Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ КОТЕЛЬНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 465×25-75 мм ИЗ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ МАРКИ 10Х9К3В2МФБР-Ш ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С СУПЕРСВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных горячедеформированных котельных труб из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш для энергетического оборудования со суперсверхкритическими параметрами пара, и может быть использовано на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 426×21-70 по ТУ 14-ЗР-55-2001.

В практике трубопрокатного производства существует способ изготовления котельных труб большого и среднего диаметров из кованых заготовок стали марок 20, 15ГС, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 10Х9МФБ, 12Х11В2МФ. 08Х16Н9М2, 12Х18Н12Т и 10Х13П2БС2Н2Д2 с заданными требованиями по механическим свойствам, включающий отливку слитков, ковку их в поковки (уплотнение структуры) с уковом не менее 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-ЗР-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 15ХШ1Ф»).

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%, повышенный расходный коэффициент металла при переделе слиток - поковка - заготовка - труба и, как следствие, высокая стоимость труб, а также то, что трубы из стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш до настоящего времени не производились не только в России, но и в мире.

В трубном производстве известен способ изготовления газлифтных труб большого диаметра из слитков стали 09Г2С выплавки ЭШП и ВДП (Патент RU №2119395, Кл. В21В 19/04), где деформацию слитков в прошивном стане ведут вдоль расположения кристаллов, задавая слитки в стан головной частью, и прошивают с посадом по диаметру на величину

D=2S_г(1-sinα)/S_c,

где S_г - толщина стенки гильзы, мм;

S_c - толщина стенки сверленого слитка ЭШП, мм;

α - угол наклона фронта кристаллизации к оси слитка, град.

Недостатком указанного способа изготовления труб большого диаметра из слитков ЭШП и ВДП стали марки 09Г2С является необходимость изготовления макротемплетов для определения угла наклона фронта кристаллизации к оси слитка, а прошивка слитков усадочной (головной) частью вперед приводит к образованию дефектов в виде внутренних плен на передних концах гильз.

В трубном производстве известен также способ производства котельных труб большого диаметра из слитков ЭШП (Патент RU №2180874, Кл. В21В 19/04), обеспечивающий уменьшение энергозатрат, снижение 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%.

Недостатками данного способа являются то, что из-за малой мощности привода прошивного стана ОАО «ЧТПЗ» слитки ЭШП стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш 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

Δ_i,_эшп=k_i′эшпµ_iΣ,

где Δ_i,_эшп - значения величин посада по диаметру при прошивке в станах поперечно-винтовой прокатки слитков ЭШП i-ой марки стали, %;

µ_iΣ=µ_прµ_n - 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-той марки стали, %;

µ_пр - коэффициент вытяжки при прошивке гильз под прокатку труб i-го размера;

µ_n - 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 стали и не предусматривает производство котельных труб из слитков ЭШП стали марки 10Х9ВЗВ2МФБР-Ш.

В трубном производстве известен также 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-гильз электрошлаковым переплавом, обточку и расточку их в полые заготовки со съемом металла, величину которого определяют из выражений

Δ=K*D/S,

Δ₁=K₁*D/S,

где Δ - величина снимаемого слоя металла при обточке полых слитков-гильз ЭШП, мм;

Δ₁ - величина снимаемого слоя металла при расточке полых слитков-гильз ЭШП, мм;

D - наружный диаметр полых слитков-заготовок, мм;

S - толщина стенки полых слитков-гильз, мм;

К=0,3-0,4 - коэффициент для определения величины снимаемого слоя металла при обточке слитков-гильз, 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 слитков-гильз, большие значения которого относятся к сталям с большим содержанием легирующих элементов, а донную часть полых слитков-гильз ЭШП удаляют анодно-механической резкой, величину которой определяют из выражения

L=K₂*D/S,

где К₂=15-20 - коэффициент для определения величины удаляемой донной части слитков-гильз, большие значения которого 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 10Х9К3В2МФБР-Ш размером 426×21-70, 465×25-75 и 530×30-75 мм.

