Способ эксплуатации чугунного валка сортопрокатного стана

Изобретение предназначено для использования в черновых клетях станов горячей прокатки стальных сортовых профилей. Способ включает проточку ручьев на бочке валка, завалку в клеть и деформирование стальной полосы в калибрах, образуемых ручьями смежных валков, с подачей на ручьи охлаждающей воды. Повышение стойкости валков и качества сортовых профилей обеспечивается за счет того, что деформирование в калибрах ведут с коэффициентом вытяжки не более 1,75 при температуре полосы не выше 1170°С, охлаждающую воду на ручьи подают как со стороны входа полосы в валки, так и со стороны выхода, валок изготавливают из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом регламентируемого химического состава. Перед началом эксплуатации валок подвергают отжигу путем нагрева до температуры 600-670°С, выдержки при этой температуре в течение 8-30 ч и охлаждения со скоростью 5-20°С/ч. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сортопрокатному производству, и может быть использовано в черновых клетях станов горячей прокатки стальных сортовых профилей.

Известен способ эксплуатации валка стана горячей прокатки, включающий монтаж валка с подушками, завалку в клеть и прокатку разогретой стальной полосы с подачей на валок охлаждающей воды. При этом чугунный валок имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	2,5-3,7
Кремний	0,2-2,2
Марганец	0,2-1,5
Фосфор	не более 0,1
Сера	не более 0,08
Никель	0,8-4,5
Хром	0,5-5,0
Молибден	0,2-1,5
Железо	Остальное [1].

Недостатки указанного способа состоят в том, что вследствие действия контактных скольжений металла в очаге деформации и температурных циклических нагрузок происходит интенсивный износ валка. Это снижает стойкость валка и ухудшает качество прокатываемых стальных полос.

Известен также способ эксплуатации чугунного рабочего валка стана горячей прокатки, включающий его переточку, завалку в клеть и прокатку стальных полос с одновременной подачей охлаждающей жидкости. Валок выполнен из чугуна следующего состава, мас.%:

Углерод	2,8-4,0
Кремний	0,5-1,5
Марганец	0,5-1,0
Фосфор	не более 0,08
Сера	не более 0,06
Никель	3,0-5,0
Хром	1,0-3,0
Молибден	1,5-5,0
Железо	Остальное [2].

При таком способе эксплуатации также имеет место интенсивный износ сортопрокатных валков вследствие термической усталости. По мере накопления износа происходит ухудшение качества сортовых профилей.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ эксплуатации чугунного валка сортопрокатного стана, включающий проточку ручьев на его бочке, завалку в клеть и деформирование стальной полосы в калибрах, образуемых ручьями смежных валков, с подачей на ручьи охлаждающей воды, согласно которому деформирование в калибрах ведут с коэффициентом относительной вытяжки не более 1,35 при температуре полосы 800-1100°C, причем чугун, из которого изготовлен валок, имеет следующий химический состав, мас.%:

Углерод	2,8-3,5
Кремний	1,2-1,7
Марганец	0,35-0,70
Фосфор	0,04-0,11
Сера	не более 0,16
Хром	0,2-0,5
Никель	2,8-3,6
Молибден	0,1-0,5
Ванадий	0,01-0,03
Медь	0,4-0,8
Железо	Остальное [3].

Недостатки известного способа состоят в следующем. После завалки в клеть валка с проточенными ручьями из чугуна известного состава при прокатке сортового профиля его ручей в очаге деформации подвергается циклическому воздействию высоких температур, контактных давлений и фрикционному износу из-за пластического течения металла при его вытяжке. В результате термические трещины распространяются вглубь валка, уменьшая его стойкость. Все это вызывает ускоренный износ валка, особенно в черновых клетях, образование в нем трещин и отслоений. Это снижает стойкость валка и качество сортовых профилей.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении стойкости валков и качества сортовых профилей.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе эксплуатации чугунного валка сортопрокатного стана, включающем проточку ручьев на его бочке, завалку в клеть и деформирование стальной полосы в калибрах, образуемых ручьями смежных валков, с подачей на ручьи охлаждающей воды, согласно предложению деформирование в калибрах ведут с коэффициентом вытяжки не более 1,75 при температуре полосы не выше 1170°C, охлаждающую воду на ручьи подают как со стороны входа полосы в валки, так и со стороны выхода, причем для изготовления валка используют высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ), имеющим следующий химический состав, мас.%:

Углерод	3,1-3,3
Кремний	0,9-1,19
Марганец	0,5-0,6
Хром	0,3-0,4
Никель	3,0-3,5
Молибден	0,3-0,4
Фосфор	не более 0,10
Сера	не более 0,02
Железо	Остальное.

