Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 273×9-60 мм ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ПАРОПРОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ УСТАНОВОК С ВЫСОКИМИ И СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА ИЗ СЛИТКОВ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА СТАЛИ МАРКИ 10Х9МФБ-Ш

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных труб размером 273×9-13 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков-заготовок электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш, и может быть использовано на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами при производстве передельных труб размером 377×22 и 325×20 мм для последующего переката их в товарные трубы размером 273×9-11 и 273×12-13 мм на стане ХПТ 450.

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, 12Х11В2МФ, 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 15X1M1Ф”).

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 данная марка стали хотя и включена в ТУ14-3Р-55-2001, но трубы до последнего момента из нее не производились.

В трубном производстве известен способ изготовления газлифтных труб большого диаметра из слитков стали 09Г2С выплавки ЭШП и ВДП (Патент RU №2119395, кл. B21B 19/04), где деформацию слитков в прошивном стане ведут вдоль расположения кристаллов, задавая слитки в стан поперечно-винтовой прокатки 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_С - 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. B21B 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 является то, что из-за малой мощности привода стана поперечно-винтовой прошивки ОАО “ЧТПЗ” слитки ЭШП из данной марки стали прошить с посадом по диаметру 8-16% не представляется возможным.

Наиболее близким техническим решением является 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-той марки стали, %;

µ_iΣ=µ_nрµ_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_nр - 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 и не предусматривает производство котельных труб из слитков ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш. В настоящее время заводами России, а именно, ОАО “ЗМЗ” и ОАО “Мечел”, освоено производство слитков ЭШП размером 430×1750±50, 470×1750±50, 490×1750±50, 565×1750±50 и 620×1750±50 мм. Для производства других диаметров нужны кристаллизаторы, производство которых требует больших инвестиций, да и нет целесообразности, т.к. геометрические размеры кристаллизаторов можно унифицировать.

Данный размер труб можно производить на ТПУ 350 с автоматическим станом, но данные установки в России отсутствуют.

Прокатка труб размером 273×9-13 мм на средних трубопрокатных установках с пилигримовыми станами проблематична из-за низкой температуры стали 10Х9МФБ-Ш под деформацию 1180-1200°C. Из слитков ЭШП размером 490×100×1750±50 мм на пилигримовом стане получают трубу 273×9 мм длиной до 36 метров. Время прокатки такой трубы составляет более 4,5 минут. За данный промежуток времени гильза-труба остывает до 800°C (при рекомендуемой не ниже 850°C в конце прокатки). Прокатка труб и докатка пилигримовых головок из стали марки 10Х9МФБ-Ш при температуре ниже 850°C приводит к повышенным нагрузкам на привод пилигримового стана и затяжкам дорнов, что, в свою очередь, может привести к поломкам предохранительных болтов и шпинделей пилигримового стана и снижению производительности за счет извлечения дорнов из-за затяжек. Прокатка труб размером 273×9-13 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами с допуском по толщине стенки +20/-5% приводит к дополнительному расходу металла.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства бесшовных труб размером 273×9-13 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава размером 470×100×1750±50 мм стали марки 10Х9МФБ-Ш вместо кованой заготовки в условиях ОАО “ЧТПЗ”, а именно производство передельных труб размером 325×16 и 377×22 мм на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами и последующего передела (переката) передельных труб на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 273×9-13 мм с повышенными требованиями по механическим свойствам, геометрическим размерам и качеству поверхности труб, снижение расхода металла при переделе слиток ЭШП - котельная труба за счет снижения плюсового допуска по толщине стенки и повышения механических свойств металла труб, за счет дробности деформации при прокатке на ТПУ с пилигримовыми станами и прокатки (перекатке) передельных труб на станах ХПТ.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных труб размером 273×9-13 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш, включающем выплавку слитков-заготовок электрошлаковым переплавом размером 470×100×1750±50 мм, нагрев слитков-заготовок до температуры 1200-1210°C, прошивку в станах поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 500×вн.365×2980-3150 мм на оправке диаметром 350 мм с вытяжкой µ=1,75 и подъемом по диаметру 6,3-6,5%, прокатку гильз на ТПУ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 377×22×8000-8500 мм с вытяжкой µ=3,74 и обжатием по диаметру 24,6%, термообработку и прокатку передельных труб размером 377×22×8000-8500 мм на стане ХПТ 450 в передельные трубы размером 325×15×13200-14000, 325×16×12400-13200, 325×17×117000-12400 и 325×18×11000-11800 мм с вытяжками соответственно µ=1,68, µ=1,58, µ=1,49 и µ=1,41, термообработку передельных холоднокатаных труб, резку на трубы-краты равной длины, прокатку передельных труб размером 325×15×6600-7000 мм на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 273×9×12600-13300 мм, прокатку передельных труб размером 325×16×6200-6600 мм в товарные трубы размером 273×10×11300-12000 мм, прокатку передельных труб размером 325×17×5850-6200 мм в товарные трубы размером 273×11×10300-11000 мм и прокатку передельных труб размером 325×18×5500-5900 мм в товарные трубы размером 273×12×9400-10100 мм и 273×13×8600-9300 мм с вытяжками соответственно µ=1,96, µ=1,88, µ=1,82, µ=1,76 и µ=1,64, термическую обработку, травление, правку, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру ±1,0% и толщине стенки +15/-5%.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных труб размером 273×9-13 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш отличается тем, что производят выплавку слитков-заготовок электрошлаковым переплавом размером 470×100×1750±50 мм, нагрев слитков-заготовок до температуры 1200-1210°С, прошивку в станах поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 500×вн.365×2980-3150 мм на оправке диаметром 350 мм с вытяжкой µ=1,75 и подъемом по диаметру 6,3-6,5%, прокатку гильз на ТПУ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 377×22×8000-8500 мм с вытяжкой µ=3,74 и обжатием по диаметру 24,6%, термообработку и прокатку передельных труб размером 377×22×8000-8500 мм на стане ХПТ 450 в передельные трубы размером 325×15×13200-14000, 325×16×12400-13200, 325×17×117000-12400 и 325×18×11000-11800 мм с вытяжками соответственно µ=1,68, µ=1,58, µ=1,49 и µ=1,41, термообработку передельных холоднокатаных труб, резку на трубы-краты равной длины, прокатку передельных труб размером 325×15×6600-7000 мм на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 273×9×12600-13300 мм, прокатку передельных труб размером 325×16×6200-6600 мм в товарные трубы размером 273×10×11300-12000 мм, прокатку передельных труб размером 325×17×5850-6200 мм в товарные трубы размером 273×11×10300-11000 мм и прокатку передельных труб размером 325×18×5500-5900 мм в товарные трубы размером 273×12×9400-10100 мм и 273×13×8600-9300 мм с вытяжками соответственно µ=1,96, µ=1,88, µ=1,82, µ=1,76 и µ=1,64, термическую обработку, травление, правку, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру ±1,0% и толщине стенки +15/-5%. 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”.

