НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Жижкіна Наталія Олександрівна

УДК 621.74.045

ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОБНИЦТВА,

ЯКІСТЬ І ВЛАСТИВОСТІ відцентроволитих ВАЛКІВ

З високохромистим ЧАВУНом у робочому шарі

Спеціальність 05.16.04 – Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля на кафедрі “Зварювання та лиття”, Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: | - доктор технічних наук, професор

Будаг’янц Микола Абрамович,

Східноукраїнський національний університет імені

Володимира Даля, м. Луганськ,

професор кафедри “Зварювання та лиття”

Офіційні опоненти: | - доктор технічних наук, професор

Котєшов Микола Петрович,

Національна металургійна академія України,

м. Дніпропетровськ,

професор кафедри “Ливарне виробництво”

- кандидат технічних наук, доцент

Федоров Григорій Єгорович,

Національний технічний університет України “КПІ”,

м. Київ,

доцент кафедри “Ливарне виробництво

чорних і кольорових металів”

Головна організація: | Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (м. Київ). Відділи “

Технологія лиття”, “Нові литі матеріали”

Захист відбудеться “ 9 ” грудня 2002 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.002.12 у Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою:

03056, Київ-56, проспект Перемоги, 37, корпус № 9, ауд. № 203

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету.

Автореферат розісланий “ 8 ” листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Л.М. Сиропоршнєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Збільшення виробництва на прокатних станах і підвищення якості металопрокату пов'язано з експлуатаційною стійкістю і надійністю прокатних валків. В останні роки особливо збільшився попит на листовий гарячекатаний метал. Частка його використання останні роки помітно зросла з урахуванням розширення виробництва тонкого холоднокатаного листа.

Актуальність теми. У світовій практиці виробництво прокатних валків розвивається в декількох напрямках: шляхом застосування спеціального устатковання – відцентрового лиття, що розширює використання для робочого шару понадстійких, але малотехнологічних у литті й експлуатації сплавів, наприклад, високохромистих чавунів; використання ЕШЛ (електрошлакового лиття); розробки нових матеріалів, у тому числі заевтектоїдних, графітізованих сталей і тонкої технічної кераміки.

Найбільш ефективним (для виробництва листопрокатних валків) слід визнати відцентровий метод лиття, що одержав широке застосування в закордонному виробництві. В Україні, вперше в СНД, на Лутугінському державному науково-виробничому валковому комбінаті (ЛДНВВК), починаючи з 1988 року, проводилося освоєння виробництва відцентрового лиття на дослідно-промислових машинах з вертикальної і змінною осями обертання. На їхній базі з урахуванням недоліків, виявлених при експлуатації, створена машина нового покоління, з автоматизованим керуванням технологічного процесу виробництва валків, що поставляються підприємствам України та Росії.

У зв'язку з тим, що робота спрямована на розроблення прогресивної технології виробництва двошарових відцентроволитих валків підвищеної якості та експлуатаційної стійкості, то її варто віднести до найважливішого й актуального напрямку в області створення понадстійкого інструменту, що формує.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті ім. В. Даля відповідно до комплексної програми “Підвищення надійності і експлуатаційних показників машин та устатковання внаслідок впроваджених прогресивних технологій”, що у період 1992-1995 рр. фінансувалася Міністерством машинобудування, ВПК і конверсії (тема 33-92, договір 313/07); відповідно до комплексної програми науково-дослідної роботи, яку проведено Лутугинським державним науково-виробничим валковим комбінатом разом із Східноукраїнським національним університетом ім. В. Даля і Харківським державним технічним університетом сільського господарства у період із 1.07.1998 р. по 31.08.1999 р., за темою № 4-98 “Аналіз якості відцентроволитих високохромистих валків і розроблення пропозицій щодо управління та стабілізації їх властивостей”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення параметрів технологічного процесу виробництва валків листових станів гарячої прокатки з робочим шаром з високохромистого чавуну. Оцінка якості та властивостей цих валків. Освоєння створеного устатковання для відцентрового лиття валків.

Відповідно до поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі задачі:

- вивчити вплив основних і легувальних хімічних компонентів сплаву і його модифікування на структуроутворення і властивості виливків з високохромистого чавуну;

- встановити основні технологічні параметри, які впливають на формування робочого шару і серцевини. Визначити їх оптимальне поєднання, що забезпечує при експлуатації максимальний наробіток;

- розробити методику моделювання процесу заливання двошарових валків відцентровим методом на машині з вертикальною віссю обертання для підвищення їх експлуатаційної стійкості та визначення умов, що запобігають перехід хрому в серцевину і шийки валка, а також оцінити положення фронту тверднення і процес формування параболоїду обертання для керування процесом одержання однорідного за товщиною та властивостями робочого шару;

- вивчити технологічні можливості печі для розробки ефективного нагрівання та охолодження валків при їх термічному обробленні на введеному спеціалізованому устаткованні;

- розробити технологію виробництва високохромистих валків з урахуванням комплексного впливу хімічного складу сплаву, параметрів лиття та термічного оброблення, які визначають властивості інструменту і можливість ними управляти. Освоїти нову відцентрову машину для лиття двошарових валків масою 8-16 т;

- провести промислове випробування і впровадити нову технологію виробництва валків.

