СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЧУГУННЫХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ (ВАРИАНТЫ)
RECONDITIONING OF CAST IRON FORMING ROLLS (VERSIONS)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству проката на сортовых станах, и может быть использовано для восстановления чугунных рабочих валков с поврежденной в процессе эксплуатации рабочей поверхностью.
В процессе эксплуатации прокатных валков происходит неравномерный износ их рабочей поверхности, контактирующей с прокатываемым металлом. При значительной величине локального износа валок становится непригодным к эксплуатации, хотя его остальные параметры соответствуют требованиям. Это определяет необходимость восстановления валка путем наплавки металла в зоне локального износа.
Известен способ восстановления чугунных прокатных валков с поврежденными шейками, включающий съем поврежденного слоя с поверхности валка, предварительную наплавку проволочным электродом из стали аустенитного класса и последующую наплавку проволочным электродом из стали перлитного класса по заданным режимам при температуре 300-450°C. Затем предусмотрено самопроизвольное охлаждение наплавленной шейки [1].
Однако прокатный валок, восстановленный согласно данному способу, характеризуется сравнительно низким уровнем стойкости наплавленного слоя. Это обусловлено поверхностным растрескиванием этого слоя при слишком высокой скорости самопроизвольного охлаждения.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ восстановления чугунных прокатных валков с поврежденной поверхностью, включающий механический съем поврежденного слоя, электродуговую наплавку износостойкого покрытия на вращаемый валок по месту съема с подачей проволочного электрода в зону сварки и последующую механическую обработку. Способ предусматривает использование аустенитного проволочного электрода диаметром 3-5 мм, который подают со скоростью 80-110 м/ч, и самопроизвольное охлаждение наплавленной зоны. [2].
К недостаткам известного способа можно отнести то, что для наплавки используется цельнометаллическая сварочная проволока, которая вследствие низкой свариваемости чугуна может приводить к отслоению наплавленного металла. Кроме того, самопроизвольное охлаждение наплавленной зоны не позволяет устранить внутренние напряжения в зоне контакта наплавленного металла с основным материалом валка и не обеспечивает достаточной твердости рабочей поверхности валка.
Технический результат изобретения состоит в повышении износостойкости и срока службы чугунных прокатных валков.
Технический результат достигается тем, что в известном способе восстановления чугунных прокатных валков с поврежденной рабочей поверхностью, включающем механический съем поврежденного слоя, электродуговую наплавку износостойкого покрытия на вращаемый валок по месту съема с подачей проволочного электрода в зону сварки и последующую механическую обработку, согласно изобретению перед наплавкой производят нагрев валка до температуры 150-270°C, наплавку износостойкого покрытия производят не менее чем в три слоя общей толщиной не более 9 мм, непосредственно после наплавки валок нагревают до температуры 250-300°C и выдерживают при этой температуре не менее 1 часа с последующим замедленным охлаждением до температуры не выше 60°c, при этом для наплавки используют порошковую проволоку, шихта которой содержит 0,25-0,45% С, 2,0-2,7% Cr, 0,5-1,2% Mn, 0,15-1,2% Si, 7-11% W, 0,15-0,55% V, Fe и газо- и шлакообразующие компоненты - остальное.
