Способ производства центробежнолитых тонкостенных труб-заготовок размером 288х12х5500 мм из стали с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % для изготовления шестигранных труб-заготовок размером "под ключ" 257+1,5/-1,0х6±1,0х4300+80/-20 мм и стеллажей для уплотненного хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива Российский патент 2024 года по МПК B22D13/02 B22D27/08 B21B21/00 

Изобретение относится к литейно-металлургическому производству, в частности к центробежному литью, и может быть использовано при изготовлении длинномерных тонкостенных труб-заготовок размером 288х12х5500 мм из стали 04Х14Т5Р2Ф с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % для изготовления шестигранных труб-заготовок размером “под ключ” 257+1,5/-1,0х6±1,0х4300+80/-20 мм и последующего изготовления из них стеллажей для хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива, используемых в атомной энергетики.

На практике изготовление подобных труб-заготовок методом центробежного литья сопровождается возникновением дефектов в виде спаев и неслитин на их внешней поверхности, неполного заполнения металлом (недолива) концевой не заливочной зоны кокиля, а также низкими физико-механическими свойствами.

Известен способ центробежного литья трубных заготовок (авторское свидетельство СССР 715212, кл B22D 13/00 1976), при котором получение длинномерных заготовок обеспечивается путем увеличения скорости вращения кокиля с номинальной до величины, превышающей ее на 30-40%, а по окончании заливки ее снижают до номинальной.

Данный способ позволяет изготавливать трубные заготовки диаметром 800-1500 мм с толщиной стенки 80-150 мм и длиной до 9,0 м при номинальной скорости вращения кокиля 200 об/мин.

Недостатком данного способа является невозможность изготовления тонкостенных труб с толщиной стенки менее 80 мм, а, следовательно, тонкостенных труб-заготовок размером 288х12х5500 мм из стали 04Х14Т5Р2Ф с содержанием бора от 2,01 до 3,5 %.

Кроме этого, при увеличении номинальной скорости вращения кокиля на 40%, т.е. до 280 об/мин, величина гравитационного коэффициента, характеризующего утяжеление металла под влиянием центробежных сил, K=ω²R/g, где ω - угловая скорость, 1/сек;

R - радиус отливки, м; g - ускорение силы тяжести, м/сек², составляет 65, т.е. является низкой и не позволяет обеспечить плотную и однородную структуру тонкостенной длинномерной трубной заготовки.

Известен способ нанесения теплоизоляционного слоя на внутреннею поверхность вращающегося кокиля (авторское свидетельство СССР 784978 кл. B22D 13/00 1976), при котором выравнивание температуры металла по длине отливки обеспечивается с помощью сыпучего теплоизоляционного материала, наносимого с помощью совка по всей длине изложницы порциями, с различной теплопроводностью, которая уменьшается по мере приближения к концевой зоне кокиля, что позволяет избежать появление спаев и неслитин в концевой зоне трубной заготовки.

Способ применяется для сравнительно коротких отливок (до 1500 мм), что не позволяет его использовать для изготовления труб-заготовок размером 288х12х5500мм из стали марки 04Х14Т5Р2Ф с содержанием бора от 2,01 до 3,5 %.

Недостатком данного способа является применение сыпучих материалов в качестве теплоизоляционного покрытия (кварцевый песок, молотый магнезит и др.), что способствует появлению сильного пригара на поверхности отливки и использованию повышенных припусков на механообработку, а также затрудняет течение жидкого металла вдоль кокиля из-за дополнительного сопротивления со стороны шероховатой поверхности кокиля.

