ПРИМЕНЕНИЕ ОПОРНЫХ И РАБОЧИХ ВАЛКОВ ИЗ ЧУГУНА С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ХРОМА В ДРЕССИРОВОЧНЫХ СТАНАХ И СТАНАХ ТАНДЕМ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

Использование валков из белого высокохромистого чугуна показало их дополнительные преимущества, обусловленные высокой прочностью при высоких температурах и стойкостью против окисления. Эти свойства были использованы в клетях предварительного обжатия, где термическая усталость металла является главной причиной разрушения поверхности валков. В результате применения высокохромистых чугунов увеличился срок службы валков наряду со снижением актуальности проблемы закатывания частиц изнашивающихся валков в горячекатаный лист. В то же время валки из высокохромистого чугуна показали свою непригодность к условиям чисто абразивного износа в чистовых клетях станов, когда большие ударные нагрузки при заправке полосы вызывали выщербление их поверхности с возникновением выбоин.

Сначала были достигнуты успехи в применении новых абразивостойких сплавов для валков станов горячей прокатки, затем для станов холодной прокатки.

Фотография шлифа на рис. 1 демонстрирует микроструктуру, сформировавшуюся при направленной кристаллизации отливки с последующим отжигом при нагреве до температуры ниже критической точки. Центральные дендритные области состоят из ферритокарбидной смеси, которая образовалась в температурном интервале перлитного превращения, тогда как наружные края дендритов и эвтектика трансформировались в смесь бейнита и мартенсита. Твердость металла со структурой такого типа обусловлена долей карбидов в ней и может достигать 850 HV30. Недостатком этой структуры является различие характеристик, обуславливающих износ изделия на поверхности дендритной области. Это может вызвать осложнения, когда требуется равномерность после дробеструйной обработки.

Микроструктура, показанная на рис. 2, получена путем отжига с очень тщательным контролем за выделением карбидов. Матрицы при этом трансформируются в бейнит или мартенсит и такая же твердость (850 НУ30) достигается при более низких объемных концентрациях карбидов. Продукты превращения здесь замаскированы карбидными выделениями, но могут быть выявлены методом электронной микроскопии. Данная разновидность структуры отличается значительно более высокой равномерностью характеристик, определяющих сопротивление износу.

Металлургические аспекты валков из высокохромистого чугуна

Высокохромистые белые чугуны, используемые для изготовления валков, являются до эвтектическими и поэтому процесс из затвердевания начинается с роста дендритов. При отливке валка рабочая поверхность изложницы повдергается охлаждению и поэтому рост дендритов происходит с формированием зоны столбчатых кристаллов, нормальных к поверхности ролика. Важное различие между высокохромистым чугуном и обычным белым чугуном заключается в морфологии эвтектического карбида. Карбид типа М7С3 образуется при условии: Si + 0,ЗСг ^ 4,3.

В интервале требований к химическому составу высокохромистых валков для станов холодной прокатки этот карбид будет включать 50% Сг и 40% Fe. В отличие от обычного цементита типа МъС, образующегося в белых литейных чугунах, названный карбид обеспечивает значительно более высокую прочность, а также . твердость, например: 1300 ед. для карбида М7С3 и 900 ед. для М3С (ориентировочно), что создает предпосылки для лучшего сопротивления абразивному износу. Главным достижением в развитии металлургической науки в 70х гг. явилось понимание природы матричных превращений, протекающих в этих сплавах. Содержание матричных упрочняющих элементов (Ni, Мп и Мо) может быть выбрано таким, чтобы способствовать получению любой требуемой структуры: перлитной, мартенсит

ной или аустенитной. Условия протекания превращения осложняются, однако, изменениями матричного состава, которые возникают вследствие комплексного выделения карбидов. Одни карбиды выделяются при постоянной температуре в диапазоне 800—1100 °С с максимальными скоростями выделения, отвечающими интервалу 9501000 °С, тогда как другие выделяются при охлаждении, проходя через состояние аустенитного превращения. Основные детали этих закономерностей описаны в работе [1] и др.

Типичный состав сплава для изготовления высокохромистых роликов для станов холодной прокатки, %: 2,6—3^2 С; 0,4—2,0 Si; 0,4—1,2 Мп; 0,41,2 Ni; 1520 Сг; 1,00,3 Мо.

