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

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

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 электрошлакового переплава (ЭШП), и непрерывно-литой заготовки (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 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, 12Х11 В2МФ, 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 сверловку 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 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 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 с допуском по стенке +20/-5%, повышенный расход металла (расходный коэффициент металла) при переделе слиток или НЛ3-поковка - заготовка - труба и, как следствие, высокая стоимость труб.

Известны в трубопрокатном производстве способы прошивки слитков (заготовок) на подьем (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 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_r(1-sinα)S_c,

где S_r - 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.

Наиболее близким техническим решением является 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 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, сверления центрального отверстия и прошивке слитков на посад).

Задачей предложенного способа (изобретения) является уменьшение энегозатрат за счет исключения из технологического процесса нагрева слитков под ковку, ковку их в поковки, с последующей обточкой поковок в заготовки по наружной поверхности, а также при прошивке, за счет оптимизации величины обжатия, в зависимости от геометрических размеров (диаметра) слитков ЭШП и НЛЗ, снижение расхода металла при переделе слиток ЭШП и НЛ3-котельная труба за счет снижения толщины снимаемого слоя металла при обточке по сравнению с кованой заготовкой и прокатки 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 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, включающим выплавку слитков в электрических и мартеновских печах, на основе прямого восстановления, обработку жидким синтетическим шлаком в ковше, ковку слитков с уковом от 2,0 до 3,0, в зависимости от марки стали, обточку слитков в трубные заготовки, или непрерывную разливку стали марок 20 и 15ГС, обработанных синтетическим шлаком, в непрерывно - литые заготовки, или непрерывную разливку стали марок 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 15ХМ из вакуумированного или невакуумированного металла, обработанного синтетическим шлаком, с последующей ковкой их в заготовки с уковом не менее 1,5, или выплавку слитков данных марок стали электрошлаковым переплавом, нагрев заготовок и слитков до температуры пластичности в зависимости от марки стали, прошивку их в гильзы в станах косой прокатки на оправках, диаметр которых зависит от геометрических размеров гильз, прошивку слитков электрошлакового переплава с деформацией металла в прошивном стане с посадом по диаметру, равным 8-16%, прокатку на пилигримовых станах с вытяжками, в зависимости от диаметра и толщины стенки, калибровку и правку труб, при этом слитки электрошлакового переплава в прошивной стан задают донным концом вперед, прокатку труб на пилигримовом стане из гильз, прошитых из слитков электрошлакового переплава, ведут донным концом вперед, а из усадочной части слитков формируют пилигримовую головку, коэффициенты вытяжек на прошивном стане при прошивке слитков электрошлакового переплава и непрерывно - литых заготовок определяют из выражений μ_эшп=1,05μ_зd_{т эшп}/d_{o эшп}, μ_нлз=1,1μ_зd_{г нлз}/d_{o нлз}, где μ_з - вытяжка на прошивном стане при прокатке труб данного размера из кованых заготовок; d_{т эшп} - текущее значение диаметров слитков электрошлакового переплава, мм; d_{o эшп} - диаметр слитка электрошлакового переплава, равный 500 мм; d_{г нлз} - текущее значение диаметров непрерывно-литых заготовок; d_{o нлз} - диаметр непрерывно-литой заготовки, равный 400 мм, а донную часть слитков электрошлакового переплава удаляют анодно-механической резкой.

