СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ КОТЕЛЬНЫХ 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 ЭШП И НЛЗ Российский патент 2006 года по МПК B21B21/00 

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных горячедеформированных котельных труб большого и среднего диаметров для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков ЭШП и НЛЗ, и может быть использовано на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами, имеющих в своем составе станы поперечно-винтовой прокатки.

В практике трубопрокатного производства существует 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 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 в электрических и мартеновских печах, их ковку с уковом от 2,0 до 3,0, в зависимости от марки стали, а также непрерывную разливку стали марок 20, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 15ХМ с последующей ковкой их в поковки с уковом не менее 1,5, механическую обработку поковок, обточку со съемом металла 10-15 мм на сторону и сверловку центрального отверстия диаметром 100±5 мм для удаления центральной ликвационной пористости и неметаллических включений, нагрев заготовок до температуры пластичности, прошивку в станах косой прокатки в гильзы и прокатку их в трубы на пилигримовых станах с допуском по стенке +20/-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 ковкой слитков и НЛЗ в поковки с последующей обточкой и сверлением центрального отверстия, нагревом заготовок до температуры пластичности, прошивкой и прокаткой их в трубы на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами с допуском по стенке +20/-5%, повышенный расход металла при переделе слиток или НЛЗ - поковка - заготовка - труба и, как следствие, высокая стоимость труб.

Известны в трубопрокатном производстве способы прошивки слитков (заготовок) на подъем (расширение 3-7%), размер в размер и посад (осаживание 2-5%), где с изменением схемы напряженно-деформированного состояния меняется и деформация, выраженная величиной вытяжки (Ф.А.Данилов и др. Горячая прокатка труб, Москва, Металлургиздат, 1982, с.300, табл.34).

Недостатком указанных способов прошивки является невозможность обеспечить необходимую деформацию слитка, позволяющую получить механические свойства, структуру и плотность металла труб, которые получаются при производстве их из кованой заготовки.

В трубопрокатном производстве известен также способ изготовления газлифтных труб большого диаметра из слитков стали 09Г2С выплавки ЭШП и ВДП (Патент RU №2119395, кл. В 21 В 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 образования дефектов в виде внутренних плен на передних концах гильз.

Наиболее близким техническим решением является способ производства котельных труб большого диаметра из слитков ЭШП (патент RU №2180874, кл. В 21 В 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 постоянные величины снимаемых слоев металла при механической обработке (обточке) слитков, постоянная величина сверления центрального отверстия 100±5 мм и постоянные величины обжатия слитков при прошивке, которые не зависят от их геометрических размеров (диаметров), что приводит к дополнительному расходу металла и энергозатратам при механической обработке (обточке, центрального сверления и прошивке слитков на посад).

Техническим результатом предложенного способа является уменьшение энергозатрат при прошивке за счет оптимизации величины обжатия в зависимости от геометрических размеров слитков ЭШП и НЛЗ, снижение расхода металла при переделе слиток ЭШП и НЛЗ - котельная труба за счет снижения толщины снимаемого слоя металла при обточке и сверления центрального отверстия в слитках и НЛЗ, а также экономия газа за счет снижения верхнего предела температуры нагрева слитков ЭШП и НЛЗ на 20-40°С и прокатки труб из более качественного и пластичного металла слитков ЭШП и НЛЗ.

Технический результат достигается тем, что в известном способе 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 углеродистых, низколегированных, легированных и высоколегированных марок стали, включающем выплавку слитков в электрических и мартеновских печах, ковку слитков с уковом от 2,0 до 3,0, в зависимости от марки стали, изготовление трубных заготовок путем обточки и сверления центральной части поковок, непрерывную разливку заготовок НЛЗ из стали марок 20, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 15ХМ с последующей ковкой их в поковки с уковом не менее 1,5 и переделом их в заготовки, или отливку слитков электрошлаковым переплавом ЭШП, нагрев заготовок и слитков ЭШП до температуры пластичности, прошивку заготовок в станах косой прокатки на оправках, диаметр которых зависит от геометрических размеров гильз, прошивку слитков ЭШП с деформацией металла в станах косой прокатки вдоль расположения кристаллов путем задачи слитков в стан головной частью и с посадом по диаметру, равным 8-16%, прокатку гильз, полученных из слитков ЭШП и НЛЗ, в трубы на пилигримовых станах с вытяжками в зависимости от диаметра и толщины стенки, калибровку и правку труб, при этом в слитках ЭШП и НЛЗ сверлят центральное отверстие, диаметр которого определяют из выражений

