Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи настоящей работы 15
1.1. Современное состояние производства сортопрокатных валков в металлургии 15
1.2. Особенности условий эксплуатации сортопрокатных валков и предъявляемые к ним требования 29
1.3. Существующие способы производства сортопрокатных валков
1.3.1. Стационарный способ изготовления сортовых валков 34
1.3.2. Центробежная отливка сортопрокатных валков 38
1.4. Применяемые сплавы для производства сортопрокатных валков 45
Выводы по I главе 50
Глава 2. Методика исследования 53
2.1. Объект исследования 53
2.2. Исследование структуры и физико-механических свойств сортовых валков 55
2.3. Методы исследования технологических параметров отливкивалков 62
Выводы по II главе 68
Глава 3. Выбор схемы технологического процесса изготовления сортопрокатных валков и материала рабочего слоя и осевой зоны 70
3.1. Выбор технологической схемы изготовления сортовых валков
3.2. Выбор износостойкого чугуна для рабочего слоя сортовых валков . 70
3.3. Использование высокопрочного чугуна для осевой зоны валков 81
Выводы по III главе 83
Глава 4. Исследование влияния гидродинамических и тепловых параметров литья на кинетические характеристики металла рабочего слоя валков 84
4.1. Исследование гидродинамического состояния моделирующей жидкости во вращающейся форме 34
4.1.1. Особенности кругового течения жидкости во вращающейся форме 34
4.1.2. Влияние технологических параметров заливаемой в форму жидкости на кинетические характеристики потока 37
4.2. Особенности теплового режима затвердевания рабочего слоя валков во вращающейся двухслойной форме и методы его управления \Q\
4.2.1 Условия затвердевания рабочего слоя валков во вращающейся двухслойной форме 101
4.2.2. Создание режима последовательной кристаллизации металла и направленного затвердевания отливки Ю9
4.2.3. Определение продолжительности и кинетики затвердевания рабочего слоя валка 117
Выводы по IV главе 126
Глава 5. Исследование и разработка технологии производства композитных сортопрокатных валков вдвухслойной форме 128
5.1. Исследование условий прочного сплавления рабочего слоя и сердцевины сортопрокатных валков 128
5.1.1. Технологические особенности процесса последовательной заливки двух разнородных металлов в форму 128
5.1.2. Оптимизация конструкции вращающейся формы 132
5.1.3. Особенности процесса расплавления внутренней зоны
рабочего слоя валка при взаимодействии с металлом сердцевины. 137
5.1.4. Исследование температурно-временных параметров литья металла рабочего слоя и осевой зоны валков 142
5.1.5. Выбор состава флюса и исследование его влияния на прочность сплавления металлов рабочего слоя и сердцевины валков 146
5.2. Применение противопригарной теплоизоляционной краски на внутренней поверхности вкладыша двухслойной изложницы 158
5.3. Режим вращения формы 167
5.4. Использование наружных холодильников при изготовлении толстостенных заготовок рабочего слоя 168
Выводы по V главе 171
Глава 6. Промышленное внедрение нового оборудования и разработанной технологии производства композитных сортопрокатных валков 174
6.1. Освоение нового оборудования по производству сортопрокатных валков с использованием центробежного литья 174
6.2. Освоение разработанного технологического процесса производства композитных сортопрокатных валков в промышленных условиях 181
6.2.1. Подготовка элементов формы к сборке 182
6.2.2. Сборка формы 186
6.2.3. Подготовка заливочного устройства 191
6.2.4. Выплавка и заливка металла рабочего слоя, ввод флюса 196
6.2.5. Выплавка и заливка металла осевой зоны валка 201
6.2.6. Охлаждение валков и разборка формы 201
6.2.7. Термическая и механическая обработка сортопрокатных валков 207
6.3. Оценка качества сортопрокатных валков 221
6.4. Технико-экономическая эффективность производства сортопрокатных валков с использованием метода центробежного литья 240
Выводы по VI главе 243
Общие выводы 246
Список использованной литературы
- Существующие способы производства сортопрокатных валков
- Методы исследования технологических параметров отливкивалков
- Выбор износостойкого чугуна для рабочего слоя сортовых валков
- Особенности теплового режима затвердевания рабочего слоя валков во вращающейся двухслойной форме и методы его управления
Введение к работе
з
Актуальность проблемы
Развитие современного металлургического машиностроения связано с созданием высокопроизводительного прокатного оборудования с повышенными скоростями прокатки, высокими обжатиями прокатываемого металла и применением труднодеформируемых легированных сталей, что требует неуклонного повышения качественных характеристик прокатных валков - основного инструмента металлургического оборудования.
Проблема, связанная с необходимостью повышения качества валков, наиболее остро коснулась изготовления сортопрокатных валков, как наиболее емких по количеству и номенклатуре, а также широко востребованных в промышленности.
Эта проблема обострилась при модернизации станов на ряде отечественных металлургических комбинатов и особенно при вводе в строй современных станов высокой производительности, таких как станы непрерывной прокатки «170», «370» и «450» фирмы «Даниэли» (Италия), установленные в 2005 году на ОАО «ММК» для выпуска высококачественного сортового проката, отличающиеся полным циклом автоматизации и высокой интенсификацией производственных процессов.
Это обстоятельство сказалось на значительном ужесточении требований к служебным характеристикам сортовых валков, связанных с необходимостью получения композитной структуры по сечению бочки валка с узкой переходной зоной, повышением толщины рабочего слоя до 140 мм, увеличением уровня его твердости до 75... 85 ед. HSD, снижением степени падения твердости по его сечению до 2.. .4% и ряда других.
