Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 273×9-15 мм ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ПАРОПРОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ УСТАНОВОК С ВЫСОКИМИ И СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА ИЗ СТАЛИ МАРКИ 10X9МФБ-Ш

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных труб размером 273×9-15 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 377×20 и 377×22 мм из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава (ЭШП) для последующего переката их на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 273×9-15 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 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 головной частью, и прошивают с посадом по диаметру на величину

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 большего 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 из данной марки стали прошить с посадом по диаметру 8-16% не представляется возможным.

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. B21B 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 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 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 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. B21B 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:

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_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 стали 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, 620×1750±50 мм и полых слитков ЭШП размером 600×вн.400×3200±50, 540×вн.360×3200±50, 540×вн.340×3200±50, 540×вн.200×2100±50 мм, 430×вн.250×3200±50 и 430×вн.230×3200±50. Для производства других диаметров нужны кристаллизаторы, производство которых требует больших инвестиций, да и нет целесообразности, т.к. геометрические размеры слитков-заготовок и полых слитков-заготовок можно унифицировать.

Трубы диаметром 273 мм в России можно производить только на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами и на стане ХПТ 450.

Прокатка труб размером 273×9-15 мм на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами проблематична из-за низкой температуры стали 10Х9МФБ-Ш под деформацию 1180-1200°C. Для прокатки труб размером 273×9-15 мм необходимы слитки-заготовки ЭШП размером 430×100×1750 мм, из которых на пилигримовом стане теоретически можно прокатать трубу 273×9 мм длиной до 28 м. Время прокатки такой трубы из гильзы размером 430×вн.290×3000-3100 мм с толщиной стенки 70 мм составляет около 4,5 мин. За данный промежуток времени гильза-труба с толщиной стенки 70 мм остывает до 750-800°C (при рекомендуемой не ниже 850°C в конце прокатки). Прокатка труб и обкатка 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 и приводило к поломкам предохранительных болтов и шпинделей пилигримового стана, снижению производительности за счет извлечения дорнов из-за затяжек, замены предохранительных болтов и шпинделей. Для снижения количества затяжек необходимо прокатку труб из данной марки стали производить на дорнах с конусностью 4-5 мм вместо конусности в 1,0 мм, что приведет к продольной разностенности и повышенной отбраковке труб по стенке. Таким образом, прокат труб размером 273×9-15 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш производить на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами нецелесообразно. Трубы данного размера в настоящее время производят из передельных труб размером 290×26-32 мм с последующей механической обработкой - расточкой и обточкой их на размер, соответственно, 273×9-15 мм.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами производства бесшовных горячекатаных передельных труб размером 377×20 и 377×22 мм из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 540×вн.360×3200±50 мм для последующего переката их в товарные размером 273×9-15 мм по маршрутам: 377×20 - 325×14 - 273×9-12 мм и 377×22 - 325×18 - 273×13-15 мм с повышенными требованиями по механическим свойствам, геометрическим размерам и качеству поверхности, снижение расхода металла при переделе полый слиток-заготовка - передельная горячекатаная труба - товарная холоднокатаная котельная труба размером 273×9-15 мм, повышение механических свойств металла труб за счет дробности деформации при прокатке на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами и прокатки (перекатки) передельных труб в товарные на стане ХПТ 450.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных труб размером 273×9-15 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, расточку и обточку полых слитков в слитки-заготовки размером 540×вн.360×3200+50, нагрев слитков-заготовок в методической печи до температуры 1170-1180°C, прокатку на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 377×20×15100-15650 и 377×22×13500-14000 мм с вытяжками, соответственно, µ=5,59 и µ=5,08, обжатием по диаметру 29,6% и с подачами гильз-заготовок в очаг деформации m=17-20 мм, отрезку технологических отходов в виде затравочных концов и пилигримовых головок пилой горячей резки, резку труб на две трубы равной длины, правку, термическую обработку, при необходимости ремонт, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру +1,25/-1,0% и толщине стенки ±12,5%, передельные трубы размером 377×20×7550-7825 мм прокатывают на стане ХПТ 450 в передельные холоднокатаные трубы размером 325×14×12000-12400 мм, разрезают на две трубы-крата равной длины и перекатывают на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 273×9×10600-11000, 273×10×9500-9800, 273×11×8700-9000 и 273×12×8000-8300 мм с вытяжками, соответственно, µ=1,83, µ=1,65, µ=1,51 и µ=1,39, а передельные трубы размером 377×22×6750-7000 мм прокатывают на стане ХПТ 450 в передельные холоднокатаные трубы размером 325×18×9300-9650 мм, которые перекатывают на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 273×13×14850-15400, 273×14×13700-14250 и 273×15×12900-13400 м с вытяжками, соответственно, µ=1,64, µ=1,52 и µ=1,43, производят термическую обработку, правку, ультразвуковой контроль и приемку труб с допусками по диаметру ±1,0% и толщине стенке +15/-5%.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных труб размером 273×9-15 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш отличается тем, что передельные трубы размером 377×20×7550-7825 мм прокатывают на стане ХПТ 450 в передельные холоднокатаные трубы размером 325×14×12000-12400 мм, разрезают на две трубы-крата равной длины и перекатывают на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 273×9×10600-11000, 273×10×9500-9800, 273×11×8700-9000 и 273×12×8000-8300 мм с вытяжками, соответственно, µ=1,83, µ=1,65, µ=1,51 и µ=1,39, а передельные трубы размером 377×22×6750-7000 мм прокатывают на стане ХПТ 450 в передельные холоднокатаные трубы размером 325×18×9300-9650 мм, которые перекатывают на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 273×13×14850-15400, 273×14×13700-14250 и 273×15×12900-13400 м с вытяжками, соответственно, µ=1,64, µ=1,52 и µ=1,43, производят термическую обработку, правку, ультразвуковой контроль и приемку труб с допусками по диаметру ±1,0% и толщине стенке +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».

