Научный журнал
Научное обозрение. Фундаментальные и прикладные исследования

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫМ ПРОЦЕССОМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

Быстров В.А. 1 Борисова Т.Н. 1 Грекова Н.Ю. 1 Франк Е.Я. 1
1 ФБГОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет»
Рассмотрены способы и устройства изготовления биметаллических прокатных валков. Установлено, что при напрессовке бандажа из твёрдого сплава на ось валка, на контактной поверхности ось-бандаж возникают термические напряжения, вызывающие образованию сколов. Для устранения этих недостатков, разработан способ электрошлакового процесса изготовления биметаллических прокатных валков с использованием электрода-соленоида. С целью управления электрошлаковым процессом электрод-соленоид изготавливается из разнонаправленных витков порошковой проволоки и устанавливается внутри оси валка, куда заливается расплавленный шлак и жидкий металл. По мере расплавления электрода соленоида, происходит регулирование подачи жидкого присадочного металла, и за счёт электромагнитного перемешивания на контактной поверхности бандажа проплавляются канавки, соответствующие профилю электрода-соленоида. Таким образом, создаётся «эффект винта» металла оси валка по отношению к бандажу. За счёт разнонаправленных частей электрода-соленоида происходит релаксация тангенциальных напряжений на контактной поверхности ось-бандаж при реверсивной работе прокатных валков. Расплавленный металл порошковой проволоки за счёт конвективного потока и электромагнитных сил прижимается к стенке бандажа и создаёт буферную прослойку, близкую по теплофизическим свойствам материала бандажа, что приводит к снижению радиальных термических напряжений. Следовательно, практически полностью устранены причины образования сколов на контактной поверхности ось-бандаж.
биметаллический валок
твёрдый сплав
электрод-соленоид
контактная поверхность оси валка
управление электрошлаковым процессом
релаксация напряжений
1. Медовар Л.Б. Проблемы и перспективы производства современных прокатных вал-ков / Л.Б. Медовар, В.К. Грановский // Проблемы СЭМ. 2013. – № 6. – С. 34–47.
2. Быстров В.А. Условия эксплуатации и износ валков прокатного стана горячего ме-талла / В.А. Быстров, П.К. Дьяков // Изв. вуз. Чёрная металлургия. –2014. – № 5. –С. 24-29.
3. Петраков О.В. Исследование и разработка технологии получения биметаллических отливок прокатных валков с высокой эксплуатационной стойкостью рабочего слоя. – Режим доступа: http://rsl/rsl01003357979.txt (Дата обращения: 21.11.2017).
4. Покровский А.М. Численное определение остаточных напряжений в биметалличе-ском прокатном валке после наплавки. – Режим доступа: http://elibrary.ru/item.asp??id=27161659 (Дата обращения 21.11.2017).
5. Microstructure, mechanical properties and wear resistance of high speed rolls for hot rolling mills / M. A. de Carvalho, R. R. Xavier // Ibid. 2012, P. 685-694.
