СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ Российский патент 2003 года по МПК B22D19/16 

Изобретение относится к области черной металлургии и специальной электрометаллургии, а более конкретно к способам производства композитных прокатных валков с применением электрошлаковой технологии.

Известны способы производства цельнолитных двухслойных чугунных валков, которые изготавливаются методом статического или центробежного литья (см., например, Будагьянц Н. А. , Карсский В.Е. Литые прокатные валки. - М.: Металлургия, 1983, с.9-10).

Износостойкий рабочий слой этих валков выполнен из легированного чугуна и имеет две градации - отбеленный слой и переходную зону. Получение отбеливания заданной глубины усложняется тем, что с ее увеличением непропорционально быстро увеличивается переходная зона и тем самым резко снижается механическая прочность валка (там же, с. 16).

Поэтому эти методы производства валков предопределяют ограниченную глубину отбеленного слоя.

Например, при центробежном литье достижение достаточной глубины отбела сопряжено с необходимостью большей выдержкой для затвердевания легированного чугуна, предназначенного для формирования рабочего слоя, в результате чего после последующей заливки серого чугуна, предназначенного для формирования сердцевины валка, увеличивается вероятность несвариваемости между слоями, что приводит к появлению трещин на поверхности валка (там же, с. 130, 131, 144-164).

Ограниченная глубина отбеленного слоя предопределяет пониженную долговечность валка.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является другой известный способ производства композитных прокатных валков со стальной осью (см., например, журнал "Автоматическая сварка", 1966, 5, с.63).

Преимуществом этого способа изготовления композитных валков является высокопроизводительная электрошлаковая наплавка рабочего слоя чугуном толщиной до 100 мм.

Кроме этого, использование стальной оси позволяет повысить удельные нагрузки при прокатке, улучшить эксплуатационные характеристики, а следовательно, повысить долговечность валков.

Заявленный и известный способы имеют следующие сходные признаки: способ изготовления композитных прокатных валков, который включает наплавку рабочего слоя валка на заготовку чугунным расходуемым электродом в кольцевом зазоре между формирующей поверхностью кристаллизатора и наплавляемой поверхностью заготовки.

Недостатками известного способа являются:
- значительные затраты, связанные с трудностью использования для формирования рабочего слоя водоохлаждаемого медного стационарного или подвижного кристаллизаторов, которые имеют сложную конструкцию и высокую трудоемкость и затраты при изготовлении;
- электроэрозия медной формирующей поверхности кристаллизатора в результате взаимодействия с расплавленным электропроводным шлаком, что снижает долговечность кристаллизатора, а попадание меди в наплавленный рабочий слой приводит к существенному ухудшению его свойств;
- низкая ремонтопригодность при заварке дефектных мест кристаллизатора, связанная с высокой теплопроводностью меди, плохой ее свариваемостью и существенными деформациями при нагревании в процессе сварки;
- высокий градиент температур в зоне сопряжения наплавленного металла с интенсивно охлаждаемой медной поверхностью кристаллизатора, в результате чего формируется структура с неравномерной степенью отбеливания по сечению наплавленного чугуном слоя, а также создаются остаточные напряжения, которые создают угрозу растрескивания и требуют после наплавки обязательного проведения термической обработки для снижения напряжений; при этом необходимо также проводить высокотемпературную обработку для снижения уровня твердости рабочего слоя, особенно при его наплавке отбеленным чугуном, для облегчения удаления припуска на механическую обработку; после предварительной механической обработки необходимо проводить окончательную высокотемпературную обработку (закалку или нормализацию с отпуском) для восстановления заданного уровня твердости рабочего слоя;
- большие затраты на приобретение дорогого твердосплавного режущего инструмента, т. к. суммарная величина припуска с учетом поводок при термической обработке и окончательной чистовой механической обработке достигают 15... 20 мм на сторону.

Все это в целом обусловливает высокие затраты и длительный цикл производства композитных валков. При этом не обеспечивается равномерная твердость и износостойкость по сечению наплавленного слоя даже после проведения термической обработки.

Кроме этого, многоразовые нагревания и охлаждения при термической обработке наплавленных чугуном валков нередко приводят к отслаиванию наплавленного металла в связи с различными теплофизическими свойствами основного металла и наплавленного слоя.

В основу изобретения положена задача - создать способ изготовления композитных прокатных валков, который характеризуется минимальными затратами и обеспечивает равномерную высокую износостойкость валков по сечению наплавленного слоя, путем использования расходуемого кристаллизатора и за счет технического результата, заключающегося в том, что в процессе наплавки создаются условия благоприятного термического цикла, при котором теплоотвод в направлении кристаллизатора и наплавляемой заготовки равномерный и практически одинаковый, что способствует равномерной степени отбеливания, высокой равномерной твердости по сечению наплавленного слоя и предотвращает в нем появление остаточных напряжений.