Кроме того, перед началом эксплуатации валок подвергают отжигу путем нагрева до температуры 600-670°C, выдержки при этой температуре в течение 8-30 ч и охлаждения со скоростью 5-20°C/ч.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Стойкость чугунного валка сортопрокатного стана определяется как комплексом его служебных свойств, так и условиями работы в клети. Поэтому для повышения стойкости валка необходимо одновременно оптимизировать химический состав, микроструктуру чугуна, и снизить в нем механические напряжения, возникающие в процессе кристаллизации после отливки. Валки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом предложенного состава показали наилучшую стойкость против фрикционного износа, а также против образования и развития усталостных и термических трещин. Объясняется это тем, что зарождающиеся на поверхности ручья микротрещины доходят в глубину лишь до ближайшего графитового глобуля, где происходит остановка их дальнейшего развития. Легированная металлическая матрица, в которой расположены графитовые глобули, имеет повышенную твердость и стойкость против фрикционного износа. Отсутствие в ней в результате отжига перед началом эксплуатации валка остаточных механических напряжений снижает вероятность поломок валка и разрушений поверхности, а подача охлаждающей воды на ручьи как со стороны входа полосы в валки, так и со стороны выхода, обеспечивает улучшение теплосъема и термических напряжений, уменьшает потерю твердости ручья из-за перегрева при контакте с прокатываемым металлом. Благодаря этому температура прокатываемого металла и коэффициент вытяжки могут быть увеличены до Т=1170°C и λ=1,75 (против Т=1100°C и λ=1,35 в способе-прототипе) при повышении стойкости валка. Следствием повышения стойкости валка является повышение качества сортовых профилей по точности размеров и отсутствию дефектов поверхности.

Экспериментально установлено, что увеличение коэффициента относительной вытяжки λ более 1,75 ведет к увеличению длины пути контактного трения в очаге деформации росту температуры поверхности ручья из-за удлинения его времени контакта с нагретым металлом. Это приводит к увеличению износа ручья.

Повышение температуры полосы более 1170°C при одновременном увеличении протяженности очага деформации за счет повышения коэффициента вытяжки λ вызывает перегрев поверхности ручья, его повышенный износ, что недопустимо.

При подаче охлаждающей воды на ручей только с одной стороны (входа или выхода металла) приводит к перегреву валка, потере твердости поверхности ручья и повышенному его износу.

При содержании в чугуне углерода менее 3,1% снижается твердость металлической матрицы, она обедняется карбидами, т.к. часть углерода уходит на образование графитовых глобулей. В результате увеличивается фрикционный износ ручья. Увеличение содержания углерода более 3,3% приводит к снижению прочности валка и образованию выкрошек при прокатке.

Кремний обеспечивает необходимую жидкотекучесть при отливке валка и повышает его упругость. Снижение содержания кремния менее 0,9% ухудшает износостойкость валка, а увеличение сверх 1,19% охрупчивает металлическую матрицу ВЧШГ, ведет к образованию сколов на ручье.

Марганец раскисляет чугун, связывает примесную серу в сульфиды, повышает прочность и износостойкость металлической матрицы. Снижение содержания марганца менее 0,5% приводит к повышенному износу ручья валка, а увеличение более 0,6% способствует развитию термических трещин вглубь металлической матрицы валка, снижает его стойкость.

Хром и никель введены в ВЧШГ для повышения термической и фрикционной стойкости ручья валка. При содержании хрома менее 0,3% или никеля менее 3,0% снижается прочность металлической матрицы и стойкость ручья. Увеличение концентрации хрома более 0,4% или никеля более 3,5% переупрочняет металлическую матрицу, способствует развитию термических трещин вглубь валка. Это снижает его стойкость.

Молибден повышает механическую прочность валка, стойкость против износа. При снижении содержания в чугуне молибдена менее 0,3% ручей валка имеет низкую твердость и износостойкость. Увеличение содержания молибдена более 0,4% не приводит к дальнейшему повышению стойкости валка и качеству сортовых профилей, а лишь увеличивает стоимость легирующих.

Фосфор является элементом, оказывающим при концентрации не более 0,10% благоприятное влияние на литейные свойства чугуна. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость валка. Однако увеличение содержания фосфора более 0,10% способствует развитию фрикционного и температурного износа ручьев валка.

Сера является вредной примесью, она снижает жидкотекучесть чугуна при отливке и ухудшает вязкостные свойства литого валка из ВЧШГ, поэтому его содержание ограничено величиной 0,02%, при которой отрицательное влияние серы проявляется слабо. При содержании серы в ВЧШГ более 0,02% валок характеризуется неравномерными свойствами и низкой трещинностойкостью.

Отжиг перед началом эксплуатации валка, отлитого из ВЧШГ предложенного состава при температуре ниже 600°C и времени выдержки менее 8 ч, не обеспечивает снятия внутренних напряжений, возникших в процессе кристаллизации расплава. Остаточные напряжения, суммируясь с температурными и силовыми напряжениями в процессе прокатки, приводят к поломке валка и сколам участков ручья. Увеличение температуры отжига более 670°C или времени выдержки более 30 ч приводят к потере твердости металлической матрицы ВЧШГ, снижению износостойкости ручья, ухудшению качества сортовых профилей.

Охлаждение отожженного валка из ВЧШГ со скоростью более 20°С/ч приводит к появлению термических напряжений и снижению стойкости валка. Уменьшение скорости охлаждения менее 5°C/ч не повышает стойкость валка, а лишь удлиняет цикл его отжига, что нецелесообразно.

