Валки из быстрорежущей стали: характеристики, марки и руководство по выбору

Простой при смене валков обходится предприятию горячей прокатки дороже, чем просто время: каждая незапланированная остановка снижает производительность, трудозатраты и качество продукции. Это настоящая причина, по которой валки из быстрорежущей стали стали стандартным выбором для отделочных и предчистовых клетей во всем мире. Они служат значительно дольше за проход по канавке, чем обычные чугунные валки, и цифры подтверждают это: одна канавка на вале из быстрорежущей стали способна выдержать В 3–5 раз больше тоннажа стали по сравнению с валками с высоким содержанием никеля и хрома, что приводит к меньшему количеству простоев и снижению расхода валков на тонну продукции.

Чем отличается быстрорежущая сталь?

Преимущество в производительности начинается на химическом уровне. Валки из быстрорежущей стали содержат тщательно разработанную смесь легирующих элементов — углерода (1,50–2,20 %), хрома (3,00–8,00 %), молибдена (2,00–8,00 %), ванадия (2,00–9,00 %) и вольфрама (до 8,00 %), которые образуют два доминирующих типа карбидов в микроструктуре: MC и M2C. Эти карбиды тверже, чем все, что образуется в обычном чугуне, и они распределены по мартенситной матрице, которая устойчива как к истиранию, так и к деформации под нагрузкой.

Важнейшим свойством, которое отличает HSS от старых рулонных материалов, является красный твердость — способность сохранять твердость при повышенных температурах. В условиях горячей прокатки поверхности валков регулярно контактируют со сталью при температуре 900°C и выше. Обычные валки размягчаются под воздействием этой термической нагрузки, ускоряя износ канавок. Валки из быстрорежущей стали сохраняют твердость поверхности на протяжении всего рабочего слоя, а это означает, что характеристики износа на глубине практически идентичны характеристикам износа на поверхности. Когда канавка изнашивается, «мягкого сюрприза» не происходит.

Твердость обычно варьируется от HSD 75 до 95 для стандартных марок HSS, а варианты из полубыстрорежущей стали (S-HSS) достигают HSD 80–98 для применений, где требования к качеству поверхности особенно высоки. Тонкая плотная оксидная пленка, которая образуется на поверхности валков при надлежащих условиях охлаждения, дополнительно снижает трение и действует как естественный тепловой барьер во время прокатки.

Где используются рулоны HSS

Валы HSS не являются универсальным решением: их применение сосредоточено там, где скорость износа самая высокая и качество поверхности имеет наибольшее значение. К основным областям применения относятся:

• Отделочные и предчистовые клети сортовых прокатных станов — где размеры проката зафиксированы и дефекты поверхности недопустимы.
• Рабочие валки горячей полосы — особенно на чистовой стадии непрерывных станов горячей прокатки, где точность толщины и качество поверхности полосы обеспечивают признание клиентов.
• Стенды предварительной отделки катанки — высокоскоростные проволочные станы, которые доводят скорость поверхности до пределов, присущих обычным рулонным материалам.
• Секционные и универсальные мельницы — угловая сталь, швеллерная сталь и аналогичные профили, в которых канавки сложной геометрии должны сохранять допуск в течение длительных кампаний.

В частности, для прутковых станов стандартной спецификацией являются валки из быстрорежущей стали с диаметром цилиндра 300–700 мм и твердостью HSD 75–95. Марка S-HSS с модифицированным составом (C: 0,60–1,20 %, пониженное содержание ванадия и вольфрама) обеспечивает баланс между прочностью, необходимой для горячей обработки полосы, и износостойкостью, необходимой для высокопроизводительных чистовых клетей.

HSS против чугуна: эксплуатационный компромисс

Команды по закупкам иногда сомневаются в цене за единицу рулонов из быстрорежущей стали по сравнению с альтернативами из ковкого чугуна. Это колебание исчезает, когда расчеты переходят от стоимости за рулон к стоимости за тонну проката. Завод, потребляющий пять валков из ковкого чугуна за время работы одного рулона из быстрорежущей стали, не экономит деньги — он платит в пять раз больше трудозатрат на замену валков, в пять раз больше затрат на перешлифовку вальцового цеха и допускает пять сбоев в ритме прокатки, которые влияют на последующее планирование.

Преимущество прокаливаемости особенно важно на более поздних стадиях кампании прокатки. Поскольку твердость HSS практически не падает с поверхности в рабочий слой, каждый цикл заточки обнажает свежую поверхность с практически идентичными эксплуатационными характеристиками. Мельницы могут с уверенностью планировать свои графики шлифования, а не управлять непредсказуемым ухудшением производительности, которое происходит с валками, профиль твердости которых сужается с глубиной.

Выбор правильной оценки

Два основных сорта удовлетворяют большинству требований прокатных станов. Стандартная быстрорежущая сталь подходит для чистовой обработки прутков, предварительной чистовой обработки проволоки и сортового проката, где приоритетом является высокое содержание легирующих элементов и широкий диапазон твердости (HSD 75–95). S-HSS предназначен для валков и клетей горячей прокатки, где прочность имеет большее значение: более низкое содержание углерода и ванадия повышает устойчивость к термическому растрескиванию, обеспечивая при этом значительно больший срок службы по сравнению с альтернативами из чугуна.

Выбор легирующих элементов в семействе HSS также имеет значение. Вольфрам и молибден представляют собой самые твердые карбиды; ванадий уменьшает размер зерна и повышает стойкость к истиранию; хром улучшает прокаливаемость и коррозионную стойкость во влажных условиях мельниц. Валки с более высоким содержанием ванадия (в направлении верхнего предела 9%) обычно предназначены для наиболее абразивных применений, тогда как валки с повышенным содержанием вольфрама используются в клетях с жесткими термоциклическими нагрузками.

Для станов, которые в настоящее время используют валки из ковкого чугуна или с высоким содержанием никеля на чистовых позициях, специальная спецификация рулона HSS подобранный к конкретному прокатываемому материалу, положению стенда и конфигурации охлаждения, обеспечит наилучшую отдачу. Общая оценка HSS, применяемая без контекста приложения, оставляет значительные потери в производительности.

Практика проверки и технического обслуживания

Проверка HSS вознаграждает за структурированное обслуживание. Ультразвуковая дефектоскопия между кампаниями улавливает подповерхностную усталость до того, как она распространится на поверхность и приведет к неожиданным сбоям. Проверка размеров после каждой переточки подтверждает, что профиль валков по-прежнему находится в пределах допуска — постоянная твердость HSS по всему рабочему слою означает, что износ канавок более равномерный и предсказуемый, чем у более мягких материалов, что упрощает оценку размеров.

Производительность системы охлаждения напрямую влияет на срок службы рулонов HSS. Защитный оксидный слой, который уменьшает трение и действует как тепловой экран, надежно формируется только тогда, когда расход охлаждающей воды и площадь покрытия поддерживаются на должном уровне. Заводы, которые сокращают охлаждение в целях энергосбережения, часто сталкиваются с непропорциональным сокращением продолжительности прокатной кампании — оксидный слой разрушается под воздействием термического удара, и износ ускоряется.

В сочетании с кольцо из быстрорежущей стали на соответствующих должностях и при поддержке дополнительные марки литой стали для рулонов в черновых клетях хорошо продуманная программа HSS снижает общий расход валков, упрощает планирование производства и стабильно обеспечивает качество поверхности, которого ожидают последующие переработчики и конечные клиенты.