НОЖНИЦЫ ДЛЯ РЕЗКИ ПРОКАТА И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SCISSORS TO CUT ROLLED PRODUCTS AND METHOD OF THEIR MANUFACTURING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к ножницам для резки длинномерного проката, подходящим, в частности, для выполнения резки непосредственно на выходе из зоны закалки и отпуска (Q&T).
Известный уровень техники
В настоящее время при резке длинномерного проката в промежуточном диапазоне температур, то есть при резке, классифицируемой как выполняемая при температуре выше температуры холодной резки (соответственно выше 150°C) и в то же самое время ниже температуры горячей резки (то есть ниже 800°C), в частности, проката, поверхность которого стремится к достижению нижнего предела данного диапазона температур, а его внутренняя часть проявляет тенденцию к сохранению температуры верхнего предела, для изготовления лезвий ножниц применяются различные сорта инструментальных сталей, которые, однако, не являются достаточно прочными и поэтому представляют собой слабое звено с точки зрения производительности цепочки, составленной из различных ножниц, присутствующих в прокатном стане. Это слабое звено требует частой остановки прокатного стана лишь для замены обсуждаемых лезвий ножниц, включающей заметные дополнительные расходы на техническое обслуживание и производственные потери во всех случаях, когда это происходит помимо программируемых остановок.
Кроме того, важно учитывать, что в диапазоне температур 150-800°C сами колебания температуры вызывают заметные изменения показателя максимальной удельной нагрузки (МПа) режущего материала и, следовательно, скорости износа самих лезвий, зависящей от их твердости, а также заметные изменения энергии, подводимой к ним для выполнения резки.
В настоящее время в прокатных станах ножницы для резки при промежуточной температуре, располагающиеся вслед за клетью для закалки и отпуска (QTB), предназначенной для выполнения обработки по закалке и отпуску проката, и предшествующие холодильному стеллажу, предусматривают:
- применение лезвий, изготавливаемых из инструментальных сталей для холодной резки, которые в результате тепловой обработки с отпуском в области около пика вторичной твердости (на диаграмме отпуска стали) позволяют получить максимальную ударную вязкость материала за счет относительно малой потери твердости и следующего из этого снижения сопротивления износу. Эти лезвия несмотря на отпуск вблизи вторичного пика показывают высокое сопротивление износу, но не способны выдерживать термические удары, и при использовании в условиях диапазонов пониженных температур их ударной вязкости часто оказывается недостаточно для осуществления резки, особенно в случае более значительных толщин. Эти эффекты приводят к образованию глубоких поверхностных трещин, которые ставят под угрозу дальнейшее применение таких лезвий и вызывают их разрушение;
- или применение лезвий, изготавливаемых из инструментальных сталей для горячей резки, которые после прохождения стандартной тепловой обработки, предусмотренной для такой категории материалов, демонстрируют высокую ударную вязкость, достаточную даже для того, чтобы осуществлять холодную резку в значительных толщинах, и хорошую устойчивость к термическим ударам, но, напротив, обладают более низким сопротивлением износу, чем стали, упомянутые выше, являются слишком мягкими и поэтому подверженными образованию меток отрезаемым прутком.
Различия между двумя типами упомянутых выше лезвий происходят из-за различных концентраций углерода и хрома, которые в случае инструментальных сталей для холодной резки выше и поэтому позволяют после тепловой обработки в области вторичного пика твердости получать более высокие показатели твердости и сопротивления износу. Во-вторых, более высокие концентрации молибдена в сочетании со сниженной концентрацией углерода позволяют лезвиям, изготовленным из инструментальных сталей для горячей обработки, достигать большей ударной вязкости и улучшенной термической стойкости.
