Способ восстановления опорных валков клетей прокатных станов Советский патент 1993 года по МПК B21B28/02 

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к способам восстановления стальных прокатных валков методом наплавки.

Цель изобретения - повышение эксплуатационной стойкости валков,

Указанная цель достигается тем, что в способе восстановления опорных валков клетей прокатных станов, включающем нагрев валков, многослойную наплавку на их поверхность с чередованием слоев из сталей с различным уровнем износостойкости и термообработку, восстановление производят в указанной последовательности операций по меньшей мере в два этапа, при этом между этапами осуществляют эксплуатацию валков в клети стана, а толщину общего наплавляемого на каждом этапе слоя определяют согласно зависимости:

Н, (0,1 - 0,3) Р Рмакс. - D|)+ K

/LJwaKC. где Hi - толщина общего направляемого слоя на i-м этапе восстановления:

Pi - давление металла на валки при их эксплуатации в клети после i-ro этапа восстановления:

Омакс. максимально допустимый диаметр валка;

DJ - начальный диаметр валка, восстанавливаемого на i-м этапе;

К - 14-18 - коэффициент, учитывающий количество наплавляемых на i-м этапе слоев на их толщину.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Восстановление опорного валка от минимального до максимального диаметра производится в несколько этапов.

I этап. Изношенный до минимального диаметра валок протачивается на токарном станке под наплавку. Наплавку производят лентой. Слой, направляемый на I этапе, состоит из трех слоев наплавляемых лентой из

fe

00

о

i4

ICO СЯ

JGO

fe со

различных марок стали (рис.1). Первый слой наплавляется низкоуглеродистой сталью и служит для прочной связки материала валка (9ХФ 60ХН и др.) с рабочим слоем. Второй слой наплавляют сталью, легированной хромом, марганцем, молибденом. Третий рабочий слой наплавляют лентой из высокопрочной износостойкой стали. Общая толщина наплавляемого слоя рассчитывается по

формуле:

Hi (0,1 -0,3)х

Р|(Рмакс. Dl) Омакс.

+ К

я-

где HI - толщина общего наплавляемого слоя на i-м этапе восстановления;

Pi - давление металла на валки при их эксплуатации в клети, после i-ro этапа восстановления;

Омакс. - максимально допустимый диаметр валка;

DI - начальный диаметр валка, восстанавливаемого на i-м этапе;

К 14-18 коэффициент, учитывающий количество наплавляемых на i-м этапе слоев и их толщину

После наплавки слоя валок подвергают термообработке, подготавливают к завалке и заваливают в рабочую клеть стана, где валок работает одну кампанию. После вы- валки валка его протачивают под наплавку, причем толщина съема металла по радиусу должна быть 2-4 мм. Наплавку производят аналогично как и в I этапе. Таким образом, наплавка валка чередуется с его завалкой в стан и производится до тех пор, пока валок не будет восстановлен до начального (максимального) диаметра.

Результаты исследований структуры и текстуры упрочненных после деформации обкаткой слоев показывают, что в металле происходит сдвигообразование, сопровождающееся повышением твердости и прочности поверхностных слоев валка и возникновением в них остаточных напряже-

НИИ.

Кроме этого, возникает эффект ориентированного упрочнения как из-за оптимальной ориентации внутренних напряжений, так и вследствие образования текстуры мартенси- та отпуска и упорядочения карбидных выделений по границам зерен. Суммарный эффект, повышающий стойкость валка, достигается при наплавке слоев определенной толщины и регламентированной во время слоев обкаткой валка перед последующей наплавкой с учетом обточки,

Характер распределения напряжений в однократно наплавленном слое по радиусу

5

10

20

25

30 35 40 5

50 55

валка с последующей обкаткой представлен эпюрой на фиг.2. Наплавленный за один раз опорный валок подвергается действию напряжений с асимметричными циклом со стороны рабочего валка. В нем образует при наклоне зона I - сжимающим напряжением; зона II - максимальные касательные растягивающие (скалывающие) напряжения; зона III - растягивающие напряжения, обусловленные различной текстурой слоев. Глубина расположения зоны II, зависящая от диаметра валка и давления, испытываемого валком при прокатке, рассчитывается с использованием теории Герца-Беляева о сжатии двух цилиндров. Выкрашивание валка происходит в результате образования напряжений в зоне II выше предельно допустимых или отслоение наплавляемого слоя в зоне III в результате действия растягивающих напряжений в зоне различных текстур. Повторная наплавка и обкатка с учетом обточки поверхностного слоя приведет к суперпозиции эпюр внутренних напряжений (фиг.З). Как видно из фиг.З напряжения сжатия и растяжения компенсируют друг друга, в итоге по сечению валка создается оптимальное распределение наибольших по величине преимущественно сжимающих напряжений (фиг.4).

