Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 550×25-30 мм ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ПАРОПРОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ УСТАНОВОК С ВЫСОКИМИ И СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА ИЗ СТАЛИ МАРКИ 10Х9МФБ-Ш

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных горячекатаных труб размером 550×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, и может быть использовано на трубопрокатной установке 8-16″ с пилигримовыми станами при производстве передельных труб размером 570×45 и 570×48 мм из полых слитков-заготовок ЭШП для последующей механической обработки - расточки и обточки их в товарные трубы размером 550×25-30 мм.

В практике трубопрокатного производства существует способ изготовления котельных труб большого и среднего диаметров из кованых заготовок сталей марок 20, 15ГС, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 10Х9МФБ, 12Х11 В2МФ, 08Х16Н9М2, 12Х18Н12Т и 10Х13Г12БС2Н2Д2 с заданными требованиями по механическим свойствам, включающий отливку слитков, ковку их в поковки (уплотнение структуры) с уковом ≥2,5, механическую обработку поковок в заготовки (обточку со съемом металла 10-15 мм на сторону), сверление в заготовках центрального отверстия диаметром 100±5 мм для удаления центральной ликвационной пористости и неметаллических включений, нагрев заготовок до температуры пластичности, прошивку заготовок в станах поперечно-винтовой прокатки в гильзы, прокатку гильз в трубы диаметром 245-550 мм на пилигримовой установке 8-16″ с допуском по диаметру +1,25/-1,0 и толщине стенки +20/-5% (ТУ 14-1-2560-78 «Заготовка трубная кованая для котельных труб», ТУ 14-3-460-2003 и ТУ 14-3Р-55-2001 «Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов» и ТУ 14-3-420-75 «Трубы для паровых котлов и трубопроводов из стали 15ГС и 15Х1М1Ф»).

Недостатком указанного способа является высокая энергоемкость процесса, связанная с нагревом и деформацией (ковкой) слитков в поковки с последующей обточкой и сверлением центрального отверстия, нагревом заготовок до температуры пластичности, прошивкой и прокаткой их в трубы на пилигримовых станах с допуском по стенке +20/-5%, повышенная отбраковка труб размером 550×25-30 мм из-за разностенности, повышенный расходный коэффициент металла при переделе слиток-поковка-заготовка-труба и, как следствие, высокая стоимость труб, а также то, что хотя данная марка стали и включена в ТУ14-3Р-55-2001, но трубы из нее до настоящего времени не производились.

В трубном производстве известен способ производства котельных труб большого диаметра из слитков ЭШП (патент RU №2180874, Кл. В21В 19/04), обеспечивающий снижение энергозатрат, расхода металла и, как следствие, снижение стоимости котельных труб за счет использования слитков большого диаметра и ведения процесса прошивки с посадом по диаметру, равным 8-16%.

Недостатком данного способа является то, что из-за малой мощности привода прошивного стана ОАО «ЧТПЗ» слитки ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш диаметром 630-650 мм прошить с посадом по диаметру 8-16% не представляется возможным.

Известен также способ производства бесшовных горячедеформированных труб большого и среднего диаметров на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава и непрерывно-литых заготовок (патент RU №2322314, Кл. В21В 19/04), предусматривающий прошивку слитков ЭШП и НЛЗ в станах поперечно-винтовой прокатки с посадом по диаметру в зависимости от марки стали и суммарной вытяжки при переделе слиток электрошлакового переплава - труба или непрерывно-литая заготовка-труба, при этом значения величин посада по диаметру слитков электрошлакового переплава при прошивке в станах поперечно-винтовой прокатки определяют из выражения

где Δ_i′эшп - значения величин посада по диаметру при прошивке в станах поперечно-винтовой прокатки слитков ЭШП i-й марки стали, %; µ_i∑=µ_пр.µ_п. - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке труб i-го размера; k_i′эшп - коэффициент, учитывающий величину посада по диаметру при прошивке гильз из слитков ЭШП i-й марки стали, %; µ_пр. - коэффициент вытяжки при прошивке гильз под прокатку труб i-го размера; µ_п. - коэффициент вытяжки при прокатке труб j-го размера на пилигримовом стане, при этом коэффициенты k_i′эшп для разных марок варьируются от 24 до 40.

