagliare il tubo in lunghezze prestabilite.
  4. 4. Impianto secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il tubo à ̈ un tubo senza saldatura di diametro medio-grande, cioà ̈ con diametro superiore a 168,3 mm (6â… pollici).
  5. 5. Impianto secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il laminatoio estrattore-riduttore comprende 8÷12 gabbie di laminazione a rulli fissi.
  6. 6. Impianto secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il laminatoio calibratore comprende 2÷3 gabbie di laminazione del tipo con rulli mobili radialmente.
  7. 7. Impianto secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui nel laminatoio estrattore-riduttore il tubo si muove a circa 5÷6 m/s mentre nel laminatoio calibratore il tubo si muove a circa 1,2÷2,5 m/s.
  8. 8. Metodo per la laminazione di un tubo senza saldatura, comprendente le fasi di: - laminare su mandrino un semilavorato forato in un laminatoio principale a rulli regolabili fino ad ottenere un tubo semilavorato; - estrarre il mandrino dal tubo semilavorato; - ridurre il diametro del tubo semilavorato fino ad un valore predeterminato prossimo a quello desiderato per il tubo finito; in cui le fasi di estrarre il mandrino e ridurre il diametro del tubo semilavorato sono ottenute mediante un solo laminatoio estrattore-riduttore a rulli fissi posizionato a valle del laminatoio principale e in linea con esso; - misurare lo spessore della parete del tubo a valle del laminatoio estrattore-riduttore e, sulla base di tale misura, regolare la posizione radiale dei rulli del laminatoio principale; e - calibrare il diametro del tubo fino al valore predeterminato per il tubo finito; in cui la fase di calibrare il diametro del tubo à ̈ ottenuta: - mediante un laminatoio calibratore in cui la posizione radiale dei rulli à ̈ regolabile, - a valle del laminatoio estrattore-riduttore; - fuori linea rispetto al laminatoio estrattore-riduttore; e - regolando la posizione radiale dei rulli sulla base della misura della temperatura del tubo in entrata nel laminatoio calibratore e sulla base della misura del diametro del tubo in uscita dal laminatoio calibratore.
  9. 9. Metodo secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre, prima della fase di laminare su mandrino un semilavorato forato, le fasi di riscaldare in forno una billetta e di perforare longitudinalmente la billetta in modo da ottenere il semilavorato forato.
  10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 8 o 9, comprendente inoltre, dopo la fase di calibrare il diametro del tubo, le fasi di raffreddare il tubo fino alla temperatura ambiente e di tagliarlo in lunghezze prestabilite.
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