НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона
ШЕВЧЕНКО
Віталій Юхимович
УДК 669.187.56
ЕЛЕКТРОШЛАКОВА ТЕХНОЛОГІЯ
У ВИРОБНИЦТВІ СУЧАСНИХ ПРОКОКАТНИХ ВАЛКІВ
Спеціальність - 05.16.07
"Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів"
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2001
Дисертація є рукопис.
Робота виконана в Інституті електрозварювання ім.. Є.О. Патона Національної академії наук України.
Науковий керівник: доктор технічних наук академік НАНУ Борис Ізраїльович Медовар доктор технічних наук, старший науковий співробітник Медовар Лев Борисович Інститут електрозварювання ім.. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАНУ Григоренко Георгій Михайлович Інститут електрозварювання ім.. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом.
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Рябцев Анатолій Данилович Донецький технічний державний університет, доцент.
Провідна установа: Фізико-технологічний інститут металів і сплавів Національної академії наук України, м. Київ.
Захист відбудеться 21.11.2001р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.
З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, 03680, Київ-150, вул. Боженка, 11.
Автореферат розісланий 20.10.2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Киреєв Л.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Протягом останніх 10-15 років у прокатному виробництві промислово розвинених країн відбулися істотні зміни. Ці зміни торкнулися як конструкції прокатних станів, так і застосовуваних у них прокатних валків.
Умови прокатки, що визначають експлуатаційну якість валка істотно різняться в залежності від сортаменту прокату, конструкції стану, розташування кліті в стані, та багатьох інших факторів. Усе це створює велику гаму всіляких умов прокатки, у яких повинен працювати валок. Більш того, у різних клітях одного прокатного стану часто використовуються валки, виготовлені з різних матеріалів, забезпечуючи необхідну тривалість роботи стану.
Наприклад, для робочого шару валків (двошарових) безупинних широкорополосних станів гарячої прокатки (БШС ГП) останні 25 років застосовується високохромовий чавун з кількістю хрому близько 20-25 %, і вже близько 10 років так звані швидкорізальні сталі типу 200Х5М5Ф5В5. Для робочих валків листових станів холодної прокатки, близько 15 років застосовуються валки зі сталей типу 50...70Х3...5МФ, а останнім часом і двошарові валки з робочим шаром з так званих "напівшвидкорізальних" сталей типу 100Х5М5Ф5В5.
Сучасна тенденція розвитку технології виробництва валків і застосування нових матеріалів, використовуваних для їхнього виготовлення, може бути характеризована як заміна моноблокових валків з єдиним хімічним складом по перетину і довжині, двошаровими валками - тобто валками, виготовленими різними способами з відносно дешевої осі і з високолегованим робочим шаром.
В даний час для виготовлення двошарових валків прокатних станів використовуються найсучасніші технології: відцентрового лиття, гарячого ізостатичного пресування порошків, "СРС" процес (Continuous Pouring process for Cladding), "OSPREY" процес. Відомі також спроби виготовлення двошарових валків різними способами електрошлакового наплавлення.
Найбільш вдале поєднання властивостей і ціни спостерігається у валків отриманих методом "СРС". І хоча вони вдвічі дорожче ВЦЛ валків, показники їхньої роботи в стані в 3-4 рази перевищують такі ж показники ВЦЛ валків. Однак висока вартість виробництва валків методом СРС і особливо висока вартість ліцензії, змушують виробників валків шукати альтернативні способи, які б дозволили забезпечити якість валків, порівняно з якістю, отриманою за технологією СРС, але істотно знизити їхню вартість. Тому роботи, спрямовані на створення нових методів одержання сучасних двошарових валків є особливо актуальними.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У даній роботі використовуються результати наступних науково дослідницьких робіт:
- тема 90/1 "Досліджувати кінетичні особливості електрошлакового процесу з рідким металом без електродів, що витрачаються, для різних сталей і сплавів". 1997р.
Мета і задачі дослідження. Основною метою даної дисертації була розробка технології електрошлакового наплавлення двошарових прокатних валків з робочим шаром зі швидкорізальної сталі для чистових клітей БШС ГП. Для досягнення даної мети необхідно вирішити наступні задачі:
- провести порівняльну оцінку існуючих методів одержання двошарових прокатних валків з робочим шаром зі швидкорізальної сталі для чистових клітей БШС ГП;
- обґрунтувати необхідність розробки нового технологічного процесу - електрошлакового наплавлення рідким металом (ЕШН РМ) робочого шару зі швидкорізальної сталі на вісь з низьколегованої сталі;
- розробити методику проведення експериментальних досліджень процесу ЕШН РМ;
- спроектувати і підготувати спеціальне технологічне оснащення для проведення експериментальних досліджень процесу ЕШН РМ у лабораторних умовах;
- вивчити металургійні і технологічні особливості процесу ЕШН РМ;
- узагальнити результати експериментальних досліджень і видати вихідні дані для розробки математичної моделі процесу проплавлення осі заготовки двошарового валка при ЕШН РМ;
- відпрацювати технологічну схему процесу ЕШН РМ у лабораторних умовах при виготовленні партії модельних заготовок ЕШН РМ двошарових валків з робочим шаром з високолегованої швидкорізальної сталі типу 200Х5М5Ф5В5;
- дослідити якість металу модельних заготовок ЕШН РМ двошарових валків;
- розробити і видати рекомендації для реалізації технологічного процесу в промисловому виробництві.
Наукова новизна отриманих результатів.