Наиболее близким техническим решением является способ производства горячекатаных товарных и передельных труб большого и среднего диаметров из труднодеформируемых марок стали и сплавов на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами (Патент RU №2311980, Кл. В21В 21/00), включающий отливку полых слитков ЭШП высотой 2000-3200 мм, обточку и расточку до удаления окалины и микротрещин на диаметр 400-620 мм с отношением диаметра к толщине стенки D/S=4,5-7,0, большие значения которого соответствуют слиткам-гильзам меньшего диаметра, нагрев до температуры пластичности и прокатку на пилигримовом стане, прокатку полых слитков-гильз с отношением D/S=5,0-7,0 и высотой 2000-2750 мм в товарные и передельные трубы с толщиной стенки до 30 мм, а слитков-гильз с отношением D/S=4,5-5,5 и высотой 2750-3200 мм в передельные трубы с толщиной стенки более 30 мм.

Недостатком данного способа является то, что он направлен на технологию прокатки товарных и передельных труб из труднодеформируемых марок стали и сплавов из полых слитков ЭШП и не решает технологические вопросы производства бесшовных горячедеформированных труб размером 426×21-70 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами из стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш.

Котельные трубы диаметром 426, 465 и 530 мм с разными толщинами стенок в России можно производить только на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами.

Прокатка труб размером 426×21-70 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из слитков-заготовок ЭШП размером 600×100×1750 мм за одну прошивку из-за повышенных нагрузок на двигатель прошивного стана проблематична.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства бесшовных горячедеформированных труб размером 426×21-70 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава, снижение расходного коэффициента металла, повышение производительности ТПУ 8-16″, увеличение длины труб, а следовательно, снижение стоимости труб данного сортамента за счет исключения из технологического процесса энергоемких операций - нагрев слитков ЭШП в методических печах до температуры пластичности, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки, нагрев гильз-заготовок в методических печах с холодного или горячего посада до температуры пластичности и прошивку - раскатку их в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы.

