Публикации: Почему не используют центробежнолитые фланцы?

Почему не так широко используются центробежнолитые фланцы? Ведь технология центробежного литья, как наиболее соответствующая осесимметричным типам заготовок, могла бы потеснить кованые, бандажные, сварные из полосы и фланцы из листа. Чтобы понять это, необходимо пристально взглянуть как на способы производства и их технико-экономическую эффективность, так и на руководящие документы.

Идея использовать центробежное литье для фланцев в связи с их осесимметричностью, приходит сама собой. Уже в издании 1972 г., а до этого в изданиях 1969 и 1956 и 1947 г., в книгах Юдина С.Б., Байкова А.И. и Новикова П.Г. (см. например, С.Б. Юдин, М.М. Левин, С.Е. Розенфельд Центробежное литье. М. Машиностроение, 1972, 280 стр.) показывались достоинства применения центробежного литья для осесимметричных фланцев.

В работах демонстрировались способы изготовления центробежнолитых фланцев. Отливка фланцев может проводиться как вертикально, так и горизонтально. Так, авторы показали отливку на горизонтальной машине, как в металлический кокиль, так и с использованием песчаного стержня, рис. 1.

 

 

В работе показаны положительные результаты отливки сложного воротникового фланца с Ду 300 и 600мм. Уже тогда был отмечен высокий коэффициент использования металла (КИМ), составлявший до 70-80% в отличие 30% для кованой заготовки. Но что более интересно, пластичность фланца из стали 08Х18Н10Т в центробежнолитом состоянии была выше, чем у кованой стали  того же состава в 1,5 раза.

С ростом потребления специальных сталей, осваивались и технологии их центробежного литья. Большую роль в этом сыграл Днепропетровский ВНИТИ, создавший многочисленные композиции сталей для центробежнолитых труб. Многие из них были далее закреплены в технических условиях и опробованы в условиях завода Трубосталь, Никополь.

В дальнейшем с приходом новых технологий, удалось решить многие вопросы по снижению усадочной пористости (управление скоростью кристаллизации); чистоте и защите расплава (пропуск расплава через керамические фильтры, электрошлаковый переплав и литье с азотным слоем); уменьшению транскристаллизации (изменение частоты вращения, введение ультрадисперсных порошков, подбор химсостава); устранению отслоения от формы (при регулировании типа обмазки и степени теплопроводности) и пр.

Однако цена при центробежном литье значительно опережает цены готовой деформированной заготовки. Вариант «переплав + центробежное литье» всегда дороже по сравнению с вариантом «прокат – горячая штамповка или ковка в ручьях» и тем более вариант – «раскатка трубной заготовки на бандажи и кольца». Поэтому центробежное литье не нашло широкого применения для стандартных изделий или традиционно используемых сталей. Область рекомендуемого применения центробежного литья для фланцев в зависимости от фактора формы и сложности легирования показана на рис. 3.

 

 

Сильно влияет масштабность производства. В связи с высокой стоимостью центробежного литья из-за достаточно индивидуального характера производства, высокой стоимости кокилей, невозможности литья в массовом масштабе трубных заготовок стоимость его при индивидуальном литье фланцев остается достаточно высокой. Даже при литье фланцев диаметром 600 мм, их стоимость будет значительно выше по сравнению с кованой или раскатной заготовкой. На малых диаметрах выгодность использования центробежнолитых заготовок по нашему мнению по сравнению с кованой начинается со стали Х23Н12. Использование наиболее широко используемых сталей типа 12Х18Н10Т для центробежного литья часто является невыгодным. 

С масштабом и серийностью производства связана и срочность поставки. Так, во многих случаях фланцы из специальных центробежнолитых сталей будут выигрышнее в срочности поставки взамен кованых, в случае, если таковые отсутствуют в номенклатуре поставщиков. Для этих целей достаточно провести анализ поставок традиционных поставщиков фланцев, обращая внимание на фланцы из высоколегированных сталей. Их предложение на рынок будет наиболее востребованным.

Углубленный технико-экономический анализ как условий работы трубопроводов или сосудов и аппаратов, так и сталей позволяет найти и здесь нишу для центробежнолитых фланцев. В частности для многих аппаратов характерны изгибные моменты, для других наличие деформаций кручения или осевые деформации. В зависимости от превалирующего типа нагрузки или ожидаемой деформации для них могут быть подобраны стали с более сильными выраженными прочностными или пластическими свойствами из перечня аналогов. 

