ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Технология восстановления валков станов холодной прокатки

Рекомендуемая область пременения

Металлургия. Прокатное производство

Назначение, цели и задачи проекта

Повышение стойкости валков станов холодной прокатки  методом индукционной закалки крупных валков в горизонтальном положении с использованием повышенной частоты тока 500 Гц (при этой частоте глубина проникновения тока в металл достигает 22 мм, что достаточно для получения требуемого активного слоя), для чего и создали новую установку. Создание новой установки потребовало разработки технологии, учитывающей особен­ности оборудования и обеспечивающей получение валков соответствующих требованиям технических условий.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Одним из путей восстановления валков является повторная закалка (перезакалка). Эту операцию можно осуществить на оборудовании, которое имеется на заводах-изготовителях валков. В России разработана единствен­ная модель установки для индукционной закалки крупных рабочих валков токами промышленной частоты ТПЧ-700. Это специализированный дорого­стоящий комплекс, эксплуатация и внедрение которого экономически целе­сообразно при массовом производстве валков и поэтому применения на заво­дах-потребителях валков не получил. С другой стороны, как показала прак­тика, отправка валков заводов-потребителей на перезакалку на заводы-изготовители не рентабельна, поэтому валки, получившие дефект не восста­навливались и отправлялись на переплавку.

В связи с этим возникла необходимость в специализированной уста­новке для перезакалки валков, которая могла бы быть создана с использова­нием имеющегося оборудования на заводе-потребителе, а это в основном вальцешлифовальные или токарные станки. Такая установка должна занимать минимальные производственные площади и размещаться непосредст­венно в прокатных цехах.

На установке ТПЧ-700 (разработка ЦНИИТМаш) закалка осуществля­ется в вертикальном положении, при закалке используется промышленная частота тока 50 Гц. Глубина проникновения тока в металл при этой частоте может достигать 70 мм, но, тем не менее, глубина закаленного слоя валков, например из стали 9Х2МФ, закаливаемых на данной частоте, составляет в среднем 15 мм, что соответствует глубине прокаливаемости данной стали. В связи с использованием частоты 50 Гц используемые индукторы представ­ляют собой сложную конструкцию: многослойная обмотка соленоидного ти­па с П-образным магнитопроводом из пакетов электротехнической стали с тепловой защитой. Установка валка в вертикальном положении требует спе­циальных грузоподъемных устройств.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

В результате проведенных работ новая индукционная установка была создана (рис. 1 и 2). Установка для термической обработки валков состоит из: источника питания - тиристорного преобразователя частоты с силовым трансформатором; высокочастотного контура, включающего индуктор; вы­сокочастотного трансформатора и конденсаторной батареи; системы водо­снабжения; системы газоснабжения, пульта управления; станины с приводом для закрепления и вращения валка, и каретки с устройством для крепления индуктора и спрейера.

Рис. 2. Схема индукционной установки:

1 - станина; 2 - под станины; 3 - газовые горелки; 4 - механизм вращения валка; 5 - привод механизма вращения валка; 6 - шпиндель механизма вращения валка; 7 - каретка; 8 - ме­ханизм перемещения каретки; 9 - задняя бабка с центром; 10 - индуктор; 11 - генератор переменного тока; 12 - спрейер; 13 - ввод оборотной воды спрейера; 14 - ввод техниче­ской воды спрейера; 15 - водосборник; 16 - насос подачи оборотной воды в спрейер; 17 -насос подачи технической воды в спрейер; 18 - ввод охлаждения индуктора; 19 - слив из водосборника в сливную канализацию; 20 - перелив из водосборника в сливную канализа­цию; 21, 22 - вентили; 23 - магистраль технической воды; 24 - вентиль подвода газа; 25 - прокатный валок.

Повышенная частота тока (500 Гц) и применение тиристорной преобра­зовательной техники позволило уменьшить площади для электротехническо­го оборудования и повысить его КПД. Также это позволило использовать простой в конструкции индуктор - однослойный соленоид из медной трубки только с тепловой защитой. Основным элементом системы охлаждения валка является спрейер - устройство для подачи воды на закаливаемое изделие, от конструкции и надежности которого зависит качество закаленных валков, особенно при горизонтальном расположении валка.

