Патент на изобретение №2176938

(54) СПОСОБ РЕМОНТА ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

(57) Реферат:

Способ относится к области специальной электрометаллургии и может быть использован для восстановления работоспособности прокатных валков. Задача изобретения – повышение равномерности качественных показателей восстановленных валков. Сущность способа заключается в том, что удаление дефектов осуществляют путем кольцевых переточек с боковыми стенками, перпендикулярными оси валка, перед электрошлаковой наплавкой валок нагревают до температуры 600-650^oС со скоростью нагрева 30-50^oС/ч, электрошлаковую наплавку начинают с заливки жидкого шлака в пространство между валком и стенками кристаллизатора первоначально на 0,25-0,30 высоты нижней секции кристаллизатора с величиной рабочего тока, равной 0,28-0,30 величины номинального значения тока, последовательно доливают жидкий шлак до уровня, равного 0,30-0,50; 0,50-0,70 и 0,7-1,0 высоты нижней секции кристаллизатора с увеличением величины рабочего тока при каждой заливке до величины, равной 0,30-0,50, 0,50-0,70, 0,70-1,0 величины номинального тока, в шлаковую ванну периодически дозированно подают некомпактный материал с одновременным увеличением рабочего тока до величины, равной 1,1-1,3 величины номинального значения тока, при этом жидкую шлаковую ванну вращают с помощью дополнительного индуктора, а кристаллизатор перемещают относительно валка, наплавленный валок охлаждают со скоростью охлаждения 10-20^oС/ч до температуры 600-650^oС, подвергают термической обработке в печи при температуре 680-710^oС с последующим охлаждением до температуры 100-150^oС со скоростью охлаждения не выше 50^oС/ч. Применение данного способа ремонта прокатных валков позволяет восстановить работоспособность валков, отработавших свой ресурс или преждевременно вышедших из строя по различным видам дефектов, снизить расход валков. 7 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, более конкретно электрошлаковой наплавке прокатных валков.

Известен способ ремонта цилиндрических деталей, заключающийся в механической обработке дефектов, наплавке на бочку двухслойного бандажа, при этом внутренний слой, называемый донорским, наплавляется из высоколегированной стали, а наружный, износостойкий, из углеродистой стали (Патент РФ N 2083342, кл. B 23 P 6/00, B 22 D 9/10, 1997). Данный способ не пригоден для восстановления чугунных валков, т.к. не обеспечивает надежного сплавления наплявляемого слоя с основой.

Наиболее близким по технической сущности к решаемой задаче является способ ремонта прокатных валков (А. с. СССР N 1447446, кл. В 21 В 28/02, 30.12.1988 г. ), заключающийся в том, что трещины и дефекты в зоне наплавки устраняются путем проточек в местах выкрошек с глубиной канавки равной H= 1,2h+3,2 мм с радиусом сопряжения боковых стенок и дна канавки радиусом равным 0,09h+8,2 мм, где h – глубина выкрошки, мм, при этом боковые стенки канавки изготавливают под углом наклона 20-30 ^o к ее оси.

Недостаток способа заключается в том, что восстановление работоспособности валков осуществляется только за счет устранения дефектных участков, в частности выкрошек. Кроме того, в процессе эксплуатации чугунных валков в поверхностном слое образуются микро- и макротрещины, которые являются причиной выкрошек, отслоений, сколов и преждевременного выхода из строя прокатных валков.

Задача на решение которой направлено техническое решение – восстановление работоспособности отработавших свой ресурс прокатных валков и валков, вышедших из строя по причине различных дефектов, путем электрошлаковой наплавки валков.

