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 СЛИТКОВ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА 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 стали марки 10Х9МФБ-Ш, и может быть использовано на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами при производстве передельных труб размером 426×21 и 426×23 мм для последующего переката их на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 377×14-19 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, 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 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. 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 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 из данной марки стали прошить с посадом по диаметру 8-16% не представляется возможным.

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. 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_iэшп=k_iэшпμ_iΣ, где Δ_iэшп - 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 j-го размера; k_iэшп - 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 j-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 и 620×1750±50 мм. Для производства других диаметров нужны кристаллизаторы, производство которых требует больших инвестиций, да и нет целесообразности, т.к. геометрические размеры кристаллизаторов можно унифицировать.

Трубы диаметром 377 мм 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 проблематична из-за низкой температуры стали 10Х9МФБ-Ш под деформацию 1180-1200°С. Для прокатки труб размером 377×14-19 мм необходимы слитки-заготовки ЭШП размером 565×100×1750 мм, из которых на пилигримовом стане получают трубу 377×14 мм длиной до 26 метров. Время прокатки такой трубы составляет более 4,0 минут. За данный промежуток времени гильза-труба остывает до 800°С (при рекомендуемой не ниже 850°С в конце прокатки). Прокатка труб и обкатка 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, 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.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства бесшовных труб размером 377×14-19 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 565×100×1750±50 мм стали марки 10Х9МФБ-Ш вместо кованой заготовки в условиях ОАО «ЧТПЗ», а именно производство передельных труб размером 426×21 и 426×23 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами и последующего передела (переката) передельных труб на стане ХПТ 450 в товарные трубы размером 377×14-19 мм с повышенными требованиями по механическим свойствам, геометрическим размерам и качеству поверхности труб, снижение расхода металла при переделе слиток-заготовка ЭШП - котельная труба за счет снижения плюсового допуска по толщине стенки и повышения механических свойств металла труб за счет дробности деформации при прокатке на ТПУ с пилигримовыми станами и прокатки (перекатке) передельных труб на станах ХПТ.

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 производят нагрев слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 565×100×1750±50 мм до температуры 1200-1210°С, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 275 мм с вытяжкой μ=1,20 и подъемом по диаметру 2,6-2,8% в гильзы-заготовки размером 580×вн.290×2040-2160 мм, охлаждение, при необходимости ремонт, повторный нагрев гильз-заготовок с холодного или горячего посада до температуры 1210-1220°С и прошивку - раскатку в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 400 мм с вытяжкой μ=1,32 и подъемом по диаметру 3,4-3,6% в гильзы размером 600×вн.415×26900-2850 мм, прокатку гильз на пилигримовом стане ТПУ 8-16″ с обжатием по диаметру 29% и вытяжками μ=5,52 и μ=5,07 в передельные трубы размером 426×21×11800-12700 мм и 426×23×10150-11000 мм, соответственно отрезку технологических отходов пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термообработку, травление, ремонт, резку на краты равной длины и прокатку на стане ХПТ 450 в товарные холоднокатаные трубы, причем горячекатаные передельные трубы размером 426×21×5900-6350 мм прокатывают с вытяжками μ=1,67, μ=1,57 и μ=1,47 в товарные холоднокатаные трубы размером 377×14×9550-10300, 377×15×9200-9970 и 377×16×8700-9050 мм соответственно, горячекатаные передельные трубы размером 426×23×5075-5500 мм прокатывают с вытяжками μ=1,52, μ=1,43 и μ=1,36 в товарные холоднокатаные трубы размером 377×17×7700-8350, 377×18×7250-7850 и 377×19×6900-7500 мм соответственно, производят отрезку технологических отходов, резку товарных труб на длины в соответствии с заказом, термическую обработку труб, травление, ремонт, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру ±1,0% и по стенке +15/-5,0%.

