Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 426×15-60 мм ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ПАРОПРОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ УСТАНОВОК С ВЫСОКИМИ И СВЕРХВЫСОКИМИ И СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА ИЗ СТАЛИ МАРКИ 10Х9МФБ-Ш

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных труб размером 426×15-20 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш размером 640×вн.440×3200±50 мм, и может быть использовано на трубопрокатной установке 8-16″ с пилигримовыми станами при производстве передельных труб размером 465×22 и 465×25 мм для последующей перекатки их на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 426×15-20 мм с повышенными требованиями по геометрическим размерам и качеству поверхности.

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 до настоящего времени не производились.

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-sin α)/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 является то, что из-за малой мощности привода прошивного стана ОАО «ЧТПЗ» слитки ЭШП стали марки 10Х9МФБ-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-заготовок электрошлакового переплава и непрерывно-литых заготовок (Патент RU №2322314, кл. В21В 19/04), предусматривающий прошивку слитков-заготовок ЭШП и НЛЗ в станах поперечно-винтовой прокатки с посадом по диаметру в зависимости от марки стали и суммарной вытяжки при переделе слиток-заготовка электрошлакового переплава - труба или непрерывно-литая заготовка - труба, при этом значения величин посада по диаметру слитков-заготовок 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-заготовок ЭШП i-той 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-заготовок 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 10Х9МФБ-Ш.

В трубном производстве известен также 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-заготовок 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-заготовок 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-заготовок ЭШП и заготовок в гильзы-заготовки с последующей раскаткой их в гильзы приводит к потере производительности пилигримовой установке в 2 раза, а, следовательно, к 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-заготовок 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-гильз электрошлаковым переплавом, обточку и расточку их в полые заготовки со съемом металла, величину которого определяют из выражений: Δ=К*D/S, Δ₁=К₁*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-гильз, 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; К₁=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 10Х9МФБ-Ш диаметром 426 мм с толщинами стенок от 15 до 20 мм.

Котельные трубы диаметром 426 мм с разными толщинами стенок в России можно производить только на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами и на стане ХПТ 450.

Прокатка труб размером 426×15-20 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из стали 10Х9МФБ-Ш из-за низкой температуры под деформацию 1180-1200°С проблематична. Для прокатки труб размером 426×15-20 мм необходимы слитки-заготовки ЭШП размером 600×100×1750±50 мм, из которых на стане поперечно-винтовой прокатки за прошивку и раскатку получаем гильзы размером 620×вн.440×3000-3200 и 620×вн.415×2700-2850 мм или полые гильзы-заготовки размером 600×вн.420×3200±50 и 600×вн.400×3200±50 мм. Время прокатки трубы размером 426×15 мм из гильзы длиной 2850 мм с толщиной стенки 102,5 мм на пилигримовом стане составляет более 4,0 минут. За данный промежуток времени гильза-труба остывает ниже 800°С (при рекомендуемой не ниже 850°С в конце прокатки). Прокатка труб размером 465×15-20 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 5-6 мм вместо существующей конусности 1,0 мм, а это приведет к продольной разностенности, т.е. к повышенной отбраковке труб по толщине стеки.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства бесшовных труб размером 426×15-20 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара, из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 640×вн.440×3200±50, из стали марки 10Х9МФБ-Ш, а именно производство передельных труб размером 465×22 и 465×25 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами для последующего переката их на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 426×15-20 мм с повышенными требованиями по геометрическим размерам и качеству поверхности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных труб размером 426×15-20 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, обточку и расточку их в полые слитки-заготовки размером 640×вн.440×3200±50, нагрев слитков-заготовок до температуры 1190-1200°С и прокатку их на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 465×22×14100-14600 и 465×25×12200-12600 мм с вытяжками μ=5,43 и μ=4,81, соответственно, обжатием по диаметру 27,3% и с подачами гильз в очаг деформации m=15-17 мм, отрезку затравочных концов и пилигримовых головок пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термическую обработку, при необходимости ремонт, разрезку передельных труб на два крата равной длины и прокатку на стане ХПТ 450 в товарные холоднокатаные трубы, при чем передельные трубы размером 465×22×7050-7300 мм прокатывают в товарные холоднокатаные трубы размером 426×15×10200-10500, 426×16×9500-9900 и 426×17×9000-9400 мм с вытяжками μ=1,50, μ=1,41 и μ=1,34 соответственно, а передельные трубы размером 465×25×6100-6300 мм прокатывают в товарные трубы размером 426×18×8350-8600, 426×19×7900-8200 и 426×20×7600-7800 мм, производят термическую обработку, правку, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру ±1,0%, а по стенке +15/-5%, полые слитки-заготовки нагревают в методической печи по технологии: посад слитков-заготовок на колосники печи производят партиями по 6-8 штук в один ряд с интервалом через 1,0-1,25 часа при температуре в третьей зоны печи 1000-1100°С; выдержка слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течении 0,75-1,0 часа; нагрев слитков-заготовок со скоростью 2,2-2,3°С в минуту в течение 5,0-5,5 часа до температуры 1170-1200°С с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 18-21 минуту на угол ≈210-230°; выдержка при температуре 1170-1200°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 центра 1170-1200°С.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных труб размером 426×15-20 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, отличается тем, что производят выплавку полых слитков электрошлаковым переплавом, обточку и расточку их в полые слитки-заготовки размером 640×вн.440×3200±50, нагрев слитков-заготовок до температуры 1190-1200°С и прокатку их на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 465×22×14100-14600 и 465×25×12200-12600 мм с вытяжками μ=5,43 и μ=4,81, соответственно, обжатием по диаметру 27,3% и с подачами гильз в очаг деформации m=15-17 мм, отрезку затравочных концов и пилигримовых головок пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термическую обработку, при необходимости ремонт, разрезку передельных труб на два крата равной длины и прокатку на стане ХПТ 450 в товарные холоднокатаные трубы, при чем передельные трубы размером 465×22×7050-7300 мм прокатывают в товарные холоднокатаные трубы размером 426×15×10200-10500, 426×16×9500-9900 и 426×17×9000-9400 мм с вытяжками μ=1,50, μ=1,41 и μ=1,34 соответственно, а передельные трубы размером 465×25×6100-6300 мм прокатывают в товарные трубы размером 426×18×8350-8600, 426×19×7900-8200 и 426×20×7600-7800 мм, производят термическую обработку, правку, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру ±1,0%, а по стенке +15/-5%, полые слитки-заготовки с отношением нагревают в методической печи по технологии: посад слитков-заготовок на колосники печи производят партиями по 6-8 штук в один ряд с интервалом через 1,0-1,25 часа при температуре в третьей зоны печи 1000-1100°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 минуту в течение 5,0-5,5 часа до температуры 1170-1200°С с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 18-21 минуту на угол ≈210-230°; выдержка при температуре 1170-1200°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 центра 1170-1200°С. 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».

