СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕСШОВНЫХ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ ДИАМЕТРОМ 530 И 550 ММ НА ТРУБОПРОКАТНЫХ УСТАНОВКАХ С ПИЛИГРИМОВЫМИ СТАНАМИ ДЛЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ, ПАРОПРОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ УСТАНОВОК С ВЫСОКИМИ И СВЕРХКРИТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ПАРА
PRODUCTION OF SEAMLESS HOT-ROLLED 530 MM AND 550 MM DIAMETER PIPES AT PRU WITH PILGER MILLS FOR STEAM BOILERS, STEAM LINES AND MANIFOLDS OF UNITS OPERATING WITH HIGH AND SUPERCRITICAL PARAMETERS OF STEAM

Изобретение относится к трубопрокатному и металлургическому производствам, а именно к способу производства бесшовных горячекатаных труб диаметром 530 и 550 мм из полых слитков электрошлакового переплава сталей марок 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 10Х9МФБ - Ш, 10Х9В2МФБР - Ш, 10Х9К3В2МФБР - Ш и 12Х11В2МФ на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара и может быть использовано при производстве полых слитков способом электрошлакового переплава, механической обработки-расточки и обточки их в слитки-заготовки и прокатки из них труб размером 530×16-90 и 550×20-75 мм по ТУ 14-3Р-55-2001 "Трубы".
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 10Х13П2БС2Н2Д2 с заданными требованиями по механическим свойствам, включающий отливку слитков в электрических или мартеновских печах, ковку их (уплотнение структуры) с уковом от 2,0 до 3,0, в зависимости от марки стали, обрубку концов поковок с удалением усадочной и донной частей, выплавку слитков электрошлаковым переплавом, механическую обработку поковок и слитков электрошлакового переплава в заготовки и слитки-заготовки на заданный диаметр с допуском +10/-5 мм, с последующей сверловкой центрального отверстия диаметром 100±5,0 мм, нагрев заготовок и слитков-заготовок ЭШП до температуры пластичности, первую прошивку их в станах поперечно-винтовой прокатки на оправках диаметром 300-350 мм, в зависимости от марки стали и величины нагрузки на привод валков, в гильзы-заготовки длиной не более 2100 мм, повторный нагрев гильз-заготовок с горячего или холодного посада до температуры пластичности, повторную прошивку-раскатку в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром больше диаметра дорна на 25-30 мм, прокатку гильз на пилигримовом стане в трубы диаметром 530 и 550 мм по ТУ 14-3Р-55-2001 с допуском по диаметру ±1,0% и толщине стенки ±20/-5,0% (ТУ 14-1-2560-78 "Заготовка трубная кованая для котельных труб", ТУ14-136-349-2008 "Слитки электрошлакового переплава для изготовления бесшовных горячедеформированных труб", 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".
Недостатками указанного способа производства котельных труб диаметром 530 и 550 мм являются: укороченная длина труб; высокая энергоемкость процесса, связанная с нагревом и деформацией (ковкой) слитков весом более 4,5 тонн в поковки с последующей обрубкой концов и торцовкой; обточка поковок и слитков ЭШП в заготовки и слитки-заготовки ЭШП; сверление центрального отверстия в заготовках и слитках-заготовках ЭШП диаметром 100±5,0 мм; нагрев заготовок и слитков-заготовок до температуры пластичности; первая прошивка заготовок и слитков-заготовок ЭШП в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки на оправках диаметром 300-350 мм, в зависимости от марки стали и нагрузки на привод стана; повторный нагрев гильз-заготовок с горячего или холодного посада до температуры пластичности; повторная прошивка - раскаткой в стане поперечно винтовой прокатки на оправке диаметром больше диаметра дорна на 25-30 мм, из-за повышенной кривизны гильз и невозможности введения дорна в гильзу; прокатка гильз в трубы на пилигримовых станах с повышенным зазором между внутренним диаметром гильз и диаметром дорнов приводит к образованию усов при затравке и закатов (нахлестов) при прокатке, что в, свою очередь, приводит к увеличению затравочных концов (технологический отход металла); из-за повышенной кривизны и поперечной разностенности гильз прокатка труб производится с допуском по стенке +20/-5%; прокатка труб диаметром 530 и 550 мм в валках с диаметром бочки 1045 мм происходит с коэффициентом полировки менее 2,5, что приводит к повышенной кривизне на погонный метр из-за бугров по телу труб (повышенной продольной и поперечной разностенности труб); повышенный расход металла (расходный коэффициент металла) при переделе слиток - поковка - заготовка - труба и слиток ЭШП - слиток - заготовка ЭШП - труба. И, как следствие, все перечисленные недостатки приводят к повышенной стоимости труб.
