Л.И. Боровик

Эксплуатация валков станов холодной прокатки Технология изготовления валков холодной прокатки.

А. Рабочие валки

Маршрутная технология производства валков холодной прокатки включает в себя следующие основные операции: [82, 83]

1. выплавку стали заданной маркировки и её назначение (по результатам плавочного контроля) для ковки валков;

2. разливку стали в изложницы;

3. раздевание слитков и передача их в горячем состоянии в кузнечно-прессовый цех;

4. нагрев слитков в кузнечных нагревательных печах и ковка заготовок для валков холодной прокатки;

5. отжиг поковок;

6. плавочный контроль поковок;

7. обдирку под улучшение, сверловку осевого канала (для валков с осевым отверстием);

8. улучшение (закалка в масле + высокий отпуск);

9. механическую обработку под закалку;

10. сборку под закалку (при объемной закалке);

11. закалку валков;

12. отпуск валков;

13. замер твердости и заключение (предварительное) о пригодности;

14. окончательную механическую обработку валков (шлифовку);

15. второй отпуск валков (старение);

16. окончательную шлифовку, замер твердости;

17. контроль дефектов (на магнитном и ультразвуковом дефектоскопах, травлением);

18. нанесение защитного покрытия и упаковку валков.

Стали, идущие на изготовление валков холодной прокатки, выплавляют в кислых мартеновских печах или дуплекс-процессом: расплавление в основной и доводка плавки в кислой печи; это уменьшает количество вредных примесей и газонасыщенность стали.

Такая технология выплавки уменьшает склонность к флокенообразованию, снимают ликвационные дефекты, и обеспечивает более высокие механические свойства стали. На ряде заводов валковую сталь выплавляют в основных электропечах. Существенно повышает чистоту и однородность металла обработка синтетическим шлаком, разливка под вакуумом и др.

Валковую сталь выплавляют с узкими пределами по основным элементам, определяющим химический состав стали данной марки, в качестве шихтовых материалов используют коксовые и древесноугольные группы, чистый скрап, лом и стальную стружку. Применяют чистые шлакообразующие материалы и ферросплавы.

Сталь разливают сверху в восьмигранные изложницы и получают слитки массой от 1,25 до 200 т (в зависимости от размеров поковок изделий).

В горячем состоянии слитки раздевают в трупперном отделении и транспортируют в кузнечно-прессовый цех. Для предупреждения образования трещин, температура их при загрузке в кузнечную печь должна быть не менее 650 ⁰С. Перед посадкой слитков нагревательную печь подогревают до 750-950 ⁰С. Для равномерного прогрева до температуры ковки (1150 ⁰С) слитки загружают в печь на подкладках. Температура начала ковки не должна превышать 1150 ⁰С, температура конца ковки не менее 800 ⁰С.

Крупные поковки для рабочих валков холодной прокатки отливают под прессами мощностью 15-30 Мн (1500-3000 Т). Прессы с усилием в 80-100 Мн (8000-10000 Т) применяют при ковке опорных валков массой более 15 Т. Из каждого слитка отковывают один валок; это устраняет чрезмерную вытяжку включений и ликвационных участков, уменьшает концентрацию напряжений, предупреждает появление трещин.

Валки небольших размеров получают из предварительно прокованных на прессе заготовок. Необходимую степень деформации металла достигают применением одной или двух осадок. Для устранения дендритной структуры, степень укова должна быть не менее трех.

Для повышения однородности структуры поковки подвергают рекристаллизационному отжигу. Температура посадки в печь не менее 650 ⁰С, температура при отжиге – 780-800⁰С, изотермическую выдержку при 600-620 ⁰С; во избежание появления флокенов поковки с температурной выдержкой охлаждают замедленно. НВ после отжига должна быть ≤ 240 НВ (d_ст=3,9 мм).

Плавильному контролю подвергают валки холодной прокатки, изготовленные из слитков не более 2000 кг.

При этом проверяют:

а) макроструктуру на отсутствие шлаковых включений, трещин, пузырей, флокенов, ликвидации серы (по ГОСТ 1778-57).