По второму варианту осуществления способа перед наплавкой производят нагрев валка до температуры 150-270°C, предварительно производят наплавку на чугунную поверхность валка подслоя требуемой толщины из сварочной проволоки, далее производят наплавку износостойкого покрытия не менее чем в три слоя общей толщиной не более 9 мм, непосредственно после наплавки валок нагревают до температуры 250-300°C и выдерживают при этой температуре не менее 1 часа с последующим замедленным охлаждением до температуры не выше 60°C, при этом для наплавки подслоя используют сварочную проволоку, содержащую 0,25-0,45% С, 0,7-1,2% Cr, 0,5-1,2% Mn, 0,15-1,2% Si, Cu ≤0,3%, Ni ≤0,4%, Fe - остальное, а для направки износостойкого покрытия используют порошковую проволоку, шихта которой содержит 0,25-0,45% С, 2,0-2,7% Cr, 0,5-1,2% Mn, 0,15-1,2% Si, 7-11% W, 0,15-0,55% V, Fe и газо- и шлакообразующие компоненты - остальное.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Сначала производят механический съем поврежденного слоя в зонах локального износа. После этого валок нагревают до температуры 150-270°C и наплавляют не менее трех-четырех слоев износостойкого покрытия. Общая толщина слоев износостойкого покрытия не должна превышать 9 мм. Причем для наплавки используют порошковую проволоку, шихта которой содержит: 0,25-0,45% С, 2,0-2,7% Cr, 0,5-1,2% Mn, 0,15-1,2% Si, 7-11% W, 0,15-0,55% V, Fe, а также газо- и шлакообразующие компоненты - остальное. Использование порошковой проволоки с шихтой указанного химического состава обеспечивает износостойкость рабочей поверхности валка в зонах наплавки. Если на сильно изношенных валках дефекты поверхности слишком глубоко проникают в тело валка и глубина проточки превышает 9 мм, то сначала на чугунную поверхность ее дна наносят подслой из сварочной безвольфрамовой проволоки, содержащей 0,25-0,45% С, 0,7-1,2% Cr, 0,5-1,2% Mn, 0,15-1,2% Si, Cu ≤0,3%, Ni ≤0,4%, Fe - остальное. При этом толщину подслоя устанавливают такой, чтобы общая толщина трех-четырех слоев износостойкого покрытия составляла менее 9 мм с учетом величины припуска на механическую обработку 2-3 мм. Непосредственно после завершения наплавки износостойкого покрытия валок нагревают до температуры 250-300°C и выдерживают при этой температуре не менее 1 часа с последующим замедленным охлаждением до температуры не выше 60°C.
В целом приведенное содержание элементов в шихте порошковой проволоки обеспечивает необходимый уровень износостойкости слоя, наплавленного на рабочую поверхность валка при реализации предлагаемых технологических режимов наплавки. Использование порошковой проволоки, содержащей газо- и шлакообразующие компоненты, облегчает проведение операции наплавки. Содержание углерода в наплавленном слое определяет его прочностные характеристики. При содержании углерода менее 0,25% прочностные характеристики наплавленного слоя недостаточно велики и не обеспечивают требуемой работоспособности. В то же время увеличение содержания углерода более 0,45% сопровождается повышением склонности наплавленного слоя к растрескиванию, т.е. приводит к выходу валка из строя.
Наличие хрома сказывается на интенсивности износа наплавленного слоя в процессе эксплуатации. При содержании хрома менее 2,0% интенсивность износа слишком велика, что не позволяет обеспечить требуемую работоспособность валка. Однако увеличение содержания хрома более 2,7% может приводить к поверхностному растрескиванию наплавленного слоя, т.е. к снижению работоспособности валка.
Марганец способствует твердорастворному упрочнению наплавленного слоя и, соответственно, повышению его эксплуатационных характеристик. Содержания марганца менее 0,5% недостаточно, чтобы обеспечить получение требуемого комплекса прочностных характеристик наплавленного слоя, а превышение значения 1,2% приводит к необоснованному расходу дорогостоящего легирующего компонента.
Кремний обеспечивает получение требуемых сварочных характеристик в процессе наплавки валков. Содержание кремния менее 0,15% не позволяет провести качественную наплавку износостойкого слоя. В то же время увеличение содержания кремния в износостойком слое более 1,2% может привести к ухудшению сцепления наплавленного покрытия с чугуном прокатного валка.
Вольфрам в объеме менее 7% в шихте наплавочной порошковой проволоки не позволяет получить достаточную износостойкость покрытия. При содержании в шихте порошковой проволоки более 11% вольфрама более высокая износостойкость не обеспечивается, однако цена проволоки существенно возрастает, что неблагоприятно сказывается на себестоимости восстановленных термостойких валков.
Внесение в состав шихты порошковой проволоки ванадия менее 0,15% не оказывает существенного влияния на свойства наплавляемого покрытия. Содержание ванадия 0,15-0,55% способствует повышению прочности, износостойкости, твердости покрытия и устойчивости к воздействию высоких температур. В сочетании с другими легирующими элементами хорошо сопротивляется удару и истиранию. Превышение значения 0,55% приводит к возрастанию цены порошковой проволоки, что неблагоприятно сказывается на себестоимости восстанавливаемых валков.
