Анализ опыта разработки эффективности использования твердосплавных прокатных валков дискового типа

1

Так, прокатные  валки являются ответственной сменной  быстроизнашивающейся деталью прокатных  станов. От стойкости валков напрямую зависят технико-экономические показатели работы прокатных станов, стоимость  и качество проката.

Валки могут изготавливаться коваными из стали либо литыми из чугуна. Стальные прокатные валки в процессе изготовления должны подвергаться термической обработке для получения более приемлемых эксплуатационных характеристик, что делает их производство более дорогим. Предлагается более экономичная технология изготовления литых чугунных валков.

Чугунные  валки термической обработке  не подвергают, поэтому заданные прочностные  параметры получают литьем. Структура  литого валка - биметаллическая: твердый  рабочий слой - из отбеленного чугуна, вязкая сердцевина - из серого или высокопрочного чугуна. Для литья используют нелегированный чугун следующего химического состава (мас. %): углерод 2,7...2,8, кремний 0,3...0,8, марганец 0,3.. .0,8, фосфор не более 0,5, сера не более 0,1. Также применяют низколегированные (<1,3 %ni,=""><1,2 %="" сг,=""><1,5 %="" мп),="" средне-="" и="" высоколегированные="" (2...4,5%ni,="" 0,5...1,5%сг)="">

Углерод в составе чугуна увеличивает  количество ледебурита в его структуре, тем самым повышая способность  чугуна к истиранию. Кремний в чугуне предназначен для компенсации влияния окисленности отдельных составляющих расплава и неметаллических центров графитизации. Марганец позволяет произвести обессеривание и раскисление чугуна. Присадка в ковш 0,01... 0,05 % серы за 3...10 мин до заливки приводит к заметному увеличению переходной зоны в валках. Фосфор повышает износостойкость рабочего слоя валков вследствие образования фосфидной эвтектики. Легирующие элементы позволяют изменять металлическую матрицу, тем самым улучшая те или иные рабочие свойства валков. Кроме того, они также могут влиять на графитизацию валков.

Изготавливать валки можно 3-мя способами: обычным, методом «полупромывки» и методом  «промывки». Первый заключается в  заливке серым чугуном формы  для отливки валков, состоящей из трех частей: верхняя и нижняя трефы расположены в песчано-глинистых полуформах, средняя рабочая часть формируется в кокиле. Второй состоит в модифицировании при заливке внутреннего слоя валка для получения серого чугуна. Третий метод включает заливку внутренней части валка серым нелегированным чугуном.

Повышение износостойкости прокатных валков позволяет увеличить время работы прокатных станов, тем самым улучшая  показатели производства и снижая стоимость  выпускаемой продукции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2

Прокатные валки – основной технологический инструмент в прокатном переделе металлургических заводов, выполняющий основную операцию прокатки, а именно деформацию металла для придания ему требуемых размеров, формы и свойств. От надежности прокатных валков, износостойкости рабочей поверхности, межремонтного срока службы в основном зависят технико-экономические показатели работы прокатных цехов и в первую очередь производительность прокатных станов, качество готового проката и затраты на его производство.

Рабочие валки изготавливаются из особо высококачественных легированных марок сталей со сквозной прокаливаемостью, твердостью 58÷62 HRC. Твердость бочки рабочих валков обычно находится в пределах 90-102 HSD.

ЗАО «РЗ СИТО»  производит калиброванные валки  любой сложности и конфигурации.

При сортовой прокатке калибровка валков включает определение  формы и размеров калибров, расчеты  режима обжатий по проходам, определение  переходных сечений от заготовки  до конечного профиля, расположение калибров на валках.

Так же мы комплектуем многовалковые рабочие клети трубопрокатных и листопрокатных станов с любым количеством прокатных валков, рабочих валков и опорных. Изготавливаем прокатные валки для импортного оборудования.

3

Анализ  опыта разработки, эксплуатации и повышения  эффективности использования  твердосплавных прокатных  валков дискового  типа

 
Проанализирован опыт совместной работы НПО "Доникс" и ОАО КГМК "Криворожсталь" по освоению производства твердосплавных прокатных  валков дискового типа, научно-технического сопровождения их эксплуатации, отыскания путей повышения эффективности использования валков. Показано, что их эксплуатационная стойкость определяется как технологическими факторами производства, так и рациональным выбором структурных характеристик и состава валков в зависимости от конкретных условий эксплуатации. Использование дифференцированных норм перешлифовки валков при перевалках, уменьшение разброса характеристик материала валков за счет стабилизации параметров процесса их изготовления позволяют снизить удельный расход валков на 1 т проката, а научно обоснованная система классификации дефектов и определения причин их возникновения позволяет оперативно выявлять и устранять отклонения как в технологии производства, так и в режиме эксплуатации валков. Выбранные оптимальные составы валковых материалов и технологии изготовления валков обеспечивают их эксплуатационную стойкость на уровне лучших зарубежных аналогов.  
 
