close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технологические основы производства композитных сортопрокатных валков повышенной стойкости с применением центробежного литья.

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Цыбров Сергей Васильевич Шифр научной специальности: 05.16.04 - литейное производство Шифр диссертационного совета: Д 217.042.01 Название организации: Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт
На правах рукописи
ЦЫБРОВ Сергей Васильевич
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИТНЫХ
СОРТОПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТИ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ
Специальность 05.16.04 – Литейное производство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва 2012
2
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научнопроизводственное объединение «Центральный научно-исследовательский
институт технологии машиностроения» (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ») и
Закрытом акционерном обществе «Магнитогорский завод прокатных валков»
(ЗАО «МЗПВ)
Официальные оппоненты:
Кац Эдуард Лейбович, д.т.н., проф.
Дибров Иван Андреевич, д.т.н., проф., Российская ассоциация
литейщиков (РАЛ), президент РАЛ.
Поддубный Анатолий Никифорович, д.т.н., проф., ЗАО
«Нанопокрытиеатом», генеральный директор.
Ведущая организация – ГНЦ РФ ВНИИМЕТМАШ им. академика
Целикова А.И.
Защита состоится 25 октября 2012 г. в 14 часов на заседании
диссертационного совета Д 217.042.01, созданного на базе ОАО НПО
«ЦНИИТМАШ» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4.
С диссертацией
«ЦНИИТМАШ».
можно
ознакомиться
в
библиотеке
ОАО
НПО
Автореферат диссертации размещен на официальном сайте ОАО НПО
«ЦНИИТМАШ» – http://cniitmash.ru/. Текст автореферата диссертации и
объявление о защите направлены по адресу referat_vak@mon.gov.ru для
размещения в сети Интернет Министерством образования и науки Российской
Федерации по адресу: http://vak2.ed.gov.ru/.
Отзывы на автореферат диссертаци (в двух экземплярах, заверенных
печатью) просьба направлять по адресу:
115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4, Диссертационный совет
Д 217.042.01. Копии отзывов можно направлять по e-mail: lenmark@inbox.ru
Автореферат разослан _______________ 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д217.042.01
кандидат технических наук
Е.В. Макарычева
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Развитие
современного
металлургического
машиностроения
связано
с
созданием высокопроизводительного прокатного оборудования с повышенными
скоростями прокатки, высокими обжатиями прокатываемого металла и применением
труднодеформируемых легированных сталей, что требует неуклонного повышения
качественных
характеристик
прокатных
валков
–
основного
инструмента
металлургического оборудования.
Проблема, связанная с необходимостью повышения качества валков, наиболее
остро коснулась изготовления сортопрокатных валков, как наиболее емких по
количеству и номенклатуре, а также широко востребованных в промышленности.
Эта проблема обострилась при модернизации станов на ряде отечественных
металлургических комбинатов и особенно при вводе в строй современных станов
высокой производительности, таких как станы непрерывной прокатки «170», «370» и
«450» фирмы «Даниэли» (Италия), установленные в 2005 году на ОАО «ММК» для
выпуска высококачественного сортового проката, отличающиеся полным циклом
автоматизации и высокой интенсификацией производственных процессов.
Это обстоятельство сказалось на значительном ужесточении требований к
служебным характеристикам сортовых валков, связанных с необходимостью
получения композитной структуры по сечению бочки валка с узкой переходной
зоной, повышением толщины рабочего слоя до 140 мм, увеличением уровня его
твердости до 75…85 ед. HSD, снижением степени падения твердости по его сечению
до 2…4% и ряда других.
Повышенные требования, предъявляемые к служебным характеристикам
сортопрокатных
технологии
их
валков,
полностью
изготовления
исключают
способом
применение
стационарного
распространенной на отечественных предприятиях,
традиционной
литья,
широко
в связи с ограниченными
возможностями формирования композитной структуры бочки валка, невозможностью
получения толстостенного рабочего слоя с низкой степенью спада твердости по
сечению, а также малоэффективной и затратной форме ее производства.
4
Обстоятельные исследования, проведенные в этой области специалистами ОАО
НПО «ЦНИИТМАШ» в 1966…1972 гг. показали, что наиболее приемлемым
процессом изготовления сортовых валков, позволяющим обеспечить композитную
структуру металла и прочное сплавление рабочего слоя с металлом сердцевины
является способ центробежного литья с последовательной заливкой двух металлов в
форму с горизонтальной осью вращения.
Однако сложная конструкция заливочного устройства в зоне сопряжения с
вращающейся формой, а также наличие усадочной полости в центральной зоне валка,
снижающей прочностные характеристики металла, сдерживали использование
прогрессивного способа центробежного литья для промышленного изготовления
сортопрокатных валков.
Литературные источники свидетельствуют о том, что и в передовых
зарубежных странах технология центробежного литья сортопрокатных валков,
несмотря на свои преимущества, не нашла своего применения в условиях
промышленного производства.
Такое состояние с производством сортовых валков методом центробежного
литья
объяснялось
высококачественных
отсутствием технологических решений
сортовых
валков
в
связи
с
по
изготовлению
нерешенностью
проблем
формирования рабочего слоя с повышенной толщиной стенки и его взаимодействия с
металлом осевой зоны, позволяющих обеспечить прочное сплавление двух
разнородных металлов с низкой степенью падения твердости по сечению наружного
слоя.
Наряду с этим не были решены технические вопросы по совершенствованию
конструкции
центробежной
машины,
позволяющей
обеспечить
рентабельное
производство широкой номенклатуры сортовых валков.
В связи с этим становится неоспоримой актуальность проведения настоящей
работы по исследованию и разработке технологических основ производства нового
поколения
композитных
применением
сортопрокатных
центробежного
литья
металлургической отрасли страны.
для
валков
их
повышенной
широкого
стойкости
с
использования
в
5
Цель и задачи работы:
Целью
работы
универсального
является
оборудования
создание
для
конкурентоспособной
промышленного
технологии
производства
и
широкой
номенклатуры композитных сортопрокатных валков повышенной эксплуатационной
стойкости с применением прогрессивного способа центробежного литья.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
определены требования к качеству изготовления сортопрокатных валков для
современного прокатного оборудования на основе анализа, систематизации и
обобщения современных теоретических и практических работ в области их
производства;
оптимизированы составы металла рабочего слоя и осевой зоны сортовых
валков;
исследованы тепловые и гидродинамические особенности поведения жидкости
во вращающейся форме и их влияние на плотность и однородность металла
толстостенного рабочего слоя;
исследована
композитных
и
разработана
технология
сортопрокатных
валков
с
промышленного
прочным
производства
соединением
двух
разнородных металлов и сплошной осевой зоной;
создана современная конструкция центробежной машины с универсальной
формой для серийного производства широкой номенклатуры сортопрокатных
валков;
осуществлено широкое промышленное внедрение разработанной технологии
композитных
стойкости,
сортопрокатных
позволяющее
валков
внести
повышенной
значительный
эксплуатационной
вклад
в
развитие
металлургической отрасли страны.
Научная новизна
1. С помощью методов теоретического анализа и гидродинамического
моделирования установлены закономерности поведения жидкого потока в поле
действия центробежных сил с повышенной толщиной слоя до 140 мм, позволившие
определить скоростные параметры и характер течения металла во вращающейся
форме, при этом показано, что:
6
- скорость продольного течения кругового потока жидкости во вращающейся
форме увеличивается с повышением частоты вращения формы, расхода жидкости при
заливке и толщины слоя потока;
- критическая скорость вращения формы, характеризующая неустойчивое
состояние кругового потока в виде «дождевания» с различной толщиной слоя в
пределах 60…140 мм, в 1,5 раза ниже скорости вращения формы с устойчивым
состоянием потока, являющимся обязательным условием образования плотной и
однородной структуры отливки;
- минимальная продолжительность вовлечения кругового потока в форме до
скорости ее вращения для толщин жидкого потока 60…140 мм достигается при
значениях гравитационного коэффициента 70…105 на свободной поверхности
жидкости.
2. Выявлено, что обеспечение процесса последовательной кристаллизации при
направленном затвердевании рабочего слоя валка с учетом рекомендованного
критерия
направленного затвердевания (К
>> 1),
отражающего отношение
термического сопротивления на внутренней и внешней поверхностях рабочего слоя
валка, позволяет гарантировать получение плотной структуры металла без усадочных
дефектов.
При значениях критерия K 15 полностью обеспечивается процесс
направленного затвердевания с образованием сплошного сечения рабочего слоя
толщиной до 140 мм.