Поставленная задача решается тем, что удаление дефектов осуществляют путем кольцевых проточек с боковыми стенками, перпендикулярными оси валка, перед элехтрошлаковой наплавкой валок нагревают до температуры 600-650^oC со скоростью нагрева 30-50^oC/ч, электрошлаковую наплавку начинают с заливки жидкого шлака в пространство между валком и стенками кристаллизатора первоначально на 0,25-0,30 высоты нижней секции кристаллизатора с величиной рабочего тока равной 0,28-0,30 величины номинального значения тока, последовательно доливают жидкий шлак до уровня равного 0,30-0,50, 0,50-0,70 и 0,70-1,0 высоты нижней секции кристаллизатора с увеличением величины рабочего тока при каждой заливке до величины равной 0,30-0,50; 0,50-0,70 и 0,70-1,0 величины номинального тока, в шлаковую ванну периодически дозированно подают некомпактный материал с одновременным увеличением рабочего тока до величины равной 1,1-1,3 величины номинального значения тока, при этом жидкую шлаковую ванну вращают с помощью дополнительного индуктора, а кристаллизатор перемещают относительно валка, наплавленный валок охлаждают со скоростью охлаждения 10-20^oC/ч до температуры 600-650^oC, подвергают термической обработке в печи при температуре 680-710^oC с последующим охлаждением до 100- 150^oC со скоростью охлаждения не выше 50^oC/ч.

1. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно осуществляют токарную обработку валка до требуемого диаметра за несколько последовательных переточек с величиной съема за каждую переточку 3,0-5,0 мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в местах сопряжения боковых стенок проточек с образующей бочки валка изготавливают полукруговые выемки (проточки) диаметром равным 0,3- 0,5 высоты стенки проточки под углом оси вершины выреза 40-50^oC к стенке проточки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наплавку осуществляют при температуре валка не ниже 350^oC.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расплав шлаковой ванны вращают индивидуальным индуктором со скоростью 30-60 об/мин.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют некомпактный материал в виде дроби фракцией 1,1-3,1 мм.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дозированную подачу некомпактного материала осуществляют в функции изменения электрического сопротивления расплава ванны.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение валка после термообработки производят ступенчато, с выдержкой на каждой ступени 3,0-5,0 ч.

Способ осуществляется следующим образом. Отработавший ресурс валок и подлежащий полному восстановлению его рабочего слоя для последующем его эксплуатации подготавливают для электрошлаковой наплавки. При наличии дефектов поверхности валка (выкрошек, отслоений) его предварительно шлифуют и в местах оставшихся дефектов делают выемки в виде кольцевых проточек глубиной равной 1,25-1,50 глубины дефекта со стенками, перпендикулярными оси валка. В местах сопряжения стенки с дном выемки изготавливают полукруговые проточки диаметром равным 0,25-0,35 высоты стенки под углом оси вершины полукруговых проточек к стенке равным 40-50 ^o. Затем валок нагревают в печи до 600-650 ^oC при скорости нагрева 30-50 ^oC/ч и краном устанавливают в кристаллизатор для электрошлаковой наплавки с перемещающимся кристаллизатором относительно валка. Кристаллизатор состоит из 3-х секций: верхней – токоподводящей, средней – формирующей и нижней – для осуществления наплавки требуемой толщины слоя и предварительного формирования наплавляемого слоя в верхней части нижней секции. Средняя секция изолирована от верхней и нижней электроизоляционным материалом, а внутренняя ее поверхность (рабочая поверхность) имеет керамическую вставку с индивидуальными водоохлаждаемыми каналами, позволяющую управлять отводом теплового потока по высоте средней секции от поверхности наплавляемого слоя. Все три секции имеют по одному основному охлаждающему каналу. После установки валка в кристаллизатор в пространство между валком и стенками кристаллизатора заливают расплавленный жидкий шлак первоначально до 0,25-0,30 высоты нижней секции, при этом величина рабочего тока составляет 0,28-0,30 величины номинального тока и через 15-20 мин расплав достигает требуемой температуры для электрошлаковой наплавки. Затем поочередно заливают жидкий шлак до уровня нижней секции равного 0,30-0,50; 0,50-0,70; и 0,70-1,0 высоты нижней секции, при увеличении рабочего тока при каждой заливке до значений равных 0,3-0,5; 0,5-0,7; 0,7-1,0 величины номинального тока соответственно с интервалом в 5-10 мин после каждой доливки. С помощью индивидуального индуктора расплав перемешивается и вращается относительно валка со скоростью 30-60 об/мин. Кристаллизатор начинает перемещаться вверх относительно валка, осуществляется процесс электрошлаковой наплавки. По мере уменьшения уровня жидкого шлака в нижней секции кристаллизатора и увеличения сопротивления шлакового расплава ванны осуществляется дозированная подача некомпактного материала в виде дроби фракцией 1,1-3,0 мм с помощью дозированного устройства. Величину рабочего тока при этом повышают до 1,1-1,3 величины номинального значения тока, что позволяет сохранить пробуемую температуру расплава для стабильного процесса электрошлаковой наплавки. Процесс наплавки продолжается до перемещения кристаллизатора в крайнее верхнее положение валка. После этого отключают рабочее напряжение, снимают кристаллизатор. Наплавленный валок охлаждают на воздухе до температуры 550-600^oC со скоростью охлаждения не выше 50^oC/ч, после чего его подвергают термообработке в печи в вертикальном положении при температуре 680-710^oC в течение 24- 72 ч с последующим ступенчатым охлаждением до 100-150^oC, при скорости охлаждения 10-30^oC/ч, но не выше 50^oC/ч, с выдержкой на каждой ступени 2-5 ч. Наплавленный валок подвергают токарной обработке до диаметра равного 1,01-1,015 номинального диаметра валка при эксплуатации и последующей шлифовке до требуемого номинального диаметра. Валок пригоден для дальнейшей эксплуатации с ресурсом работы как и у нового прокатного валка.

