Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 377×20-60 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 377×20-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш и может быть использовано на трубопрокатной установке 8-16″ с пилигримовыми станами при производстве товарных труб размером 377×20-60 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, 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 стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы, прокатку гильз на пилигримовой установке 8-16″ в трубы диаметром 245-550 мм 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 данного размера 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-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-заготовок 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 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 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

где - значения величин посада по диаметру при прошивке в станах поперечно-винтовой прокатки слитков ЭШП i-й марки стали, %; µ_iΣ=µ_прµ_п - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке труб i-го размера; - 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 для разных марок стали 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-заготовок 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, сверление 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 электрошлаковым переплавом, обточку и расточку их в полые слитки-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-гильз, мм; S - толщина стенки полых слитков-гильз, мм; K=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 K₂=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 пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш диаметром 377 мм с толщинами стенок от 20 до 60 мм.

Котельные трубы диаметром 377 мм с разными толщинами стенок в России можно производить только на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами и на стане ХПТ 450.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства бесшовных труб диаметром 377 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара, с толщинами стенок от 20 до 60 мм, из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 540×вн.200×2200±50 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш, а именно производство товарных труб размером 377×20-60 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами с повышенными требованиями по геометрическим размерам, механическим свойствам и качеству поверхности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных горячекатаных труб размером 377×20-60 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, механическую обработку - расточку и обточку слитков в слитки-заготовки, нагрев полых слитков-заготовок до температуры пластичности, прошивку - раскатку их в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы, прокатку гильз на пилигримовых станах в товарные трубы размером 377×20-60 мм, соласно изобретению трубы производят из полых слитков-заготовок размером 540×вн.200×2200±50, которые нагревают до температуры 1170-1180°C, причем для производства труб диаметром 377 мм с толщинами стенок от 20 до 40 мм нагретые слитки-заготовки прошивают - раскатывают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 550×вн.365×3100-3240-550×вн.315×2580-2700 мм на оправках диаметром 350 и 300 мм с вытяжками µ=1,44 и µ=1,20 с подъемом по диаметру δ=1,85%, гильзы прокатывают на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 377×20×15100-15900-377×40×7900-8300 с вытяжками от µ=5,54 до µ=3,54 и обжатием по диаметру 31,45%, а для производства труб диаметром 377 мм с толщинами стенок от 41 до 60 мм нагретые слитки-заготовки прошивают - раскатывают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 550×вн.315×2580-2700-550×вн.290×2210-2320 мм на оправках диаметром 300 и 275 мм с вытяжками µ=1,20 и µ=1,03 и подъемом по диаметру δ=1,85%, гильзы прокатывают на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 377×41×7750-8150-377×60×5000-5300 мм с вытяжками от µ=3,47 до µ=2,71 и обжатием по диаметру 31,45%, затем производят отрезку технологических отходов - затравочных концов и пилигримовых головок пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термическую обработку, травление, ремонт, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру +1,25/-1,0% и толщине стенки +20/-5, полые слитки-заготовки нагревают в методической печи по технологии: посад слитков-заготовок на колосники печи производят в количестве 8-10 штук в один ряд при температуре в третьей зоне печи 1000-1050°C; выдержка слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 0,75-1,25 ч; кантовка первых 2-х слитков-заготовок с колосников печи через 0,75 ч, посад 2-х слитков-заготовок, затем посад следующих 2-х слитков заготовок по мере кантовки с колосников печи 2-х слитков-заготовок; нагрев слитков-заготовок со скоростью 2,3-2,6°C в минуту в течение 5,0-5,5 ч до температуры 1160-1180°C с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 18-20 мин на угол α=245-250°; выдержка при температуре 1160-1180°C в течение 0,5-0,75 ч с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 15-20 мин на угол α=245-250°; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача заготовок из печи с температурой центра слитков-заготовок 1160-1180°C, большие значения которой относятся к товарным трубам с меньшей толщиной стенки, прокатку труб размером 377×20 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами производят с подачами гильз в очаг деформации m=16-18 мм, а при прокатке труб с увеличением толщины стенки, кратной 5 мм, значения подач увеличивают на 1 мм.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных горячекатаных труб размером 377×20-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, отличается тем, что трубы производят из полых слитков-заготовок размером 540×вн.200×2200±50, которые нагревают до температуры 1170-1180°C, причем для производства труб диаметром 377 мм с толщинами стенок от 20 до 40 мм нагретые слитки-заготовки прошивают - раскатывают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 550×вн.365×3100-3240-550×вн.315×2580-2700 мм на оправках диаметром 350 и 300 мм с вытяжками µ=1,44 и µ=1,20 с подъемом по диаметру δ=1,85%, гильзы прокатывают на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 377×20×15100-15900-377×40×7900-8300 с вытяжками от µ=5,54 до µ=3,54 и обжатием по диаметру 31,45%, а для производства труб диаметром 377 мм с толщинами стенок от 41 до 60 мм нагретые слитки-заготовки прошивают - раскатывают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 550×вн.315×2580-2700-550×вн.290×2210-2320 мм на оправках диаметром 300 и 275 мм с вытяжками µ=1,20 и µ=1,03 и подъемом по диаметру δ=1,85%, гильзы прокатывают на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 377×41×7750-8150-377×60×5000-5300 мм с вытяжками от µ=3,47 до µ=2,71 и обжатием по диаметру 31,45%, затем производят отрезку технологических отходов - затравочных концов и пилигримовых головок пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термическую обработку, травление, ремонт, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру +1,25/-1,0% и толщине стенки +20/-5,0%, полые слитки-заготовки нагревают в методической печи по технологии: посад слитков-заготовок на колосники печи производят в количестве 8-10 штук в один ряд при температуре в третьей зоне печи 1000-1050°C; выдержка слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 0,75-1,25 ч; кантовка первых 2-х слитков-заготовок с колосников печи через 0,75 ч, посад 2-х слитков-заготовок, затем посад следующих 2-х слитков заготовок по мере кантовки с колосников печи 2-х слитков-заготовок; нагрев слитков-заготовок со скоростью 2,3-2,6°C в минуту в течение 5,0-5,5 ч до температуры 1160-1180°C с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 18-20 мин на угол α=245-250°; выдержка при температуре 1160-1180°C в течение 0,5-0,75 ч с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 15-20 мин на угол α=245-250°; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача заготовок из печи с температурой центра слитков-заготовок 1160-1180°C, большие значения которой относятся к товарным трубам с меньшей толщиной стенки, прокатку труб размером 377×20 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами производят с подачами гильз в очаг деформации m=16-18 мм, а при прокатке труб с увеличением толщины стенки, кратной 5 мм, значения подач увеличивают на 1 мм. 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 товарных труб размером 377×20 и 377×45 мм стали 10Х9МФБ-Ш производили на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из полых слитков-заготовок ЭШП размером 540×вн.200×2200±50 мм. Для сравнения данные размеры труб были прокатаны по классической схеме, т.е. из слитков-заготовок размером 490×100×1750±50 мм. Данные по прокатке товарных горячекатаных труб размером 377×20 и 377×45 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами, по существующей и предлагаемой технологиям, приведены в таблице. Из таблицы видно, что товарные трубы размером 377×20 мм по предлагаемой технологии производили из полых слитков-заготовок ЭШП размером 540×вн.200×2200±50 мм. В производство было задано 5 полых слитков-заготовок ЭШП общей массой 17,131 т, которые были нагреты в методической печи до температуры 1170-1180°C в соответствии с п. 2 формулы изобретения, прошиты - раскатаны в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 550×вн.365×3100-3240 мм на оправке диаметром 350 мм с вытяжкой µ=1,44, подъемом по диаметру δ=1,85 и прокатаны на пилигримовом стане в товарные трубы размером 377×20×15100-15900 мм с вытяжкой µ=5,54 и обжатием по диаметру Δ=31,45% в соответствии с пп. 1 и 3 формулы изобретения. На пиле горячей резки от труб были отрезаны технологические отходы, затем трубы были термообработаны, протравлены, отремонтированы (при необходимости), прошли ультразвуковой контроль и приняты в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 с допуском по диаметру +1,25/-1,0% толщине стенки +20/-5%. Было принято 5 труб общей массой 14,010 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,223. Для сравнения в производство были заданы 5 слитков-заготовок ЭШП размером 490×100×1750±50 мм общей массой 12,416 т, которые были нагреты до температуры 1180-1200°C, прошиты в гильзы и прокатаны на пилигримовом стане в товарные трубы размером 377×20 мм. В соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 принято 5 труб общей массой 9,478 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,310. При прокатке труб по предлагаемой технологии получено снижение расходного коэффициента металла на 87 кг на каждой тонне товарных труб при полном соответствии геометрических размеров и механических свойств металла труб требованиям ТУ 14-3Р-55-2001.