3.
На
основании
толстостенных
моделирования,
комплексных
заготовок
расчетных
рабочего
и
исследований
слоя
с
процесса
применением
экспериментальных
методов
затвердевания
компьютерного
установлены
закономерности последовательного продвижения фронта кристаллизации металла
рабочего слоя из износостойкого чугуна от внешней поверхности отливок к
внутренней, позволяющие определить такие основополагающие технологические
параметры процесса изготовления валков как продолжительность вращения формы с
формирующимся рабочим слоем на центробежной машине и величина временного
интервала между окончанием формирования первого слоя металла и началом заливки
второго, обеспечивающих во многом прочное соединение двух разнородных
металлов.
7
4. Показано, что применение двухслойной формы, состоящей из изложницы и
сменного цилиндрического вкладыша, с толщиной стенки, соразмерной с толщиной
стенки рабочего слоя валка, позволяет существенно повысить теплоаккумулирующую
способность вкладыша, внутренняя поверхность которого покрыта тонким слоем
(1,0…1,5 мм) теплоизоляционной краски, и перераспределить тепловую нагрузку с
изложницы на вкладыш, способствуя уменьшению температурного градиента в
стенке изложницы и повышению ее стойкости.
5.
Разработана методика прочного сплавления
двух разнородных по
химическому составу чугунов рабочего слоя и сердцевины валка с узкой переходной
зоной протяженностью до
7% его сечения, основанная на использовании
экспериментально подтвержденных температурно-временных режимов литья с
учетом
изменения
температуры
внутренней
поверхности
рабочего
слоя
и
температуры жидкого металла осевой зоны.
При этом показано, что определяющим фактором прочного сплавления
рабочего слоя и сердцевины валка является величина перегрева металла сердцевины с
максимальным значением 200°С, заливаемого со скоростью 30…40 кг/с, при
температуре
внутренней
поверхности
рабочего
слоя
на
100…120°С
ниже
температуры солидус.
6. Установлено, что в рабочем слое сортопрокатных валков протяженностью до
140 мм достижение высокой твердости (75…85 HSD) с низкой степенью спада
(2…4%) по сечению обеспечивается, наряду с заданным химическим составом
металла, за счет высоких значений средней скорости затвердевания (Vср = 3,2…4,1
мм/мин) металла с образованием однородной мелкозернистой структуры и
равномерным распределением графита в компактной форме по сечению отливки,
соответствующим
характеристикам
ВГр2…ВГр3
с
дисперсностью
частиц
ВГ70…ВГ98 при содержании общей доли карбидов в металлической матрице
25…40%.
7. Предложена гипотеза механизма образования сплавления рабочего слоя
сортовых валков с осевой зоной, включающая ряд принципиальных положений,
подтвержденных в лабораторных и промышленных условиях:
- создание защитного покрытия от внешнего охлаждения внутренней
поверхности жидкого металла при заливке рабочего слоя в вращающуюся форму
8
путем ввода флюса с низкой температурой плавления (789…800С) и высокой
смачивающей способностью;
- прогрев переохлажденного до температуры 100…120С ниже температуры
солидус рабочего слоя и расплавление его внутренней поверхности на глубину до 6%
сечения за счет высокого перегрева (около 200С) заливаемого металла осевой зоны в
стационарную форму со скоростью подъема 65…75 мм/с, способствующего
всплытию неметаллических включений из металла дефектной зоны в прибыль;
- диффузионное проникновение металла сердцевины в твердо-жидкую зону
подогретого рабочего слоя с образованием узкой переходной зоны протяженностью
до 7% сечения, обеспечивающее прочное соединение двух разнородных по
химическому составу сплавов.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработана и внедрена в условиях ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК» сквозная
технология производства широкого сортамента мелкосортных, среднесортных
и крупносортных композитных прокатных валков, включающая операции
выплавки, модифицирования металла, заливки чугуна рабочего слоя во
вращающуюся форму, заливки чугуна осевой зоны валка в стационарно
установленную форму, охлаждения отливки, разборки форм, термообработки,
механообработки,
контроля
качества,
обеспечивающая
высокую
конкурентоспособность сортовых валков с повышенной эксплуатационной
стойкостью (на 35…40%) по сравнению со стойкостью валков, изготовленных
по традиционной технологии стационарного литья и на 15…20% по сравнению
со стойкостью валков зарубежного производства, а также более низкую (на
30%) себестоимость их изготовления (патент № 2338626).
Спроектирована, изготовлена и внедрена в производственных условиях ЗАО
«МЗПВ» ОАО «ММК» промышленная установка центробежного литья с
регулируемой частотой вращения формы для отливки сортопрокатных валков
диаметром 200…700 мм производительностью 3600 шт. в год, полностью
обеспечивающая всю потребность сортопрокатных станов ОАО «ММК», а
также ряда крупнейших металлургических комбинатов России (Северсталь,
Мечел, Чусовской и др.) (патент № 2146182).
9
Разработана
и
внедрена
в
производство
универсальная
конструкция
двухслойной вращающейся формы со сменным вкладышем во внутренней
полости изложницы и опоками для формирования шеек (патент № 2346788),
позволившая обеспечить производство широкой номенклатуры сортовых
валков и высокую стойкость изложниц.
Разработан процесс прочного сплавления рабочего слоя из легированного
Ni = 4,3…5,0%, Cr = 1,5…1,7% индефинитного чугуна с осевой зоной из
высокопрочного чугуна для чистовых клетей сортовых станов, а также
экономнолегированных чугунов с заменой никеля на более дешевую медь для
рабочего слоя валков, используемых в промежуточных клетях.
Разработаны составы теплоизоляционного покрытия в виде краски (патент
№ 2355505) и флюса с низкой температурой плавления (патент № 2353467) из
отечественных материалов и налажено их производство в России взамен
импортных поставок.
Повышена
размерная
точность
заготовок
валков
с
использованием
рекомендованной теплоизоляционной краски толщиной слоя 1,2…1,8 мм на
внутренней поверхности сменного вкладыша, что позволило снизить припуски
на механическую обработку их поверхности в 2,0…2,5 раза по сравнению с
технологией, примененяемой при центробежном литье машиностроительных
заготовок, в которой используется в качестве теплоизоляционного покрытия
кварцевый песок с толщиной слоя 5…10 мм.
Разработаны новые технические условия на поставку композитных сортовых
валков: «Валки, ролики, бандажи чугунные» (ТУ 7423 6072-001-2008) и
расширена номенклатура изделий для металлургической (ролики рольгангов,
бандажи),
пищевой
(мукомольные
валки)
и
ряда
других
отраслей
промышленности.
На базе новой конкурентоспособной технологии производства композитных
валков с применением центробежного литья организован современный в
России завод по производству центробежнолитых прокатных валков – ЗАО
«Магнитогорский завод прокатных валков».
10
Достоверность результатов работы
Разработанные
теоретические
положения
прошли
широкую
экспериментальную проверку с применением современных методов исследования.
Научные положения и рекомендации, предложенные в работе, подтверждены
широкой производственной практикой на ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК», а также
положительными результатами эксплуатационных испытаний сортопрокатных валков
на многих металлургических комбинатах России («ММК», «Северсталь», «Мечел»,
Чусовской, Златоустовский и др.).
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты комплексных исследований процесса формирования толстостенных
заготовок рабочего слоя сортопрокатных валков из износостойкого чугуна в
поле действия центробежных сил в зависимости от различных технологических
характеристик.
Особенности технологического процесса изготовления широкой номенклатуры
композитных сортовых валков в двухслойной вращающейся форме.
Теоретические основы механизма формирования прочного соединения двух
разнородных по химическому составу металлов – рабочего слоя и осевой зоны
сортовых валков.
Особенности конструкции новой центробежной установки с универсальной
формой,
обеспечивающей
промышленное
производство
широкой
номенклатуры сортовых валков.
Промышленная
технология
серийного
изготовления
нового
поколения
сортопрокатных валков с применением прогрессивного способа центробежного
литья.
Личный вклад
Под непосредственным научным руководством автора разработаны основные
положения теории и практики изготовления сортопрокатных валков, полученных с
применением способа центробежного литья.
Автор являлся руководителем исследовательских работ по оптимизации
состава чугунов, разработке новой технологии производства сортопрокатных валков,
11
а также всего процесса промышленного внедрения разработанной технологии и
нового оборудования на ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК».
Под непосредственным руководством автора получены промышленные партии
сортопрокатных валков повышенной стойкости, которые эксплуатируются на
современных сортопрокатных станах ОАО «ММК» и ряда других комбинатов России.