Изготовление высокохромистых чугунных рабочих валков

Наряду с описанными достижениями металлургии в области получения высокохроглистых чугунов потребовали новые методы изготовления валков, обеспечивающие создание высокохромистой чугунной оболочки на сердцевине из прочного серого чугуна [2].

Наиболее эффективным путем решения этой задачи является вертикальное центробежное литье, технология которого была разработана фирмой "Midland Rollmakers Ltd." в начале 70х гг. Эта технология и оборудование для ее осуществления позволяют изготавливать очень качественные валки я на одной и той же установке можно получать как валки с размерами, характерными для станов холодной прокатки, так и с диаметром до 800 мм для станов горячей листовой прокатки.

Изложницу вращают с высокой скоростью и вводят в нее расплав для формирования наружного слоя валка. Металл удерживается у стенок за счет центробежных усилий и начинается его направленная кристаллизация вследствие охлаждения стенки изложницы. По достижении определенной толщины затвердевшего слоя во вращающуюся изложницу заливают жидкий серый чугун для формирования средней части валка. При этом происходит приваривание сердцевины к ранее сформировавшейся оболочке и завершение процесса заполнения изложницы для образования головной части валка. Весь процесс проводится при автоматическом управлении посредством компьютера, что позволяет точно регистрировать скорости вращения, температуру и массу заливаемого металла и другие эксплуатационные параметры и использовать эти данные для прогноза режимов изготовления других отливок, обеспечивая тем самым высокое качество продукции. Это особенно важно при производстве валков для станов холодной прокатки, где необходим тщательный контроль за составом сердцевины ролика.

Другой способ изготовления валков использует принцип статического дуплекспроцесса. Весь объем изложницы заполняют высоколегированным металлом, используемым для изготовления наружного слоя, вплоть до уровня бочки будущего валкгь После формирования затвердевшего слоя достаточной толщины незатвердевшая часть расплава либо выпускается через специальное донное отверстие в изложнице, либо выливается через верх, будучи вытесняема разбавляющим ее расплавом с составом, предназначенным для изготовления сердцевины валка. Однако оба этих метода не обеспечивают возможности точного управления составом сплава для сердцевины валка. При замедлении процесса кристаллизации оболочковой части ролика формируется более грубая дендритная структура. Это может привести к негативным последствиям в отношении прочности и восприимчивости к ударным нагрузкам.

Переходная зона между высокохромистой чугунной оболочкой и сердцевиной из серого чугуна должна быть как можно тоньше с целью снижения остаточных термических напряжений в валке.

Сердцевина представляет собой высококачественный серы чугун с графитом типа ”А\ Очень небольшое количество карбида неизбежно в ней существует, так как некоторое количество хрома растворяется в сплаве, формирующем сердцевину валка. Содержание хрома является, однако, критическим фактором и должно поддерживаться на определенном уровне для валков разных размеров с точностью ±0,15 %. Это обусловлено тем, что коэффициент расширения возрастает с увеличением содержания хрома в сером чугуне. Поэтому, если содержание хрома в сердцевине валка не постоянно, то это вызовет изменение в стреле прогиба валка на стане холодной прокатки, что подтверждается данными, приведенными на рис. 3.

Прочность сердцевины валков изменяется от 210 до 280 МН/м2, что достаточно для нормальной работы станов холодной прокатки. Транспортировка и установка валков может осуществляться с помощью обычных захватов и монтажных приспособлений.

Неразрушающие испытания

Для того чтобы убедиться в качестве получаемых валков, были проведены их обширные испытания без разрушения. Качество сварки между оболочкой и сердцевиной изучали с помощью ультразвукового метода. Сопоставительные изменения были проведены на образцах, специально изготовленных для той цели или вырезанных из отработавших свой срок валков. Принятый критерий количественной оценки обеспечивает очень высокую степень надежности соединения. Ультразвуковой метод использовали также для выявления степени однородности структуры сердцевины валка.

Важной особенностью высокохромистой оболочки является остаточное содержание* аусте нита. Обычно его абсолютное количество не измеряли, а осуществляли сопоставительное измерение методом сравнения магнитных свойств со стандартными образцами. Критерии оценки в этих опытах также были очень жесткими.