Об'єкт дослідження – виробництво валків великої маси для листопрокатних станів.

Предмет дослідження – технологія виробництва, якість і властивості відцентроволитих валків з високохромистим чавуном у робочому шарі.

Методи дослідження. У роботі досліджений комплексний вплив параметрів лиття, товщини теплоізоляційного покриття форми, а також хімічного складу сплаву робочого шару і засобу заливання металу на якість і рівень експлуатаційних і фізико-механічних властивостей.

При проведенні досліджень використані методи математичного моделювання, планування експерименту, побудова математичних моделей з використанням регресійного аналізу. Експериментальні дослідження виконані за різними технологічними прийомами лиття і термооброблення для визначення параметрів та режимів відповідно до вимог замовників.

У роботі використані сучасні методи оцінки структури та властивостей сплавів. Розроблені норми та методика оцінки напруженого стану виготовлених валків.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблені математичні моделі, які описують вплив умов кристалізації робочого шару відцентроволитих валків і хімічного складу високохромистого сплаву на рівень твердості, міцності та мікроструктуру, що дозволяє прогнозувати область використання та їх експлуатаційну стійкість;

- на основі комплексного дослідження зв'язку ступеня евтектичності сплаву та рівня напруг, сформованих при кристалізації виливків, розроблена нова методика їх регулювання хімічним складом високохромистого сплаву, а також додатковим модифікуванням ванадієм;

- встановлений зв'язок технологічних параметрів лиття зі зварюваністю різнорідних металів і з переходом хрому робочого шару в серцевину та шийки валків. Виконане моделювання процесу теплопереносу та тверднення виливків за умови їх кристалізації в обертовій формі, що дозволило регулювати товщину робочого шару та однорідність його властивостей;

- визначений вплив параметрів термічного оброблення масивних виливків на ступінь розпаду залишкового аустеніту і формування його продуктів (фаз), що регулюють рівень твердості, напруг і експлуатаційної стійкості валків.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробленні технологічних параметрів лиття та термооброблення валків на принципово новому устаткованні. Виробництво таких валків враховує різні вимоги замовників. Запропонована нова схема заливання металу в обертову форму з використанням рухомої ливникової системи, що забезпечує рівномірне піднімання металу вздовж її стінок і кристалізацію робочого шару, близького за розмірами у верхньому та нижньому торцях бочки, а також досягнення однорідної твердості. Запропонований технологічний процес впроваджений на Лутугинському державному науково-виробничому валковому комбінаті та захищений патентом України. Отримані акти експлуатаційних випробувань двошарових відцентроволитих валків зі високохромистого чавуну. Економічний ефект від впровадження нової технології виробництва відцентрового лиття на машині з вертикальною віссю обертання валків масою 8-16 т в об'ємі 289,8 т склав 1,257 млн. грн. на рік.

Особистий внесок здобувача полягає у наступному: вивченні існуючі технології виробництва валків з робочим шаром з високохромистого чавуну; виконанні аналізу результатів експериментів по відпрацьовуванню технологічного процесу відцентрового лиття двошарових валків; дослідженні впливу параметрів лиття на якість та властивості виливків; розрахунку процесів гідродинамічного заповнення форми металом і теплопереносу в умовах змін швидкості її обертання; аналізі впливу зміни хімічного складу на структуру та властивості матеріалу валків; розробленні рекомендацій по технології відцентрового лиття валків; дослідженні напруженого стану двошарових відцентроволитих валків з високохромистого чавуну.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми і перспективи розвитку ливарного виробництва” (м. Дніпропетровськ, 1999 р.); 15-й міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в машинобудуванні” (м. Одеса, 2000р.); І міжнародному симпозіумі “Устатковання і технології термічного оброблення металів і сплавів у машинобудуванні” (м. Харків, 2000 р.); III міжнародному симпозіумі з триботехніки (м. Пекін, Китай, 2000 р.); науково - практичній конференції “Проблеми та перспективи одержання конкурентноздатної продукції в гірничо-металургійному комплексі України” (м. Дніпропетровськ, 2000 р.); II міжнародному симпозіумі “Устатковання та технології термічного оброблення металів і сплавів у машинобудуванні” (м. Харків, 2001 р.).

Публікації. Результати досліджень викладені в 14 друкованих роботах, у тому числі 8 у наукових журналах і збірниках наукових праць (фахових виданнях за переліком ВАК України); 5 у матеріалах і тезах конференцій; у 1 патенті.

Об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шістьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (146 найменувань), шістьох додатків. Загальний обсяг дисертації 350 сторінок. Основна частина викладена на 145 сторінках і містить 70 рис. і 49 табл.

ОСНОВНий ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована мета роботи, приведені її новизна і практична значність виконаних розроблень.

У першому розділі представлений аналіз виробництва двошарових валків. Наявні в літературі і патентах дані з хімічного складу робочого шару високохромистих двошарових валків суперечливі. Аналіз закордонних патентів, проспектів і літературних джерел показав, що при виробництві валків предчистових і чистових клітей листових станів гарячої прокатки для підвищення експлуатаційних властивостей (зносостійкості, зменшення схильності до окислення, термостійкості) для робочого шару за кордоном застосовують високохромисті сплави, що містять у своєму складі: 12-20% Cr, 0,4-0,6% Si, 0,8-1,2% Mn, 0,8-3,0% Ni, а також у невеликих кількостях додають ванадій, титан, ніобій або бор. У таких сплавах концентрація вуглецю змінюється в межах 2,4-3,4%.