- Розроблено технологію ЕШН РМ двошарових заготовок прокатних валків з робочим шаром зі швидкорізальної сталі типу 200Х5М5Ф5В5; отримані дані про якість з'єднання робочого шару з віссю (сталь типу 40Х): оцінена глибина проплавлення, розподіл хімічних елементів і мікротвердість у зоні з'єднання вісь – робочий шар.
- Сформульовано основні вимоги до флюсів для ЕШН РМ, що враховують теплофізичні, технологічні і металургійні особливості процесу ЕШН РМ, і на основі експериментальних досліджень для ЕШН РМ високолегованої сталі типу 200Х5М5Ф5В5 на низьколеговану сталь типу 40Х запропонований флюс АНФ-94 системи CaF2 - Al2O3 - CaO - SiO2, при співвідношенні компонентів, % 40 : 20 : 20 : 20.
- На основі аналізу результатів експериментальних досліджень розвиті уявлення про характер процесу плавлення осі заготовки двошарового валка в стартовий період при ЕШН РМ і встановлені чисельні залежності впливу технологічних параметрів наплавлення на форму та величину проплавлення наплавленої осі. Встановлено, що глибина шлакової ванни, за інших рівних умов, істотно не впливає на тривалість і початок плавлення заготовки. Отримані залежності покладено в основу математичної моделі, яка дозволяє обчислити глибину проплавлення осі по довжині наплавленої заготовки.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблено рекомендації і вимоги до промислового обладнання і технології ЕШН РМ двошарових заготовок прокатних валків діаметром до 1000 мм, довжиною наплавленої бочки до 2500 мм і масою до 20000 кг, які були реалізовані на ЗАТ “Новокраматорський машинобудівний завод”. Випробування першої партії двошарових валків станів гарячої прокатки з діаметром робочої поверхні 740 мм із робочим шаром зі швидкорізальної сталі виготовлених методом ЕШН РМ, показали підвищення їхньої стійкості в 4-4,5 рази в порівнянні зі стійкістю стандартних чавунних валків, що використовувалися раніше.
Особистий внесок здобувача. Дисертація підбиває підсумок експериментальним дослідженням, виконаним автором особисто й у співавторстві. При особистій участі автора розроблено технологічний процес електрошлакового наплавлення рідким металом заготовок двошарових валків, створено дослідно-промислове устаткування. Поліпшено конструкцію струмопідвідного кристалізатора. Розроблено рекомендації і вимоги до промислової установки і технології ЕШН РМ. Аналіз і узагальнення отриманих результатів проводилися автором як особисто, так і при участі інших співавторів.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертації доповідалися на міжнародних конференціях:
- The 4th European Conference on Advanced Materials and Process EUROMAT-95, Padua/Venice, Italy 25-28 September, 1995;
- 38th Mechanical Working and Steel Processing Conference proceedings, Volume XXXIV, Cleveland, Ohio, October 13-16, 1996;
- Proceedings of the 1997 international symposium on LIQUID METAL PROCESSING AND CASTING, Santa Fe, New Mexico, February 16, 1997;
- Proceedings of the Inteco – symposium on SPECIAL MELTING TECHNOLOIES, Dusseldorf, Germany, June 14, 1999.
- INTERNATIONAL SYMPOSIUM on ESR technology & equipment, Kyiv, Ukraine. 15-17 may, 2001.
Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 друкованих праць, а так само отримано 4 патенти України. В основному роботи виконані в співавторстві.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступної частини, п'яти розділів, висновків, додатків, викладена на 148 сторінках, містить 61 рисунок та 32 таблиці.
ЗМІСТ РОБОТИ
В вступі обґрунтована наукова і практична актуальність розробки методу одержання двошарових заготовок швидкорізальних валків способом електрошлакового наплавлення з застосуванням рідкого металу. Сформульовано мету та задачі, які необхідно вирішити в процесі виконання робіт, наведені основні наукові і практичні результати роботи.
У першому розділі представлений огляд літератури по темі дисертації. В ньому розглянуті сучасні тенденції розвитку валкового виробництва, застосування нових матеріалів для виробництва валків прокатних станів, а також способи їхнього виробництва.
Валки прокатних станів є одними з основних елементів, від яких у вирішальній мірі залежить продуктивність прокатки і якість продукції, що випускається, що обумовлює, у кінцевому підсумку, її вартість. Умови експлуатації валків такі, що валок знаходиться в складному напруженому стані, що викликає виникнення в ньому різних дефектів. Наприклад, навіть така властивість валка як твердість, однозначно не визначає його працездатність. Твердість робочої поверхні бочки валків, виготовлених з різних по класу матеріалів, може бути однаковою, а довговічність цих валків в однакових умовах експлуатації буде істотно різнитися.
До валків прокатних станів пред'являють наступні основні вимоги:
- висока і рівномірна твердість робочого шару;
- високий опір термічної утоми при об'ємному і локальному розігріві;
- висока зносостійкість поверхневого шару;
- висока жароміцність і стійкість до утворення тріщин розпалу;
- стійкість проти утворення поверхневих дефектів;
- висока якість поверхні після термічної і механічної обробки;
- високі механічні властивості й ін.
У таблиці 1 наведені типові композиції сталей і чавунів які використовуються у виробництві валків БШС ГП.
Таблиця 1.
Типовий хімічний склад робочого шару валків гарячої прокатки.
