Валки из быстрорежущей стали: характеристики, типы и применение

Для полосовых станов, которым требуется стабильное качество поверхности и жесткие допуски на толщину, валки из быстрорежущей стали обеспечивают от 3 до 5 раз износостойкость обычных валков из чугуна с неопределенным охлаждением. Такое существенное увеличение продолжительности кампании напрямую снижает расход валков на тонну прокатанной стали, в то время как металлургические свойства этих сплавов сохраняют твердость при повышенных температурах, когда традиционные материалы размягчаются.

Технология перешла от экспериментального внедрения к стандартному требованию на первых чистовых клетях станов горячей прокатки. Основное преимущество заключается в сочетании закаленной мартенситной матрицы с высокой объемной долей чрезвычайно твердых, термически стабильных карбидов, что позволяет станам выдерживать нагрузки и температуры прокатки без ущерба для точности размеров. Понимание производственных маршрутов, технологии твердосплавных сплавов и эксплуатационных ограничений имеет важное значение для оптимизации методов работы прокатного цеха и планирования работы стана.

Металлургическая основа валков из быстрорежущей стали

Валки из быстрорежущей стали По сути, это сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода и ванадия, усиленные хромом, молибденом и вольфрамом. В отличие от аналогов из инструментальной стали, варианты валков разрабатываются в основном методом центробежного литья для создания композитной конструкции, в которой внешняя оболочка выполняет работу, а сердечник обеспечивает механическую целостность.

Микроструктура представляет собой отпущенную мартенситную основу, противостоящую деформации, армированную первичными карбидами типа MC, в частности карбидами с высоким содержанием ванадия, которые химически стабильны и достигают уровней микротвердости выше 2800 ВВ . Вторичные карбиды, включая типы с высоким содержанием молибдена и вольфрама, образуются во время отпуска и повышают твердость в горячем состоянии. Эта двухфазная структура обеспечивает стабильный профиль износа на протяжении всей прокатной кампании, избегая внезапного ухудшения поверхности, наблюдаемого в железных валках.

Морфология карбида имеет такое же значение, как и объемная доля. Жесткий контроль скорости затвердевания при центробежном литье обеспечивает тонкую, равномерно распределенную сетку карбидов, а не грубую сетку, которая действует как инициатор трещин. Рулоны, предназначенные для самых суровых клетей ранней отделки, обычно содержат от 5 до 10 процентов ванадия, намеренно завышая стоимость сплава, чтобы обеспечить более длительные интервалы прокатки между заменами.

Маршруты производства и целостность отливки

Преобладающий метод производства – двойная центробежная разливка. Сначала при контролируемом вращении отливают внешнюю оболочку из быстрорежущей стали, а затем последовательно заливают сердечник из чугуна с шаровидным графитом или графитовой стали для достижения металлургической связи. Этот процесс требует исключительно строгого контроля процесса для предотвращения разжижения сплава оболочки и управления переходной зоной.

Ключевые параметры процесса, определяющие производительность валков, включают:

• Температура заливки поддерживается в узком диапазоне, чтобы избежать чрезмерного роста зерен.
• Скорость вращения оптимизирована для обеспечения однородности толщины оболочки и минимального захвата шлака.
• Термическая обработка после отливки, включающая несколько циклов отпуска, часто три или более , чтобы полностью преобразовать остаточный аустенит

Порошковая металлургия и горячее изостатическое прессование представляют собой альтернативный путь получения валков высочайшего качества, полностью исключающий сегрегацию. При таком подходе происходит консолидация газораспыленного порошка точного целевого состава, в результате чего образуется полностью изотропная и карбидно-однородная микроструктура. Хотя валки порошковой металлургии значительно дороже, они достигают значений прочности на изгиб выше 3500 МПа , подходит для исключительно высоких усилий прокатки современных прокатных линий для разливки тонких слябов.

Производительность стана горячей прокатки и механизмы износа

В клетях ранней чистовой обработки от F1 до F3 валки из быстрорежущей стали подвергаются сочетанию абразивного износа, термической усталости и окисления. Оксидный слой, образующийся на поверхности валка при температуре выше 550 градусов Цельсия действует как защитная глазурь, а содержание хрома и молибдена в стали стабилизирует этот слой, уменьшая прилипание и налипание прокатанной полосы.

В первичном износе этих валков преобладает постепенная эрозия мартенситной матрицы отпуска, окружающей первичные карбиды. Поскольку карбиды ванадия тверже любого минерального абразива в оксидной окалине, они гордо стоят и защищают основной материал так же, как булыжник противостоит эрозии. Данные долгосрочных испытаний мельниц показывают, что сохранение твердости скорлупы остается выше 80 Шор С даже после тысяч тонн прокатки, в то время как объемы прокатки неопределенных валков обычно резко падают после сопоставимой производительности.

Устойчивость к воспламенению является ограничивающим фактором во многих применениях. Высокий уровень углеродного эквивалента, обеспечивающий износостойкость, также снижает теплопроводность и пластичность. На валках, подвергающихся недостаточному охлаждению между клетями, образуется сеть мелких поверхностных трещин, которые со временем распространяются. Наиболее эффективные марки быстрорежущей стали сбалансированы по углероду и ванадию, что гарантирует, что несоответствие теплового расширения карбида и матрицы не приведет к росту трещин при циклической термической нагрузке.

