СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ КОТЕЛЬНЫХ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 465×75 мм НА ТРУБОПРОКАТНЫХ УСТАНОВКАХ С ПИЛИГРИМОВЫМИ СТАНАМИ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ УГОЛЬНЫХ БЛОКОВ С СУПЕРСВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА Российский патент 2010 года по МПК B21B21/00 

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных горячедеформированных котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для трубопроводов тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара (Т≥600°С и Р=300 атм), в том числе и для трубопроводов острого пара, из слитков электрошлакового переплава и может быть применено на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами при использовании в качестве передельной трубной заготовки полых слитков ЭШП стали марки 10Х9В2МФБР.

В практике трубопрокатного производства существует способ изготовления 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 (уплотнение структуры) с уковом от 2,0 до 3,0, в зависимости от марки стали, а также непрерывную разливку стали марок 20, 15ГС, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 15ХМ с последующей ковкой их в поковки с уковом не менее 1,5, механическую обработку (обточку со съемом металла 10-15 мм на сторону и сверление центрального отверстия диаметром 100±5 мм для удаления центральной ликвационной пористости и неметаллических включений), нагрев до температуры пластичности, прошивку заготовок в станах косой прокатки в гильзы и прокатку их в трубы на пилигримовом стане (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 относительно низкий предел длительной прочности металла труб при Т≥600°С, высокая энергоемкость процесса, связанная с нагревом и деформацией (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 пилигримовых станах, повышенный расход металла (расходный коэффициент металла) при переделе слиток или НЛЗ - поковка - заготовка - труба и, как следствие, высокая стоимость труб.

В трубном производстве известен способ прокатки труб на ТПУ с пилигримовыми станами на дорнах с конусностью 1-2 мм, большие значения конусности относятся к дорнам меньшего диаметра, а внутренний диаметр гильзы определяется так, чтобы зазор между гильзой и дорном пилигримового стана был достаточным для введения дорна в гильзу. Этот зазор обычно составляет 10-25 мм. Большие величины относятся к большим диаметрам труб (Ф.А.Данилов и др. Горячая прокатка труб. М.: Металлургиздат, 1982, с.294).

Недостатком указанного способа прокатки является то, что при прокатке труб размером 465×75 мм с отношением D/S≤20, а в нашем случае - 6,2, из стали 10Х9В2МФБР с повышенным коэффициентом линейного расширения на дорнах с конусностью 1,0 мм возможны затяжки их в гильзах - трубах из-за малой овализации. Увеличение зазора между дорном и гильзой приводит к увеличению овализации и редуцированию по внутреннему диаметру, что в свою очередь приводит к образованию закатов на передних концах труб, а следовательно, к увеличению длины затравочных концов и увеличению расхода металла при переделе заготовка - котельная труба.

В трубопрокатном производстве известен также способ изготовления газлифтных труб большого диаметра из слитков стали 09Г2С выплавки ЭШП и ВДП (патент РФ №2119395, кл. В21В 19/04), где деформацию слитков в прошивном стане ведут вдоль расположения кристаллов, задавая слитки в стан головной частью (усадочной), 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 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.

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 ЭШП и НЛЗ (патент RU №2275977, кл. В21В 21/00), обеспечивающий снижение энергозатрат при прошивке, снижение расхода металла при переделе слиток ЭШП и НЛЗ - котельная труба, экономию газа и, как следствие, снижение стоимости котельных труб.

Недостатками данного способа являются также невозможность получения необходимых значений механических свойств и длительной прочности металла труб из данных марок стали для тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара, для трубопроводов острого пара при температуре Т≥600°С и повышенных давлениях Р=300 атм и получения гильз размером 620×320вн. из стали марки 10Х9В2МФБР за одну прошивку в стане косой прокатки из-за повышенных нагрузок на привод стана.

