ВЫБОР МЕТОДА УПРОЧНЕНИЯ КОВАНЫХ СТАЛЬНЫХ РАБОЧИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

Компания "Форджед Роллз Лтд" начинала около шого сталеплавильного комплекса. В середине шестидесяти лет назад как производственное 80х годов "Форджет Роллз" имела три меха подразделение фирмы по производству поковок нических цеха и два цеха термообработки, на легированной стали в Шеффилде (Велико Также имелся завод для индукционной закал британия). Поскольку мощности возросли, бы ки, принадлежавший родственной компании ли построены новые в различных местах боль "Р.В.Теннет Лтд" (в 350ти километрах), где можно было упрочнить до 20 валков в неделю. Поэтому в 1989 г. было принято решение объединить на одной территории мощности для термообработки и для механической обработки. С целью соответствия текущим и будущим требованиям необходимо было построить завод.

Нереально было осуществить реконструкцию существующих зданий без срыва выпуска продукции, поэтому нужно было найти компромиссное решение. Решено было переместить всю компанию в существующий блок в главной шеффилдской резиденции "Форджмастерз". Конструкции стального каркаса были исправлены, а в здании была перекрыта крыша и переложена кладка и обновлены все коммуникации, с тем чтобы получить новый производственный корпус.

На любом заводе по производству кованых валков ключевым является отделение термообработки. Вопросом было, какое закалочное оборудование следует установить на новом заводе. Данная статья касается этого вопроса.

Требования к валкам стана холодной прокатки "Форджед Роллз" производит рабочие, промежуточные и опорные валки диаметром от 200 до 1000 мм массой до 12 т в обработанном состоянии.

Требования к валкам также значительно меняются в зависимости от типа стана и конечного продукта. На заводе имеется

Одним из важнейших свойств валков для листовых станов холодной прокатки являются характеристики поверхностной текстуры валка. Поверхность додо::на быть достаточно гладкой для получения однородной текстуры, одновременно обеспечивая достаточное сопротивление износу, чтобы получить максимальную продолжительность кампании.

Сопротивление ударам всегда является важным, но особенно значительным становится при прокатке твердого материала. При прокатке тонкого листа с покрытием, а также при обработке давлением кремнистых сталей требуется цругой тип валков.

Способ закалки

Традиционный способ упрочнения кованых рабочих валков для станов холодной прокатки на требуемую мартенситную структуру заключается в создании аустенитной структуры по всему сечению валка перед резкой закалкой в камере душирования под давлением. Нагрев может быть как газовым, так и электрическим от статической (индукторной) печи. Этот процесс известен как обычная закалка. Она применялась компанией "Форджед Роллз", начиная с 1942 г. в качестве первичного упрочнения рабочих валков всех диаметров вплоть до 1000 мм. Ранее работали три газовые муфельные печи. С целью предотвращения повышения твердости цапф во время нагревания их изолируют (рис. 3).

Альтернативный подход заключается в ограничении нагрева рабочей глубины бочки валка. В этом случае электрический нагрев обеспечивается токами высокой частоты.

На фирме "Форджет Роллз" с 1955 г. действовала установка частотой 1000 Гц, а на родственной фирме Т.В.Теннет" с 1976 г. работал двухкатушечный закалочный агрегат с частотой 50/250 Гц. Установка частотой 1000 Гц использовалась для валков до 350 мм в диаметре, в то время как двухчастотный агрегат — для рабочих валков большего диаметра широкополосного стана. Следовательно, опыт "Форджед Роллз" по индукционной закалке покрывает весь спектр размеров от 200 до 1000 мм.

Компания, следовательно, оказалась в уникальном положении, обладая двумя различными установками для закалки. Имелся определенный опыт, касающийся обоих типов вал KQB, поэтому было решено установить обе установки в новом цехе. Технические особенности и особенности выполнения валков, стоящие за этим выбором, объясняются в следующих разделах.

Системы закалки

Наиболее важное различие между обычной и индукционной закалкой заключается в мощности и времени, в течение которого валок находится при температуре выше температуры аустенитизации. На рис. 2 показаны результаты компьютерного моделирования кривой температуравремя в 3 точках под поверхпоперечное сечение бочки валка, в то время как цапфы изолированы от горячего газа (рис. 4). Этот процесс занимает гораздо больше времени и требует больших энергозатрат. Для сравнения приведем параметры обычной закалки: ностью валка, подвергаемого двухчастотнои индукционной закалке.

Отметим следующее:

При обычном процессе прогревается все

На рис. 5 представлено сравнение распределения твердости. Валок, подвергнутый индукционному упрочнению, имеет почти постоянную твердость на всей рабочей глубине. Валок после обычного упрочнения отличается значительным падением твердости за счет недостаточной прокаливаемости.

