способ центробежной отливки длинномерных тонкостенных стальных труб

Формула изобретения

Способ центробежной отливки длинномерных тонкостенных стальных труб, включающий нанесение на внутреннюю поверхность изложницы теплоизоляционного материала, заливку металла с помощью короткого литникового желоба в форму с горизонтальной осью вращения, отличающийся тем, что теплоизоляционное покрытие из противопригарной краски наносят толщиной слоя 0,0007-0,0015 м на внутреннюю поверхность изложницы, нагретую с нарастающей температурой по ее длине с 200°С у заливочного конца до 300°С у незаливочного ее 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.

Описание изобретения к патенту

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,

K= ²R/g,

где

- угловая скорость, 1/сек

R - радиус отливки, м

g - ускорение силы тяжести, м/сек²

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.

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 м³/сек на 1 м диаметра отливки, частота вращения формы соответствует гравитационному коэффициенту 75-200 и термическое сопротивление теплоизоляционного покрытия составляет 0,01-0,02 м² 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.

- применение краски с высокой толщиной слоя 0,002 м (термическое сопротивление 0,015 м² 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.

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_ликв+200°С в соответствии с химическим составом металла каждой трубы (Таблица 1), т.е. Т_зал=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	Tлик
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, в, МПа (Кгс/мм2)	Предел текучести, 0,2, МПа (Кгс/мм2)	Относительное удлинение, , %	Относительное сужение, , %
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.

Гидроиспытания сварных соединений труб при давлении 19,6 МПа (200 кгс/см²) 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.