Способ восстановления бандажированного ролика
Владельцы патента RU 2291041:
Открытое акционерное общество "Магнитогорский металлургический комбинат" (RU)
Изобретение может быть использовано для восстановления бандажированного ролика моталок. Предварительный нагрев бандажа ролика проводят до температуры 200...250°С со скоростью 40...50°С/ч. Многослойную наплавку ведут стальным электродом со скоростью 20...30 м/ч при плотности электрического тока 35...45 А/мм2. Термообработку осуществляют путем нагрева наплавленного бандажа ролика до температуры 400...450°С со скоростью не более 40...50°С/ч, выдержки в течение 2...4 часов и охлаждения со скоростью не более 40...50°С/ч до температуры окружающей среды. В качестве материала для первого и последующих нечетных слоев рекомендуется применять стальной электрод следующего состава, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 0,50...1,50; железо остальное. Для второго и последующих четных слоев - стальной электрод следующего состава, мас.%: углерод 0,30...0,60; марганец 0,30...1,0; кремний 0,30...0,50; хром 2,0...3,0; вольфрам 8,0...10,0; ванадий 0,20...0,60; железо остальное. Способ позволяет повысить стойкость бандажированного ролика. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству, и может быть использовано для восстановления бандажированного ролика моталок станов горячей прокатки.
Ролики моталок станов горячей прокатки металла работают в условиях совместного абразивного и теплового износа рабочей поверхности из-за действия сматываемой полосы. В результате ролики быстро выходят из строя. Предлагается методом наплавки восстанавливать исходный диаметр бандажей роликов и повышать их износостойкость.
Известен способ восстановления бандажированного валка, при котором применяют подогрев оси до температуры 120...200°С и предварительный подогрев бандажа до температуры 300...350°С (авт. св. СССР №1622092).
Недостатком известного способа является невозможность применения его для наплавки бандажированного ролика моталок из-за низкой стойкости наплавленного слоя в условиях абразивного износа при контакте с охлажденной на отводящем рольганге полосой.
Известен также способ восстановления ролика, при котором в качестве наплавочного электрода используют проволоки из стали Св-08, Св-08А, Нп-30ХГСА диаметром 3-4 мм и наплавляют на токе 300...400 А под флюсом АН-348А (Гребеник В.М., Гордиенко А.В., Цапко В.К. Повышение надежности металлургического оборудования. М.: Металлургия, 1988. С.478-479).
Недостатком известного технического решения является низкая стойкость ролика моталки и смещение бандажа по оси ролика в процессе наплавки и эксплуатации на стане, что является недопустимым.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ восстановления бандажированного ролика. Согласно изобретению ролик нагревают под наплавку до температуры не более 150°С со скоростью 80°С/ч. Многослойную наплавку осуществляют стальным электродом при силе электрического тока не более 350 А. Термическую обработку проводят путем нагрева до температуры 400...500°С со скоростью не более 80°С/ч. Выдержка ролика при температуре нагрева составляет 7...8 ч. Охлаждение ролика производят со скоростью не более 80°С/ч до температуры 120°С и долее на воздухе (Патент РФ №2123412).
Недостатки известного способа состоят в том, что он предназначен для восстановления колец бандажированного ролика машины непрерывного литья заготовок, поэтому режимы восстановления не обеспечивают удовлетворительную абразивную и тепловую стойкость ролика моталки. В результате появляются трещины и выработка на бочке ролика, что приводит к снижению стойкости роликов, а также к травмированию сматываемых полос.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении стойкости ролика моталки.
Указанная задача решается тем, что в способе восстановления бандажированного ролика, включающем предварительный нагрев, многослойную наплавку стальным электродом и термическую обработку наплавленного бандажа ролика, согласно предложению предварительный нагрев бандажа ролика производят до температуры 200...250°С со средней скоростью 40...50°С/ч, наплавку ведут со скоростью 20...30 м/ч при плотности электрического тока 35...45 А/мм2, а термообработку проводят путем нагрева бандажа ролика до температуры 400...450°С со средней скоростью 40...50°С/ч, выдержки в течение 2...4 часов и охлаждения со средней скоростью 40...50°С/ч до температуры окружающей среды.
Возможен вариант выполнения способа, по которому наплавку первого и последующих нечетных слоев производят стальным электродом следующего состава, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 0,50... 1,50; железо остальное.
Для второго и последующих четных слоев используют стальной электрод следующего состава, мас.%: углерод 0,30...0,60; марганец 0,30...1,0; кремний 0,30...0,50; хром 2,0...3,0; вольфрам 8,0...10,0; ванадий 0,20...0,60; железо - остальное.