Задачей предложенного способа (изобретения) является создание новых материалов для тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара, разработка приемлемой технологии производства передельной трубной заготовки и бесшовных горячедеформированных котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на ТПУ с пилигримовыми станами, снижение энегозатрат за счет исключения из технологического процесса нагрева слитков под ковку, ковку их в поковки, с последующей обточкой поковок в заготовки по наружной поверхности и сверлением центрального отверстия, а также исключение из технологического цикла процесса прошивки, снижение расхода металла при переделе слиток ЭШП - котельная труба за счет снижения толщины снимаемого слоя металла при обточке по сравнению с кованой заготовкой и прокаткой труб из более качественного и пластичного металла, не имеющего центральной ликвационной пористости и неметаллических включений.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных горячедеформированных котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для трубопроводов тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара, включающем выплавку передельных трубных заготовок в виде полых слитков стали марки 10Х9В2МФБР размером 620×320вн.×2000-3200 мм способом электрошлакового переплава (ЭШП), нагрев заготовок до температуры пластичности и прокатку полых заготовок на пилигримовых станах с выведением пилигримовых головок на подкладные углеродистые кольца, донную часть слитков удаляют анодно-механической резкой на длине 100-110 мм, обтачивают и растачивают в заготовки размером 600×340вн.×2000-3200 мм, на донных концах полых заготовок выполняют конус на длине L=(0,4-0,5)·D_з с торцевым притуплением h_т=(1,1-1,2)·S_т, где D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм; S_т - толщина стенки трубы, мм; h_т - торцевое притупление конуса, мм, полые заготовки прокатывают на пилигримовом стане в трубы конусными концами вперед с вытяжкой µ=2,1-2,2 и редуцированием по внутреннему диаметру 6-8%, затравку на длине трубы, равной L_з=(1,0-1,2)L_отк, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации m_з=(0,6-0,7)m_уст, а докатку заднего конца полой заготовки - обкатку пилигримовой головки на длине полой заготовки, равной L_г=(1,2-1,5)D_з, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации m_г=(1,1-1,2)m_уст, где m_уст - величина подачи при установившемся процессе прокатки, мм; L_отк=(1150-1200) - длина пути отката подающего аппарата при прокатке труб в валках с калибром 472 мм и диаметром бочки 1045 мм; D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм, а прокатку труб на пилигимовых станах производят на дорнах с конусностью 2-3 мм.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных горячедеформированных котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для трубопроводов тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара отличается тем, что в качестве передельной трубы заготовки используют полые слитки ЭШП стали марки 10Х9В2МФБР размером 620×320вн.×2000-3200 мм, донную часть слитков удаляют анодно-механической резкой на длине 100-110 мм, обтачивают и растачивают в заготовки размером 600×340вн.×2000-3200 мм, на донных концах полых заготовок выполняют конус на длине L=(0,4-0,5)·D_з с торцевым притуплением h_т=(1,1-1,2)·S_т, где D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм; S_т - толщина стенки трубы, мм; h_т - торцевое притупление конуса, мм, полые заготовки нагревают до температуры пластичности и прокатывают на пилигримовом стане в трубы конусными концами вперед с вытяжкой µ=2,1-2,2 и редуцированием по внутреннему диаметру 6-8%, затравку на длине трубы, равной L_з=(1,0-1,2)L_отк, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации m_з=(0,6-0,7)m_уст, а докатку заднего конца полой заготовки - обкатку пилигримовой головки на длине полой заготовки, равной L_г=(1,2-1,5)D_з, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации m_г=(1,1-1,2)m_уст, где m_уст - величина подачи при установившемся процессе прокатки, мм; L_отк=(1150-1200) - длина пути отката подающего аппарата при прокатке труб в валках с калибром 472 мм и диаметром бочки 1045 мм; D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм, а прокатку труб на пилигримовых станах производят на дорнах с конусностью 2-3 мм. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

Сравнение заявляемого способа не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что соответствует патентоспособности "изобретательский уровень".

