СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ГОРЯЧЕДЕФОРМИРОВАННЫХ КОТЕЛЬНЫХ И ПАРОПРОВОДНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 426×21-70, 465×25-75 И 530×30-75 мм ИЗ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ МАРКИ 10Х9К3В2МФБР-Ш ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С СУПЕРСВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА Российский патент 2014 года по МПК B21B19/04 

Изобретение относится к трубопрокатному, металлургическому и механообрабатывающему производствам, а именно к способу производства полых слитков из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш, переделу их в слитки-заготовки и технологии прокатки из них бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара, и может быть использовано на установках ЭШП для отливки полых слитков, механической обработки - обточки и расточки их на токарном оборудовании в полые слитки-заготовки для последующей прокатки на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 426×21-70 мм по ТУ 14-3Р-55-2001.

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 +20/-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 трубы из стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш до настоящего времени не производились не только в России, но и в мире.

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_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. 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%.

Недостатками данного способа являются то, что из-за малой мощности привода прошивного стана ОАО «ЧТПЗ» слитки ЭШП стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш прошить с посадом по диаметру 8-16% не представляется возможным.

Известен также 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 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-той марки стали, %;

µ_iΣ=µ_пр.µ_п. - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке труб i-ro размера;

k_i'эшп - 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 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 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 сталей и не предусматривает производство котельных труб из слитков ЭШП стали марки 10Х9В3В2МФБР-Ш.

В трубном производстве с целью снижения нагрузок на привод станов поперечно-винтовой прокатки при производстве товарных и передельных труб большого и среднего диаметров из труднодеформируемых марок стали и сплавов на ТПУ с пилигримовыми станами используют способ двойной прошивки слитков-заготовок (патент RU №2247612, кл. В21В 21/00), включающий первую прошивку слитков-заготовок ЭШП диаметром 460-600 мм в стане поперечно-винтовой прокатки с вытяжкой µ=1,2-1,4 при скорости вращения рабочих валков 25-50 об/мин, вторую и последующие, при необходимости, прошивки-раскатки с подъемом или посадом по диаметру не более 5,0% и вытяжкой µ=1,4-1,75 при скорости вращения рабочих валков 20-50 об/мин.

Недостатком данного способа является то, что он направлен на технологию производства труб из нержавеющих труднодеформируемых марок стали и сплавов, включает двойной нагрев, двойную прошивку (прошивку слитков ЭШП в гильзы-заготовки и прошивку-раскатку гильз-заготовок в гильзы), а следовательно, повышенный угар металла, снижение производительности пилиргимовой установки ≈ в 2 раза и не решает технологические вопросы производства котельных труб из жаропрочной стали 10Х9К3В2МФБР-Ш.

В трубном производстве известен также способ подготовки заготовок для прокатки товарных и передельных труб большого и среднего диаметров из труднодеформируемых марок стали и сплавов на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами (патент RU №2340417, кл. В21В 21/00), включающий отливку полых слитков-гильз электрошлаковым переплавом, обточку и расточку их в полые заготовки со съемом металла, величину которого определяют из выражений

Δ=K*D/S,

Δ₁=K₁*D/S,

где Δ - величина снимаемого слоя металла при обточке полых слитков-гильз ЭШП, мм; Δ₁ - величина снимаемого слоя металла при расточке полых слитков-гильз ЭШП, мм; D - наружный диаметр полых слитков-заготовок, мм; S - толщина стенки полых слитков-гильз, мм; К=0,3-0,4 - коэффициент для определения величины снимаемого слоя металла при обточке слитков-гильз, большие значения которого относятся к сталям с большим содержанием легирующих элементов; К₁=0,4-0,5 - коэффициент для определения величины снимаемого слоя металла при расточке слитков-гильз, большие значения которого относятся к сталям с большим содержанием легирующих элементов, а донную часть полых слитков-гильз ЭШП удаляют анодно-механической резкой, величину которой определяют из выражения L=К₂*D/S, где К₂=15-20 - коэффициент для определения величины удаляемой донной части слитков-гильз, большие значения которого относятся к сталям с большим содержанием легирующих элементов.

