СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОТЛИВКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ТРУБ
METHOD OF SPUN CASTING OF LENGTHY THIN-WALL STEEL PIPES

Изобретение относится к литейно-металлургическому производству, в частности к центробежному литью, и может быть использовано при изготовлении длинномерных тонкостенных стальных труб диаметром 0,06-0,35 м толщиной стенки 0,006-0,020 м и длиной до 6,0 м, эксплуатация которых происходит в условиях экстремальных нагрузок, например, в качестве различных элементов оборудования АЭС из коррозионно-стойкой стали 04Х14Н19ЮТ или из нержавеющей стали 08Х18Н10Т, а также в качестве радиантных труб для печных агрегатов, используемых в нефтехимии, металлургии и других отраслей промышленности из жаропрочных сталей 45Х25Н20С2Л, 20Х25Н19С2Л, Х23Н18Л и ряда других.
Широкая востребованность указанных труб промышленностью продиктована различной формой их применения - в исходном состоянии из нержавеющей стали, в сварном варианте при изготовлении плетей длиной до 15 м из жаропрочных сталей или с дальнейшей обработкой методами пластической деформации при изготовлении шестигранных труб из коррозионно-стойкой стали.
На практике изготовление подобных труб методом центробежного литья сопровождается возникновением дефектов в виде спаев и неслитин на их внешней поверхности, неполного заполнения металлом (недолива) концевой незаливочной зоны формы, 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 формы с номинальной до величины, превышающей ее на 30-40%, а по окончании заливки ее снижают до номинальной.
Указанный способ позволяет изготавливать трубные заготовки диаметром 0,8-1,5 м с толщиной стенки 0,08-0,15 м и длиной до 9,0 м при номинальной скорости вращения формы 200 об/мин.
Недостатком способа является невозможность изготовления тонкостенных труб толщиной стенки менее 0,08 м.
Кроме этого, при увеличении номинальной скорости вращения на 40%, т.е. до 280 об/мин, величина гравитационного коэффициента, характеризующего утяжеление металла под влиянием центробежных сил,
2
K=ωR/g,
где
ω - угловая скорость, 1/сек
R - радиус отливки, м
2
g - ускорение силы тяжести, м/сек
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 вращающейся изложницы (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 формы, 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 трубных заготовок длиной до 6,0 м.
Наряду с этим 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 жидкости вдоль формы из-за дополнительного сопротивления со стороны зернистой поверхности формы.
3
2
Наиболее близок к заявленному изобретению (прототип) 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 м/сек на 1 м диаметра отливки, частота вращения формы соответствует гравитационному коэффициенту 75-200 и термическое сопротивление теплоизоляционного покрытия составляет 0,01-0,02 м К/Вт.
При этом способе обеспечивается получение заготовок диаметром 0,25 м и длиной 3,0 м с толщиной стенки 0,01 м из коррозионно-стойкой стали 03Х23Н26Ю5Т, однако получение заготовок длиной более 3,0 м становится невозможным ввиду следующих недостатков прототипа:
- отсутствие в эмпирической формуле, определяющей температуру заливки металла в форму, 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 форму, учитывающей величину удельного веса сплава в зависимости от его состава, что не позволяет объективно назначать параметры заливки и гарантировать протекание металла до концевой зоны формы.
- применение низких величин гравитационного коэффициента - 75, что не обеспечивает продвижение потока металла при изготовлении длинномерных тонкостенных заготовок до концевой зоны формы и приводит к браку.
2
- применение краски с высокой толщиной слоя 0,002 м (термическое сопротивление 0,015 м К/Вт), при котором ее прочность становится недостаточной для противостояния напору жидкой струи металла, что приводит к ее смыву и оголению внутренней поверхности изложницы и привариванию к ней отливки.
