Способ центробежной отливки тонкостенных труб из жаропрочных сплавов

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при отливке тонкостенных труб из сложнолегированного жаростойкого жаропрочного сплава 50Х32Н43В5С2Б2, в частности труб диаметром 0,076-0,159 м, толщиной стенки 0,008-0,014 м и длиной 3,0 м. На внутреннюю поверхность формы наносят теплоизоляционный материал слоем толщиной 0,0007-0,0012 м. Выпущенный из печи в ковш металл заливают в форму, нагретую до температуры 150-250°C и вращающуюся со скоростью, соответствующей величине гравитационного коэффициента, равного 70-160, на внутренней поверхности отливки. Выпуск металла из печи в ковш производят при температуре в пределах [Тлик+k1⋅(1695-Тлик)]°C, где Тлик - температура ликвидуса металла, k1 - эмпирический коэффициент, равный 0,78…1,00. Заливку металла в форму осуществляют с массовой скоростью 8-16 кг/с и температурой в пределах [Tлик+k2⋅(1595-Tлик)]°C, где k2 – эмпирический коэффициент, равный 0,77…1,00. Обеспечивается получение труб с плотной и однородной структурой, обладающих высокими кратковременными и длительными механическими характеристиками. 3 табл.

 

Изобретение относится к литейно-металлургическому производству и может быть использовано при отливке методом центробежного литья тонкостенных труб из сложнолегированных жаростойких жаропрочных сплавов типа 50Х32Н43В5С2Б2, в состав которых вводятся тугоплавкие элементы (ниобий, вольфрам, молибден). Данные сплавы и изготавливаемые из них трубы нашли применение в нефтехимии в качестве радиантных труб печных агрегатов, температура эксплуатации которых составляет 850-1100°С.

Рассматриваемые сплавы имеют повышенный уровень жаропрочности при температурах эксплуатации, высокую стойкость к окислению и сопротивление науглероживанию. При комнатной температуре сплавы характеризуются удовлетворительной пластичностью (относительное удлинение при испытаниях на статическое растяжение находится на уровне 5-7%) и обычно используются в литом состоянии.

Для выплавки жаростойких жаропрочных хромоникелевых сплавов и сталей используются индукционные печи с основной футеровкой. При выплавке сплавов компоненты состава вводятся как в виде ферросплавов, так и чистом виде (хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден). Необходимость введения металлов в чистом виде связана с ограничением содержания в сплавах железа, вредных примесей и неметаллических включений, ухудшающих структуру стенки трубы и понижающих жаропрочность металла. Изготовление центробежно-литых труб из рассматриваемых сплавов сопровождается возникновением таких дефектов, как пористость со стороны внутренней поверхности, спаи и неслитины на внешней поверхности, неметаллические включения по сечению отливки, а также формированием разориентированной дендритной структуры, обуславливающей снижение механических характеристик, особенно при длительном статическом нагружении при повышенных температурах (жаропрочность).

Известен способ центробежного литья трубных заготовок [1], который может быть использован при центробежной отливке тонкостенных трубных заготовок большого диаметра, в частности труб из стали 15Х1М1Ф для паропроводов энергоблоков и насадок горелок котлоагрегатов из стали 03Х23Н26Ю5Т. Отношение длины к наружному диаметру трубных заготовок, отливаемых указанным способом, составляет 5-20, что ограничивает его применение при изготовлении радиантных труб, наружный диаметр которых менее 0,15 м при длине заготовки 3 м.

Наиболее близок к заявленному изобретению (прототип) способ центробежной отливки длинномерных тонкостенных стальных труб [2], 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. Указанный способ применим 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 из таких сталей, как 04Х14Н19ЮТ, 08Х18Н10Т, 45Х25Н20С2Л, 20Х25Н19С2Л, Х23Н18Л и ряда других.

Однако применение способа [2] при изготовлении труб из сложнолегированных сплавов типа 50Х32Н43В5С2Б2 приводит к появлению следующих недостатков:

- пористость металла по сечению трубы;

- превышение глубины дефектного слоя на внутренней поверхности трубы величины припуска на механическую обработку;

- снижение кратковременных и длительных механических характеристик металла труб.

