|
Прокатные металлургические
валки, как правило, изготовляют литыми. Разнообразные условия их службы
(тип клети и стана, положение в стане, прокатываемый сплав, вид продукции и
т. д.) обусловливают как конструкцию валка, так и выбор литейного сплава, из
которого его изготовляют. Однако все валки должны иметь износо- и
термостойкий рабочий слой, вязкую прочную сердцевину и шейки. Валки
подразделяют по назначению (листопрокатные и сортопрокатные), конструкции
(гладкие и калиброванные), роду металла (чугуны, стали легированные и
нелегированные), макростроению (полутвердые, отбеленные, двуслойные).
Перечисление классификационных признаков можно было бы продолжить, но
приведенные являются основными.
Литые стальные валки изготовляют из нелегированных
и легированных сталей, содержащих 0,4—2 % углерода. В зависимости от
концентрации углерода и легирующих элементов структура этих сталей изменяется
от перлитно-ферритной до перлитной с включениями карбидной фазы. Валки из
доэвтектоидных сталей имеют низкую износостойкость, но хорошо выдерживают
ударные нагрузки. Валки из заэвтектоидных более твердых сталей подвергают
сложной термообработке в целях размельчения карбидов, их сфероидизации для
повышения вязкости стали.
Наиболее широко распространены литые валки для прокатных
станов из различных чугунов. Применение именно этого сплава позволяет
получать изделия, сочетающие высокую твердость и износостойкость рабочего
слоя (валки с отбеленной поверхностью) с достаточно прочной сердцевиной. В
России отливки валков с отбеленной поверхностью впервые были осуществлены в 1812 г. на Олонецких заводах.
Вследствие большой чувствительности чугунов к скорости
охлаждения, их структура и механические свойства существенно изменяются от
поверхности к середине. По структуре сечение валка можно разбить на три зоны:
наружную из белого чугуна (перлит и цементит); переходную из половинчатого
чугуна (перлит, цементит, графит) и сердцевину из серого чугуна, в котором
отсутствуют включения структурно свободного цементита. Регулировать структуру
и свойства можно, изменяя химсостав чугуна и скорость охлаждения валка.
Основная мгсса материала валка должна обеспечивать общую
высокую механическую прочность, что может быть достигнуто методами и
технологическими приемами, описанными в гл. 9. Важное значение наряду со
структурой металлической матрицы чугуна имеет количество и форма графита.
Общая прочность валка будет определяться размерами отбеленного слоя и
переходной зоны. При значительном отбеленном слое возрастает опасность
поломки; таким образом, для увеличения механической прочности желательно
уменьшать слой отбела. Но для надлежащей износостойкости поверхность должна
быть достаточно твердой. Основное влияние на износостойкость оказывают
свойства чугуна в зоне чистого отбела и величина последнего. Твердость
рабочего слоя с чистым отбелом составляет 58—65 HSD.
В переходной зоне металл будет более хрупким, чем в
сердцевине, из-за наличия цементита, а на износостойкость эта зона
практически не влияет. Поэтому для обеспечения износостойкости и
эксплуатационной прочности валков с отбеленной поверхностью целесообразно
иметь переходную зону минимальных размеров. Показатель качества таких валков
Ак = х/(х + г), где х — глубина чистого отбела, z — толщина переходной зоны.
Глубина отбеленного слоя бочки листопрокатных валков
обычно составляет 10—32 мм. При меньшей глубине отбела сокращается срок
службы ввиду износа, а при его увеличении возрастает опасность поломки.
Главная причина состоит в том, что с увеличением толщины отбеленного слоя
непропорционально повышается и глубина переходной зоны, снижающей общую
прочность валка. Удовлетворительное качество валков соответствует значениям
Ак = 0,25-0,45. Заготовки из проката. Листопрокатные валки с чистым отбелом в
рабочем слое применяют при получении холоднокатаного тонкого листа. В
толстолистовых станах часто используют валки, поверхностная твердость которых
может быть несколько ниже (50—55 HSD)> что обеспечивается формированием
поверхностного (рабочего) слоя, являющегося по структуре половинчатым чугуном
(перлит, цементит и графит). В этом случае решающее значение имеет высокая
механическая прочность валка, снижающая вероятность поломок.
В соответствии с изложенным в чугуне для валков с чистым
отбелом содержится, %: 2,7—3,1 С, 0,4—0,6 Si, 0,3—0,5 Мп, 0,4—0,5 Р, до 0,1 S.