На рис. 3 представлена конструкция спрейера. Спрейер представляет собой корпус в виде тела вращения, внутренняя полость которого разделена на изолированные друг от друга рабочие камеры. Рабочая камера, ближняя к индуктору, через насос подключена к водонапорной емкости оборотной во­ды, дальняя от индуктора рабочая камера подключена к магистрали техниче­ской воды. Внутренняя стенка корпуса спрейера выполнена ступенчатой и имеет в диаметральном сечении форму прямоугольного зигзага. Выходные отверстия (сопла) выведены на поверхностях, ориентированных с положи­тельным углом наклона к передней стенке корпуса спрейера.

В процессе испытаний различных конструкций спрейера установлена связь между углом падения струй воды из рабочей камеры спрейера на по­верхность валка с твердостью бочки (рис. 4). Падение струй воды на поверх­ность валка под углом 37° обеспечивает получение максимальной твердости бочки. При большем угле падении струй воды на поверхность валка величи­на теплоотдачи увеличивается, но при горизонтальном расположении валка происходит подлив воды на нагретые слои валка, что ведет к снижению твердости бочки.

Также существенное влияние на получаемую твердость оказывает ско­рость вытекания струй воды из спрейера. Поэтому были проведены соответ­ствующие эксперименты, которые позволили установить минимально допус­тимую скорость вытекания воды из спрейера: начиная от скорости 9 м/с и выше твердость бочки практически не меняется и составляет «100 HSD (рис.5)

Были проведены исследования и по влиянию температуры охлаждаю­щей воды на получаемую твердость бочки валка, которые показали, что тем­пература охлаждающей воды при закалке в интервале 10 - 25°С практически не сказывается на твердости бочки валка, начиная с температуры воды 35°С получить твердость валка выше 90 HSD не удалось.

В процессе закалки каретка, с находящимися на ней индуктором и спрейером, перемещается относительно валка, поэтому в режимы закалки входят скорость перемещения каретки. Эксперименты показали, что при за­калке на разработанной установке оптимальная скорость перемещения ка­ретки с индуктором и спрейером находится в пределах 0,8 - 1,2 мм/с.

Одним из важнейших параметров закалки является температура, до которой необходимо нагреть валок. В результате проведения экспериментов было установлено, что оптимальный диапазон температур перезакалки для валков из стали 9Х2МФ лежит в интервале 900 - 950°С (рис. 6), для валков из стали 60Х2СМФ - 930 - 970°С. При этом на поверхности валка получается твердость ~100 HSD, а структура состоит из скрытокристаллического мар­тенсита, мелких равномерно распределенных карбидов и остаточного аустенита, количество которого находится в пределах 10 - 20%, номер бывшего аустенитного зерна в пределах 10-11. Превышение температуры закалки выше указанного верхнего предела приводит к снижению твердости вследст­вие увеличения количества остаточного аустенита в структуре активного.

слоя. Нагрев до температур закалки ниже указанного нижнего предела также приводит к снижению твердости, но уже вследствие недостаточной легированности  мартенсита

Следует отметить, что в процессе закалки в валке возникают времен­ные напряжения, которые при определенных условиях могут превысить пре­дел прочности материала, что приведет к разрушению валка. Температурные напряжения пропорциональны перепаду температур по телу валка. Поэтому перед закалкой валок подвергают предварительному подогреву. На разрабо­танной установке этот процесс можно осуществлять при помощи распреде­ленных газовых горелок, т.к. валок находится в горизонтальном положении. Использование газовых горелок предоставляет возможность регулировать подогрев валка в широком диапазоне скоростей и температур нагрева по сравнению с индукционным.

Предварительный подогрев играет двоякую роль: с одной стороны, чем больше температура подогрева, тем меньше величина температурных напря­жений при последующей закалке; с другой стороны при этом уменьшается глубина активного слоя (рис. 7). Минимально допустимая температура пред­варительного подогрева и скорость нагрева зависят от размеров валка, по­этому для каждого типоразмера валка эти параметры определяются расчет­ным путем. Для расчета напряжений необходимо знать распределение температуры по радиусу валка. Для расчета температурных полей использова­лось общее решение дифференциального уравнения теплопроводности, для решения которого в качестве начального условия использовалась следующая формула, описывающая распределение температуры по сечению валка после индукционного нагрева и полученная на основе экспериментальных данных:

T(r) = Tn +(T3 -Tn)-exp(-(R   Г) )                             (1)

где Тп - температура предварительного подогрева валка; Т3 - температура за­калки; R - радиус валка; г - текущий радиус валка; 8 - глубина проникнове­ния тока.