В металлургии известен также способ центробежной отливки тонкостенных длинномерных заготовок (авторское свидетельство СССР 1316747 кл. B22D 13/00 1987), при котором перегрев металла при заливке определяется по эмпирической формуле: [50+(5-15)L]°K, (где L - длина отливки, м), объемная скорость заливки металла равна 0,014-0,017 м³/сек на 1 м диаметра отливки, частота вращения кокиля соответствует гравитационному коэффициенту 75-200 и термическое сопротивление теплоизоляционного покрытия составляет 0,01-0,02 м² К/Вт. Данный способ обеспечивается получение заготовок диаметром 250 мм и длиной до 3000 мм с толщиной стенки 10 мм из коррозионно-стойкой стали 03Х23Н26Ю5Т, однако получение заготовок длиной более 3000 м становится невозможным ввиду следующих недостатков данного аналога: при этом способе обеспечивается получение заготовок диаметром 250 мм и длиной 3,0 м с толщиной стенки 10 мм из коррозионно-стойкой стали 03Х23Н26Ю5Т, однако получение заготовок длиной более 3,0 м становится невозможным из-за отсутствие в эмпирической формуле, определяющей температуру заливки металла в кокиль, основного показателя кристаллизующегося сплава, температуры начала кристаллизации - ликвидус, что приводит к заведомо низким температурам перегрева при заливке тонкостенных длинномерных заготовок (65-74°С), и как следствие, к появлению брака по спаям и неслитинам, отсутствие влияния массовой скорости заливки металла в кокиль, учитывающей величину удельного веса

сплава в зависимости от его состава, что не позволяет объективно назначать параметры заливки и гарантировать протекание металла до концевой зоны кокиля.

Применение низких величин гравитационного коэффициента - 75, что не обеспечивает продвижение потока металла при изготовлении длинномерных тонкостенных заготовок до концевой зоны кокиля и приводит к браку, а применение краски с толщиной слоя 2 мм (термическое сопротивление 0,015 м² К/Вт), при котором ее прочность становится недостаточной для противостояния напору жидкой струи металла, что приводит к ее смыву и оголению внутренней поверхности кокиля и привариванию к ней отливки.

Возникновение пригара и бугров на наружной поверхности заготовки при использовании сыпучих теплоизоляционных покрытий на внутренней поверхности кокиля, препятствующих из-за повышенного гидродинамического сопротивления высокой скорости течения металла, что приводит к появлению спаев и неслитин, т.е. приводит к браку, да и данный аналог не решает технологические вопросы производства труб-заготовок размером 288х12х5500 мм с допуском по диаметру ±0,5 % и толщине стенки ±5,0 % из стали 04Х14Т5Р2Ф с содержанием бора от 2,01 до 3,5 %.

Наиболее близким техническим решение (прототипом) является способ центробежной отливки длинномерных тонкостенных стальных труб, включающий нанесение на внутреннюю поверхность кокиля теплоизоляционного материала, заливку металла с помощью короткого литникового желоба в форму с горизонтальной осью вращения, нанесение теплоизоляционного покрытия из противопригарной краски толщиной слоя 0,7-1,5 мм на внутреннюю поверхность кокиля, нагретого с нарастающей температурой по его длине с 200°С у заливочного конца до 300°С у не заливочного его конца, заливку металла с массовой скоростью 20-40 кг/с и с температурой, превышающей его температуру ликвидуса на 120-210°С, при частоте вращения кокиля, соответствующей величине гравитационного коэффициента 120-220 на внутренней поверхности отливки (патент РФ №2388575, МПК В22D 13/02 (2006.01) опуьл.10.05.2010, Бюл. №13)..

Одним из основных недостатков данного прототипа, как и выше приведенных аналогов является то, что он не решает технологические вопросы производства тонкостенных труб-заготовок размером 288х12х5500 мм из стали с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % с допуском по диаметру ±0,5 % и толщине стенки ±5,0 %.

Задачей предложенного способа является освоение нового инновационного технологического процесса производства передельных тонкостенных центробежнолитых труб-заготовок размером 288х12х5500 мм из низкопластичной стали 04Х14Т5Р2Ф с содержанием бора от 2,01 до 3,5% с допуском по диаметру ±0,5 % и толщине стенки ±5,0 % для изготовления шестигранных труб-заготовок размером «под ключ» 257+1,5/-1,0х6

±1,0х4300+80/-20 мм для обеспечения ядерной безопасности уплотненного хранения и транспортирования новых видов топлива в бассейнах выдержки АЭС, снижение расходного коэффициента металла за счет передела центробежнолитых тонкостенных труб-заготовок в шестигранные трубы-заготовки, повышение производительности производства шестигранных труб-заготовок, а, следовательно, снижение их стоимости.