Недостатком данного способа является то, что он очень сложен для производства, так как под каждый размер труб необходимы свои размеры слитков ЭШП, распространяется данный способ на производство бесшовных горячедеформированных труб большого и среднего диаметров на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами из углеродистых марок сталей и не предусматривает производство котельных труб из слитков ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш.

В трубном производстве известен способ производства горячекатаных передельных и товарных труб большого и среднего диаметров из труднодеформируемых марок стали и сплавов на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами (патент RU №2278750, Кл. В21В 21/00), включающий обточку слитков ЭШП и кованых заготовок, сверловку центрального отверстия диаметром 100±5 мм, нагрев их до температуры пластичности, прошивку с последующей раскаткой в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы и прокатку гильз на пилигримовом стане в горячекатаные передельные или товарные трубы с относительно толстой стенкой, при этом первую прошивку слитков ЭШП и кованых заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки производят донным концом вперед, а вторую прошивку-раскатку - усадочным концом вперед, прокатку труб на пилигримовом стане производят из гильз с отношением диаметра к толщине стенки D/S=6,5-8,0 с вытяжкой µ≤4,5.

Недостатком данного способа является то, что он включает нагрев слитков ЭШП и заготовок до температуры пластичности, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки, повторный нагрев гильз-заготовок с холодного или горячего посада до температуры пластичности, прошивку-раскатку в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы с последующей прокаткой их на пилигримовом стане в товарные или передельные трубы. Двойной нагрев приводит к двойному угару металла, а прошивка слитков ЭШП и заготовок в гильзы-заготовки с последующей раскаткой их в гильзы приводит к потере производительности пилигримовой установке в 2 раза, повышенной кривизне гильз, а следовательно, к повышенной разностенности труб, повышению стоимости товарных и передельных труб. Распространяется данный способ на производство бесшовных горячедеформированных передельных и товарных труб большого и среднего диаметров на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами из труднодеформируемых марок стали и сплавов и не предусматривает производство котельных труб из сплошных и полых слитков ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш.

Наиболее близким техническим решением является способ подготовки заготовок для прокатки товарных и передельных труб большого и среднего диаметров из труднодеформируемых марок стали и сплавов на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами (патент RU №2340417, Кл. В21В 21/00), включающий отливку полых слитков электрошлаковым переплавом, обточку и расточку их в полые слитки-заготовки со съемом металла, величину которого определяют из выражений

где Δ - величина снимаемого слоя металла при обточке полых слитков ЭШП в слитки-заготовки, мм; Δ₁ - величина снимаемого слоя металла при расточке полых слитков в слитки-заготовки, мм; D - наружный диаметр полых слитков, мм; S - толщина стенки полых слитков ЭШП, мм; K=0,3-0,4 - коэффициент для определения величины снимаемого слоя металла при обточке полых слитков в слитки-заготовки, большие значения которого относятся к сталям с большим содержанием легирующих элементов; K₁=0,4-0,5 - коэффициент для определения величины снимаемого слоя металла при расточке полых слитков в слитки-заготовки, большие значения которого относятся к сталям с большим содержанием легирующих элементов, а донную часть полых слитков ЭШП удаляют анодно-механической резкой, величину которой определяют из выражения

где K₂=15-20 - коэффициент для определения величины удаляемой донной части полых слитков, большие значения которой относятся к сталям с большим содержанием легирующих элементов.

Недостатком данного способа является то, что он направлен на технологию передела полых слитков ЭШП в полые слитки-заготовки для производства труб из труднодеформируемых марок стали и сплавов и не решает технологические вопросы производства бесшовных труб для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами из стали марки 10Х9МФБ-Ш диаметром 550 мм с толщинами стенок от 25 до 30 мм.