Предложенный способ производства бесшовных горячедеформированных котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для трубопроводов тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара заключается в том, что в качестве передельной трубой заготовки используют полые слитки ЭШП стали марки 10Х9В2МФБР размером 620×320вн.×2000-3200 мм, донную часть слитков удаляют анодно-механической резкой на длине 100-110 мм, обтачивают и растачивают в заготовки размером 600×340вн.×2000-3200 мм, на донных концах полых заготовок выполняют конус на длине L=(0,4-0,5)·D_з с торцевым притуплением h_т=(1,1-1,2)·S_т, где D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм; S_т - толщина стенки трубы, мм; h_т - торцевое притупление конуса, мм, полые заготовки нагревают до температуры пластичности и прокатывают на пилигримовом стане в трубы конусными концами вперед с вытяжкой µ=2,1-2,2 и редуцированием по внутреннему диаметру 6-8%, затравку на длине трубы, равной L_з=(1,0-1,2)L_отк, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации m_з=(0,6-0,7)m_уст, а докатку заднего конца полой заготовки - обкатку пилигримовой головки на длине полой заготовки, равной L_г=(1,2-1,5)D_з, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации m_г=(1,1-1,2)m_уст, где m_уст - величина подачи при установившемся процессе прокатки, мм; L_отк=(1150-1200) - длина пути отката подающего аппарата при прокатке труб в валках с калибром 472 мм и диаметром бочки 1045 мм; D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм, а прокатку труб на пилигимовых станах производят на дорнах с конусностью 2-3 мм.

Способ производства бесшовных горячедеформированных котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для трубопроводов тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара из кованых заготовок стали марки 10Х9В2МФБР (существующая технология) и полых слитков ЭШП (предлагаемая технология) опробован на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ".

В производство было задано 2 заготовки размером 600×100×1750 мм, полученных из поковок размером 630×1750 мм стали марки 10Х9В2МФБР (существующая технология) и 2 заготовки размером 600×340вн.×2500 мм, полученных после обточки и расточки полых слитков ЭШП размером 620×320×2500 мм (предлагаемая технология). С донной части полых слитков ЭШП диаметром 620 мм анодно-механической резкой было удалено (отрезано) по 110 мм. После обточки и расточки полых слитков размером 620×320вн.×2500 мм в полые заготовки размером 600×340вн.×2500 мм на донных концах механической обработкой были выполнены конусы на длине 300 мм с торцевым притуплением 85 мм. Данные по геометрическим размерам поковок, полых слитков ЭШП, заготовок, труб, технологическим параметрам и расходному коэффициенту металла при производстве труб размером 465×75 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ" из стали марки 10Х9В2МФБР, прокатанных по существующей и предлагаемой технологиям, приведены в таблице 1. Так как при прошивке кованых заготовок нагрузка на привод прошивного стана превышает предельно допустимую (8KA), то прокатку труб размером 465×75 мм планировали производить за две прошивки. По существующей технологии трубы размером 465×75 мм должны производится из кованых заготовок, которые были нагреты в методической печи до температуры пластичности 1220°С, прошивались в стане косой прокатки на оправке диаметром 225 мм в гильзы размером 600×240вн.×2030 мм. Заготовки не смогли прошить на оправке диаметром 225 мм из-за превышения нагрузки на привод прошивного стана. По предлагаемой технологии трубы размером 465×75 мм производились из слитков-заготовок ЭШП размером 600×340вн.×2500 мм стали марки 10Х9В2МФБР. Заготовки были нагреты до температуры пластичности 1230-1240°С и прокатаны на пилигримовом стане в трубы размером 465×75 мм на дорне диаметром 319/322 мм с вытяжкой µ=2,1 и редуцированием по диаметру 6,0-6,2% (в зависимости от конусности дорна). Заготовки прокатывались на пилигримовом стане в трубы конусными концами вперед. Затравку на длине трубы, равной 1200-1300 мм, производили с подачей 18-20 мм, что составляет 0,6 от m_уст=30 мм, а докатку заднего конца полой заготовки - обкатку пилигримовой головки на длине 800-850 мм производили с подачей 35 мм, что равно 1,17 m_уст. Докатка - обкатка пилигримовых головок с повышенными подачами приводит к повышенной овализации профиля в очаге деформации, а следовательно, к улучшению условий сползания трубы с дорна. Случаев застревания (затяжек) дорнов не наблюдалось. УТК в соответствии с ТУ14-3Р-55-2001 было принято 8,7 м труб, общим весом 6,575 т. Расходный коэффициент металла составил 1,330.

Из таблицы 1 видно, что расходный коэффициент металла от полых слитков ЭШП до готовых труб размером 465×75 мм стали марки 10Х9В2МФБР составил 1,330.