Товарные трубы размером 377×45 мм по предлагаемой технологии производили из полых слитков-заготовок ЭШП размером 540×вн.200×2200±50 мм. В производство было задано 5 полых слитков-заготовок ЭШП общей массой 17,169 т, которые были нагреты в методической печи до температуры 1160-1170°C, прошиты - раскатаны в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 550×вн.315×2580-2700 мм на оправке диаметром 300 мм с вытяжкой µ=1,20, подъемом по диаметру δ=1,85 и прокатаны на пилигримовом стане в товарные трубы размером 377×45×7100-7500 мм с вытяжкой µ=3,22 и обжатием по диаметру Δ=31,45% в соответствии с пп. 1 и 3 формулы изобретения. На пиле горячей резки от труб были отрезаны технологические отходы, затем трубы были термообработаны, протравлены, отремонтированы (при необходимости), прошли ультразвуковой контроль и приняты в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 с допуском по диаметру +1,25/-1,0% толщине стенки +20/-5%. Было принято 5 труб общей массой 14,322 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,199. Для сравнения в производство были заданы 5 слитков-заготовок ЭШП размером 490×100×1750±50 мм общей массой 12,593 т, которые были нагреты, прошиты в гильзы и прокатаны на пилигримовом стане в товарные трубы размером 377×45 мм. В соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 принято 5 труб общей массой 9,594 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,313. При прокатке труб по предлагаемой технологии получено снижение расходного коэффициента металла на 114 кг на каждой тонне товарных труб при полном соответствии геометрических размеров и механических свойств металла труб требованиям ТУ 14-3Р-55-2001.

Таким образом, использование предложенного способа позволит осуществить производство товарных горячекатаных труб размером 377×20-60 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, отвечающими требованиям ТУ 14-3Р-55-2001, что позволит снизить расход дорогостоящего металла при переделе полых слитков-заготовок ЭШП, а, следовательно, снизить стоимость котельных труб.