Прокатка передельных труб размером 377×22 мм из стали 10Х9МФБ-Ш производилась на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами из слитков ЭШП размером 470×100×1750±50 мм, а прокатка передельных труб размером 377×22 мм в передельные размером 325×16 мм и последующий перекат их в товарные размером 273×10 мм производились на стане ХПТ 450 ОАО “ЧТПЗ”. Данные по прокатке передельных труб размером 377×22 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами и прокатке передельных труб размером 377×22 мм в товарные трубы размером 273×10 мм на стане ХПТ 250 ОАО “ЧТПЗ”, результатам сдачи, механическим свойствам и геометрическим размерам труб приведены в таблицах 1 и 2. В производство было задано 5 слитков ЭШП размером 470×100×1700-1750 мм, поставки ОАО “Мечел”. Слитки ЭШП были прокатаны на ТПУ 8-16” в передельные трубы размером 377×22×8100-8400 мм. Слитки для прокатки передельных труб были посажены в методическую печь и нагреты до температуры 1200-1210°C. Слитки общей массой 11,174 т были прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 350 мм в гильзы размером 460×вн.365×2980-3060 мм с вытяжкой µ=1,75 и посадом по диаметру 2,1%. Затем гильзы были прокатаны на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 377×22×8100-8400 мм с вытяжкой µ=3,74 и обжатием по диаметру Δ=24,6%. Передельные горячекатаные трубы были отправлены в цех №5 на холодный передел. В цехе №5 передельные горячекатаные трубы размером 377×22 мм были перекатаны на стане ХПТ 450 в передельные холоднокатаные размером 325×16×12900-13500 мм. Трубы были перерезаны на две равные части и перекатаны в товарные трубы размером 273×10×10900-11400 мм. В результате было прокатано и принято в соответствии с ТУ 14-ЗР-55-2001 десять труб размером 273×10×10900-11400 мм общей массой 7,559 тн. Средний расходный коэффициент металла по данной партии труб составил 1,478. Сравнения по данной прокатке не производили, т.к. трубы данного сортамента из стали марки 10Х9МФБ-Ш в России не производились в виду отсутствия технологии и оборудования для их производства.

В таблице 2 приведены данные по механическим свойствам металла и геометрическим размерам труб. Из таблицы видно, что механические свойства металла и геометрические размеры труб, прокатанных из слитков ЭШП по предлагаемой технологии, выше, чем по ТУ 14-3Р-55-2001, что в свою очередь дает гарантированную возможность снизить плюсовое поле допуска по толщине стенки и установить допуск +15/-10 вместо существующего +20/-5,0%. А так как качество металла слитков ЭШП значительно лучше, то основной критерий котельных труб, длительная прочность, будет значительно выше.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных труб размером 273×9-13 мм непосредственно из слитков ЭШП для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара с механическими свойствами металла и геометрическими размерами, превышающими значения данных показателей, приведенных в ТУ 14-3Р-55-2001, что позволит значительно снизить энергозатраты за счет исключения нагрева слитков под ковку и ковку слитков в поковки, снизить нагрузки при прошивке слитков-заготовок ЭШП с дифференцированными обжатиями по диаметру и производить качественные передельные трубы на ТПУ8-16” с пилигримовыми станами ОАО “ЧТПЗ” для последующего передела передельных труб в товарные на станах ХПТ 450 в соответствии с заказами потребителя, снизить расходный коэффициент металла при переделе слиток - заготовка ЭШП - котельная труба, а, следовательно, снизить стоимость котельных труб из данной марки стали.