книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

380

ГЛАВА IX

ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ РЕЗКИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ МЕТАЛЛА

1.НОЖИ ГОРЯЧЕЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛА

Работа ножей горячей резки металла протекает в сложных на­ пряженных и температурных условиях. Ножи испытывают динами­ ческие нагрузки от ударов разрезаемого металла; при этом в про­ цессе реза отмечается интенсивный износ и пластическая деформа­ ция режущей кромки. Кроме этого, рабочая поверхность ножей подвергается многократным нагревам под влиянием высокой тем­

способствуют разогреву режущей кромки ножей до высоких темпе­ ратур; последующее интенсивное охлаждение водой зачастую вы­ зывает фазовые превращения в поверхностном слое, распростра­ няющиеся на глубину до 3—4 мм.

Стали, применяемые для изготовления ножей горячей резки ме­ талла, должны удовлетворять следующим требованиям:

а) иметь высокие прочность и вязкость, сохраняющиеся при ра­ зогреве; ножи не должны изменять своей формы и разрушаться под действием больших удельных давлений и ударных нагрузок;

б) иметь удовлетворительную теплопроводность, чтобы обеспе­ чить быстрый отвод тепла, притекающего на поверхность ножа, я не допускать чрезмерного разогрева рабочей поверхности;

в) иметь высокое сопротивление термической усталости, вызы­ ваемой многократными нагревами и охлаждениями рабочей поверх­ ности ножа.

Для изготовления ножей горячей резки блюмсов металлурги­ ческие заводы применяют разнообразные материалы и методы уп­ рочнения [218—222]. Между тем достаточный срок их службы обес­ печивается не всегда.

Так, на заводах им. Петровского, им. Кирова, Коммунарском и ММК ножи изготовляют из стали 45; их режущие кромки подвер­ гают механизированной наплавке под слоем флюса. Для предотвра­ щения образования трещин ножи перед наплавкой подогревают до

382

плавки: сила тока 400—450 а, напряжение дуги 32—34 в, скорость перемещения наплавляемой поверхности 22 м/ч, скорость подачи

став наплавленного металла следующий: 0,29%С; 0,89%Мп; 0,92%Si; 2,5%Cr; 9,33%W; 0,33%V. Срок службы ножей достигает 12—15 суток.

На заводах «Азовсталь» и Енакиевском наплавку режущих кро­ мок ножей осуществляют сварочной проволокой марок Св08 или Св08А под слоем легирующего керамического флюса. Применение такой наплавки также обеспечивает значительное повышение стой­ кости ножей. На отдельных заводах еще применяют ручную эле­ ктродуговую наплавку режущих кромок ножей сормайтом № 1. Однако этот вид наплавки применительно к ножам не дает поло­ жительных результатов.

На заводе им. Дзержинского ножи для горячей резки блюмсов изготовляли из стали 6ХВ2С. Эта сталь характеризуется высокими показателями прочности и вязкости, сохраняющимися при разогре­

ток. Ножи выходили из строя преимущественно в результате обра­ зования трещин разгара на рабочей поверхности.

После образования трещин меняются условия теплообмена между ножом и окружающей средой (водой, воздухом, разрезае­ мым металлом). Количество тепла, аккумулируемое ножом, воз­ растает; увеличивается количество и размер трещин. В результате отдельные участки рабочей поверхности ножей выкрашиваются. Трещины разгара способствуют также усилению интенсивности из­ носа и смятию режущей кромки. В качестве примера на рис. 9.1 приведены участки рабочей поверхности ножа горячей резки блюм­ сов после 10-суточной работы.

Для решения вопроса о выборе материала и метода упрочне­ ния ножей горячей резки необходимо установить характер и ве­ личину температурных изменений «а поверхности и по сечению но­

ных изменений служил верхний нож. Выбор верхнего ножа обус­ ловливался необходимостью изучить температуру в более жестких

383

дисков через отверстия в теле ножа, тщательно изолировали асбе­ стовой нитью с жидким стеклом. Это исключало попадание воды и замыкание термопары с телом ножа. После выхода из отверстия іпровода укладывали на дно паза и выводили за пределы ножа. Вывод проводов облегчался специально сделанной в торце ножа ступенькой сечением 50X50 мм.

Подготовленный таким образом нож устанавливали на ножни­ цах, прижимая плоскостью А к верхнему суппорту. Провода, иду-

ли в период порезки раскатов из стали марок Ст Зкп и 45 трубной. Сечение раската составляло: 270X300; 270X630 и 295X470 мм. Температуру раската у ножниц измеряли оптическим пирометром.

повышение температуры. Повышение температуры носит цикличе­ ский характер: при опускании ножа на раскат и в процессе реза температура поверхности интенсивно растет, в последующем, при перемещении раската, температура ножа под влиянием охлаждаю­ щей воды резко снижается. Время нагрева ножа меньше времени

охлаждения, однако с каждым новым резом температура поверх­ ностных слоев увеличивается. Особенно большое количество тепла накапливается в период порезки двух раскатов, прокатанных сов­ местно; в этот период время между резами невелико и во всех слу­ чаях не превышает 10—15 сек. Температура поверхности здесь в отдельные моменты достигает критического интервала. При пере-

а)

ходе на порезку новой пары раскатов интервал между резами со­ ставляет 40—60 сек, температура поверхности ножа при этом сни­ жается до 60—100° С; при последующих резах раскатов в связи с малыми интервалами между резами температура вновь циклически растет.

