Анализ опыта разработки эффективности использования твердосплавных прокатных валков дискового типа

При таком минимальном  спаде твёрдости рабочего слоя валка  по глубине уровень технологии позволяет в зависимости от фактического химического состава металла получать показатели твёрдости в зависимости от пожеланий заказчика от 45 до 86 HRc.

Наиболее востребованы прокатчиками, на сегодняшний день  валки двух исполнений:

- «индефинит», данные валки имеют износостойкость на уровне 250 тыс. тонн проката на валок;

- «высокий хром»  валки данного типа имеют износостойкость  до 500 тыс. тонн проката на валок.

Валки полностью  соответствуют импортным аналогам по своим показателям износостойкости и прочностным характеристикам и поставляются заказчику на взаимных условиях, с обеспечением гарантированной наработки на партию поставленных валков.

Освоено производство стальных валков исполнения 150ХНМ для  сортовых станов. 
 

5

1.ВАЛКИ  ОБЖИМНЫХ, ЗАГОТОВОЧНЫХ И СОРТОВЫХ СТАНОВ

 

  Валки  отличаются высоким качеством  металла, повышенным уровнем физико-механических  свойств и твердости, что обеспечивает  особую износостойкость при эксплуатации.

2.ОПОРНЫЕ  ВАЛКИ ЛИСТОВЫХ  СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ  И ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

 

  Цельнокованные опорные валки и бандажи составных опорных валков изготавливаются из особо высококачественных легированных вакуумированных сталей, обеспечивающих высокую поверхностную твердость, глубину закаленного слоя до 70 мм и, как следствие, их повышенные эксплуатационные характеристики.

3.РАБОЧИЕ  ВАЛКИ СТАНОВ ХОЛОДНОЙ  ПРОКАТКИ

 

  Валки  изготавливаются из особо высококачественных  легированных марок сталей. Отличаются  высокой твердостью на глубину  до 45 мм, что обеспечивает повышенную  стойкость в жестких условиях высокоскоростной прокатки, сопровождающейся тепловыми ударами при эксплуатации.

4.КОМПОЗИТНЫЕ  РАБОЧИЕ ВАЛКИ  СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ  ПРОКАТКИ

5.ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ  НАПЛАВКА ЖИДКИМ  МЕТАЛЛОМ

ВЫПЛАВКА  И РАЗЛИВКА СТАЛИ

КОВОЧНЫЙ  КОМПЛЕКС

ТЕРМИЧЕСКОЕ УЛУЧШЕНИЕ ПРОКАТНЫХ  ВАЛКОВ

ДИФФЕРЕНЦИРОВАННАЯ  ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

 

  На  НКМЗ создано оборудование и  реализована технология дифференцированной  термообработки (ДТО) бочек опорных  валков. В результате ДТО обеспечивается глубина закаленного слоя до 70 мм.

ИНДУКЦИОННАЯ  ТЕРМООБРАБОТКА

/tr>

УПРОЧНЯЮЩАЯ НАПЛАВКА РОЛИКОВ  МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

МЕХАНИЧЕСКАЯ  ОБРАБОТКА 
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

МАГНИТОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА 
МДУ-26-C-6,3-2

Климатическое исполнение установки УХЛ, категория  размещения 4.2 согласно ГОСТ 15150-69, при этом:

• температура воздуха, от 10°C до 35°C;
• относительная влажность воздуха при температуре плюс 25°C, от 65% до 80%;
• атмосферное давление, кПа (мм рт.ст.) - от 86,6 до 106,7 (от 650 до 800);
• окружающая среда - невзрывоопасная с допускаемым содержанием агрессивных газов, паров и пыли в концентрациях, не превышающих указанных в ГОСТ 12.1.005-88.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

 
 