Примеры реализации способа

Для прокатки сортовых профилей на среднесортном стане 350 используют чугунные валки с диаметром бочки 600 мм и с химическим составом, приведенным в табл.1.

Таблица 1. Химический состав ВЧШГ для литых валков сортопрокатного стана
№ состава	Содержание химических элементов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Р	S	Fe
1.	3,0	0,80	0,40	0,20	2,90	0,20	0,07	0,011	остальн.
2.	3,1	0,90	0,50	0,30	3,00	0,30	0,08	0,012	-:-
3.	3,2	1,50	0,55	0,35	3,25	0,35	0,09	0,016	-:-
4.	3,3	1,19	0,60	0,40	3,50	0,40	0,10	0,020	-:-
5.	3,4	1,20	0,70	0,50	3,60	0,50	0,20	0,030	- -
6. (прототип)	3,5	1,70	0,70	0,50	3,60	0,50	0,11	0,16	-:-

Чугуны всех составов выплавляли в электродуговой печи. Выплавленный чугун для получения шаровидного графита обрабатывали магниевой лигатурой. Отливку валков из ВЧШГ проводили при температуре расплава в ковше 1310°C.

Отлитые валки подвергали отжигу по режиму: нагрев до температуры отжига Т_о=635°C, выдержка в течение времени τ_о=19 ч, охлаждение со скоростью V_o=12°C/ч.

На бочках валков выполняли ручьи трапециевидного сечения, образующие открытые ящичные калибры, и заваливали в 3-ю клеть черновой группы стана 350. В клетях черновой группы осуществляли прокатку непрерывнолитой заготовки сечением 150Х150 мм. Температура полосы в 3-й клети составляла Т=1150°C. В процессе прокатки на ручьи валков подавали охлаждающую воду как со стороны входа полосы в валки, так и со стороны выхода. Прокатку полос в 3-й клети вели с коэффициентом вытяжки λ=1,45 до достижения величины выработки ручья, равной 0,1 мм. После этого валки вываливали из клети и восстанавливали форму ручьев проточкой. Проточенные валки вновь заваливали в клеть для прокатки.

Удельный расход валков при этом составляет R=0,16 кг/т (кг на тонну проката) при выходе кондиционной продукции Q=99,4%.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в табл.2.

Из данных, приведенных в табл.1 и табл.2 следует, что при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение стойкости валков и качества сортовых профилей. В этих случаях удельный расход валков минимальный при максимальном выходе кондиционного проката. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1 и №5), а также при реализации способа-прототипа (вариант №6) имеет место снижение стойкости валков и качества сортовых профилей.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что одновременная оптимизация режимов эксплуатации (режим отжига валков, допустимая вытяжка при прокатке и температура полосы, охлаждение валков) и применение валков из ВЧШГ заданного химического состава обеспечивают наиболее высокую стойкость валков в черновых клетях сортопрокатного стана. Уменьшение износа ручьев валков благоприятно сказывается на качественных показателях сортовых профилей: точности размеров и качестве поверхности. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности сортопрокатного производства на 10-12%.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:

1. Заявка Японии №63174706, МПК В21В 27/02, В21В 27/00, 1988 г.

2. Заявка Японии №62-160702, МПК В21В 27/00, С22С 37/00, 1989 г.

3. Патент РФ №2259243, МПК В21В 1/22, 2005 г.

Таблица 2. Режимы эксплуатации чугунных валков и их эффективность
№ п/п	№ состава	Режим отжига	Режим прокатки	R, кг/т	Q,%
То, °C	τо, ч	Vo, °C/ч	Т, °С	λ
1.	5	590	7	4	980	1,32	0,22	97,6
2.	2	600	8	5	990	1,39	0,15	99,3
3.	3	635	19	12	1000	1,45	0,16	99,4
4.	4	670	30	20	1160	1,75	0,15	99,2
5.	1	680	31	21	1170	1,76	0,23	97,5
6. (прототип)	6	не регл.	не регл.	не регл.	1100	1,35	0,22	97,3

1. Способ эксплуатации чугунных валков сортопрокатного стана, включающий проточку на бочках валков ручьев, образующих калибры, завалку их в клеть и деформирование стальной полосы в калибрах с подачей на ручьи охлаждающей воды, отличающийся тем, что деформирование в калибрах ведут с коэффициентом вытяжки не более 1,75 при температуре полосы не выше 1170°С, охлаждающую воду на ручьи подают со стороны входа полосы в валки и со стороны выхода из валков, при этом для изготовления валков используют высокопрочный чугун с шаровидным графитом следующего химического состава, мас.%:

Углерод	3,1-3,3
Кремний	0,9-1,19
Марганец	0,5-0,6
Хром	0,3-0,4
Никель	3,0-3,5
Молибден	0,3-0,4
Фосфор	не более 0,10
Сера	не более 0,02
Железо	остальное.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед началом эксплуатации валки подвергают отжигу путем нагрева до температуры 600-670°С, выдержке при этой температуре в течение 8-30 ч и охлаждению со скоростью 5-20°С/ч.