б) микроструктуру на отсутствие карбидной сетки и ликвидации (по ГОСТ 801-47). Результаты контроля отмечают в паспортах валков.

Механическая обработка валков состоит из обдирки бочек и шеек с припуском 10-15 мм и расточки осевого канала ø – 0,2 Д_В (Д_В – д. вала). Благодаря осевому отверстию возможно удаление некачественного металла с центральной части и предупреждение разрушения валков от внутренних напряжений при последующей закалке. Центральный канал может быть также использован для внутреннего охлаждения валков при эксплуатации. Однако прочность валков обеспечивается и при отсутствии осевого канала.

Валки улучшают с целью растворения карбидной сетки, измельчения карбидов и образования структуры зернистого перлита или сорбита. Твердеют бочки после улучшения – не более 255 НВ.

При улучшении валков закалку выполняют при температуре 870-890 ⁰С в масле (или через воду в масло). При этом охлаждают до температуры 500-400 ⁰С (180-250 ⁰С на поверхности бочки). Отпускают валки при температуре 700-720 ⁰С. В результате такой обработки получается структура зернистого перлита, необходимая для последующей поверхностной закалки и обеспечения прочности внутренних зон валков.

Для получения окончательных размеров и конфигурации, улучшенные валки подвергают механической обработке на токарных станках; на шлифовку оставляют припуск до 3 мм. На наружных и внутренних поверхностях валков перед закалкой должны отсутствовать зазоры, грубые риски и другие концентраторы напряжений.

На практике применяют объемную и поверхностную закалки валков холодной прокатки.

При объемной закалке до закаливаемой температуры нагревают все тело валка, при поверхностной – только поверхностный слой определенной глубины.

а. Объемная закалка

Объемной закалке можно подвергать валки всех размеров и сортов. Твердость шейки валков должна быть 30-50 Нsh, поэтому их перед нагревом под закалку изолируют металлическими кожухами, в которые заливают бетон особого состава: портландцемент марки 400 (10 %), шамотный порошок (90 %) и жидкое стекло, плотностью 1,28 г/см³ для затравки смеси. Для валков ø больше 200 мм без осевого канала применяют бетон, содержащий 7 % портландцемента и 93 % шамотного порошка. Изоляционный слой шеек должен обладать низкой теплопроводностью, не разрушаться при закалке и легко удаляться с поверхности валков.

Иногда закалку валков ведут в специальных приспособлениях без кожухов (рис. 38).

Для валков с осевым каналом применяют внутреннее охлаждение при закалке. В отверстие канала со стороны нижней и верхней шеек вставляют изоляционные трубки для подачи воды. Для предотвращения обезжиривания поверхности перед посадкой в печь валки смазывают смесью графита с водой и маслом.

Валки сначала подогревают до температуры 650 ⁰С, затем переносят в закалочную печь с температурой 930-960 ⁰С, где прогревают до температуры закаливания только наружный слой толщиной 50-100 мм. Затем температуру печи быстро снижают до 840-850 ⁰С. Такой нагрев уменьшает остаточные напряжения при закалке, улучшает структуру металла, обеспечивает равномерную твердость по бочке и снижает продолжительность нагрева под закалку приблизительно в 2 раза. Валки небольших размеров, опорные валки и бандажи допускается нагревать до температуры закалки в одной печи.

Для получения высокой твердости при закалке валки охлаждают водой в специальном струйчатом устройстве (струи воды направлены по касательной к бочке валка) или в закалочной бочке. В приспособлении (рис. 40) холодную воду подают под давлением 0,15 Мн/м² (1,5 атм). Внутреннее охлаждение прерывистое, его продолжительность составляет 1/3 от длительности наружного охлаждения. Время пребывания валка в воде, исходя из его конструкции, температуры воды и ø внутреннего канала, определяют по эмпирическим формулам [82,83].