6

ВВЕДЕНИЕ  
Надежность и долговечность валков являются решающими факторами, определяющими качество продукции, производительность и экономическую эффективность станов горячей прокатки. Производство валков у изготовителя должно быть экономически эффективным.  
Для изготовления валков необходимо использовать материалы, имеющие невысокую стоимость, но при этом износостойкость материала валка должна удовлетворять требованиям заказчика. В 2003 году «ОРМЕТО - ЮУМЗ» при изготовлении валков горячей прокатки имел 215,5 тонны брака. Из них 67% получено на кованых валках из стали марки 60ХН и 17% - на литых бандажах из марки 150ХНМ. Поковки заготовок валков горячей прокатки из стали 60ХН в 7 случаях из 11 забракованы по неметаллическим включениям. Чугунные валки были забракованы по усадочным раковинам в бочке и продольным трещинам.  
Интенсивность износа, степень напряженности и повреждаемости валков во время работы зависят от исходных свойств материала, а также от типа стана и клети, марки стали подката и сортамента прокатываемой продукции, технологических режимов прокатки.  
Потери от разрушения валков у изготовителя и потребителя составили более 10 млн. рублей. Поломка рабочих валков на отдельных марках стали на стане 2000 ОАО «ММК» достигает 33%. Разрушение валков и у изготовителя и у потребителя связано с недостаточной пластичностью материала, низким сопротивлением хрупкому разрушению, неоптимальной формой и размерами неметаллических включений.  
Для тяжелонагруженных клетей, реверсивных станов валки изготавливают из легированных стали и чугуна. Для изготовления кованых валков используют  
4  
доэвтектоидную сталь марок 75ХМ, 60ХН и др. Литые валки и бандажи изготавливают из заэвтектоидной стали марок150ХНМ, 180СХНМ, а для изго-  
т  
товления чугунных валков используют чугун марок СПХН, СШХН и др. Высокое содержание углерода в валковых материалах обеспечивает их высокую прочность, однако валковые материалы должны иметь и определенную пластичность, В износостойких валковых материалах пластичность в существенной степени зависит от структуры металлической основы.  
При горячей прокатке на поверхности валков образуются трещины разга-'щ ра. Разгаростойкость валковых материалов в значительной мере связана с по-  
вышенным содержанием серы. Однако при весьма низком содержании серы согласно данным ряда исследований возможно появление камневидного излома I рода, обусловленного выделением по границам аустенитного зерна сульфида марганца. Хрупкие участки структуры и не удаленные трещины разгара могут приводить к разрушению валка при эксплуатации.  
В 1999/2000гг. машиностроительный концерн ОРМЕТО-ЮУМЗ понес значительные убытки, так как заказчик повысил требования по твердости ста-,0, ли марок 75ХМ, 90ХФ. С целью получение высокой твердости бочки была по-  
нижена температура отпуска. Брак составил почти 30% произведенной поставки.  
Учитывая это, в данной работе решалась задача, используя имеющиеся в концерне плавильные агрегаты, путем оптимизации технологии выплавки и внепечной обработки повысить качество валкового металла и на этой основе сократить издержки на изготовление валков.  
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ  
Ш  
1.1. Валки прокатных станов. Общие требования  
Валки являются важной сменяемой частью прокатного стана — их расход составляет приблизительно 0,5% от массы проката. В себестоимости 1т горячекатаного листа доля стоимости валков составляет $0,05...0,10 [1]. Валки горячей прокатки (ВГП) изготавливают из чугуна или стали, коваными или литыми. Кованые стальные опорные валки делают из стали марок 90ХФ, '• 75ХМФ, 8Х2СГФ. Сталь 150ХНМ (ранее использовалось название «адамит»)  
применяют для изготовления литых опорных валков. Опорные валки чистовых клетей изготавливают из легированного чугуна с отбелом.  
В качестве материала для изготовления кованых рабочих валков станов горячей прокатки используют сталь марок 60ХН, 75ХМ, 90ХФ. Рабочие валки сортовых станов изготавливают из нелегированного и легированного чугуна, а для изготовления рабочих валков чистовых клетей листопрокатных станов используют высокохромистый чугун.  
{# К материалам валков прокатных станов предъявляют следующие тре-  
бования [2-5]:  
