СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДОРНОВ ПИЛИГРИМОВЫХ СТАНОВ ИЗ СТАЛИ МАРКИ СД2 (25Х2М1Ф) ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ БОЛЬШОГО И СРЕДНЕГО ДИАМЕТРОВ Российский патент 2004 года по МПК B21B21/00 C21D9/28 

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу изготовления и эксплуатации технологического инструмента пилигримовых станов, в частности дорнов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров (273-550 мм).

Известен способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб, включающий отливку слитков из стали марки СД1 (50ХН) с химсоставом по ГОСТ 4543-71 (углерод - 0,46-0,54%; марганец - 0,5-0,8%; кремний - 0,17-0,37%; хром - 0,45-0,75%; никель - 1,0-1,4%; фосфор - не более 0,3% и медь - не более 0,3%), ковку их в цилиндрические заготовки (поковки) размером 280-570×6000 мм с уковом 2,25-2,50, черновую механическую обработку с припуском по диаметру 10-15 мм с учетом поводки поковок при термической обработке, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер с последующей обкаткой или шлифовкой поверхности и эксплуатацию их до выхода из строя по сетке разгарных трещин, продольным трещинам и "волне" (Ф.А.Данилов и др. Горячая прокатка труб. М.: Металлургиздат, 1962, с.355-356. Отчет по теме 22-V-13-541-73: " Разработка технологии изготовления дорнов повышенной износостойкости и внедрение их в производство на ЧТПЗ, Днепропетровск, 1975. ТП 158-148-98 "Технологический процесс механической обработки направляющих и рабочих валков прошивного стана, дорнов и пилигримовых валков в цехе № 1 ЧТПЗ").

Недостатком данного способа является то, что дорны выходят из строя по "волне" (гофрам), поверхностным разгарным кольцевым трещинам и грубым продольным трещинам, а также неравномерному истиранию их по длине (потеря геометрических размеров). Как правило, при прокатке труб диаметром 377 и 426 мм на дорнах из стали марки СД1 основным видом дефектов является "волна" (гофр). "Волна" на поверхности дорнов возникает на расстоянии 1500-2000 мм. "Волна" - это пластическая деформация поверхностных слоев металла дорнов, которая обусловлена разогревом их поверхности до температуры выше 700°С и вызвана продолжительным контактом гильз-труб и дорнов или прокаткой двух и более гильз на одном дорне без охлаждения. При прокатке труб размером 426×9×35000-38000 мм время контакта дорна с гильзой-трубой составляет от 5,0 до 6 минут. За это время дорн на участке 2000-4000 мм от замковой части нагревается от 600 до 700°С. Наибольшую температуру дорн имеет на участке от 2000 до 3000 мм, т.е. на центральной части. Количество прокатанных труб до появления "волны" на дорнах различно и колеблется в пределах 300-800 тонн. Стойкость дорнов по "волне" находится в прямой зависимости от соблюдения инструкции по их эксплуатации.

Кольцевые трещины связаны с некачественной механической обработкой, наличием концентраторов напряжения-подрезов и канавок от резцов. Грубые продольные трещины глубиной от 1/3 до 3/4 радиуса дорнов являются следствием низких значений пластических свойств и ударной вязкости стали при циклически изменяющихся температурах.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающий ковку, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер, шлифовку поверхности и эксплуатацию их до выхода из строя по сетке разгарных трещин (патент RU 2055660 C1, B 21 B 21/00, 10.03.1992).

Недостатком данного способа является то, что дорны с содержанием углерода 0,24-0,32% выходят из строя в основном из-за появления на их поверхности разгарных трещин, а также неравномерного истирания по длине (потеря геометрических размеров). Разгарные трещины возникают вследствие тепловых и структурных напряжений в поверхностном слое дорнов, которые нагреваются при контакте с горячими гильзами-трубами до температуры выше критической Acl-Ас3 (≈700°С). Образование сетки разгарных трещин есть результат необратимых структурных изменений (сдвиговых деформаций внутри зерна, дробление зерен, образование разрыхлений и пустот, деформации по границам зерен и образование субмикроскопических разрывов и повреждений поверхностного слоя). Термоусталостное повреждение поверхности является причиной возникновения первых очагов разрушения, инициирующих дальнейшее развитие трещин. С увеличением числа циклов нагрева и охлаждения возрастает количество и размер трещин, трещины соединяются и переплетаются между собой, образуя так называемую "сетку". Образование сетки разгарных трещин на поверхности дорнов ускоряет истирание и вырывание частиц металла. В этих трещинах происходит интенсивное окисление металла и процессы их расклинивания. Решающее влияние на срок эксплуатации дорнов оказывает интенсивность развития сетки разгарных трещин в более крупные, которые являются браковочным признаком дорнов.

