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

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

Реферат

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 1Данные 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 технологиям
Способ произ. труб	Вид заготовки	Размер 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 заготовок	Прокатка труб	Расход, коэф. метал, по прокату
Диам. 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.	530×1750	3029	-	-	500×100 ×1750	2590	-	-	275	0	1,45	500×290×2540	325×40	43,0	6,6	1982	1,307
570×1750	3505	-	-	540×100×1750	3038	-	-	300	0	1,23	540×315×2560	377×45	48,4	5,8	2283	1,331
Слиток ЭШП	-	-	560×1750	3166	-	-	540×100×1750	2844	275	12,0	1,99	475×290×3480	325×40	43,0	7,8	2324	1,224
-	-	620×1750	3880	-	-	600×100×1750	3535	300	12,0	1,93	530×315×3370	377×45	48,4	7,3	2858	1,237
Предлаг технол.	Слиток ЭШП	-	-	560×1750	3166	-	-	545×98×1750	3085	250	10,1	1,69	490×265×2960	325×40	42,0	8,7	2597	1,188
-	-	620×1750	3880	-	-	605×110×1750	3792	300	8,3	1,70	555×315×2975	377×45	47,5	8,1	3176	1,194

Таблица 2Данные по механическим свойствам металла труб стали марки 15Х1М1Ф, прокатанных из кованой заготовки и слитков ЭШП по существующей и предлагаемой технологиям
Способ производства труб	Вид заготовки	Тип образца	Временное сопротивление, Н/мм2	Предел текучести σ0,2 Н/мм2	Относительное удлинение δ5, %	Относительное сужение Ψ, %	Ударная вязкость KCU Дж/см2
НЕ МЕНЕЕ
По ТУ 14-3-55Р-2001	Кованая заготовка	поперечный	490 -686	314	16	45	39
продольный	490-686	314	18	50	49
Существующая технология	Кованая заготовка	поперечный	547-610 (ср. 578,5)	336-347 (ср. 341,5)	18-23 (ср. 20,5)	48-51 (ср.49,5)	45-57 (ср. 51,0)
продольный	537-625 (ср. 581,0)	340-365 (ср. 352,5)	21-25 (ср. 23,0)	55-58 (ср.56,5)	52-63 (ср. 57,5)
Слиток ЭШП	поперечный	538-605	345-370	19-21	47-50	46-61
продольный	540-610	341-358	22-24	56-60	51-64
Предлагаемая технология	Слиток ЭШП	поперечный	580-635 (ср. 607,5)	347-377 (ср. 362,0)	19-25 (ср. 22,0)	49-56 (ср.52,5)	44-58 (ср. 54,0)
продольный	585-638 (ср.611,5)	360-382 (ср. 371,0)	23-26 (ср. 24,5)	58-61 (ср.59,5)	57-65 (ср. 61,0)

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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.