Технический результат достигается тем, что предложенный способ производства центробежнолитых тонкостенных труб-заготовок размером 288х12х5500 мм из стали с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % для изготовления шестигранных труб-заготовок размером “под ключ” 257+1,5/-1,0х6±1,0х4300+80/-20 мм и стеллажей для уплотненного хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива, характеризуется тем, что кокиль, внутренний диаметр которого D_вн. = 296 мм с рабочей длиной L=5500 мм, нагревают до температуры 230-280 ^оС, на внутреннюю поверхность от заливочного конца к не заливочному наносят антипригарную краску толщиной от 0,8 до 1,2 мм, охлаждают заливочную часть кокиля до достижения равномерного перепада температуры по длине 30-50 ^оС от заливочного, в ковш подают 1,6 кг криолита, 0,8 кг ферроцерия и 0,4 кг алюминия (из расчета, соответственно, 4,0, 2,0 и 1,0 кг на тонну жидкого металла), затем сталь с содержанием бора от 2,01 до 3,5 %, массой 428-430 кг с температурой 1460-1480 ^оС, перемешивают в течение 30 секунд, производят заливку металла в кокиль с массовой скоростью 30-40 кг/сек, кокиль вращают с частотой соответствующей гравитационному коэффициенту 200-250, при достижении температуры трубы-заготовки 800-900 ^оС ее извлекают из кокиля и устанавливают на ротатор, где она при вращении охлаждается до температуры 150-200 ^оС, удаляют концевую обрезь до получения центробежнолитых заготовок размером 288х12х5000 мм с допуском по диаметру ±0,5 и толщине стенки ±5,0 %, растачивают и обтачивают на станках со следящей системой в цилиндрические трубы-заготовки размером 284,75+1,5/-1,0х6±1,0х5000 мм и профилируют в шестигранные трубы-заготовки размером “под ключ” 257+1,5/-1,0х6±1,0х4300+80/-20 мм, а массу стали Р с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % для производства тонкостенных центробежнолитых заготовок размером 288х12х5500 мм определяют из выражения Р = 3,14(D_т.т.-S_т.т.)S_т.т.gL_заг. /1000, где D_т.т. = 288 –диаметр тонкостенной трубы-заготовки, мм; S_т.т. -12 – толщина стенки тонкостенной трубы-заготовки, мм; g = 7,5 – плотность стали с содержанием бора 2,01-3,5 %, г/см³; L = 5,5 –длина тонкостенной трубы-заготовки, м.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства центробежнолитых тонкостенных труб-заготовок размером 288х12х5500 мм из стали с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % для изготовления шестигранных труб-заготовок размером “под ключ” 257+1,5/-1,0х6±1,0х4300+80/-20 мм и стеллажей для уплотненного хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива, характеризующийся тем, что кокиль, внутренний диаметр которого D_вн. = 296 мм с рабочей длиной L=5500 мм, нагревают до температуры 230-280 ^оС, на внутреннюю поверхность от заливочного конца к не заливочному наносят антипригарную краску толщиной от 0,8 до 1,2 мм, охлаждают заливочную часть кокиля до достижения равномерного перепада температуры по длине 30-50 ^оС от заливочного, в ковш подают 1,6 кг криолита, 0,8 кг ферроцерия и 0,4 кг алюминия (из расчета, соответственно, 4,0, 2,0 и 1,0 кг на тонну жидкого металла), затем сталь с содержанием бора от 2,01 до 3,5 %, массой 428-430 кг с температурой 1460-1480 ^оС, перемешивают в течение 30 секунд, производят заливку металла в кокиль с массовой скоростью 30-40 кг/сек, кокиль вращают с частотой соответствующей гравитационному коэффициенту 200-250, при достижении температуры трубы-заготовки 800-900 ^оС ее извлекают из кокиля и устанавливают на ротатор, где она при вращении охлаждается до температуры 150-200 ^оС, удаляют концевую обрезь до получения центробежнолитых заготовок размером 288х12х5000 мм с допуском по диаметру ±0,5 и толщине стенки ±5,0 %, растачивают и обтачивают на станках со следящей системой в цилиндрические трубы-заготовки размером 284,75+1,5/-1,0х6±1,0х5000 мм и профилируют в шестигранные трубы-заготовки размером “под ключ” 257+1,5/-1,0х6±1,0х 4300+80/-20 мм, а массу стали Р с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % для производства тонкостенных центробежнолитых заготовок размером 288х12х5500 мм определяют из выражения Р = 3,14(D_т.т.-S_т.т.)S_т.т.gL_заг. /1000, где D_т.т. = 288 –диаметр тонкостенной трубы-заготовки, мм; S_т.т. =12 – толщина стенки тонкостенной трубы-заготовки, мм; g = 7,5 – плотность стали с содержанием бора 2,01-3,5 %, г/см³; L = 5,5 –длина тонкостенной трубы-заготовки, м. 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».

