Способ центробежной отливки тонкостенных труб из жаропрочных сплавов



Способ центробежной отливки тонкостенных труб из жаропрочных сплавов
Способ центробежной отливки тонкостенных труб из жаропрочных сплавов
Способ центробежной отливки тонкостенных труб из жаропрочных сплавов

 


Владельцы патента RU 2606824:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)

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.
Наверх