 
Современные непрерывные мелкосортные прокатные станы имеют блочную конструкцию промежуточной и чистовой группы клетей, оснащенных валками дискового типа, изготавливаемыми из твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Их применение позволяет увеличить скорость прокатки до 80 - 120 м/с, обеспечить повышение точности прокатываемого профиля, увеличить производительность оборудования. Однако, твердосплавные валки резко отличаются от ранее использовавшихся в прокатном производстве по техническим характеристикам, особенностям использования и технологии изготовления. До 1997 г. потребность предприятий Украины в таких валках полностью удовлетворялась за счет импорта. В связи с вводом в эксплуатацию двух современных прокатных станов, использующих твердосплавные валки, возникла задача организации производства в стране твердосплавных прокатных валков дискового типа, с тем, чтобы сократить закупки изделий за рубежом, а в перспективе полностью отказаться от импорта и прейти к экспорту подобных изделий. Впервые в Украине эта задача была решена НПО "Доникс" в сотрудничестве с комбинатом "Криворожсталь". Отдельные аспекты решаемых задач рассмотрены в работах [1-4]. Целью данной работы явился анализ новых данных и обобщение ранее полученных результатов.  
 
Освоение производства в Украине твердосплавных изделий такого типа осложнялось отсутствием систематических данных о поведении твердых сплавов в сложных условиях нагружения, сочетающего циклические механические и термические нагрузки, абразивный износ, коррозионное воздействие среды и адгезию обрабатываемого материала. Оптимальные составы, структуры и способы их получения составляли "know-how" зарубежных фирм-производителей. В Украине отсутствует собственная сырьевая база для производства твердых сплавов. Поэтому при организации производства необходимо было решить следующие задачи:

• выбор оптимальных структурных характеристик твердых сплавов и их химического состава в зависимости от условий эксплуатации;
• разработка эффективной технологии производства крупногабаритных твердосплавных изделий с низкой пористостью и повышенными механическими характеристиками;
• обеспечение сырьевыми материалами;
• разработка системы контроля качества изделий в процессе производства.

Для оптимизации состава и структуры  изделия необходимо определить количественные параметры оптимизации. Технические  требования к твердым сплавам обычно регламентируют твердость и временное сопротивление изгибу, причем твердость во многом определяется содержанием связки. Твердость возрастает с уменьшением ее содержания. Изменение гранулометрического состава карбидной фазы приводит к изменению значений твердости на 1-2 единицы HRA при среднем значении твердости для сплава с содержанием связки на уровне 15%, составляющем 85 HRA. Статистический анализ взаимосвязи значений твердости и стойкости валков не выявил значимой корреляции между этими двумя параметрами. Поэтому значение твердости следует рассматривать как пороговый фактор, для которого выход за допустимые значения предела изменения является признаком отклонения от технологии изготовления.  
 
Временное сопротивление изгибу б_изг является более чувствительной характеристикой и может меняться в достаточно широких пределах (+/- 10-15% от номинального значения). Ведущие производители валков уделяют этому параметру большое значение и используют технологии, обеспечивающие получение прочностных характеристик на 35 - 45% выше, чем при обычном спекании твердых сплавов. Наиболее распространенным процессом является горячее изостатическое прессование (ГИП), обеспечивающее получение практически безпористых изделий. Однако анализ результатов эксплуатации экспериментальных валков с различным уровнем временного сопротивления изгибу при условии, что это значение не менее определенного уровня (например, для сплава с 15% связки - не менее 2400 Н/мм2) показал, что корреляция между прочностными характеристиками и эксплуатационной стойкостью отсутствует. Более того, с возрастанием значений б_изг выше 3000 Н/мм2 повышается вероятность разрушения валка вследствие ускоренного формирования магистральных трещин при появлении сетки разгара.  
 
Выполненный комплекс исследований особенностей износа и разрушения валков, эксплуатирующихся в условиях комбината "Криворожсталь" [4], показал, что решающее значение для повышения стойкости имеет формирование структуры металла валка с оптимальным размером карбидной фазы, равномерным распределением связки, отсутствием конгломератов карбидных частиц, отсутствием выделений n-фазы и пористостью не более 0,1%(об.). Формирование такой структуры приводит к повышению прочностных характеристик, поэтому высокие прочностные характеристики являются индикатором соблюдения технологии производства валка. Однако появление в структуре 1-3% (об.) n-фазы практически не приводит к изменению твердости и б_изг, в то время как величина слоя, удаляемого при перешлифовке, возрастает на 20-25% вследствие увеличения глубины распространения сетки разгара. Поэтому для обеспечения повышения стойкости валков специалистами НПО "Доникс" были разработаны требования к структуре валковых материалов и разработаны методики их определения и контроля.  
 
