Технология производства и потребительские свойства труб стальных

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ – способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

ТЕПЛОЕМКОСТЬ – количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1 К, точнее — отношение количества теплоты, полученного телом (веществом) при бесконечно малом изменении его состояний в каком-либо процессе, к вызванному им приращению температуры. Теплоемкость единицы массы называют удельной теплоемкостью.

ЖАРОПРОЧНОСТЬ – способность конструкционных материалов (главным образом, металлических) выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах. Определяется комплексом свойств: сопротивлением ползучести, длительной прочностью и жаростойкостью.

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ – способность материалов сопротивляться коррозии. У металлов определяется скоростью коррозии, т. е. массой материала, превращенной в продукты коррозии, с единицы поверхности в единицу времени, либо толщиной разрушенного слоя в мм в год. Повышение коррозионной стойкости достигается легированием, нанесением защитных покрытий и т. д.

ЭРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ – разрушение поверхностных слоев металлических изделий в результате механического воздействия потока газа, жидкости, твердых частиц, а также при кавитационных явлениях или под влиянием электрических разрядов (электроэрозия). Некоторые виды эрозии металлов используются для их электроэрозионной обработки.

Повышению надежности трубопроводов способствует 100%-ный контроль качества сварного шва и металла стенки трубы методами неразрушающего контроля.

Широкому применению сварных труб для строительства водо- и газопроводов способствует их более низкая стоимость (на 15 … 29% в сравнении с бесшовными), возможность в более короткие сроки организации их производства при меньших капитальных затратах, возможность получения экономии металла за счет применения более тонкостенных и точных сварных труб. Все это обеспечило их большой удельный вес, который составляет 60 % в мировом производстве труб.

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ СТАЛЬНЫХ ВОДОГАЗОПРОВОДНЫХ И ЕЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

Трубы для деталей водопроводных и газопроводных конструкций изготовляют из сталей. В свою очередь сталь получают из чугуна.

Для простоты и удобства я опишу технологию производства по пунктам и в строго определенном порядке.

4.1. Производство стали и ее характеристика

Состав шихты для сталеплавильного производства:

1) чугун: жидкий и твердом виде (чушковый чугун);

2) стальной и чугунный лом (скрап);

3) железная руда;

4) отходы собственного производства;

5) флюсы (известь, карбонат кальция, доломит);

6) топливо: газообразное, жидкое (мазут, смола) ,твердое (каменноугольная пыль), электроэнергия;

7) окислители.

Стадии производства стали:

1) перенос кислорода из окислительной атмосферы в металл;

2) окисление углерода – основная реакция сталеплавильного производства;

3) окисление и восстановление примесей (кремния, марганца, фосфора);

4) удаление серы;

5) раскисление стали: для этого вводят раскислители.

Из всего объема производства до 90 % составляет углеродистая сталь. Углеродистой сталью называют сплавы железа и углерода, не содержащих никаких специально введенных добавок (легирующих элементов). Постоянные примеси: сера и фосфор, марганец и кремний.

В различных марках углеродистой стали содержание самого углерода находится в пределах 0,06 – 1,35 %. Изменение содержания углерода сильно изменяет все свойства стали, и поэтому по количественному содержанию углерода стали подразделяют на:

- конструкционную (< 0,8 % углерода);

- инструментальную (> 0,8 % углерода).

Конструкционной называют сталь, пригодную для изготовления различных деталей машин и конструкций.

Она должна обладать комплексом высоких механических свойств, т.е. должна быть достаточно прочной и пластичной, должна иметь высокие технологические свойства, т.е. хорошо обрабатываться давлением, хорошо отливаться, хорошо свариваться, т.к. из нее изготавливают изделия сложной формы.

Конструкционная сталь употребляется в очень больших количествах, поэтому желательно, чтобы она была дешевой как по составу, так и по способу производства.

В зависимости от количества углерода конструкционную сталь делят на 2 вида: сталь обыкновенного качества и качественная сталь.

Сталь углеродистая конструкционная обыкновенного качества выпускается горяче- и холоднокатаной в виде заготовок с установок непрерывной разливки (в виде труб, лент, проволоки). Ее изготавливают кислородно-конверторным и мартеновским способами.

Сталь углеродистая качественная конструкционная отличается от стали обыкновенного качества более узким пределом содержания углерода и меньшим содержанием вредных примесей. Ее изготавливают мартеновским способом и выплавкой в электропечах.

Дадим характеристику каждому способу производства углеродистой стали.

Кислородно-конверторный способ производства.

Сущность заключается в том, что через жидкий металл пропускают воздух, кислород которого соединяется с примесями и уводит их в шлак и в отходящие газы, очищая тем самым металл.

Достоинства способа:

- простота;

- дешевизна;

- отсутствие расхода топлива;

- высокая прочность.

Недостатки:

- использование жидкого чугуна;

- ограничения состава чугуна;

- количество используемого стального и железного лома невелико;

- выход годного метала приблизительно 90 %;

- сталь низкого качества, т.к. при пропускании воздуха расплавленный металл обогащается азотом, который придает стали хрупкость, температура недостаточна для окисления всех примесей, и в стали содержится большое количество кислорода в виде оксида железа.