В результате можно констатировать, что с эксплуатационной точки зрения применение инструментальных сталей для холодной резки, даже если они показывают хорошее сопротивление износу, требует преждевременной замены лезвий из-за трещин, которые образуются непосредственно на режущей кромке лезвия; в то время как применение инструментальных сталей для горячей резки, даже если они отличаются удовлетворительной ударной вязкостью и стойкостью к термическим ударам, приводит к появлению следов на режущих поверхностях лезвия и быстрому затуплению режущей кромки из-за низкой твердости и поэтому к быстрому износу. Кроме того, применение лезвий, изготовленных из инструментальных сталей для холодной резки, не дает возможности непосредственного охлаждение лезвий в случаях, когда предусматривается указанное охлаждение.
В связи с этим существует потребность в ножницах, которые позволили бы преодолеть вышеупомянутые недостатки.
Сущность изобретения
Основная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать ножницы, снабженные по меньшей мере одним лезвием, обладающим характеристиками ударной вязкости и стойкости к термическим ударам, типичными для семейства инструментальных сталей для горячей резки, и в то же самое время имеющим достаточно высокие показатели поверхностной твердости и сопротивления износу, типичные для инструментальных сталей для холодной резки.
Другая задача изобретения состоит в том, чтобы создать ножницы, которые на прокатной линии длинномерного проката были бы способны к выполнению резки профиля или прутков после их термической обработки по закалке и отпуску профиля и прутков, имеющих температуру между 150 и 800°С, с большей эффективностью и в течение более длительного времени по сравнению с известными ножницами.
Следующая задача данного изобретения состоит в создании соответствующего способа производства лезвий ножниц, который сделал бы возможным решение упомянутых выше задач.
Настоящее изобретение предлагает решить указанные выше задачи созданием ножниц прокатного стана, которые в соответствии с п.1 содержат, по меньшей мере одно лезвие, изготовленное из стали, химическая композиция которой, выраженная в массовых процентах, состоит из 0,45-0,55% углерода, 0,10-0,30% кремния, 0,20-0,50% марганца, 4,00-5,50% хрома, 2,00-3,00% молибдена, 0,45-0,65% ванадия, остальное - железо и неизбежные примеси и микроструктура которой представлена отпущенным мартенситом.
Второй объект настоящего изобретения предусматривает способ производства лезвия ножниц, который согласно п.4 содержит следующие стадии:
- создание первого слитка стали, химическая композиция которой, выраженная в массовых процентах, состоит из 0,45-0,55% углерода, 0,10-0,30% кремния, 0,20-0,50% марганца, 4,00-5,50% хрома, 2,00-3,00% молибдена, 0,45-0,65%) ванадия, остальное - железо и неизбежные примеси;
- выполнение электрошлакового переплава указанного первого слитка и получение второго, заново отвержденного, слитка;
- обеспечение прокатки указанного второго слитка до получения заготовки для лезвия, имеющей заранее заданную форму;
- выполнение цикла закалки, состоящего в нагревании лезвия до температуры аустенизации стали между 1035 и 1055°C посредством проведения двух этапов предварительного нагрева при промежуточных температурах, равных соответственно 590-610°C и 840-860°C, с последующим охлаждением лезвия под вакуумом до комнатной температуры;
- выполнение трех циклов отпуска при температурах между 510°C и 550°C.
Данные ножницы и способ изобретения имеют следующие преимущества:
- увеличение срока службы лезвий или ножей примерно в 5 раз на прутке малого диаметра (около 16 мм) и примерно в 2,5 раза на прутке большого диаметра (от около 25 мм до 32 мм);
- сокращение числа остановок прокатного стана для замены лезвий и, следовательно, снижение относительных затрат на производственные потери, замену лезвий и т.п.