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 отличается тем, что слитки электрошлакового переплава в прошивной стан задают донным концом вперед, прокатку труб на пилигримовом стане из гильз, прошитых из слитков электрошлакового переплава, ведут донным концом вперед, а из усадочной части слитков формируют пилигримовую головку, коэффициенты вытяжек на прошивном стане при прошивке слитков электрошлакового переплава и непрерывнолитых заготовок определяют из выражений μ_эшп=1,05μ_зd_{г эшп}/d_{o эшп}, μ_нлз=1,1μ_зd_{г нлз}/d_{o нлз}, где μ_з - вытяжка на прошивном стане при прокатке труб данного размера из кованых заготовок; d_{г эшп} - текущее значение диаметров слитков электрошлакового переплава, мм; d_{o эшп} - диаметр слитка электрошлакового переплава, равный 500 мм; d_{г нлз} - текущее значение диаметров непрерывно-литых заготовок; d_{o нлз} - диаметр непрерывно-литой заготовки, равный 400 мм, а донную часть слитков электрошлакового переплава удаляют анодно-механической резкой. 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 не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что соответствует патентноспособности "изобретательский уровень".

Предложенный способ производства 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 заключается в том, что слитки электрошлакового переплава в прошивной стан задают донным концом вперед, прокатку труб на пилигримовом стане из гильз, прошитых из слитков электрошлакового переплава, ведут донным концом вперед, а из усадочной части слитков формируют пилигримовую головку, коэффициенты вытяжек на прошивном стане при прошивке слитков электрошлакового переплава и непрерывно-литых заготовок определяют из выражений μ_эшп=1,05μ_зd_{т эшп}/d_{o эшп}, μ_нлз=1,1μ_зd_{г нлз}/d_{o нлз}, где μ_з - вытяжка на прошивном стане при прокатке труб данного размера из кованых заготовок; d_{г эшп} - текущее значение диаметров слитков электрошлакового переплава, мм; d_{o эшп} - диаметр слитка электрошлакового переплава, равный 500 мм; d_{г нлз} - текущее значение диаметров непрерывно-литых заготовок; d_{o нлз} - диаметр непрерывно-литой заготовки, равный 400 мм, а донную часть слитков электрошлакового переплава удаляют анодно-механической резкой.

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, слитков ЭШП и НЛЗ опробован при прокатке труб размером 325×40, 377×45 и 273×30 мм из стали марки 12Х1МФ на ТПА 8-16" с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ".

В производство было задано 15 поковок размером 570×1750, 630×1750 и 460×1750 мм (по 5 поковок каждого размера), 10 слитков ЭШП размером 550×1750 и 610×1750 мм (по 5 слитков каждого размера) и 5 НЛЗ размером 430×1750 мм стали марки 12Х1МФ. Поковки были обточены и просверлены в заготовки размером соответственно 540×100×1750, 600×100×1750 и 540×100×1750 мм. Слитки ЭШП обточены и просверлены на размер 540×100×1750 и 600×100×1750 мм. Т.к. в России в настоящее время на установках непрерывной разливки стали отливают заготовки с максимальным диаметром 430 мм, то для проведения эксперимента были заданы 5 НЛЗ размером 430×1750 мм. НЛЗ механической обработке (обточке) и сверлению центрального отверстия не подвергались. 5 заготовок размером 540×100×1750 мм и 5 слитков ЭШП были одновременно посажены в печь, нагреты до температуры 1270-1280°С, прошиты в гильзы и прокатаны в трубы размером 325×40 мм по ТУ 14-3-55Р-2001. Заготовки прошивались по существующей технологии в гильзы с вытяжкой μ=1,36 без обжатия по диаметру, т.е. размер в размер, а слитки ЭШП прошивались в гильзы, в соответствии с формулой изобретения, с вытяжкой μ=1,51 за счет обжатия по диаметру на 6,7%, т.е. с посадом по диаметру. Донная часть на слитках ЭШП на ОАО "ЗМЗ" была удалена анодно-механической резкой. Слитки ЭШП задавались в прошивной стан донным концом вперед. Прокатку труб из гильз, прошитых из слитков ЭШП, производили донным концом вперед, а из усадочных частей слитков формировали пилигримовую головку. Данные по прокатке, геометрическим размерам заготовок, труб и расходному коэффициенту металла, прокатанных из кованых заготовок, слитков ЭШП и НЛЗ стали марки 12Х1МФ по существующей и предлагаемой технологиям приведены в таблице №1. Из таблицы видно, что расходный коэффициент металла от поковки до готовой по трубам размером 325×40 мм, при прокатке труб по существующей технологии, составил 1,430, а по предлагаемой 1,284. Экономия металла на каждой тонне труб составила 146 кг. Расходный коэффициент металла является основным экономическим показателем при производстве труб, т.к. стоимость металла (в зависимости от марки стали) составляет от 50 до 75% от товарной стоимости труб. По аналогичной схеме производилась прокатка труб размером 377×45 мм. По существующей технологии расходный коэффициент металла составил 1,428, а по предлагаемой 1,255, т.е. получено снижение расхода металла на 173 кг на каждой тонне труб. Прокатку труб размером 373×30 мм по существующей технологии производили из поковок размером 460×1750 мм, которые на ОАО "ЧТПЗ" обтачивались в заготовки диаметром 430 мм с последующим сверлением центрального отверстия на диаметр 100±5,0 мм. В производство было задано 5 поковок общим весом 11,409 тонн. Заготовки на прошивном стане прошивались в гильзы размер в размер с вытяжкой 1,37 и прокатывались в трубы. Из данной партии сдано 7,775 тонн труб. Расходный коэффициент металла от поковки до трубы составил 1,468. По предлагаемой технологии НЛЗ механической обработке (обточке и сверлению) не подвергались, задавались в печь на нагрев вместе с коваными заготовками, нагревались до температуры 1265-1275°С и прошивались в гильзы с посадом по диаметру на 4,7% и коэффициентом вытяжки в соответствии с формулой изобретения. По предлагаемому способу в производство было задано 9,970 тонн металла. Принято 7,955 тонн труб в соответствии с ТУ 14-3-55Р-2001. Расходный коэффициент металла по данной партии составил 1,254, т.е. получено снижение расхода металла 214 кг на каждой тонне труб.