d_св.эшп=d₀(D_T/D₀),

d_св.нлз=d₁(D_T/D₁),

где d₀=95 мм - диаметр центрального сверления в слитках ЭШП наружным диаметром 500 мм;

d₁=90 мм - диаметр центрального сверления в НЛЗ наружным диаметром 430 мм;

D_T - текущие значения наружных диаметров слитков ЭШП и НЛЗ, мм;

D₀ - слитки ЭШП наружным диаметром 500 мм;

D₁ - НЛЗ наружным диаметром 430 мм, нагревают слитки до температуры пластичности, прошивают в станах косой прокатки в гильзы с вытяжками в зависимости от геометрических размеров гильз, а затем прокатывают на пилигримовых станах в трубы, прошивку слитков ЭШП и НЛЗ в станах косой прокатки производят с вытяжками, значения которых определяют из выражений

μ_эшп=μ_з(0,1+D_T/D₀),

μ_нзл=μ_з(0,3+D_T/D₁),

где μ_з - вытяжка в стане косой прокатки при прокатке труб данного размера из кованой заготовки, а нагрев слитков ЭШП и НЛЗ, перед прошивкой в станах косой прокатки, производят ниже на 20-40°С по сравнению с кованой заготовкой, где большие значения относятся к легированным и высоколегированным маркам стали.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый 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 ЭШП и НЛЗ сталей марок 20, 15ГС, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1M1Ф, 12Х2МФСР, 10Х9МФБ, 12Х11В2МФ, 08Х16Н9М2, 12Х18Н12Т и 10Х13Г12БС2Н2Д2 отличается тем, что в слитках ЭШП и НЛЗ сверлят центральное отверстие, диаметр которого определяют из выражения

d_св.эшп=d₀(D_T/D₀),

d_св.нлз=d₁(D_T/D₁),

где d₀=95 мм - диаметр центрального сверления в слитках ЭШП наружным диаметром 500 мм;

d₁=90 мм - диаметр центрального сверления в НЛЗ наружным диаметром 430 мм;

D_T - текущие значения наружных диаметров слитков ЭШП и НЛЗ, мм;

D₀ - слитки ЭШП наружным диаметром 500 мм;

D₁ - НЛЗ наружным диаметром 430 мм, прошивку слитков ЭШП и НЛЗ в станах косой прокатки производят с вытяжками, значения которых определяют из выражений

μ_эшп=μ_з(0,1+D_T/D₀),

μ_нзл=μ_з(0,3+D_T/D₁),

где μ_з - вытяжка в стане косой прокатки при прокатке труб данного размера из кованой заготовки, а нагрев слитков ЭШП и НЛЗ, перед прошивкой в станах косой прокатки, производят ниже на 20-40°С по сравнению с кованой заготовкой, где большие значения относятся к легированным и высоколегированным маркам стали. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Предложенный 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 ЭШП и НЛЗ заключается в том, что диаметр центрального сверления и коэффициенты вытяжек при косой прокатке (прошивке) варьируют в зависимости от геометрических размеров (диаметров) слитков ЭШП и НЛЗ, а нагрев слитков ЭШП и НЛЗ, перед прошивкой в станах косой прокатки, производят ниже на 20-40°С по сравнению с кованой заготовкой, где большие значения относятся к легированным и высоколегированным маркам стали.