В результате обкатки наплавленного валка создаются наплавленные напряжения деформации, приводящие к преобразованию литой структуры металла в близкую к кованной, при этом кубическая кристаллографическая ориентация а -фазы (феррит- мартенсит) вдоль нормали к поверхности бочки валка преобразуется в октаэдрическую ориентировку Ill-текстуру сжатия ОЦК-метал- лов. Увеличение количества фрагментов субструктуры металла с октаэдрической ориентировкой вдоль радиуса валка придает большую твердость и прочность за счет естественной анизотропии механических свойств кристаллической решетки а -фазы. В процессе термообработки прикатанной структуры наплавленного слоя испытывает преобразование и карбидная сетка: металл исправляется в результате растворения неоднородно выделенных карбидных частиц, их диспергирова- ния и ориентацию вдоль нормали к поверхности бочки валка вторичных выделений. Все перечисленные факторы (внутренние напряжения, текстура основы, карбидные выделения) способствуют повышению твердости, развитию в наплавленном металле остаточных напряжений сжатия, увеличивают сопротивление усталостным разрушениям.

Таким образом, только совокупность предлагаемых технологических приемов

(восстановление валка, как минимум в 2 этапа, наплавке нормируемого по толщине слоя, состоящего из трех слоев, промежуточная эксплуатация в клети) позволяет до- стигнуть высокой эксплуатационной стойкости восстановленных валков.

Восстановление валка за один раз и соответственно большей, чем предлагается, толщине наплавленного слоя приведет к тому, что структура слоя будет разнородной: на поверхности - близкая к кованой, в середине - литая структура, сам валок - кованная структура. В этом случае на границе структур образуются различного рода напряжения, которые при эксплуатации валков не анигилируются противоположными по знаку напряжениями. В этом случае происходит выкрашивание валков при прокатке первых 100 тыс. т металла.

При выборе оптимальной толщины слоя, наплавляемого за один раз, исходили из расчета распределения напряжений по сечению валка, как уже было сказано выше, однократно наплавленный слой состоит из трех слоев стали различной марки. Слой из низкоуглеродистой стали толщиной 8 мм служит для более прочной связки трудноусвояемых сталей непосредственно валка (9ХФ, 60ХН и др.) с наплавляемыми износостойкими слоями, Слой стали, непосредственно контактирующий при эксплуатации с рабочим валком (рабочий слой), наплавляют из высокопрочной и износостойкой стали с целью получения наименьшего износа валка в процессе его обкатки и соответственно получения наименьшего количества концентратов напряжений. Толщину этого слоя выбирают таким образом, чтобы зона максимальных растягивающих напряжений, образующихся в процессе эксплуатации(зона II фиг.2), находясь на глубине 2/3 толщины рабочего слоя. В этом случае при подготовке валка к второй наплавке (проточка на токарном станке) зона II будет выведена на поверхность и при повторной обкатке после повторной наплавки будет скомпенсирована сжимающими напряжениями. Расчеты, проведенные с применением теории Герца- Беляева, показывают, что для валков широкополосных станов, работающих при давлении металла на валки до 3000 т, оптимальная толщина рабочего слоя с учетом проточки и шлифовки под профиль должна составлять 6-8 мм. Общий слой валка рассчитывается по формуле, указанной выше, и выбирается из расчета: чтобы образующиеся при обкатке зоны растягивающих напряжений приходились из зоны образования сжимающих напряжений при последующей эксплуатации валка. Средний слой наплавляется из углеродистых сталей, легированных хромом, марганцем, молибденом, имеющих износостойкость несколько ниже, чем стали рабочего слоя, но обладающих высокой пластичностью. Коэффициент пропорциональности 0,2-0,4 учитывает марочный состав и условия эксплуатации опорных валков.

Почему нельзя наплавлять за один раз

слой толще предлагаемого, объяснено выше. Если однократно наплавленный слой будет тоньше предлагаемого, то в этом случае при повторной эксплуатации эпюра напряжений сместится вниз и вместо

ангиляции растачивающих напряжений произойдет их суммирование. В результате образования напряжений по величине выше предельно допустимых произойдет выкрашивание наплавленного слоя.Стойкость

валка резко снизится.

Предлагаемая технология восстановления, включающая в себя полное восстановление валка как минимум за два этапа; нормирование однократно наплавленного

слоя, промежуточную эксплуатацию валка после наплавки каждого слоя, позволяет повысить эксплуатационную стойкость восстановленных валков за счет оптимального распределения напряжений, образующихся

при эксплуатации, и получения структуры, близкой по характеру к кованой. Только совокупность трех выше указанных признаков позволяет достичь высокой эксплуатационной стойкости восстановленных

валков.