Повышенные требования, предъявляемые к служебным характеристикам сортопрокатных валков, полностью исключают применение традиционной технологии их изготовления способом стационарного литья, широко распространенной на отечественных предприятиях, в связи с ограниченными возможностями формирования композитной структуры бочки валка, невозможностью получения толстостенного рабочего слоя с низкой степенью спада твердости по сечению, а также малоэффективной и затратной форме ее производства.
Обстоятельные исследования, проведенные в этой области специалистами ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» в 1966...1972 гг. показали, что наиболее приемлемым процессом изготовления сортовых валков, позволяющим обеспечить композитную структуру металла и прочное сплавление рабочего слоя с металлом сердцевины является способ центробежного литья с последовательной заливкой двух металлов в форму с горизонтальной осью вращения.
Однако сложная конструкция заливочного устройства в зоне сопряжения с вращающейся формой, а также наличие усадочной полости в центральной зоне валка, снижающей прочностные характеристики металла, сдерживали использование прогрессивного способа центробежного литья для промышленного изготовления сортопрокатных валков.
Литературные источники свидетельствуют о том, что и в передовых зарубежных странах технология центробежного литья сортопрокатных валков, несмотря на свои преимущества, не нашла своего применения в условиях промышленного производства.
Такое состояние с производством сортовых валков методом центробежного литья объяснялось отсутствием технологических решений по изготовлению высококачественных сортовых валков в связи с нерешенностью проблем формирования рабочего слоя с повышенной толщиной стенки и его взаимодействия с металлом осевой зоны, позволяющих обеспечить прочное сплавление двух разнородных металлов с низкой степенью падения твердости по сечению наружного слоя.
Наряду с этим не были решены технические вопросы по совершенствованию конструкции центробежной машины, позволяющей обеспечить рентабельное производство широкой номенклатуры сортовых валков.
В связи с этим становится неоспоримой актуальность проведения настоящей работы по исследованию и разработке технологических основ производства нового поколения композитных сортопрокатных валков повышенной стойкости с применением центробежного литья для их широкого использования в металлургической отрасли страны.
5 Цель и задачи работы:
Целью работы является создание конкурентоспособной технологии и универсального оборудования для промышленного производства широкой номенклатуры композитных сортопрокатных валков повышенной эксплуатационной стойкости с применением прогрессивного способа центробежного литья.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
определены требования к качеству изготовления сортопрокатных валков для современного прокатного оборудования на основе анализа, систематизации и обобщения современных теоретических и практических работ в области их производства;
оптимизированы составы металла рабочего слоя и осевой зоны сортовых валков;
исследованы тепловые и гидродинамические особенности поведения жидкости во вращающейся форме и их влияние на плотность и однородность металла толстостенного рабочего слоя;
исследована и разработана технология промышленного производства композитных сортопрокатных валков с прочным соединением двух разнородных металлов и сплошной осевой зоной;
создана современная конструкция центробежной машины с универсальной формой для серийного производства широкой номенклатуры сортопрокатных валков;
осуществлено широкое промышленное внедрение разработанной технологии композитных сортопрокатных валков повышенной эксплуатационной стойкости, позволяющее внести значительный вклад в развитие металлургической отрасли страны.
Научная новизна
1. С помощью методов теоретического анализа и гидродинамического моделирования установлены закономерности поведения жидкого потока в поле действия центробежных сил с повышенной толщиной слоя до 140 мм, позволившие определить скоростные параметры и характер течения металла во вращающейся форме, при этом показано, что:
- скорость продольного течения кругового потока жидкости во вращающейся
форме увеличивается с повышением частоты вращения формы, расхода жидкости при
заливке и толщины слоя потока;
- критическая скорость вращения формы, характеризующая неустойчивое
состояние кругового потока в виде «дождевания» с различной толщиной слоя в
пределах 60...140 мм, в 1,5 раза ниже скорости вращения формы с устойчивым
состоянием потока, являющимся обязательным условием образования плотной и
однородной структуры отливки;
- минимальная продолжительность вовлечения кругового потока в форме до
скорости ее вращения для толщин жидкого потока 60...140 мм достигается при
значениях гравитационного коэффициента 70... 105 на свободной поверхности
жидкости.
2. Выявлено, что обеспечение процесса последовательной кристаллизации при
направленном затвердевании рабочего слоя валка с учетом рекомендованного
критерия направленного затвердевания (К » 1), отражающего отношение
термического сопротивления на внутренней и внешней поверхностях рабочего слоя
валка, позволяет гарантировать получение плотной структуры металла без усадочных
дефектов.
При значениях критерия К > 15 полностью обеспечивается процесс направленного затвердевания с образованием сплошного сечения рабочего слоя толщиной до 140 мм.
3. На основании комплексных исследований процесса затвердевания
толстостенных заготовок рабочего слоя с применением компьютерного
моделирования, расчетных и экспериментальных методов установлены
закономерности последовательного продвижения фронта кристаллизации металла
рабочего слоя из износостойкого чугуна от внешней поверхности отливок к
внутренней, позволяющие определить такие основополагающие технологические
параметры процесса изготовления валков как продолжительность вращения формы с
формирующимся рабочим слоем на центробежной машине и величина временного
интервала между окончанием формирования первого слоя металла и началом заливки
второго, обеспечивающих во многом прочное соединение двух разнородных
металлов.