6. Nylen T. Development of carbide reinforced rolls for hot rolling // Rolls 2012+ «Advances in Mill Roll Technology» Conf. Papers Birmingham, UK, April 12-14, 2012. P. 121-127.
7. Kudo T. HSS rolls: carbide morphology and properties // Rolls 2012 + «Advances in Mill Roll Technology» Conf. Papers Birmingham, UK, April 12-14, 2012. P. 71-80.
8. Быстров В.А. Основы электрошлаковых технологий упрочнения композиционными сплавами деталей, работающих при высокотемпературном износе: дисс…. докт. техн. наук. Барнаул, 2003. 337 с.
9. Быстров В.А. Использование электрошлаковых технологий для повышения эффек-тивности производства проката. / Вестник РАЕН (ЗСО), Выпуск 15, 2013. –С. 214–220.
10. Application of the ESR technology to the manufacturing of bimetallic HSS rolls for cold and hot strip mills /C. Gaspard, S. Bataille / Ibid.2013 P. 655-663.
11. Study of high-temperature deformation of casting Fe-26Cr-14Ni /TiC (p) composite / Xidong Hui, Zhifu Wang, Benmao Sun. – Instit. Of Materials Science, Shandong Univ. of Technol-ogy. Jinan. – 2011. – 19 № 12. – p. 64-68.
12. Cubota Naoky, Nishida Minory. Creation of composite alloys with TiN particles and their wear resistance / Met. Fac. Eng. Ehime Univers. –2012. – № 1. – р. 125-132.
13. Particulate reinforced metal matrix composite (TiC) as a weld deposited / E.I. Kivineva, D.L. Olsom, D.K. Matlock // Welding J. 2015. № 3. p. 83-92.
14. Олейниченко В.И. Электрошлаковая наплавка трубчатым электродом заготовок прокатных валков: Автореф. дис. ...канд. техн. наук. – Киев. 2011. 21 с.
15. Шевченко В.Е. Электрошлаковая технология в производстве современных прокат-ных валков. Автореф. дис. ...канд. техн. наук. – Киев. 2011. 23 с.
16. Артемьев А.А. Разработка технологии ЭШН порошковой проволокой с упрочня-ющими частицами TiB2: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград. 2010. 13 с.
17. Соколов Г.Н. Формирование композиционной структуры наплавленного металла для работы в условиях термосилового воздействия и разработка технологии ЭШН прессо-вых штампов и инструмента: Автореф. дис. … докт. техн. наук. Волгоград. 2007. 36 с.
18. Быстров В.А. Роль твёрдых частиц КМ, работающих при высокотемпературном износе / В.А. Быстров, Т.Н. Борисова // В мире научных открытий. In the world of scientific discoveries. –№ 8(56), – 2014.– С. 22-41.
19. Грекова Н.Ю. Эффективность инноваций, повышающих производительность и ка-чество металлопродукции за счёт упрочнения сменных деталей / Н.Ю. Грекова, В.А. Быст-ров // Монография: «Научные изыскания в сфере социально-экономических и гуманитарных наук: Междисциплинарный подход и генезис знаний». 2017 г. КМ-0417 С. 341–359.
20. Дьяков П.К. Управление инновационными потоками металлургического предпри-ятия / П.К. Дьяков, В.А. Быстров // В мире научных открытий. In the world of scientific dis-coveries. № 3.6 (51). 2014. С. 2472-2481.
21. Быстров В.А. Формирование рациональных программ управления электрошлако-вым процессом упрочнения деталей новыми композиционными материалами / В.А. Быст-ров, Н.Ю. Грекова, О.Г. Трегубова // Вестник СибГИУ. – 2012. – № 1. –С. 60–65.

Проблемы экономии материальных ресурсов в металлургической промышленности напрямую связаны с износостойкостью быстроизнашивающихся деталей оборудования, к которым относятся валки прокатных станов, определяющие производительность прокатки и её себестоимость. Следовательно, с целью повышения производительности прокатных станов, улучшения качества металлопродукции и снижения себестоимости готового проката, необходимо увеличивать стойкость прокатных валков – основного рабочего инструмента прокатных станов. Технико-экономические показатели работы прокатных станов свидетельствуют: стоимость прокатных валков составляет 6% всей стоимости прокатного стана; на перевалку валков уходит 20…25% времени работы прокатного стана; в общих расходах по переделу затраты на валки по стану горячей прокатки составляют примерно 15…17% [1–2]. Всё это свидетельствует об актуальности рассматриваемого материала статьи.

При эксплуатации валки прокатного стана находятся в сложном напряжённом состоянии (трение, постоянные теплосмены, удары, изгибающие нагрузки, окисление) вызывающие образование в нем различных дефектов, снижающих производительность прокатки. Однако до настоящего времени нет принятой всеми теории, позволяющей на основе данных о параметрах прокатки определить необходимые свойства материала валка, поэтому считается, что свойства валка и свойства материала, из которого он изготовлен, суть разные категории. Возрастающие требования к качеству проката, освоение производства новых труднодеформируемых сталей и сплавов, а также интенсификация процесса прокатки и необходимость получения качественной продукции требует не только постоянного совершенствования свойств рабочей поверхности валков, но и значительного увеличения срока их службы. С этой целью используются биметаллические прокатные валки, бандажи для которых изготавливают из твёрдых сплавов типа ВК-6, ВК-8, ВК-15, обладающих высокими механическими и термодинамическими свойствами, что увеличивает жёсткость валков, обеспечивая повышение точности и улучшение качества проката. Твёрдосплавные бандажи напрессовывают на оси валка с коэффициентом линейного расширения близким твёрдым сплавам, что обуславливает увеличение стойкости валков до 50 раз. Причинами, сдерживающими широкое применение твёрдосплавных бандажей, являются высокая стоимость, нарушение сопряженности бандажа и оси, и разрушения бандажа в процессе эксплуатации [2-4].

В процессе эксплуатации при передаче крутящего момента прокатки с оси на бандаж образуется контактное напряжение, а вследствие того, что материал бандажа отличается от металла оси валка по теплофизическим свойствам, возникают радиальные термические напряжения. Образующиеся суммарные напряжения приближаются к пределу прочности материала поверхности раздела, что приводит к образованию трещин с последующим расслоением контактной поверхности ось-бандаж. В целях повышения износостойкости биметаллических твёрдосплавных валков зарубежные исследователи изменяли микроструктуру и регулировали механические свойства переходной зоны ось-бандаж [5-7]. Авторами статьи для уменьшения напряжений прокатки разработаны и запатентованы новые способы и устройства для изготовления биметаллических прокатных валков с использованием электрошлаковых технологий с упрочняющими твёрдосплавными частицами и применение электрода-соленоида с заливкой жидкого металла в форму с соосно установленным твёрдосплавным бандажом [8-9].

Вопросы изготовления биметаллических прокатных валков, учитывая их актуальность, ежегодно рассматриваются на различных конференциях прокатчиков, например, результаты исследований зарубежных авторов приведены в работах как по совершенствованию изготовления валков [10-11], так и по армированию биметаллических валков твёрдыми частицами на основе карбидов и карбонитридов титана [12-13]. Повышению износостойкости биметаллических прокатных валков послужило использование технологий, основанных на применении электрошлаковой наплавки (ЭШН), однако объём публикаций как зарубежных [10-13], так и отечественных [14-16] авторов в области разработки новых процессов невелик, что объясняется сложностью формирования структуры и свойств наплавленного металла, а также необходимостью разработки новых специализированных для ЭШН экспериментального оборудования и наплавочных материалов, в том числе и наиболее эффективных – порошковых проволок, обеспечивающих гарантированный переход тугоплавких твёрдых частиц в наплавленный металл.

Цель работы. Разработка и внедрение новых композиционных материалов и технологий, обеспечивающих повышение износостойкости и срока эксплуатации биметаллических бандажированных валков прокатных станов, на основе исследований физико-химических процессов износа и легирования наплавленного металла, а также теплофизических процессов электрошлаковой наплавки.

Для управления процессом ЭШН упрочнения биметаллических валков прокатного стана были использованы следующие научно-технические разработки:

1. Исследованы температурно-силовые условия работы и кинетика износа биметаллических валков прокатного стана. Выявлены причины, характер изменения структуры и свойств контактной поверхности ось-бандаж упрочнённых прокатных валков, подверженных термосиловому воздействию, а также обобщены и развиты представления о физико-химических процессах их изнашивания. Сформулированы требования к наплавленному металлу и обоснованы системы его легирования [2, 17–19].

2. Разработаны химсостав и конфигурация порошковой проволоки электрода-соленоида для ЭШН с температурой эксплуатации до 900°С, а также композиционный сплав на основе спечённого твёрдого сплава типа ТН-20 для упрочнения бандажа. На основе исследования электро- и теплофизических закономерностей ЭШН с применением электрода-соленоида разработаны новые приёмы наплавки, обеспечивающие формирование демпфирующего слоя на внутренней контактной поверхности ось-бандаж прокатного валка [8, 9].