В результате экспериментов, проводимых непосредственно на валках, было установлено, что закалка валков на разработанной установке обеспечи­вает соответствие получаемых параметров требованиям ГОСТ 3541. Одним из основных требований является величина активного слоя. Валки из стали 9Х2МФ после перезакалки на разработанной установке имеют глубину ак­тивного слоя 10-15 мм, валки из стали 60Х2СМФ - до 20 мм (рис. 7).

Валок, если он не имеет поверхностных дефектов, может быть сразу подвергнут повторной закалке. Если валок имеет поверхностный дефект, то этот дефект необходимо удалить механическим способом, а для осуществле­ния этого валок должен быть подвергнут разупрочняющей термической об­работке: отжигу или высокому отпуску. Известно, что структура перед за­калкой оказывает влияние на получаемый результат. В связи с этим были проведены исследования влияния предварительной (перед повторной закал­кой) термической обработки на структуру валков после закалки. Закалка с различных температур (850-1100°С) проводилась после отжига при 850°С с выдержкой 1 час, после отпуска при 650°С в течение 12 часов и в исходном состоянии, т.е. в состоянии после эксплуатации и без предварительной обра­ботки.

Известно, что размер аустенитного зерна оказывает влияние на прока-ливаемость и закаливаемость стали, с его ростом снижается вязкость стали, уменьшается работа распространения трещины. В мелкозернистых сталях распространение микротрещины затруднено. Однородная зеренная структура способствует однородности свойств. Разнозернистость может привести к не­равномерности протекания фазовых превращений. Поэтому размер аустенит­ного зерна и разнозернистость были выбраны в качестве критерия выбора предварительной термической обработки.

В процессе проведения исследований экспериментально был установ­лен оптимальный режим травления аустенитных зерен в закаленной стали 9Х2МФ. Для выявления структуры границ бывших аустенитных зерен трав­ление производилось в горячем насыщенном водном растворе пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активных веществ (ПАВ). Сложность проводимого травления заключается в выборе оптимального режима травле­ния и ПАВ, являющегося алкилсульфанатом натрия. Наиболее доступным являются ПАВ, содержащиеся в стирально-моющих средствах, качественный и количественный состав которых весьма различен, что существенно влияет на продолжительность травления и контрастность выявляемых в ходе трав­ления границ аустенита. Насыщенный раствор пикриновой кислоты готовил­ся на основе дистиллированной воды при температуре 70-80°С. При дости­жении температуры раствора порядка 90°С в него добавлялось ПАВ («Ло­тос»). Температуру раствора при травлении поддерживали на уровне 80-90 °С, длительность процесса — 20 - 40 с. В результате последовательно много­кратного слабого травления и переполировки четкость границ улучшалась. Чтобы продукты травления не препятствовали выявлению структуры, необ­ходимо было постоянно перемещать образец в реактиве. Результат травления оценивался по внешнему виду шлифа. Через 15-20 мин качество травления в постоянно подогреваемом реактиве резко ухудшалось, так как появлялся темный слой нерастворимого вещества, затруднявший травление. Для про­должения процесса необходим был свежий раствор.

Исходными данными о структуре служили гистограммы распределения хорд ni(dt) с логарифмически равномерной разбивкой на к = 13 размерных интервалов. По гистограммам nxd\ рассчитывали средний условный диаметр зерна (среднюю хорду), мкм:

d=UN = l/Z,                                                 (2)

где / — общая длина линии измерения, мкм; N— число зерен; Z — число пе­реходов границ.

В качестве обобщенной характеристики степени однородности струк­туры использовали вариацию распределения хорд Vj. Для однородной зерен

ной структуры принимаем V- = 0,50 ± 0,01 % . Вариация распределения хорд рассчитывается, как отношение среднеквадратичного отклонения (мкм) Sjк среднему диаметру d .

Кинетику роста аустенитного зерна стали 9Х2МФ отражает графиче­ская зависимость среднего диаметра зерна от температуры закалки (рис. 8). Характер изменения разнозернистости представляет собой зависимость ва­риации Vjот температуры закалки для разных исходных структур (рис. 9).

Таким образом, для улучшения зеренной структуры в стали 9Х2МФ, отличающейся разнозернистостью еще в исходном состоянии вследствие дендритной неоднородности, наиболее оптимальным является проведение отпуска при 650 - 750°С, при этом температура закалки не должна превы­шать 950 °С.

