Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 325×16-30 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 товарных труб размером 325×16-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш и может быть использовано на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами при производстве товарных труб размером 325×16-30 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, 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 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 D=2S_Г(1-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. 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 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 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 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 слитков 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-ой 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-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 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 ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш. В настоящее время заводами России, а именно ОАО «ЗМЗ» и ОАО «Мечел», освоено производство слитков-заготовок ЭШП размером 490×1750 мм.

Трубы диаметром 325 мм в России можно производить только на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами и на стане ХПТ 450.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами производства бесшовных горячекатаных товарных труб размером 325×16-30 мм из слитков-заготовок ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш размером 490×100×1750±50 мм, снижение расхода металла при переделе слиток-заготовка - горячекатаная товарная труба размером 325×16-30 мм с повышенными механическими свойствами металла труб.

Технический результат достигается тем, что способ производства бесшовных труб размером 325×16-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, включает выплавку электрошлаковым переплавом слитков, их обточку в слитки-заготовки размером 490×100×1750±50 мм, нагрев слитков-заготовок до температуры пластичности, прошивку в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером от 500×вн.315×2550-2700 до 500×вн.290×2330-2450 мм на оправках диаметром от 300 до 275 мм с вытяжками от µ=1,50 до µ=1,37 и подъемом по диаметру 1,9-2,1%, прокатку гильз на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 325×16×15900-17000 - 325×30×9300-9900 мм с вытяжками µ от 7,62 до 4,69 и обжатием по диаметру 35,0%, термообработку, травление, правку, ультразвуковой контроль и приемку с допуском по диаметру +1,25/-1,0% и стенке +20/-5%.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных труб размером 325×16-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, отличается тем, что он включает выплавку электрошлаковым переплавом слитков, их обточку в слитки-заготовки размером 490×100×1750±50 мм, нагрев слитков-заготовок до температуры пластичности, прошивку в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером от 500×вн.315×2550-2700 до 500×вн.290×2330-2450 мм на оправках диаметром от 300 до 275 мм с вытяжками от µ=1,50 до µ=1,37 и подъемом по диаметру 1,9-2,1%, прокатку гильз на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 325×16×15900-17000 - 325×30×9300-9900 мм с вытяжками µ от 7,62 до 4,69 и обжатием по диаметру 35,0%, термообработку, травление, правку, ультразвуковой контроль и приемку с допуском по диаметру +1,25/-1,0% и стенке +20/-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 позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что соответствует патентоспособности «изобретательский уровень».

Так как трубы размером 325×16-30 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш до настоящего времени не производились, то сравнительную прокатку провести не представляется возможным. В качестве представительского размера приняты трубы размером 325×20 мм. Прокатку товарных горячекатаных труб размером 325×20 мм производили из слитков-заготовок размером 490×100×1700-1800 мм, которые были нагреты в методической печи до температуры 1180-1190°C: прошиты в станах поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 500×вн.315×2550-2700 мм на оправке диаметром 300 мм с вытяжкой µ=1,50 и подъемом по диаметру Δ=2,04%. Прокатку гильз на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами производили в товарные трубы размером 325×20×12700-13600 мм с вытяжкой µ=5,78 и обжатием по диаметру 35,0%. На прокате трубы пилой горячей резки были порезаны на две равные части размером 325×20×6350-6800 мм. После травления, правки, ультразвукового контроля трубы были приняты с допуском по диаметру ±1,0 и стенке +20/-5%.

Данные по прокатке и результатам сдачи товарных труб размером 325×20 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из слитков-заготовок ЭШП размером 490×100×1750±50 мм стали марки 10Х9МФБ-Ш, 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 490×100×1750±50 мм общей массой 12381 кг, поставки ОАО «Мечел». Слитки-заготовки были нагреты в методической печи до температуры 1180-1190°C, а затем прошиты в станах поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 500×вн.315×2550-2700 мм на оправке диаметром 300 мм с вытяжкой µ=1,50 и подъемом по диаметру δ=2,04%. Гильзы прокатаны на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 325×20×12700-13600 мм с вытяжкой µ=5,78 и обжатием по диаметру Δ=35,0%. Трубы пилой горячей резки порезаны на две равные части размером 325×20×6350-6800 мм. Затем трубы были протравлены, выправлены на прессе, прошли ультразвуковой контроль и приняты в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 с допуском по диаметру ±1,0 и стенке +20/-5%. Масса сданных труб составила 10332,6 кг, а расходный коэффициент металла 1,198. Сравнительную прокатку не производили, т.к. трубы данного сортамента из стали марки 10Х9МФБ-Ш в России не производились в виду отсутствия технологии и оборудования для их производства.

В таблице 2 приведены данные по механическим свойствам металла труб, прокатанных из слитков-заготовок ЭШП по предлагаемой технологии, которые 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/-5 вместо существующего +20/-5%. 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 на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами бесшовных горячекатаных труб размером 325×16-30 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков-заготовок ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш с механическими свойствами металла, превышающими значения требований, приведенных в ТУ 14-3Р-55-2001.