Все валки, выпускаемые для станов холодной прокатки, поставляются с твердостью, оговоренной заказчиком. Традиционный метод испытания сводится к применению склероскопа, что позволяет осуществлять динамический тест. Его результаты зависят от осредненных упругих свойств валка, которые, однако, существенно различны у материала оболочки и сердцевины валка. Поэтому калибровочные кривые для величины твердости по Шору, как функции диаметра лунки, будут различными для высокохромистого чугуна и для обычной кованой стали. На рис. 4 приведена калибро

вочная кривая, устанавливающая связь между твердостью по Виккерсу и Шору. Таким образом, предпочтительно, чтобы все поставляемые валки характеризовались бы твердостью по Виккерсу и испытывались бы с помощью соответствующего портативного прибора. Нормальная твердость рабочего валка стана холодной прокатки колеблется от 700 до 850 ЯКЗО, что эквивалентно 81—88 ед. по Шору для высокохромистого сплава и 87—9? ед. по Шору для кованой стали.

Недавно производители валков перешли на другую динамическую систему изменения твердости, что также требует калибровочных кривых для раазных материалов.?

Свойства рабочих валков из высокохромистого чугуна

Важными эксплуатационными характеристиками валков из высокохромистого чугуна являются следующие показатели.

Твердость. Микроструктура оболочковой части достаточно равномера По всей ее толщине и поэтому со временем не происходит снижения твердости и нет необходимости осуществлять операции по восстановлению твердости валков.

Остаточные напряжения. Заданная микроструктура валков получается без ускоренного охлаждения (т.е. без закалки) и поэтому остаточные напряжения невелики. Напряжения в оболочке носят сжимающий характер в течение всего срока службы валка.

Термическая усталость и сопротивление ударным нагрузкам. Микроструктура сплава стабильна до 300 °С, что обеспечивает сохранение высокой прочности в горячем состоянии. В итоге хорошее сопротивление усталостному разрушению и малая вероятность поверхностного выщербления характерны для этих валков даже при температурах, превосходящих 300 °С.

Сопротивление излому. Морфология карбидов в высокохромистых чугунах отличается дискретностью, как это показал анализ до эвтектической области, к которой относятся названные сплавы для изготовления рабочих валков станов холодной прокатки. В результате эти чугуны характериузются очень высокой прочностью на излом и при правильно проведенной термообработке обеспечивают показатель до ЗОМН/м3/2. Это свойство чрезвычайно важно, поскольку оно определяет скорость распространения трещин при выкрашивании поверхности.

Простои в связи с повреждением валков

Остановка станов холодной прокатки в связи с выходом валков из строя изза их поверхностных трещин и выкрашивания не является чемто необычным, поскольку валки работают при повышенных температурах и нагрузках. Эти простои в случае стальных валков достигают 60% всего срока службы. Высокохромистый чугун имеет высокое сопротивление разрушению по изложенным ранее причинам. Поэтому срок службы валков из высокохромистого чугуна значительно выше. Валки, подвергаемые значительным временным перегрузкам, снимали и осуществляли их восстановление с удалением поверхностного слоя толщиной от 1,3 до 5,0 мм, который взаимодействовал с обрабатываемым металлом, тогда как стальные валки в таком случае были бы просто отправлфш на переплавку.

Изгиб. Термический изгиб развивается в рабочих валках из высокохромистого чугуна также значительно слабее по двум причинам: вопервых, их коэффициент теплопроводности составляет только 60 % от теплопроводности стальных валков, а вовторых, коэффициент термического расширения выше. Проблема решается путем увеличения исходной стрелы прогиба по меньшей мере на 30%. Однако в каждом случае должны быть проведены опыты для того, чтобы приспособиться к индивидуальным особенностям разных станов. Правильный выбор стрелы прогиба наиболее важен для чистовых клетей станов листовой прокатки и станов для прокатки белой жести.

Текстурирование и отделка поверхности (рис. 5). Отделка поерхности валков играет важную роль в обеспечении требуемого качества конечной продукции. Для достижения этой цели используют различные методы.

Шлифовка (рис. 6). Есть предел шерохова гости поверхности, получаемый при шлифовке, что обусловлено в конечном итоге качеством полировочного диска, чистотой полировочного стана и качеством фильтрации охлаждающей эмульсии. Можно достичь шероховатости в 1— 2мкм, но это требует времени.