Картина остаточных, напряжений также различна. В индукционно упрочненных валках имеются сжимающие напряжения в упрочненном слое при растягивающих напряжениях в теле валка. После обычной закалки сжимающие напряжения на поверхности валка выше. Остаточное напряжение в теле валка превышает предел прочности, что вызывает разрушение валка при закалке. Следовательно, эти валки необходимо высверливать, чтобы обеспечить охлаждение их осевой зоны в цикле закалки, что приведет к появлению сжимающих напряжений к середине радиуса валка (рис. 6).?

Свойства валков

Факторы, приведенные ранее, приводят к различиям в микро и макросвойствах валков, которые влияют на эксплуатационные характеристики стана и валков.

Листовые станы холодной прокатки. Характеристики текстуры являются наипервейшим требованием к валкам чистовой клети дрессировочных и тандемстанов. Валок должен как легко образовывать структуру, так и сохранять ее в течение всей кампании. Для максимально быстрого образования текстуры требуется предварительная обработка. Применяемая термообработка обеспечивает следующие параметры: 1) большую объемную долю карбида; 2) сфероидальные частицы (диаметром

Процесс уррочнения может влиять на стабильность такой микроструктуры. Часть карбидов растворяется при аустенизации. Также действует механизм роста карбидов — ост вальдовское созревание. Новые карбиды растут на границах первичных зерен аустенита, и скорость роста зависит от времени и температуры. Изменение времени аустенизации, необходимое в процессе обычного упрочнения, делает процесс более трудным для контроля. Индукционное упрочнение предпочтительнее для обеспечения оптимальной предварительной структуры.

Пологая кривая распределения твердости индукционно упрочнейного валка также улучшает сопротивление вдавливанию и износу при использовании валков с уменьшившимся диаметром. Следовательно, этот процесс предлагает несколько возможностей выбора при эксплуатации валков.

Новые валки могут быть установлены на дрессировочном стане в последнюю клеть тан демстана без значительного изменения сопротивления износу. Возможна также стационарная установка на дрессировочном стане, что является стандартным для многих современных станов "Пасифик Рим".

Достоинства рабочих валков малых диаметров используются в настоящее время на шестивалковых станах при прокатке тонких материалов. На наиболее распространенной последовательной конфигурации станов последняя клеть должна быть заменена набором шести валков. Рабочие валки должны обеспечивать равномерность текстурных характеристик и характеристик износа на протяжении всей жизни валка, испытывая повышенные эксплуатационные напряжения, следовательно, сплошной индукционно упрочненный валок является идеальным решением.

Станы для прокатки жести. Напряжения при прокатке тонкой жести велики, и риск ее повреждения изза настройки стана повышается.

Поэтому валок должен обладать сочетанием сопротивления термическим и механическим ударом с сопротивлением износу. Наиболее нагруженные клети обычно расположены в середине последовательной линии прокатки. На этом участке предпочтительны мягкие валки, которые производятся путем обычного упрочнения.

Данные, полученные с нескольких станов, специализированных на жести, подтверждают это. Как показано на рис. 7, обычные валки имеют только 10—25% стойкости по сравнению с 3050% для индукционно упрочненных валков. Это улучшение сказывается на величине скорости износа валков в конце их эксплуатации.

Рве. 8. Сравнение эксплуатационных свойств валков обычного стана для прокатки кремнистой стали:ре выпускают не только обычный лист, но и лист с покрытием из цветных металлов, гальванопокрытием из цветных металлов, гальванопокрытием и жесть. Выбор валков зависит от конкретного сочетания металлов. Обычно при прокатке валков листа с покрытием большую долговечность показывают валки малого диаметра. Эксплуатационные свойства валков приведены на рис. 9.

Валки с глубоким упрочнением. В современных скоростных тандемстанах с пониженным процентом отказов можно полностью использовать теоретически. Валки со сверхглубоким упрочнением можно получить только подбором химсостава и управлением нагревом, что предполагает процесс индукционного упрочнения. Сейчас возможно получать глубину закаленного слоя более 50 мм, как показано на рис. 10, для состава с 5 % Сг, обладающего высокой прокаливаемостью. Одним значительным преимуществом валка, упрочненного на значительную глубину, является то, что размерные допуски цапфы обеспечиваются в течение всей жизни валка без необходимости повторного упрочнения. Именно при повторном упрочнении возникают проблемы, связанные с короблением. Стойкость подшипника обеспечивается упрочнением поверхности участков, соприкасающихся с цапфой, с помощью индукционного нагрева с частотой 1000 Гц.