Для обеспечения этого технического результата в способе изготовления композитных прокатных валков, который включает наплавку рабочего слоя валка на заготовку чугунным расходуемым электродом в кольцевом зазоре между формирующей поверхностью кристаллизатора и наплавляемой поверхностью заготовки, в качестве кристаллизатора используют металлическую оболочку, толщину стенки которой определяют в зависимости от толщины наплавляемого рабочего слоя и диаметра заготовки, при этом после наплавки рабочего слоя металлическую оболочку удаляют механической обработкой.

Между отличительными признаками изобретения и техническим результатом имеется причинно-следственная связь.

Использование в качестве кристаллизатора металлической оболочки с толщиной стенки, определяемой в зависимости от толщины наплавляемого рабочего слоя и диаметра заготовки, обеспечивает проведение наплавки при благоприятном термическом цикле, при котором характер термодеформационных процессов предотвращает создание в наплавленном слое остаточных напряжений, требующих проведения термической обработки валков, а также обеспечивает снижение затрат на твердосплавный режущий инструмент за счет значительного уменьшения припуска на механическую обработку, который после удаления оболочки имеет величину не более 1 мм.

Все это с учетом упрощения процесса формирования рабочего слоя, который осуществляется с использованием металлической оболочки, изготовленной из недорогой малоуглеродистой стали, обеспечивает значительное уменьшение прямых затрат на производство валков.

Одновременно за счет проведения процесса при благоприятных условиях термического цикла и незначительного (менее 1 мм) проплавления, соизмеримого с процессом паяния, поверхности заготовки и оболочки обеспечивается повышенная степень и равномерность отбеливания и твердость по сечению наплавленного слоя, а следовательно, повышается износостойкость валков.

Дополнительный эффект при этом связан с тем, что, имея в виду более низкую температуру плавления чугуна по сравнению со сталью, открывается практическая возможность проведения процесса электрошлаковой наплавки на пониженных энергетических параметрах с уменьшением тепловложения, что сокращает затраты по электроэнергии.

Благодаря экспериментам получено соотношение для определения толщины металлической оболочки, пояснения к которому представлены ниже.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично показано устройство для электрошлаковой наплавки валков; на фиг.2 - графическая зависимость коэффициента k₁, учитывающего зависимость толщины стенки оболочки от толщины наплавляемого слоя; на фиг.3 - фрагмент поперечного макротемплета с электрошлаковой наплавкой на стальную заготовку валка рабочего слоя чугуном при формировании кристаллизующегося металла стальной оболочкой.

Способ осуществляется данным устройством (фиг.1) в следующей последовательности действий:
- заготовку 1 для наплавки рабочего слоя с технологическим буртом 2, предназначенным для разведения электрошлакового процесса и начала наплавки, и технологическим припуском 3, предназначенным для выполнения конечного участка наплавки, размещают в вертикальном положении на подставке 4;
- для формирования наплавляемого слоя в качестве кристаллизатора используют металлическую оболочку 5, толщину стенки которой определяют в зависимости от толщины наплавляемого рабочего слоя и диаметра заготовки, что является отличительным признаком способа;
- оболочку 5 устанавливают соосно с наплавляемой заготовкой 1 с образованием между ними кольцевого зазора 6;
- в кольцевом зазоре 6 размещают расходуемый электрод-трубу 7, наводят электрошлаковый процесс с созданием шлаковой 8 и металлической 9 ванн и наплавляют рабочий слой 10;
- после заплавления электродом 7 кольцевого зазора 6 с получением рабочего слоя 10 и постепенного охлаждения наплавленной заготовки 1 металлическую оболочку 5 удаляют механической обработкой.

Благодаря использованию в качестве кристаллизатора металлической оболочки с толщиной стенки, определяемой в зависимости от толщины наплавляемого рабочего слоя и диаметра заготовки, которую после заплавления кольцевого зазора 6 удаляют, создаются оптимальные условия протекания термодеформационных процессов, что способствует эффективному отбеливанию чугуна с равномерной структурой, а следовательно, обеспечиваются высокие показатели износостойкости рабочего слоя при одновременном снижении затрат на процесс за счет его существенного упрощения.

В результате экспериментов получено соотношение для расчета толщины металлической оболочки
δ = t•k₁•k₂
и построен график (см. фиг.2) зависимости значений коэффициента k₁ от толщины наплавленного рабочего слоя t.

Кроме этого, экспериментальным путем получены значения коэффициента k₂ в зависимости от диаметра наплавляемой заготовки D (таблица).

Соотношение, которое является существенным признаком способа, распространяется на производство композитных прокатных валков диаметром от 200 мм с толщиной наплавки от 25 до 100 мм.

При этом рассчитанные с помощью указанного соотношения значения толщин стенки оболочки являются средними. Их крайние значения находятся в пределах (0,5÷1,5) от рассчитанного среднего значения и являются оптимальными.

Например, для наплавки рабочего слоя толщиной t=55 мм на заготовку диаметром D=400 мм толщина стенки металлической оболочки в пределах от минимума до максимума составит, подставляя соответствующие значения k₁ из графика (см. фиг.2) и значения k₂ (см. таблицу):

Диапазон (0,5÷1,5) учитывает зависимость от режимов наплавки, скорости распространения фронта теплового потока вдоль оси заготовки вследствие тепловложения за счет электрошлаковой наплавки.