Сущность изобретения состоит в следующем. Бандаж бочки на ось насаживают посадкой с натягом. При наплавке изношенного бандажа по известной технологии происходит его перегрев и снижение посадочных напряжений, что приводит к смещению бандажа относительно оси в процессе наплавки и при эксплуатации ролика на стане. Для предотвращения смещения бандажа относительно оси предварительный подогрев производят со средней скоростью 40...50°С/ч. Экспериментально установлено, что при снижении средней скорости нагрева менее 40°С не происходит повышения стойкости ролика, а лишь возрастают продолжительность нагрева и энергозатраты.
При увеличении средней скорости нагрева более 50°С/ч резко увеличивается температурный градиент бандажа, а ось остается холодной. Напряжения натяга уменьшаются и бандаж сдвигается относительно оси, что недопустимо.
Верхний предел температуры нагрева 250°С выбран экспериментально. Температура нагрева выше 250°С приводит к перегреву бочки ролика, уменьшению твердости наплавленного бандажа и снижению напряжений натяга. При снижении температуры нагрева ниже 200°С в зоне, расположенной под наплавкой, образуются закалочные структуры и трещины. Это приводит к снижению стойкости ролика.
Экспериментально установлено, что снижение скорости наплавки менее 20 м/ч приводит к удлинению процесса и перегреву бандажа ролика выше допустимой температуры. При увеличении скорости наплавки более 30 м/ч возрастает количество несплошностей в металле, что ухудшает качество наплавки.
При плотности электрического тока менее 35 А/мм2 из-за недостаточного проплавления электрода качество наплавки ухудшается. Увеличение плотности электрического тока более 45 А/мм2 приводит к перегреву бандажа ролика, что снижает его стойкость.
После наплавки бандаж ролика имеет высокие остаточные сварочные напряжения, поэтому ролик подвергают термической обработке. В процессе термической обработки ролик нагревают со средней скоростью 40...50°С/ч для обеспечения прогрева бандажа ролика. Снижение средней скорости нагрева менее 40°С/ч приводит к образованию крупных зерен микроструктуры бандажа, что ведет к снижению его стойкости.
При увеличении средней скорости нагрева более 50°С/ч возрастает температура бандажа, а ось остается холодной. Напряжения натяга уменьшаются, и бандаж сдвигается относительно оси.
Экспериментально установлено, что если температура термообработки будет превышать 450°С, произойдет разупрочнение наплавленного бандажа ролика. При температуре термообработки ниже 400°С в наплавленном бандаже ролика сохранятся сварочные напряжения, которые в дальнейшем приведут к образованию трещин.
Увеличение времени выдержки более 4 ч приведет к потере твердости. Сокращение времени выдержки менее 2 ч не обеспечивает полного снятия сварочных напряжений.
При снижении скорости охлаждения менее 40°С/ч образуются крупные зерна микроструктуры материала бандажа, что снижает его стойкость. Увеличение скорости охлаждения выше 50°С/ч вызывает образование трещин в наплавленном слое, что ухудшает стойкость ролика.
Ролик моталки эксплуатируется в условиях трения со стороны сматываемого металлопроката. Поэтому оптимальным вариантом является наплавка износостойкости вольфрамосодержащей сталью. Но при многослойной наплавке только вольфрамосодержащей сталью возникают трещины и разрушения наплавленных слоев из-за высокой хрупкости и низкой свариваемости. Поэтому для многослойной наплавки в качестве материала для первого и последующих нечетных слоев рекомендовано применять электрод из стали, обладающей высокой свариваемостью и пластичностью, содержащей, мас.%: углерод 0,20...0,40; марганец 0,30...0,50; кремний 0,30...0,50; хром 0,50...1,50; железо остальное, а для повторного и последующих четных слоев - электрод из стали, сочетающей высокую прочность и износостойкость, содержащей мас.%: углерод 0,30...0,60; марганец 0,30...1,0; кремний 0,30...0,50; хром 2,0...3,0; вольфрам 8,0...10,0; ванадий 0,20...0,60; железо остальное.
Для первого и последующих нечетных слоев углерод обеспечивает матричное упрочнение наплавленного металла. Углерод усиливает способность образовывать твердую и прочную микроструктуру при охлаждении наплавленного слоя. Содержание углерода менее 0,20% мало оказывает влияние на упрочнение наплавленного металла. При содержании углерода выше 0,40% наплавленный металл при наплавке подвержен растрескиванию.
Марганец (Mn) упрочняет матрицу металла первого и последующих нечетных слоев и значительно улучшает пластичность металла при наплавке. Минимальная концентрация Mn, необходимая для достижения требуемой прочности, равна 0,30%. Подобно углероду Mn в избытке ухудшает вязкость металла и также вызывает появление трещин при наплавке, поэтому его верхний предел ограничен 0,50%.