Способ производства котельных труб большого и среднего диаметров из слитков ЭШП опробован при прокатке труб размером 325×40 и 377×45 мм из стали марки 15Х1М1Ф на ТПА 8-16'' с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ" из слитков ЭШП размером 540×1750 и 600×1750 мм поставки ОАО "ЗМЗ" и кованых заготовок размером 500×1750 и 540×1750 мм поставки ОАО "Мечел" по существующему и предлагаемому способу. Данные по прокатке, результатам сдачи и механическим испытаниям приведены в таблицах 1 и 2.

В производство было задано по 10 слитков ЭШП размером 540×1750 и 600×1750 мм и по 10 заготовок (поковок) размером 500×1750 (530×1750) и 540×1750 мм (570×1750 мм).

Данные по прокатке, сдаче и расходному коэффициенту металла труб с учетом технологических отходов на прокате (пилигримовые головки и затравочные концы), прокатанных из кованых заготовок и слитков ЭШП стали марки 15Х1М1Ф по существующей и предлагаемой технологиям, приведены в таблице 1. Поковки диаметром 530 и 570 мм обтачивались на участке обработки заготовок ОАО "ЧТПЗ" в соответствии с ТУ 14-1-2560-78 "Заготовка трубная кованая для котельных труб" на размер, соответственно 500×1750 и 540×1750 мм, а затем производилась сверловка центрального отверстия диаметром 100±5 мм. Слитки отливались на ОАО "ЗМЗ" размером 560×1750 и 620×1750 мм, которые обтачивались по диаметру на размер 540 и 600 мм (по 5 штук) и 546 и 604,5 мм (по 5 штук) и поставлялись на ОАО "ЧТПЗ". На ОАО "ЧТПЗ" слитки диаметром 540 и 600 мм сверлили на диаметр 100±5 мм, а слитки диаметром 546 и 604,5 мм на диаметр соответственно 98 и 109±5 мм. Заготовки нагревались до температуры 1280±10°С, а слитки ЭШП до температуры 1250±10°С, прошивались в прошивном стане в гильзы и прокатывались в трубы размером 325×40 и 377×45 мм. Таким образом, было прокатано по 5 труб размером 325×40 и 377×45 мм из заготовок и слитков ЭШП по существующей и предлагаемой технологиям (способам). Расходный коэффициент металла с учетом технологических отходов на прокате (вес пилигримовых головок и затравочных концов) определяли из расчета веса поковок и слитков ЭШП до механической обработки и сверловки. Из таблицы 1 видно, что расходный коэффициент металла при прокатке труб из слитков ЭШП по существующей технологии ниже, чем при прокатке котельных труб из кованой заготовки, а именно на 83-94 кг на каждой тонне труб (в зависимости от размера). При прокатке труб из слитков ЭШП по предлагаемой технологии (относительно существующей) получили дополнительное снижение расходного коэффициента металла в зависимости от размера труб на 36-43 кг на тонну. В таблице 2 приведены данные по механическим свойствам металла труб из стали марки 15Х1М1Ф, прокатанных из кованой заготовки и слитков ЭШП по существующей и предлагаемой технологиям. Из таблицы видно, что среднее значение механических свойств металла труб, прокатанных из слитков ЭШП по предлагаемой технологии, выше чем из кованой заготовки на 5,0-7,5%, что в свою очередь дает гарантированную возможность снизить плюсовое поле допуска по толщине стенки на 5,0% или установить допуск по стенке +15/-10 вместо существующего +20/-5,0%. Так как качество металла слитков ЭШП значительно лучше, то основной критерий котельных труб - длительная прочность - будет значительно выше.

Таким образом, использование предложенного способа 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 углеродистых, низколегированных, легированных и высоколегированных марок стали из слитков ЭШП и НЛЗ позволит значительно снизить энергозатраты за счет исключения нагрева слитков под ковку и ковку слитков в поковки, за счет снижения нагрузок при прошивке слитков ЭШП и НЛЗ с дифференцированными обжатиями по диаметру, снизить расходный коэффициент металла при переделе слиток ЭШП и НЛЗ - котельная труба, а следовательно, снизить стоимость котельных труб.