За разработку и внедрение в производство биметаллических сортопрокатных
валков методом центробежного литья автор награжден золотой медалью на
международной выставке «Металл-Экспо» в 2006 г. (г.Москва).
Апробация работы
Основные
материалы
диссертации
докладывались
и
обсуждались
на
следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах:
Международный симпозиум «Металл-Экспо», Москва, 2006 г.
VII Всероссийский конгресс прокатчиков, Москва, 2007 г.
Международная научно-техническая конференция, Екатеринбург, 2007 г.
Международный симпозиум «Металл-Экспо», Москва, 2007 г.
IX съезд литейщиков России, Уфа, 2009 г.
Всероссийская
научно-техническая
конференция
по
новой
технике,
Магнитогорск, 2009 г.
Международная научная конференция, Екатеринбург, 2009 г.
VIII Всероссийский конгресс прокатчиков, Москва, 2010 г.
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 38 печатных работах, в том
числе двух монографиях, 22 статьях в рецензируемых научных журналах и изданиях
и 9 патентах на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 278 страницах, включая введение, шесть глав и
общие выводы; список использованной литературы из 153 наименований, 109
рисунков и 39 таблиц; приложение с актами внедрения результатов работы и
результатами эксплуатационных испытаний сортопрокатных валков.
12
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель
и содержание поставленных задач, определен объект и предмет исследования,
показана научная новизна выполненной работы и ее практическая значимость, а
также перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен аналитический обзор литературы, в котором
рассмотрены сведения по современному состоянию производства сортопрокатных
валков в металлургии.
Показана возросшая за последние годы потребность в сортопрокатных
изделиях в виде арматуры, швеллера, уголка, двутавра, полосы, квадрата и ряда
других профилей с повышенными характеристиками по физико-механическим
свойствам и размерной точности, в связи с расширением производства строительной
индустрии,
энергетического
и
транспортного
машиностроения,
нефтяной
и
химической промышленности, судостроения и ряда других отраслей.
Для реализации возросших объемов сортопрокатной продукции и обеспечения
высоких показателей их качества производится модернизация существующего
прокатного оборудования на различных металлургических комбинатах и вводятся в
производство современные высокопроизводительные станы, например фирмы
«Даниэли» (Италия) на ОАО «ММК»: крупносортный стан «450», среднесортный
стан «370» и мелкосортный стан «170» с повышенными динамическими и
термоциклическими нагрузками на сортовые валки.
Определен перечень повышенных требований к качеству сортовых валков,
используемых на современных сортопрокатных станах:
- обязательное применение двух различных по химическому составу
материалов для рабочего слоя и сердцевины валка, образующих композитную
структуру,
в
отличие
от
традиционно
применяемых
отбеленных
валков
стационарного производства одного химического состава;
- существенное сокращение растянутой до 50% сечения отливки переходной
зоны между рабочим слоем и сердцевиной валка, характерной для отбеленных валков
13
стационарного производства,
резко снижающей
прочностные характеристики
изделия;
- значительное (в 2…3 раза) увеличение толщины рабочего слоя валков до 140
мм, вследствие повышения глубины вреза калибров;
- существенное повышение твердости металла рабочего слоя до 74…80 HSD
(на 25-30% выше, чем у стационарнолитых), вследствие использования профильного
проката из труднодеформируемых сплавов;
- обеспечение минимальной степени спада твердости металла (до 5%) по
глубине рабочего слоя валков;
- значительное увеличение прочностных характеристик металла сердцевины и
шеек валков (на 25…30%) по сравнению со стационарнолитыми, испытывающих
повышенные нагрузки на изгиб и кручение.
Повышенные требования, предъявляемые к качеству сортопрокатных валков,
полностью исключают применение традиционной технологии их изготовления
способом стационарного литья, в связи с невозможностью получения валков в
двухслойном исполнении известными методами «промывки», а также толстостенного
рабочего слоя с низкой степенью падения твердости по его сечению.
Показано, что наиболее перспективным методом производства двухслойных
сортовых валков является способ центробежного литья, позволяющий избавиться от
существенных
недостатков
стационарного
способа
их
изготовления
при
значительном повышении качества и снижении расходов.
Однако, несмотря на явные преимущества этого прогрессивного метода литья,
его использование в промышленности для серийного изготовления широкой
номенклатуры
сортопрокатных
валков
сдерживалось
из-за
отсутствия
ряда
технологических решений, требующих фундаментальных исследований в области
гидродинамического состояния жидкости во вращающейся форме, процесса
затвердевания толстостенного рабочего слоя, условий прочного сплавления двух
разнородных металлов и др.
Необходимо также отметить неблагоприятное для подавляющего количества
сортопрокатных валков соотношение масс металла сердцевины к рабочему слою,
которое
составляет
в
среднем
0,8
и
свидетельствует
о
недостаточном
14
теплосодержании металла осевой зоны для обеспечения прочного сплавления с
рабочим слоем.
Кроме этого при изготовлении широкой номенклатуры сортовых валков,
отличающихся
близкими
значениями
по
диаметру
и
длине
бочки
валка,
традиционный подход, связанный с применением изложниц для каждого типоразмера
валка, приводит к значительному расширению их парка и существенному
удорожанию производства.
Нерешенность этой проблемы до проведения настоящей работы во многом
объясняет
отсутствие
промышленного
производства
широкой
номенклатуры
сортовых валков не только в металлургической отрасли России, но и за рубежом.
На основании анализа и обобщения литературных данных выявлены
проблемные вопросы технологии производства сортовых валков и сделан вывод о
необходимости использования уникального по своим возможностям прогрессивного
метода центробежного литья для серийного изготовления в промышленных условиях
сортопрокатных валков с повышенными служебными характеристиками взамен
малоэффективной технологии их изготовления стационарным литьем, а также
сформулирована цель и определены задачи исследования.
Во второй главе представлена методика исследования.
Исследование
технологических
параметров
изготовления
композитных
сортовых валков проводились на литейно-металлургической базе ОАО НПО
«ЦНИИТМАШ», а также в условиях литейного цеха ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК» с
применением современных методов исследования.
Исследование
микроструктуры
и
физико-механических
свойств
сортопрокатных валков производили на кольцевых образцах и дисковой пробе,
вырезанных из бочки и нижней шейки валка.
Оценку микроструктуры производили на металлографическом микроскопе
“AXIOVERT 40” с использованием промышленной системы анализа изображений
“SIAMS 700TM”.
15
Твердость
металла
поверхности
бочки
определялась
после
чистовой
механической обработки переносным твердомером «EQUOTIP-2» по ГОСТ 23677 по
среднему значению из трех измерений.
Твердость металла по сечению рабочего слоя измерялась твердомером «СОМР25», начиная от 5 мм от внешней поверхности пробы с шагом 5…10 мм. На каждом
уровне проводилось не менее трех измерений, по которым определялось среднее
значение твердости металла.
Спад твердости (Ст) по глубине рабочего слоя валков определяли по формуле:
С т Н п Н д /Н п 100, %
(1)
где Нп – твердость на глубине 5 мм от внешней поверхности бочки;
Нд – твердость на глубине вреза ручьев.
Температурные замеры жидкого металла при выпуске из печи и заливке
металла во вращающуюся форму осуществлялись с помощью термопар погружения.
Для оперативного анализа температурных кривых затвердевания чугуна,
определения значений температур ликвидуса и солидуса, химического состава и его
механических свойств использовали прибор термографического анализа «ЛИТИС».
Определение температуры металла на внутренней поверхности рабочего слоя
валка во вращающейся форме производили с помощью оптического пирометра
IMPAC-15-140.
Для оценки температуры изложницы и вкладыша перед нанесением на ее
внутреннюю
поверхность
теплоизоляционной
краски,
а
также
определения
температуры на внешней поверхности изложницы после остановки ее вращения
использовали термопары ТП8-91.
Механические свойства металла валков определялись в соответствии с ГОСТ
1497, ГОСТ 24648 и ГОСТ 27208.
Оценка структурно-напряженного состояния валков проводилась с помощью
структуроскопа КРМ-Ц-К2М, оснащенного карманным персональным компьютером
(КПК) и программой. Связь прибора и КПК осуществляется по беспроводному каналу
связи “Blue Tooth”. Степень распада аустенита также контролируется с помощью
этого прибора, а также ферритоскопа «FERITOSCOPE MP30». Для точной
16
количественной оценки содержания остаточного аустенита в рабочем слое валка
использовали рентгеновский дифрактометр D8 фирмы “Bruker”.