Матеріал Вміст елементів, %
C Si Mn Cr Ni Mo W V Nb
Високохромо-вий чавун 2,0-3,0 0,5-1,0 0,5-1,5 15-25 0,5-1,5 0,5-1,5 - - -
Високохромова сталь 1,0-1,8 0,5-1,0 0,5-1,0 10-15 0,5-1,0 1,0-3,0 - - -
Напівшвидко-різальна сталь 0,4-1,2 1,0-1,3 0,4-0,9 3-10 0,5-0,8 1,5-3,0 Ј5,0 0,5-1,0 -
Швидкорі-зальна сталь 1,5-2,2 0,5-1,6 0,5-1,5 4-10 1-4 1-6 0-9 3-7 0-1,5
Основну увагу в роботі приділено двошаровим валкам, що мають відносно дешеву вісь і високолегований робочий шар, що досягає товщини 70-80 мм і більш. Основними методами одержання такого роду валків є:
- вертикальне, горизонтальне чи з перемінною віссю обертання відцентрове лиття;
- технологія наплавлення рідким металом по методу "СРС";
- формування робочого шару з порошків з наступним гарячим ізостатичним пресуванням;
- "ОСПРЕЙ-ПРОЦЕСС", тобто формування робочого шару на осі розпиленням рідкого металу з наступним куванням;
- двохстадійний виливок валків із двох різних металів осі і робочого шару в стаціонарну форму (застосовується переважно для опорних валків).
Сьогодні і на найближчу перспективу на світовому ринку валків найбільший попит буде на двошарові валки для безупинних і напівбезупинних станів гарячої, а у найближчому майбутньому і холодній прокатці. У таблиці 2. наведено якісну оцінку ринкової ефективності двошарових валків чистових клітей БШС ГП. Це т.зв. "швидкорізальні" валки, тобто валки з робочим шаром зі швидкорізальної сталі типу 200Х5Ф5М5В5.
Крім наведених вище методів одержання двошарових валків існують методи, засновані на електрошлаковій технології:
- наплавлення дротовими електродами;
- наплавлення електродом у вигляді труби;
- наплавлення електродами малого перетину;
- наплавлення з застосуванням кускових матеріалів у струмоведучому кристалізаторі.
Порівняння різних процесів ЕШН, в т.ч. з кусковими присаджувальними матеріалами по методу Фруміна-Ксендзика-Ширіна, і власних експериментів дозволили запропонувати процес ЕШН РМ, на основі використання переваг струмопідвідного кристалізатора і процесу СРС. На рис. 1 схематично показані процес СРС і запропонований нами процес ЕШН РМ.
Таблиця 2. Оцінка ринкової ефективності двошарових валків чистових клітей БШС ГП
Процес Сравниваемый показатель
Якість з'єднання вісь-шар Якість робочого шару Собівар-тість процесу Вартість валків Якість роботи в стані Обмеже-ння Сумарна оцінка
ВЦЛ добра добра низкая низкая задовільно материали добра
ГІП* задовільно висока дуже висока дуже висока висока розміри добра
ОСПРЕЙ* задовільно задовільно висока висока добра розміри задовільно
СРС висока добра висока висока добра нема відмінно
* необхідна деформація після формування робочого шару.
У таблиці 3 наведені порівняльні характеристики електрошлакового наплавлення валків.
Таблиця 3. Виробництво композитних валків методами електрошлакового наплавлення.
Основні технічні та економічні характеристики Електрошлакові способи наплавлення
Витратний електрод Струмопідвідний кристалізатор
Дротовий, стрічковий Труба Кусковий присаджуваль-ний метал Рідкий присаджуваль-ний метал
Однорідність наплавленого шару задовільна нестабільна добра відмінна
Стабільність границі проплавлення добра задовільна добра відмінна
Вартість присаджу-вального металу дуже висока висока середня низька
Складність виготовлення присаджувального металу дуже висока висока висока Низкая
Складність технологічного устаткування висока висока низька низька
Можливість адаптації печі ЕШП немає висока складність так так
Продуктивність низька висока Середня Дуже висока
В другому розділі була розглянута схема електрошлакового наплавлення, металургійні особливості наплавлення прокатних валків. Вибраний матеріал для наплавлення робочого шару і флюс для проведення процесу ЕШН РМ. У залежності від обраного способу реалізації технології наплавлення вибрали необхідне устаткування для приготування присаджувального металу і визначили спосіб заливання для реалізації процесу в лабораторних умовах.
Вибір способу наплавлення при виробництві двошарових валків обумовлюється високими вимогами, які пред'являються до валків. Крім цього, великий вплив роблять:
- продуктивність процесу;
- витрата електроенергії при наплавленні;
- трудомісткість і вартість процесу;
- можливість зміни діапазону товщини наплавленого шару;
- можливість вибору різних складів металу що наплавляється.
Сучасною тенденцією у виробництві двошарових валків є застосування для поверхневого шару високоміцних зносостійких матеріалів, зокрема швидкорізальних інструментальних сталей. У цих умовах вирішальну роль у виборі способу наплавлення для виробництва двошарових валків належить якості наплавленого металу.
В основу даної роботи з розробки електрошлакової технології виробництва сучасних двошарових прокатних валків були покладені результати великого комплексу фундаментальних досліджень, проведених у ІЕЗ ім. Е.О. Патона в середині 90-х років під керівництвом академіка НАН України Б.И. Медовара, по створенню електрошлакового процесу з рідким металом (ЕШП РМ) без електродів, що витрачаються, для різних сталей і сплавів.
Перші експерименти показали, що ЕШН РМ дозволяє наплавляти двошарові заготовки прокатних валків з товщиною робочого зносостійкого шару в межах 20...100 мм. Продуктивність процесу електрошлакового наплавлення може досягати значень 200-800 кг/годину. При ЕШН РМ немає потреби мати твердий електрод, що витрачається, у виді дротів, пластин, стрижнів, труби, дробу, стружки. Відпадає необхідність у здійсненні складного технологічного ланцюжка: виплавки сталі (чи сплаву) потрібного хімічного складу, перетворення її в електрод, що витрачається, а потім переплав останнього під дією теплоти, яка виділяється у шлаковій ванні при проходженні електричного струму.