Недостатком данного способа является то, что он направлен на технологию передела полых слитков ЭШП в полые слитки-заготовки для производства труб из труднодеформируемых марок стали и сплавов и не решает технологические вопросы производства бесшовных труб для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами из стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш размером 426×21-70 мм.

Наиболее близким техническим решением является способ производства горячекатаных товарных и передельных труб большого и среднего диаметров из труднодеформируемых марок стали и сплавов на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами (патент RU №2311980, кл. В21В 21/00), включающий отливку полых слитков ЭШП высотой 2000-3200 мм, обточку и расточку до удаления окалины и микротрещин на диаметр 400-620 мм с отношением диаметра к толщине стенки D/S=4,5-7,0, большие значения которого соответствуют слиткам-гильзам меньшего диаметра, нагрев до температуры пластичности и прокатку на пилигримовом стане, прокатку полых слитков-гильз с отношением D/S=5,0-7,0 и высотой 2000-2750 мм в товарные и передельные трубы с толщиной стенки до 30 мм, а слитков-гильз с отношением D/S=4,5-5,5 и высотой 2750-3200 мм в передельные трубы с толщиной стенки более 30 мм.

Недостатком данного способа является то, что под каждый размер труб необходимо использовать свой размер полых слитков-заготовок и то, что он направлен на технологию прокатки товарных и передельных труб из труднодеформируемых марок стали и сплавов и не решает технологические вопросы производства бесшовных горячедеформированных труб размером 426×21-70 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами из стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш.

Котельные трубы диаметром 426 мм с разными толщинами стенок в России можно производить только на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами.

Прокатка труб размером 426×21-70 мм на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами из слитков-заготовок ЭШП размером 600×100×1750 мм за одну прошивку из-за повышенных нагрузок на двигатель прошивного стана проблематична. Для прокатки труб размером, 426×21-70 мм необходимы гильзы диаметром 600 мм или полые слитки-заготовки ЭШП размером 600×вн.300-400×3200±50 мм.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение технологии производства труб размером 426×21-70 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш из полых слитков-заготовок ЭШП размером 600×вн200-280×2100±50 мм, увеличение суммарной вытяжки при переделе полый слиток-заготовка ЭШП - товарная труба за счет прошивки-раскатки полых слитков-заготовок в гильзы, снижение расходного коэффициента металла, повышение производительности ТПУ 8-16", увеличение длины труб, а, следовательно, снижение стоимости труб данного сортамента за счет исключения из технологического процесса энергоемких операций - нагрев слитков ЭШП в методических печах до температуры пластичности, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки, нагрев гильз-заготовок в методических печах с холодного или горячего посада до температуры пластичности под прошивку-раскатку их в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы.

Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб размером 426×21-70 мм из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара, характеризующемся тем, что трубы производят путем выплавки электрошлаковым переплавом полых слитков размером 620×вн.180-260×2100±50 мм, с отношением диаметра к толщине стенки D/S=2,8-4,2, большие значения которого относятся к полым слиткам с меньшими толщинами стенок, расточки и обточки слитков в полые слитки-заготовки размером 600×вн.200-280×2100±50 мм с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,0-4,6, большие значения которого относятся к слиткам-заготовкам с меньшими толщинами стенок, нагрева слитков-заготовок до температуры 1190-1210°C, прошивки-раскатки слитков-заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 600×вн.415-315×3160-2160 мм с вытяжками µ_р, равными 1,47-1,20, и подъемом по диаметру δ=0, на оправках диаметром 400, 375, 350, 325 и 300 мм в зависимости от геометрических размеров гильз, прокатки гильз на пилигримовых станах с вытяжками µ_п, равными 5,17-2,48, в трубы размером 426×21-70×13800-4900 мм, с суммарной вытяжкой µ_Σ=µ_рµ_п, равной 7,6-2,98, большие значения которых относятся к трубам с меньшими толщинами стенок, и обжатием по диаметру Δ=28,3%, отрезки пилой горячей резки технологических отходов - пилигримовых головок и затравочных концов, правки, термической обработки, травления, ультразвукового контроля и приемки труб.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб размером 426×21-70 мм из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара отличается тем, что трубы производят путем выплавки электрошлаковым переплавом полых слитков размером 620×вн.180-260×2100±50 мм, с отношением диаметра к толщине стенки D/S=2,8-4,2, большие значения которого относятся к полым слиткам с меньшими толщинами стенок, расточки и обточки слитков в полые слитки-заготовки размером 600×вн.200-280×2100±50 мм с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,0-4,6, большие значения которого относятся к слиткам-заготовкам с меньшими толщинами стенок, нагрева слитков-заготовок до температуры 1190-1210°C, прошивки-раскатки слитков-заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 600×вн.415-315×3160-2160 мм с вытяжками µ_р, равными 1,47-1,20, и подъемом по диаметру δ=0, на оправках диаметром 400, 375, 350, 325 и 300 мм в зависимости от геометрических размеров гильз, прокатки гильз на пилигримовых станах с вытяжками µ_п, равными 5,17-2,48, в трубы размером 426×21-70×13800-4900 мм, с суммарной вытяжкой µ_Σ=µ_рµ_п, равной 7,6-2,98, большие значения которых относятся к трубам с меньшими толщинами стенок, и обжатием по диаметру Δ=28,3%, отрезки пилой горячей резки технологических отходов - пилигримовых головок и затравочных концов, правки, термической обработки, травления, ультразвукового контроля и приемки труб. 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».

Способ опробован на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами при прокатке труб размером 426×30 мм из стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш. По предложенному способу прокатку труб производили из полых слитков-заготовок ЭШП размером 600×вн.280×2100±50 мм и из слитков-заготовок размером 600×100×1750±50 мм (существующая технология). Данные по прокатке котельных труб размером 426×30 мм из стали 10Х9К3В2МФБР-Ш на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ» по существующей и предлагаемой технологиям и результатам сдачи труб по ТУ 14-3Р-55-2001 приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что для производства труб размером 426×30 мм по существующей технологии было задано в производство 5 слитков-заготовок ЭШП размером 600×100×1725-1800 мм общей массой 18,938 тонн. Слитки-заготовки были нагреты в методической печи до температуры 1200-1210°C, прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 275 мм с коэффициентом вытяжки µ_п=1,24 и подъемом по диаметру δ=0%, т.е. размер в размер, в гильзы-заготовки размером 600×вн.290×2140-2230 мм. Нагрузка на привод прошивного стана не превышала 6,0 кА. Гильзы-заготовки с холодного посада были нагреты в методической печи до температуры 1200-1220°C, прошиты-раскатаны в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 375 мм с коэффициентом вытяжки µ_р=1,30 и подъемом по диаметру δ=0% в гильзы размером 600×вн.390×2780-2900 мм. При прошивке-раскатке гильз-заготовок в гильзы нагрузка на провод прошивного стана находилась на верхнем пределе - 7,5 кА. Гильзы были прокатаны на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами на дорнах диаметром 365/366 мм с коэффициентом вытяжки µ_пр.=4,12 и обжатием по диаметру Δ=28,3% в товарные трубы размером 426×30×9500-9900 мм. По результатам прокатки, в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001, сдано 48,2 м труб общей массой 15,114 тонн. Суммарный коэффициент вытяжки составил µ_Σ=µ_пµ_рµ_пр=6,64. Средняя дина труб составила 9,64 м. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,253. По предлагаемому способу для прокатки товарных труб данного размера в производство были заданы 5 полых слитков-заготовок ЭШП размером 600×вн.280×2050-2150 мм, отлитых и изготовленных на ОАО «ЗМЗ» в соответствии с п.1 формулы изобретения. Полые слитки-заготовки были нагреты в методической печи до температуры 1200-1210°C, прошиты-раскатаны в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 375 мм с коэффициентом вытяжки µ_р=1,33 и подъемом по диаметру δ=0% в гильзы размером 600×вн.390×2730-2890 мм, которые были прокатаны на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 426×30 мм на дорнах 365/366 мм с коэффициентом вытяжки µ_пр=4,12 и обжатием по диаметру Δ=28,3%. По результатам прокатки в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 сдано 48,5 м труб общей массой 15,208 тонн. Суммарный коэффициент вытяжки µ_Σ=µ_рµ_пр составил 5,48, т.е. находится на одном уровне по сравнению с существующей технологией. Средняя длина товарных труб составила 9,7 м, т.е. возросла на 0,79%. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,212, т.е. получено снижение расхода металла на 41 кг на каждой тонне труб.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб размером 426×21-70 мм из полых слитков-заготовок ЭШП жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара с механическими свойствами металла, превышающими значения данных показателей, приведенных в ТУ 14-3Р-55-2001, что позволит значительно снизить энергозатраты за счет исключения нагрева слитков-заготовок ЭШП под прошивку, исключения из технологического процесса прошивки слитков-заготовок в гильзы-заготовки, производить качественные товарные трубы на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ», снизить расход металла при переделе полых слитков-заготовок ЭШП в товарные трубы, повысить производительность ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами ≈ в 2 раза, увеличить длину товарных труб, а следовательно, снизить стоимость котельных труб из стали 10Х9К3В2МФБР-Ш.