1. Шейка и бочка валка должны обладать высокой прочностью, чтобы выдерживать большие давления и крутящие моменты при прокатке.  
2. Поверхность бочки должна иметь высокую твердость и износостойкость, чтобы заданный профиль валка сохранялся длительное время, и на поверхности не возникала сетка разгара.  
¦Ш 3. Поверхностный слой бочки валка должен выдерживать большие  
удельные давления при прокатке на станах с опорными валками, а также большие местные напряжения от холодных концов раската. Рабочие валки прокатных станов должны обеспечивать: хороший захват полосы, позволяющий достигать большого обжатия за проход без пробуксовок и, вследствие этого, увеличение производительности и уменьшение потерь тепла; высокую устойчивость бочки валка к износу, термической ус-  
6  
талости и окислению, что обеспечивает однородный износ, увеличивает длительность кампании прокатки и уменьшает простои; высокую жаростойкость и устойчивость к образованию трещин разгара, предотвращающих повреждение в результате приварки подката к валку; хорошее качество поверхности валка в течение длительного периода вследствие отсутствия шелушения поверхности, отслаивания и микросколов в ходе кампании; высокую надежность валков в эксплуатационных условиях, включая неполадки на стане, высокие тепловые и механические нагрузки [6, 7].  
Широко используемым для изготовления прокатных валков конструкционным материалом является чугун. Прокатные чугунные валки изготовляют с гладкой бочкой или с готовыми ручьями. Чугунные валки по составу чугуна и, следовательно, структуре классифицируют следующим образом [8]:  
а) валки сортопрокатные (СП) и листопрокатные (ЛП) с отбеленным рабочим слоем. Имеют рабочий отбеленный слой, переходный слой, состоящий из половинчатого чугуна, и сердцевину из серого чугуна. В половинчатом чугуне часть углерода находится в свободном состоянии в виде графито-вой фазы, а часть - в связанном в виде карбидов. Твердость таких валков со-ставляет 68...70 HSD (твердость по Шору);  
б) легированные хромом и никелем валки (СПХН) с карбидо-графито-перлитной структурой и пластинчатым графитом. Они имеют достаточно глубокий рабочий слой, обеспечивающий небольшое падение твердости на глубину ручья с учетом необходимости переточек по мере износа;  
в) отбеленные хромоникелевые двухслойные валки (ЛПХНд) с высоко- легированным отбеленным слоем, прочной сердцевиной, шейками и трефами из нелегированного чугуна. Они имеют отбеленный слой толщиной 12...32 мм, короткую (5... 15 мм) переходную зону и прочную сердцевину;  
г) отбеленные хромоникелевые валки из чугуна с шаровидным графитом (ЛШН и СШХН). Эти валки значительно прочнее валков типа ЛП и СП. Глубина отбеленного слоя может достигать 32 мм;  
д) высокохромистые валки (14...20% хрома). Имеют высокую износостойкость, так как матрица состоит из тонкодисперсного перлита с равно-  
т  
мерно распределенными карбидами хрома. Эти валки используют при прокатке проволоки.  
На сортовых станах используют валки с нарезкой калибров. Применение в этом случае валков с отбеленным слоем представляется проблематичным, поскольку при глубине отбеленного слоя более 25 мм довольно часто происходит разрушение валка у изготовителя или у потребителя. Из-за по-'0 вышенной твердости отбеленного слоя нарезка калибра связана, кроме того,  
с большими трудовыми и финансовыми затратами.  
В Европе, Японии, США в 90-х г.г. наряду с традиционными материалами (чугун, сталь типа адамит - 1,2... 1,7% С; 1,4... 1,7% Сг; 0,5... 1,5% Ni; 0,1...0,8% (W+2Mo)) для изготовления валков начали применять новые — инструментальную сталь типа HP (0,8% С, 3,00% Сг, 0,55% Мо, 0,50% V, 0,05% Nb), «полубыстрорежущую» сталь Semi-HSS [0,6... 1,0% С, 6,5...8,5% Сг, 4... 10% (W+2Mo), 0,1...3% (V, Ti, Nb, Та)], износостойкую быстрорежу-» щую сталь HSS [1,2...1,8% С, 4,0...6,0% Сг, 8...12% (W+2Mo), З...6% (V, Ti,  
Nb, Та)] и другие [6, 9-13]. Эти материалы наряду с некоторыми преимуществами имеют и недостатки. Например, сталь HSS имеет однородную литую структуру, но по сравнению с чугуном характеризуется весьма низкой теплопроводностью. Из-за малой теплопроводности рабочего слоя валков наблюдается значительное (до 100°С) повышение температуры поверхности в очаге деформации, в то время как в зоне охлаждения температура валка остается ,# практически неизменной. Это приводит к росту напряжений и образованию  