Мартеновский способ производства.

В зависимости от состава шихты различают скрап-процесс и скрап-рудный процесс плавки.

При скрап-процессе в печь загружают скрап и чушковый чугун. При скрап-рудном процессе в печь заливают жидкий чугун, добавляют руду и скрап.

Процессы выплавки в мартеновских печах делятся на кислые и основные.

Характерные особенности кислого процесса: печь футеруется кислым огнеупорным кирпичом, используется шихта с малым содержанием серы и фосфора, удаление которых в кислых печах затруднено.

При основном процессе плавки футеровка печи выполняется из магнезиального или доменного кирпича, для удаления серы или фосфора в шихту вводят известняк.

В период загрузки и плавления шихты происходит окисление примесей за счет кислорода, содержащегося в печных газах и руде, а после после образование шлака – содержится в оксиде железа, растворенном в шлаке. Окисление примесей идет по тем же реакциям, что и при конвертерном процессе. Известняк переводит в шлак серу и фосфор.

Важным моментом плавки является период «кипения» – выделения образующегося оксида углерода в виде пузырьков. Металл при этом перемешивается, выдерживается его температура (приблизительно 1800 С0) и химический состав, удаляются газы, всплывают неметаллические включения. По достижение требуемого содержания углерода в кипящем металле, что определяется путем быстрого анализа отбираемых проб, приступают к последней стадии плавки – доводке и раскислению металла.

Достоинства:

- средняя энергоемкость.

Недостатки:

- большое загрязнение окружающей среды;

- среднее качество;

- средняя производительность.

Выплавка в электропечах.

При данном способе производства применяют более высокие температуры (> 2000 С0), что позволяет лучше удалять вредные примеси, значительно снижается угар железа и легкоокисляющихся специальных добавок, т.к. процесс ведется с наименьшим доступом воздуха. Также при данном способе производства получают очень плотный металл, т.к. в более жидком металле газы легко выделяются наружу.

Достоинства способа:

- простота и точность регулирования температуры в процессе плавки и к моменту ее разливки, что важно для процессов первичной кристаллизации;

- получение высококачественной стали вне зависимости от качества исходных шихтовых материалов, т.к. состав корректируется во время плавки специальными добавками.

Сравнительная характеристика способов производства стали приведена в таблице 4.1.

Табл. 4.1.

Описанные методы получения углеродистой стали являются основными.

4.2. Исходный материал для производства труб и его нагрев

В зависимости от способа производства и назначения труб исходный материал может находится в виде слитков, катаных или кованных заготовок (для получения бесшовных труб), листов и полос в рулонах (для получения сварных труб).

В связи с тем, что трубы стальные водогазопроводные согласно ГОСТ 3262-75 изготавливают сварными, в данной работе я рассмотрю  производство только сварных труб из листов и полос в рулонах.

Сталь для горячекатаных листов и рулонной полосы по механическим свойствам подразделяют на две группы. Одну из них составляют углеродистые стали с нормальным и повышенным содержанием марганца, а вторую – спокойные стали с микродобавками. В этих сталях содержится (%): углерода от 0,03 до 0,20, ниобия 0,05, ванадия 0,02 и титана 0,03. Часто встречаемым легирующим элементом является молибден (~ 0,30 %).

Требуемые механические свойства листов из сталей с микродобавками можно получить путем обычной прокатки и нормализации, регулируемой прокаткой с последующей нормализацией. Минимальная величина предела текучести в результате этих операций  составляет 37 – 56 кгс/мм2. Это является результатом выделения в феррите карбидонитридов ниобия, ванадия и титана.

Рулонную полоску используют для производства сварных труб с продольным и спиральным швом, а листы – для производства труб только с продольным сварным швом. Причем листы необходимо предварительно подвергать неразрушающему контролю для устранения внешних и внутренних дефектов.

4.3. Технология производства сварных труб

В настоящее время сварные трубы получают непрерывной печной сваркой встык, электросваркой сопротивлением, индукционной сваркой, дуговой сваркой в защитной атмосфере или под слоем флюса. Кроме того, выпускаются паянные трубы.

В данной работе я опишу производство труб печной сваркой встык, т.к. данный вид сварки является одним из самых старых методов производства стальных водогазопроводных труб. Этим способом, который сохранился лишь в некоторых странах, получают трубы диаметром от 16 до 89 мм со стенками толщиной от 2,5 до 4 мм.

Исходным материалом для изготовления этих труб является горячекатаный штрипс длиной 5 – 7 м и шириной, зависящей от диаметра производимых труб.

Один конец каждого штрипса обрезают под углом 15 – 25°, а затем сгибают под углом 45° для лучшего захвата клещами при вытягивании его из печи.

Штрипсы укладывают на под печи с зщитной атмосферой таким образом, чтобы расстояние между боковыми краями было 20 мм. Полосы нагревают до температуры 1300 – 1350° С в течение 30 – 85 с. Нагретую полосу вытягивают из печи клещами, которые пропущены через сварочную воронку (волоку) и соединены с цепью волочильного стана. Во время волочения штрипса к его кромкам (перед волокой) через сопла подают сжатый воздух. В результате температура кромок штрипса повышается на 40 – 60° С и окалина с них сдувается.