Технология производства и потребительские свойства труб сварных из титана и титановых сплавов

По способам производства деталей различаются  деформируемые и литейные титановые сплавы.

Общее направление  при  разработке новых титановых  сплавов — создание комплексно-легированных сплавов,  которые обладают более высоким сочетанием свойств по сравнению с простыми сплавами. Большинство титановых сплавов применяется в  термически   обработанном состоянии.

Основными свойствами труб сварных из титана и титановых  сплавов являются:

1. Плотность  - представляет собой отношение массы к объему.

2. Твердость  - это сопротивление поверхности  прониканию в нее инородных  тел. Чем выше твердость, тем  больше требуется времени для  механической обработки и тем меньше износ при истирании.

3. Предел прочности  при изгибе. При поперечном изгибе со стороны действия усилия возникают напряжения сжатия, а с противоположной – напряжения растяжения. Предел прочности при сжатии определяется разрушающей силой сжатия, действующей на поперечное сечение образца в направлении оси последнего, равномерно по всему сечению. Предел прочности при растяжении измеряется отношением нагрузки, разрывающей образец, к площади его поперечного сечения.

4.Сплющивание  – это результат воздействия  двух основных сил — гравитационной  и центробежной.

5. Загиб –  это дугообразное искривление.

6. Временное  сопротивление - сопротивление труб  при растяжении в Мпа.

7. Относительное удлинение – свойство труб удлиняться при длительных нагрузках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Технология производства труб сварных из титана и титановых сплавов и ее технико-экономическая оценка.

 

Промышленные  способы получения труб сварных  из титана и титановых сплавов базируются на использовании в качестве исходного сырья титановых концентратов, содержащих не менее 92-94 % TiO2 в рутиловых концентратах, 52-65 % TiO2 в ильменитовых концентратах из россыпей и 42-47 % TiO2 в ильменитовых концентратах из коренных месторождений.

В России ильменитовые концентраты используются главным  образом в качестве сырья для выпуска диоксида титана и металла, а также выплавки ферросплавов и карбидов, а рутиловые – для производства обмазки сварочных электродов.

Около 50 % мирового производства титановых концентратов базируется на переработке руд россыпных месторождений и 50 % – на переработке руд коренных месторождений.

Обогащение руд всех россыпных и большей части руд коренных месторождений осуществляются с использованием в начале процесса наиболее простого и дешевого гравитационного способа. При обогащении сложных коренных руд иногда используют флотацию, что, в частности, относится к переработке руд месторождения титаномагнетиков Телнес в Норвегии.

Процесс нефлотационного  обогащения, как правило, осуществляется в две стадии. Первая стадия заключается в первичном гравитационном обогащении, при котором получается черновой коллективный концентрат. Вторая стадия заключается в селекции (доводке) указанного коллективного концентрата методами магнитной и электрической сепарации с получением индивидуальных рутилового, ильменитового, циркониевого, монацитового, дистенсиллиманитового, ставролитового и других концентратов.

В процессах первичного обогащения широкое применение получили усовершенствованные  гидроциклоны, многоярусные конические и многосекционные винтовые сепараторы и в меньшей степени концентрационные столы и другое сепарационное оборудование.

Доводка черновых коллективных концентратов основана на использовании в различном сочетании электромагнитной и электростатической сепарации. Наибольшей магнитной восприимчивостью среди входящих в состав коллективных концентратов минералов обладает ильменит и следующий за ним монацит, в то время как рутил и циркон немагнитны.

Селекция входящих в состав коллективных концентратов немагнитных минералов основана на использовании различной их электрической проводимости, по мере убывания которой указанные минералы располагаются в следующий ряд: магнетит–ильменит–рутил–хромит–лейскосен–гранат–монацит–турмалин–циркон–кварц.

Таким образом, если в коллективном концентрате преобладают рутил, циркон и алюмосиликаты, то процесс доводки начинается обычно с передела электростатической сепарации. Если же в коллективном концентрате преобладает ильменит, то технологический процесс доводки начинается с передела магнитной сепарации.

При доводке черновых коллективных концентратов широко применяется винтовые сепараторы, пластинчатые и роликовые магнитные сепараторы мокрого и сухого действия с высокой напряженностью магнитного поля, магнитные сепараторы с перекрещивающимися лентами, а также пневматические и мокрые концентрационные столы и другое оборудование.

В последнее время для повышения извлечения минералов из исходного сырья все чаще используется так называемый процесс оттирки, заключающийся в обработке коллективного концентрата растворами щелочи или слабой плавиковой кислоты при интенсивном перемешивании. При этом с поверхности минералов, в частности рутила и циркона, удаляются железистые и глинистые пленки, затрудняющие селекцию материалов.

