СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ БАНДАЖИРОВАННОГО РОЛИКА Российский патент 2007 года по МПК B23P6/02 B23K9/04 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано для восстановления бандажированного ролика моталок станов горячей прокатки.

Ролики моталок станов горячей прокатки металла работают в условиях совместного абразивного и теплового износа рабочей поверхности из-за действия сматываемой полосы. В результате ролики быстро выходят из строя. Предлагается методом наплавки восстанавливать исходный диаметр бандажей роликов и повышать их износостойкость.

Известен способ восстановления бандажированного валка, при котором применяют подогрев оси до температуры 120...200°С и предварительный подогрев бандажа до температуры 300...350°С (авт. св. СССР №1622092).

Недостатком известного способа является невозможность применения его для наплавки бандажированного ролика моталок из-за низкой стойкости наплавленного слоя в условиях абразивного износа при контакте с охлажденной на отводящем рольганге полосой.

Известен также способ восстановления ролика, при котором в качестве наплавочного электрода используют проволоки из стали Св-08, Св-08А, Нп-30ХГСА диаметром 3-4 мм и наплавляют на токе 300...400 А под флюсом АН-348А (Гребеник В.М., Гордиенко А.В., Цапко В.К. Повышение надежности металлургического оборудования. М.: Металлургия, 1988. С.478-479).

Недостатком известного технического решения является низкая стойкость ролика моталки и смещение бандажа по оси ролика в процессе наплавки и эксплуатации на стане, что является недопустимым.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ восстановления бандажированного ролика. Согласно изобретению ролик нагревают под наплавку до температуры не более 150°С со скоростью 80°С/ч. Многослойную наплавку осуществляют стальным электродом при силе электрического тока не более 350 А. Термическую обработку проводят путем нагрева до температуры 400...500°С со скоростью не более 80°С/ч. Выдержка ролика при температуре нагрева составляет 7...8 ч. Охлаждение ролика производят со скоростью не более 80°С/ч до температуры 120°С и долее на воздухе (Патент РФ №2123412).

Недостатки известного способа состоят в том, что он предназначен для восстановления колец бандажированного ролика машины непрерывного литья заготовок, поэтому режимы восстановления не обеспечивают удовлетворительную абразивную и тепловую стойкость ролика моталки. В результате появляются трещины и выработка на бочке ролика, что приводит к снижению стойкости роликов, а также к травмированию сматываемых полос.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении стойкости ролика моталки.

Указанная задача решается тем, что в способе восстановления бандажированного ролика, включающем предварительный нагрев, многослойную наплавку стальным электродом и термическую обработку наплавленного бандажа ролика, согласно предложению предварительный нагрев бандажа ролика производят до температуры 200...250°С со средней скоростью 40...50°С/ч, наплавку ведут со скоростью 20...30 м/ч при плотности электрического тока 35...45 А/мм², а термообработку проводят путем нагрева бандажа ролика до температуры 400...450°С со средней скоростью 40...50°С/ч, выдержки в течение 2...4 часов и охлаждения со средней скоростью 40...50°С/ч до температуры окружающей среды.

Возможен вариант выполнения способа, по которому наплавку первого и последующих нечетных слоев производят стальным электродом следующего состава, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 0,50... 1,50; железо остальное.

Для второго и последующих четных слоев используют стальной электрод следующего состава, мас.%: углерод 0,30...0,60; марганец 0,30...1,0; кремний 0,30...0,50; хром 2,0...3,0; вольфрам 8,0...10,0; ванадий 0,20...0,60; железо - остальное.

Сущность изобретения состоит в следующем. Бандаж бочки на ось насаживают посадкой с натягом. При наплавке изношенного бандажа по известной технологии происходит его перегрев и снижение посадочных напряжений, что приводит к смещению бандажа относительно оси в процессе наплавки и при эксплуатации ролика на стане. Для предотвращения смещения бандажа относительно оси предварительный подогрев производят со средней скоростью 40...50°С/ч. Экспериментально установлено, что при снижении средней скорости нагрева менее 40°С не происходит повышения стойкости ролика, а лишь возрастают продолжительность нагрева и энергозатраты.