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 нагрев слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 565×100×1750±50 мм производят до температуры 1200-1210°С, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 275 мм с вытяжкой μ=1,20 и подъемом по диаметру 2,6-2,8% в гильзы-заготовки размером 580×вн.290×2040-2160 мм, охлаждение, при необходимости ремонт, повторный нагрев гильз-заготовок с холодного или горячего посада до температуры 1210-1220°С и прошивку - раскатку в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 400 мм с вытяжкой μ=1,32 и подъемом по диаметру 3,4-3,6% в гильзы размером 600×вн.415×26900-2850 мм, прокатку гильз на пилигримовом стане ТПУ 8-16″ с обжатием по диаметру 29% и вытяжками μ=5,52 и μ=5,07 в передельные трубы размером 426×21×11800-12700 мм и 426×23×10150-11000 мм соответственно, отрезку технологических отходов пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термообработку, травление, ремонт, резку на два крата равной длины и прокатку на стане ХПТ 450 в товарные холоднокатаные трубы, причем горячекатаные передельные трубы размером 426×21×5900-6350 мм прокатывают с вытяжками μ=1,67, μ=1,57 и μ=1,47 в товарные холоднокатаные трубы размером 377×14×9550-10300, 377×15×9200-9970 и 377×16×8700-9050 мм соответственно, горячекатаные передельные трубы размером 426×23×5075-5500 мм прокатывают с вытяжками μ=1,52, μ=1,43 и μ=1,36 в товарные холоднокатаные трубы размером 377×17×7700-8350, 377×18×7250-7850 и 377×19×6900-7500 мм соответственно, производят отрезку технологических отходов, резку товарных труб на длины в соответствии с заказом, термическую обработку труб, травление, ремонт, ультразвуковой контроль и приемку труб с допуском по диаметру ±1,0% и по стенке +15/-5,0%. 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 передельных размером 426×21 мм из стали 10Х9МФБ-Ш производили на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из слитков-заготовок ЭШП размером 565×100×1750±50 мм. Прокатку передельных горячекатаных труб размером 426×21 мм в товарные холоднокатаные трубы размером 377×14 мм производили на стане ХПТ 450 ОАО «ЧТПЗ». Данные по прокатке передельных труб размером 426×21 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами и прокатке передельных труб размером 426×21 мм в товарные трубы размером 377×14 мм на стане ХПТ 450 ОАО «ЧТПЗ», результатам сдачи, механическим свойствам и геометрическим размерам труб приведены в таблицах 1 и 2. Из таблицы 1 видно, что в производство было задано 5 слитков-заготовок ЭШП размером 565×100×1750±50 мм поставки ОАО «Мечел». Слитки-заготовки были прокатаны на ТПУ 8-16″ в передельные трубы размером 426×21 мм. Слитки-заготовки были посажены в методическую печь и нагреты до температуры 1200-1210°С. Пять слитков-заготовок общей массой 17,112 т были прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 275 мм в гильзы-заготовки размером 580×вн.2040-2160 мм с вытяжкой μ=1,20 и подъемом по диаметру δ=2,7%. Гильзы-заготовки были охлаждены до температуры окружающей среды, осмотрены и повторно нагреты с холодного посада до температуры 1210-1220°С. Гильзы-заготовки прошиты - раскатаны в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 600×вн.415×2690-2850 мм на оправке диаметром 400 мм с вытяжкой μ=1,32 и подъемом по диаметру δ=3,5%, затем гильзы были прокатаны на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в передельные трубы размером 426×21×11800-12700 мм. Передельные горячекатаные трубы были отправлены в цех №5 на холодный передел. В цехе №5 передельные горячекатаные трубы размером 426×21 мм были термообработаны, порезаны на два крата равной длины и перекатаны на стане ХПТ 450 в товарные холоднокатаные размером 377×14 мм. В результате было прокатано и принято в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 десять труб размером 377×14×9550-10300 мм общей массой 12,280 т. Средний расходный коэффициент металла по данной партии труб составил 1,394. Сравнения по данной прокатке не производили, т.к. трубы данного сортамента из стали 10Х9МФБ-Ш в России не производились ввиду отсутствия технологии и оборудования для их производства.

В таблице 2 приведены данные по механическим свойствам металла и геометрические размеры труб. Из таблицы видно, что механические свойства металла и геометрические размеры труб, прокатанных из слитков-заготовок ЭШП по предлагаемой технологии, выше, чем по ТУ 14-3Р-55-2001, что, в свою очередь, дает гарантированную возможность снизить плюсовое поле допуска по толщине стенки и установить допуск +15/-10 вместо существующего +20/-5,0%. А так как качество металла слитков ЭШП значительно лучше, то основной критерий котельных труб - длительная прочность - будет значительно выше.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных труб размером 377×14-19 мм непосредственно из слитков ЭШП для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара 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 нагрева слитков под ковку и ковку слитков в поковки, снижения нагрузок при прошивке слитков-заготовок ЭШП и производить качественные передельные трубы на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ» для последующего передела передельных труб в товарные на стане ХПТ 450 в соответствии с заказами потребителя, снизить расходный коэффициент металла при переделе слиток-заготовка ЭШП - котельная труба, а следовательно, снизить стоимость труб.