В трубопрокатном производстве известен способ изготовления газлифтных труб большого диаметра из слитков стали 09Г2С выплавки ЭШП и ВДП (Патент РФ №2119395, кл. B21B 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
г
c
D=2S(1-sinα)S,
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 укороченная длина труб и 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 трубной промышленности известен также способ производства котельных труб большого диаметра из слитков ЭШП (патент RU №2180874, кл. B21B 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 укороченная длина труб, повышенные нагрузки на привод прошивного стана при прошивке слитков ЭШП сталей марок 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 10Х9МФБ - Ш, 10Х9 В2МФБР - Ш, 10Х9К3В2МФБР - Ш и 12X11 В2МФ с посадом по диаметру 8-16%, а для получения гильз диаметром 680 мм необходимы слитки ЭШП диаметром более 730 мм, что на существующем оборудовании ТПУ 8-16” невозможно, т.к. в стан поперечно-винтовой прокатки можно задать заготовку диаметром не более 650 мм и получить гильзу диаметром не более 680 мм.
Наиболее близким техническим решением является способ производства бесшовных горячедеформированных длинномерных труб диаметром 500 мм и более на ТПУ с пилигримовыми станами для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара (патент RU №2322315, кл. B21B 19/04). Изобретение обеспечивает увеличение длины труб с толщиной стенки более 40 мм на (20-30)%, снижение энергозатрат, повышение производительности пилигримовых станов, снижение поперечной и продольной разностенность труб с толщиной стенки менее 30 мм и частичное снижение расходного коэффициента металла за счет прокатки труб с отношением D/S≥20 из полых слитков-заготовок без прошивки-раскатки в стане поперечно-винтовой прокатки.
1
2
3
Недостатками данного способа являются: размеры полых слитков-заготовок ЭШП зависят от коэффициентов K, K и K, которые имеют большие интервалы значимости, что затрудняет определение геометрических размеров полых слитков-заготовок для прокатки труб требуемого размера; внутренние диаметры полых слитков-заготовок с учетом съема металла при расточке по 8 мм на сторону имеют заниженные результаты, что при прокатке толстостенных труб приводит к затяжкам дорнов; прокатка труб с толщиной стенки более 30 мм связана с дополнительной прошивкой-раскаткой полых слитков-заготовок в стане поперечно-винтовой прокатки, что с большой вероятностью может привести к повышенной кривизне и разностенности гильз, при неравномерном нагреве слитков-заготовок в методических печах, а следовательно, к разностенности труб.
Задачей предложенного способа является разработка и внедрение нового технологического процесса производства длинномерных котельных труб диаметром 530 и 550 мм на ТПУ 8-16” с пилигримовыми станами в валках с диаметром бочки 1150 мм из стали марок 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 10Х9МФБ - Ш, 10Х9 В2МФБР - Ш, 10Х9К3В2МФБР - Ш и 12Х11 В2МФ, снижение энергозатрат за счет использования полых слитков электрошлакового переплава и исключения процесса прошивки гильз-заготовок и раскатки гильз заготовок и полых слитков-заготовок в гильзы в стане поперечно-винтовой прокатки, повышение производительности пилигримовых станов, снижение расхода металла при переделе полый слиток ЭШП - слиток-заготовка ЭШП - котельная труба, за счет исключения механической обработки-расточки и обточки труб размером 545×32-40 и 565×35-45 мм в трубы размером 530×16-25 и 550×10-30 мм, снижение продольной и поперечной разностенности при прокатке на пилигримовых станах слитков-заготовок ЭШП с меньшей кривизной и разностенностью и повышенным коэффициентом полировки в валках с диаметром бочки 1150 мм, снижение затравочной обрези за счет использования полых слитков-заготовок с меньшим зазором между дорном и слитком-заготовкой и, как следствие, снижение стоимости товарных труб по ТУ 14-3Р-55-2001.