Наплавлений метал робочого шару двошарових прокатних валків повинен мати високі фізико-хімічні властивості, такі, як однорідність структури і сталість хімічного складу металу. Наявність у металі наплавлення внутрішніх дефектів (пір, шлакових включень, тріщин) неприпустимо, тому що це може викликати передчасне руйнування валка в процесі експлуатації. Крім того, як показав досвід застосування двошарових валків, виготовлених іншими методами (ВЦЛ і СРС), вирішальний вплив на якість валків робить якість з'єднання метала осі валка і метала робочого шару.
Важливою характеристикою металу наплавлення робочого шару двошарового валка, від якого багато в чому залежить його експлуатаційна стійкість, є величина твердості і її розподіл по товщині наплавленого шару і довжині бочки валка.
Основні вимоги, яким повинен задовольняти флюс для ЕШН РМ - це, насамперед, висока стабільність електрошлакового процесу, якісне формування поверхні наплавленого шару в струмопідвідному кристалізаторі при витяжці з нього заготовки наплавленого двошарового валка, легке відділення шлакового гарнісажу; висока рафінуюча здатність металу, від неметалевих включень та газів; мінімальна зміна хімічного складу наплавленого металу і самого шлаку в процесі ЕШН РМ. Хімічний склад випробуваних у роботі флюсів наведений у табл.4.
Таблиця 4.
Хімічний склад флюсів, випробуваний при ЕШН РМ.
ФЛЮС ХІМІЧНИЙ СКЛАД, %
CaF2 Al2O3 CaO SiO2 MgO MnO
АНФ-32 37-45 20-25 24-30 5-9 2-6 -
АН-75 56-59 9-12 6-8 18-21 6-8 5-7
АНФ-94* 40 20 20 20 - -
* дослідний флюс
На основі експериментальних досліджень встановлено, що найбільш оптимальним поєднанням технологічних і металургійних властивостей при реалізації процесу ЕШН РМ високолегованої сталі типу 200Х5М5Ф5В5, володіє дослідний флюс АНФ-94. Для даного флюсу були визначені залежності в'язкості і його електричної провідності від температури рис.2.
При виборі пристрою для приготування і розливання РМ, оцінювали технічні і технологічні можливості різних способів одержання рідкого металу заданого хімічного складу і високої металургійної якості, а також, можливості металургійних пристроїв, до тривалого (на весь період процесу ЕШН РМ) підтримування рідкого металу в заданому температурному інтервалі. При цьому необхідно, щоб хімічний склад рідкого металу залишався незмінним.
Відомо багато способів і пристроїв, для накопичення і підтримування в рідкому стані потрібної порції рідкого металу, це індукційні печі-міксери й електрошлакові проміжні ковші і багато інших. Показано, що досить ефективним способом для реалізації процесу ЕШН РМ є застосування електрошлакової тигельної плавки (ЕШТП), при якій також можливо забезпечити тривале підтримування рідкого металу в заданому інтервалі температур і практично стабільний вміст вуглецю та легуючих елементів (Mo, Cr, V, W) у металі ЕШТП (Рис.3). Лабораторні експерименти показали, що безупинне заливання металу робочого шару здійснити не можливо. Для лабораторних і дослідно-промислових експериментів як плавильний агрегат і одночасно міксер використовували ЕШТП. Заливання ж здійснювали шляхом багаторазового черпання вручну металевим ковшем порцій металевого розплаву масою 2...4 кг, покритих тонким шаром синтетичного шлаку, з наступною передачею і заливанням їх у формуючу порожнину струмопідвідного кристалізатора. При цьому час набирання металу і його заливання в кристалізатор становить, приблизно 4-8 сек. Маса порції металу, що заливається, відповідає місткості металевого ковша, і вибирається в залежності від діаметра наплавленої заготовки і товщини наплавленого шару. Так, при діаметрі заготовки 180-215 мм і товщині наплавленого шару 25 мм порція металу, що заливається, складає 2 кг, а при діаметрі заготовки 350 мм і товщині наплавленого шару 35-70 мм порція металу, що заливається, складає 4 кг. Показано також, що вміст основних легуючих елементів у металі наплавлення практично не відрізняється від вмісту цих елементів у металевому розплаві в електрошлаковому тиглі ковші.
У цілому методика досліджень технологічних і металургійних особливостей процесу ЕШН РМ така:
- використання струмопідвідного кристалізатора діаметром 350 мм (180, 215), що встановлюється на нерухомій платформі електрошлакової печі УШ-149 (рис.4);
- виготовлення модельних заготовок валків з різними сполученнями матеріалів осі і робочого шару;
- дослідження електричних параметрів ЕШН РМ;
- оцінка якості наплавлених заготовок;
- випробування модельних валків на ШПС ГП.
У лабораторних і дослідно-промислових експериментах процес ЕШН РМ мав такий виглядав. На платформі встановлена електрошлакова флюсоплавильна піч із графітовим тиглем для приготування рідкого синтетичного шлаку заданого хімічного складу і пристрій для його заливання в струмопідвідний кристалізатор на початку процесу ЕШН.