- возникновение пригара и бугров на наружной поверхности заготовки при использовании сыпучих теплоизоляционных покрытий на внутренней поверхности изложниц, препятствующих из-за повышенного гидродинамического сопротивления высокой скорости течения металла, что приводит к появлению спаев и неслитин, т.е. приводит к браку.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в устранении указанных недостатков, повышении надежности технологического процесса при изготовлении длинномерных тонкостенных стальных труб с гарантированной плотной и однородной структурой.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе центробежной отливки длинномерных тонкостенных стальных труб, включающем нанесение на внутреннюю поверхность изложницы теплоизоляционного материала, заливку металла в форму с горизонтальной осью вращения с помощью короткого литникового желоба, теплоизоляционное покрытие из противопригарной краски наносят толщиной слоя 0,0007-0,0015 м на внутренней поверхности изложницы, нагретой с нарастающей температурой по ее длине от 200°С у заливочного конца до 300°С у незаливочного конца, заливку металла осуществляют с массовой скоростью 20-40 кг/с и с температурой, превышающей его температуру ликвидуса на 120-210°С, при частоте вращения формы, соответствующей величине гравитационного коэффициента 120-220 на внутренней поверхности отливки.
Нанесение теплоизоляционного покрытия из противопригарной краски толщиной слоя 0,0007-0,0015 м на внутренней поверхности изложницы позволяет обеспечить, в отличие от сыпучих покрытий, гладкую поверхность формы, способствующую быстрому перемещению кольцевого потока металла по направлению к незаливочному ее концу.
Использование противопригарной краски с толщиной слоя менее 0,0007 м приводит к появлению трещин на поверхности заготовок, а применение краски с толщиной слоя более 0,0015 м приводит к расслоению краски в концевой зоне длинномерных изложниц.
Использование изложницы с температурой 200°С у заливочного ее конца, которая по нарастающей достигает температуры 300°С у незаливного ее конца позволяет компенсировать температурные потери потока металла, двигающегося по направлению к незаливочному концу формы, перегретому на 100°С выше заливочного конца формы.
Уменьшение температуры заливочного конца изложницы менее 200°С препятствует отверждению слоя краски на ее поверхности, а повышение температуры изложницы у незаливочного конца более 300°С приводит к его охрупчиванию.
Уровень массовой скорости заливки металла во вращающуюся форму в пределах 20-40 кг/сек позволяет наряду с другими заявленными факторами заливки обеспечить быструю транспортировку кольцевого потока до конечной зоны формы длиной до 6,0 м без появления спаев и неслитин.
При массовой скорости заливки металла ниже 20 кг/сек появляются спаи и неслитины в концевой зоне заготовки, а в ряде случаев недоливы, а при массовой скорости металла выше 40 кг/сек струя металла смывает в месте своего падения в форме противопригарную краску с последующим привариванием жидкого металла к изложнице, что приводит к затруднениям при извлечении отливки, а также выходу из стоя дорогостоящей изложницы и браку отливки.
Заливка металла в форму при температуре, превышающей его температуру ликвидуса на 120-210°С, позволяет достичь такого уровня жидкотекучести металла, который обеспечивает достаточную скорость течения потока во вращающейся форме для получения длинномерных тонкостенных стальных труб с гарантированными свойствами.
Уменьшение температуры заливки металла ниже 120°С приводит к появлению спаев и настилин, а также недоливу, т.е. к браку отливок.
Повышение температуры заливки выше 210°С приводит к появлению поверхностных трещин в отливках.
Частота вращения формы, соответствующая величине гравитационного коэффициента 120-220 на внутренней поверхности отливки, позволяет обеспечить высокую скорость течения потока, а также однородную плотную структуру с равномерным сечением стенки по всей длине заготовки.
При величине гравитационного коэффициента ниже уровня 120 появляются недоливы и спаи у незаливочного конца заготовки, а при значениях выше 220 появляются трещины на поверхности заготовок.
Пример осуществления прелагаемого способа
Способ опробован в производственных условиях ЗАО НПО «Ахтуба» при изготовлении серии радиантных труб из жаропрочной стали марки 45Х25Н20С2 с наружным диаметром 0,21 м, толщиной стенки 0,014 м и длиной 6,0 м.
Выплавка металла производилась в индукционной печи емкостью 1,5 т производства компании «Индуктотерм» (США).
Отливка трубных заготовок производилась в центробежную машину с горизонтальной осью вращения, оснащенную механизированными устройствами для газового подогрева изложниц по всей ее длине, для нанесения противопригарной краски на внутреннюю поверхность изложницы путем распыления, для извлечения заготовки из формы и др.
Перед нанесением противопригарной краски изложница нагревалась с помощью газовых горелок, расположенных вдоль вращающейся формы, до температур: 200°С у заливочного конца с плавным увеличением до 300°С у незаливочного ее конца.
В процессе вращения нагретой изложницы в ее внутреннюю полость вводили покрасочное устройство с распылительной головкой и под давлением сжатого воздуха краску наносили ровным слоем на поверхность вращающейся формы.
Необходимая толщина слоя краски 0,001 м обеспечивалась в результате одного прохода покрасочного устройства во внутреннюю полость вращающейся изложницы.
ликв
зал
После окончания процесса нанесения противопригарного покрытия к центробежной машине подводили заливочное устройство и при частоте вращения изложницы n=1320 об/мин, что соответствует величине гравитационного коэффициента 190, производили заливку металла при температуре Т+200°С в соответствии с химическим составом металла каждой трубы (Таблица 1), т.е. Т=1545°С±10. Температуру ликвидуса определили термографическим методом после взятия пробы на химанализ перед заливкой металла.
Таблица 1
Химический состав металла
№ отливки
С
Si
Mn
Cr
Ni
S
P
T<sub>лик</sub>
1
0,38
2,75
1,20
25,1
19,8
0,02
0,02
1340
2
0,35
2,5
1,32
25,3
19,2
0,02
0,02
1342
3
0,37
2,57
1,30
25,0
19,0
0,02
0,02
1344
Толщина стенки отливки определилась дозированной порцией заливаемого металла с помощью крановых весов, которая составляла 800 кг.
Массовая скорость заливки составляла 32 кг/с.
После затвердевания отливки ее извлекали из изложницы с помощью лебедки на вращающийся рольганг для последующей струйной очистки поверхности трубы.
Контроль качества труб не выявил на их наружной поверхности каких-либо дефектов типа трещин, раковин, ужимин, шлаковых включений и др.
Трубы были подвергнуты пневмоиспытаниям с положительным результатом. Кривизна труб составила менее 0,001 м на 1 погонный метр, что удовлетворяет предъявляемым требованиям.
Макроструктура по сечению стенки труб после исследования на вырезанных из незаливочного конца темплетах отличается плотной структурой, а также отсутствием трещин и усадочных дефектов.
Испытания образцов на механические свойства, вырезанных из кольцевых темплетов у незаливочного конца трубы, показали положительные результаты (Таблица 2).
Таблица 2
Механические свойства металла труб
№ трубы
Временное сопротивление разрыву, σ<sub>в</sub>, МПа (Кгс/мм<sup>2</sup>)
Предел текучести, σ<sub>0,2</sub>, МПа (Кгс/мм<sup>2</sup>)
Относительное удлинение, δ, %
Относительное сужение, Ψ, %
1
472(47)
280 (28)
17
15
2
482 (48)
287(29)
18
16
3
469(47)
272 (27)
18
14
Требования ТУ
441(45)
245 (25)
10
10
После механический обработки внутренней поверхности труб и обработки кромок под сварку производили их контроль методом цветной дефектоскопии, который не выявил дефектов.
Сварные соединения труб, подвернутые контролю цветной дефектоскопии, дали положительные результаты.
2
Гидроиспытания сварных соединений труб при давлении 19,6 МПа (200 кгс/см) подтвердили соответствие требованиям технических условий.
Таким образом, предлагаемый способ центробежной отливки длинномерных стальных труб диаметром 0,06-0,25 м гарантирует их получение с толщиной стенки 0,006-0,0015 м и длиной до 6,0 м с плотной структурой по длине и сечению стенки заготовки без дефектов типа спаев, неслитин, недоливов и с высокими физико-механическими свойствами металла, полностью отвечающими всем требованиям технических условий.
Наряду с этим, использование тонкостенных длинномерных труб по заявленному способу позволило сократить вдвое количество сварных соединений и повысить эксплуатационную надежность трубопроводов по сравнению с аналоговыми технологиями, позволяющими отливать короткие трубы.