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. Способ изготовления тонкостенных труб из меди и ее сплавов включает 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 45С. Волочение осуществляют на цепном волочильном стане в несколько стадий. Механическую обработку проводят после первой или второй, или третьей стадии волочения. После окончания волочения осуществляют правку и резку труб на мерные длины. 1 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 изготовление 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 авторское свидетельство 211493, В 21 C 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.

Недостатком известного способа являются повышенные потери металла на захватки, концы и относительно низкая 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, механическую обработку поверхности и волочение. В качестве шихты используют медный лом, расплав которого из плавильной печи поступает в водоохлаждаемый графитовый кристаллизатор, при этом отливку трубной заготовки осуществляют методом полунепрервного горизонтального литья. 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.

Недостатками известного способа являются 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. Еще одним недостатком известного способа является то, что используемые планетарные станы требуют значительных энергозатрат, а структура обрабатываемого металла испытывает большие деформации, что не всегда положительно сказывается на свойствах готовых изделий.

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 непрерывного 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 45С, при этом волочение осуществляют на цепном волочильном стане в несколько стадий, а механическую обработку поверхности проводят после первой или второй или третьей стадии волочения, причем после окончания процесса волочения проводят правку и резку труб на мерные длины.

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

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

Способ начинают с отливки трубной заготовки на установке для вертикального непрерывного литья, содержащей водоохлаждаемый кристаллизатор с графитовой втулкой и дорном, в направлении сверху вниз. В металлоприемнике, в качестве которого можно использовать, например, плавильную тигельную печь, готовят расплав металла при температуре 1200-1300С. 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 и кристаллизуется. Металлоприемник и кристаллизатор в процессе плавки и кристаллизации осуществляют одновременные колебательные движения (возвратно-поступательные) в вертикальном направлении для обеспечения равномерной кристаллизации. Тяговым органом формирующуюся заготовку вытягивают из кристаллизатора вниз с заданной 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 45С. При достижении заданной длины литую трубную заготовку режут на мерные длины и направляют на волочение, которое проводят на цепном волочильном стане. Перед волочением заготовки мерной (линейной) длины направляют на заковку захваток. Процесс волочения с плавающей оправкой проводят в несколько стадий до получения заданного размера труб, при этом между стадиями волочения осуществляют механическую обработку поверхности - скальпирование для удаления с нее шероховатостей и окисленного слоя. Следует отметить, что в одних случаях скальпирование проводят сразу после первой стадии волочения, а в других случаях после второй или третьей стадии процесса волочения. Это связано с размером получаемой готовой трубы и количеством стадий процесса волочения.

После окончания волочения обрезают захватки, трубы направляют на правку в роликоправильную машину, после которой осуществляют резку на мерные длины и зачистку заусенец с последующей продувкой сжатым воздухом и протиркой внешней и внутренней поверхностей готовых труб.

Для снятия внутренних напряжений готовые трубы дополнительно подвергают отжигу.

Пример 1. Для изготовления труб из меди марки M1 с внешним диаметром, равным 16 мм, внутренним диаметром, равным 10 мм, и толщиной стенки 3 мм сначала получают трубную заготовку с внешним диаметром 42 мм и внутренним диаметром 30 мм на установке для непрерывного вертикального литья, содержащей индукционную печь для получения расплава и кристаллизатор с графитовым дорном и втулкой.

Расплав металла при температуре 1300С выдерживают в печи 2 мин, а затем направляют в кристаллизатор для кристаллизации, при этом кристаллизатор и печь одновременно совершают возвратно-поступательные перемещения в вертикальном направлении. Процесс перехода металла в жидкую фазу и его кристаллизацию в кристаллизаторе ведут в защитной среде, в качестве которой используют генераторный газ. Для получения однородной структуры в литой заготовке скорость вытягивания формируемой заготовки роликами клети постоянна и равна 12 м/ч. 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, получая на выходе заготовки температуру ее поверхности 44С, после чего гидроножницами режут заготовку на мерные длины, равные 2600 мм. Заготовку направляют в заковочную машину для заковки захваток, а затем на цепной волочильный стан для осуществления процесса волочения, которое проводят в шесть стадий с использованием плавающей оправки, при этом после третьей стадии волочения осуществляют механическую обработку поверхности. После окончания процесса волочения осуществляют обрезку захваток, затем трубы правят в правильной машине, после чего их режут в меру размером 3000 мм и направляют на зачистку заусенец, продувку сжатым воздухом и протирку, получая на выходе готовые трубы с заданными параметрами. После продувки и протирки внешней и внутренней поверхностей готовых труб дополнительно проводят их отжиг для снятия внутренних напряжений. Готовые трубы вяжут в пучки и направляют на склад. Трубы имеют яркую, неокисленную поверхность. Контроль качества структуры показал отсутствие пор и трещин.

Пример 2. Для изготовления тонкостенных труб из латуни марки Л 63 с внешним диаметром 6,35 мм, толщиной стенки 0,76 мм и длиной 3000 мм осуществляют получение трубной заготовки с внешним диаметром 42 мм и внутренним диаметром 30 мм на установке для вертикального непрерывного литья, включающей две плавильные печи, одна из которых служит для расплавления шихты, а другая (вторая) в качестве металлоприемника непосредственно для подготовки расплава и подачи его в водоохлаждаемый кристаллизатор, выполненный из меди. Нагрев расплава во второй печи осуществляют до температуры 1220С и выдерживают в 2 мин, после чего расплав направляют в кристаллизатор. Расплав, заполняя пространство между дорном и втулкой, кристаллизуется. Процесс расплавления и кристаллизации ведут в защитной среде генераторного газа, при этом металлоприемник и кристаллизатор совершают одновременные колебательные движения в вертикальном направлении. Тяговый орган вытягивает заготовку с постоянной скоростью, равной 11 м/ч. 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, получая на выходе температуру поверхности заготовки 42С, после чего ее режут на мерные длины, равные 2600 мм.

Перед волочением заготовку направляют на заковку захваток, которую осуществляют в заковочной машине. Для получения готовой трубы с указанными параметрами процесс волочения проводят в двенадцать стадий на цепном волочильном стане с оправкой, при этом скальпирование осуществляют после третьей стадии волочения. Поскольку процесс волочения - многостадийный, обрезку захваток с последующей их заковкой осуществляют после четвертой, пятой, восьмой и десятой стадий волочения. После окончания процесса волочения обрезают захватки, трубы направляют на правку в роликоправильную машину, затем их режут в меру на длину 3000 мм и направляют на зачистку заусенец с продувкой сжатым воздухом и протиркой поверхности готовых труб. Готовые труб вяжут в пучки для формирования партий, которые направляют на склад. Готовые трубы обладают яркой, неокисленной поверхностью. Контроль качества структуры показал 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, обеспечить однородность структуры готовой продукции и увеличить выход годного до 70%.

Изобретение позволяет улучшить качество готовых труб за счет получения методом вертикального литья исходного плотного слитка с однородной структурой, хорошей поверхностью и минимальными отклонениями по толщине стенок в процессе получения литой заготовки, 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, а вторичное охлаждение заготовки проводят в водной среде, протягивая ее через камеру с проточной водой со скоростью, обеспечивающей на выходе температуру ее поверхности не выше 45С, при этом волочение проводят на цепном волочильном стане в несколько стадий, а механическую обработку поверхности проводят после первой, или второй, или третьей стадии волочения, причем после окончания волочения осуществляют правку и резку труб на мерные длины.

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