|
|
Прокатні валки — основний інструмент, експлуатаційні характеристики якого, впливають на продуктивність прокатних станів та якість продукції. Витрата валків — складова частина собівартості прокатної продукції. Велике значення якості валків. Актуальність проблеми підвищення експлуатаційних характеристик валків й, в першу чергу, їх стійкості в умовах впровадження в прокатне виробництво станів безперервної та нескінченного катання постійно зростає.
Виходячи з умов роботи валків станів гарячого катання та вимог до них, в першу чергу можна виділити високу зносостійкість по довжині й глибині робочого шару при високих температурах та тисках; збільшення кутів захоплення металу, що катається; статичну міцність (стійкість проти ламання); сталість робочого діаметру; чистоту поверхні калібрів; точність обробки й деякі інші.
Валки чорнових клітей роблять зазвичай з кованої сталі. Передчистові та чистові (володіють високою зносостійкістю, для отримання високої точності прокату) - чавунні (леговані) валки.
Основні експлуатаційні властивості валків досягаються шляхом відповідного регулювання таких механічних властивостей валкового матеріалу, як твердість, пластичність, шорсткість, ударну в'язкість, тимчасовий опір та інше. Зараз для гарячого катання чорних та кольорових металів застосовують як чавунні, так і сталеві прокатні валки, причому на частку чавунних прокатних валків доводиться 65% всього виробленого обсягу валків в країні.
Таким чином, матеріал валків може виступати оптимізаційний фактором.
До числа ефективних заходів щодо підвищення зносостійкості, що є найбільш важливою експлуатаційною характеристикою якості валків, можна віднести підвищення їх поверхневої твердості та збільшення вмісту вуглецю і хрому в валкових сталях.
Однак встановлено, що підвищення твердості валків та збільшення вмісту вуглецю у сталі роблять негативний вплив на опір викрешування.
Хімічний склад матеріалу сталевих валків неоднозначно впливає на їх службові властивості. Так, з підвищенням вмісту вуглецю зростає зносостійкість валків. Наприклад, збільшення до 0,6 - 0,8% С підвищує зносостійкість металу внаслідок зменшення в його структурі менше зносостійкого фериту; подальше збільшення вмісту вуглецю у сталі викликає утворення надлишкових карбідів, які, крім підвищення зносостійкості валків, сприяють поліпшенню якості поверхні прокату. Марганець в кількості 0,5 - 0,9%, бувши хорошим розкислювачем, сприяє очищенню стали від неметалічних включень та надає їм сферичну форму. Одночасно він легувальний феррит, підвищуючи міцність сталі. Збільшення до 1,4 - 2,2% Мn сприятливо позначається і на термічній обробці валків внаслідок переохолодження стали в процесі нормалізації. Зміст від 0,25 до 0,60% Si сприяє закисленою сталі, а при збільшенні його змісту до 0,8 - 1,2% відбувається легування фериту, що підвищує міцність металу. Легувальні елементи (Ni, Сr, Mo та ін.) Сприяють модифікації, отримання дрібнозернистої та дисперсної структури, зміцнення структурних складових сталі та поліпшенню її термічної обробки.
Знос прокатних валків багато в чому залежить від їх структури та хімічного складу. При застосуванні сталевих валків найбільшим опором зносу володіють заевтектоїдні валки; вони стираються у 2 - 3 рази повільніше, ніж рівні їм по твердості евтектоїдні валки. Зносостійкість тим вище, чим дисперсією структура евтектоїдних валків і чим більша кількість надлишкових карбідів міститься в заевтектоідних валках.
Механізм руйнування робочої поверхні валків евтектоїдного та заевтектоідних хімічного складу різний.
Валки евтектоїдного класу мають високу пластичність та в'язкість. Знос їх, відрізняючись значною нерівномірністю, відбувається у вигляді зсуву найтонших шарів робочої поверхні калібрів. В результаті цього гладка поверхня валків порушується, на ній з'являється перемежовується ряд заглиблень і виступів, якої постійно збільшується в об'ємі.
Механізм зносу заевтектоідних валків, в структурі яких містяться надлишкові карбіди, полягає в рівномірному сколюванні найдрібніших частинок робочої поверхні в процесі катання. Такі валки під час прокатання зношуються більш рівномірно і зберігають досить гладку поверхню протягом усього періоду роботи валків.
Природа руйнування робочої поверхні чавунних валків дещо інша. Проведені спостереження показали, що при руйнуванні поверхні калібрів напівтвердих чавунних валків можна відзначити дві послідовні стадії: стадію точкового вироблення (після переточування валків), коли викришування піддаються тільки окремі мікроплощщі поверхні бочки валка, і стадію інтенсивного руйнування всієї робочої поверхні валка.