Котельные горячекатаные трубы диаметром 550 мм с разными толщинами стенок в России можно производить только на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ».

Прокатка труб размером 550×25-30 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из-за низкой температуры стали 10Х9МФБ-Ш под деформацию 1170-1200°С проблематична. Для прокатки труб размером 550×25-30 мм необходимы слитки-заготовки ЭШП размером 630-650×100×1750±50 мм, из которых на стане поперечно-винтовой прокатки за прошивку и раскатку получаем гильзы размером 650хвн. 510×3900-4100 мм или полые слитки-заготовки размером 660хвн.500х3200±50 мм. На существующем стане поперечно-винтовой прокатки ОАО «ЧТПЗ» можно получить гильзу не длиннее 3600 мм, а задать в пилигримовый стан гильзу не длиннее 3500 мм. Время прокатки трубы размером 550×25 мм из гильзы длиной 3500 мм с толщиной стенки 70 мм на пилигримовом стане составит более 4,0 минут. За данный промежуток времени гильза-труба остынет ниже 800°С в конце прокатки. Прокатка труб размером 550×25-30 мм и обкатка (докатка) пилигримовых головок из стали марки 10Х9МФБ-Ш при температуре ниже 850°С приводит к повышенным нагрузкам на привод пилигримового стана и затяжкам дорнов, что, в свою очередь, приводит к поломкам предохранительных болтов и шпинделей пилигримового стана, снижению производительности за счет извлечения дорнов из-за затяжек, замены предохранительных болтов и шпинделей. Для исключения затяжек дорнов необходимо производить прокат труб на дорнах с конусностью 5-6 мм вместо существующей конусности 1,0 мм, а это приведет к продольной разностенности, т.е. к повышенной отбраковке труб по толщине стенки.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами бесшовных передельных горячекатаных труб размером 570×45×4800-5000 и 570×48×4500-4700 мм из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 660хвн. 500×3200±50 мм стали марки 10Х9МФБ-Ш для последующей механической обработки - расточки и обточки их в товарные механически обработанные трубы размером 550×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных горячекатаных труб размером 550×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, включающем выплавку полых слитков электрошлаковым переплавом, механическую обработку - расточку и обточку слитков в слитки-заготовки, нагрев слитков-заготовок до температуры пластичности, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки, охлаждение гильз-заготовок, ремонт гильз-заготовок при необходимости, повторный нагрев гильз-заготовок с холодного посада до температуры пластичности, прошивку-раскатку гильз-заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы, прокатку гильз на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в трубы, термическую обработку, травление, правку, ультразвуковой контроль и приемку труб, при этом упомянутые трубы размером 530×25-30 мм производят из полых слитков электрошлакового переплава, которые растачивают и обтачивают в полые слитки-заготовки размером 660хвн. 500×3200±50 мм, нагревают до температуры 1180-1200°С и прокатывают на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 570×45×4800-5000 и 570×48×4500-4700 мм с вытяжками, соответственно, µ=1,92, µ=1,82 и посадом по диаметру Δ=13,6%, с подачами гильз в очаг деформации m=21-23 мм, отрезают технологические отходы пилой горячей резки, правят на шестивалковой правильной машине, термообрабатывают, повторно правят на шестивалковой правильной машине с замером общей кривизны на длину труб не более 5,0 мм, при этом трубы размером 570×45×4800-5000 мм растачивают и обтачивают в товарные трубы размером 550×25-28×4800-5000 мм, а трубы размером 570×48×4500-4700 мм - в товарные трубы размером 550×28-30×4500-4700 мм, причем приемку труб размером 550×25-30 мм производят с допуском до диаметру ±1,0% и по стенке +15,0/-5,0%, полые слитки электрошлакового переплава отливают с отношением диаметра к толщине стенки D/S=6,6-6,8, которые растачивают и обтачивают в полые слитки-заготовки с отношением диаметра к толщине стенки D/S=8,0-8,2, большие значения которых относятся к полым слиткам и слиткам-заготовкам для прокатки передельных труб с меньшими толщинами стенок, механическую обработку - расточку и обточку передельных труб размером 570×45 и 570×48 мм в товарные начинают с труб с более толстой стенки, а именно 550×28 и 550×30 мм, а при наличии дефектов или закрытии заказа на данную стенку механическую обработку производят на более тонкие стенки, полые слитки-заготовки нагревают в методических печах по режиму: посад слитков-заготовок на колосники печи партиями по 6-8 штук в один ряд с интервалом 1,0-1,25 часа при температуре в третьей зоне печи 950-1000°С; выдержка слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 0,75-1,0 часа; нагрев слитков-заготовок со скоростью 2,2-2,3°С в течение 5,0-5,5 часа до температуры 1160-1200°С с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 18-22 минуты на угол ≈210-230°; выдержка при температуре 1160-1200°С в течение 0,5-0,75 часа с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 15-20 минут на угол ≈210-230°; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача слитков-заготовок из печи с температурой слитков-заготовок 1160-1200°С, транспортировку нагретых полых слитков-заготовок от выдачи из печи до начала процесса пилигримовой прокатки производят в течение 1,0-1,5 минут, после выдачи из печи слитков-заготовок на передаточную тележку вовнутрь подают смазку смесь графита с поваренной солью (50/50) массой 0,8-1,0 кг.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных горячекатаных труб размером 550×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш отличается тем, что трубы размером 570×45×4800-5000 мм растачивают и обтачивают в товарные трубы размером 550×25-28×4800-5000 мм, а трубы размером 570×48×4500-4700 мм - в товарные трубы размером 550×28-30×4500-4700 мм, при чем приемку труб размером 550×25-30 мм производят с допуском по диаметру ±1,0% и по стенке +15,0/-5,0%, полые слитки электрошлакового переплава отливают с отношением диаметра к толщине стенки D/S=6,6-6,8, которые растачивают и обтачивают в полые слитки-заготовки с отношением диаметра к толщине стенки D/S=8,0-8,2, большие значения которых относятся к полым слиткам и слиткам-заготовкам для прокатки передельных труб с меньшими толщинами стенок, механическую обработку - расточку и обточку передельных труб размером 570×45 и 570×48 мм в товарные начинают с труб с более толстой стенки, а именно 550×28 и 550×30 мм, а при наличии дефектов или закрытии заказа на данную стенку механическую обработку производят на более тонкие стенки, полые слитки-заготовки нагревают в методических печах по режиму: посад слитков-заготовок на колосники печи партиями по 6-8 штук в один ряд с интервалом 1,0-1,25 часа при температуре в третьей зоне печи 950-1000°С; выдержка слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 0,75-1,0 часа; нагрев слитков-заготовок со скоростью 2,2-2,3°С в течение 5,0-5,5 часа до температуры 1160-1200°С с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 18-22 минуты на угол ≈210-230°; выдержка при температуре 1160-1200°С в течение 0,5-0,75 часа с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 15-20 минут на угол ≈210-230°; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача слитков-заготовок из печи с температурой слитков-заготовок 1160-1200°С, транспортировку нагретых полых слитков-заготовок от выдачи из печи до начала процесса пилигримовой прокатки производят в течение 1,0-1,5 минут, после выдачи из печи слитков-заготовок на передаточную тележку вовнутрь подают смазку смесь графита с поваренной солью (50/50) массой 0,8-1,0 кг. Таким образом, эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сравнение заявляемого способа не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что соответствует патентоспособности «изобретательский уровень».

