СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРЕДЕЛЬНЫХ ТРУБ БОЛЬШОГО И СРЕДНЕГО ДИАМЕТРОВ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
PRODUCTION METHOD OF TUBE STOCK OF LARGE AND MEDIUM DIAMETERS FROM TITANIUM-BASED ALLOYS

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу производства передельных труб большого и среднего диаметров из сплавов на основе титана, и может быть использовано при производстве передельных труб из сплавов на основе титана на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами.
2
В практике трубного производства известен способ прокатки передельных труб размером 492×48, 485×36 и 398×46 мм под механическую обработку на размер, соответственно, 474×29,5, 467×16 и 377×24 мм из слитков и заготовок титанового сплава ВТ 14 размером 650×100×1750 и 585×100×1740 мм, включающий отливку слитков в вакуумно-дуговых печах ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» с последующей ковкой их в заготовки или использование в качестве заготовок слитков вакуумно-дугового переплава, сверление сквозного центрального отверстия диаметром 100±5 мм, нагрев слитков и заготовок в муфелях в методических печах до температуры 1155-1180°C, прошивку их в гильзы в стане поперечно-винтовой прокатки, удаление окалины с внутренней поверхности гильз сжатым воздухом под давлением 5-7 кгс/см и прокатку передельных труб на ТПУ с пилигримовыми станами 8-16" ОАО «ЧТПЗ» с припуском под механическую обработку по стенке от 18,5 до 22,0 мм (ТУ 14-3-1218-83 «Трубы бесшовные горячедеформированные обточенные и расточенные из сплава ВТ 14». ТИ 158-Тр. ТБ 1-54-97 «Изготовление бесшовных горячедеформированных труб из сплава ВТ 14 по ТУ 14-3-1218-83 и ТУ 14-3-1236-83»).
в
5
m
m
Недостатком указанного способа является то, что в процессе нагрева, прошивки в стане поперечно-винтовой прокатки, продувки гильз сжатым воздухом и прокатки на пилигримовых станах происходит газонасыщение поверхностных слоев слитков-заготовок, гильз и передельных труб. На поверхностях горячих слитков-заготовок, гильз и труб образуется газонасыщенный - хрупкий (альфированный) слой, который при прошивке в двухвалковом стане поперечно-винтовой прокатки и прокатке на пилигримовых станах приводит к образованию поверхностных дефектов в виде рванин, которые на передельных трубах-заготовках приходится удалять способом механической обработки по наружной поверхности на глубину 9,0-10,5 мм, а по внутренней - на глубину 9,5-11,5 мм, а т.к. временное сопротивление разрыву σ превышает 800 МПа, а относительное удлинение δ не более 10%, то трубы данного размера из данного слава на станах ХПТ не производят. В некоторых случаях дефекты превышают эти значения, что приводит к окончательному браку передельных труб-заготовок или, при наличии попутчиков, к переточке их на более тонкие стенки. Промышленные прокатки передельных горячекатаных труб большого и среднего диаметров из сплавов на основе титана на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами показали, что припуск по толщине стенки, при переделе передельных труб в товарные механической обработкой в доверительном интервале выхода годных труб, должен находиться в пределах от 16 до 20 мм, большие значения которых относятся к товарным трубам большей длины и с большим отношением D/S.
Основным видом дефектов на передельных трубах из титановых сплавов являются рванины на наружной и внутренней поверхностях, плены на наружной поверхности и раковины на внутренней поверхности. Из-за наличия данных дефектов необходимо увеличивать толщину стенки передельных горячекатаных труб и проводить дополнительные операции по расточке и обточке. Кроме того, наружная и внутренняя поверхности гильз и труб охлаждаются водой, сжатым воздухом и технологическим инструментом (дорном и рабочими валками), что приводит к интенсивному охлаждению именно дефектных мест и образованию малопластичных участков. Деформация гильз с такими участками в пилигримовом стане приводит к увеличению глубины дефектов и к их закатке на внутренней поверхности передельных труб в виде раковин, которые вскрываются при механической обработке.
В трубной промышленности известен способ прокатки передельных труб большого и среднего диаметров из слитков и заготовок сплава ВТ14 на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ», включающий сверление в слитках и заготовках центрального отверстия диаметром 100±5,0 мм, нагрев слитков и заготовок в муфелях в методических печах до температуры 1155-1180°C, прошивку их в гильзы в двухвалковом стане поперечно-винтовой прокатки, продувку гильз сжатым воздухом и прокатку передельных труб на пилигримовых станах на разогретых до 600-650°C дорнах с волнистой поверхностью. Сочетание волнистой калибровки и разогретых дорнов позволяет увеличить пластичность сплавов в при контактном слое и уменьшить концентрацию напряжений во время прокатки, т.е. снизить глубину проникновения трещин на внутренней поверхности передельных труб, образовавшихся при деформации альфированного слоя (А.В. Сафьянов, О.Г. Хохлов-Некрасов, Л.И. Лапин. «Сталь», 1992, №9, с.62-63. Авт. свидетельство СССР №603447, Кл. B21B 25/00, бюл. №15, 1978 г.).
Недостатком данного способа является то, что он направлен на частичное снижение величины дефектов в виде рванин на внутренней поверхности передельных труб и не решает вопроса снижения дефектов на внутренней поверхности в виде раковин из-за продувки гильз с температурой внутренней поверхности до 1200°C сжатым воздухом.
с
з
min
с
з
mp
з
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>4</mn><msub><mi>A</mi><mi>з</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mi>з</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>A</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>μ</mi><msub><mi>D</mi><mrow><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>K</mi></mrow>
В трубном производстве известен способ производства горячекатаных передельных труб из титановых α и (α+β) сплавов, включающий изготовление заготовок ковкой с уковом У=(1,0-1,25)А/А, где У=2,7, сверление центрального отверстия в слитках или заготовках, нагрев до температуры выше температуры полиморфного превращения, прошивку в стане поперечно-винтовой прокатки в гильзы без подъема диаметра с вытяжкой µ=1,2-1,35, прокатку гильз на пилигримовых станах в передельные трубы при охлаждении валков пилигримового стана и наружной поверхности гильз водой, при этом величину минимально допустимого съема при механической обработке определяют из выражения
, где У - величина укова; А - величина зерна слитка, мм; А - величина зерна заготовки, мм; Н - величина съема при механической обработке труб, мм; D - диаметр передельной горячекатаной трубы, мм; D - диаметр заготовки, мм; µ - коэффициент вытяжки при прокатке (прошивке и прокатке на пилигримовом стане); K=0,5-1,5 - коэффициент, учитывающий глубину газонасыщения сплава в зависимости от продолжительности нагрева заготовок и вида продувки гильз после прошивки (патент РФ №2094141, кл. B21B 23/00, B21B 3/00, бюл. №38, 1997 г.).
Недостатком данного способа является то, что он сложен в производстве, т.к. требуются замеры величин зерен слитков и заготовок, и не учитывает основные факторы съема металла, а именно зависимость их от технологии продувки гильз, прокатки труб, длины и кривизны передельных труб.
м
х
м
m
m
х
m
m
m
m
мн
мв
хн
хв
н
в
m
m
мн
мв
хн
хв
В трубном производстве известен также способ производства передельных труб большого и среднего диаметров на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами из слитков и заготовок сплавов на основе титана, включающий отливку слитков в вакуумно-дуговых печах с последующей ковкой их в заготовки, сверление центрального отверстия диаметром 100±5,0 мм, нагрев слитков и заготовок в муфелях до температуры пластичности, прошивку их в гильзы в стане поперечно-винтовой прокатки, прокатку передельных труб на пилигримовом стане, для последующей переработки в товарные механической обработкой или перекаткой на станах ХПТ по однопроходному маршруту производят с припуском по стенке ΔS, а передельных труб под холодный передел по многопроходным маршрутам с припуском по стенке ΔS, где ΔS=16-20 - припуск по толщине стенки при переделе передельных труб в товарные механической обработкой или перекаткой на станах ХПТ по однопроходному маршруту, большие значения которого принимают для товарных труб с большим отношением D/S, мм; ΔS=8-12 - припуск по толщине стенки при переделе передельных труб в товарные перекаткой на станах ХПТ по многопроходным маршрутам, большие значения которого принимают для товарных труб с большим отношением D/S, мм; D - номинальный наружный диаметр товарных труб, мм; S - номинальная толщина стенки товарных труб, мм, соотношение между припусками под механическую обработку наружных и внутренних слоев принимают равным ΔS/ΔS=ΔS/ΔS=0,7-0,95, где меньшие значения ΔS/ΔS принимают для товарных труб с большим отношением D/S; ΔS - припуск по толщине стенки с наружной поверхности при переделе передельных труб в товарные механической обработкой или перекаткой на станах ХПТ по однопроходному маршруту, мм; ΔS - припуска по толщине стенки с внутренней поверхности при переделе передельных труб в товарные механической обработкой или перекаткой на станах ХПТ по однопроходному маршруту, мм, ΔS - припуск по толщине стенки с наружной поверхности при переделе передельных труб в товарные перекаткой на станах ХПТ по многопроходным маршрутам, мм; ΔS - припуск по толщине стенки с внутренней поверхности при переделе передельных труб в товарные перекаткой на станах ХПТ по многопроходным маршрутам, мм (патент РФ №2311240, Кл. B21B 21/00, бюл. №33, 2007 г.).
Недостатком данного способа является то, что он распространяется на механическую обработку передельных труб в товарные кратной длины, т.е. относительно малых длин, а также для последующего передела передельных механически обработанных труб в товарные на станах ХПТ по одно- и многопроходным маршрутам и не решает технические вопросы снижения дефектов в виде раковин и рванин из-за образования альфированного слоя при продувке гильз сжатым воздухом.
Наиболее близким техническим решением является способ очистки (продувки) гильз в горячем состоянии от окалины водяным паром (авт. свидетельство СССР №395144, Кл. B21B 45/04, бюл. №35, 1973 г.).
Недостатком данного способа (прототипа) является то, что он направлен на снижение количества и размеров дефектов на внутренней поверхности гильз и труб из углеродистых и легированных марок стали и не решает технические вопросы снижения раковин на внутренней поверхности гильз из сплавов на основе титана.
Задачей предложенного способа удаления окалины с внутренней поверхности гильз из сплавов на основе титана при производстве передельных труб большого и среднего диаметров из слитков и заготовок сплавов на основе титана на ТПУ 8-16" пилигримовыми станами для последующей механической обработки - расточки и обточки их в товарные трубы является снижение величины раковин и дефектов на внутренней поверхности гильз, повышение качества внутренней поверхности гильз и передельных труб, снижение припуска под механическую обработку - расточку.
2
Технический результат достигается тем, что в известном способе производства передельных труб большого и среднего диаметров из сплавов на основе титана, включающем нагрев слитков до температуры пластичности, прошивку в стане поперечно-винтовой прокатки на короткой оправке в гильзы и удаление окалины с внутренней поверхности гильзы, для удаления окалины в качестве реагента используют инертный газ аргон под давлением 5-10 кгс/см, окалину удаляют вращательно-поступательным движением сопла за три прохода: первый проход от начала гильзы к концу, второй - от конца к началу и третий, чистовой проход, - от начала к концу гильзы, а в качестве сопла используют трубу диаметром 1/2-3/4 дюйма.
