Технологія виробництва, якість і властивості відцентроволитих валків з високохромистим чавуном у робочому шарі

Сравнительными исследованиями структуры и свойств стационарных и центробежных отливок было установлено, что в случае стационарного литья рабочий слой не превышает 25 мм и характеризуется заметным спадом твердости по его сечению (на ≈8%). При центробежном литье неоднородность по твердости не превышает 5% при величине рабочего слоя 50 мм. Наработка прокатного инструмента возросла в 1, 5 раза.

В результате выполненных исследований разработана промышленная технология производства таких валков массой 8-16 т. Она базировалась на теоретических расчетах теплопереноса и затвердевания отливок, изучении влияния технологических параметров литья и термообработки на качество формируемого рабочего слоя, сердцевины и шеек валков.

Разработана методика и предложена программа расчета для численного моделирования отливки двухслойных валков центробежным методом (процесса заполнения формы жидким металлом) на машине с вертикальной осью вращения. Особое внимание уделено исследованию процесса формирования параболоида вращения для определения свободной поверхности металла в форме.

Одновременно для предотвращения перехода хрома в сердцевину и шейки валка изучали температурные параметры кристаллизации рабочего слоя. Установлено, что процесс перемешивания разнородных металлов определяется положением фронта кристаллизации рабочего слоя, который зависит от термического сопротивления покрытия изложницы, температуры заливки рабочего слоя и сердцевины, физических параметров высокохромистого сплава, скорости вращения формы, продолжительности затвердевания, массы заливаемого металла.

Разработаны основные технологические параметры отливки двухслойных прокатных валков с рабочим слоем из высокохромистого чугуна. Показано, что наиболее значимыми факторами, влияющими на качество и уровень свойств, являются: химический состав, величина теплоизоляционного покрытия изложницы, температуры заливки металлов рабочего слоя и сердцевины, тип литниковой системы.

Изучено влияние химического состава сплава, условий кристаллизации на уровень твердости, прочности и коэрцитивной силы. Планированием эксперимента получены математические модели, описывающие влияние этих факторов на физико-механические свойства рабочего слоя. Наибольший вклад в изменение твердости помимо величины слоя теплоизоляционного покрытия вносит и парное его взаимодействие с легирующими добавками ∑ (Cr+Ni).

Для повышения качества металла рабочего слоя, измельчения первичной структуры рекомендовано модифицирование ванадием до 0, 45%. Влияние фактора модифицирования одновременно изучали с изменением величины слоя теплоизоляционного покрытия и массы валка. Влияние ванадия наиболее значимо в парном взаимодействии с величиной слоя теплоизоляционного покрытия металлической формы. Исследования методом планирования эксперимента показали, что влияние модифицирования ванадием проявляется на повышении твердости и прочности при растяжении и изгибе лишь на глубине рабочего слоя до 15 мм включительно. Это достигается уменьшением размера эвтектических колоний на 54%, длины стволов дендритов на 30%. При этом повышение прочностных характеристик составляет 8%, что способствует снижению склонности к выкрашиванию и увеличению наработки в 3, 2 раза.

Для обеспечения свариваемости слоев и формирования качественной переходной зоны рекомендовано регламентировать температуру заливаемого металла рабочего слоя и сердцевины. Для устранения несвариваемости и уменьшения разнотолщинности рабочего слоя по длине валка для его заливки предложена подвижная литниковая система.

Впервые в СНГ освоена технология и оборудование термической обработки массивных валков. Разработанная технология термообработки валков предусматривала следующие операции: повышение твердости, понижение твердости, а также снятие напряжений при сохранении достигнутой твердости. Показано, что равномерность прогрева валков по их сечению достигается дополнительными ступенями выдержки при нагреве и охлаждении. При этом время выдержки должно быть не менее 6-8 ч. Уровень свойств термообработанных валков определяется долей остаточного аустенита и структурными составляющими его распада (перлит, мартенсит, бейнит, троостит), а также соотношением этих фаз.

Валки, изготовленные по предложенной технологии, были поставлены на листовые станы горячей прокатки ведущих металлургических комбинатов России и Украины.

Эксплуатационными испытаниями установлена связь величины наработки валков с их твердостью и уровнем коэрцитивной силы. Для оценки такой связи предложен коэффициент  . Показано, что наибольший съем металла при переточках характерен для N2, 2. Максимальную наработку имеют валки при  . Получены математические модели, оценивающие связь температуры термообработки с коэффициентом N, что позволяет прогнозировать качество валков в эксплуатации. Разработанная технология центробежного литья валков с рабочим слоем из высокохромистого чугуна защищена патентом.

Экономический эффект от внедрения валков новых типов размером 910х2000 стана горячей прокатки на ОАО “Северсталь” в объеме 289, 8 т составил 1257 тыс. грн. Ожидаемый экономический эффект от расширения объемов производства до 1071, 4т составит 4649, 659тыс. грн. в год.

Ключевые слова: двухслойный валок, высокохромистый чугун, модифицирование, центробежное литье, подвижная литниковая система, параболоид вращения, температурные параметры кристаллизации, физико-механические свойства, напряженное состояние и термическая обработка, эксплуатационная стойкость.

 

 

Zhizhkina N. A. Technology of Production, Quality and Properties of Centrifugally Casted Rolls with High-Chromium Cast-Iron in Working Layer. – Manuscript.

The Thesis for Candidate’s Degree of Engineering on Speciality 05. 16. 04. Foundry. – National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2002.

The thesis paper is devoted to some problems of improvement of operating endurance for wear and effectiveness of rolls for sheet mills of hot rolling. It is realized by developing of technology of their centrifugal casting, mastering of up-to-date equipment, which the possibility increase application of resistance of high-chromium alloys for working layer.

As a result of the research fulfilled, at the LRPC an industrial technology of production of rolls with weight of 8-16 tons has been developed. It was based on theoretical calculations of thermal conductivity and solidification of castings and also on studying of influence of technological parameters of casting and thermal treatment on quality of working and core layers and necks of rolls. A number of methods and a programmer of calculations for modeling of casting process of bimetal rolls by centrifugal machine with vertical axle of rotation have been developed. Principal technological parameters of casting and thermal treatment of bimetal rolls with working layer from high-chromium cast iron have been developed. It was determined that the most significant factors which influence the level of quality and properties are: chemical composition, thickness of heat-insulating metal of working and core layers, type of gating system. Modification by vanadium (to 0, 45%) has been recommended for increasing of working layer metal quality and grinding of initial structure.

The economic effect from introduction of new types of rolls with size 910x2000 for jot rolling mill of Open Joint-Stock Company “Severstal” in capacity 289, 81 ton came to 1, 257 million grivnya. The expected economic effect from increasing of production capacity to 1071, 4 ton will come to 4, 650 million grivnya.

The key words: bimetal roll, high-chromium cast iron, modification, centrifugal casting, moving gating system, paraboloid of rotation, temperature parameters of crystallization, physical and mechanical properties, stressed condition and thermal treatment, operating durability.