Применение станов холодной прокатки и обработка поверхностей

Рабочие валки из быстрорежущей стали для станов холодной прокатки и дрессировки предъявляют различные требования. Здесь твердость скорлупы обычно превышает 85 Шор С , микроструктура которого разработана для обеспечения экстремального предела текучести при сжатии и устойчивости к контактной усталости. Эти валки напрямую конкурируют с коваными хромистыми сталями и полувысокоскоростными марками стали, выигрывая по длине кампании, где вибрация стана позволяет их использовать.

Мелкая карбидная структура, которую можно получить с помощью современных технологий порошковой металлургии, оказывается решающей при холодном применении. Поверхностная питтинговая коррозия и растрескивание, основные виды разрушения валков холодной прокатки, напрямую замедляются за счет высокой плотности твердых, связанных карбидов размером менее 3 микрометров. Электроразрядное и лазерное текстурирование еще больше расширяют рабочий диапазон за счет создания детерминированной шероховатости поверхности, которая удерживает смазку и сводит к минимуму контакт металла с металлом во время высокоскоростного нарезания резьбы.

Выбор марки сплава по положению стойки

Выбор правильной марки быстрорежущей стали для конкретной клети стана предотвращает как преждевременный выход из строя, так и ненужные затраты на сплав. В общепринятой схеме валки группируются по содержанию углерода и ванадия, поскольку эти элементы преимущественно контролируют баланс между износостойкостью и ударной вязкостью.

Молибден и вольфрам часто взаимозаменяемы на полпроцентной основе для достижения вторичной закалки, хотя сплавы на основе молибдена демонстрируют небольшое преимущество в сопротивлении термической усталости из-за более низкой тенденции к сегрегации во время центробежного затвердевания.

Технологии шлифования и обращение с валковым цехом

Валки из быстрорежущей стали предъявляют особые требования к шлифовальным кругам и циклам правки. Те самые карбиды, которые придают валку преимущество в отношении износа, также действуют как твердые пятна, которые могут вызвать пригорание, вибрацию и микроконтроли во время перешлифовки, если выбран неправильный абразив. Круги из кубического нитрида бора на керамической связке или круги из гелевого оксида алюминия с затравками теперь являются стандартными для этих материалов, поскольку они сохраняют острый профиль резания по отношению к твердым карбидам ванадия.

Рекомендации по передовой практике шлифования включают в себя:

1. Поддерживайте постоянную глубину резания за проход, обычно от 0,02 до 0,04 мм , чтобы избежать термического повреждения
2. Используйте обильную подачу СОЖ в точку шлифования и обеспечьте отсутствие голодания, которое приводит к закалке поверхности.
3. Выполняйте вихретоковый контроль или дефектоскопию после каждого цикла шлифования, чтобы обнаружить распространение трещин.
4. Частота правки должна соответствовать определенной объемной доле твердого сплава, часто каждые 3-5 рулонов для марок с высоким содержанием ванадия

Также имеет значение контроль температуры в прокатном цехе перед перешлифовкой. Валки из быстрорежущей стали должны равномерно охлаждаться до температуры ниже 50 градусов Цельсия перед контактом с абразивом, поскольку остаточное тепло может локально изменить показания твердости поверхности и привести к недошлифовке зон термического размягчения.

Экономическая оценка за пределами начальной цены

Более высокая стоимость валков из быстрорежущей стали по сравнению с валками неопределенного холода или высокохромистым чугуном должна быть оправдана путем анализа общей стоимости проката. Типичный рабочий валок из быстрорежущей стали для линии чистовой обработки стана горячей прокатки стоит от 3 и 4 раза цена эквивалентного охлаждающего валка неопределенного срока, однако стоимость тонны прокатанной стали часто ниже из-за меньшего количества замен валков, меньшего расхода на шлифование и более стабильного качества продукции.

Экономический расчет должен включать стоимость увеличения использования мельниц. Каждая непредвиденная смена рулона экономит примерно от 15 до 25 минут время простоя, а для нескольких клетей это напрямую увеличивает производительность прокатки. Когда ежемесячные планы производительности являются жесткими, сплав премиум-класса становится самоокупаемым за счет дополнительного производства. Ситуация наиболее ясна на станах-тандемах холодной прокатки и станах горячей прокатки, работающих на тонкие листы, где требования к профилю и плоскостности оставляют мало шансов на ухудшение поверхности проката.

Эксплуатационные ограничения и предотвращение сбоев

Несмотря на свои преимущества, валки из быстрорежущей стали требуют дисциплинированного производства. Основными видами отказов в станах горячей прокатки являются образование полос и катастрофическое растрескивание. Полосатость возникает, когда чрезмерно наросший оксидный слой на поверхности валка отслаивается по окружности, оставляя впадину, оставляющую след на полосе. Это напрямую связано с состоянием сопла охлаждения валков и распределением воды по торцу ствола.

Растрескивание, особенно в зоне контакта оболочки с сердцевиной, чаще всего является следствием неправильного проектирования переходной зоны или чрезмерного остаточного напряжения от термообработки. Неразрушающий ультразвуковой контроль сразу после поставки и периодически в течение срока службы валков выявляет подповерхностные неоднородности до того, как они достигнут критических размеров. Предприятия, которые отслеживают развитие дефектов с помощью ультразвуковых датчиков с фазированной решеткой, неизменно достигают более длительного общего срока службы валков, чем те, которые полагаются только на визуальный контроль.

Правильное применение валков из быстрорежущей стали остается системной проблемой, а не простой заменой материала. Успех достигается за счет объединения металлургии валков, управления охлаждающей жидкостью, разработки графиков проходов и профилактического обслуживания в единую последовательную стратегию.