на рабочей поверхности валка сетки трещин разгара [13]. Кроме того, эти материалы содержат значительное количество дорогих легирующих элементов - хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, титана, ниобия и тантала, что делает не всегда оправданным их использование.  
8  
1.2. Износ и поломки валков при эксплуатации  
Одним из основных требований к прокатным валкам является высокая устойчивость бочки валка к износу [14,15]. Износ зависит от физических, химических и механических свойств трущихся поверхностей, сочетания материалов трущихся поверхностей (пары фрикционные и антифрикционные), взаимодействия трущихся поверхностей с разделяющей их средой, чистоты механической обработки, вида трения (сухое, граничное, полужидкостное или жидкостное), удельного давления между телами, скорости взаимного перемещения трущихся поверхностей относительно друг друга, продолжительности взаимодействия между телами.  
Различают [3, 16-29] следующие виды износа: износ схватыванием; окислительный; тепловой; абразивный; осповидный, характерный для трения качения. Износ схватыванием возникает при трении скольжения с малыми скоростями относительного перемещения трущихся поверхностей и небольшом удельном давлении при отсутствии смазки. Коэффициент трения может достигать 1...4. Интенсивность изнашивания при такой величине коэффициента трения является максимальной. По литературным данным коэффициент трения на стане в рабочих клетях составляет 0,5... 1,0.  
Окислительный износ характеризуется диффузией кислорода в металл деформируемых при трении поверхностных слоев и образованием твердого раствора кислорода и химических соединений в металле. В тяжело нагруженных деталях машин и при больших скоростях трения возникает тепловой износ, характеризующийся процессом рекристаллизации, схватывания и оплавления трущихся металлов. Темп изнашивания при этом является наибольшим. Абразивный износ - это процесс царапания трущихся поверхностей твердыми абразивными частицами (цементит в чугунных валках, карбиды в подкате) металла поверхностных слоев трущихся деталей, сопровождающийся протеканием микропластической деформации и упрочнением. При этом виде износа большое значение имеет твердость, предел прочности и вязкость металла.  
Прокатные валки подвержены всем указанным выше видам износа [30-32]. При прокатке абразивному износу валка способствует окалина, которая образуется на поверхности бочки валка и подката. Износ поверхности валков происходит также за счет образования трещин разгара, что связано с термо-циклированием, т.е. чередованием циклов «нагрев-охлаждение», при прокатке. В качестве охладителя поверхности валка используется подогретая вода, которая способствует коррозии поверхности валка, поскольку поверхность валка постоянно находится в напряженном состоянии. Коррозионная стойкость валка зависит от отношения концентраций Сг/С [6].  
На рабочих валках наибольший износ наблюдается в средней части бочки и уменьшается к краям бочки. На опорных валках наибольший износ наблюдается на участках «края полосы».  
Изучение поверхности разрушения образцов показало существенное влияние на процесс изнашивания цементитной фазы. Карбиды, особенно высокотвердые, затрудняют внедрение и продвижение абразивных частиц. Вначале разрушается металлическая основа, на которой находятся островки с карбидной фазой, а затем, после многократного взаимодействия с абразивом, сами карбиды (цементит). При большом количестве в структуре карбидов цементитного типа в рельефе поверхности разрушения обнаруживаются ямки, которые образуются в результате выламывания и вырыва карбидов из металлической основы. Под действием абразивных частиц ямки укрупняются, и процесс изнашивания интенсифицируется.  
Износ резко снижается, если металлическая основа имеет высокую твердость, прочно удерживает частицы карбидов и не деформируется при воздействии абразива.  
Износ прокатных валков происходит также за счет образования на поверхности бочки сколов. Сколы связаны с термическими напряжениями и усталостными явлениями в материале валка. Разрушение валка или сколы его поверхности от усталости происходят вследствие возникновения микротрещин, которые постепенно развиваются в глубь сечения детали или участка ее  