Половинчатый чугун в рабочем слое формируется при увеличении содержания
кремния до 1 %. С целью повышения термостойкости и общей прочности валков
чугун дополнительно легируют 0,3—0,5 % Мо. Кроме серого чугуна с пластинчатым
графитом широко применяют чугун с шаровидным графитом. Из этого литейного
сплава можно изготовлять валки с отбеленным слоем регламентированных размеров
и валки со структурой половинчатого чугуна в рабочем слое. По составу
применяемый высокопрочный чугун с шаровидным графитом является доэвтектическим,
но концентрация углерода и кремния в нем более высокая (3,1—3,5 % С, 0,8—1,8
% Si).
Как уже отмечалось, износостойкость валков определяется
твердостью отбеленного слоя, максимальное значение которой при использовании
нелегированных чугунов достигает 70 HSD. Такую твердость можно получить у
валков, диаметр бочки которых не превышает 500 мм. В связи с совершенствованием станов непрерывной и полунепрерывной прокатки потребовались
более долговечные валки высокой твердости (90—95 HSD). Валки для этих станов
отливают двуслойными. Наружный слой формируется из чугуна, легированного
хромом, никелем, молибденом, а центральная зона — из серого чугуна. Получение
двуслойных валков потребовало разработки специальной технологии.
Сортопрокатные валки изготовляют из нелегированных чугунов
с регламентированным (20—40 мм) отбеленным рабочим слоем и легированных со
структурой половинчатых чугунов в рабочем слое. В качестве основных
легирующих элементов применяют хром, никель, а для повышения термостойкости и
прочности используют молибден (0,3—0,6 %), ванадий (0,15—0,40 %) и медь
(0,8—1,4 %).
Сортопрокатные валки отливаются как с гладкой
бочкой, в которых калибры вытачивают посредством механической обработки, так
и с литыми профилированными калибрами.
Изменение твердости сортопрокатных валков достигается
изменением степени легирования чугуна и теплового сопротивления стенки
литейной формы путем нанесения на нее слоя теплоизоляционной краски
(обмазки).
Сортопрокатные валки из высокопрочного чугуна с шаровидным
графитом имеют более высокую прочность и износостойкость. Твердость чугуна от
наружной поверхности к середине валка изменяется менее интенсивно, чем в
валках из чугуна с пластинчатым графитом.
Заметное повышение износостойкости валков достигается
применением высокохромистых чугунов, имеющих структуру тонкодисперсного
перлита с равномерными включениями карбидов хрома или хромистой эвтектики.
В последнее время все шире применяют бандажированные
валки, изготовляемые как методом горячей посадки бандажа (бочки) на отдельно
изготовленную ось, так и путем заливки чугуна в литейную форму с
установленной в ней осью. Последний способ значительно проще, но требует
специальных приемов, обеспечивающих протекание усадки бочки.
Как показано выше, для обеспечения долговечности
практически всех типов металлургических валков их производят из отбеленного
чугуна. Из многочисленных факторов, определяющих структуру чугуна валка,
отметим лишь основные: химический состав сплава, режим его охлаждения в форме
и условия подготовки сплава (шихтовые материалы, температурно-временная
обработка и т. д.).
Из всех элементов, входящих в состав нелегированного
чугуна, наиболее заметное влияние на отбеливаемость оказывают углерод и
кремний. Эти элементы являются графитизаторами, и поэтому увеличение их
концентрации вызывает уменьшение глубины отбеленной зоны.
Наряду с величиной отбела важна и другая его
характеристика — твердость.
Регулирование отбеливаемости углеродом является неудобным,
так как повышенное содержание углерода снижает прочность сердцевины.
Содержание углерода в чугуне для валков холодной прокатки, когда необходима
высокая твердость поверхности, рекомендуется поддерживать в пределах 3—3,5 %.
В чугуне для прокатных валков, калибры которых вытачиваются,
содержание углерода несколько ниже (2,7— 3 %), что обеспечивает более высокие
механические свойства сердцевины и большую глубину отбела. Глубокий слой
отбела необходим, чтобы избежать его прорезания при механической обработке.
Кремний в отличие от углерода практически не влияет на твердость
отбеленного слоя, поэтому глубину отбела удобнее регулировать изменением его
концентрации. Содержание этого элемента в чугунах для валков составляет 0,4—1
% и только в чугунах с шаровидным графитом достигает 2 %.
Концентрацию серы и фосфора желательно иметь минимальной,
их допустимое содержание обусловливается используемой шихтой и типом
плавильного агрегата.