Таблица 1
Данные по прокатке, геометрическим размерам труб и расходному коэффициенту металла с учетом технологических отходов на прокате (пилигримовые головки и затравочные концы), прокатанных из кованых заготовок и слитков ЭШП стали марки 15Х1М1Ф по существующей и предлагаемой технологиямСпособ произ. трубВид заготовкиРазмер поковок (мм)Вес поковок (кг)Размер слитков ЭШП (мм)Вес слитков ЭШП (кг)Размер загот. (мм)Вес загот. (кг)Размер слитков после механич. обработки (мм)Вес слитков после механич. обработ. (кг)Прошивка слитков и заготовокПрокатка трубРасход, коэф. метал, по прокатуДиам. оправ, (мм)Обжат, подиам. (%)Коэф. Вытяжки (μ)Размер гильз (мм)Разм. труб на прок. (мм)Размеры труб на сдаче (мм)Средн. толщ, стенки (мм)Длина (м)Вес по ТУ (кг)Сущест. технол.Кованая заготов.530×17503029--500×100 ×17502590--27501,45500×290×2540325×4043,06,619821,307570×17503505--540×100×17503038--30001,23540×315×2560377×4548,45,822831,331Слиток ЭШП--560×17503166--540×100×1750284427512,01,99475×290×3480325×4043,07,823241,224--620×17503880--600×100×1750353530012,01,93530×315×3370377×4548,47,328581,237Предлаг технол.Слиток ЭШП--560×17503166--545×98×1750308525010,11,69490×265×2960325×4042,08,725971,188--620×17503880--605×110×175037923008,31,70555×315×2975377×4547,58,131761,194

Таблица 2
Данные по механическим свойствам металла труб стали марки 15Х1М1Ф, прокатанных из кованой заготовки и слитков ЭШП по существующей и предлагаемой технологиямСпособ производства трубВид заготовкиТип образцаВременное сопротивление, Н/мм²Предел текучести σ_0,2 Н/мм²Относительное удлинение δ₅, %Относительное сужение Ψ, %Ударная вязкость KCU Дж/см²НЕ МЕНЕЕПо ТУ 14-3-55Р-2001Кованая заготовкапоперечный490 -686314164539продольный490-686314185049Существующая технологияКованая заготовкапоперечный547-610 (ср. 578,5)336-347 (ср. 341,5)18-23 (ср. 20,5)48-51 (ср.49,5)45-57 (ср. 51,0)продольный537-625 (ср. 581,0)340-365 (ср. 352,5)21-25 (ср. 23,0)55-58 (ср.56,5)52-63 (ср. 57,5)Слиток ЭШПпоперечный538-605345-37019-2147-5046-61продольный540-610341-35822-2456-6051-64Предлагаемая технологияСлиток ЭШПпоперечный580-635 (ср. 607,5)347-377 (ср. 362,0)19-25 (ср. 22,0)49-56 (ср.52,5)44-58 (ср. 54,0)продольный585-638 (ср.611,5)360-382 (ср. 371,0)23-26 (ср. 24,5)58-61 (ср.59,5)57-65 (ср. 61,0)