Возникновение указанных недостатков связано со следующими причинами:

- отсутствие требований к температуре нагрева расплава в печи при выплавке сплавов, что особенно важно для улучшения качества расплава;

- недостаточный перегрев расплава при его заливке при расчете по приведенному в [2] условию, связанный с тем, что рассматриваемые многокомпонентные сплавы имеют пониженную температуру ликвидуса и пониженную вязкость расплава;

- высокая скорость заливки металла, которая при отливке труб длиной 3 м приводит к объемной кристаллизации металла и формированию разориентированной структуры, в которой присутствуют поры и неметаллические включения.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в устранении указанных недостатков, повышении надежности технологического процесса при изготовлении тонкостенных труб из сплавов типа 50Х32Н43В5С2Б2 с гарантированной плотной и однородной структурой, обладающих высокими кратковременными и длительными механическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе центробежной отливки тонкостенных труб из сплава 50Х32Н43В5С2Б2, включающем нанесение на внутреннюю поверхность формы теплоизоляционного материала слоем толщиной 0,0007-0,0012 м, выпуск металла из печи в ковш, заливку металла с массовой скоростью 8-16 кг/с в форму, нагретую до температуры 150-250°С и вращающуюся вокруг горизонтальной оси со скоростью, соответствующей величине гравитационного коэффициента, равного 70-160, на внутренней поверхности отливки, выпуск металла из печи в ковш осуществляют при температуре [Тлик+k1⋅(1695-Тлик)]°С, а заливку металла из ковша в форму при температуре [Тлик+k2⋅(1595-Тлик)]°С, где Тлик - температура ликвидуса металла, k1=0,78…1,00, k2=0,77…1,00 - эмпирические коэффициенты, определяющие степень перегрева металла выше температуры ликвидуса.

Нагрев металла в печи до температуры [Тлик+k1⋅(1695-Тлик)]°С, где Тлик - температура ликвидуса металла, k1=0,78…1,00, обеспечивает полное растворение неметаллических включений и гомогенизацию расплава, а также сохранение необходимого перегрева в процессе транспортировки жидкого металла в ковше до заливочной воронки машины центробежного литья. Снижение температуры нагрева ниже указанного в формуле диапазона приводит к активации центров объемной кристаллизации, в результате которой с внутренней стороны трубы формируется дефектный слой, превышающий припуск на механическую обработку. Нагрев выше диапазона приводит к насыщению металла кислородом и азотом и понижению длительной прочности металла, а также разрушению футеровки печи.

Нагрев формы до температуры 150-250°С обеспечивает оптимальные условия долговечной эксплуатации металлической формы и тепловые условия направленной кристаллизации металла трубы. Нагрев менее 150°С приводит к тепловому удару при заливке расплавленного металла и повышенному износу формы. При нагреве свыше 250°С при кристаллизации металла возникает встречный фронт с внутренней поверхности отливки, приводящий к появлению дефектного слоя в сечении стенки трубы.

Нанесение на внутреннюю поверхность формы теплоизоляционного материала слоем толщиной 0,0007-0,0012 м обеспечивает стойкость теплоизоляционного покрытия и оптимальные условия отвода тепла при кристаллизации металла в форме. При толщине слоя менее 0,0007 м происходит размытие теплоизоляционного материала и припаивание отливки к поверхности формы. При толщине слоя более 0,0012 м уменьшается скорость отвода тепла и не обеспечиваются условия направленной кристаллизации металла, что приводит к появлению пористости металла.

Заливка металла с массовой скоростью 8-16 кг/с при изготовлении труб длиной 3 м обеспечивает равномерное заполнение формы, создает условия для направленного затвердевания металла по сечению трубы от наружной поверхности. Заливка со скоростью менее 8 кг/с приводит к образованию неслитин и спаев на наружной поверхности трубной заготовки. Заливка со скоростью более 16 кг/с приводит к появлению встречного фронта кристаллизации с образованием пористого металла в сечении трубы.

Заливка металла с температурой [Тлик+k2⋅(1595-Тлик)]°С, где k2=0,77…1,0, обеспечивает формирование направленной кристаллизации отливки. Снижение температуры металла при заливке ниже указанного в формуле диапазона приводит при его кристаллизации в изложнице к формированию разориентированной дендритной структуры, имеющей пониженные механические характеристики. Температура выше диапазона приводит к размытию противопригарной краски со стороны заливочного конца трубы и возникновению усадочных трещин при охлаждении трубы.

Скорость вращения формы вокруг горизонтальной оси, обеспечивающая величину гравитационного коэффициента k=70-160 на внутренней поверхности отливки (k=ω2r/g, где ω - угловая скорость вращения формы, рад/с, ω=2πn, где n - частота вращения формы, 1/с, r - радиус вращения точки расплава, g≈9,8 м/с2 - ускорение свободного падения) обеспечивает формирование плотной структуры металла трубы. При величине k на внутренней поверхности менее 70 толщина дефектного слоя увеличивается свыше припуска на механическую обработку в связи с увеличением количества невсплывших неметаллических и шлаковых включений в металле. При величине k свыше 160 происходит размытие слоя противопригарного покрытия, припаивание отливки к форме, а также образование поперечных трещин.

В ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» предлагаемое изобретение было реализовано в условиях опытного металлургического производства при изготовлении труб из жаростойкого жаропрочного сплава 50Х32Н43В5С2Б2 для печей пиролиза этилена. Выплавка металла производилась в индукционной печи ИСТ-0,25, изготовление труб на машине центробежного литья В5-3000 фирмы . Были изготовлены трубы длиной 3 м наружным диаметром 125 мм и толщиной стенки 14 мм. В таблице 1 приведен химический состав металла труб и температура ликвидуса (Тлик), определение которой было произведено методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на приборе синхронного термического анализа «Netzsch STA 449F1 Jupiter», Германия. Трубы изготавливались на технологических режимах, соответствующих прототипу [2] и предлагаемому способу. Технологические параметры режимов изготовления труб приведены в таблице 2.

Изготовленные трубы были подвергнуты контролю и испытаниям в соответствии с требованиями ТУ 1333-048-07516250-2010 на радиантные трубы, а также дополнительным испытаниям на длительную прочность и ползучесть по ГОСТ 10145-81 и ГОСТ 3248-81. Результаты испытаний, приведенные в таблице 3, показывают, что трубы, изготовленные по предлагаемому способу, удовлетворяют требованиям технических условий, металл труб имеет высокие показатели прочности при комнатной температуре и повышенный уровень жаропрочности при рабочих температурах по сравнению с металлом трубы, изготовленной на режимах, соответствующих прототипу.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом выражается в повышении служебных характеристик центробежно-литых труб и в снижении количества брака при их изготовлении.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1316747, кл. B22D 13/00, 1987 г.

2. Патент РФ 2388575, кл. B22D 13/00, 2010 г.

Способ центробежной отливки тонкостенных труб из сплава 50Х32Н43В5С2Б2, включающий нанесение на внутреннюю поверхность формы теплоизоляционного материала слоем толщиной 0,0007-0,0012 м, выпуск металла из печи в ковш, заливку металла с массовой скоростью 8-16 кг/с в форму, нагретую до температуры 150-250°С и вращающуюся вокруг горизонтальной оси со скоростью, соответствующей величине гравитационного коэффициента, равного 70-160, на внутренней поверхности отливки, при этом выпуск металла из печи в ковш осуществляют при температуре [Тлик+k1⋅(1695-Тлик)]°С, где Тлик - температура ликвидуса металла, к1 - эмпирический коэффициент, равный 0,78…1,00, а заливку металла из ковша в форму осуществляют при температуре [Тлик+k2⋅(1595-Тлик)]°С, где k2 - эмпирический коэффициент, равный 0,77…1,00.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке металлов давлением и металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к способам изготовления кольцевых полуфабрикатов, и может быть использовано в машиностроении для получения цельных полуфабрикатов в виде крупногабаритных втулок (бандажей), т.е.

Изобретение относится к области изготовления тонкостенных высокопрочных корпусов с использованием электрошлаковой технологии получения стальных трубных заготовок с тонкой стенкой.

Изобретение относится к технологии центробежного литья заготовок. .

Изобретение относится к космической технологии и может быть применено для изготовления бесшовных цилиндрических оболочек, используемых в качестве основы для строительства жилых, производственных и складских помещений.
Изобретение относится к литейному производству. .

Изобретение относится к изготовлению стальной трубной заготовки методом центробежного литья с упрочнением внешней, внутренней или одновременно двух поверхностей.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к центробежному способу литья биметаллических заготовок с осевой полостью, например мелющих валков, применяемых в пищевой промышленности - мукомольной (размол зерен пшеницы и ржи), пивоваренной (размол солода), кондитерской (размол кофе, какао бобов) и др.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к центробежному литью чугунных валков. .

Изобретение относится к способам центробежного литья металла В 22 D 13/10 и позволяет быстро изменять форму при конвейерном изготовлении корпусов средств транспорта и более простых конструкций как в единичном, так и во многих экземплярах.

