Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Прокатные валки. Классификация, назначение, общие требования 8
1.2. Факторы, снижающие основные рабочие свойства валков 10
1.3. Основные дефекты валков, возникающие при прокатке 14
1.4 Существующие технологии изготовления прокатных валков 15
1.5. Износостойкий валковый чугун рабочего слоя валка. Влияние химических элементов на свойства и структуру валкового чугуна 19
1.6. Выводы по 1 главе 27
ГЛАВА 2. Методика проведения исследований. оборудование и материалы 28
2.1. Шихтовые материалы, выплавка валкового чугуна 28
2.2. Используемое оборудование, проведение испытаний на опытных образцах 29
ГЛАВА 3. Индефинитный валковый чугун. свойства, структура. факторы, влияющие на формирование рабочего слоя валка 34
3.1. Индефинитный валковый чугун ЛПХНМ-71 И (Ц) 34
3.2. Формирование рабочего слоя чугунного центробежно-литого индефинитного валка 35
3.2.1. Технологический процесс изготовления рабочего слоя 35
3.2.2 Факторы, влияющие на затвердевание рабочего слоя 38
3.3. Исследование структуры и свойств валкового индефинитного чугуна 48
3.4. Выбор рационального химического состава для проведения эксперимента...58
3.5. Выводы по 3 главе 61
ГЛАВА 4. Исследование фазового состава, свойств, структуры и фазовых превращений валкового чугуна, микролегированного бором
4.1. Бор. Применение 62
4.2. Бор. Строение. Образующиеся соединения в системе Fe-C 63
4.3. Проведение исследований по влиянию бора на фазовый состав валкового чугуна 63
4.4. Проведение исследований по влиянию бора на структуру и свойства валкового чугуна 68
4.5. Проведение исследований по влиянию бора на структурные превращения валкового чугуна 81
4.6. Выводы к 4 главе 90
ГЛАВА 5 . Влияние бора на эксплуатационные свойства про катных валков в промышленных условиях 91
5.1. Условия эксплуатация валков, микролегированных бором 91
5.2. Опытно-промышленное опробывание результатов работы 95
5.3. Заключение 118
Список литературы
- Основные дефекты валков, возникающие при прокатке
- Используемое оборудование, проведение испытаний на опытных образцах
- Исследование структуры и свойств валкового индефинитного чугуна
- Проведение исследований по влиянию бора на структуру и свойства валкового чугуна
Основные дефекты валков, возникающие при прокатке
При работе на стане валки изнашиваются, в результате чего меняются условия их эксплуатации, и происходит искажение профиля проката [18].
Материал прокатного валка сталкивается с рядом негативных факторов, которые снижают его стойкость и могут привести к выводу валка из эксплуатации. При износе поверхности прокатных валков ухудшается качество готовой продукции, кроме того, износ может послужить причиной возникновении различного рода дефектов на прокатываемом металле [12].
Износ валков является технологическим фактором, который влияет на настройку стана, качество поверхности и геометрию прокатываемых изделий [21].
Основными факторами, определяющими износостойкость валков прокатных станов, являются: материал валка и прокатываемого материала, температура прокатки (для станов горячей прокатки), усилие прокатки и удельное давление металла на валки, скорость прокатки, величина обжатия полосы, условия контактного трения, количество прокатанного металла [18].
Первым из основных факторов, влияющим на работоспособность материала валков, является абразивный износ. Абразивный износ возникает в результате трения поверхности металла валка о поверхность прокатываемой полосы и представляет собой воздействие твердых абразивных частиц на поверхностные слои валка (микрорезание и микропластическое деформирование поверхностных слоев абразивными частицами), вызывающее их усталостное разрушение и охрупчива-ние. Для валков горячей прокатки показатели износостойкости валкового материала должны быть больше, поскольку по сравнению с валками холодной прокатки влияние абразивного износа на него усиливается тепловым и окислительным из-носами. Абразивный износ определяет чистоту обработки поверхности бочки валка, поэтому одно из основных свойств, необходимое для материала рабочего слоя валка - это износостойкость.
В настоящее время существует необходимость поиска новых легирующих элементов, способных повысить абразивную износостойкость материала валка.
Вторым фактором, влияющим на работоспособность материала валков горячей прокатки, является воздействие температур. При взаимодействии материала бочки валка с горячим металлом происходит интенсивный теплоперенос, который изменяет свойства материала рабочего слоя. Изменение под действием температур любого из свойств материала рабочего слоя валка является нежелательным, поскольку может привести к нарушению процесса прокатки (налипанию, искажению геометрических размеров полосы и т. д.), поэтому материал бочки валка горячей прокатки должен быть термостойким.