При увеличении средней скорости нагрева более 50°С/ч резко увеличивается температурный градиент бандажа, а ось остается холодной. Напряжения натяга уменьшаются и бандаж сдвигается относительно оси, что недопустимо.

Верхний предел температуры нагрева 250°С выбран экспериментально. Температура нагрева выше 250°С приводит к перегреву бочки ролика, уменьшению твердости наплавленного бандажа и снижению напряжений натяга. При снижении температуры нагрева ниже 200°С в зоне, расположенной под наплавкой, образуются закалочные структуры и трещины. Это приводит к снижению стойкости ролика.

Экспериментально установлено, что снижение скорости наплавки менее 20 м/ч приводит к удлинению процесса и перегреву бандажа ролика выше допустимой температуры. При увеличении скорости наплавки более 30 м/ч возрастает количество несплошностей в металле, что ухудшает качество наплавки.

При плотности электрического тока менее 35 А/мм² из-за недостаточного проплавления электрода качество наплавки ухудшается. Увеличение плотности электрического тока более 45 А/мм² приводит к перегреву бандажа ролика, что снижает его стойкость.

После наплавки бандаж ролика имеет высокие остаточные сварочные напряжения, поэтому ролик подвергают термической обработке. В процессе термической обработки ролик нагревают со средней скоростью 40...50°С/ч для обеспечения прогрева бандажа ролика. Снижение средней скорости нагрева менее 40°С/ч приводит к образованию крупных зерен микроструктуры бандажа, что ведет к снижению его стойкости.

При увеличении средней скорости нагрева более 50°С/ч возрастает температура бандажа, а ось остается холодной. Напряжения натяга уменьшаются, и бандаж сдвигается относительно оси.

Экспериментально установлено, что если температура термообработки будет превышать 450°С, произойдет разупрочнение наплавленного бандажа ролика. При температуре термообработки ниже 400°С в наплавленном бандаже ролика сохранятся сварочные напряжения, которые в дальнейшем приведут к образованию трещин.

Увеличение времени выдержки более 4 ч приведет к потере твердости. Сокращение времени выдержки менее 2 ч не обеспечивает полного снятия сварочных напряжений.

При снижении скорости охлаждения менее 40°С/ч образуются крупные зерна микроструктуры материала бандажа, что снижает его стойкость. Увеличение скорости охлаждения выше 50°С/ч вызывает образование трещин в наплавленном слое, что ухудшает стойкость ролика.

Ролик моталки эксплуатируется в условиях трения со стороны сматываемого металлопроката. Поэтому оптимальным вариантом является наплавка износостойкости вольфрамосодержащей сталью. Но при многослойной наплавке только вольфрамосодержащей сталью возникают трещины и разрушения наплавленных слоев из-за высокой хрупкости и низкой свариваемости. Поэтому для многослойной наплавки в качестве материала для первого и последующих нечетных слоев рекомендовано применять электрод из стали, обладающей высокой свариваемостью и пластичностью, содержащей, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 0,50...1,50; железо остальное, а для повторного и последующих четных слоев - электрод из стали, сочетающей высокую прочность и износостойкость, содержащей мас.%: углерод 0,30...0,60; марганец 0,30...1,0; кремний 0,30...0,50; хром 2,0...3,0; вольфрам 8,0...10,0; ванадий 0,20...0,60; железо остальное.

Для первого и последующих нечетных слоев углерод обеспечивает матричное упрочнение наплавленного металла. Углерод усиливает способность образовывать твердую и прочную микроструктуру при охлаждении наплавленного слоя. Содержание углерода менее 0,20% мало оказывает влияние на упрочнение наплавленного металла. При содержании углерода выше 0,40% наплавленный металл при наплавке подвержен растрескиванию.

Марганец (Mn) упрочняет матрицу металла первого и последующих нечетных слоев и значительно улучшает пластичность металла при наплавке. Минимальная концентрация Mn, необходимая для достижения требуемой прочности, равна 0,30%. Подобно углероду Mn в избытке ухудшает вязкость металла и также вызывает появление трещин при наплавке, поэтому его верхний предел ограничен 0,50%.