Целью предложенного способа является увеличение стойкости дорнов пилигримовых станов для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров, а следовательно, снижение их стоимости.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) для производства труб большого и среднего диаметров, включающем ковку, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер, шлифовку поверхности и эксплуатацию их до выхода из строя по сетке разгарных трещин, после ковки ведут черновую механическую обработку дорновых заготовок, затем осуществляют термическую обработку дорновых заготовок с получением на поверхности слоя сорбита глубиной 40-50 мм, при эксплуатации до начала интенсивного образования сетки разгарных трещин дорны перетачивают на меньший диаметр до появления в микроструктуре сорбита отдельных участков перлита, величину которого определяют из выражения

D_п=D_н-2Δ,

где D_п - минимальный диаметр дорна после переточки, мм;

D_н - начальный диаметр дорна после изготовления, мм;

Δ - толщина поверхностного слоя дорна, имеющая структуру сорбита, мм, первую переточку дорнов на меньший размер производят через 0,75-0,80, вторую через 0,50-0,55, третью через 0,30-0,35 их средней первоначальной стойкости, а после третьей переточки дорна эксплуатируют до выхода их из строя, величину съема металла по диаметру за каждую последующую переточку увеличивают в 1,2-1,3 раза.

Дорны в процессе работы подвергаются многократному циклическому нагреву и охлаждению. Кроме теплового воздействия дорна подвергаются давлению со стороны валков пилигримового стана и продольному растяжению, вызванному силами трения деформируемого металла во время прокатки и извлечения дорнов из труб подающим аппаратом после прокатки. Из-за непостоянства очага деформации за один оборот валков давление на дорны и действие сил трения постоянно меняются. Сложность условий работы дорнов заключается в длительном нахождении их в контакте с нагретым пластически деформируемым металлом, отсутствии охлаждения в процессе деформации, больших температурных перепадов рабочей поверхности дорнов за один цикл их работы (охлаждение до температуры 60-80°С в ванне с водой и смазкой, нагрев в процессе прокатки и работа в течение 3,5-6,0 минут при температуре 600-700°С). Совместные действия больших температур и давлений приводят к быстрому выходу дорнов из строя, в основном по сетке разгарных трещин. Разгарные трещины на поверхности дорнов начинают появляться через 0,80-0,85 от первоначальной их стойкости, которые в дальнейшем начинают прогрессировать, расти как качественно, так и количественно, т.е. вширь и вглубь. В этот момент, т.е. через 0,75-0,80 от средней первоначальной стойкости, дорна принудительно изымают из эксплуатации и перетачивают на меньший диаметр, т.е. для прокатки труб данного диаметра с более толстыми стенками или труб меньшего диаметра с тонкими стенками. Величину съема металла на сторону (по радиусу) при первой переточке принимают равной 8-10 мм. Дорна после переточки подвергают обкатке или шлифовке и возвращают в технологический цикл производства. Дорна после первой переточки эксплуатируют до появления (зарождения) сетки разгарных трещин. Величину компании (работы дорнов) после первой переточки принимают равной 0,5-0,55 от средней первоначальной их стойкости. Цикл обработки дорнов повторяют, т.е. их изымают из технологического процесс, перетачивают на меньший размер, обкатывают или шлифуют по наружной поверхности. Величину съема металла во время второй переточки увеличивают в 1,2-1,3 раза, т.е. толщина снимаемого слоя составляет 10-13 мм, которая зависит от размерного ряда прокатываемых труб. Технологический цикл после второй переточки повторяют через 0,30-0,35 от средней первоначальной стойкости, а величину съема металла на сторону принимают равной 1,2-1,3 от величины съема металла после второй переточки, т.е. 12-17 мм. После третьей переточки дорна эксплуатируют до выхода их из строя. Таким образом, общая величина съема металла на сторону (по радиусу) от черновых заготовок (после термической обработки) до выхода дорнов из строя составляет от 37,5 до 47 мм.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров отличается от известного тем, что после ковки ведут черновую механическую обработку дорновых заготовок, затем осуществляют термическую обработку дорновых заготовок с получением на поверхности слоя сорбита глубиной 40-50 мм, при эксплуатации до начала интенсивного образования сетки разгарных трещин дорны перетачивают на меньший диаметр до появления в микроструктуре сорбита отдельных участков перлита, величину которого определяют из выражения

