УДК 621.77.07
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ ЗА СЧЕТ РЕЗЕРВА ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ
© Самойлович Юрий Аврамович, д-р техн. наук, проф., e-mail: platan09@yandex.ru ОАО «ВНИИМТ». Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 04.08.2014 г.
Валковая сталь с повышенным содержанием хрома (45Х5МФ) характеризуется повышенной прокаливаемостью, что открывает возможности существенного повышения эксплуатационной стойкости прокатных валков. При этом упрочнение поверхностного (рабочего) слоя прокатных валков достигается образованием при термообработке структуры нижнего бейнита при блокировании перлитного превращения аустенита. Вместе с тем специфика бейнитного превращения для стали с высоким содержанием хрома состоит в необходимости длительной выдержки металла в достаточно узком интервале температур бейнитного превращения (290-410 °С). При проведении закалки крупногабаритных валков из стали 45Х5МФ на установке горизонтального типа предлагается двухэтапный режим: интенсивное водовоздушное охлаждение в течение 3035 мин (этап 1), затем охлаждение сжатым воздухом в течение 4-5 ч (этап 2). При этом обеспечивается блокада возможного превращения аустенита в перлит и достаточная степень формирования бейнитной структуры. При определении рациональных режимов закалки и отпуска крупногабаритных прокатных валков использована комплексная компьютерная программа, позволяющая проследить динамику возникновения в валках временных и остаточных напряжений.
Ключевые слова: прокатные валки; бейнитная структура; возникновение отслоений; временные и остаточные напряжения.
Технология производства крупногабаритных прокатных валков включает серию операций, цель которых состоит в достижении высокой твердости рабочей поверхности бочки валков при сохранении достаточной вязкости сердцевины и шеек. В связи с высокой стоимостью каждого такого валка повышение их эксплуатационной стойкости является весьма актуальной задачей.
В ходе эксплуатации поверхность валков постепенно выкрашивается, что требует их периодической переточки и шлифовки. Реальная эксплуатационная стойкость валков возрастает пропорционально достигаемой глубине закаленного слоя, которая зависит от прокаливаемости стали. Повышение прокаливаемости поверхностного слоя валков достигается, в первую очередь, путем правильного выбора химического состава стали. За последние десятилетия разработан и освоен ряд марок стали, обеспечивающих повышенную прокаливаемость - к их числу относится сталь 45Х5МФ с повышенным содержанием хрома (4,8%). По данным [1, 2], эта сталь характеризуется высокой устойчивостью аустенита при температурах его превращения в перлит (1100-1200 °С), что является предпосылкой достижения высокой прокаливаемости. Исследования показали, что твердость стали 45Х5МФ с бейнитной структурой (570 НУ) в 2,5 раза превышает твердость стали с перлитной структурой, что определяет тенденцию закалки валков из этой стали на нижний бейнит.
Здесь важно отметить, что закалка стали на нижний бей-нит имеет некоторую специфику, которая определяется диффузионным характером превращения первичного аус-тенита в нижний бейнит и, как следствие, высокой длительностью этого превращения. По данным Р.И.Энтина [3, с. 212], в стали, содержащей 1,1% С и 5% Сг, превращение 50% первичного аустенита в нижний бейнит при 300 °С продолжается не менее 4-5 ч. Исследования показали, что превращение аустенита в нижний бейнит для стали 45Х5МФ протекает в узком интервале температур - от 410 до 290 °С [1, 2].
Таким образом, для того, чтобы в поверхностном слое прокатного валка произошло превращение аустенита в нижний бейнит в необходимом количестве (по меньшей мере, 50-60% доли первичного аусте-нита), необходимо обеспечить сохранение поверхностного слоя валка в интервале температур 410-290 °С в течение достаточно длительного времени. Соблюдение этого условия невозможно осуществить при использовании широко практикуемой закалки валков в масло, либо способом закалки «через воду в масло».
Вместе с тем, представляется вполне реальной возможность осуществить необходимый режим закалки валков на нижний бейнит с использованием современной технологии водово-здушной форсуночной закалки, которая обладает высокой степенью управляемости [4-7].
Предполагается, что на стадии окончательной термической обработки (ТО) валок размещается в горизонтальной установке, оснащенной системой водовоздушных форсунок
и специальных устройств, обеспечивающих подачу на поверхность бочки валка увлажненного сжатого воздуха [6, 7].
Рациональный режим термообработки валка должен, в первую очередь, обеспечить формирование в поверхностном слое структуры нижнего бейнита и заблокировать вероятность перлитного превращения первичного аустенита. Возможность блокирования перлитного превращения реализуется в том случае, если скорость охлаждения металла превышает некоторое критическое значение - 0,2 град/с для стали 45Х5МФ [1, 2]. При высокой интенсивности охлаждения в закаленных валках могут возникнуть значительные остаточные напряжения; такие валки в процессе эксплуатации быстро разрушаются в результате интенсивно протекающих усталостных явлений. Следует отметить, что излишне жесткий режим закалки вызывает в крупных валках недопустимо высокие временные напряжения, которые могут привести к разрушению валка до начала эксплуатации. На Южно-Уральском машиностроительном заводе (МК «ОРМЕТО-ЮУМЗ») зарегистрирован случай, когда разрушение рабочего валка произошло при шлифовке после закалки токами высокой частоты.