Кремний вводится в наплавочный металл первого и последующих нечетных слоев в качестве раскислителя в количестве 0,30...0,50%. С понижением количества кремния менее 0,30% возможно появление пор при наплавке. Взятый в избытке кремний отрицательно влияет на вязкость наплавленного металла в зоне термического влияния (ЗТВ), которая при его концентрациях более 0,50% снижается до неприемлемого уровня.
Хром повышает упрочняемость наплавленного металла при охлаждении. При содержании хрома менее 0,50% в первом и последующих нечетных слоях не обеспечивается прочность наплавленного металла. При содержании хрома свыше 1,50% не обеспечивается оптимальная структура металла из-за появления остаточного аустенита.
Для второго и последующих четных слоев углерод обеспечивает дисперсное упрочнение вследствие образования в наплавленном слое мелких карбидных частиц. Содержание углерода (С) менее 0,30% приводит к уменьшению твердости и износостойкости наплавленного слоя, а более 0,60% приводит к появлению трещин в наплавленном металле.
Марганец улучшает пластичность матрицы металла при наплавке второго и последующих четных слоев. Минимальная концентрация Mn, необходимая для достижения высокой износостойкости, равна 0,30%. Подобно углероду, Mn в избытке ухудшает вязкость металла и также вызывает образование трещин при наплавке, поэтому его верхний предел 1,0%.
Кремний присутствует в наплавочном металле второго и последующих четных слоев в качестве раскислителя. Содержание кремния менее 0,30% в наплавленном металле приводит к образованию пор. Концентрация кремния более 0,50% уменьшает вязкость наплавленного металла в ЗТВ.
Содержание хрома в стали, применяемой при наплавке второго и последующих четных слоев, менее 2,0% не обеспечивает требуемую износостойкость наплавленного бандажа. При содержании хрома более 3,0% в наплавленном металле появляется остаточный аустенит, что снижает стойкость ролика.
Вольфрам (W) добавлен во второй и последующие четные слои для дисперсного упрочнения и увеличения износостойкости при выпадении мелких частиц WC в наплавленном металле. Верхний предел 10,0% установлен потому, что избыток W приводит к растрескиванию и ухудшает вязкость наплавленного металла и его ЗТВ. С понижением содержания вольфрама меньше 8,0% износостойкость наплавленного бандажа снижается, что неприемлемо.
Ванадий (V) повышает прочность наплавленного металла второго и последующих четных слоев с образованием упрочненной матрицы и дополнительно обеспечивает дисперсионное упрочнение при отпуске вследствие выпадения частиц VC. Избыток V способствует появлению трещин при наплавке и ухудшает вязкость наплавленного металла, поэтому верхний предел установлен 0,60%. При содержании ванадия менее 0,20% износостойкость наплавленного бандажа снижается.
Примеры реализации способа
Были изготовлены пять вариантов I-V стальных электродов различного состава для наплавки нечетных (н) и пять вариантов I-V для наплавки четных слоев (ч), приведенные в таблице 1.
В варианте 1 составы для наплавки нечетных (н) и четных (ч) слоев имеют концентрацию элементов меньше заявленных пределов. В вариантах II-IV концентрация элементов соответствует заявленным пределам. В варианте V концентрация элементов для нечетных (н) и четных (ч) слоев выше заявленных пределов.
| Таблица 1 | |||||||
| Вариант | Слой | Состав электродов, мас.% | |||||
| С | Mn | Si | Cr | W | V | ||
| I | н | 0,19 | 0,29 | 0,29 | 0,49 | - | - |
| ч | 0,29 | 0,29 | 0,29 | 1,9 | 7,9 | 0,19 | |
| II | н | 0,20 | 0,30 | 0,30 | 0,50 | - | - |
| ч | 0,30 | 0,30 | 0,30 | 2,0 | 8,0 | 0,20 | |
| III | н | 0,30 | 0,40 | 0,40 | 1,0 | - | - |
| ч | 0,45 | 0,65 | 0,40 | 2,5 | 9,0 | 0,40 | |
| IV | н | 0,40 | 0,50 | 0,50 | 1,50 | - | - |
| ч | 0,60 | 1,0 | 0,50 | 3,0 | 10,0 | 0,60 | |
| V | н | 0,41 | 0,51 | 0,51 | 1,51 | - | - |
| ч | 0,61 | 1,10 | 0,51 | 3,1 | 10,1 | 0,61 |
Изношенный бандажированный ролик моталки непрерывного широкополосного стана 2000 горячей прокатки, с диаметром бандажа 850 мм устанавливают на наплавочный станок и приводят во вращение. При этом бандаж нагревают индуктором до температуры Тпод=225°С со средней скоростью Vпод=45°С/ч. Наплавку ведут под слоем флюса марки АН-60 стальным электродом диаметром 4,0 мм. Первый слой и последующие нечетные слои наплавляют электродом состава III (н), а второй и последующие четные слои электродом состава III (ч). Скорость наплавки составляет Vсв=25 м/ч, плотность электрического тока при наплавке J=40 А/мм2. Наплавку ведут до восстановления номинального размера бандажа ролика с припуском на механическую обработку (903 мм). После наплавки бандаж индуктором нагревают до температуры Тотп=425°С со средней скоростью Vнаг=45°С/ч. Бандаж выдерживают при этой температуре τ=3 ч и охлаждают до температуры окружающей среды со средней скоростью Vохл=45°С/ч.