Точкове вироблення спочатку виникає в місцях виходу вільного графіту на поверхню валка і далі розвивається по всьому Перлітний полю, ослабленому включеннями графіту.
У міру збільшення кількості прокатаного металу число зруйнованих мікроплощадок безперервно зростає. Вони поширюються по робочій поверхні валка (друга стадія зносу) і охоплюють цілі ділянки, а потім і все робоче поле калібру; тим самим погіршується якість поверхні валків і готового прокату.
До числа факторів, що прискорюють механічний знос прокатних валків, слід віднести внутрішні перетворення в металі, наявність в кристалічній решітці слабких ділянок, різні дефекти та в деяких випадках стики кристалів. В процесі деформації ці слабини є зародками мікротріщин і мікрощілин, які з плином часу все більше збільшуються в обсязі. Раз розпочавшись, руйнування триватиме, якщо продовжують діяти зусилля деформації.
Різке підвищення стійкості прокатних валків може бути досягнуто шляхом збільшення твердості їх робочого шару. Чим більше твердість валків і вище їх стійкість, тим більша кількість металу можна прокатати за період між перевалками. Зносостійкість сталевих валків тим вище, чим менше в металевій основі структурно вільного фериту і більше надлишкових карбідів. Чим більше сумарна поверхня карбідних включень, чим дрібніше зерно і карбідні частинки, тим більше твердість валків і вище їх стійкість проти стирання.
Зносостійкість чавунних вибілених валків залежить від кількості неметалевих включень в робочому шарі валків з перлито-графитною та перлито-цементито-графитною структурою, від кількості й форми графітних включень, ступеня дисперсності металевої основи та кількості надлишкових карбідів.
Високі експлуатаційні якості притаманні валянням, в яких графітні включення кулястої форми. Висока зносостійкість таких валків пояснюється формою графіту, який в процесі роботи фарбували з мінімальним порушенням металевої основи. При цьому сама основа завдяки великій стійкості теж фарбували менше.
Зносостійкість чавуну з графітом кулястої форми більше, ніж стали з підвищеною поверхневою твердістю. При зміні пластинчастої форми графіту на кулясту стійкість прокатних валків з сірого чавуну підвищується на 30 - 40%, через те, що зменшується розпал і знос калібрів.
Високими службовими властивостями характеризуються валки, відлиті в профільовані форми. Твердість таких валків висока (380 - 440 НВ на бурти), вони відрізняються підвищеною зносостійкістю (у 2 - 3 рази більше звичайної) не тільки у поверхні бочки, але і в глибині врізу в валок.
Перспективно застосування валків з чавуну з низьким вмістом фосфору, виконаних з магнієвого, особливо низьколегованого чавуну.
Валки з низькофосфористого чавуну характеризуються вищими механічними властивостями (міцністю, подовженням, ударною в'язкістю, стійкістю) в порівнянні з валками зі звичайного чавуну. Вони на 30 - 50% міцніше звичайних, причому їх стійкість майже в 3 рази вище. Збільшення стійкості проти зносу, викришування та ламання досягається коштом зменшення фосфору, кількість якого дорівнює 0,06 - 0,10%. При пониженому вмісті фосфору в мікроструктурі валків майже відсутні Фосфіди (тендітні складові структури валкового чавуну), міститься велика кількість фериту в сірій зоні.
Відсутність в мікроструктурі валків тендітних складових, що утворюються в чавуні, що містить понад 0,10% фосфору, сприяє підвищенню міцності серцевини, збільшення в'язкості й зносостійкості вибіленого робочого шару.
Недоліком валків з низькофосфористого чавуну є знижена твердість вибіленої та сірої зони. Зниження фосфору (без спеціальних заходів) на 0,1% призводить до зменшення твердості робочої поверхні валків на 8 - 10 одиниць по Брінеллю.
Прогресивним засобом підвищення стійкості прокатних валків проти зносу та ламання є легування металу. Помічено, що в чавуні позитивний вплив легувальних елементів на знос часто перевершує їх вплив на механічні властивості. Легувальні елементи сприяють подрібненню зерна, змінюють форму графіту, структуру металевої основи, склад і будова карбідів, підвищують ефективність термічної обробки, повідомляють валянням підвищену міцність, твердість і стійкість. Підвищення твердості поверхні сприяє легування чавуну хромом, ванадієм, молібденом, нікелем і бором