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу 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 ЭШП и НЛЗ. 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 углеродистых, низколегированных, легированных и высоколегированных марок стали включает выплавку слитков в электрических и мартеновских печах, ковку слитков с уковом от 2,0 до 3,0 в зависимости от марки стали, изготовление трубных заготовок путем обточки и сверления центральной части поковок, непрерывную разливку заготовок НЛЗ из стали марок 20, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 15ХМ с последующей ковкой их в поковки с уковом не менее 1,5 и переделом их в заготовки, или отливку слитков электрошлаковым переплавом ЭШП, нагрев заготовок и слитков ЭШП до температуры пластичности, прошивку заготовок в станах косой прокатки на оправках, диаметр которых зависит от геометрических размеров гильз, прошивку слитков ЭШП с деформацией металла в станах косой прокатки вдоль расположения кристаллов путем задачи слитков в стан головной частью и с посадом по диаметру, равным 8-16%, прокатку гильз, полученных из слитков ЭШП и НЛЗ, в трубы на пилигримовых станах с вытяжками в зависимости от диаметра и толщины стенки, калибровку и правку труб, при этом в слитках ЭШП и НЛЗ сверлят центральное отверстие, диаметр которого определяют из выражений d_св.эшп=d₀(D_T/D₀), d_св.нлз=d₁(D_T/D₁), где d₀=95 мм - диаметр центрального сверления слитков ЭШП наружным диаметром 500 мм; d₁=90 мм - диаметр центрального сверления НЛЗ наружным диаметром 430 мм; D_T - текущие значения наружных диаметров слитков ЭШП и НЛЗ, мм; D₀ - слитки ЭШП с наружным диаметром 500 мм; D₁ - НЛЗ с наружным диаметром 430 мм, нагревают слитки до температуры пластичности, прошивают в станах косой прокатки в гильзы с вытяжками в зависимости от геометрических размеров гильз, а затем прокатывают на пилигримовых станах в трубы. Прошивку слитков ЭШП и НЛЗ в станах косой прокатки производят с вытяжками, значения которых определяют из выражений μ_эшп=μ_з(0,1+D_T/D₀), μ_нлз=μ_з(D_T/D₁), где μ_з - вытяжка в стане косой прокатки при прокатке труб данного размера из кованой заготовки, и нагрев слитков ЭШП и НЛЗ перед прошивкой в станах косой прокатки производят ниже на 20-40°С по сравнению с кованой заготовкой, где большие значения относятся к легированным и высоколегированным маркам стали. Изобретение обеспечивает снижение энергозатрат при прошивке, снижение расхода металла при переделе слиток ЭШП и НЛЗ - котельная труба и экономию газа. 2 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. 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 углеродистых, низколегированных, легированных и высоколегированных марок стали, включающий выплавку слитков в электрических и мартеновских печах, ковку слитков с уковом от 2,0 до 3,0 в зависимости от марки стали, изготовление трубных заготовок путем обточки и сверления центральной части поковок, непрерывную разливку заготовок НЛЗ из стали марок 20, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 15ХМ с последующей ковкой их в поковки с уковом не менее 1,5 и переделом их в заготовки, или отливку слитков электрошлаковым переплавом ЭШП, нагрев заготовок и слитков ЭШП до температуры пластичности, прошивку заготовок в станах косой прокатки на оправках, диаметр которых зависит от геометрических размеров гильз, прошивку слитков ЭШП с деформацией металла в станах косой прокатки вдоль расположения кристаллов путем задачи слитков в стан головной частью и с посадом по диаметру, равным 8-16%, прокатку гильз, полученных из слитков ЭШП и НЛЗ, в трубы на пилигримовых станах с вытяжками в зависимости от диаметра и толщины стенки, калибровку и правку труб, при этом в слитках ЭШП и НЛЗ сверлят центральное отверстие, диаметр которого определяют из выражений:

d_св.эшп=d₀(D_T/D₀),

d_св.нлз=d₁(D_T/D₁),

где d₀=95 мм - диаметр центрального сверления слитков ЭШП наружным диаметром 500 мм;

d₁=90 мм - диаметр центрального сверления НЛЗ наружным диаметром 430 мм;

D_T - текущие значения наружных диаметров слитков ЭШП и НЛЗ, мм;

D₀ - слитки ЭШП с наружным диаметром 500 мм;

D₁ - НЛЗ с наружным диаметром 430 мм,

нагревают их до температуры пластичности, прошивают в станах косой прокатки в гильзы с вытяжками в зависимости от геометрических размеров гильз, а затем прокатывают на пилигримовых станах в трубы.

μ_эшп=μ_з(0,1+D_T/D₀),

μ_нлз=μ_з(D_T/D₁),

где μ_з - вытяжка в стане косой прокатки при прокатке труб данного размера из кованой заготовки.