Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 530×25-30 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 530×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш, и может быть использовано на трубопрокатной установке 8-16′′ с пилигримовыми станами при производстве передельных труб размером 550×45 и 550×48 мм для последующей механической обработки - расточки и обточки их в товарные трубы размером 530×25-30 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 +25/-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%, 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 ТУ 14-3Р-55-2001, но трубы 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. В21 В 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_С, 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 является необходимость изготовления макротемплетов для определения угла наклона фронта кристаллизации к оси слитка, а прошивка слитков за 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%.

Недостатком данного способа является то, что из-за малой мощности привода прошивного стана 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-й марки стали, %; µ_iΣ=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-той 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 настоящее время заводами России, а именно, ОАО "ЗМЗ" и ОАО "Мечел" освоено производство слитков-заготовок 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.

Бесшовные трубы диаметром 530 мм в России можно производить только на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ".

Прокатка труб размером 530×25-30 мм на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами проблематична из-за низкой температуры стали 10Х9МФБ-Ш под деформацию 1180-1200°С и малых подач гильзы в очаг деформации. Для прокатки труб размером 530×25-30 мм необходимы слитки-заготовки ЭШП размером 620×100×1750±50 мм, из которых на стане поперечно-винтовой прокатки за прошивку и раскатку получают гильзы размером 680×вн.490×2820-2980 мм. На существующем прошивном стане ОАО "ЧТПЗ" данный слиток прошить за одну прошивку с подъемом по диаметру 9,7% невозможно. Прокатка труб размером 530×25-30 мм и 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 6-8 мм вместо существующей конусности 1,0 мм, а это при прокатке труб с толщиной стеки 25-30 мм приведет к повышенной продольной разностенности, т.е. к отбраковке труб по толщине стенки.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства бесшовных горячекатаных труб размером 530×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара, по ТУ 14-3Р-55-2001 из слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 620×100×1750±50 мм стали марки 10Х9МФБ-Ш в условиях ОАО "ЧТПЗ", а именно, производство передельных труб размером 550×45 и 550×48 мм на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами для последующего передела передельных труб механической обработкой - расточкой и обточкой в товарные трубы размером 530×25-30 мм с повышенными требованиями по геометрическим размерам и качеству поверхности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных труб размером 530×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш, включающий нагрев слитков-заготовок электрошлакового переплава (ЭШП) размером 620×100×1750±50 мм до температуры 1190-1210°С, прошивку слитков-заготовок в станах поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки размером 650×вн.315×1940-2050 мм на оправке диаметром 300 мм с вытяжкой µ=1,14 и подъемом по диаметру 4,7-4,9%, охлаждение гильз-заготовок, ремонт их при необходимости, повторный нагрев гильз-заготовок с холодного посада до температуры 1200-1220°С, прошивку - раскатку гильз-заготовок в гильзы размером 680×вн.490×2820-2980 мм на оправке диаметром 475 мм с вытяжкой µ=1,43 и подъемом по диаметру 4,5-4,7%, прокатку гильз на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 550×45×5300-5800 и 550×48×4800-5200 мм с вытяжками, соответственно, µ=2,45 и µ=2,31, обжатием по диаметру 19,1%, с подачами гильз в очаг деформации при прокатке труб размером 550×45 мм m=15-16 мм, а при прокатке труб размером 550×48 мм m=16-17 мм, отрезку технологических отходов пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термообработку, ремонт при необходимости и повторную правку на шестивалковой машине с замером общей кривизны труб не более 5,0 мм, передачу на участок по обработке поковок и труб специального назначения, расточку и обточку передельных труб размером 550×45×5300-5800 мм в товарные трубы размером 530×25-28×5300-5800 мм, а передельные трубы размером 550×48×4800-5200 мм в товарные трубы размером 530×28-30×4800-5200 мм, а механическую обработку - расточку и обточку передельных труб размером 550×45 и 550×48 мм в товарные производят с более толстых стенок, а именно, 530×28 и 530×30 мм, а при наличии дефектов или закрытии заказа на данную стенку механическую обработку производят на более тонкие стенки, количество и значения которых определяют из выражения:

