способ прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана

Формула изобретения

1. Способ прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана, включающий нагрев сверленых слитков и заготовок в муфелях до температуры пластичности, прошивку их в стане косой прокатки в гильзы на короткой оправке с подстуживанием наружной поверхности слитков и заготовок перед прошивкой, отличающийся тем, что подстуживание слитков и заготовок осуществляют при их вращении, естественным путем на воздухе с продолжительностью

t=0,45·D _заг,

где t - время подстуживания, с;

D _заг - наружный диаметр слитков и заготовок, мм;

или принудительно, газообразным веществом, химически нейтральным по отношению к сплавам на основе титана, путем подачи его на поверхность вращающихся слитков и заготовок с продолжительностью

t=95·D_заг·C,

где D_заг - наружный диаметр слитков и заготовок, м;

С - скорость потока газообразного вещества, м/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость вращения слитков и заготовок составляет 2-5 об/мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость потока газообразного вещества составляет 2-3 м/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к способу прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана, и может быть использовано при производстве передельных труб большого и среднего диаметров из сплавов на основе титана на трубопрокатных установках с пилигримовыми станами.

В практике трубного производства известен способ прошивки слитков и заготовок из сплава 14 для прокатки передельных труб размером 492×48, 485×36 и 398×46 мм под механическую обработку на размер 474×29,5, 467×16 и 377×24 мм на трубопрокатной установке с пилигримовыми станами 8-16" ОАО "ЧТПЗ", включающий нагрев в муфелях сверленых слитков и заготовок сплава 14 до температуры 1155-1180°С, транспортировку их к прошивному стану, прошивку в гильзы в рабочих валках с постоянным углом наклона и направляющими валками (ТУ 14-3-1218-83 "Трубы бесшовные горячедеформированные обточенные и расточенные из сплава 14". ТИ 158 - Тр. ТБ1-54-97 "Изготовление бесшовных горячедеформированных труб из сплава 14 по ТУ 14-3-1218-83".

Недостатком указанного способа является то, что при прошивке в двухвалковом стане винтовой прокатки с направляющими валками гильзы часто застревали (закатывались) на оправке. Это явление связано с высокими пластическими свойствами данного сплава, низким сопротивлением деформации, относительно малыми тянущими усилиями валков в конусе прошивки, а также повышенным сопротивлением внедрению оправки. Чтобы увеличить тянущие усилия в конусе прошивки, приходилось сводить валки, что, в свою очередь, приводило к увеличению обжатия по диаметру и, как следствие, к затеканию сплава за реборды валков и прекращению процесса прошивки (А.В.Сафьянов, О.Г.Хохлов-Некрасов, Л.И.Лапин. "Сталь", 1992, №9, с.61).

В трубном производстве известен способ прошивки слитков и заготовок из титанового сплава 14, включающий нагрев в муфелях сверленых слитков и заготовок до температуры 1155-1180°С, транспортировку их к прошивному стану, прошивку их в гильзы в стане косой прокатки с рабочими и направляющими валками с постоянными углами наклона, а для увеличения трения между валками и заготовкой, а следовательно, увеличения тянущих усилий на рабочих валках в конусе прошивки наплавляют шипы, которые имеют форму полусфер высотой 2,0-2,5 мм, а в основании - окружность диаметром 8-10 мм (А.В.Сафьянов, О.Г.Хохлов-Некрасов, Л.И.Лапин. "Сталь", 1992, №9, с.61).

Недостатком указанного способа является то, что при прошивке слитков и заготовок с температурой нагрева выше 1160°С гильзы также часто застревали на оправке. Чтобы увеличить тянущие усилия в конусе прошивки приходится сводить валки, что приводит к увеличению обжатия по диаметру и неравномерности диаметра по длине гильз, а при прокатке гильз с повышенным диаметром на пилигримовом стане из-за переполнения калибра и наличия газонасыщенного слоя образуются дефекты, глубина которых превышает допустимые пределы при механической обработке (обточке и расточке) и как, следствие, к браку готового изделия или переточки на меньшую стенку при наличии попутчиков.