4. Показано, что применение двухслойной формы, состоящей из изложницы и
сменного цилиндрического вкладыша, с толщиной стенки, соразмерной с толщиной
стенки рабочего слоя валка, позволяет существенно повысить теплоаккумулирующую
способность вкладыша, внутренняя поверхность которого покрыта тонким слоем
(1,0...1,5 мм) теплоизоляционной краски, и перераспределить тепловую нагрузку с
изложницы на вкладыш, способствуя уменьшению температурного градиента в
стенке изложницы и повышению ее стойкости.
5. Разработана методика прочного сплавления двух разнородных по
химическому составу чугунов рабочего слоя и сердцевины валка с узкой переходной
зоной протяженностью до 7% его сечения, основанная на использовании
экспериментально подтвержденных температурно-временных режимов литья с
учетом изменения температуры внутренней поверхности рабочего слоя и
температуры жидкого металла осевой зоны.
При этом показано, что определяющим фактором прочного сплавления рабочего слоя и сердцевины валка является величина перегрева металла сердцевины с максимальным значением 200С, заливаемого со скоростью 30...40 кг/с, при температуре внутренней поверхности рабочего слоя на Ю0...120С ниже температуры солидус.
6. Установлено, что в рабочем слое сортопрокатных валков протяженностью до
140 мм достижение высокой твердости (75...85 HSD) с низкой степенью спада
(2...4%) по сечению обеспечивается, наряду с заданным химическим составом
металла, за счет высоких значений средней скорости затвердевания (Vcp = 3,2...4,1
мм/мин) металла с образованием однородной мелкозернистой структуры и
равномерным распределением графита в компактной форме по сечению отливки,
соответствующим характеристикам ВГр2...ВГрЗ с дисперсностью частиц
ВГ70...ВГ98 при содержании общей доли карбидов в металлической матрице
25...40%.
7. Предложена гипотеза механизма образования сплавления рабочего слоя
сортовых валков с осевой зоной, включающая ряд принципиальных положений,
подтвержденных в лабораторных и промышленных условиях:
- создание защитного покрытия от внешнего охлаждения внутренней поверхности жидкого металла при заливке рабочего слоя в вращающуюся форму
путем ввода флюса с низкой температурой плавления (789...800С) и высокой смачивающей способностью;
прогрев переохлажденного до температуры Ю0...120С ниже температуры солидус рабочего слоя и расплавление его внутренней поверхности на глубину до 6% сечения за счет высокого перегрева (около 200С) заливаемого металла осевой зоны в стационарную форму со скоростью подъема 65...75 мм/с, способствующего всплытию неметаллических включений из металла дефектной зоны в прибыль;
диффузионное проникновение металла сердцевины в твердо-жидкую зону подогретого рабочего слоя с образованием узкой переходной зоны протяженностью до 7% сечения, обеспечивающее прочное соединение двух разнородных по химическому составу сплавов.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработана и внедрена в условиях ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК» сквозная технология производства широкого сортамента мелкосортных, среднесортных и крупносортных композитных прокатных валков, включающая операции выплавки, модифицирования металла, заливки чугуна рабочего слоя во вращающуюся форму, заливки чугуна осевой зоны валка в стационарно установленную форму, охлаждения отливки, разборки форм, термообработки, механообработки, контроля качества, обеспечивающая высокую конкурентоспособность сортовых валков с повышенной эксплуатационной стойкостью (на 35...40%) по сравнению со стойкостью валков, изготовленных по традиционной технологии стационарного литья и на 15.. .20% по сравнению со стойкостью валков зарубежного производства, а также более низкую (на 30%) себестоимость их изготовления (патент № 2338626).
Спроектирована, изготовлена и внедрена в производственных условиях ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК» промышленная установка центробежного литья с регулируемой частотой вращения формы для отливки сортопрокатных валков диаметром 200...700 мм производительностью 3600 шт. в год, полностью обеспечивающая всю потребность сортопрокатных станов ОАО «ММК», а также ряда крупнейших металлургических комбинатов России (Северсталь, Мече л, Чусовской и др.) (патент № 2146182).
Разработана и внедрена в производство универсальная конструкция двухслойной вращающейся формы со сменным вкладышем во внутренней полости изложницы и опоками для формирования шеек (патент № 2346788), позволившая обеспечить производство широкой номенклатуры сортовых валков и высокую стойкость изложниц.
Разработан процесс прочного сплавления рабочего слоя из легированного Ni = 4,3...5,0%, Cr = 1,5...1,7% индефинитного чугуна с осевой зоной из высокопрочного чугуна для чистовых клетей сортовых станов, а также экономнолегированных чугунов с заменой никеля на более дешевую медь для рабочего слоя валков, используемых в промежуточных клетях.
Разработаны составы теплоизоляционного покрытия в виде краски (патент № 2355505) и флюса с низкой температурой плавления (патент № 2353467) из отечественных материалов и налажено их производство в России взамен импортных поставок.
Повышена размерная точность заготовок валков с использованием рекомендованной теплоизоляционной краски толщиной слоя 1,2...1,8 мм на внутренней поверхности сменного вкладыша, что позволило снизить припуски на механическую обработку их поверхности в 2,0...2,5 раза по сравнению с технологией, примененяемой при центробежном литье машиностроительных заготовок, в которой используется в качестве теплоизоляционного покрытия кварцевый песок с толщиной слоя 5... 10 мм.
Разработаны новые технические условия на поставку композитных сортовых валков: «Валки, ролики, бандажи чугунные» (ТУ 7423 6072-001-2008) и расширена номенклатура изделий для металлургической (ролики рольгангов, бандажи), пищевой (мукомольные валки) и ряда других отраслей промышленности.