Изобретение относится к составным валкам, используемым при прокатке. Центробежнолитой составной валок содержит внешний слой, полученный из чугуна, содержащего, мас.%: 2,7-3,5 C, 1,5-2,5 Si, 0,4-1,0 Mn, 3,7-5,1 Ni, 0,8-2,2 Cr, 1,5-4,5 Mo, 2,0-4,5 V и 0,5-2,0 Nb, остальное Fe и неизбежные примеси, причем массовое отношение Nb/V составляет 0,18-0,65, а массовое отношение Mo/V составляет 0,7-2,5, при этом структура чугуна включает в расчете на площадь 15-45% фазы цементита и 1-10% фазы графита, и внутренний слой, полученный из ковкого чугуна, металлургически связанного с внешним слоем; при этом подходящая для использования при прокатке область внешнего слоя глубиной, составляющей 10 мм и более, от поверхности не содержит сегрегированных дендритов бейнита и/или мартенсита, имеющих диаметры, составляющие 1,5 мм и более. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 табл., 7 ил.

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению электродов из сплавов на основе алюминида титана. Способ включает получение литого интерметаллидного полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси при следующем соотношении компонентов, вес.%: целевой состав 57,5 - 62,0, энергетическая добавка 35,0-40,0, флюс CaF2 2,5-5,0, и последующий вакуумный индукционный переплав полученного полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле с введением в расплав за 1-2 минуты до его разливки в кристаллизатор порошковой лигатуры, состоящей из прессованной смеси алюминия с нанопорошком с удельной поверхностью 5÷30 м2/г, в количестве, обеспечивающем содержание 0,5-7 об.% нанопорошка в расплаве, при этом в качестве целевого используют смесь порошков TiO2, Ti, Al, Ca, Nb2O5 и Cr2O3, а в качестве энергетической добавки смесь порошков CaO2 и Al. Изобретение позволяет разработать интегральную технологию получения электродов из сплавов на основе алюминида титана путем центробежной атомизации материала электродов и получения гранул для аддитивных 3d-технологий спекания сложнопрофильных изделий из жаропрочных металлических материалов. 2 з.п. ф-лы, 10 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области изготовления биметаллических втулок и подшипников скольжения с антифрикционным покрытием. Способ включает изготовление стальной заготовки, засыпку в нее шихты, состоящей из стружки наплавленной антифрикционной бронзы, смешанной с флюсом, герметизацию заготовки с помощью двух технологических крышек, закрепление заготовки в центрах установки для биметаллизации, осуществление вращения заготовки с нагревом ее поверхности токами высокой частоты (ТВЧ) посредством индуктора ТВЧ до температуры плавления шихты, изотермическую выдержку и охлаждение, при этом в процессе нагрева и изотермической выдержки осуществляют продольное перемещение заготовки относительно индуктора ТВЧ, а время нагрева Т поверхности заготовки до упомянутой температуры задают в соответствии с выражением Т=245,6*ехр(-8,77*Q) сек, где Q - удельная мощность нагрева, кВт/см3. Использование изобретения позволяет за счет равномерного нагрева заготовки повысить качество наплавленного слоя при биметаллизации втулок. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к литейному производству. Способ включает введение дисперсных частиц карбида вольфрама в литейную форму, вращение литейной формы со скоростью 800 об/мин, при которой осуществляется равномерное распределение частиц по всей поверхности формы, и заливку расплава стали в форму. После затвердевания расплава извлекают отливку, имеющую упрочненный карбидом вольфрама внешний слой. Стальные тонкостенные трубные заготовки имеют высокую твердость и износостойкость. 1 ил., 1 пр.

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при отливке тонкостенных труб из сложнолегированного жаростойкого жаропрочного сплава 50Х32Н43В5С2Б2, в частности труб диаметром 0,076-0,159 м, толщиной стенки 0,008-0,014 м и длиной 3,0 м. На внутреннюю поверхность формы наносят теплоизоляционный материал слоем толщиной 0,0007-0,0012 м. Выпущенный из печи в ковш металл заливают в форму, нагретую до температуры 150-250°C и вращающуюся со скоростью, соответствующей величине гравитационного коэффициента, равного 70-160, на внутренней поверхности отливки. Выпуск металла из печи в ковш производят при температуре в пределах [Тлик+k1⋅]°C, где Тлик - температура ликвидуса металла, k1 - эмпирический коэффициент, равный 0,78…1,00. Заливку металла в форму осуществляют с массовой скоростью 8-16 кгс и температурой в пределах [Tлик+k2⋅]°C, где k2 – эмпирический коэффициент, равный 0,77…1,00. Обеспечивается получение труб с плотной и однородной структурой, обладающих высокими кратковременными и длительными механическими характеристиками. 3 табл.

Наверх