По результатам длительного, тщательного исследования созданный материал, используемый для изготовления лезвий ножниц настоящего изобретения, имеет содержание углерода, подобное его содержанию в инструментальных сталях для холодной резки (около 0,5%), в настоящее время применяемых в ножницах прокатных станов, в сочетании со следующими количествами и показателями легирующих элементов, типичными для инструментальных сталей для горячей резки:
- уменьшенное по сравнению со сталями для холодной резки количество марганца (Мn менее 0,5%) в целях увеличения твердости после закалки за счет снижения упругости материала;
- уменьшенное по сравнению со сталями для холодной резки количество кремния (Si менее 0,3%) в целях ослабления уменьшения сопротивления износу и упругости;
- количества хрома равняются используемым в настоящее время в сталях, применяемых для лезвий ножниц (Cr около 5%), в целях поддержания надлежащей ударной вязкости;
- увеличенное по сравнению со сталями для холодной резки количество молибдена (Mo больше или равно 2,0%) в целях содействия образованию карбидов молибдена, увеличения сопротивления износу, прочностных свойств и термической стойкости;
- присутствие ванадия (V около 0,55%), преимущество которого заключается в содействии образованию карбидов ванадия, которые являются очень тонкодисперсными и чрезвычайно твердыми (около 2000 HV (единицы твердости по Виккерсу)), что дополнительно улучшает сопротивление износу и утончает микроструктуру, так, чтобы острота режущей кромки могла сохраняться в течение более длительного времени.
Предпочтительные воплощения изобретения описываются зависимыми пунктами формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Дальнейшие признаки и преимущества данного изобретения станут более ясными из подробного описания предпочтительного, но не исключительного воплощения ножниц, представляемого в качестве неограничивающего примера, с помощью прилагаемых чертежей, на которых:
фиг.1 представляет изображение поверхностной микроструктуры лезвия ножниц согласно настоящему изобретению;
фиг.2 представляет изображение микроструктуры, соответствующей наиболее близкой к центру зоне по толщине лезвия ножниц согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
В соответствии с одним предпочтительным воплощением ножницы согласно настоящему изобретению содержат по меньшей мере одно лезвие, изготавливаемое из стали, имеющей следующую химическую композицию в массовых процентах:
C%
Si%
Mn%
Cr%
Mo%
V%
0,45-0,55
0,10-0,30
0,20-0,50
4,00-5,50
2,00-3,00
0,45-0,65
остальное - железо и неизбежные примеси.
Способ производства лезвия или ножа указанных ножниц, изготовленных из вышеупомянутой стали, предпочтительно содержит следующие стадии:
- плавление металлической шихты, имеющей вышеуказанную композицию, и заливка расплавленного материала в изложницу, сопровождаемая отверждением расплавленного материала с образованием первого слитка;
- электрошлаковый переплав (ESR) указанного первого слитка посредством продвижения изложницы для удаления шлака и для дополнительного улучшения однородности микроструктуры недавно отвердевшего второго слитка;
- прокатка указанного второго слитка для получения заготовки, из которой изготавливается лезвие, имеющее заданную форму с толщиной, меньшей или равной до около 60 мм;
- цикл закалки, состоящий в нагревании лезвия до температуры аустенизации стали около 1035-1055°C посредством проведения двух этапов предварительного нагрева при промежуточных температурах, равных соответственно 590-610°C и 840-860°C, и последующего охлаждения под вакуумом до комнатной температуры со скоростью охлаждения между 10 и 12°C/с;
- три цикла отпуска при температурах между 510°С и 550°С, которые обеспечивают микроструктуру, полностью состоящую из отпущенного мартенсита и обладающую твердостью 56-58 HRC (твердость по Роквеллу, шкала С).
Фиг.1 и 2 представляют изображение микроструктуры лезвий ножниц соответственно на поверхности и в наиболее близкой к центру зоне или в сердцевинной части лезвия. Можно видеть, что эти два изображения чрезвычайно похожи - это является признаком полного прохождения закалки как на поверхности, так и в глубине. Толщина лезвий ножниц настоящего изобретения меньше или равна около 60 мм.
Выбранная сталь имеет характеристики ударной вязкости лучше, чем у сталей, используемых в настоящее время в области лезвий для ножниц, предназначенных для применения в прокатных станах для резки прокатных изделий, которые имеют температуру между 150 и 800°C, на выходе из агрегата для закалки и отпуска.