,

где - толщина стенки передельных труб j-го размера, мм; n - количество передельных труб j-го размера, шт.; - максимальная толщина стенки товарных труб, которую можно получить при механической обработке передельных труб j-го размера, мм; - минимальная толщина стенки товарных труб, которую можно получить при механической обработке передельных труб j-го размера, мм; - промежуточная толщина стенки товарных труб при механической обработке передельных труб j-го размера, мм; n₁ - количество труб в заказе j-го размера на максимальную толщину стенки, шт.; n₂ - количество труб в заказе j-го размера на промежуточные толщины стенок, шт.; n₃ - количество труб в заказе j-го размера на минимальную толщину стенки, шт.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных труб размером 530×25-30 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 нагрев слитков-заготовок электрошлакового переплава (ЭШП) размером 620×100×1750±50 мм до температуры 1190-1210°С, прошивку слитков-заготовок в станах поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки размером 650×вн.315×1940-2050 мм на оправке диаметром 300 мм с вытяжкой µ=1,14 и подъемом по диаметру 4,7-4,9%, охлаждение гильз-заготовок, ремонт их при необходимости, повторный нагрев гильз-заготовок с холодного посада до температуры 1200-1220°С, прошивку - раскатку гильз-заготовок в гильзы размером 680×вн.490×2820-2980 мм на оправке диаметром 475 мм с вытяжкой µ=1,43 и подъемом по диаметру 4,5-4,7%, прокатку гильз на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 550×45×5300-5800 и 550×48×4800-5200 мм с вытяжками, соответственно, µ=2,45 и µ=2,31, обжатием по диаметру 19,1%, с подачами гильз в очаг деформации при прокатке труб размером 550×45 мм m=15-16 мм, а при прокатке труб размером 550×48 мм m=16-17 мм, отрезку технологических отходов пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термообработку, ремонт при необходимости и повторную правку на шестивалковой машине с замером общей кривизны труб не более 5,0 мм, передачу на участок по обработке поковок и труб специального назначения, расточку и обточку передельных труб размером 550×45×5000-5400 мм в товарные трубы размером 530×25-28×5000-5400 мм, а передельные трубы размером 550×48×4600-5000 мм в товарные трубы размером 530×28-30×4600-5000 мм, а механическую обработку - расточку и обточку передельных труб размером 550×45 и 550×48 мм в товарные производят с более толстых стенок, а именно 530×28 и 530×30 мм, а при наличии дефектов или закрытии заказа на данную стенку механическую обработку производят на более тонкие стенки, количество и значения которых определяют их выражения:

где - толщина стенки передельных труб j-го размера, мм; n - количество передельных труб j-го размера, шт.; - максимальная толщина стенки товарных труб, которую можно получить при механической обработке передельных труб j-го размера, мм; - минимальная толщина стенки товарных труб, которую можно получить при механической обработке передельных труб j-го размера, мм; - промежуточная толщина стенки товарных труб при механической обработке передельных труб j-го размера, мм; n₁ - количество труб в заказе j-го размера на максимальную толщину стенки, шт.; n₂ - количество труб в заказе j-го размера на промежуточные толщины стенок, шт.; n₃ - количество труб в заказе j-го размера на минимальную толщину стенки, шт.

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 550×45 мм из стали 10Х9МФБ-Ш производились на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами из слитков-заготовок ЭШП размером 620×100×1750±50 мм. Механическая обработка передельных горячекатаных труб размером 550×45 мм в товарные трубы размером 530×25-28 мм производилась на участке обработки заготовок и труб специального назначения ОАО "ЧТПЗ". Данные по прокатке передельных труб размером 550×45 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами, механической обработке - расточке и обточке передельных труб размером 550×45 мм в товарные трубы размером 530×25-28 мм и результатам сдачи приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что в производство было задано 5 слитков-заготовок ЭШП размером 620×100×1750±50 поставки ОАО "Мечел", которые были прокатаны на ТПУ 8-16′′ в передельные трубы размером 550×45 мм. Слитки-заготовки были посажены в методическую печь и нагреты до температуры 1190-1210°С. Слитки, общей массой 20,137 т, были прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 300 мм в гильзы-заготовки размером 650×вн.315×1940-2050 мм с вытяжкой µ=1,14 и подъемом по диаметру δ=4,8%. Затем гильзы были охлаждены до температуры окружающей среды, осмотрены и повторно были нагреты с холодного посада до температуры 1200-1220°С, гильзы-заготовки были прошиты - раскатаны в гильзы размером 680×вн.490×2770-2980 мм на оправке диаметром 475 мм с вытяжкой µ=1,43 и подъемом по диаметру δ=4,6%, а затем гильзы были прокатаны на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 550×45×5300-5800 мм. Передельные горячекатаные трубы были термообработаны, выправлены и отправлены на участок обработки поковок и труб специального назначения цеха №1. Передельные горячекатаные трубы размером 550×45 мм были обточены и расточены в товарные трубы размером 530×27-28 мм (в соответствии с п. 2 формулы изобретения). В результате было получено и принято в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 пять труб размером: 530×28×5500, 530×28×5500, 530×27×5800, 530×26×5300 и 530×27×5400 мм общей массой 9,397 т. Средний расходный коэффициент металла по данной партии труб составил 2,143. Сравнения по данной прокатке не производили, т.к. трубы данного сортамента из стали 10Х9МФБ-Ш в России не производились ввиду отсутствия технологии и оборудования для их производства.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных труб размером 530×25-30 мм из слитков ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара с 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 и производить качественные передельные трубы на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ" для последующего передела передельных труб в товарные механической обработкой - расточкой и обточкой в соответствии с заказами потребителя.