Для приготування рідкого металу заданого хімічного складу, як основний процес, використовувалася електрошлакова тигельна плавка (ЕШТП). Плавильний агрегат (тигель, футерований магнезитовою цеглою марки ММ1) для ЕШТП був установлений поруч із кристалізатором на тій же нерухомій платформі. Якщо робота флюсоплавильної установки закінчується моментом заливання необхідної кількості шлаку в кристалізатор, на початку процесу ЕШН, то одна з основних вимог до ЕШТП, це збереження постійного хімічного складу металевого розплаву під час його накопичення в керамічному тиглі і постійного підтримування в рідкому стані в процесі електрошлакового наплавлення.
У третьому розділі були вивчені технологічні особливості процесу наплавлення, і вплив основних технологічних параметрів плавки на якість наплавлення заготовок. Визначено оптимальні параметри технологічного процесу наплавлення, що забезпечують одержання якісного з'єднання наплавленого шару і металу осі. Досліджено особливості формування наплавленого шару.
Під час проведення експериментальних плавок здійснювався постійний контроль, і вівся реєстраційний запис технологічних параметрів процесу ЕШН РМ. Експериментальні плавки проводилися при напрузі 35-42 В, струмі 7-10 кА і швидкості витяжки 9-12 мм/хв при потужності процесу наплавлення 270-320 кВА.
У результаті експеримент-тальних досліджень встановлені чисельні залежності впливу параметрів плавки на форму та величину проплавлення наплавляємої осі, а також взаємозв'язок висоти та глибини проплавлення (рис. 5).
Був також вивчений вплив рівня (глибини) розплаву шлаку, що заливається в стартовий період до кристалізатора, на початок процесу плавлення осі заготовки валка. Встановлено, що глибина шлакової ванни, за інших рівних умов, істотно не впливає на тривалість і початок плавлення заготовки. Дані експериментальних досліджень процесу формування наплавленого робочого шару зі сталі типу 200Х5М5Ф5В5 на вісь з вуглецевої сталі, покладені в основу математичної моделі, що дозволяє обчислити глибину проплавлення осі по довжині наплавляємої заготовки. Порівняння резуль-татів обчислень, отриманих за допомогою математичної мо-делі, з даними макродослід-жень темплетів експеримент-тальних двошарових заготовок підтвердили збіжність зазна-чених результатів (рис.6).
У четвертому розділі представлені результати комплексних досліджень фізико-механічних властивостей наплавленого металу.
У результаті проведеного на лабораторному обладнанні комплексу досліджень експериментально підтверджена технічна можливість реалізації процесу ЕШН РМ, при виготовленні партії двошарових валків з робочим шаром зі сталі типу 200Х5М5Ф5В5, шляхом порціонного заливання (по 2-4 кг) з електрошлакового тигля металевого розплаву, у формуючу порожнину струмопровідного кристалізатора з інтервалом часу між окремими порціями 30…120с. Технологічна схема процесу ЕШН РМ відпрацьована в лабораторних умовах при виготовленні партії модельних заготовок двошарових валків з робочим шаром з високолегованої швидкорізальної сталі типу 200Х5М5Ф5В5, що була піддана всебічним дослідженням.
У результаті досліджень темплетів вирізаних з нижньої, середньої та верхньої частин двошарових заготовок ЕШН РМ з робочим шаром зі сталі типу 200Х5М5Ф5В5, встановлено, що застосування розробленого технологічного процесу ЕШН РМ забезпечує високу структурну та хімічну однорідність металу двошарових валків. Метал наплавленого шару щільний, без мікропор, тріщин, раковин; дефектів типу шлакових включень або несплавлення основного та наплавленого металу не виявлено; глибина проплавлення по висоті і діаметру заготовки рівномірна (рис.7); розподіл основних легуючих елементів як по висоті (рис.8), так і по перетину наплавленого шару також практично рівномірне (табл.5), аналогічний рівномірний характер має також розподіл твердості (рис.9) по об'єму наплавленого шару. Показано, що в мікроструктурі наплавленого металу ЕШН РМ (рис.10) практично відсутні евтектичні виділення великих карбідів по границях зерен, характерних для традиційних способів лиття, і спостерігається рівномірний розподіл дрібних карбідів по всьому об'єму.
Таблиця 5.
Розподіл основних елементів по товщині наплавленого шару.
Н*, мм Вміст елементів, %
C Cr Mo V W Mn Ni Si S P
1 5 0,81 3,46 7,18 1,38 2,13 0,3 0,28 0,18 0,003 0,024
10 0,81 3,47 7,25 1,39 2,14 0,3 0,28 0,18 0,002 0,023
15 0,79 3,46 7,15 1,34 2,1 0,29 0,28 0,17 0,003 0,026
18 0,8 3,44 7,16 1,34 2,09 0,29 0,27 0,17 0,004 0,026
2 28 0,21 0,09 - - 0,01 0,55 0,05 0,26 0,026 0,025
33 0,23 0,09 - - 0,01 0,56 0,05 0,26 0,033 0,023
* 1 – наплавлений шар, 2 – метал осі.
У п'ятому розділі розглянуті питання розробки і видачі рекомендацій, по проектуванню оснащення й устаткування, для реалізації технології ЕШН РМ на виробництві, а так само приведені результати випробувань дослідно-промислової партії валків.
На основі аналізу й узагальнення отриманих результатів досліджень розроблені рекомендації і вимоги до промислової установки і технології ЕШН РМ двошарових заготовок прокатних валків діаметром до 1000 мм, довжиною наплавленої бочки до 2500 мм і масою до 20000 кг, що були реалізовані на ЗАТ “Новокраматорський машинобудівний завод. Випробування першої партії валків гарячої прокатки діаметром 740 мм з робочим шаром зі швидкорізальної сталі в чистовій кліті №2 МК ім. Ілліча (м. Маріуполь), виготовлених із застосуванням процесу ЕШН РМ, показали підвищення їхньої стійкості в 4-4,5 рази в порівнянні зі стійкістю стандартних чавунних валків, що використовувалися раніше (табл.6).
