Валок прокатного стана: типы, изготовление и руководство по производительности

Что такое валок прокатного стана

А прокатный валок есть основной рабочий компонент металлопрокатного оборудования, который формирует и уменьшает толщину металла за счет вращательного давления. . Эти цилиндрические инструменты устанавливаются парами или группами внутри прокатных станов для сжатия и удлинения металлических заготовок, слябов или полос до желаемых форм и размеров. Валки прокатных станов работают при высоких температурах и давлениях, что делает их критически важными для успеха производства стали, обработки алюминия и других операций обработки металлов давлением.

Фундаментальный принцип прокатных валков заключается в пластическая деформация металла между двумя встречно вращающимися цилиндрами . Когда металл проходит через зазор (называемый «валковым зазором» или «проходом»), валки прилагают сжимающие силы, которые уменьшают толщину и одновременно увеличивают длину. Современные прокатные станы способны обрабатывать самые разные материалы: от массивных стальных слябов весом в несколько тонн до тонкой алюминиевой фольги толщиной всего 0,006 мм.

Типы валков прокатных станов и их применение

Рабочие рулоны и резервные рулоны

В конфигурациях прокатных станов обычно используются два различных типа валков. Рабочие валки непосредственно контактируют с обрабатываемым металлом. , неся на себе основную тяжесть термических и механических напряжений. Эти валки меньшего диаметра (обычно 300–800 мм) позволяют лучше контролировать форму и качество поверхности. Опорные валки диаметром до 1200-1800 мм , поддерживают рабочие валки и предотвращают прогибание при больших нагрузках, особенно в конфигурациях стана с четырьмя и шестью валками.

Классификации на основе материалов

Процесс производства валков прокатного стана

Производство валков прокатных станов включает сложные металлургические процессы, направленные на достижение оптимальной твердости, износостойкости и термической стабильности. Производство обычно следует следующим критическим этапам:

• Выбор материала и плавка - Высококачественные сплавные композиции плавятся в электродуговых печах при температуре более 1600°С.
• Литье или ковка - В зависимости от типа валков расплавленный металл либо разливается в центробежные или статические формы, либо куется на гидравлических прессах с давлением 10 000 тонн.
• Термическая обработка - Контролируемые циклы нагрева и охлаждения создают желаемую микроструктуру с температурой закалки в диапазоне 850–1050°C.
• Обработка и шлифовка - Прецизионное шлифование обеспечивает шероховатость поверхности Ra 0,2-0,8 микрометра и допуски на размеры в пределах ±0,02 мм.
• Обработка поверхности - Усовершенствованные валки могут подвергаться хромированию, лазерной закалке или керамическому покрытию для повышения износостойкости на 30-50%.

Для рабочих валков из быстрорежущей стали, используемых при холодной прокатке, производственный цикл занимает примерно 6-8 месяцев от первоначального литья до окончательной поставки, что отражает необходимость обширных процессов термообработки и контроля качества.

Ключевые факторы производительности и механизмы износа

Термические и механические напряжения

Валки прокатного стана выдерживают экстремальные условия эксплуатации. При горячей прокатке температура поверхности может достигать 600-700°C. в то время как сердцевина рулона остается при температуре 100-150°C, создавая серьезные температурные градиенты. Этот циклический нагрев и охлаждение вызывает термическую усталость, проявляющуюся в виде огневых трещин на поверхности валков. Операции холодной прокатки, несмотря на более низкую температуру, создают контактное давление, превышающее 1500 МПа (мегапаскалей) , что приводит к подповерхностной усталости и растрескиванию.

Основные режимы ношения

Срок службы валков прокатных станов ограничен несколькими механизмами деградации:

1. Аbrasive wear - Частицы окалины и твердые включения в прокатываемом материале выполняют роль режущего инструмента со скоростями износа 0,05-0,15 мм на 1000 тонн при горячей прокатке.
2. Аdhesive wear - При высоких температурах и давлениях происходит перенос металла между валком и заготовкой, что особенно проблематично при прокатке нержавеющей стали.
3. Окислительный износ - Химические реакции при повышенных температурах образуют оксидные слои, которые отслаиваются, что составляет 20-30% общего износа горячих валков.
4. Пластическая деформация - Повторяющиеся циклы нагрузки приводят к увеличению диаметра валка в центре цилиндра, создавая неблагоприятные профили валка.

Современные мельницы реализуют онлайн-системы шлифования валков которое может восстановить профили валков без остановки стана, продлевая срок службы на 15-25% и улучшая стабильность качества продукции.