3. Разработан механизм формирования гетерофазной, композиционной структуры на контактной поверхности ось-бандаж, под действием электромагнитных сил и конвективного потока ЭШН, заключающийся в перераспределении легирующих элементов порошковой проволоки и бандажа в зоне контакта, а также образование области химической микронеоднородности, характеризующейся выделениями, имеющие стабильный размер, морфологию и распределение. Установлена величина соотношений токов электрода-соленоида в заданных пределах, создающая в нем термические условия для равномерного расплавления компонентов порошковой проволоки и формирование необходимого по химическому составу расплавленного металла в заданной зоне [9, 20].

4. Реализованы в промышленности научно-обоснованные технологические процессы ЭШН биметаллических валков электродом-соленоидом, а также установлены функциональные взаимосвязи между параметрами ЭШН и износостойкостью упрочнённых валков прокатного стана.

Для упрочнения биметаллических прокатных валков авторами статьи предложены способы изготовления бандажей, армированных спечённым твёрдым сплавом на основе ТН 20, и устройства для получения биметаллических прокатных валков, которые позволяют при изготовлении бандажированного валка создать зону сопряжения, способную демпфировать внутренние термические напряжения на границе сплавления ось–бандаж [2, 9]. Устройство для изготовления биметаллических прокатных валков представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Устройство для изготовления биметаллических валков прокатного стана:

1 – литейная форма; 2 – твёрдосплавной бандаж, 3 – электрод-соленоид, 4 – промежуточное устройство; 5 – сталеразливочный стакан; 6 – стопорное устройство; 7 – графитовый электрод; 8 – электрод-затравка; 9 – кокиль.

Роль демпфера выполняет металлическая прослойка между материалом бандажа и металлом оси валка, полученная при плавлении расходуемого электрода-соленоида (преимущественно порошковой проволоки). Способ был апробирован при изготовлении комплектов валков на ОАО «НКМК». Управление тепловложением при плавлении электрода-соленоида, осуществляется стабилизацией тока относительно заранее заданного тока наплавки автоматическим поднятием/опусканием запорной части стопорного устройства. Если рабочая величина тока наплавки превысила заданную величину, то стопорное устройство поджимается к сливному стакану и уменьшает подачу металла в полость бандажа, при этом межэлектродный промежуток возрастает, сопротивление шлаковой ванны увеличивается, а рабочий ток наплавки уменьшается.

Задачей новых разработок является создание устройства, позволяющего повысить качество бандажированных прокатных валков за счёт управляющих воздействий [20, 21]. Жидкий металл, заливаемый из промежуточного устройства, попадая в шлаковую ванну, благодаря эмульгированию и десульфурации, в очищенном виде попадает в металлическую ванну. При плавлении электрода-соленоида в шлаковой ванне за счёт электрошлакового процесса (ЭШП) бандаж нагревается и частично оплавляется, причём контур оплавления повторяет контур электрода-соленоида, т.е. по спирали.

Управление ЭШП необходимо для регулирования глубины металлической ванны, чтобы её отношение к поперечному диаметру бандажа находилось в пределах 0,8…1,2. Это условие можно трактовать как приближенный критерий качества кристаллического строения металла оси, гарантирующий равномерность плотности металла по сечению, отсутствие дефектов усадочного и ликвационного происхождения и благоприятное направление роста кристаллитов. Кристаллизация металла оси валка происходит в относительно небольшой по объёму металлической ванне в условиях непрерывного поступления в неё жидкого металла, подаваемого через сталеразливочный стакан из промежуточного устройства. При заливке металла в форму за счёт кинетической энергии движущейся струи и электромагнитного поля электрода-соленоида происходит интенсивное перемешивание жидкого металла и расплавленного шлака, что вызывает повышение качества заливаемого металла расплавом шлака.