Восстановительную плавку проводят в трехэлектродных круглых электропечах мощностью 3,5-20 МВА, по устройству сходных с применяемым для плавки никеля, электротермии цинка или сталеплавильными. Температура передела 1650-1750 градусов. Среда должна быть умеренно-восстановительной, угольная футеровка непригодна. Подину выкладывают притертым магнезитовым кирпичом, стены защищают гарниссажем из тугоплавкого шлака, накопленным по особому режиму. Чугун выпускают через летку, поднятую над подом на 400 мм, а шлак–через шлаковую летку, иногда – вместе с чугуном.

Шихту готовят из концентрата (–3 мм) и антрацита или газового угля (–0,5 мм), в которых золы не должно быть больше соответственно 10 и 4 %. После перемешивания со связующим – сульфит-целлюлозным щелоком в обогреваемом смесителе шихту брикетируют на валковых прессах. Брикеты теплопроводнее порошка и снижают вынос пыли, но изготовление их обходится дорого, поэтому иногда они составляют только часть загрузки, дополняемую порошком или окатышами.

Задача плавки – получить богатый титановый шлак и чугун, переход железа в который ограничивают: FeO единственное вещество, позволяющее получить умеренно вязкий шлак, при недостатке его потребовался бы излишний перегрев. Чтобы избежать разбавления шлака и лишних расходов, флюсы применяют редко. В отличие от цветной и черной металлургии здесь над чугуном получается сплав титанатов, а не силикатов. Титанаты железа более легкоплавки, чем окислы титана, особенно ильменит (1400 градусов) и Fe2TiO4 (1395 градусов), они в основном и снижают вязкость шлака.

Распределение железа и титана между чугуном и шлаком – функция  разности сродства этих металлов к  кислороду и зависит от парциального давления окиси углерода в порах шихты, определяемого расходом восстановителя и температурой.

В действительности равновесие не достигается из-за быстрого восстановления железа, накопления чугуна в начале передела и недостатка времени для последующего выравнивания состава фаз.

Плавку ведут периодически либо непрерывно, в первом случае в  шлаках удается оставить всего 5% окиси  железа, а во втором 8-15%; непрерывный  передел производительнее и полнее автоматизирован.

Для увеличения проплава и  снижения расхода энергии шихту предварительно подогревают в трубчатых печах, сжигая мазут или газ. При этом на 1т шлака суммарно затрачивают 1750 кВт*ч.

Процесс производства губчатого  титана состоит из четырех основных переделов: подготовки сырья, конденсации продуктов, очистки губчатого титана и переработки отходов.

Подготовка сырья заключается  в приготовлении брикетов из титансодержащего материала и кокса. Этот передел включает операции дробления, размола, смешения, брикетирования и прокалки брикетов.

Очистка технического губчатого титана. Здесь происходит уже окончательная очистка губчатого титана от растворенных в нем примесей.

Переработка отходов. Чем  богаче материал по содержанию в нем  титана, тем проще его перерабатывать путем хлорирования. Однако с повышением чистоты исходного сырья стоимость его возрастает. Поэтому для промышленного производства губчатого титана применение титансодержащих материалов высокой чистоты (например титана) экономически не всегда выгодно.

Титановые шлаки, получающиеся в результате руднотермической восстановительной плавки железо-титановых концентратов, дробят в щековой и конусной дробилках. После измельчения шлаки размалывают в шаровых мельницах. Размолотый шлак должен содержать фракций +0.1 мм не более 10% (по массе) и металлического железа менее 4%. После удаления с помощью магнитной сепарации металлического железа размолотый шлак поступает на хлорирование (при использовании солевых хлораторов или аппаратов кипящего слоя) или в отделение подготовки шихты (брикетирование, агломерация, окомкование) при использовании шахтных хлораторов с подвижным слоем.

Шахтная электропечь. На первом этапе развития титановой  промышленности в качестве основного промышленного аппарата использовались шахтные электропечи (ШЭП) для производства магния. В титановом производстве их конструкция подвергалась значительным изменениям. Шахтная электоропечь состоит из двух зон – верхней и нижней. В верхнюю зону через свод печи загружают шихту; в нижнюю зону, оборудованную электродами, загружают угольную насадку и подают хлор. Шахтные электропечи незаменимы при использовании титаносодержащего сырья с компонентами, хлориды которых низколетучи (например, перовскиты, титаномагнетиты и др.). Шахтная электропечь сыграла важную роль создании и развитии отечественной титановой промышленности.