На базе новой конкурентоспособной технологии производства композитных валков с применением центробежного литья организован современный в России завод по производству центробежнолитых прокатных валков - ЗАО «Магнитогорский завод прокатных валков».
10 Достоверность результатов работы
Разработанные теоретические положения прошли широкую
экспериментальную проверку с применением современных методов исследования.
Научные положения и рекомендации, предложенные в работе, подтверждены широкой производственной практикой на ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК», а также положительными результатами эксплуатационных испытаний сортопрокатных валков на многих металлургических комбинатах России («ММК», «Северсталь», «Мечел», Чусовской, Златоустовский и др.).
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты комплексных исследований процесса формирования толстостенных заготовок рабочего слоя сортопрокатных валков из износостойкого чугуна в поле действия центробежных сил в зависимости от различных технологических характеристик.
Особенности технологического процесса изготовления широкой номенклатуры композитных сортовых валков в двухслойной вращающейся форме.
Теоретические основы механизма формирования прочного соединения двух разнородных по химическому составу металлов - рабочего слоя и осевой зоны сортовых валков.
Особенности конструкции новой центробежной установки с универсальной формой, обеспечивающей промышленное производство широкой номенклатуры сортовых валков.
Промышленная технология серийного изготовления нового поколения сортопрокатных валков с применением прогрессивного способа центробежного литья.
Личный вклад
Под непосредственным научным руководством автора разработаны основные положения теории и практики изготовления сортопрокатных валков, полученных с применением способа центробежного литья.
Автор являлся руководителем исследовательских работ по оптимизации состава чугунов, разработке новой технологии производства сортопрокатных валков,
а также всего процесса промышленного внедрения разработанной технологии и нового оборудования на ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК».
Под непосредственным руководством автора получены промышленные партии сортопрокатных валков повышенной стойкости, которые эксплуатируются на современных сортопрокатных станах ОАО «ММК» и ряда других комбинатов России.
За разработку и внедрение в производство биметаллических сортопрокатных валков методом центробежного литья автор награжден золотой медалью на международной выставке «Металл-Экспо» в 2006 г. (г.Москва).
Апробация работы
Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах:
Международный симпозиум «Металл-Экспо», Москва, 2006 г.
VII Всероссийский конгресс прокатчиков, Москва, 2007 г.
Международная научно-техническая конференция, Екатеринбург, 2007 г.
Международный симпозиум «Металл-Экспо», Москва, 2007 г.
IX съезд литейщиков России, Уфа, 2009 г.
Всероссийская научно-техническая конференция по новой технике, Магнитогорск, 2009 г.
Международная научная конференция, Екатеринбург, 2009 г.
VIII Всероссийский конгресс прокатчиков, Москва, 2010 г.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 38 печатных работах, в том числе двух монографиях, 22 статьях в рецензируемых научных журналах и изданиях и 9 патентах на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 278 страницах, включая введение, шесть глав и общие выводы; список использованной литературы из 153 наименований, 109 рисунков и 39 таблиц; приложение с актами внедрения результатов работы и результатами эксплуатационных испытаний сортопрокатных валков.
Существующие способы производства сортопрокатных валков
В связи с этим конструктивный расчет прокатных валков на статическую прочность производится с учетом изгиба самого валка и его шеек на кручение и изгиб, а также треф на кручение.
Учитывая влияние значительных знакопеременных ударных нагрузок, которым подвергаются сортопрокатные валки, расчет на статическую прочность производится с учетом ударных усилий и усталостной прочности [12].
Эксплуатационная стойкость сортопрокатных валков обусловлена влиянием значительных динамических нагрузок, наличием напряжений изгиба и кручения, нагревом до высоких температур и высокими усилиями от трения с прокатываемым металлом.
Исследования, проведенные Чекмаревым А.П. [16], показали, что в зависимости от числа одновременно прокатываемых заготовок (в одну или две нитки) на мелкосортных станах «250», давление металла и на валки значительно меняется.
Так, в черновой группе клетей стана «250» при прокатке в одну нитку давление металла на валки в четвертой клети составляет 55 т, а в шестой клети -51 т, а при прокатке в две нитки давление металла на валки увеличивается до 109 т в четвертой клети и до 102 т в шестой.
На рис. 1.3 показаны изменения полного (линия «Б») и удельного (линия «А») давлений, температуры (верхняя линия, ограничивающая область «А» для круглого профиля диаметром 25 мм, нижняя - диаметром 10 мм), а также частоты поломок (линия «Г») и выхода из строя по износу (линия «Д»). Из приведенных данных видно, что наибольшим значениям полного давления на валки соответствует и большее число поломок [16].
При этом температура поверхности прокатываемого металла соответствует высоким значениям П00...1200С.
На рис. 1.3 видно, что наименьшая стойкость валков характерна для черновых клетей сортопрокатного стана «250», в которых прокатываемая исходная заготовка имеет значительные размеры, например 80x80x1200 мм, что обусловливает глубокие врезы калибров в рабочий слой валка. Рис. 1.3. Изменение температуры поверхности прокатываемого металла (А), давлений на валки (Б, В), частоты поломок (Г) и стойкости валков (Д) по клетям мелкосортных станов «250» при прокатке профилей 0 16 мм. Резкое увеличение давления при наличии вреза калибров большой глубины определяет очень высокие требования к прочности и вязкости материала валков черновых клетей данного типа станов.