Прокатку передельных труб размером 465×25 мм из стали 10Х9МФБ-Ш по предлагаемой технологии производили на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из полых слитков-заготовок ЭШП размером 640×вн.440×3200±50 мм. Для сравнения данные размеры труб были прокатаны по классической схеме, т.е. из слитков-заготовок размером 620×100×1750±50 мм. Передельные трубы размером 465×25 мм были перекатаны на стане ХПТ 450 в товарные размером 426×18 мм. Данные по прокатке передельных труб размером 465×25 мм из полых слитков-заготовок размером 640×вн.440×3200±50 мм (предлагаемая технология) и слитков-заготовок размером 620×100×1750±50 мм (существующая технология) стали марки 10Х9МФБ-Ш на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами, прокатке передельных труб размером 465×25 мм в товарные трубы размером 426×18 мм на стане ХПТ 450 ОАО «ЧТПЗ» и результатам сдачи приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что для производства передельных труб размером 465×25 мм по предлагаемой технологии было использовано 5 полых слитков-заготовок ЭШП размером 640×вн.440×3200±50 поставки ОАО «ЗМЗ». Полые слитки-заготовки ЭШП размером 640×вн.440×3200±50 мм для прокатки передельных труб были посажены в методическую печь и нагреты в соответствии с п.п. 1 и 2 формулы изобретения до температуры 1190-1200°С. Полые слитки-заготовки, общей массой 21,345 тонн, были прокатаны на пилигримовом стане в передельные трубы размером 465×25×12100-12600 мм с вытяжкой μ=4,81, обжатием по диаметру Δ=27,3% и подачами в очаг деформации 15-16 мм. От труб на пиле горячей резки были отрезаны технологические отходы - пилигримовые головки и затравочные концы. Трубы были выправлены на шестивалковой правильной машине, термообработаны, порезаны на два крата равной длины и отправлены на перекат на стане ХПТ 450 в товарные размером 426×18 мм. В результате переката передельных труб в товарные было получено 10 труб размером 426×18×8300×8700 мм, которые были приняты с допуском по диаметру ±1,0% и по стенке +15/-5,0 общей массой 16,242 тонн. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,314. Для сравнения данный размер труб был прокатан по классической схеме из сверленых слитков-заготовок ЭШП размером 620×100×1750±50 мм с двойным нагревом, прошивкой, прошивкой - раскаткой в стане поперечно-винтовой прокатки, прокаткой на пилигримовом стане и последующей перекаткой на стане ХПТ 450. Расходный коэффициент металла составил 1,381.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных труб размером 426×15-20 мм из полых слитков 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 слитков-заготовок ЭШП под прошивку и прошивку - раскатку, 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 передельные трубы на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ» для последующего передела передельных труб в товарные перекаткой их на стане ХПТ 450, исключить из технологического процесса механическую обработку - обточку и расточку передельных труб в товарные размером 426×15-20 мм, а, следовательно, значительно снизить расход металла при их производстве, снизить расход металла при переделе полых слитков-заготовок ЭШП в товарные трубы, повысить производительность ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами, а следовательно, снизить стоимость котельных труб из стали марки 10Х9МФБ-Ш.