Нанесение теплоизоляционного покрытия из противопригарной краски толщиной слоя 0,8-1,2 м на внутренней поверхности кокиля позволяет обеспечить, в отличие от сыпучих покрытий, гладкую внутреннюю поверхность кокиля, способствующую быстрому перемещению кольцевого потока металла по направлению к не заливочному ее концу.

Использование кокиля с температурой 230-280°С позволяет компенсировать температурные потери потока металла, двигающегося по направлению к не заливочному концу кокиля.

Уровень массовой скорости заливки стали с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % во вращающийся кокиль в пределах 30-40 кг/сек позволяет наряду с другими заявленными факторами заливки обеспечить быструю транспортировку кольцевого потока до конечной зоны кокиля длиной 5,5 м без появления спаев и неслитин.

Заливка стали 04Х14Т5Р2Ф в кокиль с подачей 1,6 кг криолита, 0,8 кг ферроцерия и 0,4 кг алюминия, позволяет достичь такого уровня жидкотекучести металла, который обеспечивает достаточную скорость течения потока во вращающимся кокиле для получения длинномерных тонкостенных стальных труб с гарантированными свойствами и геометрическими размерами.

Частота вращения кокиля, соответствующая величине гравитационного коэффициента 200-250 на внутренней поверхности трубы-заготовки, позволяет обеспечить высокую скорость течения потока, а также однородную плотную структуру с равномерным сечением стенки по всей длине трубы-заготовки размером 288х12х5500 мм.

Способ был опробован на АО НПО “АХТУБА”. По предлагаемому способу впервые на АО НПО “АХТУБА” получены качественные тонкостенные передельные центробежнолитые трубы-заготовки размером 288х12,0х5000 мм с допуском по диаметру ±0,5 % и толщине стенки ±5,0 % из стали 04Х14Т5Р2Ф с содержанием бора 2,68-2,79%, которые после проведения аттестации и их использования для изготовления шестигранных труб-заготовок с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % бора и стеллажей для хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива с содержанием урана U-235 > 5%, будут расточены и обточены на станках со следящей системой на АО «ЧТПЗ» в цилиндрические трубы-заготовки размер 284,75+1,5/-1,0х6±1,0х5000 мм, а затем спрофилированы в шестигранные трубы-заготовки размером «под ключ» 257+1,5/-1,0х6,0±1,0х4300+80/-20 мм. Теоретически в производство были задано 5 центробежнолитых заготовок размером 288х12х5000 мм с содержанием бора 2,68-2,79 % общей массой 1950 кг. Спрофилированы и условно приняты 5 шестигранных труб-заготовок размером “под ключ” 257+1,5/-1,0х6±1,0х4300+60/-20 мм общей массой 925 кг. Теоретический расходный коэффициент стали 04Х14Т5Р2Ф составит 2,108.

