научная статья по теме СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЦЕЛЬНОКОВАНЫХ И БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОРНЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ Металлургия

Текст научной статьи на тему «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЦЕЛЬНОКОВАНЫХ И БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОРНЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ»

УДК 539.37: 621.771.07

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЦЕЛЬНОКОВАНЫХ И БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОПОРНЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

© Покровский Алексей Михайлович, д-р техн. наук, проф.

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана. Россия, Москва. E-mail: ampokr@mail.ru Статья поступила 04.03.2013 г.

Разработана методика оценки долговечности крупногабаритных цельнокованых и биметаллических опорных прокатных валков при эксплуатации с учетом остаточных напряжений от термообработки. Представлены результаты численной реализации применительно к прокатному стану кварто 600/1350х1420. Решение объемной контактной задачи для определения эксплуатационных напряжений от прокатки проведено с использованием конечно-элементного комплекса ANSYS. Долговечность валков определена посредством расчета на живучесть в детерминированной постановке с использованием уравнения Пэриса, описывающего линейный участок кинетической диаграммы усталостного разрушения. Показано, что долговечность биметаллических валков с наплавкой из высоколегированной стали с карбидно-интерметаллидным упрочнением приблизительно в два раза выше, чем у цельнокованых валков из традиционных низколегированных валковых сталей.

Ключевые слова: опорные прокатные валки; клеть кварто; сталь с карбидно-интерметаллидным упрочнением; термическая обработка; напряженно-деформированное состояние; контактная задача; эксплуатационные и остаточные напряжения; метод конечных элементов; долговечность; живучесть; трещиноподобные дефекты.

Производительность прокатного стана кварто [1] и качество получаемого на нем проката в значительной степени определяются долговечностью рабочих и опорных валков, которая в первую очередь зависит от правильности выбора материала и режимов термической обработки валков. Достигнуть значительного увеличения долговечности валков можно только посредством использования стали новых марок и прогрессивных видов термической обработки. Экспериментальные методы исследования ресурса прокатных валков малоэффективны, так как чрезвычайно дорогостоящи и, как правило, имеют высокую погрешность. В связи с этим предпочтительно применение методов математического моделирования. Настоящее исследование посвящено разработке расчетных методов и созданию программных средств для прогнозирования долговечности опорных прокатных валков клети кварто и проведению сравнительного анализа долговечности цельнокованых валков из традиционных валковых сталей и биметаллических валков с наплавкой из перспективной высоколегированной стали 25Н12М6К10, обладающей уникальными эксплуатационными свойствами.

Основная проблема при оценке долговечности прокатных валков в процессе эксплуатации заключается в том, что в технологический процесс их изготовления включена термическая обработка, при которой в валках формируются значительные остаточные термические напряжения.

Исследования показывают, что уровень этих напряжений, сохраняющихся в валках при эксплуатации, как правило, превышает значения рабочих напряжений от прокатки [2]. В связи с этим при прогнозировании долговечности валков остаточные напряжения необходимо учитывать. Главная сложность при компьютерном моделировании кинетики формирования остаточных термических напряжений в валках состоит в том, что в интервале температур термической обработки в стали происходят структурные превращения, вызывающие объемные деформации и приводящие к существенному изменению теплофизических и механических свойств. Кроме того, на начальной стадии термической обработки в результате долгого пребывания стали при высоких температурах в значительной степени проявляются ее реономные свойства (ползучесть), а на окончательных стадиях (при невысоких температурах) возникает пластическая деформация. В связи с этим для адекватного описания напряженно-деформированного состояния (НДС) валков в процессе термической обработки необходимо решать задачу термоупруговязкопластичности для материала с нестационарной структурой [3]. £ Решение задачи фактически сводится к решению трех связанных задач: теплопроводности, моде- ^ лирования структурообразования и собственно определения НДС. Причем связь задач объяс- £ няется тем фактом, что все теплофизические и 5 механические характеристики зависят от темпе- г

Рис. 1. Расчетное распределение остаточных осевых напряжений в продольном сечении опорного валка после однопроходной закалки ТПЧ (значения указаны в МПа)

Рис. 2. Расчетное распределение остаточных осевых напряжений в продольном сечении биметаллического опорного валка после ускоренной нормализации (значения указаны в МПа)

ратуры и структуры, а кинетика структурообра-зования определяется температурным полем и НДС. В настоящей работе для определения остаточных термических напряжений был использован программный комплекс, представленный в работе [3].