На основі наявних відомостей про службові характеристики прокатних валків з робочим шаром з високохромистого чавуну і серцевиною з високоміцного або сірого показано, що їх надійна робота визначається фазовим складом сплаву. Особливість робочого шару високохромистих валків пов'язана з утворенням як звичайних карбідів [Fe,Cr]3C, так і спеціальних - [Cr,Fe]7C3, [Cr,Fe]23C6, причому підвищення експлуатаційних властивостей у першу чергу пов'язують з утворенням спецкарбідів [Cr,Fe]7C3. Підвищення стійкості валків із такого матеріалу нерозривно пов'язано зі стабільністю матриці (невеликої частки залишкового аустеніту).

Нарівні з хімічним складом на процес структуроутворення впливають і технологічні параметри лиття.

Аналіз технології виробництва прокатних валків показав, що широке впровадження одержало відцентрове лиття. Проте відсутня інформація щодо конкретно застосовуваного устатковання і технологічних параметрів не дозволяє використовувати відомі технічні рішення для організації виробництва і підвищення службових властивостей прокатних валків, які б задовольняли вимогам замовників по твердості, глибині робочого шару та наробітку. Відсутня інформація про оптимальне сполучення цих параметрів для одержання максимального наробітку валків, що вимагає додаткових досліджень та потребує розроблення параметрів технології відцентрового лиття валків на принципово новому устаткованні.

У процесі тверднення масивного виливка формується підвищений рівень залишкових напруг особливо у валках з робочим шаром із високохромистого чавуну в порівнянні з іншими типами валків. Цілком усунути залишкові напруги не є можливим, а напрямки зниження їхнього рівня до припустимих значень необхідно визначити. Тобто потрібно забезпечити поєднання визначених механічних властивостей і рівня залишкових напруг, що гарантують високі експлуатаційні характеристики валків.

На стабільність карбідної фази та матриці чавуну, зниження рівня залишкових напруг істотно впливає термічне оброблення.

У світовій практиці для зниження залишкових напруг здобув поширення низькотемпературний відпал. Відомості, які виявлені в літературі і патентних матеріалах про параметри термічного оброблення високохромистих прокатних валків, недостатні для її організації та освоєння. Відсутні відомості про параметри термічного оброблення, а також визначальні властивості валків кожного конкретного призначення при експлуатації.

Тому в даній роботі при освоєнні нового технологічного устатковання для виробництва валків необхідно досліджувати ряд питань, пов'язаних із комплексним впливом технологічних параметрів лиття і термооброблення, оцінити якість металу робочого шару та її зв'язок із властивостями для прогнозування експлуатаційної стійкості.

У другому розділі наведені матеріал, методика досліджень і використовуване устатковання. Розроблена методологія проведення досліджень, що включає аналіз існуючих технологій виробництва валків зі зносостійких матеріалів. Розглядається тип використовуваного устатковання для виготовлення виливків, аналіз якості металу робочого шару та серцевини, хімічний склад використовуваних сплавів і методи дослідження процесів їхньої кристалізації.

Валки з робочим шаром з високохромистого чавуну виготовляли відповідно до розроблених нових технічних умов ТУ В-14-2-1188-97 на їхнє постачання ВАТ “НЛМК”, ВАТ “Северсталь” (Росія) та ВАТ “Металургійний комбінат ім. Ілліча” (Україна), що відрізнялися для кожного замовника й оформлялися додатковими угодами.

Хімічний аналіз сплавів для валків визначали по ковшовій пробі, відібраної безпосередньо перед заливанням заготовок по діючих методиках. Для експресного аналізу використовували спектрометри “SPECTRO F8”, ДФС-51 і ДФС-36, газоаналізатори.

Контроль твердості на валках проводили з використанням переносних приладів Шора, на пробах, відібраних від верхніх і нижніх торців бочок на глибині 5, 10, 15, 20 і так далі через кожні 5 мм до 50-60 мм, що дозволяє оцінити рівномірність її розподілу по перетину робочого шару. Твердість на пробах оцінювали методами Роквела і Бринеля.

Глибину робочого шару визначали на валках вимірами лінійкою по оброблених торцях бочки. Неоднорідність шару не перевищує 7-10%.

Запропоновано методику оцінки рівня напруженого стану валків після різних етапів їхнього виробництва. Для оцінки прийняте визначення коерцитивної сили з використанням автоматизованого приладу моделі КРМ-Ц.

Контроль якості(наявність тріщин, раковин) поверхні валків здійснювали візуально, а на наявність внутрішніх дефектів (незварюваність різнорідних металів) використовували ультразвуковий дефектоскоп марки УД 42Т.

При виробництві легованих валків із високохромистого чавуну (табл.1) метал виплавляли в електродуговій печі ДС-5МТ (5 т) для формування робочого шару та в електропечі ІЧТ-6 (8 т) для серцевини і шийок валків.