Указанные технологические режимы обеспечивают получение бездефектного наплавленного бандажа ролика моталки. После завершения наплавки ролик устанавливают на вальцешлифовальный станок и шлифуют наплавленный бандаж до номинального диаметра 900 мм.
Восстановленный ролик собирают с подшипниками, устанавливают в моталку непрерывного широкополосного стана 2000 и осуществляют смотку горячекатаных стальных полос в рулоны. Благодаря применению предложенных режимов и составов стальных электродов достигается повышение стойкости ролика.
Режимы восстановления и показатель стойкости ролика (удельный расход роликов на тонну проката) приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||||||
| № режима | Вариант электрода | Tпод, °С | Vпод, °С/ч | Vсв, м/ч | J, А/мм2 | Тотп °С | Vнаг, °С/ч | τ, ч | Vохл, °С/ч | Уд. расход роликов, кг/т |
| 1 | I | 190 | 39 | 19 | 34 | 395 | 39 | 1,5 | 39 | 1,9 |
| 2 | II | 200 | 40 | 20 | 35 | 400 | 40 | 2 | 40 | 1,2 |
| 3 | III | 225 | 45 | 25 | 40 | 425 | 45 | 3 | 45 | 1,1 |
| 4 | IV | 250 | 50 | 30 | 45 | 450 | 50 | 4 | 50 | 1,2 |
| 5 | V | 260 | 51 | 31 | 46 | 455 | 51 | 4,5 | 51 | 1,5 |
| 6 (прототип) | 12Х13 | 140 | 70 | 20 | 30 | 480 | 70 | 7,0 | 70 | 2,0 |
Как следует из данных, приведенных в таблице 2, при реализации предложенного способа (режимы №2-4) достигается повышение стойкости восстановленных роликов моталок (удельный расход роликов минимален). В случае запредельных значений заявленных параметров (режимы №1 и №5) стойкость восстановленных роликов снижается. Также более низкую стойкость имеют ролики, восстановленные по способу-прототипу (режим №6).
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что регламентированные параметры восстановления бандажированного ролика обеспечивают получение высокой твердости и износостойкости. Этим достигается повышение стойкости бандажированного ролика моталки горячекатаной полосы.
В качестве базового объекта принят способ-прототип. Применение предложенного способа позволит повысить рентабельность восстановления бандажированного ролика на 20-30%.
1. Способ восстановления бандажированного ролика, включающий предварительный нагрев, многослойную наплавку стальным электродом и термическую обработку наплавленного бандажа ролика, отличающийся тем, что предварительный нагрев бандажа ролика производят до температуры 200-250°С со средней скоростью 40-50°С/ч, наплавку ведут со скоростью 20-30 м/ч при плотности электрического тока 35-45 А/мм2, а термообработку проводят путем нагрева бандажа ролика до температуры 400-450°С со средней скоростью 40-50°С/ч, выдержки в течение 2-4 ч и охлаждения со средней скоростью 40-50°С/ч до температуры окружающей среды.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку первого и последующих нечетных слоев производят стальным электродом следующего состава, мас.%:
| Углерод | 0,20-0,40 |
| Марганец | 0,30-0,50 |
| Кремний | 0,30-0,50 |
| Хром | 0,50-1,50 |
| Железо | Остальное |
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку второго и последующих четных слоев производят стальным электродом следующего состава, мас.%:
| Углерод | 0,30-0,60 |
| Марганец | 0,30-1,0 |
| Кремний | 0,30-0,50 |
| Хром | 2,0-3,0 |
| Вольфрам | 8,0-10,0 |
| Ванадий | 0,20-0,60 |
| Железо | Остальное |