П р и м е р 1. Опорный валок широкополосного стана 2000 имел начальный диаметр 1600 мм. После выработки полного

ресурса имел диаметр 1460 мм. После проточки на токарном станке диаметр валка стана 1450 мм. Перед наплавкой валок подогревался в камерной печи до 450°С со скоростью 20°С/ч, выдерживался при этой

температуре 4 ч, устанавливался на наплавочный станок, производилась наплавка слоя наплавочной лентой НЛ-08КП, сварочный ток 650-900 А, скорость наплавки 30-35 м/ч под слоем флюса, толщина слоя 8 мм.

После однократной наплавки валок предполагалось использовать 6-й клети стана. Среднее давление металла на валки в этой клети составляет 2850 т, толщина высокопрочного слоя с учетом обработки перед

завалкой в стан предполагалось 8 мм, общая толщина слоя рассчитывалась как

2850 х (1600-14501 и 2х 1600 D J

мм

(коэффициент К 16 выбран из расчета: наплавка производится в три слоя, два из которых 08КП и 25х5ФМС толщиной по 8 мм). Толщина слоя из легированной стали должна быть:

43-16 27 мм.

Слой наплавлялся лентой НЛ-ЗОХГСМА толщиной 27 мм, затем наплавлялся слой лентой НЛ-25ХФМС толщиной 8 мм. После проведения наплавки валок подвергался термообработке: нагрев до температуры 520-550°С со скоростью 40°С/ч, охлаждение с печью до 120°С и охлаждение на воздухе. После охлаждения валок подвергался механической обработке на валыдетокар- ном и вальцешлифовальном станках для получения формы, необходимо для завалки в клеть. Диаметр валка 1530 мм. Валок был завален в клеть № 6 стана 2000, эксплуати- ровался до следующей перевалки и прокатал 160 тыс.т металла. После вывалки валок был проточен под наплавку до диаметра 1522 мм. Валок подогревали до 450°С со скоростью 20°С/ч, выдержка 4 ч. Устанавли- вался на наплавочный станок и наплавлялся как по первому этапу из двух слоев 25х5ФМС и ЗОХГСМА. Валок после наплавки предполагалось использовать в 7-й клети стана. Среднее значение давления металла на валки в этой клети 2800 и. Общая толщина слоя рассчитывалась:

2800х1166 1522} 2х1600

Диаметр валка после наплавки составил 1531 мм.

При второй и последующих наплавках можно не применять подслой из стали 08кп, но в расчете его необходимо учитывать и за счет него увеличить толщину двух других слоев. В данном примере толщину слоя из стали 25х5ФМ установили 12 мм, толщину слоя из стали ЗОХГСМА - 22 мм.

Сравнительные данные по стойкости опорных валков, наплавленных по принятой и предлагаемой технологии, приведены в таблице.

В предлагаемом способе увеличение срока службы валков достигается за счет по5

10 1520 25 30

вышения механических свойств наплавленного слоя и улучшения сцепления различных материалов (материал наплавки и материал валка) в зоне их сплавле- ния.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что его реализация значительно повышает эксплуатационную стойкость восстановленных валков, работающих в условиях погонного давления более 0,8 т/мм. Указанный многоступенчатый способ восстановления опорных валков резко снижает склонность наплавленного слоя к образованию трещин, аккумуляции усталостных явлений, приводящих к выкрашиванию и отслоениями наплавленного слоя,

Формула изобретения Способ восстановления опорных валков клетей прокатных станов, включающий нагрев валков, многослойную наплавку на их поверхность с чередованием слоев из сталей с различным уровнем износостойкости и термообработку, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной стойкости валков, восстановление производят в указанной последовательности операций по меньшей мере в два этапа, при этом между этапами осуществляют эксплуатацию валков в клети стана, а толщину общего наплавляемого на каждом этапе слоя определяют согласно зависимости:

35

Hi (0,1 -0,3}

Р|(Рмакс. Pi)

Омакс.

+К

где HI - толщина общего наплавляемого слоя на i-м этапе восстановления;

Pi - давление металла на валки при их эксплуатации в клети, после i-ro этапа восстановления;

Омакс - максимально допустимый диаметр валка;

DI - начальный диаметр валка, восстанавливаемого на i-м этапе;

К 14-18 - коэффициент, учитывающий количество наплавляемых на i-м этапе слоев и их толщину.

Эксплуатационная стойкость опорных валков стана 2000 ЛПЦ-2 ЧерМК, наплавленных по различным технологиям.

Использование: в металлургии и в машиностроении. Повышение эксплуатационной стойкости восстановленных наплавкой валков. Сущность: способ включает подогрев валков перед наплавкой, саму наплавку и термообработку. Восстановление валка до первоначального диаметра производят за несколько этапов, чередуя наплавку с обкаткой валков непосредственно в клети стана при прокате полос в режиме, регламентируемом математи ческой зависимостью. 1 табл., 4 ил.

Фи8.1

3™а /ЮплаВшые/ слои

Фцг2

Фиг.З