Таблиця

Хімічний склад досліджуваних сплавів

Склад компонентів, %

C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V

Високохромистий чавун (робочий шар)

2,5-3,24 | 0,33-1,00 | 0,81-1,26 | 11,1-18,2 | 1,02-2,12 | 0,18-1,34 | 0,0-0,45

Сірий чавун (серцевина)

2,82-3,32 | 2,00-3,10 | 0,44-0,69 | 0,06-0,37 | 0,78-1,18 | - | -

Концентрація фосфору і сірки складала ( ): і відповідно.

Шихта робочого шару складалася з переробного чавуну з концентрацією фосфору до 0,1%, сталевого брухту і ферохрому, а серцевини - із сталевого брухту, переробного і ливарного чавунів з корегуванням по кремнію і марганцю. У процесі плавлення оцінювали зміну концентрації компонентів, а за спеціальною пробою – макроструктуру.

Температура при випусканні з печі розплаву для робочого шару складала 1520 0С, а – серцевини 1400-1420 0С. Заливання проводили при 1370-1410 і 1310-1350 0С відповідно.

Відпрацьовування технологічного процесу лиття валків проводили на машині нового покоління з вертикальною віссю обертання ЦЛВ-800-2, встановленої на ЛДНВВК. Технологічний процес лиття регулюється автоматично з пульту управління.

Технологію термічного оброблення для зміни фазового складу сплаву, твердості, рівня напруг відпрацьовували в лабораторних і промислових умовах. У першому випадку вивчали вплив температури нагрівання на зміну структури і властивостей металу валка робочого шару і серцевини, а в другому – оцінювали однорідність прогрівання заготовок у печі по їх довжині і діаметру, а також по глибині робочого і перехідного шарів для забезпечення рівномірного зниження рівня напруг.

Запропоновано комплексний метод із використанням персонального комп'ютера по оперативній оцінці інформації, що поступає, на кожний валок у процесі його поетапного виготовлення. Розроблено технологічний паспорт на валок. Сформована база даних дозволяє оперативно оцінювати якість і брак валків. Для оцінки впливу технологічних чинників на структуру і властивості сплавів для валків використовували метод планування експерименту.

При проведенні досліджень застосовували методи статистичного оброблення оцінки сформованої мікроструктури (фазового складу, розміру зерен карбідної фази і дендритів), що дозволило оцінити вплив швидкості кристалізації робочого шару валків із різною товщиною покриття металевої форми на властивості (твердість, зносостійкість, міцність, рівень напруг).

У третьому розділі викладене розроблення параметрів технології відцентрового лиття прокатних валків. Встановлені найбільш значні чинники, що визначають сформовану структуру робочого шару і властивості сплавів. До їхнього числа відносяться: хімічний склад, температура металевої форми, розмір шару теплоізоляційного покриття (регулює швидкість кристалізації), температура металу при заливанні, метод заливання, спосіб модифікування, маса виливка, час витримки робочого шару перед введенням металу серцевини. Показано, що час витримки робочого шару після заливання визначається температурою металу високохромистого і сірого чавунів і складає 12 хвилин.

Для формування перехідної зони варто здійснювати порційне заливання металу серцевини у форму з робочим шаром, що закристалізувався. При цьому перша порція металу серцевини не повинна перевищувати 25-30% за масою від загальної частки металу робочого шару. Після кристалізації першої порції рекомендується заливання наступної частки металу серцевини. Витримка між порціями не повинна перевищувати 5 хвилин.

Для одержання заданого рівня й однорідності твердості робочого шару, регулювання його в заданих межах рекомендується регулювати товщиною шару теплоізоляційного покриття відповідно до рис.1. Однорідність і якість покриття забезпечуються попереднім підігріванням металевої форми до t=100-180 0С і використанням спеціальної машини для механізованого багатошарового його нанесення.

Рис. Вплив товщини теплоізоляційного покриття () на рівень твердості робочого шару валків 900 мм із фіксованими температурою форми (t=140-147 0С) і хімічним складом

Установлено, що тип використовуваного покриття форми визначає якість робочого шару: зменшує брак по засміченнях, тріщинах, а також усуває приварювання виливка до кокілю та збільшує термін експлуатації останнього.

Методом планування експерименту виявлено, що, регулюючи температуру заливання робочого шару (t=1380±10 0С) і товщину теплоізоляційного покриття форми ( =5±1 мм) можна змінювати твердість валків із 60 до 72 HS. Отримана математична модель має вид:

()

Рівень твердості піддається регулюванню і при парній спільній взаємодії ?(Cr+Ni) із товщиною теплоізоляційного покриття. Однак ступінь впливу такої взаємодії менш істотна. У цьому випадку твердість можна змінювати в межах 62-69 HS і рівняння має вид:

()

при =4,5±1,5 мм і ?(Cr+Ni)=18,0±0,5%

Статистичним аналізом лиття великих партій валків визначений оптимальний температурний інтервал заливання робочого шару високохромистого чавуну, що повинен знаходитися у межах 1350-1410 0С. Така температура забезпечує стабільність ливарних властивостей (рідкоплинність, усадка) сплаву, знижує його схильність до ліквації та формування раковин, гарячих і холодних тріщин, забезпечує зварюваність шарів.