Поэтому требования, предъявляемые к служебным свойствам сортопрокатных валков в зависимости от условий их эксплуатации, определяются широким комплексом свойств и, в первую очередь, износостойкостью и термостойкостью рабочего слоя, а также прочностью и вязкостью сердцевины и шеек [13].
Эти требования во многом обусловлены конкретными условиями эксплуатации сортопрокатных валков, при этом с учетом типа стана и профилей проката определяющее значение придается либо прочностным характеристикам, либо износостойкости или термостойкости рабочего слоя.
По мнению Кривошеева В.Е. в этом случае необходимо сочетание таких противоположных свойств металла, как износостойкость и прочность, при этом для одних видов проката преимущество отдается износостойкости в ущерб их прочности, а для других - прочности по отношению к износостойкости [15].
Становится совершенно очевидным, что в сложных условиях циклического нагружения сортопрокатных валков и необходимости применения повышенного по износостойкости металла рабочего слоя требуется применение двух различных по химическому составу материалов для более твердого и износостойкого поверхностного слоя и сравнительно «мягкой» пластичной сердцевины валка, образующих композитную структуру по сечению бочки валка.
С увеличением размеров исходной заготовки, подаваемой в черновые клети сортопрокатных станов [11], глубина вреза калибров в рабочем слое валка возрастает, что приводит к значительному увеличению толщины его слоя до 140 мм (трехкратное увеличение по отношению к листопрокатным валкам), в связи с чем возникает проблема, связанная с обеспечением минимального спада твердости на глубину вреза калибров.
Наряду с этим, использование новых высоколегированных материалов при изготовлении сортопрокатной продукции возникает требование, связанное с повышением твердости металла рабочего слоя валков по сравнению с твердостью обычно применяемых валков стационарного производства. [12, 17]
Исходя из вышеизложенного основные требования к сортопрокатным валкам, используемым на современных сортопрокатных станах, можно сформулировать следующим образом: - обязательное применение двух различных по химическому составу материалов для рабочего слоя и сердцевины валка, образующих композитную структуру, в отличие от традиционно применяемых отбеленных валков стационарного производства одного химического состава; - существенное сокращение растянутой до 50% сечения отливки переходной зоны, характерной для отбеленных валков стационарного производства, которая резко снижает прочность валка; - значительное (в 2...3 раза) увеличение толщины рабочего слоя валков до 140 мм (трехкратное по отношению к толщине рабочего слоя центробежнолитых листопрокатных валков), вследствие повышения глубины вреза калибров; - существенное повышение твердости металла рабочего слоя до 75...80 HSD (на 25-30% выше, чем у стационарнолитых); - обеспечение минимального спада твердости по глубине рабочего слоя валков в пределах 2...3 HSD (в отличие от спада твердости стационарнолитых валков 10...14HSD); - значительное увеличение прочностных характеристик металла сердцевины и шеек валка (на 25... 30% по сравнению с аналогичными параметрами стационарнолитых валков), испытывающих повышенные нагрузки на изгиб и кручение, для предотвращения поломки и скручивания трефа в процессе эксплуатации.
Традиционная технология изготовления сортопрокатных валков в России основана на использовании стационарного способа их производства в комбинированные формы [15, 40, 42].
Технология изготовления формы состоит из операций, включающих подготовку кокиля, формовки верхней и нижней шеек валка, формовки прибыльной надставки, литниковых труб, футеровки литниковой воронки и сборки всех частей формы.
Подготовка кокиля включает устранение задиров и других дефектов на его внутренней поверхности, а также очистку этой поверхности.
Формовка верхней шейки валка выполняется различными способами: по моделям, установленным на винте, по подвесным моделям, по шаблону с выкладкой стержнями, кирпичом или установкой холодильников [14].
На рис. 1.4 представлена в качестве примера схема формовки верхней шейки сортопрокатных валков по подвесной модели [14].
В этом случае после центровки модели в кокиле в образовавшуюся полость заполняют формовочную смесь и уплотняют ее, затем удаляют клин, снимают траверсу, приподнимают кокиль с помощью крана и ударом молотка удаляют модель.
Подготовленную таким образом форму окрашивают противопригарной краской и направляют в сушильную печь.
Методы исследования технологических параметров отливкивалков
Использование различных сплавов при изготовлении прокатных валков тесно связано с их классификацией. В соответствии с принятой классификацией по стандарту СТО 74236072-001-2008 сортопрокатные валки принято обозначать: - по назначению: сортопрокатные - С, трубопрокатные - Т, ролики - Р, бандажи - Б; - по форме графита в структуре П - пластинчатая, Ш - шаровидная; - по способу отливки: д - двухслойные, Ц - центробежнолитые и без обозначения - стационарнолитые; - по обозначению материала рабочего слоя: И - индефинитный, ВХ -высокохромистый, ЖЧ - жаропрочный.
При этом в исполнении изделия указывается буквенное обозначение легирующих элементов, а для изделий с дополнительным обозначением материала «И» форма графита в рабочем слое не регламентируется.
Примером условного обозначения сортопрокатного валка (С), с шаровидной формой графита в структуре металла сердцевины и рабочего слоя (Ш), с рабочим слоем из чугуна, легированного хромом (X), никелем (Н), молибденом (М), с нижним пределом твердости на контрольной глубине 60 HSD, полученного стационарным методом, является следующее сочетание буквенных и цифровых знаков - СШХНМ-60, а при изготовлении подобного валка центробежным способом с рабочим слоем из индефинитного чугуна - СШХНМ-бОИ(Ц).
Сортопрокатные валки изготавливают нелегированными с отбеленным рабочим слоем и легированными хромом и никелем [12, 13, 51].