При выполнении толщины стенки металлической оболочки меньше ее минимальной расчетной величины возникает опасность прожега стенки и ее коробление в результате перегрева, а при увеличении толщины стенки больше максимальной расчетной величины нарушается оптимальный термический цикл, что ведет к снижению степени отбеливания, уровня и равномерности твердости, уменьшению стойкости, а также к нерациональному расходу металла на изготовление оболочки.

Определение по предлагаемому соотношению с помощью вышеприведенного графика и таблицы числовых значений толщины металлической оболочки обеспечивает оптимальность термического цикла, что обусловливает получение высокой степени и равномерности отбеливания и твердости по сечению наплавленного слоя, а следовательно, сказывается на повышении эксплуатационной стойкости и долговечности валков.

Пример конкретной реализации способа
Исходные данные
Ось заготовки под наплавку D=400 мм
Толщина наплавки t=40 мм
Диаметр композитного валка
после удаления оболочки D_k=480 мм
Описанный выше способ использован при производстве композитных прокатных валков с электрошлаковой наплавки на стальную заготовку рабочего слоя отбеленного чугуна в такой последовательности технологических операций:
- ось заготовки валка 1 диаметром D=400 мм под наплавку изготовили из поковки стали 40ХН с технологическим буртом 2, предназначенным для разведения электрошлакового процесса и технологическим припуском 3, предназначенным для выполнения конечного участка наплавки;
- определили среднюю толщину стенки по соотношению
δ = t•k₁•k₂ = 40•0,33•0,75 = 9,8≈10 мм;
- изготовили из стали Ст.3 цилиндрическую оболочку из листа толщиной 10 мм;
- на подставке 4 установили соосно заготовку валка и оболочку с образованием между их поверхностями кольцевого зазора, равного толщине наплавки - в нашем случае 40 мм;
- в указанном зазоре разместили расходуемый электрод - трубу 7, изготовленный из чугуна марки ЧХН2М1;
- наведением электрошлакового процесса создали шлаковую 8 и металлическую 9 ванны и заплавили электродом 7 кольцевой зазор 6 с получением рабочего слоя 10 толщиной 40 мм;
- вальцетокарной обработкой удалили оболочку 5 и получили композитный валок с рабочим диаметром 480 мм.

На фрагменте продольного темплета (фиг.3) показаны значения твердости в наплавленном слое, которые находятся в пределах 76÷80 HSD.

Таким образом, на примере реализации способа подтверждено, что за счет использования в качестве кристаллизатора металлической оболочки с расчетной толщиной стенки получена равномерная степень отбеливания чугуна с равномерно распределенной высокой твердостью по сечению наплавленного рабочего слоя, а следовательно, повышенная износостойкость валка и его долговечность.

Кроме этого, обеспечивается снижение расхода электроэнергии в два раза.

Одновременно за счет упрощенного формообразования рабочего слоя сократился цикл производства и уменьшились затраты при изготовлении композитных валков.

В АО "НКМЗ" таким способом изготовлена опытно-промышленная партия прокатных валков, предназначенных для эксплуатационных испытаний на металлургических предприятиях.

Наибольший эффект при использовании заявленного способа обеспечивается при изготовлении, восстановлении и ремонте композитных валков с электрошлаковой наплавкой рабочего слоя отбеленным чугуном на стальную основу, а также при изготовлении, восстановлении и ремонте роликов машин непрерывного литья заготовок и нагревательных печей, рольгангов прокатных станов, кузнечных бойков и пр.

Кроме этого, при изготовлении данным способом биметаллических изделий для образования рабочего слоя могут использоваться различные металлы и сплавы, например медь, бронза и т.п.

Изобретение относится к черной металлургии, к производству валков с использованием электрошлаковой технологии. Заготовку размещают с кольцевым зазором в кристаллизаторе, в качестве которого используют металлическую оболочку. Толщину стенки оболочки определяют в зависимости от толщины наплавляемого рабочего слоя и диаметра заготовки. В кольцевом зазоре размещают электрод, создают шлаковую и металлическую ванну и наплавляют рабочий слой валка. После охлаждения наплавленной заготовки металлическую оболочку удаляют механической обработкой. В процессе наплавки происходит равномерный теплоотвод в направлении кристаллизатора и заготовки. Это обеспечивает равномерную и более высокую степень отбеливания чугуна, твердость и износостойкость рабочего слоя, исключение остаточных напряжений в валке. 3 ил., 1 табл.

Способ изготовления композитных прокатных валков, включающий наплавление рабочего слоя валка на заготовку чугунным расходуемым электродом в кольцевом зазоре между формирующей поверхностью кристаллизатора и наплавляемой поверхностью заготовки, отличающийся тем, что в качестве кристаллизатора используют металлическую оболочку, толщину стенки которой определяют в зависимости от толщины наплавляемого рабочего слоя и диаметра заготовки, при этом после наплавления рабочего слоя металлическую оболочку удаляют механической обработкой.