Инновации в дизайне рулонов и технологические тенденции

Технологии управления короной

Поддержание одинаковой толщины по всей ширине полосы требует сложной конструкции венца валков. Валки CVC (бесступенчатая переменная коронка) имеют профиль полиномиальной кривой третьего порядка, который можно смещать в осевом направлении во время прокатки для компенсации теплового расширения и износа. Эта технология, внедренная SMS group, обеспечивает на современных станах холодной прокатки допуски плоскостности ±5 I-единиц (специализированное измерение плоскостности).

Аlternative systems include:

• Парно-крестовая прокатка - Рабочие валки пересекаются под углом до 3 градусов, что обеспечивает оптимальное распределение напряжений.
• Гибка рабочих валков - Гидравлические цилиндры прилагают усилие до 1500 кН на подушку для изменения отклонения валков в режиме реального времени.
• Термический контроль коронки - Внутренние каналы охлаждения регулируют температурные профили валков с точностью ±2°C.

Аdvanced Coating Systems

Технология обработки поверхности стала решающей для продления срока службы валков. Покрытия методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) нанести слои нитрида титана или нитрида хрома толщиной 2-5 микрометров, снижая коэффициенты трения с 0,3 до 0,15 и повышая износостойкость до 300%. При холодной прокатке алюминия рабочие валки с PVD-покрытием достигли кампании жизней, превышающих 80 000 тонн по сравнению с 40 000 тонн для рулонов без покрытия.

Лазерная обработка поверхности создает упрочненные зоны глубиной 0,5–2 мм и твердостью, увеличивающейся на 200–400 HV, что особенно эффективно для зон локализованного износа, таких как кромки валков.

Стратегии технического обслуживания и управления рулонами

Эффективное управление рулонами напрямую влияет на эффективность производства и качество продукции. Ведущие производители стали реализуют комплексные программы валков которые оптимизируют следующие аспекты:

Шлифование и перешлифовка

Рабочие валки подвергаются перешлифовке после каждого 8-24 часа работы на станах горячей прокатки, снимая 0,3-0,8 мм материала за один шлифование. Типичный рабочий валок с начальным диаметром ствола 650 мм может быть перезаточен 30-50 раз, прежде чем достигнет минимально допустимого диаметра 550 мм. Прецизионные шлифовальные станки поддерживают цилиндричность в пределах 0,01 мм и характеристики шероховатости, критически важные для чувствительных к поверхности изделий, таких как автомобильные кузовные панели.

Технологии прогнозного обслуживания

На современных станах используются сенсорные системы, отслеживающие состояние валков в режиме реального времени:

• Анализ вибрации обнаруживает износ подшипников и эксцентриситет роликов с точностью до 0,001 мм.
• Тепловизионные камеры выявлять горячие точки и неисправности системы охлаждения с температурным разрешением 0,1°C
• Ультразвуковой контроль выявляет подповерхностные трещины и отколы до того, как произойдет катастрофический отказ
• АI-based wear prediction models прогнозировать оставшийся срок службы рулонов с точностью 85–90 %, что позволяет оптимизировать планирование

Эти системы сократили количество незапланированных замен валков на 40-60% на предприятиях, внедривших комплексные программы профилактического обслуживания, что приводит к ежегодной экономии в размере 2–5 миллионов долларов США для типичного сталелитейного завода.

Экономическое воздействие и соображения стоимости

Валки прокатного стана представляют собой значительные эксплуатационные расходы. Стоимость полного комплекта рабочих и опорных валков для четырехвалкового стана холодной прокатки $1,5-3,5 млн. , в то время как запасы валков на стане горячей прокатки могут превышать 15-20 миллионов долларов для объекта, производящего 3-5 миллионов тонн в год.

Расход рулонов на тонну существенно варьируется в зависимости от применения:

• Станы горячей прокатки: $0,80-1,50 за тонну проката
• Станы холодной прокатки: $2,50-4,00 за тонну из-за более высоких требований к точности
• Специализированные мельницы (кремниевая сталь, нержавеющая сталь): $5,00-8,00 за тонну отражающие требовательные свойства материала

Стратегические программы управления валками, ориентированные на оптимальные интервалы шлифования, правильную смазку и профилактическую замену, могут снизить затраты на валки за счет 15-25% одновременно повышая урожайность и уменьшая дефекты качества. Для завода среднего размера, производящего 2 миллиона тонн в год, это означает экономию в размере 600 000–1 000 000 долларов США в год.