Для рабочих валков с твердостью бочки ≥ 90 HSh, температура поверхности бочки после закалки должна быть 50-90 ⁰С для валков с HSh 70-85 – 70-100 ⁰С. После снятия кожухов и удаления изоляции, валок для уменьшения закалочных напряжений сразу же переносят в отпускную ванну.

б. Поверхностная закалка

Ввиду трудоемкости процесса объемной закалки в наше время широко применяют поверхностный нагрев валков, который обеспечивает значительную экономию времени, удешевляет термическую обработку. Поверхностный нагрев валков осуществляют на индукционных установках или газовым пламенем (горелками).

На заводах СССР широкое распространение получили конструкция установки и метод (разработанные ЦНИИТМАШЕМ) поверхности закалки валков холодной прокатки с нагревом ТПЧ. Принципиальная схема установки – рис. 41.

Нагреваемый валок в вертикальном положении помещают внутри многовиткового кольцевого индуктора и вращают (от электродвигателя) со скоростью – 20-40 об/мин. В начальный момент при неподвижном индукторе нагревают нижнюю часть бочки валка; затем индуктор с определенной скоростью двигается вверх, осуществляется последовательный нагрев бочки. При подаче на валок охлаждающей воды происходит последовательная закалка нагретых до закаливаемой температуры участков бочки. При подаче на валок охлаждающей воды происходит последовательная закалка нагретых до температуры закалки участков бочки. Разбрызгиватель расположенный непосредственно под индуктором перемещается вместе с ним.

Для создания плавного переходного слоя осуществляется предварительный подогрев валков до 600-650 ⁰С. Его выполняют за один или несколько (3-4) проходов индуктора вдоль бочки. Скорость двигателя индуктора при подогреве (в зависимости от ø бочки) колеблется в пределах 1,5-3 мм/сек, при закалке 0,5-1,5 мм/сек. Температура нагрева под закалку в зависимости от марки стали составляет:

Марка стали 9Х, 9Х2, 9Х2В 9ХСФ, 9Х2МФ

Температура, Сº 880-900 900-920

Валки в установке охлаждают до тех пор, пока температура на поверхности бочки не снизится до 100 ⁰С. Для уменьшения остатков напряжения закаленные валки отпускают. Отпуск осуществляют в масляной ванне при температуре 130-140 ⁰С после объемной закалки и 160-180 ⁰С после закалки ТПЧ. Длительность отпуска 120 ч. Температура валков посадкой в ванну не менее 60 ⁰С. После отпуска валки до 70 ⁰С охлаждают в ванне, а затем на спокойном воздухе; валки небольших размеров, как правило, охлаждают до температуры отпуска на спокойном воздухе. Разрыв во времени между закалкой и отпуском не должен превышать 1-3 часа.

После отпуска валки подвергают окончательной механической обработке и контролю. Валки с ø бочки более 200 мм отпускают второй раз (остаривают). Старение производят при температуре 120-130 ⁰С (для валков с объемной закалкой) и 140-150 ⁰С (для валков с закалкой ТПЧ). Длительность старения 60 часов. Валки, отпущенные при температуре 240 ⁰С и выше (опорные валки с HSh больше 85, рабочие валки класса Б), вторично не отпускают.

На НКМ3 [84] рабочие валки после закалки ТПЧ отпускают при температуре 240 ⁰С. При такой температуре происходит более полная стабилизация структурных составляющих, и остаточные напряжения снимаются за более короткий период (5-8 ч.).

Новый режим благоприятно сказывается на стойкости валков, если твердость по классу Б является удовлетворительной и исключает операцию старения, общее время отпуска сокращают в 15-20 раз.

Б. Опорные валки

В отечественной практике для непрерывных станов холодной прокатки наибольшее распространение получили цельнокованые опорные валки; применяют также и составные (бандажированные).

В зарубежной практике часто применяют литые опорные валки больших размеров. Установка литых опорных валков на подшипниках жидкостного трения обеспечивает достаточную прочность шеек; соответствует термической обработке удается достигнуть необходимой HSh=45-55.