10  
поверхности. Поверхностный наклепанный слой валка более склонен к усталостным явлениям.  
Причиной выкрашивания может быть также проскальзывание подката относительно поверхности валка. При этом происходит резкое локальное повышение температуры до значений, намного превышающих температуру отпуска. Возникающий эффект отпуска приводит к локальному понижению твердости. В результате образуются структуры с разными значениями твердости и разным удельным объемом. Разница объемов является причиной образование трещин растяжения, которые приводят к усталостному трещино-образованию и выкрашиванию вследствие усталостных напряжений под воздействием изгибающих знакопеременных нагрузок при прокатке.  
Выкрашивание может происходить также из-за значительных остаточных напряжений, которые образуются в валке при длительных периодах прокатки. Причинами выкрашивания могут быть и подрезы или разогрев поверхности валка при перешлифовке. Выкрашивание чугунных валков может происходить по графитовым включениям. При уменьшении количества и размеров графитовых включений износостойкость валков увеличивается. В то же время графитовые включения уменьшают износ при трении.  
При эксплуатации и даже на стадии изготовления прокатные валки могут разрушаться под действием механических нагрузок, термоциклирования, действия коррозии и других причин [35-39].  
Трещины в материале образуются в результате упругой и пластической деформации. Всякая стесненная деформация, вызванная температурными, магнитными, механическими и другими полями сопровождается ростом внутренних напряжений, которые приводят к образованию трещин. Разрушение валков носит, как правило, хрупкий характер. В процессе эксплуатации-из-за низкого качества металла, длительного периода прокатки, неоптимального съема металла при перешлифовке в поверхностном слое могут образовываться усталостные трещины. Развитие их идет медленно, поэтому на станах должны использоваться мероприятия по залечиванию трещин усталости,  
11  
в частности, проводиться операции отдыха валка. Но это проводится не всегда и, как правило, валок эксплуатируется в клети вплоть до полного разрушения.  
Валки сортовых станов работают в менее жестких условиях эксплуатации, чем на листопрокатных станах. Но, тем не менее, валки сортовых станов работают в весьма сложных силовых, температурных и скоростных условиях, при воздействии коррозионной охлаждающей среды. Стойкость валков определяется величиной их износа, под которым понимают интенсивность контактной повреждаемости (износа) их поверхностных слоев. В связи с износом калибров становится необходимой периодическая переточка валков, включающая восстановление части поверхности и конфигурации калибров. После определенного количества переточек валки становятся непригодными для дальнейшей эксплуатации вследствие существенного изменения размеров.  
Значительное количество валков при эксплуатации претерпевают аварийные разрушения вследствие развития в отдельных сечениях глубоких усталостных трещин. Первопричиной такого разрушения являются разгарные трещины на рабочих поверхностях калибров, обусловленные термической усталостью. Разгарные трещины образуют сравнительно регулярную сетку прямоугольных ячеек со сторонами, направленными поперек или вдоль оси валка. Трещины проникают на глубину до 5...6 мм, что превышает глубину съема металла при периодических переточках. При изгибающих нагрузках возникают более глубокие поперечные трещины усталости различной конфигурации. Концентратор разрушения, как правило, находится на поверхности валка. Это либо кольцевая трещина, либо остатки разгарных трещин при многоочаговом разрушении, вдавленная окалина, следы механической обработки (подрезы). Причиной многоочагового разрушения может являться неоднородная микроструктура, связанная с разной прочностью структурных составляющих, повышенной загрязненностью поверхностных слоев неметал-  
12  
лическими включениями. Причиной образования кольцевой трещины являются термические напряжения, образовавшиеся при прокатке.  