Исследование
химического
состава
металла
производили
методом
фотоэлектрического спектрального анализа по ГОСТ 27411, ГОСТ 22536.0 – ГОСТ
22536.5, ГОСТ 22536.7, ГОСТ 22536.9 – ГОСТ 22536.12.
Для количественного определения химического состава металла использовали
автоматический анализатор фирмы OBLF – искровой вакуумно-эмиссионный
спектрометр с высоковольтным разрядом.
В случае необходимости определение химического состава проводили на
переносном рентгенофлюоресцентном приборе «Инспектор».
Оценка плотности металла рабочего слоя и качество свариваемости на границе
двух разнородных слоев бочки валка определяли с помощью дефектоскопов
“Krauftkramer USM 32-1” и УД 9812.
При изучении гидродинамического состояния вращающегося расплава и
скорости вовлечения слоя жидкости до скорости вращения формы использовали
моделирующие жидкости в виде воды, вязкость которой при температуре 90°С
составляет υ 3,3 104 м2/с, т.е. сопоставима с вязкостью жидкого чугуна, значение
которой при температуре 1350°С составляет υ 3,2 104 м2/с.
Определение продолжительности и скорости процесса затвердевания рабочего
слоя валков во вращающейся форме производилось с использованием аналитических
методов, основанных на закономерностях процесса теплообмена между отливкой и
формой.
В качестве экспериментальных методов использовали метод фиксации
продвигающегося фронта кристаллизации во вращающейся форме путем ввода
свинца в кристаллизующийся расплав.
При исследовании процесса затвердевания рабочего слоя валков использованы
также методы замера температуры расплава во вращающейся форме и системы
компьютерного моделирования литейных процессов “LVMFlow”.
17
В третьей главе изложены принципы технологического процесса производства
сортовых валков, а также составы материалов для рабочего слоя и осевой зоны.
Показано,
что существующие на практике
технологические процессы
изготовления двухслойных заготовок методом центробежного литья с применением
горизонтальной,
вертикальной
или
наклонной
осью
вращения
формы
не
удовлетворяют требованиям, предъявляемым к композитным сортопрокатным валкам
по обеспечению сплошного сечения металла сердцевины, геометрии внутренней
поверхности рабочего слоя и прочного сплавления рабочего слоя с металлом осевой
зоны.
Выявлено,
что
эффективным
способом,
обеспечивающим
указанные
требования, является заливка металла толстостенного рабочего слоя с боковой
подачей в форму с горизонтальной осью вращения, после затвердевания которого
производится заливка металла осевой зоны в эту же форму, расположенную
стационарно в вертикальном положении.
В работе обосновано применение двухслойных форм, позволяющих за счет
сменного вкладыша (рис. 1) обеспечить многократное использование одной
изложницы для производства широкой номенклатуры сортопрокатных валков, а
также значительно увеличить ее эксплуатационную стойкость и долговечность.
При выборе материала валка исходили из условий их эксплуатации в
различных клетях сортопрокатного стана.
Учитывая
необходимостью
повышенные требования
обеспечения
высокой
к
сортовым валкам,
твердости
металла
связанные с
рабочего
слоя,
использовали чугуны с повышенным содержанием никеля (4,3…5,0%), которые
хорошо противостоят термоциклическим нагрузкам, характерным для последних
клетей чистовой группы сортовых станов, а также менее склонны к образованию
дефектов в виде отслоений и выкрашивания.
18
Рис. 1. Схема заливки рабочего слоя сортопрокатного валка в двухслойную форму:
1 – изложница; 2 – сменный вкладыш; 3 – теплоизоляционная краска;
4–
рабочий слой; 5 – опока верхней шейки; 6 – ковш с металлом;
7–
заливочное устройство; 8 – крышка изложницы; 9 – опорные ролики;
10 –
опока нижней шейки; 11 – газоотводное отверстие.
К этой группе сплавов наиболее близко относятся индефинитные чугуны с
карбидо-мартенсито-бейнитной структурой следующего состава, в %: С = 3,0…3,4; Si
= 0,5…0,8; Mn = 0,6…0,8; Ni = 4,3…5,0; Cr = 1,5…1,7; Мо = 0,3…0,6.
Для валков, используемых в промежуточных клетях сортовых станов, где
требования к твердости металла ниже, использовали экономнолегированные сплавы
с частичной заменой никеля медью, в которых при снижении содержания никеля с
4,0…5,0% до 2,8…3,0% и введении меди в количестве 1,5…1,7% обеспечивается
бейнито-мартенситная структура с равномерно распределенным графитом (рис. 2).
Для повышения дисперсности структуры рабочего слоя вводили ванадий в
количестве 0,2…0,3%.
Металлическая основа такого чугуна с содержанием меди 1,55% и ванадия
0,48% состоит из бейнита и мартенсита (рис. 3).
19
Рекомендуемые составы чугунов для рабочего слоя сортовых валков,
используемых в промежуточных клетях сортопрокатных станов, представлены в
таблице 1.
Таблица 1 – Химический состав чугуна рабочего слоя валков для промежуточных
клетей сортовых станов
Исполнение
СШХНМДд-65
СШХНМДфд-70
C
Si
Mn
2,72,9
2,72,9
0,70,9
0,70,9
0,60,8
0,60,8
Содержание элементов, %
P
S
Cr
Ni
не более
0,02 0,015 0,82,81,2
3,0
0,02 0,015 0,82,81,8
3,0
Cu
Mo
V
1,51,7
1,51,7
0,40,6
0,40,6
0,30,5
Применение в качестве осевой зоны серого чугуна, используемого при
стационарном литье двухслойных прокатных валков, не в состоянии удовлетворить
современным требованиям к их качеству из-за низких прочностных характеристик
металла.
Анализ
показывает,
существующих
материалов,
применяемых
что наиболее приемлемым сплавом для
удовлетворяющим
специфические
требования
в
машиностроении,
осевой
зоны валков,
сортопрокатного
производства,
является высокопрочный чугун.
При этом в результате модифицирования чугуна магнием в количестве
0,03…0,04% достигается значительное повышение свойств металла осевой зоны
валка (σв = 314…472 МН/м2 и δ = 1,2…1,8%) по сравнению с серым чугуном с
пластинчатой формой графита (σв = 147…215 МН/м2 и δ = 0,9…1,1%).
На основании существующих на практике данных рекомендован состав
металла осевой зоны сортопрокатных валков из чугуна с шаровидным графитом
(табл. 2).
Таблица 2 – Химический состав металла осевой зоны сортопрокатных валков
Исполнение
СШХНМд
C
Si
2,53,4
0,83,0
Содержание элементов, %
S
P
Cr
Ni
не более
0,10,01
0,02
0,1до 1,5
0,6
0,7
Mn
Mo
Mg
до 0,3
0,050,10
20
Рис. 2. Микроструктура чугуна с содержанием меди 1,5%
Рис. 3. Микроструктура чугуна с содержанием меди 1,55% и ванадия
0,48%
21
В
четвертой
главе
представлены
результаты
исследования
влияния
гидродинамических и тепловых параметров центробежного литья на кинетические
характеристики металла рабочего слоя валков во вращающейся форме.
Для выявления факторов, влияющих на процесс течения потока жидкости в
поле действия центробежных сил, использовали уравнение Бернулли для реальной
жидкости с учетом различной скорости течения по сечению потока и расхода части
энергии на преодоление сопротивлений его движению во вращающейся форме.
Полученная в результате преобразований формула:
G Dñð
(2)
дает качественное представление о физической взаимосвязи между скоростью
продольного
течения
кругового
потока
υ
и
определяющими
параметрами
технологического процесса – угловой скоростью (ω) формы, массовой скоростью
заливки металла (G) и величиной среднего диаметра отливки (Dср).
При отливке заготовок из реальных сплавов варьирование указанными
параметрами позволило оптимизировать технологию получения рабочего слоя
сортовых валков.
На рис. 4 показана зависимость, характеризующая влияние гравитационного
коэффициента на состояние жидкого металла во вращающейся форме с разной
толщиной слоя кругового потока.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что для обеспечения
устойчивого кольцевого потока (рис. 4(1)) с различной толщиной слоя во
2r вращающейся форме необходимая величина гравитационного коэффициента g соответствует следующему значению:
ω2 r
k Х1
g
где ω – угловая скорость, с-1;
r – внутренний радиус отливки, м;
k – поправочный коэффициент (для чугуна k = 290);
g – ускорение силы тяжести, м/с2;
Х1 – толщина рабочего слоя, м.
