Способ изготовления валка профилегибочного агрегата

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве валков профилегибочных и трубоформовочных станов. Технический результат изобретения состоит в повышении стойкости валка и качества гнутых профилей и труб. Способ включает механическую обработку литой заготовки из заэвтектоидной хромомолибденовой стали и термическое упрочнение валка. Сталь имеет следующий химический состав, %: углерод 2,0-2,2; кремний 0,10-0,40; марганец 0,15-0,45; хром 11,0-12,5; вольфрам 0,50-0,80; ванадий 0,15-0,30; молибден 0,60-0,90; сера не более 0,030; фосфор не более 0,030; железо остальное. Термическое упрочнение ведут путем нагрева валка до температуры 850-900^oС, выдержки до выравнивания температуры по сечению, последующего охлаждения со скоростью 5-45^oС/мин, после чего валок отпускают при температуре 180-400^oС. Кроме того, перед механической обработкой литую заготовку отжигают при температуре 800-950^oС в течение 10-20 ч. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве валков профилегибочных и трубоформовочных станов.

Основными требованиями, которым должны удовлетворять валки профилегибочного агрегата, является высокая твердость и износостойкость, а также исключение налипания на поверхность загрязнений в виде смеси технологической смазки и окалины.

Известен способ изготовления прокатного валка из хромомолибденовой стали, содержащей, мас.%: Углерод - 0,7-1,2 Кремний - 1,1-2,0 Хром - 3,5-5,5 Молибден - 4,5-5,5 Вольфрам - 1,5-5,0 Ванадий - 1,5-3,0 Кобальт - 4-6 Марганец - 1,1-5,0 Никель - 2,1-5,0
Цирконий - 0,1-0,5
Бор - 0,001-0,05
Железо и примеси - Остальное
После механической обработки заготовки валок подвергают закалке и отпуску [1].

Недостатком данного способа является низкая износостойкость валков, не позволяющая использовать их в профилегибочных агрегатах.

Известен также способ изготовления прокатного валка из заэвтектоидной хромованадиевой стали следующего химического состава, мас.%:
Углерод - 1,5-2,5
Кремний - 0,2-1,2
Марганец - 0,2-1,2
Хром - 0,5-2,0
Ванадий - 4-8
Железо - Остальное
Стальную заготовку подвергают механической обработке и термическому упрочнению [2].

Валок, полученный по известной технологии, имеет низкие твердость и износостойкость, подвержен налипанию загрязнений. Это снижает стойкость валка и качество металлопродукции.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ изготовления валка, включающий механическую обработку литой заготовки из заэвтектоидной хромомолибденовой стали марки 150ХНМ, содержащей, мас.% (ГОСТ 9487):
Углерод - 1,3-1,7
Кремний - 0,17-0,37
Марганец - 0,50-0,80
Хром - 1,3-1,7
Никель - 1,20-1,60
Молибден - 0,10-0,30
Сера - Не более 0,040
Фосфор - Не более 0,040
Железо - Остальное
Литую заготовку после механической обработки подвергают термическому упрочнению по режиму: нагрев со скоростью 50-60^oС/ч до температуры нормализации 900-950^oС, выдержка при этой температуре 12-20 ч, охлаждение до температуры 600^oС, выдержка в течение 8-10 ч и окончательное охлаждение со скоростью, не превышающей 25^oС/ч [3] - прототип.

Недостаток известного способа состоит в том, что профилегибочный валок, изготовленный по такой технологии, имеет низкую твердость и износостойкость, подвержен налипанию загрязнений. Это приводит к снижению стойкости валка и качества гнутых профилей и труб.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении стойкости валка и качества гнутых профилей и труб.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе изготовления валка профилегибочного агрегата, включающем механическую обработку литой заготовки из заэвтектоидной хромомолибденовой стали и термическое упрочнение валка, согласно предложению сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод - 2,0-2,2
Кремний - 0,10-0,40
Марганец - 0,15-0,45
Хром - 11,0-12,5
Вольфрам - 0,50-0,80
Ванадий - 0,15-0,30
Молибден - 0,60-0,90
Сера - Не более 0,030
Фосфор - Не более 0,030
Железо - Остальное
а термическое упрочнение ведут путем нагрева валка до температуры 850-900^oС, выдержки до выравнивания температуры по сечению, последующего охлаждения со скоростью не менее 5^oС/мин и не более 45^oС/мин, после чего валок отпускают при температуре 180-400^oС. Кроме того, перед механической обработкой литую заготовку отжигают при температуре 800-950^oС в течение 10-20 ч.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Для повышения твердости, износостойкости и исключения налипания на валки загрязнений проведена одновременная оптимизация химического состава стали и режимов термического упрочнения валков.