На глубине 6,0 мм отмечается более плавное повышение темпе­ ратуры. Цикличность, связанная с периодами реза и перемещения раската, здесь невелика, колебания температуры не превышают 100° С. Максимальная температура, достигающая 400—500° С, на­ блюдается лишь в отдельные периоды порезки раскатов. На боль-

386

шей глубине (10 и 16 мм) колебания температуры невелики. Рост ее носит закономерный характер, зависящий от соотношения перио­

жа . В периоды реза она достигает значительной величины (400° С и более). В период перемещения раскатов в результате интенсив­ ного охлаждения поверхности ножа разность температур резко сни­ жается. В отдельные моменты она практически исчезает. В период перемещения сдвоенных раскатов в результате интенсивного охлаж­ дения поверхности разность температур становится отрицательной. Лишь в последующем в процессе реза раската разность темпера­ тур между поверхностью и глубинными точками ножа вновь дости­ гает значительной величины.

Данные рис. 9.3, а справедливы при порезке мягкой стали. Уве­ личение содержания углерода, а следовательно, и прочности стали меняет количественную картину процесса. Возрастают усилия ре­ зания, меняются условия теплопроводности. Температура поверх­ ностных слоев ножа несколько увеличивается. Однако качествен­ но динамика распределения температур по сечению ножа остается без изменений. По-прежнему отмечается цикличность з изменении температуры, зависящая от соотношения периодов порезки и пере­ мещения раската. Температура различных участков поверхности ножа приобретает то высокое, то низкое значение.

На динамику изменения температуры влияет также количество одновременно катаемых слитков. При прокатке одного слитка ко­ личество интервалов, в течение которых происходит охлаждение ножа до низких температур, увеличивается; это изменяет кривые распределения температур в различные периоды времени и, как следствие, иначе влияет на напряженное состояние ножа.

Представляет интерес динамика распределения температур по сечению ножа при отсутствии интенсивного охлаждения режущей кромки. С этой целью при проведении эксперимента на определен­ ный период времени отключили подачу охлаждающей воды. Дина­ мика изменения температуры различных участков ножа при отсут­ ствии охлаждающей воды представлена на рис. 9.3, б.

Из анализа кривых следует, что и в этом случае отмечается по­ вышение температуры поверхности и глубинных слоев ножа. Здесь повышение температуры также носит циклический характер. Тем­ пературные пики имеют место в период реза, при перемещении раската температура снижается. При отсутствии охлаждающей во­ ды температура всех участков ножа увеличивается более интенсив­ но, а во многих случаях температура поверхности превосходит кри­ тический интервал. В отличие от ножа, интенсивно охлаждаемого водой, температура на глубине .16 мм здесь достигает 400° С и со­ храняется без существенных изменений длительное время. Абсо­ лютная величина температуры поверхности в течение всего периода порезки и перемещения раскатов не ниже 400° С. Благодаря этому разность температур резко уменьшается и уже после нескольких

первых резов ее величина не выходит за пределы 300° С. В резуль­ тате напряжения от разности температур также уменьшаются.

Таким образом, анализ кривых, приведенных на рис. 9.3, пока­ зывает, что при использовании охлаждающей воды в отдельных случаях происходит закалка поверхностного слоя ножа. При этом мы сталкиваемся с а - > у и> ч т о особенно опасно, у ~ ^ а " п Р е в Р а Щ е " ниями. Многократное мартенситное превращение, -протекающее в поверхностном слое, вызывает значительные фазовые напряжения, которые, суммируясь с термическими и эксплуатационными (от действующих нагрузок), превышают предел упругой деформации отдельных микрообъемов поверхности; следствием является обра­ зование микро-, а затем и макротрещин на рабочей поверхности ножа; помимо этого, возникающие напряжения способствуют до­ полнительному интенсивному износу и выкрашиванию режущей кромки.

При отсутствии охлаждающей воды температура разогрева но­ жа выше, однако скорость охлаждения невелика, поэтому мартен­ ситное превращение в большинстве случаев не протекает. Трещины разгара в этом случае появляются в меньшей степени и в основном под действием термических напряжений; однако малая прочность материала ножа при высоких температурах приводит к смятию ре­ жущей кромки. Поэтому работа ножей без охлаждения недопу­ стима.

Параллельно с осциллографической записью динамики темпе­ ратурных изменений максимальные температуры разогрева раз­ личных участков ножа определялись металлографическим спосо­ бом. Результаты металлографического исследования и предпола­ гаемые температуры нагрева по сечению ножа сведены в табл. 9.1.

Т а б л и ц а 9.1

Результаты измерения твердости и анализа микроструктуры закаленных образцов из стали марки У8А, запрессованных в нож горячей резки блюмсов

388

Из сопоставления рис. 9.3 и табл. 9.1 следует, что результаты ис­ следования распределения температур по сечению ножей горячей резки блюмсов, полученные различными методами, согласуются удовлетворительно.

Экспериментальные данные проверяли аналитически с исполь­ зованием уравнений математической физики [224]. При этом приня­ ли ряд допущений. Так, нож горячей резки блюмсов представляет собой длинную пласти­

35 w ну прямоугольного се­ чения с рядом крепеж­ ных отверстий. В рас­ чете поперечное сече-

отмечаются многократные нарушения графика работы ножниц (из­ менения времени порезки и интервалов между резами). При поста­ новке задачи эти нарушения также не учитывали.

Результаты аналитического исследования сопоставлены с экспе­ риментальными данными на рис. 9.4. Видно, что опытные данные в основном удовлетворительно согласуются с расчетными.

Выше уже указывалось, что долговечность ножей горячей рез­ ки определяется совокупностью большого числа факторов и в пер­ вую очередь термостойкостью, износостойкостью в широком интер-

389