Текст у рирование (см. рис. 5). Для этой цели используют различные способы: дробеструйную обработку, электроразрядный метод и лазерное текстурирование. Каждый из этих способов имеет свои ограничения в применении и в получаемых результатах.

Хромирование. Нанесение слоя хрома на текстурированную поверхность обеспечивало значительное увеличение срока службы вал ков, хотя высокая стоимость транспортировки валков требовала расположения установки для хромирования поверхности радом со станом.

Практическое применение валков в цехе. Рабочие валки из • высокохромистого чугуна требуют полировки или дробеструйной обработки, с тем чтобы в полной мере использовать их возможности. Поэтому возникает потребность в заметном увеличении парка валков.

Полировка. Обычно это первая проблема, с которой сталкивается потребитель валков. Валок из высокохромистого чугуна гораздо труднее поддается полировке, а скорость удаления его поверхностного слоя значительно ниже, чем при полировке обычного стального валка.* Значительно труднее также получить требуемое качество поверхности валка с спомощью используемых обычно полировочных дисков.

Общие требования любого прокатного цеха в этом вопросе сводятся к следующему:

Полировочный станок. Для снижения вибрации и недопущения поперечных следов на валках полировочный станок должен иметь:

Полировочные диски. Не существует одного универсального полировочного диска на все случаи обработки валков для разных станов и поэтому в каждом случае требуется индивидуальный подбор. Обычно используют диски с размером зерна от 30 до 46, изготовленные из корунда с показателем тердости от / до М. Для получения хороших результатов полировки диск должен быть подвергнут предварительной обработке с помощью специального алмазного инструмента. Методика полировки. Установлено, что для качественной полировки валков необходимо соблюдать такую последовательность операций:

Служба валков

Дрессировочные сгамаы. На многих этих станах уже используют рабочие валки нового типа по следующим причинам:

Главная проблема в эксплуатации валков дрессировочных станов связана с их выщерб лением и поэтому благодаря более высокой износостойкости валков из высокохромистого чугуна и меньшей скорости распространения в них трещин достигается повышение срока службы на 250%. Характерные данные по износу валков: 1000—1500 т/мм для изготовленных из высокохромистого чугуна и 400—600 т/мм для изготовленных из обычной кованой стали.

Станы тандем листовой прокатки. Валки из высокохромистого чугуна применяют во всех клетях, но, как отмечалось выше, они не всегда подходят для случая, когда требуется определенная степень шероховатости для чистовой клети, поскольку не обеспечивают возможности ее получения.

В черновых клетях валки нового типа используют как прямую замену обычных литых валков из белого чугуна с ненаправленной кристаллизацией. Поскольку выщербление поверхности валков в этих клетях является главной проблемой, переход на валки из высокохромистого чугуна резко повышает срок их службы.

В средних клетях определенная степень шероховатости важна для обеспечения необходимого захвата. Технологическую смазку также следует изменить для обеспечения необходимого равновесия сил, а стрела прогиба должна быть скорректирована для обеспечения правильной геометрии листа. Типичные данные по износу валков в средних клетях приведены на рис. 7 и достигают значений (Ки для валков из высокохромистого чугуна; Кс— для валков из обычной стали):

Главные факторы, обуславливающие применение валков из высокохромистого чугуна в этих станах, сводятся к следующему:

Чистота поверхности холоднокатаного листа очень важна в случае производства автомобильного листа, и мы столкнулись с тем, что высокохромистые валки создают "пыль". Однако установлено, что эта "пыль" не является выделением с поверхности валков за счет их износа, а наоборот, представляет собой мелкие частицы стали с поверхности листа, прилипающие и приваривающиеся к поверхности роликов.

Как результат такого "пылеообразования" содержание железа в смазке возрастает и увеличивается приваривание к поверхности металла и валков этой "пыли". "Пыль" может быть удалена с листа посредством проведения его очистки перед отжигом. Проблемы чистоты поверхности листа подробно рассмотрены в работе [4], где показано, что они успешно решаются путем использования правильных технологических смазок и соответствующих добавок.