Для исключения образования новых термотрещин, развития имеющихся в поверхностном слое макро- и микротрещин, небольших по глубине выкрошек (до 8,0-10 мм) при данном способе обязательным является предварительный перед электрошлаковой наплавкой нагрев валка до температуры 600 – 650^oC. При дальнейшей четырехкратной заливке перед началом наплавки жидкого шлака в пространство между валком и кристаллизатором со ступенчатым увеличением величины рабочего тока, при каждой заливке, и выдержкой на каждой ступени до достижения требуемой температуры расплава, валок нагревается до температуры на 100-150^oC ниже температуры начала электрошлаковой наплавки. Исследованиями состояния качества поверхности бочек прокатных валков установлено, что в толщине поверхности активного слоя до 8,0-12 мм имеются множество трещин разной ориентации, которые необходимо удалять перед наплавкой. Преимущество данного способа наплавки в том, что при отсутствии дефектов поверхности бочки валка можно не производить предварительную токарную обработку поверхности, т.к. после заливки жидкого шлака до уровня равного 0,7-1,0 высоты нижней секции в процессе эксплуатации шлаковой наплавки, глубина проплавления основы может достигать 10 – 20 мм, что полностью может устранять дефектный слой основы толщиной до 12 мм. Устранение более глубоких дефектов изготовлением кольцевых проточек глубиной равной 1,25-1,50 глубины дефекта со стенками, перпендикулярными оси валка, обеспечивает надежное соединение наплавляемого слоя со стенками основы, а полукруговые выемки в местах сопряжения стенок с дном выемки под углом 40-50^o к стенке позволяет надежно удерживать наплавленный слой в кольцевой проточке и противостоять сжимающим усилиям при прокатке. Известно, что наибольшие касательные напряжения, действующие под углом 45^o к действующей сжимающей нагрузке, будут равны половине нормальных сжимающих напряжений. Поэтому в местах полукруговых вырезов для наплавленного слоя касательные напряжения не представляют опасности как разрушающие. Величина вырезов равна 0,25-0,35 глубины кольцевых проточек и выбрана из условия устранения концентратора напряжений в местах сопряжения стенки с дном выреза (0,25 глубины выреза), а наибольшее значение диаметра выреза, равного 0,35 глубины проточки, выбрано из условия исключения влияния выреза на напряженное состояние основы с наплавленным слоем в верхней части стенки проточки, т. к. влияние полукруглого (круглого) выреза утрачивается на расстоянии трех диаметров от выреза или отверстия. В процессе электрошлаковой наплавки жидкий расплав ванны постоянно вращается с помощью индивидуального индуктора со скоростью 30-60 об/мин. При скорости менее 30 об/мин недостаточное перемешивание расплава для его равномерности по всей жидкой ванне и усреднения температуры по высоте и сечению жидкого расплава ванны. При скорости более 60 об/мин возникает неравномерность состава расплава из-за влияния центробежных сил при вращении ванны. Дозированная подача некомпактного материала в виде дроби фракцией 1,1-3,0 мм производится по постоянно контролируемой величине электросопротивления расплава ванны, изменение которого достаточно точно регистрируется и служит сигналом для включения дозатора при уменьшении уровня расплава в нижней секции кристаллизатора не более чем до 0,80-0,85 высоты нижней секции кристаллизатора. При подаче некомпактного материала увеличение рабочего тока до величины равной 1,1-1,3 величины номинального тока достаточно для поддержания требуемой температуры расплава при плавлении дроби. Величина фракции дроби 1,1-3,0 мм выбрана по причине создания эффективных центров кристаллизации в наплавляемом слое, которые снижают процессы кристаллизации в формирующей секции при величине фракции менее 1,1 мм. При величине фракции дроби более 3,0 мм процесс плавления при дозированных загрузках приводит к значительному снижению температуры расплава, что нарушает стабильность скоростного и температурного режима электрошлаковой наплавки, снижает равномерность качественных показателей наплавленного слоя как по длине бочки, так и по ее образующей.