Порівнянними дослідженнями валків різної маси від 8 до 16 т ( 700-900 мм) показано, що зі збільшенням розміру виливка зменшується схильність до незварюваності робочого шару і серцевини.

Отримано рівняння, що описує вплив хімічного складу і маси виливка на рівень твердості валків різного діаметра

()

де Dв – діаметр виливка.

Зі збільшенням діаметра виливка від 735 до 935 мм твердість робочого шару знижується з 74 до 65 HS. При однаковому шарі теплоізоляційного покриття кокілю ступінь впливу ?(Cr+Ni) аналогічна зміні діаметра виливка, однак за протилежним знаком, тобто введення в заданих межах цих легуючих добавок компенсує негативний вплив збільшення маси виливка.

Вивчено вплив хімічного складу на сформований при литті рівень внутрішніх напруг. Встановлено, що він залежить від положення чавуну на діаграмі стану і зменшується в міру наближення до евтектичного складу. На основі проведених досліджень запропонована методика оцінки і регулювання рівня внутрішніх напруг.

Виконано порівнянні дослідження валків, які відлито стаціонарним і відцентровим методами з однаковим хімічним складом робочого шару. У першому випадку робочий шар не перевищує 25 мм і має помітний спад твердості по його перетину (на 8%). Це супроводжується збільшенням розміру зерен у 1,3 рази при видаленні від поверхні. При відцентровому литті неоднорідність по твердості не перевищувала 5%, а розмір робочого шару досягав 50 мм (рис.2).

Рис. Зміна твердості по глибині робочого шару досліджуваних валків: 1- стационарнолитий, 2- відцентроволитий

Оскільки при відцентровому литті в процес кристалізації метал утягується пошарово, то при затвердінні формується три зони, що відповідають різним періодам формування. Вони добре виявляються при аналізі макроструктури. Структура цих зон відрізняється твердістю, розподілом фаз (кількість і розмір зерен), скупченістю неметалевих включень.

Для поліпшення якості робочого шару, здрібнювання первинної структури сплаву, підвищення його твердості і міцності використовували додаткове модифікування ванадієм у кількості до 0,45%. Вплив чинника модифікування одночасно вивчали зі зміною розміру шару теплоізоляційного покриття і маси виливка.

Дослідження методом планування експерименту показали, що вплив модифікування ванадієм виявляється в підвищенні твердості і міцності при розтяганні і вигині лише на глибині робочого шару до 15 мм включно. Значимим є тільки спільний вплив ванадію та розміру шару покриття металевої форми. При цьому кількість модифікатора повинно бути на нижній межі (0,1% V), а розмір шару покриття на верхньому (5,0 мм). Можливо і зниження розміру шару покриття кокілю до 3 мм, але при цьому кількість модифікатора повинно бути не менше 0,3% V. У цих випадках твердість, міцність при розтяганні і вигині зростають на 6,1 HS, 60,6 і 198 МПа відповідно. Оскільки ці чинники змінюють умови кристалізації, то вивчили їх роль у формуванні первинної структури.

Аналіз фазового складу і розміру евтектичних колоній модифікованого робочого шару високохромистого чавуну показав, що при зменшенні останніх на 54% характеристики міцності підвищуються в середньому на 8%.

Виявлено спільний вплив додатку V і маси виливка на первинну структуру сплаву і механічні властивості робочого шару. Вплив цих чинників виявляється на глибині 20 мм від литої поверхні. Вони ? на 30% можуть змінити довжину стовбура дендритів і розмір його гілок другого порядку, а твердість – у межах від 70 до 74 HS. Менш значний вплив цих чинників на міцність при розтяганні і вигині (3,0 і 6,0% відповідно). Приблизно такий же вплив має маса виливка. Модифікування і оптимізація технологічних параметрів лиття забезпечили достатню однорідність робочого шару.

Для підвищення якості валків, що відливаються відцентровим методом на машині з вертикальною віссю обертання, виконані порівняльні дослідження зі застосуванням різних типів заливальних систем: стаціонарної і рухливої. Встановлено перевага останньої. Її застосування дозволяє вирівнювати температуру металу, що кристалізується, по висоті робочої поверхні виливка, уникнути негативних явищ, пов'язаних з незварюваністю робочого шару і серцевини з одного боку та пригаром нижньої шийки - з іншого. Вплив маси валка на схильність до незварювання шарів приведено на рис.3.

Рис. Вплив розміру валків на незварюваність шарів

Застосування рухливої ливникової системи дозволило збільшити однорідність твердості по перетину і довжині робочого шару за рахунок рівномірного заповнення форми рідким металом.

У четвертому розділі наведено теоретичне моделювання теплопереносу і тверднення валків при відцентровому литті. Запропонована методика моделювання процесу, що враховує безліч технологічних чинників. Розроблена програма розрахунків “CBHEАТ” для чисельного моделювання лиття двошарових валків. Програма вирішує двомірні нестаціонарні рівняння тепло - і масопереносу, а також формування параболоїда обертання для визначення положення вільної поверхні рідкого металу у формі. При розробленні математичної моделі процесу прийняті наступні допущення: форма і рідкий метал знаходяться у відносному спокої (кутові швидкості у всіх точках простору рівні); під час заливання частки металу “миттєво” отримують значення кутових швидкостей форми; при наступній зміні числа обертань форми після заливання утворений шар не змінює геометричної поверхні; конвективні потоки в рідкому металі враховували у виді ефективних коефіцієнтів теплопровідності.

