СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 426×15-60 мм ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ПАРОПРОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ УСТАНОВОК С ВЫСОКИМИ И СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА ИЗ СЛИТКОВ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА СТАЛИ МАРКИ 10Х9МФБ-Ш Российский патент 2015 года по МПК B21B19/04 

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных труб размером 426×21-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш, и может быть использовано на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами.

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 +25/-5% (ТУ 14-1-2560-78 «Заготовка трубная кованая для котельных труб», ТУ 14-3Р-55-2001 «Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов»).

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 марка стали 10Х9МФБ-Ш 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-sin α)/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 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 размером 565×100×1750±50 и 620×100×1750±50 из данной марки стали прошить с посадом по диаметру 8-16% не представляется возможным.

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 слиток электрошлакового переплава-труба или непрерывнолитая заготовка-труба.

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 ЭШП размером 430×1750±50, 470×1750±50, 490×1750±50, 565×1750±50 и 620×1750±50 мм. Для производства других диаметров нужны кристаллизаторы, производство которых требует больших инвестиций, да и нет целесообразности, т.к. геометрические размеры кристаллизаторов можно унифицировать.

Прокатка труб размером 426×15-20 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами проблематична из-за низкой температуры стали 10Х9МФБ-Ш под деформацию 1180-1200°C. Для прокатки труб размером 426×15-20 мм необходимы слитки-заготовки ЭШП размером 565×100×1750 мм, из которых на пилигримовом стане можно прокатать трубы размером 426×15 мм длиной до 20 метров. Время прокатки такой трубы составляет более 4,0 минут. За данный промежуток времени гильза-труба остывает до 800°C (при рекомендуемой не ниже 850°C в конце прокатки). Прокатка труб и докатка пилигримовых головок из стали марки 10Х9МФБ-Ш при температуре ниже 850°C приводит к повышенным нагрузкам на привод пилигримового стана и затяжкам дорнов, что, в свою очередь, может привести к поломкам предохранительных болтов и шпинделей пилигримового стана, снижению производительности за счет извлечения дорнов из-за затяжек, замены предохранительных болтов и шпинделей. Для исключения затяжек дорнов необходимо производить прокат труб на дорнах с конусностью 5-6 мм вместо существующей конусности 1,0 мм, а это приведет к продольной разностенности, т.е. к повышенной отбраковке труб по толщине стеки.

Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства бесшовных труб размером 426×21-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара.

Технический результат достигается тем, что в способ производства бесшовных труб размером 426×21-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш, выполняют выплавку слитков электрошлакового переплава, обточку и расточку их в слитки-заготовки, сверление центрального отверстия диаметром 100±5 мм, нагрев до температуры 1200-1210^оС, прошивку в гильзы с подъемом по диаметру 2,5-2,8%, повторный нагрев с холодного посада до температуры 1190-1200^оС, прошивку-раскатку с подъемом по диаметру 3,4-3,5%, прокатку на пилигримовом стане с величиной подачи $$m_j=m_{21}+\frac{m_{21}}{{\mu }_i}$$ , где m₂₁-15-16 - величина подачи при прокатке труб с толщиной стенки 21 мм; µ_i - величина вытяжки при прокатке труб диаметром 426 мм с i-той толщиной стенки; в товарные трубы, отрезку технологических отходов пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термообработку, травление, ультразвуковой контроль и приемку.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных труб размером 426×21-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш отличается тем, что выполняют выплавку слитков электрошлакового переплава, обточку и расточку их в слитки-заготовки, сверление центрального отверстия диаметром 100±5 мм, нагрев до температуры 1200-1210^оС, прошивку в гильзы с подъемом по диаметру 2,5-2,8%, повторный нагрев с холодного посада до температуры 1190-1200^оС, прошивку-раскатку с подъемом по диаметру 3,4-3,5%, прокатку на пилигримовом стане в товарные трубы с величиной подачи $$m_j=m_{21}+\frac{m_{21}}{{\mu }_i}$$ , где m₂₁-15-16 - величина подачи при прокатке труб с толщиной стенки 21 мм; µ_i - величина вытяжки при прокатке труб диаметром 426 мм с i-той толщиной стенки; отрезку технологических отходов пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термообработку, травление, ультразвуковой контроль и приемку.