D_п=D_н-2Δ,

где D_п - минимальный диаметр дорна после переточки, мм;

D_н - начальный диаметр дорна после изготовления, мм;

Δ - толщина поверхностного слоя дорна, имеющая структуру сорбита, мм, первую переточку дорнов на меньший диаметр производят через 0,75-0,80, вторую через 0,5-0,55, а третью через 0,3-0,35 их средней первоначальной стойкости, после третьей переточки дорны эксплуатируют до выхода их из строя, а величину сьема металла по диаметру за каждую последующую переточку увеличивают в 1,2-1,3 раза. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения (способа) не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Способ опробован на трубопрокатной установке с пилигримовыми станами 8-16" ОАО "ЧТПЗ". В производство было задано по два новых дорна диаметром 409/410 и 309/310 мм для прокатки труб размером 426×9 и 325×9 мм. Средняя статистическая стойкость дорнов диаметром 409/410 мм по существующему способу изготовления и эксплуатации составляет 1100, а дорнов диаметром 309/310 мм - 800 тонн труб. На дорне диаметром 409/410 мм по существующей технологии было прокатано 1185 тонн труб размером 426×9 мм по ГОСТ 8732, а на дорне диаметром 309/310 мм - 865 тонн нефтепроводных труб размером 325×9 мм по ГОСТ 8732. Оба дорна вышли из строя по сетке разгарных трещин. На дорне диаметром 409/410 мм по новой технологии было прокатано 850 тонн труб размером 426×9 мм по ГОСТ 8732, что составило 0,77 от средней статистической стойкости дорнов данного размера. На поверхности дорна начала появляться сетка разгарных трещин (единичных). Дорн был изъят из технологического цикла и переточен на диаметр 390/391 мм. После переточки поверхность дорна была упрочнена обкаткой роликом. Величина съема металла по радиусу составила 9,5 мм. На дорне диаметром 390/391 мм до появления сетки разгарных трещин было прокатано 550 тонн котельных труб размером 426×17 мм из стали марки 20 по ТУ 14-3-460, что составило 0,5 от средней статистической стойкости дорнов данного размера. Затем дорн был переточен на диаметр 360/361 мм для прокатки ходового размера труб 377×9 мм по ГОСТ 8732. Величина съема металла по радиусу составила 15,0 мм, что было связано с ходовым размерным рядом труб. На дорне после второй переточки, до появления сетки разгарных трещин, было прокатано 350 тонн труб размером 377×9 мм, что составило 0,32 от средней статистической стойкости дорнов диаметром 409/410 мм. Затем дорн был переточен на диаметр 331/332 мм. Съем металла по радиусу составил 14,5 мм, что соответствует данным формулы изобретения. После обкатки поверхности роликом дорн был включен в технологический цикл. На данном дорне до выхода его из строя было прокатано 330 тонн труб размером 351×11 мм по ГОСТ 8732. Таким образом, на дорне диаметром 409/410 мм по существующей технологии было прокатано 1185 тонн труб размером 426×9 мм по ГОСТ 8732, а на аналогичном дорне по предлагаемому способу было прокатано 2080 тонн труб (426×9 мм - 850 тонн, 426×17 мм - 550 тонн, 377×9 мм - 350 тонн и 351×11 мм - 330 тонн), что в 1,76 раза больше, чем на дорне по существующей технологии. Общий съем металла по радиусу от черновой заготовки (после термической обработки) до третьей переточки составил 46,5 мм.