Пример опробования способа
Для ремонта по предлагаемому способу использовали отработавшие ресурс рабочие валки стана 2000 горячей прокатки 875 мм. Номинальный диаметр рабочих валков составил 905 мм. Токарной обработкой валок обтачивали в три прохода по 5,0 мм за каждый проход до 860 мм. На один из торцов валка кольцевым швом приваривалась выводная втулка толщиной 20 мм и высотой 140 мм (на 20 мм больше высоты шлаковой ванны) для завершения наплавки до конца бочки валка и вывода кристаллизатора. Краном валок задавали в вертикальном положении в печь, где при скорости нагрева 35^oC/ч его нагревали до температуры 630^oC. На заранее установленные затравку и токоподводящий поддон кристаллизатора валок краном устанавливали в вертикальном положении, после чего сверху одевался и опускался в нижнее положение кристаллизатор, состоящий из трех секций: верхней токоподводящей с графитовым защитным слоем на рабочей поверхности; средней – формирующей, электрически изолированной от верхней и нижней секции, имеющей на рабочей поверхности цилиндрическую керамическую вставку с индивидуальными охлаждающими каналами разного диаметра по высоте секции: диаметром 3 мм внизу секции и наибольший диаметр в верхней части керамической вставки 7,0 мм при толщине керамической вставки 25,0 мм. Нижняя секция – первая формирующая, высотой 110 мм, для заполнения жидким расплавленным шлаком. Первоначально жидкий шлак заливали на высоту нижней секции равной 40 мм, после чего включалось рабочее переменное напряжение 60 В с величиной рабочего тока 3800 А. После выдержки под током в течении 15 мин доливали вторую порцию шлака до высоты нижней секции равной 60 мм и увеличением рабочего тока до 5000 А. После третьей заливки шлака до высоты нижней секции 75 мм и увеличении тока до 7000 А окончательно заливался шлак на высоту нижней секции равную 110 мм с увеличением рабочего тока до величины номинального, составляющего 12000 А.

Включением индивидуального индуктора жидкий расплав вращался со скоростью 50-52 об/мин. С разогретым шлаком в шлаковой ванне до температуры плавления основы валка поверхность бочки валка начинает оплавляться и через 20-25 мин достигает проплавления до 20 мм, что устраняет оставшиеся по глубине основы микротрещины, представляющие опасность их росту и возникновению сколов, отслоений или даже разрушения.