вн.
вн.
т.г.
т
т.г..
к
т
T
т.г.
к
T
T
Технический результат достигается тем, что в известном способе производства бесшовных горячекатаных труб диаметром 530 и 550 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для паровых котлов, паропроводов и коллекторов с высокими и сверхкритическими параметрами пара, включающем выплавку слитков в электрических или мартеновских печах, ковку слитков в поковки с уковом от 2,0 до 3,0 в зависимости от марки стали, выплавку сплошных и полых слитков электрошлаковым переплавом, механическую обработку поковок, сплошных и полых слитков электрошлакового переплава в заготовки, с последующей сверловкой центрального отверстия диаметром 100±5,0 мм в кованых заготовках и сплошных слитках-заготовках ЭШП, нагрев заготовок, сплошных и полых слитков-заготовок ЭШП до температуры пластичности, первую прошивку кованых заготовок и слитков-заготовок ЭШП в станах поперечно-винтовой прокатки на оправках диаметром 300-350 мм, в зависимости от марки стали и величины нагрузки на привод валков, в гильзы-заготовки длиной не более 2100 мм, повторный нагрев гильз-заготовок с горячего или холодного посада до температуры пластичности, повторную прошивку-раскатку в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром больше диаметра дорна на 15-25 мм, в зависимости от марки стали, прокатку гильз и полых слитков-заготовок ЭШП на пилигримовом стане в валках с диаметром бочки 1045 мм в трубы размером 545×32-40 и 565×35-40 мм под механическую обработку-расточку и обточку на размер 530×16-25 и 550×20-30 мм, труб размером 530×26-90 и 550×32-90 мм, приемку их по ТУ 14-3Р-55-2001 с допуском по диаметру ±1,0% и толщине стеки +20/-5.0%, прокатку труб диаметром 530 и 550 мм из стали марок 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 10Х9МФБ - Ш, 10Х9 В2МФБР - Ш, 10Х9К3В2МФБР - Ш и 12Х11 В2МФ, на пилигримовом стане производят из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава в валках с диаметром бочки 1150 мм, прокатку труб производят из слитков-заготовок размером 680×D×3300 мм, внутренний диаметр которых определяют из выражения D=D-2S+Δ, где D=D-2; S=1,075·S; D - диаметр трубы в горячем состоянии, мм; D - диаметр калибра пилигримовых валков, мм; S - номинальная толщина стенки трубы на прокате, мм; Δ - разность между диаметром полого слитка-заготовки и диаметром дорна, мм; S - номинальная толщина стенки по ТУ 14-3Р-55-2001, мм; 1,075 - коэффициент, учитывающий плюсовое поле допуска по толщине стенки, значения внутренних диаметров полых слитков-заготовок для прокатки труб с отношением D/S≥20 принимают кранными 15-20 мм, а с отношением D/S≤20 - кратными 10-15 мм, полые слитки-заготовки электрошлакового переплава нагревают до температуры пластичности и прокатывают на пилигримовом стане в трубы с отношением D/S≤20 с допуском по диаметру ±1,0% и толщине стенки +15,0/-10,0%, прокатку труб на пилигримовом стане с отношением D/S≥20 производят с коэффициентом полировки 3,0-3,5, а труб с отношением D/S≤20 с коэффициентом полировки 2,5-3,0, значения Δ при прокатке труб с отношением диаметра к толщине стенки D/S≥20 принимают равными 20-25 мм, а при отношении D/S≤20 - равным 15-20 мм, окалину с внутренней поверхности слитков-заготовок удаляют продувкой после выдачи их из печи.
вн.
вн.
т.г.
т
т.г.
к
т
T
т.г.