(3)
22
Рис. 4. Влияние гравитационного коэффициента на состояние кругового потока:
1 – устойчивое состояние потока; 2 – неустойчивое состояние потока.
В работе показано, что кристаллизация рабочего слоя валка в виде
толстостенной заготовки происходит одновременно как с внешней поверхности
отливки, так и с внутренней, а в месте сближения двух фронтов кристаллизации
образуются усадочные дефекты в виде раковин и пор, что приводит к браку отливок
по несплошностям.
Выявлено, что для предотвращения усадочных дефектов в сечении рабочего
слоя валка необходимо создание условий для последовательной кристаллизации
металла от наружной поверхности отливки к внутренней, которые характеризуются
критерием направленного затвердевания отливки:
Х фл
К
λ фл
1
αс
1
Х кр
Х заз
λ заз λ кр
(4)
В формуле (4) присутствуют как геометрические характеристики элементов
формы (толщина слоя флюса - Хфл и толщина газового зазора - Хзаз), так и
23
теплофизические (коэффициенты теплопроводности краски – λкр, зазора - λзаз, флюса фл и коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности отливки – αс),
варьирование
которыми
позволяет
регулировать
процессом
направленного
затвердевания и получать плотную структуру рабочего слоя (рис. 5).
Рис. 5. Макроструктура рабочего слоя сортового валка, полученного
при направленном затвердевании
Для оценки продолжительности и кинетики затвердевания рабочего слоя
сортовых валков использовали расчетные и экспериментальные методы, а также
компьютерное моделирование. В основу расчетного метода легко положение о
соизмеримости аккумулирующей способности вкладыша с толщиной стенки Х2 и
рабочего слоя валка с толщиной Х1:
Х1
1
Х2
(5)
В этом случае взаимосвязь между тепловым состоянием отливки и формы
осуществляется через калориметрическую температуру tк (рис. 6):
24
Рис. 6. Схема теплообмена между отливкой и формой
ρ
t к t зал mt з 1 m C ,
С
(6)
где m G 2 C 2 /G1C1 ;
G1 – масса металла рабочего слоя валка, н;
G2 – масса вкладыша, н;
С1 – удельная теплоемкость металла рабочего слоя, дж/кг°С;
С2 – удельная теплоемкость металла вкладыша, дж/кг°С;
tз – начальная температура вкладыша, °С;
ρ – теплота кристаллизация металла, дж/кг.
На рис. 7 представлены результаты расчетных и экспериментальных данных
(ввод свинца, фиксирующего продвижение фронта затвердевания (а), температурные
замеры
(б)
внутренней
поверхности
отливки)
по
определению
продолжительности затвердевания рабочего слоя сортовых валков в
общей
25
Δ – эксперимент,
а)
- расчет
б)
Рис. 7. Продолжительность затвердевания рабочего слоя валков по экспериментальным и расчетным данным (а)
и по температурным замерам (б)
26
диапазоне наиболее употребляемых толщин 60…140 мм, а на рис. 8 показаны снимки
процесса затвердевания рабочего слоя сортового валка толщиной 85 мм через 5 мин,
12 мин и 20 мин (завершение процесса) после окончания заливки металла,
полученные методом компьютерного моделирования.
Рис. 8. Процесс затвердевания металла рабочего слоя валка: а – через 5 мин;
б – через 12 мин, в – через 20 мин (завершение процесса) после окончания
заливки.
Представленные данные свидетельствуют о низкой погрешности результатов
(4…6%), полученных экспериментальными методами и с помощью компьютерного
моделирования.
При этом средняя скорость затвердевания металла рабочего слоя валков
толщиной 60…140 мм составляет 3,2…4,1 мм/мин, что примерно в два раза
превышает аналогичные показатели центробежного литья заготовок с традиционным
использованием
в
качестве
теплоизоляционного
покрытия
на
внутренней
поверхности изложницы кварцевого песка, значительно снижающего интенсивность
их охлаждения.
В пятой главе представлены результаты разработанного технологического
процесса производства композитных сортопрокатных валков в двухслойной форме.
Выявлены условия прочного сплавления рабочего слоя и сердцевины сортовых
валков, одним из которых является удаление дефектной зоны, включающей
пористость и неметаллические включения у внутренней поверхности рабочего слоя,
ширина которой колеблется в пределах 6…8% сечения стенки отливки.
Задача по ее удалению решалась путем расплавления этой зоны при заливке
сердцевины валка с учетом необходимого для этого количества тепла Q (рис. 9):
27
Q Gд С1 t лик tд Дж
(7)
где Gд – масса расплавляемого дефектного слоя, н;
tлик – температура ликвидус, °С;
tд – средняя температура расплавляемого дефектного слоя, °С.
Рис. 9. Условия прочного сплавления рабочего слоя валка и металла сердцевины
Показано,
что
определяющим
фактором,
влияющим
на
расплавление
дефектной зоны рабочего слоя, является величина перегрева металла осевой зоны
валка, находящегося в ковше, следя за изменением которого можно определять
момент начала его заливки в форму.
На диаграмме (рис. 10) представлены кривые, обозначающие изменение
температуры охлаждения внутренней поверхности рабочего слоя и температуры
перегрева металла сердцевины в ковше, точка пересечения которых является началом
заливки второго металла.
28
Рис. 10. Определение начала заливки металла сердцевины валка
Выявлено,
что
при
максимальном
значении
температуры
заливки
t çàë t ëèê 200(20) Ñ и минимально допустимом уровне температуры на внутренней
поверхности рабочего слоя сортопрокатного валка t ð.ñë. tñîë 125(10) Ñ полностью
обеспечивается расплавление дефектной зоны на внутренней поверхности рабочего
слоя валка с прочным сплавлением двух разнородных металлов.
Скорость заливки металла рабочего слоя во вращающуюся изложницу
определяли исходя из условия, при котором для предотвращения спаев и неслитин на
поверхности
кольцевого
рабочего
слоя
слоя
металла
продолжительность
до
концевой
зоны
продольного
вкладыша
перемещения
(прод.)
меньше
продолжительности отвода тепла перегрева жидкого металла рабочего слоя (τотв.теп.):
прод < отв. теп.
(8)
С помощью компьютерного моделирования и расчетным методом было
выявлено применительно к используемым сортовым валкам четырехкратное
превышение времени отвода тепла над продолжительностью продольного течения
кольцевого слоя металла в форме и рекомендовано величину скорости заливки
металла рабочего слоя определять в пределах 35…45 кг/с.
29
Рекомендуемая скорость заливки металла сердцевины валка (30…40 кг/с)
определялась с учетом максимальной скорости подъема уровня металла осевой зоны
в форме (65…75 мм/с), при которой потери температуры минимальны и соблюдается
прочное сваривание двух разнородных слоев сортового валка.
Показано, что оптимальной температурой заливки металла рабочего слоя, при
которой на поверхности отливки отсутствуют дефекты в виде трещин, является
температура t зал t лик 130 10 С .
В работе рекомендован режим вращения формы с величиной гравитационного
коэффициента 70…105 на внутренней поверхности рабочего слоя валков толщиной
60…140 мм, обеспечивающий устойчивое состояние кольцевого потока во
вращающейся форме (формула 3) и соответствующий условиям охлаждения отливки
(рис. 11).
Как видно из графика частота вращения формы повышается до номинального
значения (n) и определяется по времени ее разгоном до точки А, когда производится
заливка металла (1), а затем принимает постоянное значение до окончания процесса
затвердевания отливки, которая заканчивается в точке В при достижении
температуры солидус на внутренней поверхности рабочего слоя (точка 2), после чего
начинается торможение формы (ВС и DE) с остановкой (CD) при
n1 = 400…450
об/мин.
Частота вращения формы (n) при отливке рабочего слоя валков определяется с
учетом его толщины по формуле (3) и принимает следующие значения:
550…600 об/мин – для крупносортных валков;
601…650 об/мин – для среднесортных валков;
651…700 об/мин – для мелкосортных валков.
В точке 3, когда вращение формы прекращается, происходит извлечение
формы из центробежной машины, а при температуре соответствующей точке 4 форма
устанавливается в кессон и начинается заливка металла осевой зоны (точка 5).
30
Рис. 11. Режим вращения формы
При центробежной отливке сортовых валков с толщиной стенки рабочего слоя
свыше 100 мм возникает проблема, связанная с образованием дефектов усадочного
характера, из-за того, что определенная часть металла рабочего слоя при заливке
перекрывает формы шеек валка в местах расположения галтелей и затвердевает в
различных условиях теплоотвода от опоки с песчано-глинистой смесью и
металлического вкладыша (рис. 12а).