Кремний вводится в наплавочный металл первого и последующих нечетных слоев в качестве раскислителя в количестве 0,30...0,50%. С понижением количества кремния менее 0,30% возможно появление пор при наплавке. Взятый в избытке кремний отрицательно влияет на вязкость наплавленного металла в зоне термического влияния (ЗТВ), которая при его концентрациях более 0,50% снижается до неприемлемого уровня.

Хром повышает упрочняемость наплавленного металла при охлаждении. При содержании хрома менее 0,50% в первом и последующих нечетных слоях не обеспечивается прочность наплавленного металла. При содержании хрома свыше 1,50% не обеспечивается оптимальная структура металла из-за появления остаточного аустенита.

Для второго и последующих четных слоев углерод обеспечивает дисперсное упрочнение вследствие образования в наплавленном слое мелких карбидных частиц. Содержание углерода (С) менее 0,30% приводит к уменьшению твердости и износостойкости наплавленного слоя, а более 0,60% приводит к появлению трещин в наплавленном металле.

Марганец улучшает пластичность матрицы металла при наплавке второго и последующих четных слоев. Минимальная концентрация Mn, необходимая для достижения высокой износостойкости, равна 0,30%. Подобно углероду, Mn в избытке ухудшает вязкость металла и также вызывает образование трещин при наплавке, поэтому его верхний предел 1,0%.

Кремний присутствует в наплавочном металле второго и последующих четных слоев в качестве раскислителя. Содержание кремния менее 0,30% в наплавленном металле приводит к образованию пор. Концентрация кремния более 0,50% уменьшает вязкость наплавленного металла в ЗТВ.

Содержание хрома в стали, применяемой при наплавке второго и последующих четных слоев, менее 2,0% не обеспечивает требуемую износостойкость наплавленного бандажа. При содержании хрома более 3,0% в наплавленном металле появляется остаточный аустенит, что снижает стойкость ролика.

Вольфрам (W) добавлен во второй и последующие четные слои для дисперсного упрочнения и увеличения износостойкости при выпадении мелких частиц WC в наплавленном металле. Верхний предел 10,0% установлен потому, что избыток W приводит к растрескиванию и ухудшает вязкость наплавленного металла и его ЗТВ. С понижением содержания вольфрама меньше 8,0% износостойкость наплавленного бандажа снижается, что неприемлемо.

Ванадий (V) повышает прочность наплавленного металла второго и последующих четных слоев с образованием упрочненной матрицы и дополнительно обеспечивает дисперсионное упрочнение при отпуске вследствие выпадения частиц VC. Избыток V способствует появлению трещин при наплавке и ухудшает вязкость наплавленного металла, поэтому верхний предел установлен 0,60%. При содержании ванадия менее 0,20% износостойкость наплавленного бандажа снижается.

Примеры реализации способа

Были изготовлены пять вариантов I-V стальных электродов различного состава для наплавки нечетных (н) и пять вариантов I-V для наплавки четных слоев (ч), приведенные в таблице 1.

В варианте 1 составы для наплавки нечетных (н) и четных (ч) слоев имеют концентрацию элементов меньше заявленных пределов. В вариантах II-IV концентрация элементов соответствует заявленным пределам. В варианте V концентрация элементов для нечетных (н) и четных (ч) слоев выше заявленных пределов.

Таблица 1ВариантСлойСостав электродов, мас.%СMnSiCrWVIн0,190,290,290,49--ч0,290,290,291,97,90,19IIн0,200,300,300,50--ч0,300,300,302,08,00,20IIIн0,300,400,401,0--ч0,450,650,402,59,00,40IVн0,400,500,501,50--ч0,601,00,503,010,00,60Vн0,410,510,511,51--ч0,611,100,513,110,10,61

Изношенный бандажированный ролик моталки непрерывного широкополосного стана 2000 горячей прокатки, с диаметром бандажа 850 мм устанавливают на наплавочный станок и приводят во вращение. При этом бандаж нагревают индуктором до температуры Т_под=225°С со средней скоростью V_под=45°С/ч. Наплавку ведут под слоем флюса марки АН-60 стальным электродом диаметром 4,0 мм. Первый слой и последующие нечетные слои наплавляют электродом состава III (н), а второй и последующие четные слои электродом состава III (ч). Скорость наплавки составляет V_св=25 м/ч, плотность электрического тока при наплавке J=40 А/мм². Наплавку ведут до восстановления номинального размера бандажа ролика с припуском на механическую обработку (903 мм). После наплавки бандаж индуктором нагревают до температуры Т_отп=425°С со средней скоростью V_наг=45°С/ч. Бандаж выдерживают при этой температуре τ=3 ч и охлаждают до температуры окружающей среды со средней скоростью V_охл=45°С/ч.