Прокатку передельных труб размером 290×28 мм из стали 10Х9МФБ-Ш производили на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами из слитков-заготовок ЭШП размером 430×100×1750±50 мм (существующая технология), а передельных труб размером 377×20 мм из полых слитков-заготовок ЭШП размером 540×вн.360×3200±50 мм (предлагаемая технология). По существующему способу прокатку передельных труб размером 290×28 мм производят из слитков-заготовок ЭШП размером 430×100×1750±50 мм по технологии: слитки-заготовки нагревали в методической печи до температуры пластичности и прошивали в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 450×вн.265×2140-2260 мм на оправке диаметром 250 мм с вытяжкой µ=1,26 и подъемом, по диаметру δ=4,65%. Гильзы прокатывали на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 290×28×8100-8600 мм, передельные трубы разрезали на две трубы-крата равной длины и растачивали и обтачивали в товарные трубы размером 273×10×3900-4100 мм. По данной технологии в производство было задано 5 слитков-заготовок ЭШП общей массой 9,380 т, из которых изготовлено в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 десять труб общей массой 2,784 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 3,369. По предлагаемому способу прокатку товарных труб размером 273×10 мм производили по технологии: полые слитки-заготовки размером 5400×вн.360×3200±50 мм нагревали в методической печи до температуры 1170-1180°C и прокатывали на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 377×20×15100-15600 мм с вытяжкой µ=5,59, обжатием по диаметру 29,6% и с подачами гильз в очаг деформации m=18-19 мм, от труб пилой горячей резки были отрезаны технологические отходы - затравочные концы и пилигримовые головки, трубы разрезали на две трубы-крата равной длины, трубы проходили правку, термическую обработку и принимались с допуском по диаметру +1,25/-1,0% и толщине стенки ±12,5%, передельные трубы размером 377×20×7550-7800 мм перекатывались на стане ХПТ 450 в передельные трубы размером 325×14×11800-12200 мм с вытяжкой µ=1,64; передельные трубы размером 325×14 мм перекатывались на стане ХПТ 450 в товарные размером 273×10 мм с вытяжкой µ=1,65, трубы правились, проходили термическую обработку, ультразвуковой контроль и приемку труб по диаметру ±1,0% и толщине стенки +15,0/-5,0%. В производство было задано 5 полых слитков-заготовок общей массой 15,97 т. Принято в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 двадцать труб размером 273×10×9500-9750 мм общей массой 13,064 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,223. По предлагаемому способу получено снижение расходного коэффициента металла в 2,75 раза. Данные по прокатке передельных размером 290×28 мм на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами, механической обработке передельных труб в товарные размером 273×10 мм (существующая технология), прокатке передельных размером 377×20 мм на ТПУ 8-16′′ и прокатке (перекатке) их на стане ХПТ 450 в товарные размером 273×10 мм (предлагаемая технология) приведены в таблице 1.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных холоднокатаных труб размером 273×10-15 мм на стане ХПТ 450 из передельных горячекатаных труб размером 377×20 и 377×22 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш 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 процесса прошивки слитков-заготовок в гильзы при прокатке передельных труб, механической обработки - расточки и обточки передельных труб в товарные, производить качественные передельные трубы размером 377×20 и 377×22 мм на ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ» из полых слитков-заготовок ЭШП, для последующего переката их в товарные на стане ХПТ 450 в соответствии с заказами потребителя, значительно снизить расходный коэффициент металла при переделе полый слиток ЭШП - полый слиток-заготовка ЭШП - котельная передельная труба - котельная товарная холоднокатаная труба, повысить производительность ТПУ 8-16′′ с пилигримовыми станами, а следовательно, снизить стоимость котельных труб.