Снижение уровня термических напряжений, возникающих при закалке, достигается использованием высокого отпуска валков, проходящего в течение десятков часов для валков большого диаметра (более 1300-1600 мм). Кроме того, рациональный режим ТО валков заключается в определении такой длительности отпуска, при которой остаточные напряжения в сечении валков по завершении отпуска не превышают безопасной величины (150-200 МПа).
Следует отметить, что контроль временных и остаточных напряжений в крупногабаритных прокатных валках связан с серьезными затруднениями. Экспериментальные (разрушающие) методы исследования напряжений малоэффективны, так как они предусматривают повреждение валка, представляющего собой уникальную дорогостоящую деталь. К тому же экспериментальные методы не позволяют определить уровень временных напряжений, а они в определенных условиях могут превышать остаточные. В связи с этим на первый план выходят методы компьютерного моделирования физико-механических процессов, протекающих при ТО крупногабаритных прокатных валков, позволяющие проследить динамику формирования структуры и внутренних напряжений по сечению валка.
В настоящей работе изложены результаты математического моделирования явлений теплообмена, структурных превращений, а также возникающих временных напряжений в прокатном валке диам. 1300 мм из стали 45Х5МФ в процессе закалки и отпуска. При этом используется комплексная компьютерная программа по определению температуры и термических напряжений, основанная на численном решении задач нелинейной теплопроводности и термовязкоупругости с учетом протекающих в стали превращений аустенита в перлит и нижний бейнит. Алгоритм регламентированного режима водовоздушной закалки прокатного валка базируется на решении уравнения теплопроводности для определения температурного поля по сечению валка при заданных значениях коэффициентов теплоотдачи на отдельных этапах охлаждения. Начальная температура валка перед закалкой Т0 считается заданной (температура аустенитизации используемой стали).
Полная длительность охлаждения валка на стадии закалки разделяется на три этапа:
1-й - интенсивное охлаждение поверхности валка водовоздушной смесью в течение времени Д^ при задании коэффициента теплоотдачи а1;
2-й - мягкое охлаждение поверхности валка сжатым воздухом в течение времени ДЬ2 при задании коэффициента теплоотдачи а2;
3-й - охлаждение валка на открытом воздухе при задании теплообмена путем конвекции и излучения, а также коэффициентов теплообмена конвекцией (а ) и излучением (а) в течение времени ДЬ, за которое поверхность валка остывает до 250 °С.
Система уравнений теплопроводности и граничных условий для определения температурного поля валка имеет вид г)Т
рс-^ = амхёгас1г)+д, (1)
где Т - температура; Ь - время; р, с, X - массовая плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность стали; Q - плотность источников тепла, сопровождающих распад аустенита на перлит и бейнит. Предполагая симметрию температурного поля валка при его вращении на установке горизонтального типа, представим уравнение (1) в виде
5
^ЫМЫ^г«"'«' (2) ;
где г - координата вдоль радиуса и г - координата ®
вдоль оси валка. ^
>
Решение уравнения теплопроводности осу- Ц ществляется для валка цилиндрической формы |
при заданном диаметре бочки О = 2Я = 1300 мм и длине Н = 3300 мм с осевым отверстием диаметром В = 2В0 = 160 мм (рис. 1). Граничные условия задачи теплопроводности задаются различными для поверхности бочки (/ = 1), шейки валка (/ = 2), поверхности охлаждаемого отверстия (/ = 3) в виде следующих соотношений:
- для бочки валка = (Гпов -Тг), (
- для шейки валка X^^ =а2(Тв
(3) Т3), (4)
- для отверстия X ^ ^ = а3 (Тпов -Т3), (5)
где Т = 20 °С - температура охлаждающей среды (воды, воздуха).
Для третьего этапа охлаждения валка на открытом воздухе граничное условие для поверхности бочки и шеек валка принимается в виде
=«в (Т^-ТЛ + с^Т^-Т?),
V иГ /пов
(6)
где принято
ав = 12 Вт/(м2-К), ав = 4,9-10-8 Вт/(м2-К4). Решение системы уравнений (2) - (6) осуществляется численным методом конечных элементов. Варьируя значения параметров а1, а2, Д^, Д£2, выбираем такой режим охлаждения валка, при котором выполняются указанные выше условия регламента.
Температурное поле валка определяется для совмещенного процесса закалки и отпуска. Предполагается, что по завершении процесса закалки валок извлекается из горизонтальной установки
z'
Ик
0
2
/ < > 1
В
_1_
к
_1_
0 500 1000
Рис. 1. Расположение представительных точек в поперечном сечении бочки валка
Рис. 2. Изм
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.