СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ТРУБ РАЗМЕРОМ 426×21-40 мм ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ПАРОПРОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ УСТАНОВОК С ВЫСОКИМИ И СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА ИЗ СТАЛИ МАРКИ 10Х9МФБ-Ш
PRODUCTION OF 426×21-40 mm SEAMLESS HOT-ROLLED PIPES FOR STEAM BOILERS, STEAM PIPELINES AND MANIFOLDS OF PLANTS WITH HIGH AND SUPERHIGH STEAM PARAMETERS OF "10Х9МФБ-Ш"-GRADE STEEL

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства бесшовных труб размером 426×21-40 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава стали марки 10Х9МФБ-Ш и может быть использовано на трубопрокатной установке 8-16” с пилигримовыми станами при производстве товарных труб размером 426×21-40 мм.
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 стане 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 14-3-460-2003 и ТУ 14-3Р-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 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 данная марка стали хотя и включена в ТУ14-3Р-55-2001, но трубы из нее до настоящего времени не производились.
В трубном производстве известен способ изготовления газлифтных труб большого диаметра из слитков стали 09Г2С выплавки ЭШП и ВДП (патент RU №2119395, кл. В21В 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
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>S</mi><mi>Г</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>S</mi><mi>C</mi></msub></mrow>
,
Г
где S - толщина стенки гильзы, мм;
C
S - 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. 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 то, что из-за малой мощности привода прошивного стана ОАО "ЧТПЗ" слитки ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш прошить с посадом по диаметру 8-16% не представляется возможным.
В трубном производстве известен также способ производства горячекатаных передельных и товарных труб большого и среднего диаметров из труднодеформируемых марок стали и сплавов на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами (патент RU №2278750, кл. В21В 21/00), включающий обточку слитков ЭШП и кованых заготовок, сверление центрального отверстия диаметром 100±5 мм, нагрев их до температуры пластичности, прошивку с последующей раскаткой в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы и прокатку гильз на пилигримовом стане в горячекатаные передельные или товарные трубы с относительно толстой стенкой, при этом первую прошивку слитков ЭШП и кованых заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки производят донным концом вперед, а вторую прошивку - раскатку усадочным концом вперед, прокатку труб на пилигримовом стане производят из гильз с отношением диаметра к толщине стенки D/S=6,5-8,0 с вытяжкой µ≤4,5.
Недостатком данного способа является то, что он включает нагрев слитков ЭШП и заготовок до температуры пластичности, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки, повторный нагрев гильз-заготовок с холодного или горячего посада до температуры пластичности, прошивку - раскатку в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы с последующей прокаткой их на пилигримовом стане в товарные или передельные трубы. Двойной нагрев приводит к двойному угару металла, а прошивка слитков ЭШП и заготовок в гильзы-заготовки с последующей раскаткой их в гильзы приводит к потере производительности пилигримовой установке в 2 раза, а, следовательно, к повышению стоимости товарных и передельных труб. Распространяется данный способ на производство бесшовных горячедеформированных передельных и товарных труб большого и среднего диаметров на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами из труднодеформируемых марок стали и сплавов и не предусматривает производство котельных труб из сплошных и полых слитков ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш.
iэшп
iэшп
i
iэшп
i
пр.
п
iэшп
пр
п
iэшп
k
µ
i
µ
µ
µ
i
k
i
µ
i
µ
k
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 критическими параметрами пара из слитков электрошлакового переплава и непрерывно-литых заготовок (патент RU №2322314, кл. В21В 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, при этом значения величин посада по диаметру слитков электрошлакового переплава при прошивке  в станах поперечно-винтовой прокатки определяют из выражения Δ =Σ, где Δ - значения величин посада по диаметру при прошивке в станах косой прокатки слитков ЭШП -й марки стали, %; Σ=  - суммарный коэффициент вытяжки при прокатке труб -го размера;  - коэффициент, учитывающий величину посада по диаметру при прошивке гильз из слитков ЭШП -й марки стали, %;  - коэффициент вытяжки при прошивке гильз под прокатку труб -го размера;  - коэффициент вытяжки при прокатке труб i-го размера на пилигримовом стане; при этом коэффициенты  для разных марок стали варьируются от 24 до 40.
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.
Котельные трубы диаметром 426 мм с разными толщинами стенок в России можно производить только на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами и на стане ХПТ 450.
Задачей предложенного способа (изобретения) является освоение производства бесшовных труб размером  426х21-40 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара  из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава размером 600хвн.240×2100±50 и 600хвн.200×2100±50 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш.
о
''
Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных труб размером 426×21-40 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш, включающем выплавку слитков электрошлаковым переплавом, расточку и обточку полых слитков в слитки-заготовки размером 600×вн.240×2100±50 мм и 600хвн.200х2100±50 мм, нагрев слитков-заготовок до температуры 1170-1180С, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки на оправках диаметром 400 мм и 350 мм в гильзы размером 600хвн.415х3200-3350 мм и 600хвн.365х2800-2959 мм с вытяжками µ= 1,56 и µ= 1,37, прокатку  гильз на ТПУ 8-16с пилигримовыми  станами в товарные трубы размером 426х15200-16000 - 426х40х9200-9800 мм с вытяжками от µ= 5,52 до  µ= 3,67 и обжатием по диаметру 29,0%, термическую обработку, травление, правку, ультразвуковой  контроль и приемку труб с допуском по диаметру +1,25/-1,0% и толщине стенки +20/-5,0%,  полые слитки электрошлакового переплава отливают с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,0-3,3, растачивают и обтачивают в полые слитки-заготовки с отношением диаметра к толщине стенки соответственно D/S=3,0-3,7 и D/S=2,8-3,1, большие значения которых относятся к полым слиткам и слиткам-заготовкам для прокатки товарных труб с меньшими толщинами стенок, полые слитки-заготовки нагревают в методической печи по технологии: посад слитков-заготовок на колосники печи производят партиями по 6-8 штук в один ряд с интервалом через 1,0-1,25 часа при температуре в третьей зоне печи 1000-1050°С; выдержка слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 1,0-1,25 часа; нагрев слитков-заготовок диаметром  до температуры 1170-1190°С со скоростью 1,9-2,1°С в минуту в течение 5,5-6,0 часов с равномерной кантовкой через 20-23 минуты на угол 230-250°; выдержка при температуре 1170-1190°С в течение 0,5-0,75 часа с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 15-20 минут на угол 230-250°; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача слитков-заготовок из печи с температурой центра слитков-заготовок 1170-1190°С.
о
''
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных труб размером 426×21-40 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш отличается тем, что производят выплавку электрошлаковым переплавом полых слитков, расточку и обточку полых слитков в слитки-заготовки размером 600хвн.240×2100±50 мм и 600хвн.200х2100±50 мм, нагрев слитков - заготовок до температуры 1170-1180С, прошивку их в стане поперечно-винтовой прокатки на оправках диаметром 400 мм и 350 мм в гильзы размером 600хвн.415х3200-3350 мм и 600хвн.365х2800-2959 мм с вытяжками µ= 1,56 и µ= 1,37, прокатку  гильз на ТПУ 8-16с пилигримовыми  станами в товарные трубы размером 426х21х15200-16000 - 426х40х9200-9800 мм с вытяжками от µ= 5,52 до  µ= 3,67 и обжатием по диаметру 29,0%, термическую обработку, травление, правку, ультразвуковой  контроль и приемку труб с допуском по диаметру +1,25/-1,0% и толщине стенки +20/-5,0%, полые слитки электрошлакового переплава отливают с отношением диаметра к толщине стенки D/S=3,0-3,3, растачивают и обтачивают в полые слитки-заготовки с отношением диаметра к толщине стенки, соответственно, D/S=3,0-3,7 и D/S=2,8-3,1, большие значения которых относятся к полым слиткам и слиткам-заготовкам для прокатки товарных труб с меньшими толщинами стенок, полые слитки-заготовки нагревают в методической печи по технологии: посад слитков-заготовок на колосники печи производят партиями по 6-8 штук в один ряд с интервалом через 1,0-1,25 часа при температуре в третьей зоне печи 1000-1050°С; выдержка слитков-заготовок на колосниках без кантовки в течение 1,0-1,25 часа; нагрев слитков-заготовок диаметром  до температуры 1170-1190°С со скоростью 1,9-2,1°С в минуту в течение 5,5-6,0 часов с равномерной кантовкой через 20-23 минуты на угол 230-250°; выдержка при температуре 1170-1190°С в течение 0,5-0,75 часа с равномерной кантовкой с 6-го на 4-е окно через 15-20 минут на угол 230-250°; кантовка с 4-го окна на яму печи и выдача слитков-заготовок из печи с температурой центра слитков-заготовок 1170-1190°С.  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 426×21-40 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из стали марки 10Х9МФБ-Ш осуществлен на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами при прокатке труб 426х35 мм из полых слитков-заготовок ЭШП размером 600х2100±50 мм.
µ
µ
µ
δ
µ
δ
Для сравнения данный размер труб были прокатан по классической схеме, т.е. из слитков-заготовок размером 565×100×1750±50 мм. Данные по прокатке передельных труб размером 465×35 мм из слитков-заготовок ЭШП(существующая технология) и полых слитков ЭШП (предлагаемая технология) из стали марки 10Х9МФБ-Ш на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами и приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что производство товарных труб размером 465×35 мм по предлагаемой технологии производили из полых слитков - заготовок ЭШП размером 600хвн.200×2100±50 мм. В производство было задано 5 полых слитков - заготовок ЭШП общей массой 22,805 т, которые были нагреты в методической печи до температуры 1170-1185°С и прошиты - раскатаны в стане поперечной прокатки размер в размер по наружному диаметру на оправке  диаметром 375 мм в гильзы размером 600хвн.390х3050-3200 мм с вытяжками =1,49. Гильзы прокатаны  на пилигримовом стане в товарные трубы размером 426×35×8900-9400 мм с вытяжкой =3,57 и обжатием по диаметру Δ=29,0%. Прокат  товарных труб на пилигримовом стане производили в валках с диаметром калибра 434 мм с подачами гильз в очаг деформации 23-25 мм.  На пиле горячей резки от труб были отрезаны технологические отходы, затем трубы были термообработаны, протравлены, отремонтированы (при необходимости), прошли ультразвуковой контроль и приняты в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 с допуском по диаметру +1,25/-1,0% толщине стенки +20/-5%. Было принято 5 труб размером 426×35×8900-9400 мм общей массой 16,520 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,269. Для сравнения в производство было также задано 5 слитков-заготовок ЭШП размером 585×100×1750±50 мм общей массой 16,695 т, которые были нагреты до температуры пластичности, прошиты на оправке  диаметром 275 мм с вытяжками =1,2 и подъемом по диаметру =2,7% в гильзы - заготовки размером 580хвн.290х2040-2160 мм. Гильзы-заготовки с холодного посада были  нагреты в методической печи до температуры пластичности, прошиты- раскатаны на оправке диаметром 375 мм с вытяжками =1,09 и подъемом по диаметру  =3,45 в гильзы  размером 600хвн.2220-2350мм. Гильзы прокатаны на пилигримовом стане в товарные трубы размером 426×35 мм. В соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 принято 5 труб общей массой 11,097 т. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,505. При прокатке труб данного размера по предлагаемой технологии получено снижение расходного коэффициента металла на 236 кг на каждой тонне товарных труб.
Таким образом, использование предложенного способа позволит впервые в России осуществить производство бесшовных труб размером 426×21-40 мм из полых - слитков ЭШП стали марки 10Х9МФБ-Ш для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара, что позволит снизить энергозатраты за счет исключения из технологического процесса прошивки слитков-заготовок в гильзы-заготовки, производить качественные товарные и передельные трубы на ТПУ8-16” с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ", снизить расход металла, повысить производительность ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами, а следовательно, снизить стоимость котельных труб размером 426х21-40 мм из стали марки 10Х9МФБ-Ш.
Данные по прокатке товарных труб размером 426х35 мм из стали марки 10Х9МБ-Ш на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами по существующей и предлагаемой технологиям приведены в таблице.
Таблица 1
Вид технологии
Размер заготовок и полыхСлитков - заготовок ЭШП(мм)
Масса заготовок иполых слитков ЭШП (кг)
Прошивка гильз-заготовок и прошивка - раскатка гильз
Прокатка товарных  труб на пилигримовом стане
Расходный коэффициент 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 (µ)
Обжатие по диаметру (Δ,%)
Масса сданных труб (кг)
Существующая
565х100х1800
3434
<maths num="2"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mtext>580 </mtext><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.290</mn><mo>×</mo><mn>2160</mn></mrow><mrow><mn>600</mn><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.390</mn><mo>×</mo><mn>2350</mn></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000002.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
<maths num="3"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mn>275</mn></mrow><mrow><mn>375</mn></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000003.tif" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
<maths num="4"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mn>1,20</mn></mrow><mrow><mn>1,09</mn></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000004.tif" he="8" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
<maths num="5"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mn>2,7</mn></mrow><mrow><mn>3,45</mn></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000005.tif" he="9" wi="7" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-
3,57
Δ=29,0
2298
426×30х6400
565х100х1750
3339
<maths num="6"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mtext>580  </mtext><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.290</mn><mo>×</mo><mn>2160</mn></mrow><mrow><mn>600</mn><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.390</mn><mo>×</mo><mn>2350</mn></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000006.tif" he="7" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-
2262
426×35×6200
565х100х1775
3387
<maths num="7"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mtext>580 </mtext><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.290</mn><mo>×</mo><mn>2160</mn></mrow><mrow><mn>600</mn><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.390</mn><mo>×</mo><mn>2350</mn></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000007.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-
2262
426×35×6300
565х100х1700
3244
<maths num="8"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mtext>580 </mtext><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.290</mn><mo>×</mo><mn>2160</mn></mrow><mrow><mn>600</mn><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.390</mn><mo>×</mo><mn>2350</mn></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000008.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-426×35×5900
2120
565х100х1725
3291
<maths num="9"><math display="block"><mrow><mfrac><mrow><mtext>580 </mtext><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.290</mn><mo>×</mo><mn>2160</mn></mrow><mrow><mn>600</mn><mi>х</mi><mi>в</mi><mi>н</mi><mn>.390</mn><mo>×</mo><mn>2350</mn></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000009.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
-
2191
426×35×6100
<b>Итого:</b>
<b>16695</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>11097</b>
<b>1,505</b>
Предлагаемая
600хвн.×200×2100
4141
600×вн.390×3130
375
1,49
0
426×35×9150
3,57
Δ=29,0
3286
600хвн.×200×2150
4240
600×вн.390×3200
426×35×9400
3376
600хвн.×200×2150
4240
600×вн.390×3200
426×35×9400
3376
600хвн.×200×2050
4663
600×вн.390×3050
426×35×89000
3196
600хвн.×200×2100
4141
600×вн.390×3130
426×35×9150
3286
<b>Итого:</b>
<b>20805</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>-</b>
<b>16520</b>
<b>1,269</b>