Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 530×25-30 мм ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ПАРОПРОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ УСТАНОВОК С ВЫСОКИМИ И СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА ИЗ СТАЛИ МАРКИ 10Х9МФБ-Ш

Способ производства бесшовных горячекатаных труб размером 530×25-30 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 530×25-30 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 550×45 и 550×48 мм из полых слитков-заготовок ЭШП 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 включена в ТУ14-3Р-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(l-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 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%.

Недостатком 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 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_прμ_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 стали и не предусматривает производство котельных труб из слитков ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш.

В трубной промышленности известен 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 и 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-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; 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=К₂*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 530 мм с толщинами стенок от 25 до 60 мм.

Наиболее близким техническим решением является 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 установки 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 ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш.

Котельные трубы диаметром 530 мм с разными толщинами стенок в России можно производить только на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами.

Прокатка труб размером 530×25-30 мм на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами из-за низкой температуры стали 10Х9МФБ-Ш под деформацию 1180-1200°С проблематична. Для прокатки труб размером 530×25-30 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 650×вн.510×3900-4100 мм или полые гильзы-заготовки размером 660×вн.490×3200±50, 660×вн.460×3200±50 и 660×вн.430×3200±50 мм.

На существующем прошивном стане ОАО "ЧТПЗ" можно получить гильзу не длиннее 3600 мм, а задать в пилигримовый стан гильзу не длиннее 3500 мм. Время прокатки трубы размером 530×25 мм из гильзы длиной 3500 мм с толщиной стенки 70 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 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 стана 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 530×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 660×вн.490×3200±50 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш, а именно производство передельных труб размером 550×45 и 550×48 мм на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами и последующего передела передельных труб механической обработкой - расточкой и обточкой их 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 горячекатаных труб размером 530×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, включающем обточку и расточку полых слитков электрошлакового переплава в полые слитки-заготовки размером 660×вн.490×3200±50, нагрев их до температуры 1180-1190°С и прокатку на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 550×45×5300-5500 и 550×48×5000-5200 с вытяжками соответственно μ=2,10, μ=1,99 и посадом по диаметру 16,7%, с подачами гильз в очаг деформации m=20-22 мм, отрезку технологических отходов пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термообработку, повторную правку на шестивалковой правильной машине с замером общей кривизны на длину труб не более 5,0 мм, передачу труб на участок по обработке поковок и труб специального назначения, при этом трубы размером 550×45×5500-5800 мм обтачивают и растачивают в товарные трубы размером 530×25-28×5300-5500 мм, трубы размером 550×48×5000-5200 мм в товарные трубы размером 530×28-30×5000-5200 мм, механическую обработку - расточку и обточку передельных труб размером 550×45 и 550×48 мм в товарные начинают 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.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных горячекатаных труб размером 530×25-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш отличается тем, что трубы размером 550×45×5500-5800 мм растачивают и обтачивают в товарные трубы размером 530×25-28×5300-5500 мм, трубы размером 550×48×5000-5200 мм в товарные трубы размером 530×28-30×5000-5200 мм, механическую обработку - расточку и обточку передельных труб размером 550×45 и 550×48 мм в товарные начинают 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. 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 размером 550×45 мм из стали 10Х9МФБ-Ш производили на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами из полых слитков-заготовок ЭШП размером 660×вн.490×3200±50. 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 полых слитков-заготовок ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами, механической обработке - обточке и расточке передельных труб размером 550×45 мм в товарные трубы размером 530×25 мм по существующей и предлагаемой технологии и результатам сдачи приведены в таблице 1. Для сравнения в таблице 1 приведены данные по прокатке передельных труб размером 550×45 мм из слитков-заготовок ЭШП. Из таблицы 1 видно, что для производства передельных труб размером 550×45 мм было использовано 5 полых слитков-заготовок ЭШП размером 660×вн.490×3200±50 мм поставки ОАО "ЗМЗ". Полые слитки-заготовки ЭШП размером 660×вн.490×3200±50 мм были нагреты и прокатаны на ТПУ 8-16" в передельные трубы размером 550×45 мм. Полые слитки-заготовки для прокатки передельных труб были посажены в методическую печь и нагреты до температуры 1180-1190°С. Полые слитки-заготовки, общей массой 18,83 тн, были прокатаны на пилигримовом стане в передельные трубы размером 550×45×550×45×5300-5500 мм с вытяжкой μ=2,10, обжатием по диаметру Δ=15,9% и подачами в очаг деформации m=20-21 мм. От труб на пиле горячей резки были отрезаны технологические отходы - пилигримовые головки и затравочные концы. Трубы были выправлены на шестивалковой правильной машине, термообработаны, повторно выправлены с замером кривизны не более 5,0 мм на общую длину, переданы на участок по обработке поковок и труб специального назначения. Трубы были расточены и обточены в товарные трубы размером 530×27-28×5200-5400 мм. После механической обработки были получены: 3 трубы размером 530×27×5200-5400 мм и 2 трубы размером 530×28×5300-5400 мм, которые были приняты с допуском по диаметру ±1,0% и по стенке +15/-5,0 общей массой 8,890 тн. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 2,118. Для сравнения данный размер труб был прокатан по классической схеме из сверленых слитков-заготовок ЭШП размером 630×100×1750±50 мм с двойным нагревом, прошивкой, прошивкой-раскаткой и прокаткой на пилигримовом стане. Расходный коэффициент металла составил 2,301.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных горячекатаных труб размером 530×25-30 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 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 передельные трубы на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ" для последующего передела передельных труб в товарные механической обработкой - обточкой и расточкой с меньшими припусками, снизить расход металла при переделе полых слитков-заготовок ЭШП в передельные трубы, повысить производительность ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами, а следовательно, снизить стоимость котельных труб из стали марки 10Х9МФБ-Ш.