В качестве объекта исследования был выбран холоднолистовой четырехвалковый прокатный стан кварто 600/1350x1420. Размеры опорного валка стана: диаметр и длина рабочей части 1350 и 1420 мм соответственно; общая длина шейки 1520 мм; максимальный диаметр ее конической части 1000 мм, цилиндрической - 820 мм. На Юж-^ но-Уральском машиностроительном заводе (МК «ОРМЕТО-ЮУМЗ») валки изготовляются из ста-£ ли 90Х3МФ. На рис. 1 представлено распределе-< ние наиболее опасных остаточных осевых напряг жений в продольном сечении этого валка после

однопроходной индукционной закалки токами промышленной частоты (ТПЧ) с температуры 970 °С с предварительным сквозным прогревом в электропечи до 500 °С и последующим отпуском при 360 °С [4]. Расчет структурного состава показал, что закаленный слой, содержащий 95-100% мартенсита (65-70 ИБО), составляет около 50 мм. На большей глубине структура становится пер-литно-мартенситной (бейнит не возникает). По мере увеличения глубины доля перлита в структуре возрастает, и на глубине более 90 мм структура становится чисто перлитной.

При использовании высоколегированных сталей прокатные валки обычно изготовляются биметаллическими. Ось выполняется из дешевой валковой стали, а наплавка из дорогостоящей высоколегированной стали. В расчете принимали, что ось изготовлена из стали 60ХН, а наплавка толщиной 70 мм из стали 25Н12М6К10 с комбинированным карбидно-интерметаллидным упрочнением. Стали этого типа обладают уникальными эксплуатационными свойствами. Предел прочности ав таких сталей может достигать 2500 МПа, твердость - 62 ИЛС, а вязкость разрушения (трещиностойкость) К\с = 80 МПа-м1/2 [5]. Для получения требуемых эксплуатационных свойств биметаллические валки с наплавкой из стали с карбидно-интерметаллидным упрочнением можно не закаливать, а подвергать более мягкой термической обработке - ускоренной нормализации [6]. Режим термообработки валка состоял в нагреве до 1100 °С в печи скоростного нагрева, выдержке 1 ч, охлаждении водовоздуш-ной смесью в спрейерной установке и отпуске при 500 °С. Расчет структурного состава в биметаллическом валке показал, что структура наплавки после термообработки - закаленный мартенсит, а оси - перлит. Полученная мартенситная структура наплавки обеспечивает необходимую твердость рабочей поверхности валков и гарантирует высокие эксплуатационные свойства. На рис. 2 представлено распределение остаточных осевых напряжений в биметаллическом валке.

Для определения эксплуатационных напряжений в процессе прокатки использовали созданную в конечно-элементной среде ЛЫБУБ 11.0 объемную (3Э) математическую модель прокатного стана кварто, подробно описанную в работе [2]. Эта модель позволяет численно определять НДС в рабочих и опорных валках с учетом остаточных термических напряжений, которые задаются как начальные напряжения. Давление, передающееся рабочему валку от прокатываемого металла, при-

Рис. 3. Конечно-элементная модель клети кварто

няли постоянным [1]. Усилие прокатки принимали равным 20 МН. Для определения НДС модели решали задачу о контактном взаимодействии двух цилиндрических поверхностей.

Для решения контактных задач в среде ЛЫ-БУБ 11.0 имеется встроенная функция и разработаны специальные контактные поверхностные элементы, которыми покрываются предполагаемые области контактирования. Формирование конечно-элементной сетки осуществляли посредством процедуры «протягивания» плоской фигуры, разбитой на четырехугольные 8-узловые вспомогательные конечные элементы МЕБИ200, вдоль продольной оси валков. В результате этого получали конечно-элементную модель, состоящую из 20-узловых объемных (3Э) элементов Б0ЬГО95. Поверхности рабочего и опорного валков в зоне контакта моделировали 8-узловы-ми поверхностными трехмерными контактными С0ЫТЛ174 и ответными ТЛКСЕ170 элементами, расположенными на поверхностях элементов Б0ЬГО95. При создании математической модели с целью уменьшения числа конечных элементов учитывали симметрию задачи относительно продольного сечения и срединной плоскости валка, поэтому рассматривали только нижнюю правую четверть клети (рис. 3).

Результаты численного расчета наиболее опасных суммарных осевых напряжений от термообработки и прокатки в цельнокованом и биметаллическом валках представлены на рис. 4. Наиболее опасными зонами с точки зрения возникновения в них трещиноподобных дефектов в цельнокованом валке являются центральные области, немного смещенные от оси вращения валка в сторону боковой поверхности, в которых циклически изменяющиеся суммарные напряжения имеют ненулевую амплитуду, а также области в зоне краевого эффекта вблизи шеек (см. рис. 4, а).

Рис. 4. Расчетное распределение суммарных осевых напряжений при эксплуатации (а) в продольном сечении цельнокованого опорного прокатного валка и биметаллического опорного прокатного валка (б) (значения указаны в МПа)

На рабочей поверхности валка формируются сжимающие напряжения, не представляющие опасности с точки зрения хрупкой прочности, а наоборот, как известно [7], повышающие контактную выносливость, поэтому эти зоны менее опасны. Также менее опасны осевые зоны, в которых амплитуда напряжений в процессе прокатки близка к нулю, а рост усталостных трещин возможен только при ненулевой амплитуде [7].

а

б

Зона краево

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком