Сборник трудов конференции Павловские чтения 2010

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 2. Листопрокатное производство

260

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ РАБОЧИХ ВАЛКОВ СТАНОВ ХОЛОДНОЙ

ПРОКАТКИ

Юсупов В.С.

, Доронин И.В.

, Антипов В.И.

, Русаков А.Д.

Алексеев П.А.

, Лукина Ю.А.

- Государственное учреждение Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова

РАН, rusakovel@rumbler.ru,

– ЭЛЕКТРОСТАЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(филиал) Федерального государственного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Государственный технологический университет

«МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ»,

- ОАО «Электростальский завод

тяжелого машиностроения»

В настоящее время стали, используемые для изготовления рабочих валков станов холодной

прокатки, можно разделить на три основные группы (химический состав представлен в таблице 1):

1 – низколегированные перлитного класса типа 90Х [1, 2]; 2 – среднелегированные мартенситного

и перлитно-мартенситного класса [3-6]; 3 – всоколегированные ледебуритного класса [4-7].

Установлено, что производительность рабочих валков холодной прокатки зависит от двух

основных факторов – твердости и износостойкости поверхностного слоя [4, 6, 7].

Для относящихся к первой группе низколегированных сталей (см. таблицу 1)

определяющее значение для работоспособности валков играет твердость [1, 4, 8]. Так для роликов

станов холодной прокатки труб, изготовленных из стали ШХ15 (100Х) увеличение твердости с 57-

ед. HRC

до 64-66 ед. HRC

позволяет повышать их стойкость в 2 – 2,5 раза (см. рис. 1).

С целью получения высокой твердости в низколегированных сталях первой группы был

разработан специальный режим термической обработки [9], включающий предварительную

подготовку структуры посредством закалки из аустенитного состояния с температур А

ст

+ (10 – 20

С) с последующим средним отпуском при 400 – 480

С, что позволяет создать структуру

отпущенного мартенсита с большим количеством

Рис. 1 Зависимость производительности роликов стана ХПТ, изготовленных из стали ШХ 15 от их

твердости [10]

Производительность

роликов (м труб)

1500

1000

500

56 60 62 64

Твердость роликов HRC

Секция 2. Листопрокатное производство

261

Таблица 1

Зарубежные и отечественные валковые стали различных классов

Группа

(структурны

й признак)

Марка стали

Страна

изготовитель

Содержание основных легирующих элементов, %

C Cr Mo V Si W Co Прочие

элементы

Первая группа

(стали перлитного класса)

90ХШ РФ ГОСТ

5.1323-72

0,8-

0,95

1,4-

1,7

- - 0,25-

0,45

- - -

90Х2МФ РФ ОСТ

24.013.24-

0,8-

0,95

1,4-

1,7

- 0,1-

0,2

0,8-

1,1

0,4-

0,6

- -

RXAB

(90Х2СМ)

Япония 0,7-

0,9

1,7-

2,5

0,0

0,4

- 0,15-

0,5

- - -

типа 90ХС2Г США 0,6-

1,3

0,3-

0,8

- - 0,25-

3,5

- - Mn (0,15-1,6)

86CrMoV7 Австрия 0,86 1,8 0,3 0,1 0,3 - - -

Вторая группа

(сталикарбидного класса)

170Х2Ф

РФ 1,67 1,59 0,0

0,37

0,28 - - Mn (0,25)

90Х6СВ4МФ РФ 0,8-

1,2

5,5-

6,0

0,8-

1,0

0,6-

0,8

0,4-

1,0

4,0-

4,5

- -

130Х9ВМФ РФ 1,2-

1,35

7,5-

9,0

0,8-

1,2

0,4-

0,6

0,2-

0,5

1,0-

1,4

- Mn (0,3-0,6)

типа

80Х5НСВМФ

Япония 0,65-

0,99

3,6-

7,0

1,6 0,49

0,15-

1,6

1,6 - Mn (0,15-1,6)

90Х5СВМФ РФ 0,75-

1,0

5,0-

6,0

0,6-

0,8

0,3-

0,5

1,1-

1,5

0,4-

1,0

- -

типа

110Х9ВМНФ

Франция 1,1 9,1 1,3 0,06

0,4 1,4 - Ni (0,31)

типа

100Х6С2Г

США 0,6-

1,0

3,0-

8,0

- - 0,25-

3,5

- - Mn (0,15-1,6)

Третья группа

(ледебуритный класс)

типа

160Х12МФ

РФ 1,45-

1,65

11,0-

12,5

0,4-

0,6

0,15

-0,3

0,15-

0,35

- - -

RFE Япония 1,3-

1,7

10,5-

13,5

0,6-

1,2

0,2-

0,9

0,15-

0,5

- - -

типа

160Х12ВМФ

Германия 1,73 11,4 0,6

0,31

0,22 0,4 - -

F7 Япония 1,0-

1,2

4,0-

4,5

6,0-

6,5

3,0-

3,5

- 5,0-

5,5

11,0-

13,0

DMK3 Германия 1,6 4,8 3,0 5,0 - 6,5 5,5 -

типа

120Х6В3М4Ф

4К4

США 1,2 6,0 4,0 4,0 - 3,0 4,0 -

Состав опытной плавки

Секция 2. Листопрокатное производство

262

дисперсных карбидов. После этого следует закалка с ускоренным нагревом (посредством ТВЧ или

в соляных ваннах). Температура закалки А

ст

+ (10 – 20

С). В результате такой термической

обработки в изделиях (в нашем случае в прокатных валках) получают мартенсит с

микронеоднородной концентрацией углерода [11] и относительно высокое содержание

остаточного аустенита, для перевода которого в мартенсит осуществляют многократную

циклическую обработку холодом (ЦОХ) [9, 12]. Каждый цикл обработки холодом при

температурах (-50…70

С), чередуется с низким отпуском при температурах 100 – 120

С.

Количество циклов от двух до шести [9]. В результате на образцах стали 90Х промышленной

плавки была получена твердость 68 – 68,5 ед. HRC

(см. таблицу 2).

Таблица 2

Влияние режима термической обработки на твердость образцов из стали 90ХС промышленной

плавки

№/пп

Предварительная

термическая обработка

Окончательная термическая обработка

Твердость

HRC

Режим

окончательной

закалки

Обработка холодом

Общепринятая термическая

обработка

Медленный нагрев

в печи 820

Обработка холодом и

отпуск

64,0 –

64,5

880

С – масло + 450

С – 1

час воздух

Ускоренный нагрев

860

С - масло

Обработка холодом (-70

С – 2 ч воздух + отпуск

100

С – 2 ч. 3 цикла)

67,0 –

68,0

920

С – масло + 450

С – 3

час воздух

Ускоренный нагрев

890

С - масло

Обработка холодом (-70

С – 2 ч воздух + отпуск

100

С – 2 ч. 3 цикла)

67,0 –

68,0

880

С – масло + 450

С – 3

часа воздух

Ускоренный нагрев

890

С – через воду

в масло

Обработка холодом (-70

С – 2 ч воздух + отпуск

100

С – 2 ч. 3 цикла)

68,0 –

68,5

880

С – масло + 450

С – 3

часа воздух

Ускоренный нагрев

890

С – через воду

в масло

Обработка холодом (-70

С – 2 ч воздух + отпуск

100

С – 2 ч. 3 цикла)

68 – 68,5

Такая высокая твердость обеспечивает высокую контактную прочность и износостойкость валков

станов холодной прокатки.

Среди сталей второй группы (см. таблицу 1) наибольший интерес представляет опытная

марка 170Х2Ф [13]. Благодаря высокому содержанию углерода (1,7 %) и хрома (1,59 %) в этой

стали в литом состоянии вследствие ликвационных процессов в структуре присутствуют

небольшие участки ледебуритной эвтектики, которые растворяются в результате

гомогенизирующего отжига. Данное обстоятельство указывает на то, что в структуре стали

170Х2Ф присутствует большое количество вторичнх карбидов в виде легированного цементита

(Fe Cr)

C с микротвердостью Hv 12000 МПа. Это обеспечивает повышенную износостойкость и,

как следствие, высокую производительность валков (см. таблицу 3).

При измерении твердости полученные значения округляли до 0,6 ед. HRC. На каждый режим термической

обработки готовили по 3 образца; на каждом образце проводили по 10 измерений твердости.

Секция 2. Листопрокатное производство

263

Высокую твердость поверхностного слоя валков из стали 170Х2Ф получают также

посредством ЦОХ. В виду большой устойчивости аустенита, количество циклов обеспечивающих

получение повышенной твердости 60 – 69 ед. HRC

должно составлять от трех до пяти. Высокая

твердость этой стали является причиной увеличения ее

Рис. 2. Структура быстрорежущей стали Р6М5 в литом состоянии (а), после горячей пластической

деформации (б, в, г), после радиально-сдвиговой прокатки (д, е).

а) ___ 100 мкм б) ___ 100 мкм

в) ___ 100 мкм г) ___ 100 мкм

д) ___ 100 мкм е) ___ 8 мкм

Секция 2. Листопрокатное производство

264

хрупкости. Поэтому в процессе ЦОХ переохлаждение до отрицательных температур следует

постепенно увеличивать с каждым последующим циклом (от – 30

С до – 70

С, чередуя каждое

переохлаждение с низким отпуском. Режим термической обработки, позволяющий получить

твердость 68,5 – 69 ед. HRC

на этой стали будет следующим: 880

С – масло + (- 30…70

С),

воздух + 100

С – два часа, воздух (3 раза).

Таблица 3

Производительность валков из стали 90Х (Украина), 160Х12М (Япония) и опытной стали 170Х2Ф

[12]

Показатель работоспособности валка Марка стали валка, производитель

90Х

(Украина)

170Х2Ф

(РФ)

Сталь типа 160Х12М

(Япония)

Производительность за одну кампанию, усл.

т/валок

40 532 168

Количество перешлифовок за одну кампанию 62 123 80

Средняя производительность за одну

перешлифовку, усл. т/валок

0,64 4,3 2,1

Следует отметить, что ЦОХ стали 170Х2Ф необходимо начинать сразу после закалки, так

как значительный по времени перерыв между закалкой и первым циклом обработки холодом

приводит к стабилизации аустенита [14] и заметному снижению конечного значения твердости

(таблица 4).

Высоколегированные стали третьей группы (см. таблицу 1) содержат от 0,8 до 1,6 %

углерода и от 12 до 20 % карбидообразующих элементов. Они все относятся к ледебуритному

классу, т.е. в литом состоянии представляют высоколегированные доэвтектические белые чугуны

(см. рис. 2 а). В процессе горячей механической обработки (ковки, прокатки) карбиды

ледебуритной эвтектики дробятся и более или менее распределяются в объеме металла (рис. 2 б, в,

г).

Таблица 4

Влияние величины промежутка времени между закалкой (880

С – масло) и первым циклом ЦОХ

(-50

С) – 2 часа + 100

С – 2 часа (3 цикла) на конечные значения твердости образцов стали

170Х2Ф

Промежуток времени между закалкой и

ЦОХ, час

1 3 10 30 100

Твердость, ед. HRC

67,0 –

68,0

66,5 –

67,0

66,0 –

66,5

66 –

66,5

64,5 –

65,5

Чем мельче карбиды и чем равномернее они распределены в объеме металла, тем меньше

балл карбидной неоднородности по ГОСТ и тем выше пластичность и вязкость [15], выше

контактная стойкость, т.к. частицы первичных карбидов часто имеющие остроугольную форму,

играют роль своеобразных неметаллических включений [15].

Для снижения балла карбидной неоднородности в заготовках сталей ледебуритного класса

применяются следующие технологические режимы:

Ступенчатая высокотемпературная обработка (СВТО) слитков при нагреве их под ковку

[16],

приводящая к снижению балла карбидной неоднородности в заготовках;

Секция 2. Листопрокатное производство

265

Ковка слитков в бойках с волнистой поверхностью с целью разрыва и дробления

участков ледебуритной эвтектики [21];

3. Максимально возможная степень горячей пластической деформации (уков) [16];

4. Радиально – сдвиговая прокатка (РСП) [17].

Радиально – сдвиговая прокатка является наиболее эффективным способом уменьшения

карбидной неоднородности в сталях ледебуритного класса. Она приводит к формированию в

поверхностном слое горячекатаных заготовок структуры естественного дисперсно-упрочненного

композиционного материала [13], у которого в высокопрочной мартенситной матрице (Hv = 6500

– 7000 МПа), равномерно распределены частицы первичных карбидов (Рис. 2 д) с твердостью (Hv

= 15000 – 32000 МПа) [15, 18].

Особого внимания заслуживает округлая форма карбидных частиц, формирующихся в

процессе РСП (Рис. 2 е), образованию которой способствует резкий скачок температуры в очаге

деформации (см. таблицу 5). Это, по видимому, приводит к растворению острых кромок у частиц

первичных карбидов. Округлая форма частиц первичных карбидов способствует дополнительному

повышению вязкости металла.