Технический результат достигается тем, что трубы производят из полых слитков электрошлакового переплава наружным диаметром 660 мм, внутренним диаметром от 310 до 420 мм, полые слитки электрошлакового переплава наружным диаметром 660 мм, внутренним диаметром от 310 до 420 мм обтачивают и растачивают в полые слитки-заготовки наружным диаметром 640 мм, внутренним диаметром от 330 до 440 мм, слитки-заготовки нагревают в методической печи до температуры от 1200 до 1220°C и прокатывают на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в трубы размером 465×25-75 мм с вытяжками µ от 2,36 до 4,43, большие значения которых относятся к трубам с меньшими толщинами стенок, и обжатием по диаметру Δ=26,6%, полые слитки электрошлакового переплава отливают с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,6-7,0, полые слитки электрошлакового переплава обтачивают и растачивают в полые слитки-заготовки с отношением диаметра к толщине стенки D/S=4,0-8,5, большие значения которых относятся к полым слиткам и слиткам-заготовкам для прокатки труб с меньшими толщинами стенок, полые слитки-заготовки наружным диаметром 640 мм, внутренним диаметром от 330 до 440 мм нагревают в методической печи по режиму: одновременный посад 5-7 полых слитков-заготовок на колосники печи в один ряд при температуре в третьей зоне печи 950-1000°C; выдержка полых слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 0,75-1,00 часа, большее значение времени выдержки относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S; после кантовки двух полых слитков-заготовок с колосников печи на 21 окно производят посад следующих 2-х полых слитков-заготовок на колосники печи с последующим циклическим повторением; нагрев полых слитков-заготовок со скоростью 1,8-2,3°C/мин., меньшее значение которой относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, в течение 5,0-6,5 часов до температуры 1210-1230°C, большее значение времени нагрева относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 15-18 минут на угол от 210 до 230°C выдержка при температуре 1210-1230°C в течение 0,4-0,5 часа, большее значение времени выдержки относится к полым слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 12-15 минуты на угол 210-230°, большее значение интервала между кантовками относится к полым слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача полых слитков-заготовок из печи с температурой центра слитков-заготовок 1200-1220°C.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб размером 465×25-75 мм из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара отличается тем, что трубы производят из полых слитков электрошлакового переплава наружным диаметром 660 мм, внутренним диаметром от 310 до 420 мм, полые слитки электрошлакового переплава наружным диаметром 660 мм, внутренним диаметром от 310 до 420 мм обтачивают и растачивают в полые слитки-заготовки наружным диаметром 640 мм, внутренним диаметром от 330 до 440 мм, слитки-заготовки нагревают в методической печи до температуры от 1200 до 1220°C и прокатывают на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в трубы размером 465×25-75 мм с вытяжками µ от 2,36 до 4,43, большие значения которых относятся к трубам с меньшими толщинами стенок, и обжатием по диаметру Δ=26,6%, полые слитки электрошлакового переплава отливают с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,6-7,0, полые слитки электрошлакового переплава обтачивают и растачивают в полые слитки-заготовки с отношением диаметра к толщине стенки D/S=4,0-8,5, большие значения которых относятся к полым слиткам и слиткам-заготовкам для прокатки труб с меньшими толщинами стенок, полые слитки-заготовки наружным диаметром 640 мм, внутренним диаметром от 330 до 440 мм нагревают в методической печи по режиму: одновременный посад 5-7 полых слитков-заготовок на колосники печи в один ряд при температуре в третьей зоне печи 950-1000°C; выдержка полых слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 0,75-1,00 часа, большее значение времени выдержки относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S; после кантовки двух полых слитков-заготовок с колосников печи на 21 окно производят посад следующих 2-х полых слитков-заготовок на колосники печи с последующим циклическим повторением; нагрев полых слитков-заготовок со скоростью 1,8-2,3°C/мин, меньшее значение которой относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, в течение 5,0-6,5 часов до температуры 1210-1230°C, большее значение времени нагрева относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 15-18 минут на угол от 210 до 230°; выдержка при температуре 1210-1230°C в течение 0,4-0,5 часа, большее значение времени выдержки относится к полым слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 12-15 минуты на угол 210-230°, большее значение интервала между кантовками относится к полым слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача полых слитков-заготовок из печи с температурой центра слитков-заготовок 1200-1220°C.

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».

Предложенный способ производства бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб размером 465×25-75 мм из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара заключается в том, что трубы производят из полых слитков электрошлакового переплава наружным диаметром 660 мм, внутренним диаметром от 310 до 420 мм, полые слитки электрошлакового переплава наружным диаметром 660 мм, внутренним диаметром от 310 до 420 мм обтачивают и растачивают в полые слитки-заготовки наружным диаметром 640 мм, внутренним диаметром от 330 до 440 мм, слитки-заготовки нагревают в методической печи до температуры от 1200 до 1220°C и прокатывают на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в трубы размером 465×25-75 мм с вытяжками µ от 2,36 до 4,43, большие значения которых относятся к трубам с меньшими толщинами стенок, и обжатием по диаметру Δ=26,6%, полые слитки электрошлакового переплава отливают с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,6-7,0, полые слитки электрошлакового переплава обтачивают и растачивают в полые слитки-заготовки с отношением диаметра к толщине стенки D/S=4,0-8,5, большие значения которых относятся к полым слиткам и слиткам-заготовкам для прокатки труб с меньшими толщинами стенок, полые слитки-заготовки наружным диаметром 640 мм, внутренним диаметром от 330 до 440 мм нагревают в методической печи по режиму: одновременный посад 5-7 полых слитков-заготовок на колосники печи в один ряд при температуре в третьей зоне печи 950-1000°C; выдержка полых слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 0,75-1,00 часа, большее значение времени выдержки относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S; после кантовки двух полых слитков-заготовок с колосников печи на 21 окно производят посад следующих 2-х полых слитков-заготовок на колосники печи с последующим циклическим повторением; нагрев полых слитков-заготовок со скоростью 1,8-2,3°C/мин, меньшее значение которой относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, в течение 5,0-6,5 часов до температуры 1210-1230°C, большее значение времени нагрева относится к слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 15-18 минут на угол от 210 до 230°; выдержка при температуре 1210-1230°C в течение 0,4-0,5 часа, большее значение времени выдержки относится к полым слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S, с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 12-15 минуты на угол 210-230°, большее значение интервала между кантовками относится к полым слиткам-заготовкам с меньшим отношением D/S; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача полых слитков-заготовок из печи с температурой центра слитков-заготовок 1200-1220°C.

