Способ изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам производства труб методом непрерывного и полунепрерывного литья. Техническим результатом изобретения является обеспечение получения плотной заготовки с однородной литой структурой и ровной поверхностью и уменьшение окисленности поверхности. В способе изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов, включающем получение расплава, подачу его в кристаллизатор, отливку трубной заготовки, механическую обработку поверхности и волочение, отливку трубной заготовки осуществляют сверху вниз на установке для вертикального литья в среде генераторного газа. Вторичное охлаждение заготовки проводят в водной среде, протягивая ее через камеру с проточной водой со скоростью, обеспечивающей на выходе температуру поверхности не выше 45°С. Волочение осуществляют на волочильном барабане в несколько стадий. Механическую обработку проводят после первой или второй, или третьей стадии волочения. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам производства труб методом непрерывного и полунепрерывного литья.

Существует большое число способов производства труб из различных материалов, отличающихся друг от друга операциями, режимами и оборудованием, применяемым при производстве труб. Различные технологические приемы направлены на повышение качества трубных изделий, а также связаны с функциональным назначением изготавливаемой трубы. Выбор способа изготовления труб зависит от физико-механических свойств металла, от размера труб и технических требований к их качеству, от состава и технологических возможностей оборудования, от объема выпуска продукции и т.д.

Известен способ полунепрерывного литья труб, включающий заливку металла в форму с непрерывной подачей графитизирующего модификатора на струю металла, срыв и извлечение трубы (US патент 3415307, 164-114, 1968). Известный способ применяют при производстве труб из чугуна с шаровидным графитом и низкокремнистого чугуна.

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает возможности корректировки хода технологического процесса в зависимости от возможных отклонений в исходных параметрах процесса. Кроме того, известный способ нельзя применять при изготовлении труб из цветных металлов.

Известен способ изготовления труб из металлов и сплавов, включающий прессование трубной заготовки и волочение ее после заковки захваток, при этом заготовку прессуют с утолщенной на переднем ее конце стенкой, а затем этот конец трубы заковывают для образования захватки для последующего волочения (SU авт. св. 211493, В 21 С 1/22, 1968). Известный способ позволяет повысить производительность процесса и увеличить выход годного за счет сокращения количества проходов и промежуточных отжигов при волочении заготовки, имеющей более тонкую стенку на основной длине заготовки и прочную захватку.

Недостатками известного способа являются увеличение доли отходов, приходящихся на концы и захватки, а также риск отрыва захваток в процессе волочения.

Известен способ изготовления труб, включающий прессование в воду на горизонтальных прессах заготовки диаметром 40-50 мм и с толщиной стенки 2,5-3,5 мм, свертка заготовки в бухту, волочение на самоустанавливающейся (плавающей) оправке в несколько проходов до конечных размеров труб, после которого осуществляют правку и резку на мерные длины (Технология обработки давлением цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1992, с.444). Указанный способ используют при производстве труб из меди, латуни разных марок, никелевых, медноникелевых, алюминиевых сплавов и других металлов и сплавов. Достоинством известного способа является его универсальность, возможность получать на одном и том же оборудовании трубы достаточно широкого сортамента как по размерам, так и по маркам обрабатываемых сплавов.

Недостатками известного способа являются повышенные потери металла на захватки, концы и относительно низкий выход годного и производительность.

Следует отметить также и то, что все вышеуказанные способы включают стадию прессования как один из этапов трубного производства. Однако это приводит к удорожанию процесса производства труб за счет высоких расходов на содержание прессового оборудования, повышенной энергоемкости производства. Кроме того, прессовое производство характеризуется низким выходом годного.

Наиболее близким техническим решением изобретения является способ изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов (Металлообработка. “Обогащение руд”. - “Цветные металлы”, специальный выпуск, 2001, июнь, с.85). Известный способ изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов включает получение расплава, подачу его в кристаллизатор, отливку трубной заготовки, волочение и механическую обработку поверхности. В качестве шихты используют медный лом, расплав которого из плавильной печи поступает в водоохлаждаемый графитовый кристаллизатор, при этом отливку трубной заготовки осуществляют методом полунепрерывного горизонтального литья. Отлитая трубная заготовка имеет длину от 15 до 20 м, при этом механическую (фрезерную) обработку внешней поверхности полой заготовки для удаления шероховатостей и окисленного слоя проводят перед операцией волочения.

Известный способ позволяет получать самую дешевую заготовку, т.к. ее получают из жидкого металла, минуя операцию получения слитка. При многоручьевом литье процесс получения заготовки достаточно производителен. Этот способ достаточно перспективен для изготовления труб из материалов, плохо обрабатывающихся давлением в горячем состоянии. Волочение труб в этом случае следует проводить в отрезках.