Для предотвращения усадочных дефектов в рабочем слое сортовых валков
рекомендовано применение вмонтированных в песчаную смесь стальных кольцевых
холодильников (рис. 12б), позволяющих уравнять скорость затвердевания рабочего
слоя валка со скоростью затвердевания металла на границе с галтелью валка.
31
а)
б
Рис. 12. Схема расположения усадочных дефектов в рабочем слое сортового валка (а)
и установки холодильников при формовке шеек (б):
1 – изложница; 2 – рабочий слой; 3 – формы шеек; 4 – вкладыш; 5 – усадочные
дефекты; 6 - холодильники
В работе показано, что использование теплоизоляционной краски на
внутренней поверхности изложницы взамен песчаной, применяемой в практике
центробежного литья, позволяет не только повысить точность отливок, снизив в
2…2,5 раза припуски на механическую обработку внешней поверхности отливок, но и
обеспечить
повышенную
интенсивность
охлаждения
металла
со
средними
скоростями затвердевания 3,2…4,1 мм/мин, гарантирующими плотную по сечению
мелкозернистую структуру с включениями графита 5…7 балла (ВГф1, ВГр1…ВГр2,
ВГ70…ВГ85) в соответствии с требованиями технических условий.
В работе рекомендовано производить нагрев сменного вкладыша в сушильной
камере до температуры 180…200°С для упрочнения теплоизоляционной краски,
наносимой на специальном стенде с помощью форсунки (рис. 13).
Выявлено, что толщина слоя краски Хкр определяется в зависимости от
толщины рабочего слоя (Х1) в соответствии с формулой:
Х кр 0,15 Х 1 , мм.
(10)
32
Рис. 13. Схема нанесения теплоизоляционной краски на внутреннюю поверхность
вкладыша
Установлено, что для предотвращения дефектов, возникающих от включений
флюса в переходной зоне валков, необходимо перед заливкой металла сердцевины
обеспечить путем наклона формы вытекание определенной доли флюса (D) с
внутренней поверхности рабочего слоя (рис. 14), которая по экспериментальным
данным составляет около 40% его первоначального объема. На графике (рис. 14)
показано, что для обеспечения этого условия величина переохлаждения (Тсол-Т1)
внутренней поверхности рабочего слоя валка должна составлять 60°С (Т1 –
температура внутренней поверхности рабочего слоя). В этом случае оставшийся на
поверхности рабочего слоя тонкий слой флюса толщиной 1,0…1,4 мм, способствуя
смачиванию внутренней поверхности отливки при заливке металла сердцевины,
расплавляется и всплывает в прибыльную зону вместе с неметаллическими
включениями из металла дефектной зоны..
33
Температура переохлаждения внутренней поверхности рабочего слоя, °С (Тсол-Т1)
Рис. 14. Зависимость доли вытекающего флюса от температуры переохлаждения
внутренней поверхности рабочего слоя валка
В шестой главе представлены результаты промышленного внедрения на
основе полученных в работе научно-обоснованных технических и технологических
решений по созданию нового поколения конкурентоспособных сортопрокатных
валков с повышенными эксплуатационными свойствами.
Начиная с 2006 г. в промышленных условиях ЗАО «МЗПВ» ОАО «ММК» по
разработанной
технологии
осуществлено
широкое
внедрение
сквозного
технологического процесса изготовления композитных сортопрокатных валков
диаметром бочки 200…700 мм для производства мелкого, среднего и крупного
профильного проката, включающего операции выплавки металла рабочего слоя и
сердцевины, отливки двухслойного валка, термообработки, механообработки и
контроля качества изделий в соответствии с современными требованиями прокатного
производства.
Принципиальная схема производства сортовых валков, рекомендованная в
работе, которая обеспечивает гарантированное изготовление высококачественных
композитных изделий, представлена на рис. 15:
34
1 – заливка металла рабочего слоя во вращающуюся форму; 2 – ввод флюса после заливки металла рабочего слоя;
3 – извлечение около 40% объема флюса; 4 – заливка металла осевой зоны валка в стационарно установленную форму.
Рис. 15. Принципиальная схема технологического процесса производства сортопрокатных валков
с использованием центробежного литья
35
1 - заливка рабочего слоя металла, подвергнутого модифицированию, в
двухслойную форму с горизонтальной осью вращения;
2 - введение флюса во вращающуюся форму на внутреннюю поверхность
металла рабочего слоя сразу после его заливки;
3 - частичное извлечение флюса (~40% объема) из формы после затвердевания
рабочего слоя валка;
4 - заливка металла осевой зоны валка после модифицирования в стационарно
расположенную в вертикальном положении форму с рабочим слоем.
Для
реализации
этого
нового
технологического
процесса
была
сконструирована, изготовлена и пущена в строй в 2006 г. на ЗАО «МЗПВ»
центробежная машина современной конструкции (рис. 16) с регулируемой скоростью
вращения формы и низким уровнем шума и вибрации, благодаря оригинальной
конструкции опорных роликов (3 и 4) с резиновыми прокладками (7) между ступицей
и ободом катания. Центробежная машина отличается высокой производительностью с
выпуском 3600 заготовок сортовых валков в год при 2-х сменном графике работ.
Новая конструкция двухслойной формы (рис. 1), наряду с возможностью
регулирования
геометрическими
параметрами
валка
и
повышения
срока
эксплуатации изложниц, позволяет до минимума сократить временной интервал
между окончанием затвердевания металла рабочего слоя и заливкой металла
сердцевины, способствуя их прочному сплавлению.
Выплавка металла рабочего слоя сортопрокатного валка производилась в
индукционной чугуно-плавильной тигельной печи ИЧТ-10.
Процесс модифицирования металла рабочего слоя проводили в два этапа,
первый из которых состоял во взаимодействии металла в начальный период его слива
с модификатором FeSiBa65, помещенного на дно ковша в количестве 0,1% от
его массы, а второй – в подаче на струю металла модификатора FeSiBa65 в конце
слива с присадкой алюминия в количестве соответственно 0,1% и 0,008% от массы
заливаемого металла.
Показано,
что
применение
двойного
модифицирования
способствует
улучшению морфологии структуры металла рабочего слоя с образованием
36
Габариты отливок
200…700 мм
Длина заготовки
до 3000 мм
Производительность
3600 шт/год
Мощность привода
150 кВт
Количество двигателей
2 шт.
Система охлаждения
спрейерная
Расход воды
2…4 м3/час
Рис. 16. Центробежная машина для отливки рабочего слоя сортовых валков: 1 – изложница; 2 – страховочные ролики;
3 и 4 – опорные ролики; 5 – кожух; 6 – двигатели; 7 – резиновые прокладки
37
включений графита в компактной форме и равномерным его распределением во всем
объеме матрицы (рис. 17).
Выплавка высокопрочного чугуна для осевой зоны сортопрокатного валка
производилась в индукционной чугуноплавильной тигельной печи ИЧТ-10.
Предварительно перед нагревом ковша на его дно помещается модификатор
FeSiMg и FeNiMg в количестве 3% и 0,8%, а также FeSiBa в количестве 0,8% от
массы заливаемого металла. Поверх модификатора засыпается стальная обрезь. Во
время выпуска металла из печи на струю металла подается FeSiBa65 в количестве
10% от массы металла.
Структура чугуна осевой зоны с равномерно распределенными включениями
графита шаровидной формы представлена на рис. 18. На снимке (рис. 19) показан
излом металла осевой зоны с плотным строением и без усадочных дефектов.
Представленные
на
графике
(рис.
20)
данные
свидетельствуют
о
незначительном спаде твердости (степень спада 4,2%) по сечению рабочего слоя
центробежнолитого валка, в то время как на стационарнолитом валке наблюдается
значительная степень спада твердости (31,8%).
Исследование механических свойств металла рабочего слоя центробежнолитых
и стационарнолитых сортопрокатных валков (среднее из трех значений) показало, что
металл центробежнолитых валков имеет на 25…30% более высокие показатели
(табл. 3).
Таблица 3 – Сравнительные показатели механических свойств металла рабочего
слоя центробежнолитого и стационарного сортовых валков
Способ изготовления
Центробежнолитой
временное
сопротивление,
МПа
527
Стационарнолитой
405
Механические свойства
предел
относитель- относительтекучести, ное удлиненое
МПа
ние, %
сужение, %
ударная
вязкость,
Дж/см2
434
3,0
0,8
4,5
321
2,0
0,6
3,3
О прочном сплавлении металлов рабочего слоя и сердцевины валка
свидетельствует характер микроструктуры сечения двухслойной отливки (рис. 21) с
плотным строением и узкой до 7% сечения переходной зоной.