После этого кристаллизатор перемещается вверх относительно валка. При уменьшении рабочего тока сварки на 8-10% от величины номинального, что составило на 960-1200 А, с помощью дозирующего устройства подавался некомпактный материал – дробь белого чугуна фракцией 2,0 мм, с одновременным увеличением рабочего тока до 14000 А. Расплавляясь, дробь остается при этом основными центрами начала кристаллизации наплавляемого слоя, что повышает равномерность текстуры механических свойств наплавляемого слоя по его высоте и толщине. Периодическая дозированная подача дроби способствует равномерности качественных показателей наплавляемого слоя и по длине бочки. После окончания наплавки кристаллизатор выводится на выводную втулку, напряжение отключается, снимается кристаллизатор. В течение 2-3 ч валок неподвижно выдерживается на установке для электрошлаковой наплавки. Затем краном в вертикальном положении подается в предварительно нагретую печь до 550-600^oC (в данном случае использовали колпаковую печь для отжига холоднокатаных рулонов). Отжиг для снятия внутренних напряжений и формирования равномерной по толщине микроструктуры наплавленного слоя производился при температуре 690-700^oC в течение 48 ч. Охлаждение валка производили со скоростью 25-30^oC/ч до температуры 1305^oC. Диаметр наплавленного валка составил 915 мм. После токарной обработки и шлифовки валок имел диаметр 905 мм. Наплавленный рабочий валок в комплекте с новым валком диаметром 905,2 мм заваливали в 10-ю клеть чистовой группы стана 2000 горячей прокатки ЛПЦ-З ОАО НЛМК. После каждой кампании наплавленный валок подвергался тщательному визуальному контролю и контролю переносным бинокуляром с увеличением х16 и х32. После отработанных валком 12 кампаний состояние качества поверхности бочки наплавленного валка осталось без замечаний.

Применение данного способа электрошлаковой наплавки позволяет восстанавливать работоспособность рабочих прокатных валков полностью выработавших свой ресурс. Кроме этого, подлежат ремонту преждевременно вышедшие из строя валки по причине дефектов поверхности активного слоя. При электрошлаковой наплавке по данному способу обеспечивается высокое качество сплавления основы с наплавленным слоем, устраняются поверхностные трещины и дефекты основы на глубине до 20 мм вследствие проплавления его при электрошлаковой наплавке, получают высокую степень равномерности качественных показателей наплавленного активного слоя по длине бочки валка.

Предлагаемый способ ремонта прокатных валков высокоэкономичный, позволяющий полностью восстановить работоспособность валков, не пригодных для дальнейшей эксплуатации.

Формула изобретения

1. Способ ремонта валков, включающий механическое удаление дефектов, наплавку, последующие термическую и механические обработки, отличающийся тем, что удаление дефектов осуществляют путем кольцевых проточек с боковыми стенками, перпендикулярными оси валка, перед электрошлаковой наплавкой валок нагревают до температуры 600-650^oС со скоростью нагрева 30-50^oС/ч, электрошлаковую наплавку начинают с заливки жидкого шлака в пространство между валком и стенками кристаллизатора первоначально на 0,25-0,30 высоты нижней секции кристаллизатора с величиной рабочего тока, равной 0,28-0,30 величины номинального значения тока, последовательно доливают жидкий шлак до уровня, равного 0,30-0,50, 0,50-0,70 и 0,7-1,0 высоты нижней секции кристаллизатора с увеличением величины рабочего тока при каждой заливке до величины, равной 0,30-0,50, 0,50-0,70, 0,70-1,0 величины номинального тока, в шлаковую ванну периодически дозировано подают некомпактный материал с одновременным увеличением рабочего тока до величины, равной 1,1-1,3 величины номинального значения тока, при этом жидкую шлаковую ванну вращают с помощью дополнительного индуктора, а кристаллизатор перемещают относительно валка, наплавленный валок охлаждают со скоростью охлаждения 10-20^oС/ч до температуры 600-650^oС, подвергают термической обработке в печи при температуре 680-710^oС с последующим охлаждением до 100-150^oС со скоростью охлаждения не выше 50^oС/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно осуществляют токарную обработку валка до требуемого диаметра за несколько последовательных переточек с величиной съема за каждую переточку 3,0-5,0 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в местах сопряжения боковых стенок проточек с образующей бочки валка изготавливают полукруглые выемки-проточки диаметром, равным 0,3-0,5 высоты стенки проточки под углом оси вершины выреза 40-50^oС к стенке проточки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что наплавку осуществляют при температуре валка не ниже 350^oС.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав шлаковой ванны вращают индивидуальным индуктором со скоростью 30-60 об/мин.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что применяют некомпактный материал в виде дроби фракцией 1,1-3,0 мм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дозированную подачу некомпактного материала осуществляют в функции изменения электрического сопротивления расплава ванны.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение валка после термообработки производят ступенчато, с выдержкой на каждой ступени 3,0-5,0 ч.