Третий негативный фактор для материала валка горячей прокатки - это окисление. Непосредственное взаимодействие валка с прокатной полосой создает трение и формирует пластически деформированные объемы металла на его рабочей поверхности. В данные объемы проникает кислород, что приводит в действие механизм окисления, интенсивно развивающийся при дальнейшем трении поверхностей прокатываемых полос и рабочей поверхности валка. Поскольку окислительный износ приводит к разрушению поверхности валка, необходимо путём легирования и модифицирования защищать материал рабочего слоя бочки валка от такого рода окисления.
Неблагоприятным фактором для валков холодной прокатки является влияние напряжений, возникающих в результате контактного воздействия. При холодной прокатке поверхность валка воспринимает результат образования двух противоположных явлений - растяжения и сжатия. Деформация сжатия формируется двумя зонами контакта - зоной контакта рабочего валка с опорным и зоной контакта рабочего валка с прокатываемым металлом, а деформация растяжения образуется в перпендикулярных нормальному давлению плоскостях.
Максимальные контактные напряжения возникают не в зоне взаимодействия валка с прокатываемым металлом, а у поверхности контакта рабочего и опорного валков [22].
При работе на стане поверхность валка подвергается действию пульсирующих напряжений, в результате чего остаточный аустенит распадается с изменением объема фаз, что способствует появлению трещин и перераспределению внутренних напряжений [23]. При холодной прокатке под действием давления металла поверхностные слои рабочих валков испытывают высокие знакопеременные контактные напряжения. Поверхностные слои рабочих валков испытывают деформацию растяжения в плоскостях, перпендикулярных приложению силы нормального давления. Поэтому за один оборот валка поверхностный слой бочки испытывает два цикла переменного нагружения и четырехкратное изменение знака напряже 13
ния. Под воздействием переменных контактных нагрузок в поверхностных слоях рабочих валков протекает накопление усталостных напряжений с концентрацией их внутри закалочного слоя. Воздействие внешних нагрузок способствует усталостному напряжению и разрушению поверхности бочки в виде отслоений [24].
На материал любого прокатного валка помимо контактных действуют ударные нагрузки (особенно черновой группы клетей), а также остаточные напряжения и напряжения изгиба и кручения.
Ударные нагрузки, вызывающие динамические напряжения, возникают в валках при задаче раската. Образующиеся напряжения могут оказать более сильное влияние, если в момент задачи полосы одновременно прокатываются другие полосы. В этом случае, помимо динамического напряжения, полученного от удара при задаче полосы, прибавляются статические, формирующиеся от прокатки остальных полос. Повышенные ударные нагрузки испытывают валки черновых клетей прокатных станов, поэтому данные валки должны иметь высокую способность сопротивляться ударным нагрузкам.
Остаточные напряжения в валках проявляются как: термические, усадочные и фазовые. Все они образуются при изготовлении валка и способствуют развитию усталостного разрушения. Причиной образования термических или внутренних напряжений является разность скоростей охлаждения верхних слоев валка и его сердцевины. Фазовые напряжения формируются при термической обработке валка. Речь идет о качестве самого валка. Свойство, которому он должен отвечать, - это пониженное содержание остаточных напряжений, образующихся при его производстве. Полностью исключить образование остаточных напряжений в теле валка невозможно, однако необходимо проводить мероприятия по их снижению.
Методики расчета термических напряжений в валках приведены и описаны в работах [25, 26]. Напряжения изгиба и кручения образуются вследствие воздействия давления металла на валки. Во избежание поломки валка, эти напряжения не должны превышать пятикратного запаса прочности валкового материала. Поэтому одно из необходимых свойств, которыми должен обладать валковый материал, это надлежащая прочность. Несмотря на постоянные исследования в области оптимизации химического состава валкового материала, износ прокатных валков продолжает иметь место, и большинство валков не отрабатывают регламентированный им срок эксплуатации. Постоянные поломки валков тормозят процесс прокатки, что приводит к экономическим потерям прокатных цехов. Уже разработанные валковые материалы не дают гарантии надлежащего качества валков. В связи с этим, необходим поиск новых химических элементов, которые позволят улучшить как структуру, так и свойства валкового материала.
Используемое оборудование, проведение испытаний на опытных образцах
Установили, что перегрев металла рабочего слоя прокатного валка Тзал более Гл+140...Гл+150 С приводит к повышению времени его затвердевания, а, следовательно, к увеличению времени технологического процесса изготовления валка и затрат на электроэнергию.