По существующей технологии при производстве шестигранных труб-заготовок размером “под ключ” 257+2,0/-3,0х6+2,0/-1,0х4300+80/-20 мм из слитков-заготовок ЭШП размером 440х1750 мм поставки АО “Русполимет” с содержанием бора от 1,3 до 1,8 %, в которых на АО “ЧТПЗ” сверлят сквозные отверстия диаметром 100 мм, нагревают в методической печи до температуры 1070-1080С°, прошивают в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 280 мм в гильзы размером 440хвн.295х2950 мм с вытяжками µ = 1,69. Гильзы прокатывают в передельные трубы-плети размером 292х12х21000 мм с допуском по диаметру ±1,25% и толщине стенки +12,5/-15 % на дорнах диаметром 266/267 мм с посадом по диаметру 35,9%, трубы-плети разрезают на две трубы размером 292х12х 10500 мм, которые в цехе №5 разрезают на две трубы-заготовки длиной не короче 5000 мм, растачивают и обтачивают на станках со следящей системой в цилиндрические трубы-заготовки размером 284,75+2,0/-3,0×6,0+2,0/-1,0 для последующего передела их в шестигранные трубы-заготовки размером “пол ключ” 257+2,0/-2,0х6+2,0/-1,0х4300+80/-20 мм со средним фактическим расходным коэффициентом стали 04Х14Т3Р1Ф-Ш – 3,65.

Таким образом, по предлагаемому способу производства передельных тонкостенных центробежнолитых труб-заготовок размером 288х12х5000 мм с допуском по диаметру ±0,5 % и толщине стенки ±5,0 % из стали 04Х14Т5Р2Ф с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % для последующей механической обработки (расточки и обточки) в трубы-заготовки размером размер 284,75+1,5/-1,0х6±1,0х5000 мм и теплого профилирование в шестигранные трубы-заготовки размером «под ключ» 257+1,5/-1,0х6,0±1,0х4300+80/-20 мм, получено теоретическое снижение расходного коэффициента металла, относительно существующей технологии, при прокатке труб-плетей размером 290х12х22000 мм из слитков-заготовок ЭШП размером 440х100х1750+50 мм стали марки с содержанием бора от 1,3 до 1,8 % на 1542 кг на каждой тонне товарных шестигранных труб-заготовок размером «под ключ» 257+1,5/-1,0х6,0±1,0х4300+80/-20 мм.

Использование предлагаемого способа производства передельных центробежнолитых тонкостенных труб-заготовок размером 288х12,0х5000 мм из стали с содержанием бора от 2,01 до 3,5 % с допуском по диаметру ±0,5 % и толщине стенки ±5,0 % вместо горячекатаных труб размером 290х12х5200-5500 мм с допуском по диаметру±1,25% и толщине стенки +12,5/-15 %, прокатанных на трубопрокатной установке с пилигримовыми станами 8-16" из слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 440х100х1750 мм из низкопластичной стали марки 04Х14Т3Р1Ф-Ш с содержанием бора от 1,3 до 1,8 % для изготовления шестигранных труб-заготовок размером «под ключ» 257+2,0/-3,0х6+2,0/-1,0х4300+80/-20 мм для уплотненного хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива, позволит исключить из технологического процесса металлоемкие и энергоемкие технологические операции: отливку слитков ЭШП, нагрев слитков-заготовок в методических печах, прошивку слитков-заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы и прокатку гильз на ТПУ 8-16ʺ с пилигримовыми станами в горячекатаные трубы размером 290х12-10800-11000 мм, освоить производство шестигранных труб-заготовок с повышенными геометрическими размерами, а именно шестигранных труб-заготовок размером 257+1,5/-1,0х6±1,0х4300+80/-20 мм с содержанием бора от 2,01 до 3,5% для хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива с содержанием урана U-235 > 5%, снизить трудоемкости сборки стеллажей, повысить их эксплуатационную надежность, повысить производительность производства шестигранных труб-заготовок из ЦБЛ тонкостенных труб-заготовок размером 288х12х5000 мм, а, следовательно, снизить стоимость товарных шестигранных труб-заготовок и стеллажей из стали 04Х14Т5Р2Ф.