Геометрію вільної поверхні металу в порожнині форми описували відповідно до відомого рівняння параболоїда обертання:

; , ( )

де g=9,81 м/с2; - частота обертання форми, об/хв; - поточні координати параболоїда обертання; - центр параболоїда обертання. Для визначення координат необхідно завдати масу залитого металу й опис конфігурації внутрішньої порожнини форми.

На границі контакту між виливком і кокілем враховували нерівномірну по її висоті товщину теплоізоляційного покриття. Розрахунок розміру газового зазору між виливком і кокілем робили з умови її усадки і визначення товщини формованої кірки, здатної протистояти феростатичному і відцентровому тиску рідкого металу.

Розрахунок, відповідно до програми, робили на основі систем двомірних рівнянь, що описують тепло- і масоперенос (з урахуванням виділення теплоти кристалізації в інтервалі температур ліквідус-солідус і евтектики) у послідовності: завдання керуючих параметрів відповідно до технологічного процесу, визначення границі вільної поверхні параболоїда, пошарове заповнення порожнини форми рідким металом, визначення температурних полів і ліквації хрому. Контролювали товщину залитого шару, фронт тверднення, зміну хімічного складу по перетину виливка.

Виконано розрахунок можливості переходу хрому з робочого шару у серцевину валка. Показано, що у випадку, коли затверділо 70% металу робочого шару, при заливанні серцевини перехід хрому може складати 1,45%. Регулювати процес зниження хрому в серцевині необхідно точним визначенням положення фронту кристалізації робочого шару, що твердне. Положення фронту кристалізації та ступінь переходу хрому в серцевину оцінювали з використанням теплофізичних розрахунків. При цьому враховували: термічний опір покриття форми; температуру заливання робочого шару і серцевини; коефіцієнт температуропроводності високохромистого чавуну; частоту обертання форми при кристалізації металу; тривалість технологічної витримки для тверднення робочого шару; масу металу для заливання.

Показано, що при визначеному поєднанні перерахованих параметрів можна забезпечувати необхідне підплавлення по нижньому торцю бочки на глибину до 10 мм, у верхній частині до 2 мм. Це обмежить переходові хрому в серцевину на рівні не більш 0,2%.

У п'ятому розділі аналізуються якість валків, які мають робочий шар з високохромистого чавуну. Оцінку валків, які відлито відцентровим методом, проводили в литому і термообробленому стані. Для вибору параметрів термооброблення і регулювання якості, властивостей готової продукції було необхідним виявити закономірності, характерні для валків різної маси і типів, що відрізняються рівнем твердості і напруг, співвідношенням фаз у литому стані. Аналіз валків різної маси, але близького хімічного складу (один тип) показав, що властивості (твердість, коерцитивна сила) змінюються незначно. У різних типів відмінність властивостей більш істотна. Зі збільшенням маси виливка різниця суттєво значніша. Так, при зміні розміру валка від 815х2000 до 900х2000 твердість зростає на 5%, а коерцитивна сила на 27%, що пов'язано з формуванням більш грубої структури і підвищеного рівня напруг. Дослідження валків із хімічним складом , який відрізняється (К =Cr/C= 4,68 і 6,11), але мають однакові умови кристалізації, показали, що аналізовані властивості зростають на 9,0 і 2,6% відповідно. На рівень коерцитивної сили в більшій мірі впливають умови відведення тепла (швидкість кристалізації), а не хімічний склад сплаву.

Істотний вплив на довговічність валків мають такі фази, як цементит і аустеніт. Статистичні дослідження 300 валків показали, що в залежності від їхньої маси, умов охолодження, вмісту хрому і вуглецю (коефіцієнт К) формується різне співвідношення фаз у матриці. При цьому кількість карбідної фази досить висока (25-32%), а рівень коливань її значень для кожного типу валків незначний та залежить від стабільно швидкої кристалізації робочого шару при відцентровому литті (8-10 хвилин).

Для кожного виконання валків (однаковий хімічний склад), але різної маси (діаметр від 705 до 900 мм) частка залишкового аустеніту з його зменшенням знижується в середньому в 1,3 рази. Одночасно зростає кількість продуктів розпаду аустеніту, які при експлуатації валка не будуть викликати значних напруг у виливках однакової маси.

Виявлено зв'язок фазового складу досліджуваних сплавів із рівнем їхніх властивостей. При зростанні частки карбідної фази від 25,5 до 28,5% твердість валків змінюється в межах від 61 до 74 HS (рис.4). Зі збільшенням частки залишкового аустеніту від 17,8 до 45,7% твердість зростає на 13 одиниць HS (рис.5).

Рис. Залежність рівня властивостей від кількості карбідів у сплаві

Рис. Залежність рівня властивостей від кількості аустеніту в сплаві

Продукти розпаду аустеніту (кожний окремо) у меншій мірі впливають на рівень властивостей, при цьому закономірності змін не виявлено. Зі збільшенням частки мартенситу та бейніту коерцитивна сила зростає з 26,9 до 52,0 А/см.