Выявили, что для большинства листовых валков температура заливки металла рабочего слоя валка составляет - Тл+\ 10... Гл+120 С. При такой температуре заливки не происходит расслоений, «неспаев» и прочих дефектов рабочего слоя листового валка. При заливке рабочего слоя листового валка скорость должна быть такой, чтобы рабочий слой формировался однородным по всему сечению и антипригарный слой не смывался.
Проведённый анализ показал, что для листовых валков рациональная скорость заливки металла рабочего слоя составляет 40...60 кг/с [104]. П3
Температура литейной формы перед заливкой. В процессе изготовления валка жидкий металл непосредственно контактирует только с определенной частью литейной формы: в случае листовых валков - с кокилем. При этом именно кокиль оказывают влияние на процесс теплообмена и формирование структуры рабочего слоя валка.
Провели анализ зависимости скорости затвердевания металла рабочего слоя от температуры кокиля перед заливкой. Температура кокиля перед заливкой изменяли в диапазоне 110...210 С. Прочие начальные условия литья были постоянными.
Экспериментальная и расчетная зависимости средней скорости затвердевания металла рабочего слоя от температуры кокиля перед заливкой рабочего слоя Анализ показал, что дефекты, возникающие при низких температурах заливки рабочего слоя, могут проявляться и при пониженных температурах кокиля в диапазоне 100... 120 С перед заливкой. Компенсация пониженной температуры кокиля путем небольшого повышения температуры заливаемого металла возможна, однако четких зависимостей в данной ситуации не выявили, так как для различных валков масса заливаемого металла, толщина рабочего слоя и кокиля находятся не на одном уровне. При пониженных (недостаточных) температурах кокиля повышается вероятность смыва антипригарного покрытия, поскольку при снижении температуры его прочность понижается. При соприкосновении жидкого металла с недостаточно нагретой поверхностью кокиля происходит мощный тепловой удар. Внутренняя поверхность кокиля резко нагревается (рис. 3.7 а), температура наружной поверхности практически неизменна (рис. 3.7 в). В результате таких тепловых нагрузок возрастает вероятность механического разрушения кокиля в виде горячих трещин, сеток разгара на его внутренней поверхности. С другой стороны, при повышенной температуре кокиля в диапазоне 180...200 С перед заливкой процесс теплоотвода снижает скорость, затвердевание металла рабочего слоя требует большего временного периода. В этой ситуации возможна компенсация повышенной температуры кокиля путем небольшого понижения температуры заливаемого металла.
Толщина стенки кокиля. При проектировании машины центробежного литья, как правило, задаются наружный диаметр, длина и масса кокиля, поскольку от этих параметров зависят такие конструктивные и технические характеристики машины, как расстояние между приводными и опорными роликами, их диаметр, наличие страховочных роликов и высота их крепления, мощность электродвигателей привода роликов и др. Поэтому корректировка скорости затвердевания металла путем изменения толщины стенки кокиля после ввода в работу центробежной машины практически невозможно.
При расчете толщины стенки кокиля при конструировании машины центробежного литья необходимо принять во внимание, что при слишком толстой стенке кокиля, скорость затвердевания металла будет низкой, а при слишком тонкой -во время затвердевания металла кокиль (вставка) будет испытывать сильный нагрев (до 700...900 С на наружной границе), который может привести к его преждевременному износу. Выбранная толщина стенки должна обеспечивать необходимую скорость затвердевания для получения требуемой микроструктуры. Для расчёта необходимой толщины стенки для листовых валков вывели следующую формулу 3.1 [104]:
Исследование структуры и свойств валкового индефинитного чугуна
Значимость коэффициентов уравнения регрессии проверялась с помощью критерия Стьюдента. Все коэффициенты в уравнениях регрессии значимы и отличаются от нуля. Значимость уравнений регрессии проверены с помощью критерия Фишера. Определили, что: - использование бора в качестве микролегирующего элемента способствует повышению твёрдости чугуна. - введение бора в валковый чугун способствует повышению микротвёрдости всех его структурных составляющих: как металлической матрицы, так и це-ментитной фазы.
Это объясняется установленным авторами работ [116, 121-123] фактом способности бора заменять атомы углерода в Fe-C сплавах в связи с повышенным сродством бора к углероду. Замена углерода бором на атомном уровне сопровождается двумя положительными эффектами.