Таблиця 6.
Порівняння результатів наробітку прокатних валків
Спосіб виробництва ЛОПВ Відцентрового лиття* ЕШН РМ (стан 1700)
Матеріал валка Чавун з видбіленим шаром Високохромовий чавун Швидкорізальна сталь Високохромовий чавун Швидкорізальна сталь
Кількість прокату на валок, т 103219 225000 525000 360000 875000
Товщина наплавленого шару, мм 50 75 75 50 50
Кількість прокату на 1 мм робочого шару валка, т 2050 3000 7000 7200 17500
* Stahl und Eisen №8. “Einsatz von HSS-Walzen an einer Warmbreitbandstrabe”.
Оцінка економічної ефективності ЕШН РМ проводилася на підставі порівняння витрат матеріалів, електроенергії, трудовитрати з аналогічними показниками стандартного ЕШП електродів, що витрачаються. Цей аналіз показав, що собівартість ЕШН РМ при наймі не перевершує собівартість ЕШП.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ.
1. Проаналізовано сучасний стан виробництва заготовок двошарових прокатних валків для чистових клітей БШС ГП, показано, що пріоритетним напрямком сучасного прокатного виробництва є застосування двошарових прокатних валків з робочим шаром зі швидкорізальної сталі. Науково обґрунтована необхідність розробки для цієї мети нового технологічного процесу електрошлакового наплавлення рідким металом (ЕШН РМ) робочого шару зі швидкорізальної сталі на вісь з вуглецевої сталі. Застосування якої дозволяє зняти всі обмеження щодо хімічного складу наплавленого металу, при цьому відпадає необхідність у здійсненні складного і дорогого ланцюжка по виготовленню електродів, що витрачаються, для ЕШН у вигляді дроту, стрижнів, стрічки, труби й ін.
2. Розроблено методику проведення експериментальних досліджень процесу ЕШН РМ, спроектовано і підготовлено спеціальне технологічне оснащення, що дозволило вивчити металургійні і технологічні особливості процесу ЕШН РМ, відпрацювати цей процес при виготовленні партії модельних заготовок двошарових валків з робочим шаром з високолегованої швидкорізальної сталі типу 200Х5М5Ф5В5 і дати оцінку якості металу двошарових заготовок.
3. Встановлено, що оптимальним поєднанням технологічних і металургійних властивостей, при реалізації процесу ЕШН РМ для високолегованої сталі типу 200Х5М5Ф5В5, володіє дослідний флюс АНФ-94 при наступному (середньому) співвідношенні компонентів, %: фтористий кальцій – 40, окис алюмінію-20, окис кальцію - 20, двоокис кремнію – 20. Уперше для дослідного флюсу АНФ-94 визначені залежності в'язкості і його електричної провідності від температури.
4. Вивчено технічні і технологічні можливості застосування при ЕШН РМ різних способів одержання рідкого металу заданого хімічного складу і високої металургійної якості. Показано, що досить ефективним способом для реалізації процесу ЕШН РМ є застосування електрошлакової тигельної плавки (ЕШТП), яка забезпечує тривале підтримування рідкого металу в заданому інтервалі температур і практично стабільний вміст вуглецю та легуючих елементів (Mo, Cr, V, W) у металі ЕШТП.
5. На підставі даних експериментальних досліджень процесу формування наплавленого робочого шару зі сталі типу 200Х5М5Ф5В5 на вісь з вуглецевої сталі розроблена математична модель, що дозволяє обчислити глибину проплавлення осі по довжині наплавленої заготовки. Порівняння результатів обчислення, отриманих за допомогою математичної моделі, з даними досліджень макро-темплетів експериментальних двошарових заготовок підтвердили збіжність зазначених результатів.
6. У результаті всебічних досліджень двошарових заготовок ЕШН РМ із робочим шаром зі швидкорізальної сталі типу 200Х5М5Ф5В5, встановлено, що застосування розробленого технологічного процесу ЕШН РМ забезпечує високу структурну та хімічну однорідність металу двошарових валків: метал наплавленого шару щільний, без мікропор, тріщин, раковин. Дефектів типу шлакових включень несплавлення основного і наплавленого металу не виявлено, глибина проплавлення по висоті і діаметру заготовки рівномірна. Розподіл основних легуючих елементів як по висоті, так і по перетину наплавленого шару також практично рівномірний. Показано, що в мікроструктурі наплавленого металу ЕШН РМ практично відсутні евтектичні виділення великих карбідів по границях зерен, характерних для традиційних способів лиття, і спостерігається рівномірний розподіл дрібних карбідів по всьому об'єму.
7. У результаті проведеного на спеціально створеній лабораторній установці комплексу досліджень вперше експериментально підтверджена технічна можливість реалізації процесу ЕШН РМ при виготовленні партії двошарових валків з робочим шаром зі сталі типу 200Х5М5Ф5В5 шляхом порціонного заливання рідкого металу у формуючу порожнину струмопідвідного кристалізатора.