Недостатком известного способа является то, что горизонтальное литье приводит к образованию усадочных и газовых раковин, пузырей, рыхлости, а также образованию ликвационной неоднородности и внутренним напряжениям в верхней части готового изделия, что впоследствии может привести к образованию трещин при обработке изделий давлением. Кроме того, при горизонтальном литье качество литой заготовки ниже еще и по причине разнотолщинности стенок трубной заготовки вследствие влияния сил тяжести, что при последующей механической обработке ведет к снижению выхода годного проката. Следует отметить также и то, что попытки изменить положение фронта кристаллизации при горизонтальном непрерывном литье ведутся при помощи создания условий для неравномерного съема тепла в верхней и нижней частях кристаллизатора, что приводит к усложнению конструкции инструмента, но тем не менее не может приблизить плоскость фронта кристаллизации к вертикальной, т.е. перпендикулярной плоскости оси отливаемого изделия.

Технической задачей изобретения является упрощение процесса производства цельнотянутых труб из меди и ее сплавов, повышение качества и защита поверхности изделий от окисления.

Техническим результатом изобретения является обеспечение получения плотной заготовки с однородной литой структурой и ровной поверхностью, пригодной для последующей обработки на волочильном оборудовании, и уменьшение окисленности поверхности.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов, включающем получение расплава, подачу его в кристаллизатор, отливку трубной заготовки, механическую обработку поверхности и волочение, отливку трубной заготовки осуществляют сверху вниз на установке для вертикального литья в среде генераторного газа, а вторичное охлаждение проводят в водной среде, протягивая ее через камеру с проточной водой со скоростью, обеспечивающей на выходе температуру поверхности не выше 45°С, при этом волочение осуществляют в несколько стадий, а механическую обработку поверхности проводят после первой или второй или третьей стадии волочения.

Кроме того, согласно изобретению процесс волочения проводят на волочильном барабане.

Кроме того, согласно изобретению после окончания волочения проводят отжиг труб.

Способ изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов осуществляют следующим образом.

Процесс начинают с отливки трубной заготовки на установке для непрерывного вертикального литья, содержащей водоохлаждаемый кристаллизатор с графитовой втулкой и дорном. В металлоприемнике, в качестве которого можно использовать, например, плавильную тигельную печь, готовят расплав металла при температуре 1200-1300°С. Перед стартом расплав металла при указанной температуре выдерживают в печи в течение 2-4 мин, а затем направляют в кристаллизатор. Однако перед началом разливки металла проводят контроль химического состава и его доводку.

Жидкий металл заполняет графитовую оснастку, принимает требуемую форму трубы, кристаллизуется. С помощью тягового органа - тянущей клети трубную заготовку вытягивают из кристаллизатора вниз. Металлоприемник и кристаллизатор в процессе плавки и кристаллизации осуществляют одновременные колебательные движения (возвратно-поступательные) в вертикальном направлении для обеспечения равномерной кристаллизации. Формирующуюся заготовку вытягивают из кристаллизатора с постоянной скоростью. Кроме того, процесс получения расплава, кристаллизацию, а также вытягивание формирующейся трубной заготовки ведут в атмосфере генераторного газа, используемого в качестве защитной среды. После первичного охлаждения трубную заготовку протягивают через емкость с проточной водой для вторичного ее охлаждения со скоростью, обеспечивающей на выходе температуру поверхности не выше 45°С, и автоматически свертывают в бухты. Партии, насчитывающие 8-11 бухт, направляют на волочение, которое проводят в несколько стадий до получения заданных размеров труб на трубоволочильных станах с использованием самоустанавливающейся оправки или без нее. Процесс многостадийного волочения проводят на трубоволочильном стане, содержащем трубоволочильный барабан с волочильным захватом и ножницами для обрезки концов труб, размоточный и намоточный столы, скорость вращения которых синхронизирована со скоростью вращения волочильного барабана, заковочную машину. На таком стане бухта не накапливается на рабочем барабане, а непрерывно виток за витком сбрасывается в приемную кассету (корзину), находящуюся под барабаном. Это позволяет протягивать трубы большей длины, т.к. длина труб не ограничивается размерами барабана, а зависит только от длины заготовки и вместимости приемной кассеты (корзины). Перед волочением осуществляют подготовку труб к волочению, т.е. проводят заковку захваток в заковочной машине, затем корзины с бухтой от заковочной машины направляют к размоточному столу. Включают одновременно волочильный барабан, размоточный и намоточный столы и осуществляют волочение. Скорость вращения барабана устанавливают в зависимости от размера протягиваемой трубы или стадии волочения. Разгон барабана от нуля до рабочей скорости и изменение числа оборотов осуществляют плавно. При этом после первой или второй или третьей стадии волочения в зависимости от типа оборудования и размера готовых труб осуществляют механическую обработку внешней поверхности - скальпирование для удаления с нее шероховатостей и окисленного слоя. Как было указано выше, труба с размоточного стола поступает на волочильный барабан, а образующиеся на нем витки специальным приспособлением сталкиваются вниз и попадают в корзину намоточного стола, расположенную под барабаном. Перед попаданием трубы на намоточный стол обрезают захватки концов труб. После волочения протянутая труба находится в корзине намоточного стола под барабаном, а на размоточном столе корзина пустая. После окончания процесса волочения барабан и размоточный и намоточный столы останавливают. Трубоволочильный стан готов для волочения новой бухты. Трубы, получаемые волочением на волочильном барабане, поступают на склад в бухтах. В некоторых случаях для снятия внутренних напряжений их дополнительно подвергают после волочения отжигу.