Первый эффект заключается в том, что при замене атомов углерода атомами бора в кристаллических решетках структурных составляющих чугуна происходит их упрочнение, которое связано с размерами диаметров атомов этих двух элементов. Поскольку диаметр атома бора больше, чем диаметр атома углерода (1,78 кХ 1,54 кХ), то при появления в элементарной ячейке кристаллической решетки атома бора вместо атома углерода происходит уменьшение ее периода, т. е. сокращается расстояние между находящимися в ней атомами, поэтому связь становиться прочнее. Например, в металлическую матрицу исследуемого валкового чугуна, залитого в кокиль, входит мартенсит. Вытесняя часть атомов углерода, бор проникает в объемное пространство элементарной ячейки структурной решетки мартенсита, упрочняет ее и, тем самым, повышает микротвердость металлической матрицы чугуна.
Второй эффект состоит в том, что при замене атомы бора высвобождают атомы углерода из кристаллических решеток цементита и металлической матрицы. Высвобожденные атомы углерода участвуют в образовании дополнительных карбидов, что повышает микротвердость структурных составляющих чугуна. Сравнив степени воздействия бора на повышение микротвёрдости структурных составляющих валкового чугуна (табл. 4.4), пришли к выводу, что бор оказывает большее влияние на повышение микротвёрдости цементита. Это объясняется установленным М. Е. Николсон [107] фактом способности бора заменять повышенный процент (до 80 %) атомов углерода именно в цементите Fe-C сплавов, а не в их металлической матрице.
Исследуемые в настоящей работе легированные имеющие прочную сердцевину и твердую износостойкую рабочую поверхность валки исполнения ЛПХНМд-71 И (Ц) с мартенситной металлической матрицей и расположенными в ней высокотвёрдыми карбидами, в процессе прокатки выкрашиваются. Это связано с тем, что образование мартенсита происходит с увеличением объема, повышающего напряженность рабочего слоя. Для снижения напряжений такие валки подвергают низкотемпературному отжигу. Основное требование - отбеленная часть не должна претерпевать существенных изменений ни при термической обработке валка, ни в процессе эксплуатации [127, 128].
Сложность превращений при отпуске обусловливается возможностью частичного или полного протекания процессов диффузии углерода и различных путей структурных изменений в карбидной фазе и металлической основе. Существование некоторых из них хорошо обнаруживается термическими (ДТА или ДСК) методами, обладающими высокой чувствительностью к протеканию фазовых превращений и основанными на измерении поглощенного или выделенного тепла в процессе программируемого нагрева [128].
На первом этапе изучения кинетики распада мартенсита и протекания остальных структурных превращений в отбеленном чугуне рабочего слоя валка провели исследования на образцах, не подверженных термообработке, калориметрическим (ДСК) методом. Исследования осуществляли в условиях непрерывного нагрева образца со скоростью 30 С/мин в инертном газе (аргоне) до температуры 1000 С. Точность измерения температуры опытного образца ОД С. Калибровка термопары выполнена по температурам плавления Государственных стандартных образцов, в качестве которых использованы чистые металлы [128].
Для изучения влияния бора на характеристики фазовых превращений в валковом чугуне без термообработки провели исследования на образцах с бором и без него. Химический состав опытных образцов показан в табл. 4.6.
Проведение исследований по влиянию бора на структуру и свойства валкового чугуна
В настоящее время, применяемые для валкового чугуна легирующие элементы такие как Cr, Ni, Mo, Ті, V и др. способны образовывать с металлами только твёрдые растворы замещения, заменяя атомы железа с образованием новых химических соединений типа МехСу. Однако бор является уникальным легирующим элементом, поскольку при введении в железоуглеродистые сплавы может одновременно заменять и атомы железа, образуя бориды, и атомы углерода, образуя карбиды, что связано с его положением в таблице Менделеева, т. к. он является полуметаллом. Возможность замены атомами бора атомов углерода, прежде всего, объясняется повышенным сродством бора к углероду.
Способность бора образовывать карбиды в чугуне рабочего слоя валка имеет немаловажное значение, поскольку наличие карбидообразующих элементов в износостойких сплавах является обязательным условием для получения надлежащей износостойкости - чем выше содержание таких легирующих элементов, тем выше способность сплавов сопротивляться абразивному износу. Поэтому применение бора в химическом составе чугуна рабочего слоя валка в качестве карбидообразующего легирующего элемента будет способствовать повышению одного из основных его эксплуатационных свойств - износостойкости (за счёт образования дополнительных твердых частиц в матрице чугуна - карбидов).
Проведение исследований по влиянию бора на структуру и свойства валкового чугуна Для изучения характера воздействия бора на структурные составляющие и механические свойства исследуемой марки валкового чугуна были проведены экспериментальные плавки с введением бора в различном количестве в качестве микролегирующей добавки. Содержание бора в опытных плавках находилось в интервале, %: 0,01...0,09. Заливка опытных образцов производилась в сухую ПГФ, сырую ПГФ и в кокиль.