В таблице 2 приведены данные по механическим свойствам металла труб из стали марки 12Х1МФ, прокатанных из кованой заготовки, слитков ЭШП и НЛЗ по существующей и предлагаемой технологиям. Из таблицы видно, что средние значения 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%. А так как качество металла слитков ЭШП значительно лучше, то основной критерий котельных труб - длительная прочность будет значительно выше. Средние значения механические свойств металла труб, прокатанных из НЛЗ, находятся на одном уровне с металлом труб, прокатанных по существующей технологии из кованых заготовок.

Таким образом, использование предложенного способа производства котельных труб большого и среднего диаметров из слитков ЭШП и НЛЗ позволит значительно снизить энергозатраты за счет исключения нагрева слитков под ковку и ковку слитков в поковки, снизить расходный коэффициент металла при механических свойствах металла труб на уровне или выше, по сравнению с кованой заготовкой, при переделе слиток ЭШП и НЛ3-котельная труба, а следовательно, снизить стоимость котельных труб.

Таблица 1
Данные по прокатке, геометрическим размерам заготовок, труб и расходному коэффициенту металла с учетом технологических отходов на прокате (пилигримовые головки и затравочные концы), прокатанных из кованых заготовок, слитков ЭШП и НЛЗ стали марки 12Х1МФ по существующей и предлагаемлой технологиям
Способ произвол. труб	Вид заготов.	Размер поковок, слитков ЭШП и НЛЗ (мм)	Колич. поковок, слитков ЭШП и НЛЗ (шт.)	Вес задан. Металла (тн)	Размеры загот. (мм)	Прошивка слитков и заготовок	Прокатка труб на пилигримовом стане	Расхода. коэфф. металла
						Диаметр оправки (мм)	Размер гильз (мм)	Коэфф. вытяж. (μ)	Обжат. по диам. (%)	Размер труб (мм)	Размеры труб на сдаче
											Средн. толщ. стенки (мм)	Средняя длина (м)	Вес труб по ТУ (тн)
Сущест. технол.	Кованая загот.	570×1750	5	17,525	540×100×1750	275	540×290×2380	1,36	0	325×40	43,0	8,2	12,260	1,430
630×1750	5	21,410	600×100×1750	300	600×315×2560	1,34	0	377×45	48,4	7,65	14,995	1,428
		460×1750	5	11,409	430×100×1750	225	430×240×2400	1,37	0	273×30	32,3	8,65	7,775	1,468
Предллаг. технол.	Слиток ЭШП	550×1750	5	15,830	540×100×1750	275	520×290×2750	1,51	3,7	325×40	42,8	8,25	12,335	1,284
	610×1750	5	19,400	600×100×1750	300	560×315×2940	1,68	6,7	377×45	48,1	7,75	15,462	1,255
НЛЗ	430×1750	5	9,970	430×1750	225	410×240×2920	1,67	4,7	273×30	32,1	8,85	7,955	1,254