На дорне диаметром 309/310 мм по новой технологии, до начала образования (зарождения) сетки разгарных трещин, было прокатано 600 тонн нефтепроводных труб размером 325×9 мм по ГОСТ 8732, что составило 0,75 средней статистической стойкости дорнов данного размера. Затем дорн был переточен на диаметр 290/291 мм со съемом металла по радиусу 9,5 мм. На данном дорне, до появления сетки разгарных трещин, было прокатано 400 тонн котельных труб размером 325×17 мм из стали марки 20, что составило 0,5 средней статистической стойкости дорнов данного размера. После этого дорн был переточен на диаметр 265/266 мм со съемом металла по радиусу 12,5 мм, или в 1,25 раза больше, чем после первой переточки. На дорне диаметром 265/266 мм, до начала образования сетки разгарных трещин, было прокатано 255 тонн котельных труб размером 219×18 и 351×40 мм из стали марок 20 и 12Х1МФ. После этого дорн был третий раз переточен на диаметр 235/236 мм, со съемом металла по радиусу 15,0 мм, или в 1,25 раза больше, чем после второй переточки. На данном дорне, до выхода его из строя по сетке разгарных трещин, было прокатано 375 тонн котельных труб размером 273×17 и 351×56 мм из стали марки 12Х1МФ. После каждой переточки поверхность дорна упрочнялась обкаткой роликом. Общий съем металла по радиусу, от черновой заготовки после термической обработки до выхода его из строя, составил 44,5 мм.

Данные по стойкости дорнов пилигримовых станов диаметром 409/410 и 309/310 мм, изготовленных и эксплуатируемых по существующей и предлагаемой технологиям, приведены в таблице.

Из таблицы видно, что по предлагаемому способу изготовления и эксплуатации дорнов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) диаметром 409/410 и 309/310 мм получено увеличение срока их службы (стойкости) соответственно в 1,76 и 1,88 раза.

Использование предлагаемого способа изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров позволит значительно снизить расход дорнов за счет многократной переточки их на меньший диаметр до начала интенсивного образования сетки разгарных трещин и появления в микроструктуре сорбита отдельных участков перлита, а следовательно, снизить стоимость передела горячекатаных труб на ТПА с пилигримовыми станами.

Изобретение относится к трубопропрокатному производству, а именно к способу изготовления и эксплуатации технологического инструмента пилигримовых станов, в частности дорнов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров (273-550 мм). Способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров включает ковку, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер, шлифовку поверхности и эксплуатацию их до выхода из строя на сетке разгарных трещин, при этом после ковки ведут черновую механическую обработку дорновых заготовок, затем осуществляют термическую обработку дорновых заготовок с получением на поверхности слоя сорбита глубиной 40-50 мм, при эксплуатации до начала интенсивного образования сетки разгарных трещин дорны перетачивают на меньший диаметр до появления в микроструктуре сорбита отдельных участков перлита, величину которого определяют из выражения D_п=D_н-2Δ, где D_п - минимальный диаметр дорна после переточки, мм; D_н - начальный диаметр дорна после изготовления, мм; Δ - толщина поверхностного слоя дорна, имеющая структуру сорбита, мм, первую переточку дорнов на меньший диаметр производят через 0,75-0,80, вторую через 0,5-0,55, а третью через 0,3-0,35 их средней первоначальной стойкости, после третьей переточки дорны эксплуатируют до выхода их из строя, а величину съема металла по диаметру за каждую последующую переточку увеличивают в 1,2-1,3 раза. Изобретение обеспечивает снижение расхода дорнов за счет многократной переточки их на меньший диаметр до начала интенсивного образования сетки разгарных трещин и появления в микроструктуре сорбита отдельных участков перлита, а следовательно, снижение стоимости передела горячекатаных труб на ТПА с пилигримовыми станами. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления и эксплуатации дорнов пилигримовых станов из стали марки СД2 (25Х2М1Ф) для производства горячекатаных труб большого и среднего диаметров, включающий ковку, термическую обработку дорновых заготовок, механическую обработку дорнов на чистовой размер, шлифовку поверхности и эксплуатацию их до выхода из строя по сетке разгарных трещин, отличающийся тем, что после ковки ведут черновую механическую обработку дорновых заготовок, затем осуществляют термическую обработку дорновых заготовок с получением на поверхности слоя сорбита глубиной 40-50 мм, при эксплуатации до начала интенсивного образования сетки разгарных трещин дорны перетачивают на меньший диаметр до появления в микроструктуре сорбита отдельных участков перлита, величину которого определяют из выражения

D_п=D_н-2Δ,

где D_п - минимальный диаметр дорна после переточки, мм;

D_н - начальный диаметр дорна после изготовления, мм;

Δ - толщина поверхностного слоя дорна, имеющая структуру сорбита, мм.