38
Рис. 17. Микроструктура рабочего слоя сортовых валков
Рис. 18. Структура чугуна осевой зоны сортовых валков
39
Рис. 19. Излом металла осевой зоны валка с плотным строением
Рис. 20. Твердость металла по сечению рабочего слоя сортовых валков:
1 – центробежнолитой; 2 – стационарнолитой.
40
Рис. 21. Микроструктура композитного сортопрокатного валка с узкой зоной сплавления двух металлов
41
Содержание
элементов
по
сечению
рабочего
слоя
сортовых
валков
характеризуется их равномерным распределением с низкой степенью ликвации (рис.
22).
На рис. 23 показаны композитные сортопрокатные валки различного
назначения, изготовленные по рекомендованной технологии.
На рис. 24 представлен график, характеризующий высокую стойкость сортовых
валков, полученных по рекомендованной технологии, превышающую на 15…20%
стойкость иностранных валков (Акерс, Франция).
Годовая экономия от внедрения результатов проведенной работы в сфере
производства сортовых валков и в сфере их эксплуатации составляет ~ 105 млн.
руб./год.
Рис. 24. Показатели эксплуатационной стойкости сортовых валков
1 – черновые клети, 2 – чистовые клети; Δ – валки ЗАО «МЗПВ»;
о – валки фирмы «Акерс» (Франция)
42
Рис. 22. Распределение массовой доли элементов в рабочем слое сортопрокатного валка (плавка 939)
43
Рис. 23 – Сортопрокатные валки после калибровки: а – уголок 125х8х16 мм, б – круг 75 мм; в – арматура 20 мм
44
Общие выводы
1. На основе комплексных исследований с использованием современных
методов гидродинамического и компьютерного моделирования процессов течения
металла и его затвердевания во вращающейся форме разработана и освоена в
промышленных условиях не имеющая аналогов конкурентоспособная технология с
применением центробежного литья для производства композитных сортопрокатных
валков повышенной стойкости диаметром бочки 200…700 мм для современных
станов высокой производительности (патенты № 2117548 и № 2338626).
2. Разработана и внедрена в производство центробежная машина современной
конструкции для отливки рабочего слоя сортопрокатных валков диаметром 200…700
мм и длиной до 3000 мм с регулируемой скоростью вращения формы, низким
уровнем шума (< 70 дБЛ) и вибрации (< 60 мкм) и высокой производительностью (до
3600 шт. в год при двухсменной работе), позволяющая полностью обеспечить выпуск
всей номенклатуры сортовых валков для современных сортопрокатных станов
(патент № 2146182).
3. Разработана принципиально новая конструкция двухслойной вращающейся
формы (изложница со сменным вкладышем), которая обеспечивает отливку широкой
номенклатуры сортовых валков при наличии одной изложницы, способствуя
удлинению срока ее службы и уменьшению на 40...50% временного интервала между
заливками двух металлов за счет компактного расположения элементов формы
внутри изложницы (патент № 2346788).
4. Показано, что определяющим фактором прочного сплавления рабочего слоя
и сердцевины валка с узкой переходной зоной (до 7% сечения) является величина
перегрева металла сердцевины с максимальным значением 200°С, при минимальной
температуре внутренней поверхности рабочего слоя равной 120°С ниже температуры
солидус с учетом следующих температурно-скоростных режимов заливки:
- температура заливки металла рабочего слоя …………………. tлик + 130(±10)°С;
- температура внутренней поверхности вкладыша ……………... tвкл = 140(±10)°С;
- скорость заливки металла рабочего слоя валка ………………… 35…45 кг/с;
- скорость заливки металла сердцевины валка …………………… 30…40 кг/с;
- скорость подъема уровня металла сердцевины в форме ………. 65…75 мм/с.
45
5. Рекомендовано использование для рабочего слоя валков на финишных
операциях прокатки в чистовых клетях сортовых станов индефинитного чугуна с
содержанием Ni = 4,5…5,0% и Cr = 1,4…1,8%,
а в промежуточных клетях из
экономлегированного чугуна с частичной заменой дорогостоящего никеля (до
2,8…3,0%) более дешевой медью (1,5…1,7%), легированного для повышения
дисперсности структуры ванадием (0,3…0,5%), а для осевой зоны валков –
высокопрочного чугуна.
6. Установлено, что с увеличением толщины слоя вращающейся жидкости в
форме необходимо повышение частоты ее вращения для удержания потока в
устойчивом состоянии с минимальной продолжительностью выравнивания угловых
скоростей слоя жидкости и формы, способствующей образованию однородной
структуры рабочего слоя валка толщиной 60…140 мм при гравитационном
коэффициенте 70…105 на его внутренней поверхности.
7. Комплексными сопоставимыми исследованиями установлены преимущества
центробежного литья валков по сравнению с стационарнолитыми, которые состоят в
более тонком строении структуры, изотропности свойств и более высоком уровне
прочностных показателей (на 20…25%), с повышенной на 24…28% твердостью
металла и низкой степенью ее спада до 5,0% по сечению рабочего слоя с глубиной
вреза калибров до 140 мм.
8. Разработан состав флюса взамен импортного, имеющий низкую температуру
плавления (~ 800°С) и позволяющий обеспечить при толщине его слоя 3…5 мм
защиту
внутренней
поверхности
рабочего
слоя
от
внешнего
охлаждения,
рафинирование металла от вредных примесей и смачивание контактной поверхности
рабочего слоя с металлом сердцевины, при следующем содержании компонентов в %:
CaO = 32… 34, CaF2 = 18…21, Na2B4O7 = 12…14, Al2O3 + MgO (в отношении
3:1) = 5…7,5, Na2OSiO2 – остальное (патент № 2353467).
9. Разработан состав теплоизоляционной краски, наносимой на внутреннюю
поверхность вкладыша, взамен импортной, позволяющей обеспечить при толщине
слоя 0,8…1,8 мм высокую размерную точность отливок с минимальными припусками
(2…3 мм) на мехобработку наружной поверхности рабочего слоя валка и
необходимую
затвердевания
интенсивность
3,2…4,1
охлаждения
мм/мин,
металла
гарантирующими
со
средними
плотную
по
скоростями
сечению
46
мелкозернистую
структуру
с
включениями
графита,
в
компактной
форме,
соответствующими 5…7 баллу (ВГр1…ВГр2 с дисперсностью частиц ВГ70…ВГ85)
(патент № 2355505).
10.
Эксплуатационная
стойкость
композитных сортопрокатных валков,
полученных по разработанной технологии, на 30…35% выше стационарнолитных
сортовых валков и на 15…20% выше стойкости валков зарубежного производства,
что
позволило
отказаться
от
импорта
сортовых
валков
для
современных
сортопрокатных станов и полностью перейти на выпуск отечественной продукции по
рекомендованной в настоящей работе технологии.
11. Технико-экономическая эффективность от внедрения в промышленность
новых технических и технологических решений, полученных в работе, определяется
повышением культуры производства, улучшением санитарно-гигиенических условий
труда и составляет около 105 млн. рублей в год за счет снижения
себестоимости на 35…40%, уменьшения брака литья с 30 до 5% и повышения
стойкости валков на 35…40% по сравнению с традиционным стационарным литьем.
12. На основе широкого промышленного внедрения разработанной технологии
и создания нового оборудования для производства сортовых валков организовано
современное в России предприятие по изготовлению нового поколения композитных
прокатных валков с применением центробежного литья – ЗАО «Магнитогорский
завод прокатных валков», что позволило комбинату ОАО «ММК» обеспечить
производство конкурентоспособной продукции и выйти в ряд мировых лидеров среди
зарубежных предприятий, выпускающих профильную металлопродукцию.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в
следующих работах:
1. Белявский Л.С., Фиркович А.Ю., Цыбров С.В. и др. Составные прокатные
валки. Монография. – Магнитогорск, МГТУ. – 2004. - 206 с.
2. Вдовин К.Н., Гималетдинов Р.Х., Колокольцев В.М., Цыбров С.В. Прокатные
валки. Монография. – Магнитогорск, МГТУ. – 2005. - 543 с.
3. Мирзоян Г.С., Гималетдинов К.Х., Цыбров С.В. и др. Износостойкий чугун.