Наиболее близким техническим решением является способ прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана, включающий нагрев сверленых слитков и заготовок в муфелях до температуры пластичности (1155-1180)°С, прошивку их в стане косой прокатки в гильзы на короткой оправке в валках с наплавленными в конусе прошивки шипами, которые имеют форму полусфер высотой 2,0-2,5 мм, а в основании - окружность диаметром 8-10 мм с подстуживанием наружной поверхности слитков и заготовок перед задачей в прошивной стан в течение 3-5 минут (ТИ 158-Тр. ТБ 1-64-2002 " Изготовление бесшовных горячедеформированных труб из сплава 14 по ТУ 14-3-1218 и ТУ 14-3-1236-83". А.В.Сафьянов, О.Г.Хохлов-Некрасов, Л.И.Лапин. "Сталь", 1992, №9, с.61-62).

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Данный способ не гарантирует повышение одинаковой прочности наружных слоев по периметру и длине слитков- заготовок, а следовательно, и повышение коэффициента трения между поверхностными слоями сплава и рабочими валками при естественном подстуживании на воздухе без учета геометрических размеров слитков-заготовок и скорости их вращения относительно оси. Время подстуживания слитков-заготовок на задающих лапах в течение 3-5 минут без вращения относительно оси и без учета геометрических размеров приводит к одностороннему неравномерному подстуживанию их по периметру и длине и, как следствие, к неравномерной деформации их в процессе прошивки, т.е. к увеличению коэффициента скольжения участков слитков-заготовок с меньшей прочностью наружных слоев слитков-заготовок, а следовательно, к увеличению их пластичности и появлению вероятности их пробуксовки относительно рабочих валков. При появлении пробуксовок, чтобы увеличить тянущие усилия, т.е. увеличить контактную поверхность между валками и слитком-заготовкой, в каждом случае приходится сводить валки, т.е. изменять настройку. Очень часто наблюдались случаи, когда в результате сведения рабочих валков на слитках-заготовках образуется пережим, часть объема сплава затекает за реборды валков и процесс прекращался. Данное явление объясняется тем, что при температуре 1155-1180°С сплавы на основе титана имеют максимальную пластичность и низкий коэффициент трения, а неравномерность подстуживания наружной поверхности по периметру и длине слитков-заготовок приводит к разной прочности наружных слоев, а следовательно, к появлению проскальзываний по периметру и длине гильзы-заготовки. При снижении осевой скорости гильз-заготовок вальцовщик начинает сводить валки, чтобы увеличить обжатие, а следовательно, коэффициент трения и осевую скорость гильз-заготовок. В некоторых случаях это помогает, а т.к. сплавы на основе титана являются пластичными материалами, то наступают такие моменты, когда гильза-заготовка получает форму рюмки, т.е. при повышенных обжатиях сплав затекает за реборды валков и процесс прошивки прекращается. Такие гильзы-ступы очень сложно удалять из валков прошивного стана и они уже являются окончательным браком, т.е. идут в расходный коэффициент, а следовательно, повышают стоимость передельных труб-заготовок.

Целью предложенного способа является исключение пробуксовок слитков-заготовок из сплавов на основе титана в очаге прошивки стана косой прокатки за счет равномерного по периметру и длине слитков-заготовок коэффициента трения, исключения брака в виде застрявших в стане гильз-ступ, повышение производительности стана косой прокатки за счет исключения времени остановок стана на удаление (извлечение) гильз-ступ из стана и снижение расходного коэффициента сплава при переделе слиток-заготовка - передельная труба из сплава на основе титана.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана, включающем нагрев сверленых слитков и заготовок в муфелях до температуры пластичности, прошивку их в стане косой прокатки в гильзы на короткой оправке с подстуживанием наружной поверхности слитков и заготовок перед прошивкой, подстуживание слитков и заготовок осуществляют при их вращении естественным путем на воздухе с продолжительностью t=0,45·D_заг, где t - время подстуживания, сек; D_заг - наружный диаметр слитков и заготовок, мм; или принудительно газообразным веществом, химически нейтральным по отношению к сплавам на основе титана, путем подачи его на поверхность вращающихся слитков и заготовок с продолжительностью t=95·D_заг·С, где D_заг - наружный диаметр слитков и заготовок, м; С - скорость потока химически нейтрального газообразного вещества, м/сек, скорость вращения слитков и заготовок составляет 2-5 оборотов в минуту, а скорость подачи газообразного вещества составляет 2-3 м/сек.

Сущность процесса заключается в том, что предлагаемый способ прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана позволяет равномерно подстуживать (охлаждать) естественным и принудительным способом их наружную поверхность перед прошивкой на 50-80°С, за счет чего снизить пластичность поверхностных слоев, а следовательно, увеличить коэффициент трения и исключить застревание (закатку) гильз на оправках и вести процесс прошивки без изменения настройки прошивного стана.

Естественное подстуживание слитков сплава 14 размером 585-650×100×1750 мм в течение 3-5 минут на лапах прошивного стана без кантовки (вращения) приводит к неравномерному охлаждению по окружности и длине, т.к. верхняя часть наружной поверхности слитков охлаждается более интенсивно, чем поверхность, направленная в сторону приемного желоба прошивного стана, имеющего температуру порядка 400-500°С. Прошивка таких слитков приводит к неравномерной деформации их по сечению, пробуксовке гильз-слитков в очаге деформации, к искривлению гильз и застреванию гильз-слитков (ступ) в прошивном стане. Теоретически обоснованная продолжительность естественного и принудительного охлаждения с вращением слитков-заготовок относительно оси позволяет получать однородную пластичность по окружности и длине, увеличить коэффициент трения и вести процесс прошивки без пробуксовки и закатки гильз на оправках, а принудительное подстуживание газообразным веществом, химически нейтральным по отношению к сплавам на основе титана при температуре 1155-1180°С позволяет снизить время подстуживания в 1,5 раза и исключить процесс газонасыщения сплавов на основе титана, снизить величину альфированного слоя, а следовательно, величину дефектов в виде рванин при прошивке и последующей прокатке передельных труб на пилигримовом стане.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана отличается тем, что подстуживание слитков и заготовок осуществляют при их вращении естественным путем на воздухе с продолжительностью t=0,45·D _заг, где t - время подстуживания, сек; D_заг - наружный диаметр слитков и заготовок, мм; или принудительно газообразным веществом, химически нейтральным по отношению к сплавам на основе титана, путем подачи его на поверхность вращающихся слитков и заготовок с продолжительностью t=95·D_заг ·С, где D_заг - наружный диаметр слитков и заготовок, м; С - скорость потока химически нейтрального газообразного вещества, м/сек, скорость вращения слитков и заготовок составляет 2-5 оборотов в минуту, а скорость подачи газообразного вещества составляет 2-3 м /сек. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Способ был опробован на трубопрокатной установке 8-16" с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ". По данному способу впервые в сентябре 2004 г. прокатаны промышленные партии передельных труб размером 492×48×7500 мм для изготовления путем механической обработки (обточки и расточки) баллонных заготовок размером 474×29,5×3550+100 мм.