Таблица 5

Локальное увеличение температуры (∆t) в очаге деформации при радиально-сдвиговой прокатке

Температура

РСП,

Предел

прочности

стали Р6М5,

МПа

Скачок температуры (At) при РСП на больших углах

(β = 20

) с различными степенями деформации (ε)

ε = 10% ε = 30% ε = 50%

900 83 - 110 65 107 177

1000 57 - 68 43 70 115

1100 32 - 33 22 36 59

1200 21 - 22 15 25 41

Необходимо отметить, что при оценке упругих свойств металла валков из сталей третей

группы (см. таблицу 1) следует учитывать, что присутствие в структуре сталей ледебуритного

класса значительного количества первичных карбидов (от 15 до 25 % [15]) приводит к заметному

повышению модуля упругости первого рода (Е). В данном случае проявляется действие закона

аддитивности, применяемого обычно при расчетах механических свойств композиционных

материалов [19]. Это связано с тем, что модуль упругости различных карбидов, присутствующих в

ледебуритных сталях находится в пределах 400000 – 700000 МПа [18], а у мартенситной матрицы

он не превышает 200000 МПа [20].

Список литературы

1. Новиков В.Н., Белосевич В.К., Гамзков С.М. и др. Валки листовых станов холодной

прокатки. М.: Металлургия. 1970. 336 с.

2. Молодан Г.А., Заблоцкий В.К., Мешкова Л.Н., Состояние вопроса и тенденции в

производстве валков многовалковх станов. Обзорная информация. М.: ЦНИИЭИтяжмаш.

Вып. 3. 37 с.

3. Петров Б.Д. Термическая обработка и свойства валков холодной прокатки //

Металловедение и термическая обработка металлов. 1983. № 6. С. 36.

4. Доронин И.В., Перепелица И.В., Булавин В.Л. Выбор стали для валков холодной прокатки.

Сталь. № 11. 1987, с. 84.

Секция 2. Листопрокатное производство

266

Дзюба В.А., Пономарева С.П., Лычева В.Н. и др. Инструментальная сталь ледебуритного

класса Х9ВМФШ для изготовления валков холодной прокатки. Издательство Донецкий

ЦНТИ. Донецк. 1983. С. 4.

6. Доронин И.В., Булавин В.Л., Корягин А.А. и др. Повышение эксплуатационной стойкости

валков холодной прокатки при производстве ленты прецизионных сплавов. В сб. Новые

технологии производства спецсталей. М. ЦНИИЭИ. 1990. С. 107.

7. Русаков А.Д. Разработка и исследование прецизионных валков повышенной стойкости с

целью улучшения качества микроленты. Автореферат дисс. на соискание уч. степени к.т.н.

М. МИСиС. 1996.

8. Прочность прокатных валков/ П.И. Полухин, В.А. Николаев, В.П. Полухин, Н.М. Толпеева.

Алма-Ата. Наука. 1984. - 295 с.

9. Полухин В.П., Бернштейн М.Л., Пименов А.Ф. Валки многовалковых станов. М.

Металлургия. 1983. 129 с.

10. Доронин И.В., Русаков А.Д., Антощенков А.Е. и др. Повышение качества инструмента

станов холодной прокатки тонкостенных труб // Производство проката. 2005. № 2. С. 20 –

25.

11.

Способ повышения твердости более 68,0 HRC в изделиях из инструментальных сталей /

Патент (заявка № 2007123149/02(025206)от 20.07.2007) // Банных О.А., Блинов В.М.,

Зверева Т.Н., Антощенков А.Е., Доронин И.В., Степанов А.В., Лукина Ю.А., Антипов В.И.,

Виноградов Л.В., Русаков А.Д., Юсупов В.С., Князькин А.Б.

12.

Доронин И.В., Русаков А.Д., Антощенков А.Е. Повышение качества инструмента для

пластического деформирования за счет реализации потенциальных возможностей

хромистой подшипниковой стали // Материалы четвертого международного конгресса

«Машиностроительные технологии МТ 04». Варна, Болгария. 2004. С. 112 – 115.

13. Кидин И.Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. М.

Металлургия. 1969. 376 с.

14.

Потапов И.Н., Доронин И.В., Ахмедшин Р.И., Способ получения валков холодной

прокатки. Авт. Свид. № 1360209. Бюлл. 1987. № 46.

15.

И.В. Доронин, В.Л. Булавин, В.И. Антипов. Структура естественных дисперсионно-

упрочненных композиционных материалов на базе сталей ледебуритного класса. //

ФихХОМ, 1991, № 1, с. 141.

16. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. М. Машгиз. 1960. 496 с.

17. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. 5-ое издание. М. Металлургия. 1983. 528 с.