к
т
T
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ производства бесшовных горячекатаных труб диаметром 530 и 550 мм на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами для паровых котлов, паропроводов и коллекторов с высокими и сверхкритическими параметрами пара отличается от известного тем, что прокатку труб диаметром 530 и 550 мм из стали марок 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 10Х9МФБ - Ш, 10Х9В2МФБР - Ш, 10Х9К3В2МФБР - Ш и 12Х11В2МФ, на пилигримовом стане производят из полых слитков-заготовок электрошлакового переплава в валках с диаметром бочки 1150 мм, прокатку труб производят из слитков-заготовок размером 680×D×3300 мм, внутренний диаметр которых определяют из выражения D=D-2S+Δ, где D=D-2; S=1,075·S; D - диаметр трубы в горячем состоянии, мм; D - диаметр калибра пилигримовых валков, мм; S  - номинальная толщина стенки трубы на прокате, мм; Δ - разность между диаметром полого слитка-заготовки и диаметром дорна, мм; S - номинальная толщина стенки по ТУ 14-3Р-55-2001, мм; 1,075 - коэффициент, учитывающий плюсовое поле допуска по толщине стенки, значения внутренних диаметров полых слитков-заготовок для прокатки труб с отношением D/S≥20 принимают кранными 15-20 мм, а с отношением D/S≤20 - кратными 10-15 мм, полые слитки-заготовки электрошлакового переплава нагревают до температуры пластичности и прокатывают на пилигримовом стане в трубы с отношением D/S≤20 с допуском по диаметру ±1,0% и толщине стенки +15,0/-10,0%, прокатку труб на пилигримовом стане с отношением D/S≥20 производят с коэффициентом полировки 3,0-3,5, а труб с отношением D/S≤20 с коэффициентом полировки 2,5-3,0, значения Δ при прокатке труб с отношением диаметра к толщине стенки D/S≥20 принимают равными 20-25 мм, а при отношении D/S≤20 - равным 15-20 мм, окалину с внутренней поверхности слитков-заготовок удаляют продувкой после выдачи их из печи. 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 позволили выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что соответствует патентноспособности "изобретательский уровень".
Способ производства бесшовных горячекатаных труб размером 530×17 мм из стали марки 15Х1М1Ф для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара из кованых заготовок и полых слитков ЭШП по существующим и предлагаемой технологиям опробован на ТПА 8-16” с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ". Для прокатки труб данного размера по существующей технологии были использованы заготовки размером 650×1750 мм поставки ОАО "Кама-сталь" и полые слитки-заготовки ЭШП размером 680×вн.500×3300 мм поставки ОАО "ЗМЗ". На ОАО "ЧТПЗ" в заготовках было просверлено центральное отверстие диаметром 100±5,0 мм. По предлагаемой технологии ОАО "ЗМЗ" были поставлены полые слитки-заготовки электрошлаковым переплавом размером 680×вн.520×3300 мм (в соответствии с пп.1, 2 и 3 формулы изобретения). Кованые заготовки были посажены в печь №2, нагреты до температуры 1270-1280°С, прошиты на оправке диаметром 300 мм в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы-заготовки размером 660×вн.315×2080 мм с вытяжкой µ=1,19. Гильзы-заготовки были переданы на склад слитков. После охлаждения они были осмотрены. Дефекты на наружной и внутренней поверхностях отсутствовали. Затем гильзы-заготовки и слитки-заготовки ЭШП были одновременно посажены в методическую печь №2 в следующей последовательности: 5 гильз-заготовок размером 660×вн.315×2080 мм, 5 полых слитков-заготовок ЭШП размером 680×вн.500×3300 мм и 5 полых слитков-заготовок ЭШП размером 680×вн.520×3300 мм и нагреты до температуры пластичности (1270-1290°С). Полые слитки-заготовки сажали в печь с разрывом в 2,0 часа после посада гильз-заготовок. Гильзы-заготовки прошивались - раскатывались в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 490 мм в гильзы размером 680×вн.505×3270 мм. После прошивки-раскатки гильзы продувались сжатым воздухом и прокатывались на ТПУ 8-16” в валках с диаметром бочки 1045 мм в калибре 562 мм на дорнах диаметром 470/472 мм в передельные трубы размером 545×32×8200 мм с коэффициентом полировки 2,25-2,5 (в зависимости от величины подачи гильз в очаг деформации). Трубы после прокатки были порезаны на равные длины 4100 мм, расточены и обточены на размер 530×17 мм. Принято в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 - 40,5 м (8,164 т) труб. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 2,794.