На основании проведенных исследований были разработаны технологии производства твердосплавных валков - горячее вакуумное прессование, вакуумное спекание, активированное внешним давлением, спекание смесей с регламентированным гранулометрическим составом [3], обеспечивающие получение требуемых структур с заданным уровнем механических характеристик. Технологически эти процессы проще, чем ГИП и позволяют получить меньшую себестоимость изделий.  
 
Важной проблемой является также рациональный выбор характеристик материала в зависимости от условий эксплуатации. Линейная скорость прокатки в клетях, оснащенных твердосплавными валками, меняется в широких пределах. Соответственно меняется соотношение факторов, определяющих износ валка. Для стана 150 ОАО КГМК в чистовых клетях основным механизмом повреждения поверхности калибра является износ по механизму микровыкрашивания карбидных частиц, в то время как на поверхности калибров валков мини-блока формируется сетка разгара с глубиной проникновения в пределах 0,25 - 1 мм. Известно, что увеличение содержания связки позволяет повысить устойчивость к формированию сетки разгара, но облегчает выкрашивание карбидных частиц. Поэтому для валков каждой клети существует определенное оптимальное содержание связки. Однако по организационным причинам валки одного типоразмера должны иметь одинаковый состав. Поэтому НПО "Доникс" в сотрудничестве с ОАО КГМК были выполнены исследования по оптимизации содержания связки в валках каждого типоразмера с целью минимизации удельного расхода валков по комплекту в целом. Установлено, что оптимальные содержания не соответствуют стандартным составам твердых сплавов и должны поддерживаться в более узких пределах, чем это допускается для твердосплавных изделий других применений. Для производства валков из смесей требуемого состава в НПО "Доникс" созданы собственные производственные мощности по изготовлению смесей с требуемым составом и гранулометрическими характеристиками из первичных компонентов: карбида вольфрама и металлических порошков, формирующих связку, и разработана технология получения смеси с содержанием связки, изменяющимся в узких пределах.  
 
Для производства собственных смесей требуется определение источников приобретения сырьевых материалов. В связи с этим был выполнен цикл исследований по использованию вторичных твердосплавных смесей для производства валков. Проблема утилизации отработанных крупногабаритных валков и лома разрушившихся валков является чрезвычайно актуальной. Карбидная фаза вторичных смесей в процессе спекания проходит повторную перекристаллизацию, что улучшает форму частиц, их гранулометрическую однородность, равномерность их распределения в связке. Однако все используемые в Украине в настоящее время технологии переработки твердых сплавов (кроме технологий перевода в оксидную фазу и повторного синтеза) приводят к повышенному окислению получаемого порошка или его загрязнению примесями. Учитывая высокие требования к материалам для валков, наличие окислов и примесей не позволяет при существующем уровне технологии получить изделия с требуемыми параметрами. Повторный синтез, очистка и рафинирование повышают себестоимость вторичных смесей и делают изделия из них неконкурентоспособными. Поэтому в настоящее время валки НПО "Доникс" производят только из первичных компонентов, а вторичные смеси из отходов валков могут быть использованы для производства менее ответственных изделий.  
 
Следует учитывать, что блоки современных проволочных прокатных станов, оснащенные валками дискового типа, имеют групповой привод клетей, поэтому перешлифовке на следующий размер подвергается весь комплект валков, то есть стойкость комплекта определяется показателями валков с максимальным износом. В случае разрушения валка, новое изделие, заменяющее его должно быть перешлифовано на диаметр, соответствующий текущему диаметру комплекта, что может быть связано со значительными непроизводительными потерями материала валка. Поэтому для обеспечения эффективного использования парка валков и снижения их удельного расхода следует добиваться не только повышения средних значений характеристик валков, но и минимального их разброса в различных партиях, а также исключения дефектов материала, ведущих к катастрофическому разрушению.  
 
Наблюдения в течение длительного времени показали, что в реальных условиях эксплуатации по разным причинам разрушается 2-7% валков, первоначально входивших в комплект. При этом более 70% случаев поломок связано с нарушениями в работе оборудования и систем охлаждения, остальные случаи связаны с пониженными характеристиками материала отдельных валков, приводящими к ускоренному росту усталостных трещин. В свою очередь, своевременная диагностика причин разрушения или ускоренного износа позволяет оперативно устранять причины их возникновения. Поэтому специалистами НПО "Доникс" и ОАО КГМК был проведен цикл исследований по изучению причин ускоренного износа и разрушения валков и разработана система классификации дефектов, облегчающая определение причин.  
 