После перезакалки валок должен быть подвергнут отпуску для получе­ния требуемой твердости и снятия остаточных напряжений. Для определения зависимости твердости от температуры отпуска проведены исследования структуры перезакаленных валков после отпуска в диапазоне 100 - 700 °С.

На рис. 10 представлено распределение твердости по глубине валка, за­каленного от температуры 930°С, в зависимости от температуры отпуска с выдержкой 1 ч.

Разработанная технология восстановления валков методом перезакалки с использованием установки горизонтального типа с частотой тока 500 Гц используется научно-производственным предприятием «Валок» для переза­калки рабочих валков. Результаты эксплуатации перезакаленных валков по­казали, что их стойкость составляет 70 - 100% от стойкости новых валков.

Разработанная технология восстановления валков, способ термической обработки валков и новая индукционная установка защищены тремя патен­тами РФ.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

 В России разработана единствен­ная модель установки для индукционной закалки крупных рабочих валков токами промышленной частоты ТПЧ-700. Это специализированный дорого­стоящий комплекс, эксплуатация и внедрение которого экономически целе­сообразно при массовом производстве валков и поэтому применения на заво­дах-потребителях валков не получил. С другой стороны, как показала прак­тика, отправка валков заводов-потребителей на перезакалку на заводы-изготовители не рентабельна, поэтому валки, получившие дефект не восста­навливались и отправлялись на переплавку.

Разработанный технологический процесс позволяет комплексно решать  вопросы  повышения ресурса эксплуатации  термического оборудования. В 2 раза снизились затраты на приобретение дорогостоящих деталей. Внедрение в производство технологии восстановления и изготовления прокатных валков повысило  их срок эксплуатации  в 1,7 – 2 раза.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Разработанная технология восстановления валков станов холодной прокатки улучшила условия труда и сократила трудозатраты при восстановлении валков.

Установлено, что использование на разработанной установке повышенной частоты тока 500 Гц обеспечивает получение глубины активного слоя валков в соответствии с требованиями ГОСТ 3541. Валки из стали 9Х2МФ после перезакалки на разработанной установке имеют глубину активного слоя 10-15 мм, валки из стали 60Х2СМФ - до 20 мм.

Определено, с точки зрения получения наиболее мелкозернистой и
равномерной структурой после закалки является проведение перед повтор­
ной закалкой отпуска при 650 - 750 °С.

Установлена зависимость твердости от температуры отпуска в диа­
пазоне 100 - 700 °С, проводимого после перезакалки.

Технология перезакалки крупных (диаметром более 200 мм) рабочих валков холодной прокатки с использованием индукционной установки горизонтального типа с частотой тока 500 Гц реализована в НПП «Валок», которое осуществляет перезакалку валков. Стойкость восстановленных вал­ ков по данной технологии составляет 70 Исследованы и разработаны оптимальные режимы перезакалки вал­ков на новой индукционной установке горизонтального типа с частотой тока500 Гц: температура  предварительного подогрева газовыми горелками со­ставляет 200 - 500°С; оптимальная температура закалки для валков из стали9Х2МФ находится в интервале 900 - 950°С, для валков из стали 60Х2СМФ -930 - 970°С. При этом на поверхности валка получается твердость «100 HSD,а структура состоит из скрытокристаллического мартенсита, мелких (~0Дмкм) равномерно распределенных карбидов (~3 %) и остаточного аустенита, количество которого находится в пределах 10 — 20%, номер бывшего аустенитного зерна в пределах 10-11.

Установлено влияние параметров конструкции спрейера на свойства
валка. При горизонтальном расположении валка падение струй воды на по­
верхность валка под углом 37° обеспечивает получение максимальной твер­
дости бочки «100 HSD. При этом скорость вытекания струй из спрейера
должна составлять не менее 9 м/с, а температура охлаждающей воды не
должна превышать 25°С.

Новые потребительские свойства продукции

- снижение трудозатрат; рост производительности;
- уменьшены производственные площади участка;
- высокая эффективность, технологические процессы;

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Данная технология внедрена на передовом предприятии Липецкой области – ОАО «НЛМК».

Предлагаемые инвестиции

30 млн. руб.

Рынки сбыта

Россия, страны ЕС, Юго-Восточная Азия, Турция, Ближний Восток, Северная Америка, СНГ.
Внедрение данной технологии может применяться на всех металлургических комбинатах.

Возможность и эффективность импортозамещения

нет.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

12

Дата поступления материала

14.08.2007