По существующей технологии (патент RU №2322315) полые слитки-заготовки ЭШП размером 680×вн.500×3300 мм выдавались из печи с температурой 1270-1280°С и прокатывались на пилигримовом стане в валках с диаметром бочки 1045 мм в калибре 562 мм в трубы размером 545×32×8300 мм на дорнах диаметром 470/472 мм с коэффициентом полировки 2,25-2,5 (в зависимости от величины подачи гильз в очаг деформации). Трубы после прокатки были порезаны на равные длины 4150 мм, расточены и обточены на размер 530×17 мм. Принято в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 - 40,0 м (8,063 т) труб. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 2,578.
По предлагаемой технологии полые слитки-заготовки размером 680×вн.520×3300 мм (пп.2, 3 и 6 формулы изобретения) были нагреты до температуры 1279-1280°С выданы из печи, продуты сжатым воздухом на слитковой тележке (п.7 формулы изобретения) и прокатаны на пилигримовом стане в валках с диаметром бочки 1150 мм (п.1 формулы изобретения) в калибре 538 мм в трубы размером 530×17×14100 мм на дорнах диаметром 498/492 мм с коэффициентом полировки 3,25-3,5 (в зависимости от величины подачи гильз в очаг деформации). Трубы после прокатки пилой горячей резки были порезаны на длины 7000-7200 мм. Принято в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 - 68,5 м (13,808 т) труб. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,414. Данные по прокатке и сдаче котельных труб размером 530×17 мм из стали марки 15Х1М1Ф по ТУ14-3Р-55-2001 на ТПА 8-16” с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ" по существующим и предлагаемой технологиям приведены в таблице.
Из таблицы видно, что при прокатке из кованой заготовки получено 40,5 м (8,164 тонн) труб размером 530×17 мм. Вес заготовок, заданных в производство, составил 22,785 тонн, а расходный коэффициент металла 2,791. Так как, длина передельных труб, которые можно в данный момент расточить и обточить на ОАО "ЧТПЗ", не может превышать 6000 мм, то средняя длина труб на сдаче составила 4,05 м. Вес слитков-заготовок ЭШП по существующей технологии, заданных в производство, составил 21,596 тонн. Принято труб размером 530×17 мм 40 м (8,063 т). Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 2,578, а средняя длина труб на сдаче составила 4,0 м. По предлагаемой технологии в производство было задано 19,522 тонн полых слитков - заготовок ЭШП, из которых принято в соответствии с ТУ 14-3Р-55-2001 десять труб общей длиной 68,5 м. Расходный коэффициент металла по трубам данной партии составил 1,414, а средняя длина труб на сдаче составила 6,85 м, что ≈ на 70% больше, чем при прокатке труб данного размера по существующим технологиям.
Таким образом, использование предложенного способа производства бесшовных горячекатаных котельных труб диаметром 530 и 550 мм для паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами из полых слитков-заготовок ЭШП в валках с диаметром бочки 1150 мм в калибре 538 мм позволит увеличить длину труб, снизить энергозатраты за счет исключения нагрева слитков под ковку и ковку слитков, исключить затраты на двойной нагрев, прошивку заготовок-слитков ЭШП в гильзы-заготовки и прошивку-раскатку гильз-заготовок в гильзы, снизить поперечную и продольную разностенность труб за счет увеличения коэффициента полировки при прокатке в валках с диаметром бочки 1150 мм вместо 1045 мм, исключить механическую обработку-расточку и обточку при прокатке труб размером 530×16-25 и 550×20-30 мм и, как следствие, снизить расходный коэффициент металла при переделе полый слиток заготовка ЭШП - котельная труба, при механических свойствах металла труб на уровне кованой заготовкой или сплошных слитков ЭШП, а, следовательно, снизить стоимость труб.