Усталостный излом располагается перпендикулярно к направлению действия нормальных растягивающих напряжений [37]. Разрушение при эксплуатации валков происходит по бочке или на участке перехода от бочки к шейке, во втором случае - под действием высоких касательных напряжений, обусловленных «перегрузом» и связанных с торможением полосы. В условиях циклического кручения поверхность излома от действия касательных напряжений расположена перпендикулярно или параллельно оси скручивания, а от действия нормальных напряжений - под углом 45°. При усталостном разрушении рост трещины идет замедленно, с образованием линий сброса [35, 36].  
Внутренние металлургические дефекты в литых изделиях: плены, рыхлоты, раковины, шлаковые включения могут не оказывать существенного влияния на термоусталостное разрушение, если место их расположения не совпадает с местами наибольших температурных перепадов и наибольшей концентрации деформации. В прокатных валках наибольшие сжимающие нагрузки концентрируются в поверхностном слое валка, а наибольшие растягивающие напряжения возникают на половине радиуса бочки валка.  
Разрушение усталостного характера проходит как по телу зерен, так и по их границам [38]. На характер разрушения оказывает влияние способ выплавки и внепечной обработки металла. От них зависит чистота границ зерен металла от неметаллических включений, структура пограничных выделений.  
Коррозийная усталость материала валка связана с действием воды — охладителя валков в процессе прокатки, а также пара. При этом повышение температуры воды, пара, а также давления способствуют развитию процессов коррозии. Металлургические способы повышения коррозийной стойкости материала заключаются, прежде всего, в повышении чистоты материала по вредным примесям, применении легирования материала валка хромом, никелем, молибденом.  
13  
При прокатке наряду с термической, коррозийной усталостью в материале валка может проявляться деформационное старение [39]. Поэтому на прокатных станах ограничивают длительность прокатки, проводят операции отдыха валка с вылеживанием при комнатной или при повышенных температурах. Перевалка валков и указанные выше операции являются вспомогательными и экономически невыгодными для прокатного производства.  
К деформационному старению склонны не только деформированные, но и литейные сплавы. Однако опыт эксплуатации валков горячей прокатки в Европе, Японии показал, что литой материал валка менее склонен к усталостным явлениям и показывает более высокую стойкость при эксплуатации [39-42].  
Чугунные валки сортовых станов работают в клетях с температурой подката ~ 700°С. Изменение структуры чугуна валков при многократных нагревах зависят от его состава, исходного состояния, скорости и температуры нагрева и охлаждения, характера среды [43-50].  
Таким образом, в процессе эксплуатации в валках происходит не только износ рабочей поверхности, но и изменение структуры за счет процессов нагрева-охлаждения и холодного наклепа. При этом перлититная металлическая основа является более прочной, феррит должен быть обязательно легирован кремнием (или кремний должен содержаться на верхнем допустимом по ТУ пределе).  
Кроме того, помимо изнашивания возможны поломки валков. Наиболее вероятны усталостные изломы в переходе от бочки к шейке, которые происходят вследствие ошибок в конструкции, коррозии, грубой шероховатости или слишком больших усилий прокатки. Как правило, это многоочаговое разрушение.  
1.3. Разрушение валков в процессе изготовления  
Помимо разрушений валков при эксплуатации они разрушаются и в процессе изготовления. Образование холодных трещин и разрушение валков в  
14  
процессе изготовления связаны с величиной остаточных температурных и структурных напряжений [50]. К образованию холодных трещин и разрушению склонны валки с развитой столбчатой структурой и сплошным отбе-лом. К росту и неравномерному распределению внутренних напряжений приводит неравномерное распределение структурных составляющих — ледебурита и перлита.  
В процессе изготовления валков поломки по бочке могут происходить вследствие образования поперечных трещин. Образование трещин обусловлено, как правило, низким содержанием в металле графитообразующих элементов (никеля и кремния) при повышенном содержании карбидообразую-щих - хрома, марганца, молибдена. Анализ структуры валков с поперечными трещинами показывает наличие большего количества цементита и ледебурита как в поверхностных, так и в глубинных слоях бочки валков. При этом количество вторичного цементита и ледебурита, как правило, не уменьшается по мере удаления от поверхности в глубинные слои валка. Цементитная составляющая в этом случае на глубине 200мм от поверхности валка примерно в два раза крупнее, чем на глубине 15мм. Твердость также возрастает от поверхности к глубинным слоям валка.  