8. На основі аналізу й узагальнення отриманих результатів досліджень розроблені рекомендації і вимоги до промислового обладнання та технології ЕШН РМ двошарових заготовок прокатних валків діаметром до 1000 мм, довжиною наплавленої бочки до 2500 мм і масою до 20000 кг, що були реалізовані на ЗАТ “Новокраматорський машинобудівний завод”. Випробування першої партії валків гарячої прокатки з діаметром робочої частини 740 мм, з робочим шаром зі швидкорізальної сталі, виготовлених із застосуванням процесу ЕШН РМ, у широкоролосному стані показали підвищення їхньої стійкості в 4-4,5 рази в порівнянні зі стійкістю стандартних чавунних валків, що використовувалися раніше.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ
1. Медовар Б.И., Чернец А.В., Медовар Л.Б., Шевченко В.Е., Трипольская В.П., Федоровский Б.Б., Орловский Ю.В., Белоглазов А.П., Ланцман И.А. Электрошлаковая наплавка жидким присадочным металлом // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1995. - №. - С. 7-11.
2. Medovar B.I., Medovar L.B., Orlovskii Yu.V., Fedorovskii B.B., Schevchenko V.E., Tripolskaya V.P. Electroslag cladding by liquid filler metal // Proc. of the 4th European Conference on Advanced Materials and Process EUROMAT-95, Symposium F Materials and Processing Control. - Padua/Venice ( Italy) – 1995. – P. 165-170.
3. Медовар Б.И., Медовар Л.Б., Орловский Ю.В., Федоровский Б.Б., Шевченко В.Е., Трипольская В.П. Электрошлаковая наплавка жидким металлом // Пути развития машиностроительного комплекса Магнитогорского Металлургического Комбината Вып. 2 "Прокатные валки". – Магнитогорск: Мини Тип. – 1996. – С. 32-41.
4. Medovar B.I., Medovar L.B., Chernets A.V., Fedorovskii B.B., Schevchenko V.E., Us V.A., Shutey J, Nylen T. Electroslag surfacing by liquid metal - a new way for HSS-roll manufacturing // Proc. of the 38th Mechanical Working and Steel Processing . Volume XXXIV. - Cleveland, Ohio (USA) - 1996. – P. 83-87.
5. Medovar B.I., Medovar L.B., Tsukulenko A.K., Fedorovskii B.B., Lantsman I.A., Beloglasov A.P., Us V.A., Chernets A.V., Schevchenko V.E. Electroslag process without consumable electrodes // Proc. of the 1997 International Symposium on Liquid Metal Processing and Casting. - Santa Fe, New Mexico (USA) - 1997. – P. 348-352.
6. Медовар Б.И., Чернец А.В., Медовар Л.Б., Федоровский Б.Б., Шевченко В.Е., Ланцман И.А., Цыкуленко А.К., Ус В.И. ЭШН РМ - как способ получения тонкой структуры наплавленного слоя из быстрорежущей стали // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1997. - №1. – С. 3-4.
7. Medovar B.I., Medovar L.B., Chernets A.V., Fedorovskii B.B., Tsukulenko A.K., Lantsman I.A., Beloglasov A.P., Schevchenko V.E. Electroslag cladding – way towards new generation of the ESR // Proc. of the INTECO-Syposium at the METEC. – Dusseldorf (Germany) - 1999 . – P.
8. В.Б. Шабанов, О.В. Свиридов, Ю.Н. Белобров, В.А. Неведомский, А.С. Волков, В.Е. Панченко, Ю.А. Грушко, Б.Б. Федоровский, А.П. Белоглазов, И.А. Ланцман, Ц.Ф. Грабовського, А.К. Цікуленко, А.В. Чернец, В.Е. Шевченко. Создание комплекса ЭШН жидким металлом рабочих валков горячей прокатки для непрерывных широкополосных станов.// Автоматическая сварка. -1999. -№. – с.51-54.
9. Медовар Л.Б., Чернец А.В., Грабовский Ц.Ф., Шевченко В.Е., Шабанов В.Б., Свиридов О.В. Опыт изготовления и применения быстрорежущих валков ЭШН РМ // Проблемы специальной электрометаллургии. - 2000. - №.-С.3-9.
10. Л.Б. Медовар, А.К. Цыкуленко, В.Е. Шевченко. Современные валки прокатных станов. Требования, материалы и способы производства.//Проблемы специальной электрометаллургии. – 2001. -№. – С.38-48
11. N.I. Tarasevich, I.V. Kornietz, L.B. Medovar, V.E. Shevchenko, A.V. Chernets. Some thermal-physical peculiarities of electroslag cladding of rolls using a liquid metal. INTERNATIONAL SYMPOSIUM on ESR technology & equipment, Kyiv, Ukraine. 15-17 may, 2001.
12. Пат. 25600 Україна, МКИ B 22 D 19/16; B 22 D 11/00. Спосіб електрошлакового наплавлення заготовок круглого перерізу / Б.І. Медовар, Л.Б. Медовар, Б.Б.Федоровський, І.А. Ланцман, А.К. Цикуленко, В.І. Ус, В.Я. Саенко, О.В. Чернець, Шевченко В.Ю., К.А. Цикуленко; № 98041704; Заявл. 03.04.98; Опубл. 25.12.98, Бюл. №.6
13. Пат. 25605 Україна, МКИ B 22 D 19/00. Струмопідвідний кристалізатор / Б.І. Медовар, Л.Б. Медовар, Б.Б.Федоровський, І.А. Ланцман, А.К. Цикуленко, В.І. Ус, Шевченко В.Ю., В.Я. Саенко, О.В. Чернець; № 98042026; Заявл. 22.04.98; Опубл. 25.12.98, Бюл. №. 6
14. Пат. 25607 Україна, МКИ B 22 D 19/00. Струмопідвідний кристалізатор / Б.І. Медовар, Л.Б. Медовар, Б.Б.Федоровський, І.А. Ланцман, А.К. Цикуленко, В.І. Ус, О.П. Білоглазов, Шевченко В.Ю., В.Я. Саенко, О.В. Чернець; № 98031384; Заявл. 19.03.98; Опубл. 25.12.98, Бюл. №.6
15. Пат. 32637 Украіна, МКИ В 22 D 19/00. Установка для електрошлакового наплавлення рідким металом двухслойних валків. / Г.М. Скудар, О.В. Свиридов, В.Б. Шабанов, Ю.М. Білобров, В.О.Чередниченко, В.І. Христиченко, М.П. Срєльніков, Л.Б. Медовар, Б.І. Медовар, Б.Б. Федоровський, І.А. Ланцман, О.В. Чернець, Шевченко В.Ю., А.К. Цикуленко; №; Заявл. 26.11.1999; Опубл. 15.02.2001, Бюл. №.1
АННОТАЦИЯ
Шевченко В.Е. Электрошлаковая технология в производстве современных прокатных валков. - Рукопись
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.07 – "Металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов". – Институт электросварки им. Є.О. Патона НАН Украины, Киев, 2001.