Изобретение относится к области металлургии. Способ производства центробежнолитых тонкостенных труб-заготовок размером 288×12×5500 мм из стали с содержанием бора от 2,01 до 3,5% для изготовления шестигранных труб-заготовок размером «под ключ» 257+1,5/-1,0×6±1,0×4300+80/-20 мм и стеллажей для уплотненного хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива включает заливку стали в кокиль, извлечение заготовки и охлаждение на ротаторе, обрезку, расточку, обточку и профилирование в шестигранные трубы-заготовки. Кокиль нагревают до 230-280°С, на внутреннюю поверхность наносят 0,8-1,2 мм антипригарной смазки и охлаждают заливочную часть кокиля до достижения равномерного перепада температуры по длине 30-50°С от заливочного конца к незаливочному. В ковш подают криолит, ферроцерий и алюминий в количестве 4, 2 и 1 кг на тонну стали соответственно, перемешивают 30 с и заливают в кокиль. Вращают кокиль с частотой, соответствующей гравитационному коэффициенту 200-250. Обеспечивается повышение производительности за счет снижения расходного коэффициента стали при центробежном литье. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ производства центробежнолитых тонкостенных труб-заготовок размером 288×12×5500 мм из стали с содержанием бора от 2,01 до 3,5% для изготовления шестигранных труб-заготовок размером «под ключ» 257+1,5/-1,0×6±1,0×4300+80/-20 мм и стеллажей для уплотненного хранения в бассейнах выдержки АЭС и транспортировки отработанного ядерного топлива, характеризующийся тем, что кокиль, внутренний диаметр которого D_вн.=296 мм, с рабочей длиной L=5500 мм нагревают до температуры 230-280°С, на внутреннюю поверхность от заливочного конца к незаливочному наносят антипригарную смазку толщиной от 0,8 до 1,2 мм, охлаждают заливочную часть кокиля до достижения равномерного перепада температуры по длине 30-50°С от заливочного конца к незаливочному, при этом в ковш подают 1,6 кг криолита, 0,8 кг ферроцерия и 0,4 кг алюминия из расчета соответственно 4,0, 2,0 и 1,0 кг на тонну жидкой стали, затем сталь с содержанием бора от 2,01 до 3,5% массой 428-430 кг с температурой 1460-1480°С перемешивают в течение 30 секунд и производят ее заливку в кокиль с массовой скоростью 30-40 кг/с, кокиль вращают с частотой, соответствующей гравитационному коэффициенту 200-250, при достижении температуры трубы-заготовки 800-900°С ее извлекают из кокиля и устанавливают на ротатор, где при вращении охлаждают до температуры 150-200°С, удаляют концевую обрезь до получения центробежнолитых заготовок размером 288×12×5000 мм с допусками по диаметру ±0,5% и толщине стенки ±5,0%, растачивают и обтачивают на станках со следящей системой в цилиндрические трубы-заготовки размером 284,75+1,5/-1,0×6±1,0×5000 мм и профилируют в шестигранные трубы-заготовки размером «под ключ» 257+1,5/-1,0×6±1,0×4300+80/-20 мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что массу стали Р с содержанием бора от 2,01 до 3,5% для производства тонкостенных центробежнолитых заготовок размером 288×12×5500 мм определяют из выражения:

Р=3,14(D_т.т.-S_т.т.)S_т.т.gL_заг./1000,

где D_т.т.=288 - диаметр тонкостенной трубы-заготовки, мм;

S_т.т. =12 - толщина стенки тонкостенной трубы-заготовки, мм;

g=7,5 - удельный вес стали с содержанием бора 2,01-3,5%, г/см³;

L=5,5 - длина тонкостенной трубы-заготовки, м.