Важным элементом системы управления качеством изделий является внедрение в производственную практику НПО "Доникс" процедур статистического контроля качества продукции (СКК) и статистического контроля производства (СКП). Постоянный мониторинг большого числа количественных параметров производственного процесса и характеристик изделий позволяет определять тенденции изменения и дрейфа параметров и осуществлять корректирующие воздействия до возникновения значительных отклонений, ведущих к выходу за допустимые пределы. В результате внедрения системы контроля качества удается поддерживать характеристики валков в узких пределах (табл. 1).

Таблица 1. Характеристики твердосплавных валков из смеси ТС-15

Отработка технологии привела к повышению  фактической стойкости валков. Исследования показали, что при первоначально  установленном нормативе уменьшения диаметра валков чистовых клетей на 0,65 мм при прокатке 900 т проката, фактический средний съем на 20-25% ниже. Из полученных в результате исследований данных следует, что повышение эффективности использования дисковых валков возможно за счет технически обоснованного уменьшения нормативов съема при переточке на основании статистического анализа показателей работы валков в условиях конкретного стана. Другим вариантом может быть увеличение нормативов наработки при сохранении прежних нормативов съема при переточке. Потенциально это более эффективный путь, так как увеличение массы прокатываемого металла за одну установку позволяет сократить время простоев стана для перевалки и тем самым увеличить производительность стана.  
 
Еще одним организационным ресурсом является применение дифференцированных норм съема материала при перешлифовках валков. Организация производства изделий с оптимизированными параметрами и стабильными значениями свойств позволили отказаться от жестко установленных норм съема материала и перейти к съему по фактическому износу, что позволяет более полно использовать ресурс изделий. Фактические показатели по результатам эксплуатации твердосплавных валков производства НПО "Доникс" в 2003 г. представлены в табл. 2.

Таблица 2. Показатели стойкости  твердосплавных валков производства НПО "Доникс" при эксплуатации на проволочном стане ОАО КГМК "Криворожсталь"

Таким образом, проведенные работы позволили:

• разработать эффективные технологии производства твердосплавных валков, превосходящие по эффективности и экономическим показателям процесс горячего вакуумного прессования;
• установить оптимальные составы сплавов с учетом особенностей эксплуатации различных валков;
• разработать методы контроля качества изделий на всех этапах производства, обеспечивающие производство изделий с более стабильными свойствами;
• внедрить технически обоснованные нормы съема материала при перешлифовках валков;
• внедрить дифференцированные нормы перешлифовки валков по их фактическому износу.

Комплекс  НИР и ОКР, а также организационных  мероприятий позволил получить фактические  показатели стойкости валков и их удельного расхода на уровне лучших мировых образцов при меньшей цене изделий. Это, в свою очередь позволило отказаться от закупок твердосплавных валков по импорту и обеспечить стабильную работу комбината "Криворожсталь" с использованием валков отечественного производства.  

ЛИТЕРАТУРА

1. Отдельные аспекты организации производства твердосплавных прокатных валков дискового типа методом горячего вакуумного прессования / А.Г. Маншилин, В.В. Назаренко, С.В. Труханов и др. // Металл и литье Украины. -2000.- N^o5-6.-С.38-40.  
    
   2. Труханов С.В., Сидоренко Д.Г., Пашинский В.В. Прокатные валки дискового типа для чистовых прокатных блоков проволочных станов. Особенности технологии производства // Металл и литье Украины.- 2001. - N^o7-9.-С.64-67.  
    
   3. Разработка и внедрение прогрессивных технологий производства твердосплавных прокатных валков / А.Г. Маншилин, В.В. Пашинский, А.И.Кулик и др. // Сталь.- 2002.- N^o8.-С. 72-74.  
    
   4. Пашинский В.В. Взаимосвязь структуры и свойств материалов для твердосплавных прокатных валков дискового типа // Металл и литье Украины.- 2002.- N^o12.-С.33-36.

4

Технические возможности  оборудования позволяют изготавливать  листопрокатные валки диаметром  от 650 мм до 950 мм и длиной бочки валка  до 3000 мм., а сортопрокатные валки  диаметром от 300 мм до 600 мм и длиной бочки валка до 2000 мм, при этом возможно получение рабочего слоя валка до 120 мм с гарантированным спадом по твёрдости глубине рабочего слоя не более 3 -5 HRc.