Технология изготовления опорных валков на отдельных этапах несколько отличается от технологии изготовления рабочих валков. Это связано с их размерами и специфическими условиями службы. Масса опорных валков для станов кварто в 10-15 раз больше рабочих, а отношение ø в среднем равно 3.

С увеличением размеров валков процесс их изготовления увеличивается на всех переделах. Термическая обработка опорных валков определяется требованиями, предъявленными к твердости, структуре, материалом и размерами валков и возможностями оборудования, установленного в термических цехах на заводе-изготовителе.

Опорные валки с ø бочки до 700 мм после предварительной термической обработки (отжига после ковки и улучшения) подвергают закалке (объемной или поверхностной) и отпуску. Температура отпуска зависит от требуемой твердости бочки и колеблется в пределах 310-460 ⁰С.

Для опорных валков больших размеров (d ≥ 700 мм) вместо закалки применяют нормализацию с отпуском или закалку в масле с отпуском; в результате на поверхности бочки получают сорбит с твердостью 45-65 HSh. Средняя зона валков характеризуется перлитной структурой.

При изготовлении бандажированных опорных валков любых размеров оси изготавливают из легированной Ni вязкой стали, а бандажи – из стали марок 9ХФ, 9Х.

После закалки и отпуска бандажи в специальных вертикальных печах (электровоздушных ванных), насаживают на оси. Посадку производят при температуре 200-250 ⁰С. Бандажи удерживаются на оси за счет напряжения посадки и бандажного замка.

На современной установке ТПЧ 700-1500 м осуществить пов. электро закалку опорных валков от 700 до 1500 мм и получать на поверхности бочки твердость до 70-80 HSh.

Из применяемых методов термической обработки валков холодной прокатки этот метод наиболее прогрессивен, обеспечивает максимальную производительность и небольшие затраты на термическую обработку.

В отдельных случаях валки холодной прокатки подвергают газопламенной закалке в кольцевых горелках. Однако при этом методе трудно обеспечивать равномерную твердость на бочке валка и повторяемость результатов закалки.

Таблица 15 - Стойкость рабочих валков различных заводов-поставщиков при эксплуатации на 5-кистевом и реверсивном станом 400/1300Х1200 (НЛМЗ)

Год поставки	Завод-поставщик	Характеристика валков		Средняя стойкость
		Марка стали	Тип закалки и технологические особенности	Перешлифовка на валок	Тонн на валок
1963	УЗТМ	9Х2В 9Х2СВФ	ТПЧ ТПЧ, опытной марки	12,6 12,2	3270 2012
	ЭЗТМ	9Х2 9Х2МФ	ТПЧ ТПЧ	12,4 10,1	2616 2380
	НКМЗ	90ХМФ	ТПЧ ТПЧ, отпуск 240 0С	10,2 12,3	2340 3546
	Ижорский машиностроительный завод	90Х2МФ	ТПЧ	8,6	2548
	Юргинский машиностроительный завод	9Х2	ТПЧ ТПЧ, без осевого отверстия, объемная	14,7 13,2 23,4	3174 3451 5043
1964	УЗТМ	9Х2В 9Х2ВФ 9Х2СВФ	ТПЧ ТПЧ ТПЧ	12,0 13,5 10,0	2117 2344 3699
	ЭЗТМ	9Х2МФ	ТПЧ	10,7	2200
	НКМЗ	90ХМФ	ТПЧ	15,9	4609
	Ижорский машиностроительный завод	90Х2МФ	ТПЧ	9,7	2179
	Юргинский машиностроительный завод	9Х2	ТПЧ объемный	13,1 8,4	2066 2106
1965	УЗТМ	9Х2В 9Х2В 9Х2СВФ	ТПЧ ТПЧ ТПЧ	16,7 16,3 20,0	4380 5016 6845
	ЭЗТМ	9Х2МФ 9Х2СВФ	ТПЧ ТПЧ	13,4 14,4	3750 3490
	НКМЗ	90ХМФ	ТПЧ	16,5	2693