Такие задачи возникают в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, в установках с высокими температурами и давлениями, в магистральных трубопроводах. Доказательство правоты и возможности использования центробежнолитых фланцев с учетом свойств материала может быть найдено при помощи расчета в системе ANSYS.

С ростом использования новых, все более труднодеформируемых сталей и большей специализацией фланцев под специфические условия новых отраслей возможности использования фланцев из центробежного литья могут возрасти. Так, в современных стандартах и руководящих документах на фланцы представлены до 19 типов сталей. С учетом ссылок на ГОСТы, где указаны их заменители, марочная номенклатура сталей может составлять оценочно уже до 100 марок.

Если в техническом задании на фланцы будут показаны не только нормы механических свойств, но и структуры, то традиционное достоинство центробежного литья пропадает, поскольку невозможно достичь балл зерна, такой же, как у кованой или катаной стали. К тому же дефекты, часто сопровождающие центробежное литье, такие как полосчатость, отслоения корки, наличие ликвации, захват включений из формы при вращении и пр. уводят готовые центробежные отливки из области с жестко нормируемыми свойствами, характерными для ответственных отливок, в область применения только неответственных отливок.

Однако, в ряде случаев, особенно при применении при высоких температурах такая, практически композитная структура с 3-мя слоями может быть более выгодна по сравнению с кольцевой волокнистой структурой, характерной для катаных или кованых заготовок, рис.4.

 

 

Велики затраты на гомогенизацию отливки для снятия химической неоднородности или проведение специальных мероприятий по выравниванию структуры с целью приблизить ее к мелкозернистой с нормируемым баллом зерна. Стоимость их в связи с подобными дополнительными затратами растет. Из-за роста стоимости на долю центробежнолитых заготовок в большей степени будут оставаться области использования либо неответственных отливок, либо менее критичных по давлению. Как понятно, рыночная цена таких отливок должна быть ниже цены, предлагаемой поковками.

Существует также и ГОСТ 12816-80 на литые фланцы. Однако в нем показано не более 10 марок сталей, которые, как правило, могут быть с легкостью заменены на деформированные стали.

Следует помнить, что литье становится востребованным в основном в области сложных по форме деталей (коэффициент формы должен быть более 1.5), рис.5, или труднодеформируемых, где отливка даже простых форм выгоднее, или сложнолегированных, где постановка технологии по схеме: «слиток – блюм – прокат – ковка» является невыгодной ввиду малой серийности. Как показывает опыт автора, во всех других случаях обычная технология из массово изготавливаемых сталей будет выгоднее центробежного литья.

 

 

Одним из способов ценовой борьбы может стать поиск конкурентоспособных решений в области замены заготовок фланцев из труб, поковок и проката. Рассмотрим наиболее характерный пример аустенитной стали 12Х18Н10Т. Заменителями могут стать хромомарганцевые стали, а применение сталей - аналогов в нержавеющих центробежнолитых фланцах должно по нашему мнению идти в сторону использования сталей с высоким содержанием марганца, табл.1.

 

 Хромомарганцевые стали более технологичны, поскольку обладают лучшей жидкотекучестью. Они не образуют плен, а благодаря центробежному способу, включения и газы вытесняются из кристаллизующегося металла.

Способность марганца раскислять стали широко известна. Благодаря нему снижается температура пленообразования высокохромистых расплавов. В материалах с высоким содержанием марганца не образуются плены сернистых соединений. Мало того, марганец способен образовать с серой кристаллические соединения и превратить вредный фактор в полезный: сера будет легировать кристаллическую решетку стали с высоким содержанием марганца. Благодаря достаточному количеству основного раскислителя и одновременно аустенитизирующего элемента – марганца – при литье гарантируется стабильно аустенитная структура и практически полное избавление от выделения в отдельную фазу неметаллических включений и газов.

Как правило, ничего подобного не происходит в традиционных сталях с высоким содержанием никеля. Эти стали сами образуют плены, в них формируются выделения серы по краям дендритов или в междендритном пространстве. Они склонны к транскристаллизации, что часто делает их применение в области осесимметричных заготовок типа фланцев сомнительным. Чтобы снять опасность образования плен сернистых соединений приходится выполнять специальные технологические приемы, что часто является невыгодным.

 Цена хромомарганцевых сталей, как правило, ниже, чем сталей с дорогим никелем. Отметим и то, что из-за сложностей литья марганцевых сталей в масштабах, выгодных для дальнейшей прокатки, они часто не принимаются прокатными заводами в производство. В тоже время стали с марганцем лучше всего подходят для литья.