Нелегированные валки имеют две градации по глубине отбеленного слоя и по величине твердости, которые регулируются содержанием кремния и углерода (таблица 1.6). Таблица 1.6 - Характеристика валков исполнения СП Валки Твердость HSD Глубина отбеленного слоя, мм Содержание элементов, % С Si Мп Р S Ni СП-62 62-68 25-30 3,4-3,7 0,5-0,7 0,3-0,4 0,4-0,5 0,16 СП-60 60-66 15-25 3,0-3,5 0,4-0,6 0,3-0,4 0,4-0,5 0,16 При повышении твердости рабочего слоя сортопрокатных валков в условиях стационарного литья увеличивается ширина переходной зоны, которая по отношению к глубине отбела составляет 1,5:1,0, что при небольших диаметрах бочки, характерных для этого типа валков, может достигать уровня шеек валка, а это обстоятельство чревато снижением прочности металла и ведет к поломкам валка при эксплуатации.
Для повышения прочности металла сортопрокатных валков и увеличения его твердости на большую глубину применяют легированные чугуны с различным содержанием никеля, хрома, молибдена [110, 113].
К ним в первую очередь относятся валки исполнения СПХН с карбидо-графито-перлитной структурой, обеспечивающей глубину рабочего слоя в пределах 50...70 мм при следующих параметрах по величине твердости и химсоставу, представленных в табл. 1.7 [14].
Характеристика валков исполнения СПХН Исполнение Твердость на контрольной глубине, HSD Рабочийслой, мм Рекомендуемый химический состав, % углерод кремний марганец сера фосфор хром никель не более СПХН-45 45-54 50...70 2,7-3,9 0,5-1,6 0,40-1,60 0,10 0,50 0,4-1,5 1,0-3,0 СПХН-49 49-58 СПХН-60 60-70 2,7-3,9 0,4-1,8 0,30-1,50 0,10 0,50 0,5-1,8 1,4-3,5 СПХН-65 65-75 Достигается это путем введения хрома, повышающего твердость валков с перлито-графитной и перлито-цементито-графитной структурой на значительную глубину, а также выравниванием твердости на глубину рабочего слоя при пониженном содержании углерода до 2,6...2,8%. Валки исполнения СПХН-60 и СПХН-65 используются в основном для чистовых и предчистовых клетей проволочных, мелкосортных и трубопрокатных станов, а валки исполнения СПХН-45 и СПХН-49 - для черновых клетей этих же станов [14].
Прочностные свойства валков СПХН составляют: сопротивление изгибу 440-600 МПа, ударная вязкость 0,019-0,027 МДж/м2. Это - средние значения, получаемые для тангенциальных образцов валков твердостью НВ 280-350 на глубине 1/4 диаметра бочки валка.
Для валков с повышенными служебными характеристиками, эксплуатация которых происходит при высоких обжатиях и температурах, используют валки, легированные молибденом исполнения СПХНМ.
Легирование молибденом повышает термостойкость, износоустойчивость и твердость металла.
Высокие напряжения, свойственные отливкам из ЧШГ, возрастающие с увеличением диаметра валков и количества карбидной составляющей в структуре, не позволяют увеличить твердость рабочего слоя валков СШХН для среднесортных станов выше HSD 50...52, а для проволочных мелкосортных и трубопрокатных станов выше HSD 58...60. Поэтому их используют главным образом в обжимных, черновых и предчистовых клетях, требующих от валков высокой прочности.
Валки СШХН-50 предназначены для прокатки мелких профилей, в том числе круглого и квадратного сечения, в предчистовых клетях мелкосортных станов с диаметром валка от 250 до 650 мм. По сравнению с валками СПХН они имеют более высокую стойкость и прочность при такой же твердости. В чистовых клетях этих станов, где необходима высокая твердость рабочего слоя валков, их применение неоправданно [14].
Валки СШХН-42 обладают повышенной прочностью и их применяют в черновых клетях мелкосортных станов.
Для обжимных и черновых клетей среднесортных станов применяют валки СШХН-47, а при больших обжатиях и глубоких врезах ручьев - валки СШХН-42.
Прочностные свойства металла валков СШХН составляют: сопротивление изгибу 540-600 МПа, ударная вязкость 0,029-0,044 МДж/м2. Показатели получены на тангенциальных образцах валков твердостью НВ 280-350 на глубине 1/4 диаметра бочки валка.
Для особо тяжелых условий работы в обжимных и черновых клетях мелкосортных станов применяют валки СШХНМ-46, СШХНМ-50 и СШХНМ-60, дополнительно легированные молибденом.
При изготовлении отбеленных валков быстрый отвод тепла со стороны кокилей от рабочего слоя и замедленный от сердцевины и шеек являются причиной возникновения значительных внутренних напряжений в отливке. Кроме указанных термических напряжений в отливке возникают фазовые и усадочные. Для снятия возникающих напряжений в валках требуется применение термической обработки, режим которой в основном сводится к низкотемпературному отжигу отбеленных валков.
Выбор износостойкого чугуна для рабочего слоя сортовых валков
Механические свойства определялись в соответствии с ГОСТ 1497, ГОСТ 24648 и ГОСТ 27208. Вырезка образцов для механических испытаний производилась в соответствии со схемой, представленной на рис. 2.4. При этом образцы для испытания на изгиб вырезались на расстоянии от ХА до 2/3 радиуса (R), а для испытания на разрыв на расстоянии 2/3 радиуса (R).
Оценка структурно-напряженного состояния валков проводилась с помощью структуроскопа КРМ-Ц-К2М, оснащенного карманным персональным компьютером (КПК) и программой. Связь прибора и КПК осуществляется по беспроводному каналу связи "Blue Tooth". Степень распада аустенита также контролируется с помощью этого прибора, а также ферритоскопа «FERTTOSCOPE МР30». Для точной количественной оценки содержания остаточного аустенита и ряда других параметров использовали рентгеновский дифрактометр D8 фирмы "Bruker".
При исследовании влияния легирующих элементов на износостойкость и твердость чугуна для рабочего слоя валка определяли коэффициент износостойкости по стандартной методике ГОСТ 23.208-79 («Метод испытания материалов на износостойкость при трении о не жестко закрепленные абразивные частицы»). Чугунные образцы имели габариты 35x35x10 мм. В качестве эталона использовали сталь 45, а в качестве абразива - электрокорунд зернистостью № 16 П по ГОСТ 3647-80, а коэффициент износостойкости определяли по формуле [12]: OkPu Nu Ku = (2.3) QuPkNk v где Qu; Qk - средняя потеря массы образца из исследуемого и контрольного материала, г; Pu; Pk - плотность исследуемого и контрольного образцов, г/см ; Nu; Nk - количество оборотов ролика для исследуемого и контрольного образцов, об/мин.
Взвешивание образцов проводили на аналитических весах с точностью ± 0,0001 г. Испытание проводили не менее трех раз. Если потеря массы образца после взвешивания составляла 5 мг, то цикл оборотов ролика удваивался.
При этом твердость каждого образца определяли по методу Роквелла по ГОСТ 9013-59 вдавливанием алмазного конуса с углом при вершине 120 и нагрузкой вдавливания 1471,5 Н.
Методами статистической обработки данных определяли зависимости твердости и износостойкости чугуна от содержания химических элементов.
Исследование химического состава металла производили методом фотоэлектрического спектрального анализа по ГОСТ 27411, ГОСТ 22536.0 - ГОСТ 22536.5, ГОСТ 22536.7, ГОСТ 22536.9 - ГОСТ 22536.12.
Пробы для определения содержания химических элементов заливаемого металла рабочего слоя и осевой зоны отбирали из ковша перед заливкой во вращающуюся форму. Для количественного определения химического состава металла использовали автоматический анализатор фирмы OBLF - искровой вакуумно-эмиссионный спектрометр с высоковольтным разрядом.
В случае необходимости контрольное определение химического состава проводили на переносном рентгенофлюоресцентном приборе «Инспектор».
Оценка плотности металла рабочего слоя и качество свариваемости на границе двух разнородных слоев - сортопрокатных валков определяли с помощью современных дефектоскопов "Krauftkramer USM 32-1" и УД 9812. 2.3. Методы исследования технологических параметров отливки валков
Температурные замеры жидкого металла при выпуске из печи и заливке металла во вращающуюся форму осуществлялись с помощью термопар погружения.
Для оперативного анализа температурных кривых затвердевания чугуна, определения значений температур ликвидуса и солидуса, химического состава и его механических свойств использовали прибор термографического анализа «ЛИТИС», созданный в ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», принцип действия которого основан на записи и последующем анализе кривой охлаждения металла, заливаемого в разовую пробницу с вмонтированной термопарой [98, 99]. Длительность анализа составляет около 200 сек. Вся информация, касающаяся процесса измерения, отображается на экране и хранится в памяти компьютера.
Прибор хранит в памяти результаты всех измерений, т.е. ведет рабочий журнал, который при необходимости может быть выведен на экран и распечатан. Прибор позволяет прогнозировать свойства в реальной отливке. Результаты измерений параметров чугуна, определенные на приборе «ЛИТИС» и стандартными методиками, приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 - Результаты определения параметров чугуна прибором «ЛИТИС» и стандартными методами Марка чугуна С,% Si, % СЕ, % Sc Rm НВ о. и с оСП и о.о С о XСП и о. и с оСП и к п.СоСП и О. CDС а XСП о. L С ОСП и СЧ15 3,24 3,184 1,884 1,932 3,840 3,770 0,884 0,868 151,5 154,66 185,0 194,60 СЧ20 2,90 2,925 2,293 2,214 3,620 3,670 0,816 0,843 229,0 225,32 206,0 218,91 СЧ25 3,05 3,052 1,660 1,550 3,410 3,460 0,822 0,831 258,0 259,52 234,0 232,87 СЧЗО 3,10 3,033 1,898 1,956 3,817 3,828 0,828 0,835 320,0 327,64 269,0 264,65 СЧ35 3,120 3,174 1,664 1,631 3,710 3,592 0,830 0,818 330,0 346,60 277,0 269,68 Определение температуры металла на внутренней поверхности рабочего слоя валка во вращающейся форме производили с помощью оптического пирометра IMPAC-15-140. Измерение производили в непрерывном режиме сразу после заливки металла в форму. Диаграмма температурной кривой охлаждения металла внутренней поверхности рабочего слоя валка, полученная этим методом, дает представление о начале и конце затвердевания отливки и средней скорости ее затвердевания.
Для оценки температуры изложницы и вставки перед нанесением на ее внутреннюю поверхность противопригарного теплоизоляционного покрытия, а также оценки температурного поля внешней поверхности изложницы после остановки вращения использовали термопары ТП8-91.
Технологические характеристики центробежного литья сортопрокатных валков во многом обусловлены особенностями гидродинамического и теплового состояния металла рабочего слоя во вращающейся форме.