Ясно, что дальнейшее создание таких материалов для рабочих валков станов холодной прокатки будет происходить в направлении создания семейства инструментальных сталей. Такие сплавы имеют повышенное сопротивление усталости при высоких температурах в сочетании с высокой износостойкостью. Процесс индукционного упрочнения наиболее подходит для упрочнения этих материалов нового поколения.

Повторное упрочнение. В широкополосных станах, где используются валки после обычного упрочнения, как правило, необходимым бывает повторное их упрочнение . изза ограниченной глубины закаленного слоя. При отпуске и повторном упрочнении возникает некоторое коробление валков. Размерные допуски валка могут быть обеспечены переполиров кой цапфы. На фирме "Форджед Роллз" этого результата достигают с использованием души рования металла (?) и дополнительной механической обработкой. Капиталовложения в новую установку для перешлифовки;^ составили 40 млн. долл.

Новый цех

Для термообработки примерно 70 валков в неделю за 20 смен был разработан новый цех.

Для обеспечения возможности предварительного отжига, включающего цикл обезводо роживания, были установлены две платформы со 150т печами под одним кожухом. Нагрев в них обеспечивается четырьмя высокоскоростными газовыми горелками, управляемыми микропроцессором.

Обычное упрочнение. Была установлена новая газовая печь с высокоскоростными горелками. Она представляет собой 5зонную печь по 3 горелки на зону, управляемая микропроцессорами, позволяющими точно регулировать подвод тепла. Отходящие газы пропускаются через установку предварительного нагрева валка.

Упрочнение при индукционном нагреве. Новый индукционный стенд с PLCсистемой управления был подключен к источнику питания с двойной частотой— 50 и 250Гц. Установка полностью автоматизирована, что дает воспроизводимость цикла упрочнения.

Старый индукционный стенд был переделан, оснащен датчиком управления обратной связи PLCуправления и подключен к источнику питания частотой 1000 Гц.

Индукционная установка предварительного нагрева используется перед упрочнением.?

Отпуск

Были установлены две новые горизонтальные отпускные печи, каждая из которых способна обрабатывать 3—4 рабочих валка. Восемь вертикальных отпускных печей были обновлены и переведены из старого цеха. Работа всех этих печей поддается регулированию в пределах ±2°С.

Сорта лент. Цех упрочнения работает на полную мощность с апреля 1993 г. Соотношение продукции в соответствии с текущими потребностями рынка следующее: 60 и 40 % для индукционного и обычного упрочнений.

Сравнение твердости. Работа на одном участке позволяет осуществлять полное сравнение по твердости индукционно и обычно упрочненных рабочих валков с использованием приборов Виккерса (Пенетраскопа) и Эквоти па. Ранее сообщалось [1]—[3], что динамическое измерение твердости зависит от остаточных напряжений и качества валка. Существуют различия в схемах остаточных напряжений, получаемых в процессах обычного упрочнения и индукционного упрочнения. Вследствие этого некоторые операторы станов сообщают, что у валков, изготовленных этими двумя упрочняющими способами, возникают различные текстурные отклики.

После чистовой шлифовки валков провели ряд замеров твердости Эквотипа (Le и Ld) и по Виккерсу (диаметры валков и способы их у рочнения различны). На рис. 11 показана взаимосвязь между Le и Ld для обоих процессов упрочнения. На рис. 12 показаны изменения твердости Le и Виккерса для двух способов упрочнения валков из стали с 2%Сг во всем диапазоне размеров. Данные на рис. 11 подтвержают ранее полученные данные [4] о взаимосвязи показаний Le и Ld во всем интервале твердости для рабочих валков станов холодной прокатки. Показано, что эта взаимосвязь не зависит от способа упрочнения. Анализ данных также показал, что и диаметр валков не влияет на это соотношение. Поданным (рис. 12) видно, что между значениями твердости Le и Виккерса для двух методов упрочнения, применяемых компанией "Форджед Роллз", не существует значимых различий. Полный анализ данных также показал, что этот результат не зависит от диаметра валка, качества и свойства валков с 2 или 3 % Сг.

Следовательно, для подобных структур не ожидается различий в текстуре дробеструйной обработки, полученной необычным образом, или индукционно упрочненных валках. В настоящее время планируются промышленные испытания на стане для подтверждения этого наблюдения. Проводится дальнейшая работа по измерению уровней остаточных напряжений на поверхности, достижимых в этих двух процессах.

Компания "Форджед Роллз" имеет многолетний опыт производства индукционно и обычно упрочненных валков. Оба эти пути необходимы для получения на стане оптимальных результатов. С вводом нового агрегата термообра* ботки на "Форджед Роллз" задействованы достаточные мощности, чтобы удовлетьорить запросы настоящего и будущего рынка.

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