Прокатку товарных труб размером 465×30 и из стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш производили на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из полых слитков-заготовок ЭШП размером 640×вн.420×3200±50 (предлагаемая технология) и из слитков-заготовок размером 600×100×1750±50 мм (существующая технология). Данные по прокатке товарных котельных труб размером 465×30 мм из стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ» по существующей и предлагаемой технологиям и результатам сдачи труб по ТУ 14-ЗР-55-2001 приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что для производства труб размером 465×30 мм по существующей технологии было задано в производство 5 слитков-заготовок ЭШП размером 600×100×1725-1800 мм общей массой 18,992 тн. Слитки-заготовки были нагреты в методической печи до температуры 1200-1210°C, прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 275 мм с коэффициентом вытяжки µ=1,13 и подъемом по диаметру δ=3,3% в гильзы-заготовки размером 620×вн.290×1950-2030 мм. Нагрузка на привод прошивного стана не превышала 6,5 кА. Гильзы-заготовки с холодного посада были нагреты в методической печи до температуры 1200-1220°C, прошиты - раскатаны на оправке диаметром 425 мм с коэффициентом вытяжки µ=1,35 и подъемом по диаметру δ=3,2% в гильзы размером 640×вн.440×2630-2740 мм. При прошивке-раскатке гильз-заготовок в гильзы нагрузка на провод прошивного стана находилась на верхнем пределе - 7,5 кА. Гильзы были прокатаны на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами на дорнах диаметром 406/407 мм с коэффициентом вытяжки µ=3,9 и обжатием по диаметру Δ=26,6% в товарные трубы размером 465×30 мм. По результатам прокатки в соответствии с ТУ 14-ЗР-55-2001 сдано 39,7 м труб общей массой 13,68 тн. Средняя дина труб составила 7,94 м. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,388. По предлагаемому способу для прокатки товарных труб данного размера в производство были заданы 5 полых слитков-заготовок ЭШП размером 640×вн.420×3175-3250 мм, отлитых и изготовленных на ОАО «ЗМЗ» в соответствии с п.п. 2 и 3 формулы изобретения. Полые слитки-заготовки были нагреты в методической печи до температуры 1210-1220°C и прокатаны на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами (п. 4 формулы изобретения) в товарные трубы размером 465×30 мм на дорнах 406/407 мм с коэффициентом вытяжки µ=4,08 и обжатием по диаметру Δ=26,6%. По результатам прокатки в соответствии с ТУ 14-ЗР-55-2001 сдано 53,0 м труб общей массой 18,27 тн. Средняя длина товарных труб составили 10,6 м, т.е. возросла на 33,5%. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,259, т.е. получено снижение расхода металла на 129 кг на каждой тонне труб.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб размером 465×25-75 мм из полых слитков-заготовок ЭШП жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара, с механическими свойствами металла, превышающими значения данных показателей, приведенных в ТУ 14-ЗР-55-2001, что позволит значительно снизить энергозатраты за счет исключения нагрева слитков-заготовок ЭШП под прошивку, исключения из технологического процесса прошивки слитков-заготовок в гильзы-заготовки, прошивки-раскатки гильз-заготовок в гильзы, стабилизировать величину подачи полых слитков-заготовок в очаг деформации пилигримового стана за счет их меньшей кривизны, производить качественные товарные трубы на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ», снизить расход металла при переделе полых слитков-заготовок ЭШП в товарные трубы, повысить производительность ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами, увеличить длину товарных труб, а, следовательно, снизить стоимость котельных труб из стали 10Х9К3В2МФБР-Ш.