Экспериментальные результаты
Ножницы согласно изобретению были установлены и приведены в действие на выходе из представленного на прокатном стане агрегата для закалки и отпуска, когда изделия имели температуру между 150 и 800°C. Ножницы предпочтительно устанавливаются вслед за указанным агрегатом для закалки и отпуска и предшествуют холодильной плите или стеллажу. В одном конкретном варианте ножницы устанавливаются непосредственно вслед за агрегатом для закалки и отпуска без каких-либо дополнительных промежуточных устройств между указанным агрегатом для закалки и отпуска и указанными ножницами.
Ножницы изобретения показали чрезвычайно неожиданные результаты, сильно отличающиеся от ожидавшихся на стадии научно-исследовательских работ.
Пример 1
Первая сталь, выбранная для изготовления лезвий ножниц, имела следующую предпочтительную химическую композицию в массовых процентах:
C%
Si%
Mn%
Cr%
Mo%
V%
0,46
0,26
0,25
4,50
3,00
0,57
остальное - железо и неизбежные примеси. Вышеупомянутая сталь была подвергнута обработке способом, содержащим следующие стадии:
- плавление металлической шихты, имеющей вышеуказанную композицию, и заливка расплавленного материала в изложницу, сопровождаемая отверждением расплавленного материала с образованием первого слитка;
- электрошлаковый переплав указанного первого слитка посредством продвижения изложницы для удаления шлака и для дополнительного улучшения однородности микроструктуры недавно отвердевшего второго слитка;
- прокатка указанного второго слитка для получения заготовки лезвия, имеющей максимальную толщину, равную до около 60 мм;
2
- цикл закалки, состоящий в нагревании лезвия до температуры аустенизации стали, равной 1050°C, посредством проведения двух этапов предварительного нагрева при промежуточных температурах, равных соответственно 600°C и 850°C, и последующего охлаждения под вакуумом до комнатной температуры в условиях давления N, составляющего до 3,5 бар, с тем чтобы обеспечить среднюю скорость охлаждения между 10 и 12°C/с;
- три последовательных цикла отпуска при температурах, равных соответственно 550°C, 550°C и 530°C, которые обеспечивают получение микроструктуры, полностью состоящей из отпущенного мартенсита и имеющей твердость 57,1 HRC.
Ножницы, снабженные лезвиями, изготовленными из этой особой стали, использовали для резки сортового круглого проката на выходе его из агрегата закалки и отпуска, представленного на прокатном стане, при этом указанные прутки находились при температуре около 620°C.
Результаты, касающиеся количества операций резки, выполняемых до того, как становится необходимой замена лезвия, приведены в нижеследующей таблице по отношению к катаному прутку крупного диаметра (в миллиметрах) и в сравнении с количеством резок, выполняемых с помощью лезвия, изготовленного из стали X50CrVMo5-1, относящейся к семейству инструментальных сталей для холодной резки и обычно применяемых для ножниц на прокатных станах.
ДИАМЕТР РАЗРЕЗАЕМОГО ПРУТКА
16 мм
КОЛИЧЕСТВО РЕЗОК
Лезвие, изготовленное из X50CrVMo5-1 (стандартный материал)
62000
Лезвие ножниц изобретения
301400
УЛУЧШЕНИЕ
+486%
Пример 2
Вторая сталь, выбранная для изготовления лезвий ножниц, имела следующую предпочтительную химическую композицию в массовых процентах:
C%
Si%
Mn%
Cr%
Mo%
V%
0,48
0,24
0,25
4,30
2,90
0,59
остальное - железо и неизбежные примеси. Вышеупомянутая сталь была подвергнута обработке способом, содержащим следующие стадии:
- плавление металлической шихты, имеющей вышеуказанную композицию, и заливка расплавленного материала в изложницу, сопровождаемая отверждением расплавленного материала с образованием первого слитка;
- электрошлаковый переплав указанного первого слитка посредством продвижения изложницы для удаления шлака и для дополнительного улучшения однородности микроструктуры недавно отвердевшего второго слитка;
- прокатка указанного второго слитка для получения заготовки лезвия, имеющей максимальную толщину, равную до около 60 мм;
2
- цикл закалки, состоящий в нагревании лезвия до температуры аустенизации стали, равной 1035°C, посредством проведения двух этапов предварительного нагрева при промежуточных температурах, равных соответственно 610°C и 860°C, и последующего охлаждения под вакуумом до комнатной температуры в условиях давления N, составляющего до 3,5 бар, с тем чтобы обеспечить среднюю скорость охлаждения между 10 и 12°C/с;
- три последовательных цикла отпуска при температурах, равных, соответственно, 540°C, 540°C и 510°C, которые обеспечивают получение микроструктуры, полностью состоящей из отпущенного мартенсита и имеющей твердость 56,6 HRC.