Таким образом, использование предложенного способа производства котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для трубопроводов тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара из полых слитков ЭШП стали марки 10Х9В2МФБР позволит освоить производство труб данного размера, т.к. по существующей технологии из-за малой мощности привода прошивного стана данный размер труб не производился, значительно снизить расходный коэффициент металла, повысить длительную прочность (основной эксплуатационный показатель котельных труб) металла труб при Т=600°С и снизить их стоимость.

Изобретение относится к способу производства бесшовных горячедеформированных котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для трубопроводов тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара (Т≥600°С и Р=300 атм) и для трубопроводов острого пара. Способ включает выплавку передельных трубных заготовок в виде полых слитков стали марки 10Х9В2МФБР размером 620×320вн.×2000-3200 мм способом электрошлакового переплава (ЭШП), нагрев заготовок до температуры пластичности, прокатку гильз на пилигримовых станах с выведением пилигримовых головок на подкладные углеродистые кольца, донную часть слитков удаляют анодно-механической резкой на длине 100-110 мм, обтачивают и растачивают в заготовки размером 600×340вн.×2000-3200 мм, на донных концах полых заготовок выполняют конус на длине L=(0,4-0,5)·D_з с торцевым притуплением h_т=(1,1-1,2)·S_т, где D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм; S_т - толщина стенки трубы, мм; h_т - торцевое притупление конуса, мм, полые заготовки прокатывают на пилигримовом стане в трубы конусными концами вперед с вытяжкой µ=2,1-2,2 и редуцированием по внутреннему диаметру 6-8%, затравку на длине трубы, равной L_з=(1,0-1,2)L_отк, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации m_з=(0,6-0,7)m_уст, а докатку заднего конца полой заготовки - обкатку пилигримовой головки на длине полой заготовки, равной L_г=(1,2-1,5)D_з ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации m_г=(1,1-1,2)m_уст, где m_уст - величина подачи при установившемся процессе прокатки, мм; L_отк=(1150-1200) - длина пути отката подающего аппарата при прокатке труб в валках с калибром 472 мм и диаметром бочки 1045 мм; D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм, а прокатку труб на пилигримовых станах производят на дорнах с конусностью 2-3 мм. Обеспечивается повышение механических свойств металла труб, длительной прочности металла труб при Т=600°С, снижение расходного коэффициента металла и стоимости труб. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ производства бесшовных горячедеформированных котельных толстостенных труб размером 465×75 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для трубопроводов тепловых угольных блоков с суперсверхкритическими параметрами пара, включающий выплавку передельных трубных заготовок в виде полых слитков стали марки 10Х9В2МФБР размером 620×320 вн.×2000-3200 мм способом электрошлакового переплава (ЭШП), нагрев заготовок до температуры пластичности, прокатку гильз на пилигримовых станах с выведением пилигримовых головок на подкладные углеродистые кольца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что донную часть слитков удаляют анодно-механической резкой на длине 100-110 мм, обтачивают и растачивают в заготовки размером 600×340 вн.×2000-3200 мм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на донных концах полых заготовок выполняют конус на длине
L=(0,4-0,5)·D_з
с торцевым притуплением
h_т=(1,1-1,2)·S_т,
где D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм;
S_т - толщина стенки трубы, мм;
h_т - торцевое притупление конуса, мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полые заготовки прокатывают на пилигримовом стане в трубы конусными концами вперед с вытяжкой µ=2,1-2,2 и редуцированием по внутреннему диаметру 6-8%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что затравку на длине трубы, равной
L_з=(1,0-1,2)L_отк, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации
m_з=(0,6-0,7)m_уст, а докатку заднего конца полой заготовки - обкатку пилигримовой головки на длине полой заготовки, равной
L_г=(1,2-1,5)D_з, ведут с подачей полой заготовки в очаг деформации
m_г=(1,1-1,2)m_уст,
где m_уст - величина подачи при установившемся процессе прокатки, мм;
L_отк=(1150-1200) - длина пути отката подающего аппарата при прокатке труб в валках с калибром 472 мм и диаметром бочки 1045 мм;
D_з - наружный диаметр полой заготовки, мм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокатку труб на пилигримовых станах производят на дорнах с конусностью 2-3 мм.