В чугунных валках массой около 5т, имеющих поперечные трещины, наблюдаются включения графита, по виду напоминающие короткие и толстые пластинки. Количество графита по мере удаления от поверхности вглубь валков практически не изменяется, а иногда даже уменьшается. Таким образом, причиной образования поперечных трещин является повышенная хрупкость чугуна и значительные внутренние напряжения в валках. Иглообразный цементит или грубые остроконечные включения графита повышают хрупкость материала валка. Хрупкость повышают и грубые цементитно-ледебуритные включения, расположенные по границе дендритов. Такую структуру имеют, в частности, валки, залитые в холодный кокиль с большой толщиной теплоизолирующей намазки.  
15  
В чугунных валках с короткой бочкой столбчатые кристаллы располагается под углом 45° к оси валка. Такое направление столбчатых кристаллов в коротких бочках можно объяснить наличием в них во время затвердевания продольных составляющих тепловых стоков. По этой причине в коротких валках может происходить образование продольных трещин и долевое разрушение валка. Долевым разрушениям способствует повышенное (0,7...2,1%) содержание хрома; при более низком содержании хрома трещины появляются в шейках. Характер расположения трещин зависит от ориентации дендри-тов, обусловленной теплообменом между отливкой и формой.  
Для уменьшения хрупкости и увеличения вязкости легированного чугуна рекомендуют [42] увеличивать содержание в нем никеля. Следует, однако, учитывать, что никель является одним из самых дефицитных и дорогих легирующих элементов.  
1.4. Состав и структура валковых материалов  
Как уже отмечалось, литые прокатные валки в нашей стране изготавливают преимущественно из нелегированного и легированного чугуна, а также заэвтектоидной стали марки 150ХНМ (адамит). При изготовлении кованых валков используют нелегированную сталь марки 50 или легированные высокоуглеродистые марки.  
В нелегированном чугуне содержание углерода составляет 2,7...3,7%, кремния от 0,4 до 0,9%, марганца 0,2...0,8%, фосфора до 0,55%, серы до 0,14%. Распространенным материалом для изготовления прокатных валков является чугун с шаровидным графитом. И хотя у валков из чугуна с шаровидным графитом относительно плохой захват подката, зато достаточно высокие износостойкость, устойчивость к образованию тепловых трещин и надежность в эксплуатации, а также удовлетворительные качество поверхности и длительность кампании [12].  
Известно, что одновременное увеличение твердости поверхности и прочности сердцевины валка легче всего достигается легированием чугуна. С  
16  
этой целью применяется молибденовый, хромомолибденовый, никельхромо-вый и хромоникелевые чугуны [46, 47, 51].  
Валки из молибденового и хромомолибденового низколегированного чугуна характеризируются высокой прочностью при средней, но равномерной твердости. Такие валки применяют в производстве жести.  
Валки из среднелегированного (никельхромового) чугуна имеют структуру низкотемпературного распада (бейнит, троостит) и высокие значения твердости и прочности в зависимости от содержания углерода. Наилучшими химическими составами никельхромового чугуна являются составы, соответствующие заштрихованной площадке abed диаграммы «состав - свойства» (рис.1.1).  
Легированные валки такого состава показывают больший срок службы по сравнению с обычными валками, лучшее качество проката и меньшие потери на трение в цапфах. Однако при производстве этих валков следует иметь в виду их большую склонность к образованию трещин. Для предотвращения образования трещин в чугуне целесообразно иметь высокое (около 5...6) отношение Ni/Cr, что требует большого расхода дефицитного и дорогого никеля. Кроме того, необходима длительная выдержка этих валков в форме или специальный низкотемпературный весьма длительный отжиг для снятия напряжений [52]. При этом для  
г з  
ИиНелЬ, %  
Рис. 1.1. Влияние никеля и хрома на твердость по Шору (цифры у кривых) чугунных валков и глубину отбела [43,44]