Хлоратор с  подвижным слоем. В связи с  появлением титаносодержащих шлаков с низким содержанием в них CaO и MgO шахтные электропечи вытеснены более совершенным аппаратом – хлоратором с подвижным слоем. Основное отличие его от ШЭП – отсутствие электрообогрева, сложной насадочной зоны и наличие в нижней его части герметичного разгрузочного устройства для непрерывного удаления непрохлорированного остатка.

Последнее обстоятельство позволяет коренным образом улучшить газодинамические параметры и резко интенсифицировать процесс, так как температурный режим в хлораторе и аппаратах конденсационной системы легко регулируется количеством подаваемого хлора, загрузкой брикетов и выгрузкой непрохлорированного остатка. Это в значительной степени упрощает процесс и облегчает его автоматизацию.

Уровень шихты  в хлораторе поддерживают в интервале 1.2-3.5 м. Для хлорирования применяют  брикеты или гранулы. Многочисленные способы приготовления гранулированной  шихты можно разделить на два принципиально отличающихся метода: 1) углеродистый восстановитель и связующее дозируются с двух-трехкратным избытком, вследствие чего после прокалки образуются брикеты или гранулы с углеродистым каркасом; 2) компоненты шихты дозируются в строго стехиометрическом соотношенни и подготавливаются таким образом, что в процессе хлорирования они полностью сгорали.

Хлорирование  гранул с сохраняющейся формой углеродистого  брикета в фильтрующем (подвижном слое). Наиболее полно этот процесс описан Мак-Ферландом и Феттерролом и запатентован рядом авторов. Суть его заключается в том, что в шихту для хлорирования вводят двух-трехкратное количество углеродистого восстановителя и углесодержащего связующего по отношению к стехиометрически необходимому для связывания кислорода оксидов титананосодержащего сырья и хлоровоздушной смеси в расчете на образование оксида углерода CO.

Хлорирование  в хлораторах с расплавом и  аппаратах с кипящим слоем.

С переходом  на сырье, содержащее значительное количество примесей, образующих низколетучие хлориды (лопариты, перовскиты, шлаки с высоким содержанием кальция), производительность указанных аппаратов резко падает. Поэтому и шахтные хлораторы наиболее эффективно можно использовать для хлорирования так называемых сухих титансодержащих материалов. Для хлорирования высококальциевого сырья, а так же других материалов, содержащих повышенные количества щелочноземельных элементов, выгоднее использовать хлоратор, в котором хлорирование осуществляется в жидкой ванне из расплавленных хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов. Основные преимущества хлоратора с жидкой ванной перед другими аппаратами заключается в том, что конструкция его позволяет непрерывно выводить вместе с частью расплава непрохлорированный остаток и таким образом осуществлять практически непрерывный процесс. Кроме того, упрощается подготовка шихты: отпадает надобность в предварительном брикетировании материалов, так как в хлоратор можно загружать порошкообразную шихту.

Производство  труб значительно отличается от остальных видов прокатного производства не только в форме готового изделия, но также и тем, что большая часть труб является продуктом вторичного передела проката основных видов — круглой и плоской заготовки.

При производстве сварных труб исходным материалом служит прокатная полоса — штрипс. Процесс изготовления труб в этом случае состоит из получения заготовки в виде свернутой полосы и последующей сварки шва. Шов можно выполнять встык и внахлестку.

Блок-схема производства труб сварных из титана и титановых  сплавов

1. – процесс плавления титана в печи;
2. – очистка титана от примесей;
3. – обработка до получения слитков;
4. - прокатка слитков на прошивном станке;
5. – сварка шва.

 

 

 

 

 

 

5. Нормативно-технические документы на трубы сварные из титана и титановых сплавов, нормируемые показатели качества в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.

 

ГОСТ 24890 – 81 «Трубы сварные их титана и титановых  сплавов. Технические условия»

ГОСТ 17746-79 «Титан губчатый. Технические условия»

ГОСТ 14192 — 77 «Металлопродукция. Транспортирование, хранение грузов» 

           ГОСТ 24890 – 81 «Трубы сварные их титана и титановых сплавов. Технические условия» распространяется на круглые сварные трубы из титана марок ВТ1—00, ВТ1—0 и титанового сплава марки ОТ4—0.

Наружный диаметр, толщина стенки и предельные отклонения по ним, а также теоретическая линейная плотность I м труб должны соответствовать указанным в табл. 5.1.