18. Доронин В.М. Строение, свойства и термическая обработка стали (справочник). Том 3. М.

Металлургия. 1983. С. 6.

19. Потапов И.Н., Полухин П.И. Новая технология винтовой прокатки. М. Металлургия. 1979.

343

с.

20. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения (справочник) 2-ое издание. М.

Металлургия. 1976. 500 с.

21. Прецизионные сплавы. Справочник под ред. Молотилова Б.В. 2-ое издание. М.

Металлургия. 1983. 439 с.

22.

Портной К.И., Салибеков С.Е., Светлов И.Л. и др. Структура и свойства композиционных

материалов. М. Машиностроение. 1979. 255 с.

23. Загорский А.И. Исследование влияния режимов нагрева слитков перед

деформацией и условий пластической деформации на качество быстрорежущей стали.

Автореферат дисс. На соискание уч. степени к.т.н. МИСиС. Москва. 1971. 20 с.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ

Акопян

РФ, ИМЕТ

Объем производства и потребления

частности трубчатых балок [1,2], получаемых

формовки и сварки круглых труб

постоянно растет. Однако процесс

точки зрения напряженно-

деформированного

силовым параметрам и ограничениям

профильной трубы, так и трубной

определено количество проходов.

Операцию профилирования

Рис. 1. Трубоэлектросва

Требования к геометрическим

определяют радиус скругления в углах

трубчатых балок для строительных

предельного прогиба стенки t

должна

Секция 3.

267

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ

НЕПРИВОДНЫХ ВАЛКАХ

Акопян К.Э., Колобов А.В., Юсупов В.С.

ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН,

kaakopyan@

yandex

и потребления профильных стальных труб квадратного

[1,2], получаемых на трубоэлектросварочных агрегатах

круглых труб с последующим профилированием в

процесс профилирования квадратных труб изучен

деформированного состояния по сечению профиля

ограничениям. Важными также являются вопросы

устойчивости

трубной заготовки между калибровочным станом

проходов.

профилирования осуществляют в неприводных валках

«турголовках

Рис. 1. Трубоэлектросва

рочный агрегат ТЭСА 21

геометрическим размерам профильных труб квадратного

скругления в углах

и величину прогиба t

(Рис. 2). Для производства

строительных конструкций диапазон

r = (1.6-2.4)S

[1, 2].

должна быть не больше 0,5мм [3].

Секция 3. Трубное производство

ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ В

yandex

.ru

труб квадратного сечения, в

трубоэлектросварочных агрегатах (Рис. 1) путем

профилированием в неприв

одных валках,

изучен недостаточно как с

профиля, так и по энерго

устойчивости как стенки

станом и турголовками. Не

«турголовках»(поз. 12).

ТЭСА 21

-89.

квадратного сечения [1, 2, 3]

Для производства

[1, 2]. При этом величина

Секция 3. Трубное производство

268

Рис. 2. Схема профилирования и геометрические параметры сечения исходной заготовки и

готового профиля

В данной работе изучали возможность профилирования трубы квадратного сечения из

заготовки с круглым сечением за один проход. Задача решалась с помощью математического

моделирования течения металла на основе программного продукта DEFORM3D, основанном на

решении уравнений теории пластичности методом конечных элементов.

Методика. Заготовка - труба круглого сечения с диаметром D, толщиной стенки S.

Деформация заготовки осуществляется за счет ее проталкивания через четырехвалковый калибр в

виде квадрата, образованного цилиндрическими поверхностями рабочих валков. Размер калибра В

принимаем равным стороне готовой квадратной трубы A (Рис. 2).

Коэффициент трения принимали равным 0,05, что соответствует холодной прокатке с

эмульсией; скорость движения круглой трубной заготовки - 60 м/мин; исходная температура 20

С.

Рис. 3. Схема профилирования трубы круглого сечения в четырехвалковом калибре

Расчет производили для готовой профильной трубы со стороной А = 40 мм, длиной L=500

мм и из исходной заготовки различного диаметра в диапазоне 49-52мм.

Секция 3. Трубное производство

269

Таблица 1. Варианты профилирования трубы А = 40 мм и геометрические параметры

сечения

мм

1,5мм

2мм

1,5мм

2мм

49,5 12 8 0,1 0,2

50 9 7 0,4 0,3

51 7 4 0,5 0,4

51,5 6 3,5 0,8 0,6

52 5 2,5 1,0 0,9

Рис. 4. Зависимость относительного радиуса скругления и прогиба стенки от диаметра

исходной заготовки при профилировании за один проход