Микроструктура опытных образцов валкового чугуна (с бором и без бора), залитых в сухую ПГФ, представляет собой: Аустенит + Мартенсит (небольшие участки) и Цементит (Ц40; Цп-13000). Количество мартенсита, имеющего 3...7 балл, в металлической матрице составляет 2... 10 %, остальное - аустенит.
В опытном образце чугуна без бора (плавка № 1), залитого в сухую ПГФ, найден пластинчатый графит ПГф1, ПГд25, Пгр2, ПГ2, также, как и в структуре опытных образцов с бором плавок № 4... 10 (рис. 4.6 а). Однако в опытных образцах плавок № 2 и № 3 выявлен графит шаровидной формы ШГфЗ, ШГф4, ШГд25, ШГрІ, ШГ2 (рис. 4.6 б) [124, 125].
В результате проведения металлографических исследований микроструктуры опытных образцов, залитых в сухую ПГФ, установлено, что бор способствует образованию шаровидной формы графита и равномерному распределению графита в структуре валкового чугуна. Способность бора влиять на форму и распределение графита при заливке опытных образцов в сухую ПГФ обнаружена при содержании его в чугуне 0,012...0,021 %.
Микроструктура опытных образцов валкового чугуна, залитых в сырую ПГФ, представляет собой Мартенсит + Аустенит (остаточный) и Цементит (Ц23, ЦпІЗООО...20000). Количество мартенсита, имеющего 5...8 балл, в металлической матрице составляет 35... 60 %, остальное - аустенит.
В опытном образце чугуна без бора (плавка № 1), залитого в сырую ПГФ, найден пластинчатый графит ПГф1, ПГд25, Пгр2, ПГ2, также, как и в структуре опытных образцов с бором плавок № 2...4, № 6, № 8 и № 9 (рис. 4.8 а). Однако в опытных образцах плавок № 5, № 7 и № 10 выявлен графит шаровидной формы шаровидной формы ШГфЗ, ШГф4, ШГд25, ШГрІ, ШГ2 (рис. 4.8 б) [124, 125].
В результате проведения металлографических исследований микроструктуры опытных образцов, залитых в сырую ПГФ, установлено, что бор может оказывать воздействие на форму и распределение графита: он способствует образованию шаровидной формы и равномерному распределению графита в структуре валкового чугуна. Данная способность бора при заливке опытных образцов в сырую ПГФ обнаружена при содержании его в чугуне 0,042 %, 0,064 % и 0,091 %.
Микроструктура микролегированных бором образцов индефинитного чугуна, залитых в стальной кокиль, представлена на рис. 4.9. Микроструктура опытных образцов валкового чугуна, залитых в кокиль, представляет собой Бейнит + Мартенсит и Цементит (ЦЗЗ; ЦпІЗООО...25000). Графит в опытных образцах валкового чугуна, залитых в кокиль, не обнаружен. Количество мартенсита в металлической матрице составляет 15...25 %, остальное занимает бейнит.
График зависимости балла мартенсита от содержания бора - рис. 4.10, по которому видно, что уменьшение балла мартенсита происходит на участке при содержании бора в диапазон 0,012...0,033 %. Самая маленькая игла мартенсита, достигаемая за счёт введения бора, характеризуется 1, 2 баллом. На следующем участке при содержании бора 0,042...0,091 % происходит два последовательных эффекта: сначала игла мартенсита увеличивается до среднего 5, 6 балла (при содержании бора 0,042...0,051 %), затем остается примерно на том же уровне (при содержании бора 0,051... 0,091 %). 10
Следует отметить, что, несмотря на повышение балла мартенсита на участке, начинающемся с содержания бора 0,042 %, балл мартенсита на этом участке ниже, чем в образцах валкового чугуна без бора. Таким образом, микролегирование исследуемого валкого чугуна бором способствует снижению балла его металлической основы (мартенсита). Экстремум балла иглы мартенсита наблюдается на графике при содержании бора 0,033 %. Возможность снижения иглы мартенсита в рабочем износостойком слое прокатного валка имеет немаловажное значение, поскольку высокий балл мартенсита может стать причиной возникающих при прокатке дефектов, способных привести к полному выводу из эксплуатации валка и даже к простою прокатного оборудования. Можно предположить, что применение бора в качестве микролегирующего элемента валкового чугуна способно снизить риск по возникновению дефектов из-за качества самого валка [124, 125].