Для нанесения на дно чугунной поверхности по месту съема металла подслоя используют безвольфрамовую сварочную проволоку с содержанием хрома, сниженным по отношению к наплавленному слою. Для получения подслоя нет необходимости использовать проволоку, содержащую дорогостоящий вольфрам, т.к. это существенно удорожает процесс. Содержание хрома также должно быть минимизировано на уровне не более 1,2%, чтобы снизить себестоимость восстановленного валка. Однако, при снижении содержания хрома менее 0,7% не обеспечивается достаточно прочное сцепление подслоя с поверхностью чугунного валка.
Использование для нанесения подслоя сварочной проволоки, микролегированной никелем, позволяет обеспечить высокую адгезию подслоя к износостойкому слою, необходимую при большой суммарной толщине наплавленного слоя. При использовании сварочной проволоки с содержанием Cu >0,3%, Ni >0,4% адгезия недостаточна для предотвращения отслоения износостойкого слоя от подслоя.
При реализации предложенного способа восстановления чугунных прокатных валков использование указанных сварочных материалов во взаимодействии с приведенными параметрами наплавки приводит к образованию в наплавленном слое пластичного и прочного металла, который не образует трещины на рабочей поверхности валка.
Вначале с рабочей поверхности чугунного валка механической обработкой на токарном станке удаляют поврежденный слой на глубину, на которой дефекты гарантированно отсутствуют. После съема металла дефектных зон чугунный валок нагревают до температуры 150-270°C. Предварительный нагрев валка является подготовительной ступенью и обеспечивает высокое качество наплавленного слоя. Затем по месту съема на вращаемый прокатный валок методом электродуговой наплавки с подачей электрода из порошковой проволоки наносят износостойкое покрытие. При предварительном нагреве валка до температуры ниже 150°C возможно появление внутренних температурных напряжений в зоне наплавки, характерное для сварки холодного металла. В то же время при предварительном нагреве валка до температуры выше 270°C процесс наплавки протекает неустойчиво, что не позволяет получить стабильные свойства наплавленного слоя.
После нагрева валка на его рабочую поверхность в зоне кольцевой проточки наносят электродуговой наплавкой с использованием порошковой проволоки указанного состава не менее трех слоев металла общей толщиной не более 9 мм до восстановления номинального размера рабочей поверхности валка. Практика показывает, что при нанесении меньшего количества слоев, как и при их общей толщине более 9 мм, не удается обеспечить требуемую прочность износостойкого покрытия и его адгезию к чугунной поверхности валка.
Однако, если глубина проточки на сильно изношенных валках достаточно велика и превышает 9 мм, необходимо наплавлять на них более толстый слой для получения номинального размера рабочей поверхности. В этом случае предварительно производят наплавку на чугунную поверхность валка подслоя требуемой толщины из сварочной проволоки, а уже затем на полученный подслой наплавляют износостойкий слой из порошковой проволоки с учетом припуска на механическую обработку.
Непосредственно после наплавки валка проводят термообработку: нагревают до температуры 250-300°C и выдерживают при этих условиях не менее 1 часа. При этом снимаются внутренние напряжения в зоне наплавки, вызывающие растрескивание наплавленных слоев. Если используют температуру нагрева и выдержки ниже 250°C, то ожидаемый эффект не достигается. При температуре выше 300°C возникает опасность ухудшения свариваемости чугуна и снижения твердости и прочности наплавленного слоя. Последующее замедленное охлаждение до температуры не выше 60°C позволяет снять внутренние напряжения в наплавленном валке. Такой режим обеспечивает протекание в металле процессов, способствующих повышению уровня механических свойств наплавленного слоя и получению мелкозернистой равновесной структуры. Однако при исключении термообработки внутренние напряжения сохраняются и износостойкость валка снижается. Следует отметить, что при ускоренном охлаждении внутренние напряжения сохраняются и износостойкость валка снижается.
Последующая механическая обработка позволяет получить требуемые размеры рабочей поверхности прокатного валка. Таким образом, получение требуемого уровня свойств рабочей поверхности прокатного валка обеспечивается предлагаемым режимом наплавки и используемыми для этого материалами.