Вперше освоєна технологія термічного оброблення прокатних валків великої маси (8-16 т) на знов створеному устаткованні (печі з висувним подом). Для рішення питання по забезпеченню рівномірного нагрівання аналізували все садіння валків на подині, по-різному розташованих щодо пальників і заслону. Для цього зачеканювали термопари по довжині і перетину досліджуваних заготівель. Показано, що при використанні встановлених пальників повною мірою не забезпечується однорідність нагрівання валків, як по їхній довжині, периметру, так і по глибині робочого шару (рис.6). Це призводить до одержання неоднорідної твердості, а також високого рівня напруг, що перевищує припустимий від 6,1 до 15,6%.

Рис. Зміна температури робочого шару валка в процесі нагрівання, витримки та охолодження при термічному обробленні (автоматизований запис показників термопар)

На підставі досліджень та рекомендацій проведена реконструкція термічних печей.

В залежності від призначення валків до них пред'являються різні вимоги за рівнем твердості. Тому при розробці режимів і параметрів оброблення проводили дослідження в декількох напрямках для забезпечення: підвищення твердості валків при припустимому рівні напруг; зниження рівня твердості і напруг; зменшення рівня напруг при збереженні твердості.

Лабораторними дослідженнями показано, що для забезпечення цих вимог варто проводити одне - і багатоступінчасті оброблення в інтервалі температур 450-7500С.

Для рівномірності прогріву виливка по перетину рекомендується здійснювати оброблення зі швидкістю нагрівання й охолодження, при яких досягається однорідність розподілу температур. Встановлено, що це може бути забезпечено додатковими витримками для вирівнювання температури. Такі витримки повинні бути не менше 6-8 годин.

Оцінено якість термооброблених виливків. Виявлено залежність між структурою, властивостями і рівнем їхнього напруженого стану. Режими термічного оброблення, що рекомендуються, забезпечують однорідність властивостей по довжині і периметру робочого шару валків. Вони не знижують характеристик міцності серцевини, а також не збільшують схильності до графітизації. На основі комплексних досліджень поведінки високохромистого та сірого чавунів в процесі термічного оброблення, оцінки якості і властивостей розроблена та затверджена технологічна інструкція на виготовлення масивних валків.

У шостому розділі розглянуте розроблення промислової технології впровадження у виробництво двошарових відцентроволитих валків, які мають робочий шар зі високохромистого чавуну.

Виробництво включає принципово новий процес лиття на відцентровій машині з вертикальною віссю обертання, а також використання спеціального оснащення та пристосувань для підготовки, кріплення форми й охолодження валків на розробленому стенді.

Для формування робочого шару запропоновано використовувати високохромисті сплави, що відрізняється стабільною твердістю протягом усього періоду експлуатації. Вивчено особливості кристалізації таких сплавів і параметри лиття, що забезпечують одночасно необхідні властивості серцевини і шийок, за рахунок запобігання переходу хрому в сірий чавун. Встановлено зв'язок хімічного складу і модифікування V, структури, умов кристалізації, твердості та коерцитивної сили з експлуатаційними властивостями валків.

Показано, що додаткове введення ванадію роздрібнює структуру робочого шару, забезпечує підвищення стійкості валків у 3,2 рази (табл.2).

Таблиця

Середній наробіток модифікованих і немодифікованих валків, відлитих відцентровим методом

Споживач валків | Розмір

валків | Тип валків | Кількість проаналізованих валків, шт. | Середній наробіток по групі (т/валок)

немодифікованих | модифікованих | немодифікованих | модифікованих

ВАТ “Меткомбінат ім. Ілліча” | 880х1800 | ЛПХ17НМдв-63 | 3 | 5 | 533006 | 1034155,7

ВАТ “НЛМК” | 815х2300 | ЛПХ17НМдв-63 | 1 | 2 | 2750*) | 208942

ЛПХ17НМдв-67 | 1 | 2 | 58213 | 167003

ЛПХ17НМдв-71 | 4 | 11 | 20623,5 | 109925,6

900х2000 | ЛПХ17НМдв-58 | не використовували | 3 | - | 107088,3

ЛПХ17НМдв-63 | не використовували | 4 | - | 239178,8

ЛПХ17НМдв-71 | 2 | 4 | 73515 | 181124,7

ВАТ “Северсталь” | 815х2000 | ЛПХ17НМдв-63 | 9 | - | 167471,3 | -

ЛПХ17НМдв-71 | 4 | 2 | 24086 | 130062

ЛПХ17НМдв-73 | 18 | 2 | 92746,7 | 219768,5

910х2000 | ЛПХ17НМдв-63 | 23 | 10 | 180335,2 | 336961,7

Примітка: *) вийшов з ладу з причини руйнування

Визначено межі значень коерцитивної сили, що забезпечують стабільну роботу валків без руйнування та викришування. Така границя визначається рівнем, який приведено на рис.7.