Станы тандем для прокатки жести [3]. Валки из высокохромистого чугуна используются во всех клетях, но чаще всего в тех из них, где нагрузки высоки и стальные валки в связи со своим невысоким сопротивлением износу имеют недостаточный срок службы. В чистовых клетях очень важным является управление величиной прогиба валков, поскольку это оказывает решающее влияние на равномерность толщины тонкого листа. Характерные данные по износу валков: 8000 т/мм для изготовленных из высокохромистого чугуна; 2000 т/мм для изготовленных из обычной стали (рис. 8).

Главные причины л та применения валков нового типа в этих станах следующие: а) значительное снижение выщербления по сравнению с обычными литыми без направленной кристаллизации; б) увеличенное сопротивление износу в клетях с высокой нагрузкой; в) отсутствие проблем с непрерывнолитыми слябами.

Реверсивные станы холодной прокатки [5]. В тех случаях, когда главной проблемой являлось обеспечение высокого качества продукции, были проведены исследования по применению валков, изготовленных из высокохромистого чугуна.

Непрерывнолитые слябы из алюминиевых сплавов создают при холодной прокатке тонкую поверхностную пленку с высоким абразивным воздействием на валок, легко и быстро снимающую его поверхностный слой, подвергавшийся дробеструйной обработке, причем это происходит значительно быстрее со стальными валками, чем с валками из высокохромистого чугуна. В результате возникает потребность в более частой замене Ьалков вследствие проскальзывания и необеспечения заданной геометрии листа.

Обеспечение заданной геометрии. Валки нового' типа позволяют решать эту задачу значительно эффективнее, чем стальные кованые, и опыт показал, что колебания толщины листа в случае их применения составляют ± 2—3 мкм, а в случае стальных валков — ±3—4 мкм.

Усовершенствованная технологическая смазка также важна для проявления всех пре имущееств новых валков, поскольку она предупреждает как проскальзывание, так и локальное приваривание изза высокого давления. Некоторые реверсивные станы полностью переведены на использование в них валков из высокохромистого чугуна, что дало итоговую экономию расходов на валки в 75%.'

Опорные валки. Повышенное сопротивление абразивному износу высокохромистых материалов хорошо известно и описанная технология изготовления рабочих валков может быть применена и к опорным валкам. Поскольку срок службы этих валков весьма велик, трудно дать оценку имеющимся данным по их применению для краткосрочной эксплуатации. Однако имеющиеся в распоряжении сведения свидетельствуют о возможности увеличения срока службы таких валков в дрессировочных станах на 50 %. Уровни твердости поверхности достигают 60—80 ед. по Шору, но надо внимательно относиться к поддержанию качества поверхности, подвергавшейся дробеструйной обработке. Состав чугуна, включающего 12— 18 % Сг и 1—2,5 С, отвечает тому, который применяется для изготовления таких валков и обеспечивает износ, ' составляющий до 4500 т/мм при производительности за кампанию до 5000—60000 т. Типичный профиль распределения твердости по толщине валка показан на рис. 9.

В статье обсуждены проблемы разработки рабочих и опорных валков из высокохромистого белого чугуна. Этот сплав имеет очевидные достоинства, обусловленные высоким сопротивлением абразивному износу, что делает его идеальным материалом для данной дели. Значительные потери времени работы станов холодной прокатки, связанные с выходом из строя валков, могут быть существенно сокращены при использовании валков нового типа.

Характеристики этих валков означают, однако, что при их применении должны быть использованы новые методы полировки, дробеструйной обработки и контроля стрелы прогиба. Это потребует времени и подготовительной работы цеха, так что новые валки не могут быть внедрены в производство мгновенно. Глубокое переплетение вопросов смазки, технологии холодной прокатки, особых свойств новых валков означает, что в ряде случаев адаптировать к ним производство будет настолько затруднительно, что сохранятся стальные валки старого типа. На других станах валки нового типа найдут свое применение в некоторых клетях, а в других (чистовых) сохранятся стальные валки, которые обеспечат качество поверхности и равномерность толщины листа. Однако количество используемых валков из высокохромистого чугуна будет непрерывно возрастать во всех клетях станов листовой прокатки и в дрессировочных станах. Существенная экономия в расходах на валки, достигаемая при их изготовлении из высокохромистого чугуна, не может быть проигнорирована и этот фактор вызовет быстрый рост числа прокатных станов, оборудованных валками нового типа.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 4, Москва 1994