Таблица 2Данные по механическим свойствам металла труб стали марки 12Х1МФ, прокатанных из кованой заготовки, слитков ЭШП и НЛЗ по существующей и предлагаемой технологиям
Способ производства труб	Вид заготовки	Тип образца	Временное сопротивление σв (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	-	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)
Предлагаемая технология	НЛЗ	поперечный	538-605 (ср. 571,5)	345-379 (ср. 357,5)	19-21 (ср. 20,0)	47-50 (ср. 48,5)	46-61 (ср. 53,5)
продольный	540-610 (ср. 575,0)	341-358 (ср. 349,5)	22-24 (ср. 23,0)	56-60 (ср. 58,0)	51-64 (ср, 57,5)
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 слитков электрошлакового переплава и непрерывно-литых заготовок, включающий выплавку слитков в электрических и мартеновских печах на основе прямого восстановления, обработку жидким синтетическим шлаком в ковше, ковку слитков с уковом от 2,0 до 3,0 в зависимости от марки стали, обточку слитков в трубные заготовки, или непрерывную разливку стали марок 20 и 15ГС, обработанных синтетическим шлаком, в непрерывно-литые заготовки, или непрерывную разливку стали марок 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и 15ХМ из вакуумированного или невакуумированного металла, обработанного синтетическим шлаком, с последующей ковкой их в поковки с уковом не менее 1,5, или выплавку слитков данных марок стали электрошлаковым переплавом, нагрев заготовок и слитков до температуры пластичности в зависимости от марки стали, прошивку их в гильзы в станах косой прокатки на оправках, диаметр которых зависит от геометрических размеров гильз, прошивку слитков электрошлакового переплава с деформацией металла в прошивном стане с посадом по диаметру, равным 8-16%, прокатку на пилигримовых станах с вытяжками, в зависимости от диаметра и толщины стенки, калибровку и правку труб, при этом слитки электрошлакового переплава в прошивной стан задают донным концом вперед, прокатку труб на пилигримовом стане из гильз, прошитых из слитков электрошлакового переплава, ведут донным концом вперед, а из усадочной части слитков формируют пилигримовую головку, и коэффициенты вытяжек на прошивном стане при прошивке слитков электрошлакового переплава и непрерывно-литых заготовок определяют из выражений

μ_эшп=1,05μ_зd_{т эшп}/d_{о эшп};

μ_нлз ⁼1,1μ_зd_{г нлз}/d_{о нлз},

где μ_з - вытяжка на прошивном стане при прокатке труб данного размера из кованых заготовок;

d_{г эшп} - текущее значение диаметров слитков электрошлакового переплава, мм;

d_{o эшп} - диаметр слитка электрошлакового переплава, равный 500 мм;

d_{г нлз} - текущее значение диаметров непрерывно-литых заготовок;

d_{o нлз} - диаметр непрерывно-литой заготовки, равный 400 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что донную часть слитков электрошлакового переплава удаляют анодно-механической резкой.