Способ производства бесшовных горячекатаных механически обработанных товарных размером 550×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара стали марки 10Х9МФБ-Ш осуществлен на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ» при прокатке передельных труб размером 570×48 мм для последующее механической обработки - расточки и обточки их в товарные размером 550×28-30 мм. Данные по прокатке передельных труб размером 570×48 мм из полых слитков-заготовок ЭШП размером 660хвн. 500×3200±50 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш (предлагаемый способ) и передельных труб размером 570×48 мм из слитков-заготовок ЭШП размером 630×100×1750±50 мм (существующий способ), механической обработке и сдаче их в товарные трубы размером 550×28-30 мм приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что передельные трубы размером 570×48 мм производили из полых слитков-заготовок ЭШП размером 660хвн. 500×3200±50 мм. В производство было задано 5 полых слитков-заготовок ЭШП общей массой 18,243 тонны, которые были нагреты в методической печи до температуры 1180-1200°С и прокатаны на пилигримовом стане в передельные трубы размером 570×48×4500-4800 мм с вытяжкой µ=1,82 и обжатием по диаметру Δ=13,6%. На пиле горячей резки от труб были отрезаны технологические отходы - пилигримовые головки и затравочные концы, затем трубы были выправлены на шестивалковой правильной машине и термообработаны. Трубы с общей кривизной более 5,0 мм прошли повторную правку с последующим замером кривизны. Трубы с кривизной, не превышающей 5,0 мм, были расточены и обточены на размер 550×28-30 мм. После расточки и обточки товарные трубы были протравлены, отремонтированы (при необходимости), прошли ультразвуковой контроль и приняты в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 с допуском по диаметру ±1,0% и стенке +15,0/-5,0%. Было принято 2 трубы размером 550×30×4200-4350 мм, две размером 550×29×4200-4300 мм и одна размером 550×28×4300 мм общей массой 8,372 тонны. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 2,179. Для сравнения в производство было задано 5 слитков-заготовок ЭШП размером 630×100×1750±50 мм общей массой 20,759 т, которые были нагреты, прошиты в гильзы-заготовки размером 650хвн. 315×1970-2090 мм на оправке диаметром 300 мм с коэффициентом вытяжки µ=1,16 и подъемом по диаметру δ=3,37%. Гильзы-заготовки с холодного посада были нагреты до температуры пластичности и прошиты-раскатаны в гильзы размером 670хвн. 505×3200-3380 мм на оправке диаметром 490 мм с коэффициентом вытяжки µ=1,62 и подъемом по диаметру δ=3,08%. Гильзы прокатаны на пилигримовом стане в передельные трубы размером 570×48×4900-5200 мм с коэффициентом вытяжки µ=1,94 и обжатием по диаметру Δ=14,9%. В соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 принято 5 труб общей массой 9,242 тонны: из них три трубы размером 550×28×4700-4900 мм и две трубы размером 550×28×4900-5000 мм. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 2,246. При прокатке товарных труб размером 550×28-30 мм по предлагаемой технологии получено снижение расходного коэффициента металла на 67 кг на каждой тонне труб, при одновременном повышении производительности пилигримового стана более чем в 2,0 раза.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство товарных бесшовных горячекатаных механически обработанных труб размером 550×25-30 мм из полых слитков-заготовок ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара с механическими свойствами металла и геометрическими размерами труб, превышающими значения данных показателей, приведенных в ТУ 14-3Р-55-2001, что позволит значительно снизить энергозатраты за счет исключения нагрева гильз-заготовок под прошивку-раскатку, исключения из технологического процесса прошивки-раскатки гильз-заготовок в гильзы, производить качественные товарные механически обработанные трубы на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ», снизить расход металла при переделе полых слитков-заготовок ЭШП в товарные механически обработанные трубы размером 550×25-30 мм, повысить производительность ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами, а следовательно, снизить стоимость котельных труб данного размера из стали марки 10Х9МФБ-Ш.

Данные по прокатке передельных труб размером 570×48 мм из слитков-заготовок ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш на ПТУ 8-16″ с илигримовыми станами, механической обработке - расточке и обточке передельных труб размером 570×48 в товарные трубы размером 550×28-30 мм по существующей и предлагаемой технологиям