Изобретатели – машиностроению. М.: Вираж-центр. – 1999. - № 4. - С. 45-46.
47
4. Мирзоян Г.С., Гималетдинов Р.Х., Цыбров С.В. Получение биметаллических
чугунных заготовок методом центробежного литья. Изобретатели – машиностроению.
М.: Вираж-центр. – 2000. - № 1. - С. 10…11.
5. Цыбров С.В., Авдиенко А.В., Санарова Е.В. Выбор рационального способа
получения жидкого чугуна и его химического состава для отливки прокатных валков.
Литейные процессы. – Магнитогорск, МГТУ. – 2004. - Вып. 4. - С. 91…95.
6. Цыбров С.В., Авдиенко А.В., Женин Е.В. и др. Анализ влияния химического
состава чугуна на эксплуатационную стойкость валков ЛПХНд-71. -
Теория и
технология металлургического производства. – Магнитогорск: МГТУ. – 2005. - № 5. –
С. 190…194.
7. Миляев А.Ф., Иванов Д.Н., Цыбров С.В. и др. Влияние технологических
параметров на время затвердевания бандажа при изготовлении валков центробежным
способом. – Литейные процессы. – Магнитогорск: МГТУ. – 2006. – Вып. 6. –
С. 124…129.
8. Вдовин К.Н., Цыбров С.В., Боровков И.В. Основные направления
производства и эксплуатации новых марок рабочих валков для станов горячей
прокатки на ОАО «ММК». – Литейные процессы. - Магнитогорск, МГТУ. – 2005. № 4. - С. 43…48.
9. Цыбров С.В. Разработка технологии изготовления крупнотоннажных
центробежнолитых двухслойных валков для прокатных станов. – Литейное
производство. – 2006. - № 8. – С. 7…8.
10. Цыбров С.В., Науменко В.Д., Авдиенко А.В. Опыт производства
центробежных листо- и сортопрокатных износостойких чугунных биметаллических
валков горячей прокатки Магнитогорского завода прокатных валков. – Сб. трудов VII
Всероссийского конгресса прокатчиков. - М. – 2007. - С. 60…65.
11. Бахметьев В.В., Цыбров С.В., Авдиенко А.В. и др. Производство прокатных
биметаллических валков ЗАО «Механоремонтный комплекс» для ОАО «ММК» Литейное производство. – 2007. - № 1. - С. 7…9.
12. Бахметьев В.В., Цыбров С.В., Круглов И.Р. и др. Особенности производства
прокатных валков. – Сталь. – 2007. - № 1. – С. 10…12.
13. Титов А.В., Казаков О.В., Цыбров С.В. Опыт эксплуатации на стане 2500
высокохромистых и индефинитных валков. – Сталь. – 2008. - № 7. - С. 72…73.
48
14. Дуб А.В., Мирзоян Г.С., Цыбров С.В. и др. Конкурентоспособные
технологии производства крупнотоннажных композитных прокатных валков методом
центробежного литья. – Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – Магнитогорск. – 2008. № 4. – С. 10…14.
15. Вдовин К.Н., Ячиков И.М., Цыбров С.В. Совершенствование технологии
производства центробежнолитых прокатных валов. Сб. трудов IX Всероссийского
съезда литейщиков России. – Уфа. - 2009. – С. 299…304.
16. Цыбров С.В., Вдовин К.Н., Ячиков И.М. Оптимальные условия сваривания
металлов рабочего слоя и сердцевины при центробежном литье прокатных валков. –
Литейщик России. – 2009. - № 5. - С. 18…20.
17. Феоктистов Н.А., Цыбров С.В. Влияние химического состава чугуна на
износостойкость и твердость чугуна. – Литейные процессы. – Магнитогорск, ГОУ
ВПО «МГТУ. – 2009. – Вып. 8. – С. 19…23.
18. Цыбров С.В., Вдовин К.Н., Ячиков И.М. Технология центробежного литья
прокатных валков с использованием наружных холодильников. – Сб. трудов IX
Всероссийского Съезда литейщиков. – Уфа. – 2009. - С. 30…32.
19. Иванов Д.М., Науменко В.Д., Цыбров С.В. Влияние модифицирования на
балл графита в индефинитных чугунах. – Литейное производство. – 2009. - № 6. С. 7…9.
20. Моделирование процесса литья прокатных валков. / Цыбров С.В., Вдовин
К.Н., Ячиков И.М., Антонов М.В. // Сб. трудов Международной научной
конференции – Екатеринбург: УГТУ-УПИ. - 2009. – С. 449…458.
21. Вдовин К.Н., Ячиков И.М., Цыбров С.В. Совершенствование технологии
центробежного литья рабочего слоя прокатных валков. – Литейное производство. –
2009. - № 3. - С. 15…16.
22. Вдовин К.Н., Ячиков И.М., Цыбров С.В. Технология центробежного литья
валков с использованием наружных холодильников. – Вестник МГТУ им. Г.И.
Носова, № 1. – Магнитогорск. - 2009. – С. 19…21.
23. Цыбров С.В. Производство прокатных валков на ЗАО «МЗПВ». – Сб.
Трудов VIII Всероссийского конгресса прокатчиков 11-15 октября 2010 г. - М. – 2010.
- Т. 2.
49
24. Цыбров С.В., Мирзоян Г.С. Производство композитных сортопрокатных
валков методом центробежного литья. - Производство проката. – 2010. - № 3. –
С. 4…7.
25. Цыбров С.В. Повышение качества сортопрокатных валков методом
центробежного литья. – Литейщик России. – 2010. - № 2. – С. 24…25.
26. Цыбров С.В., Авдиенко А.В., Вдовин К.Н. Производство прокатных валков
в ЗАО «МЗПВ». – Сталь. – 2012. - № 2. – С. 76…79.
27. Цыбров С.В. Оптимизация состава рабочего слоя и осевой зоны сортовых
валков,
полученных
с
применением
центробежного
литья.
–
Тяжелое
машиностроение. – 2012. - № 3. – С. 25…26.
28. Цыбров С.В., Вдовин К.Н., Зайцева А.А. Повышение эксплуатационных
характеристик индефинитных валков центробежного литья. – Литейщик России. –
2012. - № 3. – С. 30-32.
29. Мирзоян Г.С., Цыбров С.В. Особенности гидродинамического состояния и
затвердевания толстостенного рабочего слоя сортовых валков во вращающейся
форме. – Тяжелое машиностроение. – 2012. - № 3. – С. 35…38.
30. Патент РФ № 2117548 Способ центробежной отливки биметаллических
чугунных заготовок. / Г.С. Мирзоян, Р.Х. Гималетдинов, С.В. Цыбров. Опубл. БИ
1998, № 23.
31. Патент РФ № 2122921 Флюс для центробежного литья. / Г.С. Мирзоян,
Р.Х. Гималетдинов, С.В. Цыбров. Опубл. БИ 1998, № 34.
32. Патент РФ № 2124060 Чугун. / Г.С. Мирзоян, Р.Х. Гималетдинов,
С.В. Цыбров; № 98103588. Опубл. БИ, 1998, № 18.
33.
Патент
РФ
№
2153536 Износостойкий
чугун.
/ Г.С. Мирзоян,
Р.Х. Гималетдинов, С.В. Цыбров и др.; № 99115690. Опубл. БИ 2000, № 21.
34. Патент РФ № 2146182 Машина с горизонтальной осью вращения формы
для центробежного литья. / Г.С. Мирзоян, Р.Х. Гималетдинов, С.В. Цыбров. Опубл.
БИ 2000, № 71.
35. Патент РФ № 2338626 Способ центробежной отливки массивных
биметаллических валков со сплошным сечением / Бахметьев В.В., Цыбров С.В.,
Мирзоян Г.С. и др. Опубл. БИ 2008, № 32.
50
36.
Патент
РФ
№
2346788
Устройство
для
изготовления
крупных
биметаллических прокатных валков / Бахметьев В.В., Цыбров С.В., Мирзоян Г.С. и
др. Опубл. БИ 2009, № 5.
37. Патент РФ № 2353467 Флюс для центробежного литья биметаллических
заготовок / Цыбров С.В., Мирзоян Г.С., Волобуев Ю.С. и др. Опубл. БИ 2009, № 12.
38. Патент РФ № 2355505 Противопригарная теплоизоляционная краска для
изложниц центробежного литья / Цыбров С.В., Мирзоян Г.С., Нуралиев Ф.А.,
Ромашкин В.Н. и др. Опубл. БИ 2009, № 14.
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
304
Размер файла
5 218 Кб
Теги
Докторская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа