Введение к работе
Актуальность проблемы. Мировая практика в области прокатного производства показывает, что за последние годы, в связи с введением в строй новых высокопроизводительных прокатных станов для выпуска высококачественного листового проката, профилей высокой точности из легированных марок сталей, высокопрочных труб различного назначения, резко возросли требования к качественным характеристикам валков, являющихся сменным инструментом прокатного оборудования.
Прямые затраты на приобретение прокатных валков металлургическими комбинатами составляют ежегодно несколько десятков миллиардов рублей (НТМК - 25...30 млрд., ММК - 40...50 млрд., Новолипецкий металлургический комбинат - 40...50 млрд. и т.д.), кроме того потери на перевалках существенно превышают эти затраты. А самое главное -конкуренция на рынке проката черных металлов предъявляет все более жесткие требования к качеству проката. Получить же необходимое качество проката используя плохой инструмент невозможно.
Валок, непосредственно воздействуя на прокатываемый металл и придавая ему нужную форму и размеры, подвергается комплексному воздействию механических, термических и других нагрузок. Поэтому к материалу валков предъявляются повышенные требования, такие как прочность и твердость металла, его термическая стойкость, хорошая механическая обрабатываемость и другие. Особенно это относится к широко используемым в настоящее время листопрокатным валкам с диаметром бочки 600...900 мм и длиной 1500...2500 мм. При этом такие требования как достижение высокой механической прочности при одновременной высокой твердости, а также хорошей г механической обрабатываемости являются взаимоисключающими. В связи с этим наиболее эффективным сочетанием
показателей, характеризующих качество валков является «твердый рабочий слой и сравнительно «мягкая» сердцевина.
Известно, что изготовление двухслойных валков методом стационарного литья характеризуется низкой эффективностью процесса и нестабильными качественными характеристиками изделия.
При этом прогрессивный процесс изготовления двухслойных валков методом центробежного литья не нашел еще достаточного применения, особенно для валков диаметром бочки свыше 400 мм, из-за нерешенности ряда теоретических и технологических вопросов и отсутствия соответствующего оборудования. Поэтому вопросы, связанные с разработкой теории и практики получения литых крупногабаритных двухслойных валков с высокой эксплуатационной надежностью, являются в настоящее время актуальными.
Целью данной работы являлось разработка и внедрение новых составов чугуна, режимов первичного, вторичного модифицирования, обеспечивающих высокую однородность структуры и необходимую твердость калибров валков, а также ресурсосберегающей технологии отливки бандажей и комбинированных валков, разработка теоретических основ и создание технологии изготовления биметаллических чугунных прокатных валков. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
. -анализ возможных, вариантов изготовления биметаллических валков и определение оптимальных областей их применения, изучение влияния важнейших параметров технологии на качество получаемых валков и стабильность технологического процесса;
-разработка технологического оборудования для реализации новых технологических процессов;
-апробация предложенной технологий и оборудования, их широкое промышленное внедрение.
Научная значимость работы Уточнен показатель качества валков, позволяющий на основании данных о макроструктуре и свойствах металла номограмма.
Проведен анализ силового взаимодействия бандажа и стержня, на основании которого предложена методика расчета толщины легкоплавкого покрытия стержня. Разработана методика измерения усилия извлечения стержня из отливки. Установлено влияние величины литейной усадки материала бандажа, охлаждения, вида противопригарного покрытия и температуры поверхности стержня на усилие его извлечения.
Предложена методика расчета толщины легкоплавкого покрытия стержня. Получена математическая формула, описывающая влияние основных физических и технологических параметров (температуры металла и стержня, толщины легкоплавкого покрытия и степени армирования) на прочностные характеристики комбинированного валка (удельное контактное давление на сопряженных поверхностях, усилие выпрессовки оси и др.).
Разработан новый состав чугуна, который обеспечивает формирование бейнитной структуры в отливке при скорости охлаждения (30...50) сС/час, в области бейнитного превращения Определены температурные условия охлаждения бандажей. Исследована устойчивость переохлажденного аустенита в комплексно легированных молибденом, медью и ванадием высокопрочных валковых чугунах в изотермических условиях. Определены скорости охлаждения и химический состав чугуна, надежно обеспечивающие получение однородной структуры, в отливках массой более 2,0 т., с высокими механическими свойствами.