Диссертация посвящена исследованию метода ЭШН жидким металлом двухслойных заготовок валков прокатных станов. В диссертации приведен обзор трудов, посвященных современным методам получения двухслойных заготовок валков прокатных станов с рабочим слоем из быстрорежущей стали. Исследованию влияния материалов, применяемых для изготовления прокатных валков на качество соединения оси валка и металла рабочего слоя.
Основой работы является электрошлаковая технология, способствующая получению мелкодисперсной структуры и модификации неметаллических включений.
Учитывая, что качество соединения наплавленного слоя и оси наплавляемой заготовки являются определяющим, в работе исследовано влияние различных технологических факторов на процесс электрошлаковой наплавки. Было изучено влияние изменения глубины шлаковой ванны на начальный процесс плавки поверхности заготовки. Установлено, что изменение в значительных пределах (96-166 мм) глубины шлаковой ванны, при прочих равных условиях, не оказывает существенного влияния на продолжительность и начало плавления заготовки.
Показано, что метод ЭШН ЖМ применим практически для любых сочетаний материалов применяемых для производства заготовок прокатных валков. Установлено, что применение технологии ЭШН ЖМ обеспечивает высокую структурную и химическую однородность металла двухслойных валков: металл наплавленного слоя плотный, без микропор, трещин, раковин. Распределение основных легирующих элементов как по высоте, так и по сечению наплавленного слоя также практически равномерное. В микроструктуре наплавленного металла практически отсутствуют эвтектические выделения крупных карбидов по границам зерен, характерных для традиционных способов литья, и наблюдается равномерное распределение мелких карбидов по всему объему
В работе теоретически обосновано и разработана технология получения заготовок двухслойных валков прокатных станов, с повышенными эксплуатационными свойствами. Сформулированы принципы построения технологического процесса получения двухслойных заготовок. Разработаны требования и рекомендации для промышленного внедрения технологии ЭШН ЖМ.
Конечным этапом проведенной работы стало испытание опытно-промышленной партии заготовок полученных на реконструированной установке ЭШП-20ВГ Новокраматорского машиностроительного завода. Первые результаты работы в широкополосном стане горячей прокатки опытных валков показали увеличение их срока эксплуатации в 4-5 раза, по сравнению с применявшимися ранее чугунными валками с отбеленным слоем, и в 2-3 раза с валками изготовленными из высокохромистого чугуна.
Ключевые слова: электрошлаковая наплавка, токоподводящий кристаллизатор, шлаковая ванна, двухслойный валок, наплавленный слой, жидкий металл, проплавление, качество наплавленного слоя.
АНОТАЦІЯ
Шевченко В.Ю. Електрошлакова технологія у виробництві сучасних прокатних валків. - Рукопис
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.07 – "Металургія високо чистих металів та спеціальних сплавів". – Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2001.
Дисертація присвячена дослідженню методу ЕШН рідким металом двошарових заготовок валків прокатних станів; дослідженню впливу матеріалів, застосовуваних для виготовлення прокатних валків на якість з'єднання металу осі валка і металу робочого шару.
Враховуючи, що якість з'єднання наплавленого шару та осі наплавленої заготовки є визначальним, у роботі досліджено вплив різних технологічних факторів на процес електрошлакового наплавлення. Теоретично обґрунтовано і розроблена технологія одержання заготовок двошарових валків прокатних станів, з підвищеними експлуатаційними властивостями. Встановлено, що метод ЕШН РМ можливо застосовувати практично для будь-яких сполучень матеріалів застосовуваних для виробництва заготовок прокатних валків.
У роботі сформульовані принципи побудови технологічного процесу одержання двошарових заготовок. Розроблено вимоги і рекомендації для промислового впровадження технології ЕШН РМ. Технологія ЕШН РМ реалізована на Новокраматорського машинобудівного заводу.
Випробування валків на прокатних станах показали збільшення їхнього терміну експлуатації в 4-5 рази, у порівнянні з чавунними валками, що застосовувалися раніше, з відбіленим шаром, і в 2-3 рази в порівнянні з валками виготовленими з високо-хромистого чавуну.
Ключові слова: електрошлакове наплавлення, струмопідвідний кристалізатор, шлакова ванна, двошаровий валок, наплавлений шар, рідкий метал, проплавлення, якість наплавленого шару.
ANNOTATION
Shevchenko V.E. "Electroslag technology in manufacture modern forming rolls". Manuscript
Ph. D. thesis in speciality 05.16.07. - Metallurgy of High-Purity Metals and Special Alloys. - E.O. Paton Electric Welding Institute of The National Academy of