В состав стали введены дополнительно 0,5-0,8% вольфрама и 0,15-0,30% ванадия, уменьшено допустимое содержание вредных примесей - серы и фосфора. Такая сталь после термической обработки приобретает высокую износостойкость, однако она имеет повышенную склонность к образованию термических трещин и плохо поддается механической обработке. Снижение температуры термоупрочнения и скорости охлаждения для исключения трещинообразования приводит к потере твердости и износостойкости валка, увеличивает вероятность налипания на него загрязнений.

При нагреве валка из стали предложенного состава до температуры 850-950^oС обеспечивается разрушение цементитной сетки, сфероидизация цементита и перлита. Выдержка до выравнивания температуры позволяет устранить термические напряжения в валке. Последующее охлаждение валка со скоростью 5-45^oС/мин способствует фиксации мелкозернистой микроструктуры стали, интенсивному повышению ее твердости, износостойкости, снижению адгезии загрязнений к поверхности. В то же время, скорость охлаждения 45^oС/мин является предельно допустимой, при которой термические и фазовые напряжения в стали предложенного состава еще не приводят к образованию термических трещин, а скорость 5^oС/мин еще не приводит к заметному падению твердости и износостойкости валка.

Последующий отпуск при температуре 180-400^oС обеспечивает полное снятие в валке внутренних напряжений, которые возникли в нем при охлаждении со скоростью 5-45^oС/мин.

Отжиг литой заготовки перед механической обработкой при температуре 800-950^oС в течение 10-20 ч снижает твердость отливки и улучшает ее обрабатываемость. Помимо этого, отжиг способствует гомогенизации микроструктуры, что благоприятно сказывается на твердости и износостойкости литого термоупрочненного валка.

Углерод является основным упрочняющим элементом в стали. При содержании углерода менее 2,0% даже после термоупрочнения валок имеет низкую твердость и износостойкость. Повышение концентрации углерода более 2,2% приводит к графитизации стали, снижению ее прочности, что недопустимо.

Кремний обеспечивает повышение жидкотекучести расплава стали, что улучшает качество литой заготовки. Увеличение содержания кремния более 0,40% приводит к охрупчиванию литой заготовки. Снижение содержания кремния менее 0,10% разупрочняет сталь, ухудшает раскисленность стали, что отрицательно сказывается на стойкости валков.

Марганец раскисляет и десульфурирует сталь, уменьшает содержание в ней неметаллических включений. Это повышает стойкость валков и качество гнутого профильного проката и труб. Марганец образует в данной стали карбиды типа Мn₃С и Мn₃СFе₃С, упрочняющие сталь. Снижение содержания марганца менее 0,15% увеличивает ее окисленность и не обеспечивает десульфурацию. Это ухудшает стойкость валков. Увеличение содержания марганца сверх 0,45% приводит к растрескиванию валков в процессе их термоупрочнения.

Хром существенно повышает твердость и износостойкость литых прокатных валков. При концентрации хрома в стали менее 11% валки профилегибочного агрегата имеют низкую износостойкость. Увеличение содержания хрома сверх 12,5% не приводит к дальнейшему повышению эксплуатационных свойств валков, а лишь ухудшает литейные свойства стали, вследствие чего нецелесообразно.

Введение в сталь вольфрама приводит к существенному повышению ее твердости и износостойкости, снижению адгезии жиросодержащих загрязнений к поверхности валка. При содержании вольфрама менее 0,50% износостойкость валка профилегибочного агрегата снижается. Увеличение концентрации этого элемента сверх 0,80% не ведет к дальнейшему повышению стойкости валков, а лишь увеличивает расход легирующих, что нецелесообразно.

Ванадий, являясь сильным карбидообразующим элементом, размельчает литую структуру валка, очищает валок от включений графита и повышает его износостойкость. При содержании ванадия менее 0,15% его влияние проявляется слабо. Увеличение концентрации ванадия сверх 0,30% снижает прочность валка в термоупрочненном состоянии.

Молибден является карбидообразующим элементом, повышающим твердость и износостойкость валка. При содержании молибдена менее 0,60% образуется крупнозернистая структура литой стали, имеющая недостаточную износостойкость. Увеличение содержания молибдена сверх 0,90% приводит к резкому увеличению склонности литой стали к трещинообразованию при термоупрочнении валка, что нецелесообразно.

Сера и фосфор являются вредными примесями, неизбежно присутствующими в сталях промышленного производства. При содержании серы сверх 0,030% или фосфора сверх 0,030% имеет место резкое снижение механических и эксплуатационных свойств валка профилегибочного стана. При содержании серы менее 0,030% и фосфора менее 0,030% вредное действие этих элементов в стали предложенного состава практически не проявляется, тогда как дальнейшее снижение их концентрации экономически нецелесообразно.