Пример 1. Для осуществления способа изготовления труб из меди марки Ml в бухтах длиной до 2000 м с внешним диаметром, равным 6,35 мм, толщиной стенки 0,75 мм используют заготовку, которую отливают на установке для непрерывного вертикального литья, содержащую индукционную печь и водоохлаждаемый кристаллизатор, выполненный из меди с графитовым дорном и втулкой для формирования сечения литой заготовки. Медные катоды или шихту M1 загружают в индукционную печь, затем осуществляют нагрев до температуры 1300°С для получения расплава металла, который выдерживают 2 мин, а потом направляют в водоохлаждаемый кристаллизатор, при этом кристаллизатор и печь совершают возвратно-поступательные перемещения в вертикальном направлении. Процесс перехода металла в жидкую фазу и его кристаллизацию ведут в среде генераторного газа. Формируемую заготовку вытягивают из кристаллизатора в направлении сверху вниз с постоянной скоростью, равной 12 м/час. Первичное охлаждение трубной заготовки ведут в атмосфере генераторного газа, а вторичное охлаждение заготовки осуществляют в устройстве для охлаждения, протягивая ее через емкость с проточной водой с той же скоростью и получая на выходе температуру ее поверхности равную 45°С. Литую заготовку с размером внешнего диаметра, равным 36 мм, и внутренним диаметром, равным 28 мм, автоматически сворачивают в бухту. Затем осуществляют заковку захваток в заковочной машине и направляют литую заготовку на волочение, которое осуществляют на трубоволочильном стане, содержащем вертикально установленный волочильный барабан с размоточным и намоточным столами. Процесс волочения проводят с использованием плавающей оправки в десять стадий для получения заданного размера трубы, при этом усилие тяги стана составляет 7 тонн. После третьей стадии волочения осуществляют механическую обработку (скальпирование) поверхности полуфабриката для снятия шероховатостей и окисленного слоя. После окончания процесса волочения проводят обрезку захваток, бухты связывают, отжигают, продувают, протирают и сдают на склад. Полученные трубы обладают яркой, неокисленной поверхностью. Контроль поверхности среза готовых труб показывает отсутствие пор и трещин.

Пример 2. Для изготовления тонкостенной трубы из латуни марки Л63 в бухтах длиной до 700 м с внешним диаметром 15,88 мм и толщиной стенки 0,81 мм используют заготовку, полученную на установке для непрерывного вертикального литья, содержащую индукционную печь для получения расплава и кристаллизатор, выполненный из меди с графитовыми втулкой и дорном. Нагрев расплава в печи осуществляют до температуры 1220°С, который выдерживают 2 мин, после чего его направляют в кристаллизатор. Процесс расплавления металла и его кристаллизацию ведут в защитной среде генераторного газа, при этом печь и кристаллизатор совершают одновременные колебательные движения в вертикальном направлении. Тяговым органом вытягивают заготовку с постоянной скоростью, равной 11 м/час. Первичное охлаждение формирующейся заготовки осуществляют в среде генераторного газа, а вторичное охлаждение заготовки из латуни ведут в устройстве для охлаждения, протягивая литую заготовку с той же скоростью через емкость с проточной водой и получая на выходе температуру поверхности 42°С, после чего заготовку весом 252 кг и длиной 700 м сворачивают в бухту. Перед волочением осуществляют заковку захваток в заковочной машине.

Волочение ведут в семь стадий на трубоволочильном стане с усилием 7 тонн, содержащем волочильный барабан с размоточным и намоточным столами без оправки. После третьей стадии волочения осуществляют механическую обработку (скальпирование) поверхности. После окончания волочения обрезают захватки, продувают сжатым воздухом, протирают поверхности готовых труб и в бухтах направляют на склад. Готовые трубы имеют яркую, неокисленную поверхность. Контроль качества структуры показывает отсутствие пор и трещин.

Способ изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов согласно изобретению позволяет уменьшить по сравнению с прототипом отклонения по толщине в два раза и обеспечить однородность структуры готовой продукции и увеличить выход годного до 76%.

Таким образом, изобретение позволяет улучшить качество готовых труб за счет получения методом вертикального литья плотного исходного слитка с однородной структурой, с хорошей поверхностью и минимальными отклонениями по толщине стенок, что при последующей механической обработке ведет к увеличению выхода годного проката.

Формула изобретения

1. Способ изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов, включающий получение расплава, подачу его в кристаллизатор, отливку трубной заготовки, механическую обработку поверхности и волочение, отличающийся тем, что отливку трубной заготовки осуществляют сверху вниз на установке для вертикального литья в среде генераторного газа, проводят вторичное охлаждение заготовки в водной среде, протягивая ее через камеру с проточной водой со скоростью, обеспечивающей на выходе температуру поверхности не выше 45°С, при этом волочение осуществляют в несколько стадий, а механическую обработку проводят после первой, или второй, или третьей стадии волочения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс волочения проводят на волочильном барабане.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после окончания волочения дополнительно проводят отжиг труб.