Изобретение может быть использовано при производстве бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара. Полые слитки ЭШП стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш размером 620хвн.180-260х2100±50 мм, с отношением диаметра к толщине стенки D/S=2,8-4,2 обтачивают и растачивают в полые слитки-заготовки размером 600хвн.200-280х2100±50 мм с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,0-4,6. Нагревают слитки-заготовки до температуры 1190-1210^оС и прошивают-раскатывают в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 600хвн.415-315х3160-2160 мм. Гильзы прокатывают на пилигримовом стане с вытяжками µ_n, равными 5,17-2,48 в трубы размером 426х21-70х13800-4900мм. Технологические отходы отрезают пилой горячей резки, трубы правят, подвергают термической обработке, травлению, ультразвуковому контролю и приемке. Обеспечивается увеличение суммарной вытяжки и повышение производительности ТПУ. 1 табл.

Способ производства бесшовных горячедеформированных котельных и паропроводных труб размером 426×21-70 из жаропрочной стали марки 10Х9К3В2МФБР-Ш для энергетического оборудования с суперсверхкритическими параметрами пара, характеризующийся тем, что трубы производят путем выплавки электрошлаковым переплавом полых слитков размером 620хвн.180-260х2100±50 мм, с отношением диаметра к толщине стенки D/S=2,8-4,2, большие значения которого относятся к полым слиткам с меньшими толщинами стенок, обточки и расточки слитков в полые слитки-заготовки размером 600хвн.200-280х2100±50 мм с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,0-4,6, большие значения которого относятся к полым слиткам-заготовкам с меньшими толщинами стенок, нагрева слитков-заготовок до температуры 1190 - 1210^оС, прошивки-раскатки слитков-заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы размером 600хвн.415-315х3160-2160 мм с вытяжками µ_р, равными 1,47-1,20, и подъемом по диаметру δ=0 на оправках диаметром 400, 375, 350, 325 и 300 мм в зависимости от геометрических размеров гильз, прокатки гильз на пилигримовых станах с вытяжками µ_n, равными 5,17 - 2,48, в трубы размером 426х21-70х13800-4900мм, с суммарной вытяжкой µ_Σ =µ_р·µ_n, равной 7,6-2,98, большие значения которых относятся к трубам с меньшими толщинами стенок, и обжатием по диаметру Δ=28,3%, отрезки пилой горячей резки технологических отходов - пилигримовых головок и затравочных концов, правки, термической обработки, травления, ультразвукового контроля и приемки труб.