Экспериментально установлено, что при увеличении температуры нагрева выше 950^oС происходит чрезмерный рост зерен микроструктуры стали, валок профилегибочного агрегата имеет низкие твердость и износостойкость. Снижение этой температуры менее 850^oС приводит к сохранению в стали цементитной сетки, образующейся в процессе кристаллизации. Это снижает стойкость валка и ухудшает качество гнутых профилей и труб.

При скорости охлаждения выше 45^oС/мин в теле валка из стали предложенного состава образуются трещины, что недопустимо. Снижение скорости охлаждения менее 5^oС/мин приводит к потере твердости и износостойкости валка, увеличению налипания на него загрязнений, ухудшению качества гнутых профилей и труб.

Отпуск при температуре выше 400^oС ведет к снижению твердости и износостойкости валка. При температуре отпуска ниже 180^oС в валке сохраняются остаточные напряжения, приводящие к образованию трещин и выкрошек в процессе эксплуатации валка.

Отжиг литой заготовки при температуре ниже 800^oС с продолжительностью выдержки менее 10 ч не обеспечивает гомогенизации литой структуры стали и не улучшает обрабатываемости резанием и качества термоупрочненного валка. Увеличение температуры отжига сверх 950^oС или времени выдержки более 20 ч приводит к снижению износостойкости литого термоупрочненного валка.

Пример реализации способа
В электропечи производят выплавку заэвтектоидных хромомолибденовых сталей составов (см. табл.1).

Выплавленные стали разливают в слитки круглого сечения, которые отжигают в шахтной электропечи при температуре t₀=875^oC в течение времени ₀=15 ч.

Отожженные слитки делят на заготовки, из которых механической (токарной) обработкой изготавливают валки профилегибочного агрегата ПГА 2-8 (с припуском на финишную обработку).

После механической обработки валок загружают в электропечь сопротивления, нагревают до температуры t_Т=900^oC и выдерживают до выравнивания температуры по сечению валков. Затем валок извлекают из печи и охлаждают принудительно на стенде для охлаждения со скоростью V₀=25^oС/мин. Скорость охлаждения регулируют расходом подаваемой к валку водовоздушной смеси. По завершению охлаждения валок загружают в шахтную электропечь ПН-34М и подвергают отпуску при температуре t_от=290^oC.

Отожженный валок перетачивают на конечный размер и эксплуатируют в линии профилегибочного агрегата ПГА 2-8.

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

Из табл. 2 следует, что в случае использования заэвтектоидной стали предложенного состава (составы 2-4) и обработки литой заготовки по предложенным режимам имеет место повышение стойкости валка профилегибочного агрегата (до 280-320 км спрофилированной полосы) при одновременном повышении качества профильного проката.

В случаях запредельных значений содержаний в стали химических элементов и запредельных параметрах обработки (составы 1 и 5) имеет место ухудшение стойкости валка и качества профильного проката.

Также более низкие стойкость валка и качество профильного проката достигается при использовании прототипа (состав 6).

Технико-экономические преимущества предложенного способа изготовления валка профилегибочного агрегата состоят в том, что за счет оптимизации химического состава и режимов обработки заготовки и валка обеспечивается повышение износостойкости валка, повышение его твердости, уменьшение склонности валка удерживать загрязнения на поверхности. Этим обеспечивается повышение стойкости валков и качества гнутых профилей.

В качестве базового объекта принят способ-прототип. Применение предложенного способа позволит повысить рентабельность производства гнутого профильного проката на 18-20%.

Источники информации
1. Заявка 2205656 (Япония), МПК С 22 С 38/00, В 21 В 27/00, 1990 г.

2. Заявка 58-144455 (Япония), МПК С 22 С 38/24, В 21 В 27/02, 1983 г.

3. Н. А. Будагьянц, В.Е. Карсский. Литые прокатные валки. М., Металлургия, 1983 г., с.142-143 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ изготовления валка профилегибочного агрегата, включающий механическую обработку литой заготовки из заэвтектоидной хромомолибденовой стали и термическое упрочнение валка, отличающийся тем, что сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
Углерод - 2,0-2,2
Кремний - 0,10-0,40
Марганец - 0,15-0,45
Хром - 11,0-12,5
Вольфрам - 0,50-0,80
Ванадий - 0,15-0,30
Молибден - 0,60-0,90
Сера - Не более 0,030
Фосфор - Не более 0,030
Железо - Остальное
а термическое упрочнение ведут путем нагрева валка до температуры 850 -900^oС, выдержки до выравнивания температуры по сечению, последующего охлаждения со скоростью не менее 5^oС/мин и не более 45^oС/мин, после чего валок отпускают при температуре 180-400^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед механической обработкой литую заготовку отжигают при температуре 800-950^oС в течение 10-20 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2