Применение способа поясняется примером его реализации при восстановлении чугунного прокатного валка диаметром 460 мм для мелкосортного стана 250. С помощью резца производят механический съем поврежденного слоя с образованием в двух зонах износа рабочей поверхности кольцевых проточек на глубину 7 мм и 10 мм. Затем валок нагревают до температуры 200°C, устанавливают на наплавочный станок и приводят во вращение. В первой зоне износа осуществляют наплавку износостойкого слоя с подачей проволочного электрода в зону сварки. Для этого наносят три слоя порошковой проволоки марки ПП-Нп35 В9ХЗСФ, шихта которой содержит С=0,32%; Mn=0,8%; Si=0,9%; Cr=2,8%; W=9%; V=0,35%, суммарной толщиной 9 мм (установлен припуск на механическую обработку 9-7=2 мм). Во второй зоне величина износа и, соответственно, глубина проточки более значительна и превышает 9 мм. Для нее возникает необходимость получения более толстого наплавленного износостойкого слоя (более 11 мм), превышающего глубину проточки. При этом предварительно производят наплавку на чугунную поверхность валка подслоя толщиной 5 мм. Для этого используют сварочную проволоку марки Нп-30ХГСА, не содержащую вольфрам и с содержанием хрома Cr=0,9%, а также микролегированную медью и никелем до получения содержания Cu=0,2%; Ni=0,3%. Такой состав подслоя позволяет обеспечить его хорошую адгезию к поверхности чугунного валка и к поверхности износостойкого слоя. Затем поверх подслоя производят наплавку трех износостойких слоев с суммарной толщиной 9 мм (установлен припуск на механическую обработку 5+9-11=3 мм).
Непосредственно после наплавки валок нагревают до температуры 270°C и выдерживают при этой температуре не менее 1 часа, после чего замедленно охлаждают до температуры 60°C. Указанные параметры наплавленного слоя и состав наплавочных материалов обеспечивают получение бездефектного наплавленного слоя в зоне износа рабочей поверхности восстановленного чугунного валка. После завершения охлаждения проводят механическую обработку валка путем проточки на токарном и вальцешлифовальном станках со снятием припуска в зоне наплавки. Валок устанавливают на станки и сначала протачивают, а затем пришлифовывают наплавленные зоны до номинального размера. При реализации предложенного способа достигается повышение стойкости восстановленных чугунных прокатных валков с повреждениями рабочей поверхности.
Таким образом, применение предложенного способа обеспечивает достижение требуемого результата - восстановление выработанных чугунных прокатных валков с уровнем механических и эксплуатационных свойств, соответствующим требованиям прокатного производства.
Как следует из приведенных данных, при реализации предложенного технического решения требуемое качество восстановленных чугунных валков достигается за счет выбора наиболее рациональных технологических параметров наплавки и химического состава наплавляемого износостойкого слоя и подслоя, а кроме того, за счет использования дополнительной термообработки валка после наплавки. Оптимальные параметры реализации способа были определены эмпирическим путем. Соответственно, в случае выхода варьируемых технологических параметров за установленные для этого способа границы не всегда удается обеспечить соответствие наплавленных валков заданным требованиям по качеству. Иначе говоря, полученные данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору допустимых значений технологических параметров для предложенного способа восстановления чугунных прокатных валков с поврежденной рабочей поверхностью.
Технико-экономические преимущества рассматриваемого способа восстановления прокатных валков состоят в том, что регламентированные параметры электродуговой наплавки при восстановлении чугунных прокатных валков с повреждениями рабочей поверхности позволяют одновременно получать высокое качество наплавки и исключают негативное термическое воздействие на наплавленный слой, сохраняя его высокую твердость и прочность. Этим обеспечивается повышение стойкости восстановленных валков и снижение расхода валков.
Литературные источники
1. Патент РФ №2281846, МПК В23Р 6/02, В23К 9/04; В21В 28/02, 20.08.2006 г.
2. Патент РФ №2245771, МПК В23Р 6/02, В21В 28/02, В23К 9/04, 10.02.2005 г.