Ножницы, оснащенные лезвиями, изготовленными из этой особой стали, использовали для резки сортового круглого проката на выходе его из агрегата закалки и отпуска, представленного на прокатном стане, при этом указанные прутки находились при температуре около 600-650°С.
Результаты, касающиеся количества операций резки, выполняемых до того, как становится необходимой замена лезвия, приведены в нижеследующей таблице по отношению к катаному прутку крупного диаметра (в миллиметрах) и в сравнении с количеством резок, выполняемых с помощью лезвия, изготовленного из стали X50CrVMo5-1, относящейся к семейству инструментальных сталей для холодной резки и обычно применяемых для ножниц на прокатных станах.
ДИАМЕТР РАЗРЕЗАЕМОГО ПРУТКА
25 мм
КОЛИЧЕСТВО РЕЗОК
Лезвие, изготовленное из X50CrVMo5-1 (стандартный материал)
2400
Лезвие ножниц изобретения
6900
УЛУЧШЕНИЕ
+287%
Пример 3
Третья сталь, выбранная для изготовления лезвий данных ножниц, имела следующую предпочтительную химическую композицию в массовых процентах:
C%
Si%
Mn%
Cr%
Mo%
V%
0,48
0,22
0,24
4,35
2,85
0,58
остальное - железо и неизбежные примеси. Вышеупомянутая сталь была подвергнута обработке способом, содержащим следующие стадии:
- плавление металлической шихты, имеющей вышеуказанную композицию, и заливка расплавленного материала в изложницу, сопровождаемая отверждением расплавленного материала с образованием первого слитка;
- электрошлаковый переплав указанного первого слитка посредством продвижения изложницы для удаления шлака и для дополнительного улучшения однородности микроструктуры недавно отвердевшего второго слитка;
- прокатка указанного второго слитка для получения заготовки лезвия, имеющей максимальную толщину, равную до около 60 мм;
2
- цикл закалки, состоящий в нагревании лезвия до температуры аустенизации стали, равной 1040°C, посредством проведения двух этапов предварительного нагрева при промежуточных температурах, равных соответственно 610°C и 860°C, и последующего охлаждения под вакуумом до комнатной температуры в условиях давления N, составляющего до 3,5 бар, с тем чтобы обеспечить среднюю скорость охлаждения между 10 и 12°C/с;
- три последовательных цикла отпуска при температурах, равных соответственно 540°C, 540°C и 510°C, которые обеспечивают получение микроструктуры, полностью состоящей из отпущенного мартенсита и имеющей твердость 56,3 HRC.
Ножницы, оснащенные лезвиями, изготовленными из этой особой стали, использовали для резки сортового круглого проката на выходе его из агрегата закалки и отпуска, представленного на прокатном стане, при этом указанные прутки находились при температуре около 600-650°C.
Результаты, касающиеся количества операций резки, выполняемых до того, как становится необходимой замена лезвия, даются в нижеследующей таблице по отношению к катаному прутку крупного диаметра (в миллиметрах) и в сравнении с количеством резок, выполняемых с помощью лезвия, изготовленного из стали X50CrVMo5-1, относящейся к семейству инструментальных сталей для холодной резки и обычно применяемых для ножниц на прокатных станах.