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”.

Предложенный способ производства бесшовных труб размером 426×21-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш был реализован при производстве на ОАО «ЧТПЗ» труб размером 426×45 мм. Трубы были приняты в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 «Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов».

Прокатка товарных труб размером 426×45 мм из стали 10Х9МФБ-Ш производилась на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из слитков ЭШП размером 565×100×1750+50 мм. Данные по прокатке товарных труб размером 426×45 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами, результатам сдачи, механическим свойствам и геометрическим размерам труб приведены в таблицах 1 и 2. Из таблицы 1 видно, что в производство было задано 5 слитков ЭШП размером 565×100×1750±50 мм, поставки ОАО “Мечел” общей массой 16,695 т, которые были нагреты в соответствии с формулой изобретения, прошиты в гильзы размером 580×290×2040-2160 мм на оправке диаметром 275 мм с вытяжкой µ=1,20 с подъемом по диаметру δ=2,7%, а затем прокатаны на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами в товарные трубы размером 426×45×6100-6500 мм с коэффициентом вытяжки µ=3,56 и обжатием по диаметру Δ=29,0%. Трубы были приняты в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001-31,6 м труб общей массой 13,355 т. Средний расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,250.

В таблице 2 приведены данные по механическим свойствам металла и геометрическим размерам труб. Из таблицы видно, что механические свойства металла и геометрические размеры труб, прокатанных из слитков ЭШП по предлагаемой технологии, выше чем по ТУ 14-3Р-55-2001, что обеспечивает снижение плюсового поля допуска по толщине стенки и установление допуска +15/-10 вместо существующего +20/-5,0%. А так как качество металла слитков ЭШП значительно лучше, основной критерий котельных труб - длительная прочность, будет значительно выше.

Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных труб размером 426×21-60 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара. При этом механические свойства металла и геометрические размеры труб превышают значения данных показателей по ТУ 14-3Р-55-2001, что позволит значительно снизить энегозатраты за счет исключения нагрева слитков под ковку и ковку слитков в поковки, снизить нагрузки при прошивке слитков ЭШП с дифференцированными обжатиями по диаметру и производить качественные товарные трубы на ТПУ8-16″ с пилигримовыми станами ОАО “ЧТПЗ” в соответствии с заказами потребителя, снизить расходный коэффициент металла при переделе слиток ЭШП - котельная труба, а следовательно, снизить стоимость котельных труб из данной марки стали.

Таблица 1 Данные по прокатке передельных труб размером 465×25 мм и товарных труб размером 426×45 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш на ПТУ 8-16″ с пилигримовыми станами и прокатке передельных труб размером 465×25 мм в товарные трубы размером 426×18×14 мм на стане ХПТ 450 ОАО “ЧТПЗ” №№

п/п Размер слитков ЭШП (мм) Вес слитков (кг) Прошивка гильз Прокатка товарных труб на пилигримовом стане Вес труб (кг) Расход, коэфф. металла Размер гильз-заготовок/размер гильз (мм) Диаметр оправки (мм) Коэфф. вытяжки (µ) Подъем или посад по диаметру (δ или Δ) (%) Размер труб (мм) Коэфф. вытяжки (М) Обжатие по диаметру (Δ.%) 1 565×100×1800 3434 $$\frac{580хвн.325\times 2160}{640хвн.340\times 2180}$$ $$\frac{275}{325}$$ $$\frac{1,20}{1,01}$$ $$\frac{\delta =2,7}{\delta =3,45}$$ 426×45×6500 3,56 Δ=29,0 2747   2 565×100×1750 3339 $$\frac{580хвн.325\times 2100}{600хвн.340\times 2120}$$ 426×45×6350     2684   3 565×100×1775 3387 $$\frac{580хвн.325\times 2120}{600хвн.340\times 2150}$$ 426×45×6450     2726   4 565×100×1700 3244 $$\frac{550хвн.325\times 2040}{600хвн.340\times 2060}$$ 426×45×6100     2578   5 565×100×1725 3291 $$\frac{580хвн.325\times 2070}{600хвн.340\times 2090}$$ 426×45×6200     2620   Итого: 16695 - - - - - - - 13355 1.250