Рис. Експлуатаційна стійкість валків у залежності від рівня коерцитивної сили для різних груп твердості: 1-50-55HS; 2-56-60HS; 3-61-65HS; 4-66-70HS

Запропоновано наробіток валків оцінювати за коефіцієнтом , що визначає відношення рівня твердості до коерцитивної сили. Найбільше знімання металу при переточуваннях характерний для N < 2,2. Максимальний наробіток при мінімальному зніманні мають валки при . Отримано залежності, що прогнозують зв`язок температури термооброблення зі змінами коефіцієнта N і враховують перехід від литої структури до термообробленої (рис.8).

Рис. Залежність температури оброблення від зміни коефіцієнта N: група 1–55-60HS; група 2–61-65HS; група 3-66-70HS; група 4–71-77HS

Отримано рівняння регресії, яке передбачає вибір ефективного режиму термооброблення валків для забезпечення вимог споживача за призначенням. Для валків з твердістю 71-75 HS воно має вид:

На виробництво валків нових типів методом відцентрового лиття з робочим шаром з високохромистого чавуну розроблені ТУ 14-2-1188-97, а на їх лиття і термооброблення - технологічні інструкції.

Економічний ефект від впровадження 289,8 т відцентроволитих двошарових валків 910 мм з робочим шаром з високохромистого чавуну склав 1257 тис. грн. на рік внаслідок скорочення витрат у виробника на 48,4% і підвищення в 1,5 рази їхньої стійкості. Розроблення впроваджені на ВАТ “Северсталь”. Очікуваний економічний ефект від розширення об'ємів виробництва і споживання валків на підприємствах Росії (ВАТ “Северсталь”, ВАТ “НЛМК”) і України (ВАТ “меткомбінат ім. Ілліча”) до 1071,4 т складе 4649,659 тис. грн. на рік.

ВИСНОВКИ

1. Найбільш високу експлуатаційну стійкість на станах гарячої прокатки мають двошарові валки з робочим шаром з легованого хромонікелевого (0,8-1,2% Cr, 2,8-4,5% Ni, 0,2-0,5% Мо) чавуну. Подальше підвищення експлуатаційної стійкості валків аналогічного класу і призначення може бути забезпечене як за рахунок використання більш зносостійкого матеріалу, так і застосування нових технологій лиття. До їх у першу чергу варто віднести відцентровий метод. Така технологія протягом останніх десятиліть розроблялася ведучими закордонними фірмами. У СНД відцентрове лиття до 1988 р. не розроблялося, а такі валки закуповувалися по імпорту. Починаючи з цього періоду, технологія відцентрового лиття великих валків і устатковання для їхнього виробництва розроблялися й освоювалися вперше в Україні на ЛДНВВК.

2. Розроблення промислової технології виробництва двошарових валків відцентровим методом з робочим шаром з високохромистого чавуну для листових станів гарячої прокатки масою 8-16 т базувалася на теоретичних дослідженнях по моделюванню теплопереносу і тверднення виливків, вивченні впливу технологічних параметрів лиття і термооброблення на якість та властивості формованого робочого шару, серцевини і шийок валків.

3. Розроблена методика і запропонована програма розрахунку для чисельного моделювання лиття двошарових валків відцентровим методом на машині з вертикальною віссю обертання. Моделюванням передбачене вивчення процесу заповнення форми рідким металом. Особливу увагу надано дослідженню процесу формування параболоїду обертання для визначення вільної поверхні металу у формі. Досліджені параметри пошарового заповнення форми при кристалізації робочого шару для запобігання переходу хрому в серцевину і шийки валка.

Встановлено, що процес перемішування різнорідних металів визначається положенням фронту кристалізації робочого шару, що залежить від термічного опору покриття металевої форми, температури заливання робочого шару і серцевини, фізичних параметрів високохромистого сплаву, швидкості обертання форми, тривалості тверднення, маси металу, що заливається.

4. Розроблено основні технологічні параметри лиття двошарових прокатних валків з робочим шаром з високохромистого чавуну.

Показано, що найбільш значними чинниками є:

- швидкість кристалізації виливка, що рекомендовано регулювати здатністю форми, яка відводить тепло, за рахунок нанесення покриттів різної товщини. Це дозволяє регулювати твердість у заданих межах. Експериментально встановлено, що зміна твердості в межах 58-78 HS досягається відповідним нанесенням покриття на кокіль від 2 до 7 мм;

- для усунення незварюваності робочого шару і серцевини, зменшення його різнотовщиності по довжині бочки валка заливання варто здійснювати з використанням запропонованої рухливої ливникової системи. Вона забезпечує поступове піднімання металу вздовж стінки форми і рівномірну кристалізацію всього робочого шару;

- для формування якісної перехідної зони заливання серцевини рекомендується проводити порціонним введенням сірого чавуну. Перша порція не повинна перевищувати 25-30% по масі від загальної частки металу робочого шару. Після кристалізації цієї порції металу варто заливати інший. При цьому час витримки між шарами не повинен перевищувати 5 хвилин;

- забезпечення зварюваності шарів також досягається суворою регламентацією температури металу робочого шару (t=1350-1410 0С) і серцевини (t=1310-1350 0С), що заливаються.

Вивчено вплив хімічного складу сплаву, умов кристалізації на рівень твердості, міцності та коерцитивної сили. Плануванням експерименту отримані математичні моделі, що описують вплив цих чинників