Для снижения радиальных тангенциальных составляющих напряжения Рк, возникающих при передаче момента прокатки с оси на бандаж в контактной поверхности ось-бандаж, секция электрода-соленоида, закрученная по часовой стрелке, образует тангенциальные напряжения направленные направо (→), а секция электрода-соленоида, закрученная против часовой стрелки, образует тангенциальные напряжения направленные налево (←), таким образом, при эксплуатации биметаллических валков прокатного стана тангенциальные напряжения на контактной поверхности ось-бандаж частично релаксируются. При передаче момента прокатки с оси валка на бандаж образуется главный вектор напряжения (см. рис. 2), который образует две составляющие – радиальные напряжения Рк и тангенциальные напряжения sτ.

Тангенциальные напряжения рассчитываются по формуле (1):

στ = Рк. tg(ψ + φ), (1)

где ψ – угол подъёма резьбы (угол наклона секции электрода-соленоида);

φ – угол трения на контактной поверхности ось-бандаж, формула (2):

Рисунок 2 – Схема релаксации внутренних тангенциальных напряжений на контактной поверхности ось-бандаж, образованных встречными витками электрода-соленоида.

; (2)

где fтр = 0,14 – коэффициент трения сталь-сталь при температурах прокатки;

β ≈ 120 град – угол заострения профиля проплавления канавки в бандаже.

Исследование макро- и микроструктуры биметаллической отливки бандажированного прокатного валка, полученного ЭШП электродом-соленоидом с заливкой жидкого металла в осевую полость валка, показало, что в зоне сплавления отсутствуют непровары, усадочная рыхлость, сопутствующая литейному способу заливки металла, трещины (возникающие при других способах наплавки валков) [3-5]. Поверхность сплавления повторяет форму электрода-соленоида за счёт электромагнитного потока, что способствует релаксации тангенциальных напряжений, и предохраняет от сколов наплавленного металла.

Изготовление бандажей, армированных твёрдым сплавом на основе спечённого твёрдого сплава типа ТН 20, осуществляли в специальном устройстве [8, 9]. Выбор компонентов композиционного материала подробно описан в работах [17–19], при разработке которых использовались данные зарубежных авторов [11–13], что способствовало повышению износостойкости наплавленного бандажа.

При таких режимах скорость расплавления порошковой проволоки электрода-соленоида составила: 4…4,5 см/с; скорость подъёма зеркала металлической ванны оси валка 4 мм/с; время заполнения осевого пространства жидким металлом порядка 0,07 ч; производительность процесса ЭШН бандажированного валка 56708 кг/ч; удельный расход электроэнергии на 1 кг металла, полученного ЭШП составляет 0,11 кВт. ч/кг. Расчёты показали, что удельный расход электроэнергии нового способа ЭШП изготовления бандажированных валков (0,11 кВт.ч/кг), по сравнению с известным способом ЭШП (1,5…2 кВт.ч/кг), что примерно в 14 раз меньше.

Выводы.

1. Управление плавлением электрода-соленоида осуществляется стабилизацией тока относительно заранее заданного тока наплавки автоматическим поднятием/опусканием запорной части стопорного устройства, регулирующего скорость подачи жидкого металла в форму с твёрдосплавным бандажом.

2. Радиальные термические напряжения регулируются заданным химическим составом порошковой проволоки электрода-соленоида, при расплавлении которой на внутренней поверхности бандажа за счёт электромагнитных сил и конвективного потока создаётся демпфирующая прослойка близкая по химическому составу и термомеханическим свойствам материалу бандажа.

3. Проплавляемые канавки на внутренней поверхности бандажа, повторяющие профиль разнонаправленных витков электрода-соленоида, создают эффект «закручивающегося винта» в процессе прокатки между осью и бандажом.


Библиографическая ссылка

Быстров В.А., Борисова Т.Н., Грекова Н.Ю., Франк Е.Я. УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫМ ПРОЦЕССОМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ // Научное обозрение. Фундаментальные и прикладные исследования. – 2018. – № 3.;
URL: http://scientificreview.ru/ru/article/view?id=32 (дата обращения: 15.11.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252