Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 377×14-19 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 труб размером 377×14-19 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.

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 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-ЗР-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. 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

D=2S_Г(1-sinα)/S_С,

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. B21B 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 электрошлакового переплава и непрерывно-литых заготовок (патент RU №2322314, кл. B21B 19/04), предусматривающий прошивку слитков ЭШП и HJI3 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_i∑,

где Δ_i′эшп - значения величин посада по диаметру при прошивке в станах поперечно-винтовой прокатки слитков ЭШП i-ой марки стали, %;

µ_i∑=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-ой 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 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 грубы 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 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. B21B 21/00), включающий отливку полых слитков-гильз электрошлаковым переплавом, обточку и расточку их в полые заготовки со съемом металла, величину которого определяют из выражений

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

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 пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш диаметром 377 мм с толщинами стенок от 14 до 19 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.

Прокатка труб размером 377×14-19 мм на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами из стали 10Х9МФБ-Ш из-за низкой температуры под деформацию 1180-1200°C проблематична. Для прокатки труб размером 377×14-19 мм необходимы слитки-заготовки ЭШП размером 540×100×1750±50 мм, из которых на стане поперечно-винтовой прокатки за прошивку и раскатку получаем гильзы размером 560×вн.390×3250-3440 и 560×вн.375×2850-3000 мм или полые гильзы-заготовки размером 600×вн.400×3200±50 мм. Время прокатки трубы размером 377×14 мм из гильзы длиной 2850 мм с толщиной стенки 72,5 мм на пилигримовом стане составляет более 4,5 минут. За данный промежуток времени гильза-труба остывает ниже 800°C (при рекомендуемой не ниже 850°C в конце прокатки). Прокатка труб размером 377×14-19 мм и докатка 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, 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 прокатку 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 стенки. Прокатка труб из стали марки 10Х9МФБ-Ш с отношением D/S >25 приводит к образованию бугров на наружной поверхности труб, т.е. к повышенной отбраковке по наружному диаметру. Поэтому трубы данного размера из труднодеформируемых марок сталей и сплавов производят методом механической обработки - обточки и расточки передельных толстостенных труб или на станах ХПТ перекаткой передельных труб в товарные.

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 14 до 19 мм из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 600×вн.400 мм стали марки 10Х9МФБ-Ш.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных труб размером 377×14-19 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, включающем обтачивание и растачивание полых слитков электрошлакового переплава в полые слитки-заготовки размером 600×вн.400 мм, нагрев слитков-заготовок до температуры 1180-1200°C и прокатку на ТПУ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 426×21 и 426×23 мм с вытяжками соответственно µ=5,76 и µ=5,29, обжатием по диаметру 29% и с подачами гильз в очаг деформации m=15-18 мм, отрезку технологических отходов - затравочных концов и пилигримовых головок пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термическую обработку, прокатку на стане ХПТ 450 передельных труб размером 426×21 мм в товарные холоднокатаные трубы диаметром 377 мм с толщиной стенки от 14 до 16 мм, а передельных труб размером 426×23 мм в товарные трубы диаметром 377 мм с толщиной стенки от 17 до 19 мм, термическую обработку, правку, ультразвуковой контроль и приемку труб, полые слитки-заготовки нагревают в методической печи до температуры пластичности, при этом производят посад слитков-заготовок на колосники печи партиями по 8-10 штук в один ряд с интервалом через 1,25-1,5 часа при температуре в третьей зоне печи 1000-1050°C, выдержку слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 1,0-1,25 часа, нагрев слитков-заготовок со скоростью 2,3-2,6°C в минуту в течение 4,5-5,0 часа до температуры 1190-1200°C с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 18-20 минут на угол 220-230°, выдержку в течение 0,5-0,75 часа с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 15-20 минут на угол 220-230°, кантовку с 4-го окна на яму печи и выдачу заготовок из печи, нагретые полые слитки-заготовки после выдачи из печи передают на входную сторону пилигримового стана в течение 1,0-1,5 минут.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных труб размером 377×14-19 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш отличается тем, что полые слитки-заготовки нагревают в методической печи до температуры пластичности, при этом производят посад слитков-заготовок на колосники печи партиями по 8-10 штук в один ряд с интервалом через 1,25-1,5 часа при температуре в третьей зоне печи 1000-1050°C, выдержку слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 1,0-1,25 часа, нагрев слитков-заготовок со скоростью 2,3-2,6°С в минуту в течение 4,5-5,0 часа до температуры 1190-1200°C с равномерной кантовкой слитков-заготовок по подине печи с 22-го по 6-е окно через 18-20 минут на угол 220-230°, выдержку в течение 0,5-0,75 часа с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 15-20 минут на угол 220-230°, кантовку с 4-го окна на яму печи и выдачу заготовок из печи, нагретые полые слитки-заготовки после выдачи из печи передают на входную сторону пилигримового стана в течение 1,0-1,5 минут. 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 передельных размером 426×23 мм из стали 10Х9МФБ-Ш производили на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами из полых слитков-заготовок ЭШП размером 600×вн.400×3200±50 мм. Для сравнения данные размеры труб были прокатаны по классической схеме, т.е. из слитков-заготовок размером 565×100×1750±50 мм. Передельные трубы размером 426×23 мм были перекатаны на стане ХПТ 450 в товарные размером 377×18 мм. Данные по прокатке передельных труб размером 426×23 мм и товарных труб размером 377×20 мм из слитков-заготовок и полых слитков-заготовок ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами и прокатке передельных груб размером 426×23 мм в товарные трубы размером 377×18 мм на стане ХПТ 450 ОАО "ЧТПЗ" и результатам сдачи приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что для производства передельных труб размером 426×23 мм по предлагаемой технологии было использовано 5 полых слитков-заготовок ЭШП размером 600×вн.400×3200±50 мм поставки ОАО "ЗМЗ". Полые слитки-заготовки ЭШП размером 600×вн.400×2200±50 мм были нагреты и прокатаны на ТПУ 8-16" в передельные трубы размером 426×23 мм в соответствии с формулой изобретения. Полые слитки-заготовки для прокатки передельных труб были посажены в методическую печь, и нагреты до температуры 1180-1200°C. Полые слитки-заготовки общей массой 19,790 т были прокатаны на пилигримовом стане в передельные трубы размером 426×23×14200-14700 мм с вытяжкой µ=5,29, обжатием по диаметру Δ=28,3% и подачами в очаг деформации 16-18 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 две части равной длины и отправлены на перекат на стане ХПТ 450 в товарные размером 377×18 мм. В результате переката передельных труб в товарные было получено 10 труб размером 377×18×9300-9700 мм, которые были приняты с допуском по диаметру ±1,0% и по стенке +15/-5,0 общей массой 15,913 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,244. Для сравнения данный размер труб был прокатан по классической схеме из сверленых слитков-заготовок ЭШП размером 565×100×1750±50 мм с двойным нагревом, прошивкой, прошивкой - раскаткой, прокаткой на пилигримовом стане и последующей перекаткой на стане ХПТ 450. Расходный коэффициент металла составил 1,295.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных труб размером 377×14-19 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-ЗР-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. производить качественные товарные и 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 377×14-19 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.

Продолжение таблицы