ДИАМЕТР РАЗРЕЗАЕМОГО ПРУТКА
32 мм
КОЛИЧЕСТВО РЕЗОК
Лезвие, изготовленное из X50CrVMo5-1 (стандартный материал)
1400
Лезвие ножниц изобретения
4050
УЛУЧШЕНИЕ
+289%
Основываясь на вышеприведенных примерах 1-3, на выполнении количественного анализа, учитывающего снижение затрат на замену лезвий и ценовую разницу между указанными лезвиями и решениями, применяемыми в настоящее время, следует отметить, что для прутков диаметром 32 и 25 мм экономия составляет 50-55%, в то время как для прутков диаметром 16 мм такая экономия измеряется величинами порядка 60-65%. Эта оценка не принимает во внимание производственные потери из-за замены лезвий помимо плановых остановок, которые количественно могут быть также оценены несколькими сотнями тысяч евро.
Пример 4
Четвертая сталь, выбранная для изготовления лезвий данных ножниц, имела следующую предпочтительную химическую композицию в массовых процентах:
C%
Si%
Mn%
Cr%
Mo%
V%
0,49
0,23
0,22
4,24
2,83
0,61
остальное - железо и неизбежные примеси. Вышеупомянутая сталь была подвергнута обработке способом, содержащим следующие стадии:
- плавление металлической шихты, имеющей вышеуказанную композицию, и заливка расплавленного материала в изложницу, сопровождаемая отверждением расплавленного материала с образованием первого слитка;
- электрошлаковый переплав указанного первого слитка посредством продвижения изложницы для удаления шлака и для дополнительного улучшения однородности микроструктуры недавно отвердевшего второго слитка;
- прокатка указанного второго слитка для получения заготовки лезвия, имеющей максимальную толщину, равную до около 40 мм;
2
- цикл закалки, состоящий в нагревании лезвия до температуры аустенизации стали, равной 1040°C, посредством проведения двух этапов предварительного нагрева при промежуточных температурах, равных соответственно 610°C и 860°C, и последующего охлаждения под вакуумом до комнатной температуры в условиях давления N, составляющего до 3,6 бар, с тем чтобы обеспечить среднюю скорость охлаждения между 10 и 12°C/с;
- три последовательных цикла отпуска при температурах, равных соответственно 530°C, 530°C и 510°C, которые обеспечивают получение микроструктуры, полностью состоящей из отпущенного мартенсита и имеющей твердость 57,0 HRC.
Ножницы, оснащенные лезвиями, изготовленными из этой особой стали, использовали для резки сортового круглого проката на выходе его из агрегата закалки и отпуска, представленного на прокатном стане, при этом указанные прутки находились при температуре около 600-650°C.
Результаты, касающиеся количества тонн нарезанного прутка до момента, когда становится необходимой замена лезвия, даются в нижеследующей таблице по отношению к катаному прутку крупного диаметра (в миллиметрах) и в сравнении с количеством тонн прутка, нарезанного с помощью лезвия, изготовленного из стали 40NiCrMoV16, относящейся к семейству инструментальных сталей для горячей резки.
ДИАМЕТР РАЗРЕЗАЕМОГО ПРУТКА
12 мм
14 мм
КОЛИЧЕСТВО НАРЕЗАННЫХ ТОНН
Лезвие, изготовленное из 40NiCrMoV16 (стандартный материал)
4664 тонны
0 тонн
Лезвие ножниц изобретения
15357 тонн
3493 тонн
УЛУЧШЕНИЕ
+404%
Основываясь на вышеприведенных примерах, после выполнения количественного анализа, учитывающего снижение затрат на замену лезвий и ценовую разницу между указанными лезвиями и решениями, применяемыми в настоящее время, следует отметить, что для прутков диаметром 12-14 мм экономия измеряется величинами порядка 60-65%. Эта оценка не принимает во внимание производственные потери из-за замены лезвий помимо плановых остановок, которые количественно могут быть также оценены несколькими сотнями тысяч евро.