При изучении гидродинамического состояния вращающегося расплава и прежде всего скорости вовлечения слоя жидкости до скорости вращения формы использовали моделирующие жидкости в виде воды, вязкость которой при температуре 90С составляет и = 3,3 10",м2/сек, т.е. вполне сопоставима с вязкостью жидкого чугуна, значение которой при температуре 1350С составляет и = 3,2-10 4м2/сек, что позволяет с некоторым приближением идентифицировать поведение во вращающейся форме горячей воды и жидкого чугуна [56, 57].
Особенности теплового режима затвердевания рабочего слоя валков во вращающейся двухслойной форме и методы его управления
Характер заполнения жидкого металла во вращающейся форме во многом предопределяет качество литой заготовки.
Наличие спаев, неслитин на внешней поверхности центробежнолитых заготовок или дефектов в виде рыхлот или ликвационной неоднородности в теле отливки часто обусловлены недостаточной скоростью течения металла в продольном направлении вращающейся формы или появлением «дождевания», вследствие недостаточной частоты ее вращения, т.е. связаны с сугубо гидродинамическим состоянием жидкого металла в форме в процессе кристаллизации.
Поэтому выяснение особенностей гидродинамического состояния жидкости во вращающейся форме позволяет в значительной степени оптимизировать технологический процесс изготовления рабочего слоя сортопрокатных валков.
При этом основное внимание уделялось выявлению таких определяющих факторов как продольная скорость течения жидкости, а также продолжительность ее вовлечения до скорости вращения формы.
Для выявления факторов, влияющих на процесс течения потока жидкости в поле центробежных сил, использовали уравнение для реальных жидкостей Бернулли [47, 52, 56]. В потоке реальной жидкости скорости в разных точках поперечного сечения различны, поэтому в расчете используется значение средней скорости потока о с учетом поправочного коэффициента а, зависящего от характера течения жидкости, а также потерь от трения, которые обусловлены вязкостью ждкости. С учетом этих поправок уравнение Бернулли для двух сечений 1 и 2 вращающегося потока (рис 4.1) принимает следующий вид:
В отличие от стационарного литья, где линейная скорость заполнения формы металлом зависит только от гидростатического напора, во вращающейся форме ее величина определяется центробежным напором, действующим на жидкость по всей длине потока [33, 61]: -.
Схема течения потока во вращающейся форме P = (R -r (4.3) 2g где со - угловая скорость потока V30y n - частота вращения, об/мин; R и г - внешний и внутренний радиусы кругового потока. После подстановки значения Р в уравнение (4.2) имеем: ю2 (R2 - г,2)+ of = ш2 (R2 - г22)+ о22 (4.4) или после преобразований: и2=со2(г22-г2)+ц2 (4.5) Примем значение продольной скорости течения в сечении 1-1 (рис. 4.1), равной t»i = 0, имея в виду значительное торможение потока струей от поступающей при заливке жидкости. Тогда выражение, характеризующее продольную скорость кругового потока в форме, будет равно: и = т}-т? (4.6) В работе [33] получен такой же результат применительно к течению жидкости в радиальном канале, вращающемся вокруг вертикальной оси.
В нашем случае при течении жидкости вокруг горизонтальной оси вращения представляет интерес физический смысл разности квадратов внешнего и внутреннего радиусов жидкого потока, который состоит из разности значений г2-гь определяющих уклон в продольном направлении, а также суммы г2+гь определяющих средний диаметр сечения потока. Основным параметром технологического процесса, влияющим на уклон потока и его геометрические характеристики, является массовая скорость заливки металла. Таким образом, величина продольной скорости потока во вращающейся форме в основном определяется угловой (со) и массовой (G) скоростью, а также его сечением (X): v = (p{(o,GX) (4.7) Для оценки влияния указанных технологических параметров на продольную скорость течения потока во вращающейся форме были проведены экспериментальные исследования с моделирующими жидкостями. 4.1.2. Влияние технологических параметров заливаемой в форму жидкости на кинетические характеристики потока
Экспериментальные исследования по определению влияния частоты вращения формы и массовой скорости заливки жидкости на скорость продольного течения потока во вращающейся форме проводили с использованием моделирующей жидкости (вода) в металлических изложницах различного диаметра от 270 до 430 мм и длиной 1600 мм.
При проведении опытов с использованием в качестве моделирующей жидкости свинца, его масса выбиралась такой, чтобы затвердевание кольцевого потока происходило до достижения противоположного от заливки конца изложницы, что позволяло наглядно оценивать влияние частоты вращения формы на длину затвердевшего потока металла.
Опыты проводили на изложницах диаметром 270, 340 и 430 мм и длиной 1600 мм. Гравитационный коэффициент изменяли в пределах 15...85. Температура заливки свинца составляла 360С. Количество заливаемого свинца было постоянным - 15 кг, так же как и скорость заливки 5 кг/с. Измерение длины затвердевшего кольцевого слоя свинца производили в форме после ее остановки. Результаты экспериментов представлены в табл. 4.1 и на рис. 4.2 и рис. 4.3., где значение длины и толщины кольцевого слоя металла найдены, как среднее из трех измерений.
Опытные данные, приведенные в табл. 4.1, свидетельствуют о том, что с повышением гравитационного коэффициента с 18 до 85 длина кругового потока металла увеличивается, а толщина его слоя уменьшается под влиянием центробежного напора, что способствует увеличению продольной скорости потока в соответствии с условиями, вытекающими из уравнения (4.6), о чем упоминалось также в работе [64] вопреки утверждениям ряда исследователей об обратной зависимости этого процесса [63].