Таблица 2 Данные по механическим свойствам металла труб размером 426×18 и 426×45 мм из стали 10Х9МФБ-Ш при комнатной температуре и геометрическим размерам Вид испытания Продольные образцы Твердость по Бринеллю НВ Поперечные образцы Геомет. размеры Времен. сопрот. σ_в (Н/мм²) Предел текучести σ_0,2 (Н/мм²) Относит. удлинение δ₅ (%) Относит. сужение ψ (%) Ударная вязкость KCU (Дж/см²) Времен. сопрот. σ_в (Н/мм²) Предел текучести σ_0,2 (Н/мм²) Относит. удлинение δ₅ (%) Относит. сужение ψ (%) Ударная вязкость KCU (Дж/см²) Допуск по диаметру (%) Допуск по стенке (%)   Не менее Не более Не менее По ТУ I4-3P-55-200I Не менее 600 400 19 55 78 255 Не менее 600 400 17 50 59 ±1,0 +20/-5 Трубы 426×45 мм 675-715 575-590 20,5-21,5 70-75 90-100 185-195 655-685 490-540 19,5-20,5 55-65 67-75 +1,25/-1,0 +20/-5

Изобретение относится к трубопрокатному производству. Слитки ЭШП обтачивают, сверлят центральное отверстие диаметром 100±5 мм с получением слитков-заготовок размером 565×100×1750±50 мм. Слитки-заготовки нагревают до температуры 1200-1210^оС и прошивают в гильзы размером 580×290×2040-2160 мм с подъемом по диаметру 2,5-2,8%. Повторно нагревают с холодного посада до температуры 1190-1200^оС, прошивают-раскатывают с подъемом по диаметру 3,4-3,5% и прокатывают на пилигримовом стане в товарные трубы. Прокатку на пилигримовом стане осуществляют с величиной подачи, где m₂₁-15-16 - величина подачи при прокатке труб с толщиной стенки 21 мм; µ_i - величина вытяжки при прокатке труб диаметром 426 мм с i-той толщиной стенки. Отрезают технологические отходы пилой горячей резки, правят трубы на шестивалковой правильной машине, проводят термообработку, травление, ультразвуковой контроль и приемку. Обеспечивается повышение механических свойств и точность геометрических размеров труб. 2 табл.

Способ производства бесшовных труб размером 426×21-60 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, включающий выплавку слитков электрошлаковым переплавом, обточку и сверление центрального отверстия диаметром 100±5 мм с получением слитков-заготовок размером 565×100×1750±50 мм, нагрев до температуры 1200-1210^оС, прошивку слитков-заготовок в гильзы размером 580×290×2040-2160 мм с подъемом по диаметру 2,6-2,8%, повторный нагрев с холодного посада до температуры 1190-1200^оС, прошивку-раскатку с подъемом по диаметру 3,4-3,5%, прокатку на пилигримовом стане в товарные трубы с величиной подачи
,
где m₂₁=15-16 мм - величина подачи при прокатке труб с толщиной стенки 21 мм;
µ_i - величина вытяжки при прокатке труб диаметром 426 мм с i-той толщиной стенки,
отрезку технологических отходов пилой горячей резки, правку на шестивалковой правильной машине, термообработку, травление, ультразвуковой контроль и приемку товарных труб.