Скорость охлаждения отливок валков регулируют изменением
толщины стенки кокиля и слоя нанесенной на него краски. Толщина стенки кокиля
обычно составляет 0,2—0,23 диаметра бочки. Краска на кокиль наносится слоем
0,5—10 мм, толщину этого слоя регулируют специальными шаблонами.
Особенности изготовления литейных форм
Для отливки валков применяют комбинированные формы ( 107).
В песчаных частях формы выполняют нижнюю и верхнюю шейки, прибыль и
литниковую систему.
Формы шеек, элементов литниковой системы и прибылей
изготовляют в специальных опоках по моделям, с помощью трамбоБок, пескометов,
пуансонно-шнековых машин. Все элементы формы окрашивают графитовыми красками.
Кокили, в зависимости от конфигурации бочки валка, могут быть гладкими,
сплошными цилиндрическими или профилированными разъемными ( 108).
Песчаные элементы формы сушатся при 300—400 °С, кокиль
перед окраской и сборкой подогревают до 200—250 °С.
При отливке профилированных сортопрокатных валков во
избежание образования внутренних напряжений и трещин кокили
необходимо делать разъемными, допускающими протекание
усадки валка при охлаждении его в форме. Конструкция таких кокилей и
технология отливки разработаны А. Е. Кри- вошеевым. Подвижность отдельных
частей кокиля достигается установкой в процессе сборки деревянных прокладок,
которые выгорают.
Для выплавки чугуна можно применять практически все
известные типы плавильных агрегатов, обеспечивающие получение расплава
необходимого состава, перегрева и использование крупногабаритной шихты. Более
стабильные результаты и гибкость производства обеспечиваются в цехах,
оборудованных дуговыми и индукционными печами. При отливке двуслойных валков
необходимо иметь расплавы разных составов для наружного слоя и сердцевины.
Отбеливаемость чугуна при выплавке его для валков проверяется по специальной
технологической пробе. Этот метод является одним из основных методов оценки
качества расплава.
Технология получения двуслойных прокатных валков для
прокатки листового металла часто предусматривает промывку формы. Сначала
ее полость заполняется чугуном, предназначенным для формирования рабочего
слоя белого чугуна (легированного). После определенного времени форму
промывают через ту же литниковую систему нелегированным (высококремнистым)
чугуном, из которого формируют сердцевину валка, его шейки. Время начала
промывки и ее продолжительность зависят от размеров валка. Чугун, которым
промывают форму, вытесняет неуспевший затвердеть легированный чугун, и последний
через желоб сливается в специальную емкость ( 109).
Другая технология получения двуслойных валков
— полупромывка. В этом случае чугуном, предназначенным для формирования
рабочего наружного слоя бочки валка, форма заливается не полностью — до
уровня верхней по заливке шейки. По истечении времени, необходимого для
затвердевания рабочего слоя, через ту же литниковую систему производится
ступенчато (по 150—200 кг) доливка формы высококремнистым чугуном, который,
смешиваясь с первоначально залитым, формирует центральную зону валка. По
такой технологии изготовляют валки из чугуна с шаровидным графитом.
Продолжительность выдержки валка в форме определяется его
размерами. Во избежание образования трещин температура бочки валка при
выбивке не должна превышать 150 °С.
Центробежный способ отливки валков в отличие от
стационарного позволяет:
снизить расход легирующих элементов при производстве
двуслойных валков, так как они расходуются в основном на получение рабочего
слоя валка;
снизить общий расход металла на отливку на 15—20 %
вследствие отсутствия литниковой системы и прибылей;
отливать без стержней многие типы пустотелых валков или
бандажей для составных валков.
Для отливки валков применяют центробежные машины с
горизонтальной, вертикальной и изменяющейся осями вращения.
На отечественных вальцелитейных заводах для отливки
прокатных валков диаметром 200—450 и длиной 1100—2000 мм применяют
роликовые центробежные машины с горизонтальной осью вращения ( 110). Машина
смонтирована на стальной раме 1. На ролики 2 укладывают кокиль 3, на наружной
поверхности которого имеются два выступающих концентрических пояска. Каждый
поясок опирается на два ролика 2, а сверху прижимается третьим 4. Кокиль
получает вращение от приводного ролика 5, соединенного клино- ременной
передачей с двигателем постоянного тока, с регулируемой частотой вращения.
Снаружи кокиль охлаждается водой.
При отливке валков на центробежных машинах с изменяющейся
осью вращения наружный рабочий слой валка формируют при горизонтальном
вращении формы, а сердцевину — при наклонном и вертикальном вращении с
меньшей частотой вращения. Такие машины нашли применение для отливки крупных
листопрокатных и сортопрокатных валков у прокатных станов для листового
металла.
|