На ТПА с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ" была прокатана промышленная партия передельных труб размером 492×48×7500 мм из сплава 14 для изготовления баллонной заготовки размером 474×29,5×3550+100 мм по существующей и предлагаемой технологиям. В производство было задано 20 заготовок, которые были прошиты в гильзы (по 10 штук) по существующей и предлагаемой технологиям. Данные по нагреву, прошивке и прокатке передельных труб размером 492×48×7500 мм из слитков размером 650×100×1750 мм сплава 14 для изготовления путем механической обработки (обточки и расточки) баллонной заготовки размером 474×29,5×3550+100 и 472×27,0×3550+100 мм приведены в таблице. Из таблицы видно, что при прокатке передельных труб по существующей технологии слитки были нагреты в методической печи до температуры 1160-1180°С. Перед прошивным станом слитки подстуживались (охлаждались) без вращения в течение 4 минут (240 секунд) и прошивались на оправке диаметром 420 мм в гильзы размером 650×107,5×3100 мм. При прошивке всех слитков, чтобы исключить пробуксовку гильз-слитков, приходилось сводить рабочие валки. В одной гильзе закатало оправку, т.е. даже при увеличении обжатия по диаметру процесс был прекращен из-за пробуксовки и закатке оправки в гильзе. Гильза-ступа была выброшена из стана и переведена в брак. Время извлечения гильзы-ступы из стана и время последующей его настройки составило 55 минут, т.е. 55 минут ТПА 8-16" не работал. Из-за перенастройки стана в процессе прошивки, т.е. сведения и разведения валков на гильзах наблюдалось повышенное количество дефектов в виде рванин и плен. Из-за дефектов три крата были переточены на размер 474×27,0×3550 мм, а один крат на размер 467×16,0×3440 мм. Расходный коэффициент сплава по данной партии труб составил 2,163. По предлагаемой технологии слитки были нагреты в методической печи до температуры 1160-1180°С. Перед прошивкой слитки подстуживались (охлаждались) с эмитацией вращения путем поворота (качания) на лапах прошивного стана на угол 180° через 25-30 секунд в течение 295 секунд (согласно п.1 формулы изобретения). При прошивке слитков замечаний не было. Перенастройка стана не производилась. Пробуксовок слитков и гильз в очаге деформации не наблюдалось. По предлагаемой технологии прошито 10 гильз, из которых прокатано 10 труб, размечено и сдано 20 кратов (баллонных заготовок) размером 474×29,5×3550 мм. Принудительное подстуживание ввиду отсутствия системы подачи газообразного вещества, химически нейтрального к сплавам на основе титана и механизма вращения заготовок перед прошивным станом, не производили. Если использование п.1 формулы изобретения дало положительные результаты, то использование пп.2 и 3 даст возможность сократить время подстуживания слитков-заготовок из сплавов на основе титана в 1,5 раза и снизить количество и размеры дефектов (рванин) при прошивке за счет снижения толщины альфированного (газонасыщенного) поверхностного слоя за счет подачи на горячую поверхность слитков-заготовок нейтральных охладителей.

Таким образом, результаты проведенного эксперимента подтвердили теоретические обоснования и правомерность формулы изобретения "Способ прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана" за счет расчетной продолжительности естественного и принудительного подстуживания слитков и заготовок перед прошивным станом в зависимости от их геометрических размеров, скорости вращения слитков и заготовок и скорости подачи охладителя при принудительном охлаждении.

Использование предложенного способа прошивки слитков и заготовок из сплавов на основе титана для прокатки передельных труб большого и среднего диаметров на ТПА 8-16" с пилигримовыми станами ОАО "ЧТПЗ" позволит повысить производительность стана косой прокатки за счет снижения или полного исключения пробуксовок гильз и их застревания в стане, снизить расходный коэффициент сплава за счет снижения количества трещин и глубины их проникновения в тело гильз, а следовательно, снизить стоимость передела передельных труб из сплавов на основе титана.

Таблица Данные по прошивке и прокатке передельных труб размером 492×48×7500 мм из слитков размером 650×100×1750 мм сплава 14 для изготовления баллонной заготовки размером 474×29,5×3550+100 и 474×27×3550+100 мм

Вид технолог.

Размер слитков

Прокатано слитков

Темп. слит. на выдаче

Прошивка гильз

Прокатано труб

Сдано кратов

Раходн. коэффиц металла.

Размер гильз

Диам. оправ.

Замечания при прошивке

Время охлажд. наруж.

Размер труб

Колич. труб

поверх.

мм

шт.

тонн

град

мм

мм

мм

сек

мм

шт.

шт.

тонн

-

Существ.

650×100 ×1750

10

25,48

1160-1180

650×107,5×3100

420

При прошивке на всех гильзах сводили валки. В одной гильзе закатали оправку

240

492×48×7500

9

474×29,5-14 кратов 474×27,0-4 крата

12,04

2,116

Предлаг.

650×100×1750

10

25,48

1165-1180

650×107,5×3100

420

Настройку прошивного стана не меняли

295 с кантов. на лапах на 180° через 30 секунд

492×48×7500

10

474×29,5-20 кратов

13,61

1,872

Примечание к таблице: Расходный коэффициент сплава 14 от слитков до труб-кратов после обточки и расточки по существующей технологии составил 2,116, а по предлагаемой 1,872, т.е. получено снижение сплава на 244 кг на каждой тонне труб-кратов для изготовления баллонов.