2
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ производства передельных труб большого и среднего диаметров из сплавов на основе титана отличается тем, что для удаления окалины в качестве реагента используют инертный газ аргон под давлением 5-10 кгс/см, окалину удаляют вращательно-поступательным движением сопла за три прохода: первый проход от начала гильзы к концу, второй - от конца к началу и третий, чистовой проход, - от начала к концу гильзы, а в качестве сопла используют трубу диаметром 1/2-3/4 дюйма. 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».
2
2
Способ опробован на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами ОАО «ЧТПЗ» при прокатке передельных труб размером 260×45×5200 мм из титанового сплава ПТ 3В под механическую обработку - расточку и обточку на размер 245×30×2500 мм по ГОСТ 21945-76. В производство были заданы 10 кованых заготовок вакуумно-дугового переплава размером 410×100×1400 мм из сплава ПТ 3В. Данные по прокатке передельных труб размером 260×45×5200 мм из заготовок ВДП сплава ПТ 3В размером 410×100×1400 мм на ТПУ 8-16" с пилигримовыми станами для последующей механической обработки - расточки и обточки в товарные трубы размером 245×30×2500 мм по ГОСТ 21945-76 по существующей и предлагаемой технологиям приведены в таблице 1. Заготовки были нагреты в муфелях до температуры 1170-1180°C, прошиты в стане поперечно-винтовой прокатки на оправке диаметром 190 мм в гильзы размером 420×вн.205×1620 мм и прокатаны на пилигримовом стане в калибре 273 мм в передельные трубы размером 260×45×5200 мм. По существующей технологии продувку гильз после стана поперечно-винтовой прокатки производили сжатым воздухом из сети под давлением 5-7 кгс/см, а при прокатке по предлагаемой технологии - аргоном из баллонов под давлением 10 кгс/см.
Таблица 1
№ п/п
Вид технолог.
Марка сплава
Размер слитков (мм)
Размер гильз (мм)
Размер передельных труб (мм)
Толщина снимаемого слоя при расточке до удаления дефектов (мм)
Размер труб по ГОСТ 21945-76 (мм)
Средняя толщина снимаемого слоя при расточке до удаления дефектов (мм)
1
Сущест.
ТП 3В
410×100×1400
420×вн.205×1620
260×45×5200
7,0
245×30×2500
7,4
2
260×45×5200
8,0
3
260×45×5200
7,0
4
260×45×5200
7,0
5
260×45×5200
8,0
1
Предлаг.
ПТ 3В
410×100×1400
420×вн.205×1620
260×45×5200
6,0
245×30×2500
6,0
2
260×45×5200
6,0
3
260×45×5200
6,0
4
260×45×5200
6,0
5
260×45×5200
6,0
После прокатки передельные трубы размером 260×45×5200 мм были порезаны на мерные длины размером 260×45×2500 мм. Расточку труб, прокатанных по существующей технологии, производили до удаления внутренних дефектов в четыре прохода со съемом металла по проходам 3+3+1+1 мм, а труб, прокатанных по предлагаемой технологии, со съемом металла по проходам 2+2+1+1 мм. После каждого прохода производили осмотр внутренней поверхности труб. Средняя толщина снимаемого слоя до удаления дефектов при расточке труб, прокатанных по существующей технологии, составила 7,4 мм, а труб, прокатанных по предлагаемой технологии, 6,0 мм. При прокатке передельных труб размером 260×45 мм из титанового сплава ПТ 3В, по предлагаемой технологии, получено снижение залегания (распространения) дефектов на внутренней поверхности на 1,4 мм, что дает возможность с достоверной вероятностью снизить припуск по толщине стенки передельных труб под расточку на 1,0 мм.
Использование предлагаемого способа производства передельных труб большого и среднего диаметров из сплавов на основе титана позволит снизить толщину стенки, а следовательно, снизить расход сплавов на основе титана при одновременном улучшении качества внутренней поверхности передельных труб за счет снижения глубины залегания раковин и сетки трещин.