Указанные технологические режимы обеспечивают получение бездефектного наплавленного бандажа ролика моталки. После завершения наплавки ролик устанавливают на вальцешлифовальный станок и шлифуют наплавленный бандаж до номинального диаметра 900 мм.

Восстановленный ролик собирают с подшипниками, устанавливают в моталку непрерывного широкополосного стана 2000 и осуществляют смотку горячекатаных стальных полос в рулоны. Благодаря применению предложенных режимов и составов стальных электродов достигается повышение стойкости ролика.

Режимы восстановления и показатель стойкости ролика (удельный расход роликов на тонну проката) приведены в таблице 2.

Таблица 2№ режимаВариант электродаT_под, °СV_под, °С/чV_св, м/чJ, А/мм²Т_отп °СV_наг, °С/чτ, чV_охл, °С/чУд. расход роликов, кг/т1I190391934395391,5391,92II200402035400402401,23III225452540425453451,14IV250503045450504501,25V260513146455514,5511,56 (прототип)12Х13140702030480707,0702,0

Как следует из данных, приведенных в таблице 2, при реализации предложенного способа (режимы №2-4) достигается повышение стойкости восстановленных роликов моталок (удельный расход роликов минимален). В случае запредельных значений заявленных параметров (режимы №1 и №5) стойкость восстановленных роликов снижается. Также более низкую стойкость имеют ролики, восстановленные по способу-прототипу (режим №6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что регламентированные параметры восстановления бандажированного ролика обеспечивают получение высокой твердости и износостойкости. Этим достигается повышение стойкости бандажированного ролика моталки горячекатаной полосы.

В качестве базового объекта принят способ-прототип. Применение предложенного способа позволит повысить рентабельность восстановления бандажированного ролика на 20-30%.

Изобретение может быть использовано для восстановления бандажированного ролика моталок. Предварительный нагрев бандажа ролика проводят до температуры 200...250°С со скоростью 40...50°С/ч. Многослойную наплавку ведут стальным электродом со скоростью 20...30 м/ч при плотности электрического тока 35...45 А/мм². Термообработку осуществляют путем нагрева наплавленного бандажа ролика до температуры 400...450°С со скоростью не более 40...50°С/ч, выдержки в течение 2...4 часов и охлаждения со скоростью не более 40...50°С/ч до температуры окружающей среды. В качестве материала для первого и последующих нечетных слоев рекомендуется применять стальной электрод следующего состава, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 0,50...1,50; железо остальное. Для второго и последующих четных слоев - стальной электрод следующего состава, мас.%: углерод 0,30...0,60; марганец 0,30...1,0; кремний 0,30...0,50; хром 2,0...3,0; вольфрам 8,0...10,0; ванадий 0,20...0,60; железо остальное. Способ позволяет повысить стойкость бандажированного ролика. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ восстановления бандажированного ролика, включающий предварительный нагрев, многослойную наплавку стальным электродом и термическую обработку наплавленного бандажа ролика, отличающийся тем, что предварительный нагрев бандажа ролика производят до температуры 200-250°С со средней скоростью 40-50°С/ч, наплавку ведут со скоростью 20-30 м/ч при плотности электрического тока 35-45 А/мм², а термообработку проводят путем нагрева бандажа ролика до температуры 400-450°С со средней скоростью 40-50°С/ч, выдержки в течение 2-4 ч и охлаждения со средней скоростью 40-50°С/ч до температуры окружающей среды.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку первого и последующих нечетных слоев производят стальным электродом следующего состава, мас.%:

Углерод0,20-0,40Марганец0,30-0,50Кремний0,30-0,50Хром0,50-1,50ЖелезоОстальное

Углерод0,30-0,60Марганец0,30-1,0Кремний0,30-0,50Хром2,0-3,0Вольфрам8,0-10,0Ванадий0,20-0,60ЖелезоОстальное