Получены номограммы для определения расхода магния в зависимости от температуры металла при модифицировании и содержании в нем серы , а также потерь магния чугуном в зависимости от содержания в нем серы, температуры металла до модифицирования и продолжительности заливки.
Разработаны основные теоретические положения процесса центробежной отливки крупных биметаллических чугунных валков с диаметром бочки свыше 600 мм и длиной до 2500 мм.
Изучено распределение температур при кристаллизации металла в изложнице с теплоизоляционным материалом (краска, прослойка алюминия) и выявлена роль каждого из участвующих в отводе тепла элемента формы и сплава.
Практическая значимость работы заключается в разработке состава комплексно-легированного валкового чугуна, способа вторичного графитизирующего модифицирования расплава, обеспечивающего незначительное изменение твердости по глубине рабочего слоя, и технологического процесса отливки комбинированных валков и бандажей.
Внедрение результатов работы позволило снизить расход валков на различных станах от 17 до 40 % и заменить импортные бандажированные валки в главных универсальных клетях универсально-балочного стана при прокатке балки шириной полки до 400 мм.
Работа выполнена на Кушвинском заводе прокатных валков (КЗПВ), а результаты исследований внедрены в вальцелитейном цехе завода. Валки прошли промышленные испытания на Нижнетагильском, Карагандинском, Череповецком, Новолипецком, Западно-Сибирском и др. металлургических комбинатах, Нижне-Сергинском, Чусовском металлургических заводах.
На основе научных результатов проведенных исследований разработаны технологии получения крупногабаритных комбинированных двухслойных валков: с холодной посадкой литого биметаллического чугунного бандажа на стальную ось для универсально-балочного стана Нижнетагильского металлургического комбината и др. аналогичных станов, а также основной вариант получения крупногабаритных двухслойных заготовок валков путем последовательной заливки металла рабочего слоя в центробежную машину с горизонтальной осью вращения и затем после
поворота этой формы в вертикальное положение металла сердцевины бочки и
шеек с обеспечением прочного сваривания двух металлов.
Спроектирована, изготовлена и освоена в промышленных условиях Кушвинского завода прокатных валков центробежная машина для отливки крупных двухслойных валков с рабочим слоем из легированного чугуна повышенной износостойкости и сердцевиной из серого чугуна или чугуна с шаровидным графитом.
Разработано огнеупорное покрытие имеющее теплопроводность в . 1,5...1,7 раза выше по сравнению с известными.
При изготовлении валков с бочкой диаметром 600...900 мм и длиной до 2500 мм экономия жидкого металла составила 40...50 %, расход легирующих элементов сократился ~ в 2 раза, а цикл производства на 60...70 %.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на зональных, российских и международных конференциях, семинарах и съездах в т.ч. 1979 г. в Днепропетровске, Донецке, 1982 г. в Днепропетровске, 1985 г. в Пензе, Орджоникидзе, Москве, 1986 г. в Каунасе, 1992 г. в Чебоксарах, 1994 г. в Москве, 1996 г. в Магнитогорске.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, в том числе 13 авторских свидетельств и патентов.
Личный вклад автора. Автор является инициатором и разработчиком направления по изготовлению крупных биметаллических валков в комбинированную горизонтально-вертикальную форму с применением метода центробежного литья. Им разработаны методики измерения усилия извлечения стержня, замера температур в промежуточном слое (алюминиевый лист), во вращающейся форме (и в залитом металле, и в изложнице). Предложены методика расчета толщины легкоплавкого покрытия стержня и математическая зависимость, описывающая влияние основных физических и технологических параметров (температуры металла и стержня, толщины
g легкоплавкого покрытия, степени армирования) на прочностные характеристики комбинированного валка разработаны исходные положения для расчета процесса теплопередачи во вращающейся водоохлаждаемой изложнице, а также уточнен показатель качества валка и предложены расчетно-эмпирические формулы и номограммы для определения работоспособности валков.
Автор возглавлял работу и принимал активное творческое участие в создании конструкции центробежной машины, разработке и освоении технологии изготовления биметаллических валков.