Исследование условий эксплуатации пресс-ножниц для переработки металлолома с целью повышения их производительности

Опыт изготовления литых стальных рабочих валков.

Белевский Л.С., Исмагилов P.P.

Abstract. The technology of manufacture of cast steel work rolls of cold rolling mill from ingot by electroslag remelting has been developed. The properties of cast forging rolls from steel 9Cr2MV-S and cast rolls from steel 60Cr3SiMV-S have been studied. It was determined that the cost of cast roll manufacture at 17% lower, than cost of cast forging roll.

Keywords: work rolls, cold mill, electroslag remelting, mechanical properties.

References

1. Belevskiy L.S., Ismagilov R.R. Puti povysheniya sluzhebnykh svojstv valkov stanov kholodnoj prokatki [The ways of increasing of servis characteristics of rolls on cold mills]. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova [Vectnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2012, no 1, pp. 56-60.

2. Ismagilov R.R., Borovkov I.V., Belevskiy L.S., Firkovich A.Yu. and oth.

Ispytaniya chugunnykh valkov na listovom stane kholodnoj prokatki [The test of iron rolls on sheet cold mill]. Stahe und Eisen. Special issue. June 2011, pp. 75-77.

3. Vdovin K.N., Gimaletdinov R., Kolokoltsev V.M. and oth. Prokatnye valki [Rolls]. Magnitogorsk, 2005, 543 p.

4. Firkovich A.Yu., Klochkov O.S., Ismagilov R.R. and oth. Materialy i tekhnologiya izgotovleniya valkov stanov goryachej i kholodnoj prokatki. Sprav. posobie [The materials and technology of. Reference textbook]. Magnitogorsk, 2012. 248 p.

5. Bashnin Yu.A. Vliyanie sposoba vyplavki na strukturu i svojstva stali dlya proizvodstva valkov kholodnoj prokatki [The influence of the means of smelting on structure end properties of steel for manufacture of rolls cold mills]. Steel, 1984, no10, pp. 65-69.

6. Klochkov O.S. and oth. Proizvodstvo stal'nykh prokatnykh valkov na OOO «YUzhUralTekhnoTrejd» [The manufacture of steel rolls on OOO «JgUral Techno Trade»]. Transactions VIII Congress of rollers, Magnitogorsk, 11-15 October, 2010. Magnitogorsk, 2010, vol. 11, pp. 465-468.

УДК 621.78:672.71

Павлова Н.Г., Никитин C.B., Емелюшин A.H.

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРЕСС-НОЖНИЦ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛОЛОМА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Аннотация. На сегодняшний день важная роль в производстве и переработке металлопроката отводится ножам для резки металла. В настоящей статье рассмотрена проблема увеличения стойкости сменного оборудования и найдено решение на одном из первых этапов производства металлопроката - подготовка металлолома.

Проведен анализ условий работы ножей для рубки металла, рассмотрены причины преждевременного выхода из строя и способы повышения их стойкости. Приведены обоснования для разработки новой стали, разработан новый химический состав стали для изготовления ножей. Проведены испытания механических характеристик экспериментальных сплавов. Выявлен оптимальный режим термической обработки металла для достижения минимальной степени износа режущей кромки ножа. Выявлен сплав с наиболее оптимальными свойствами, обладающий высоким уровнем ударной вязкости при сохранении высокой твердости и стойкости.

После внедрения ножей, изготовленных из стали с новым химическим составом, проведен анализ их работы. Полученные результаты увеличения стойкости на 40-50% при увеличении себестоимости на 4% позволяют удерживать существующие рынки сбыта с перспективой выхода на внешний рынок.

Ключевые слова: переработка металлолома, марки стали, стойкость ножей, оптимальный химический состав металла, экспериментальные сплавы.

С целью подготовки металлолома для его дальнейшей переработки в копровых цехах его рубят на мерные длины. В условиях потребности постоянного наращивания производительности приобретается более мощное оборудование и возникает проблема повышения стойкости сменного инструмента для резки лома.

Стойкость сменного инструмента пресс-ножниц (ножей) оценивается по количеству переработанного лома, приходящегося на одну смену режущей кромки ножей. Одна кромка ножа (пресс-ножницы с усилием реза 10 МН) рассчитана в среднем на 1500-2000 т лома [1, 2].

При анализе работы пресс-ножниц «Colmar» выявлено, что производительность зачастую занижена из-за преждевременного выхода ножей из строя. В связи с этим возникает необходимость повышения стойкости ножей для увеличения производительности агрегата резки.

На пресс-ножницах «Colmar» рубят металл различной твердости, толщины и химического состава, как тонкий листовой прокат из стали 3, так и упрочненные рельсы из стали 65Г. Ножи работают в условиях как положительных, так и отрицательных температур.

В качестве сменного инструмента использовались ножи, изготовленные из стали марки 6ХВ2С. Изучая статистические данные по эксплуатации ножей из этой марки стали, выявлено, что ножи имеют наиболее долгий срок службы при уровне твердости 46-48 HRC. При меньшем уровне твердости ножи выходят из строя из-за чрезмерно быстрого износа рабочей кромки, при большем - из-за сколов по рабочей кромке. Однако при эксплуатации ножей с твердостью 4648 HRC также происходят сколы по рабочей кромке, что обусловлено недостаточным уровнем пластических характеристик и, в частности, ударной вязкости основы металла. После установки пресс-ножниц «Colmar» с большей мощностью стойкость ножей из стали марки 6ХВ2С снизилась.

Так как ножи работают в условиях высоких ударных нагрузок, ножевая сталь должна обладать высоким уровнем ударной вязкости в сочетании с высокой твердостью для режущих свойств ножей.

Содержание углерода в стали должно быть достаточным для обеспечения закаливаемости на высокую твердость (55-60 HRC). Однако при содержании углерода более 0,6% наблюдается заметное снижение

уровня вязкости. Из легирующих элементов, растворенных в мартенсите, увеличивают ударную вязкость: хром, при увеличении его концентрации до 3%, и никель. Однако известно, что в высоколегированных сталях (с высоким содержанием хрома или вольфрама) добавки никеля не увеличивают, а наоборот, снижают ударную вязкость [3, 4]. Необходимо подобрать содержание каждого легирующего элемента таким образом, чтобы легирование никелем не приводило к уменьшению ударной вязкости. Кроме того, никелевый мартенсит, из-за его небольшой способности к упрочнению, в большей степени восприимчив к пластической деформации, т.е. возможно увеличение степени износа режущей кромки ножа.

Для повышения ударной вязкости при сохранении высокой твердости необходимо получение мелкозернистой структуры путем подбора оптимальных режи-мов термической обработки и легирующих элементов. Наиболее сильно сдерживающее влияние на увеличение величины зерна при нагреве оказывает ванадий и молибден. Молибден в твердом растворе наряду с увеличением ударной вязкости увеличивает прочностные характеристики.

Для выявления оптимального химического состава изучали влияние режимов термической обработки и содержания легирующих элементов на механические свойства сталей, аналогичных (ДИ32) ГОСТ 5950-2000. Путем поочередного изменения содержания основных легирующих элементов (С, Сг, N1) в стали необходимо подобрать химический состав, который сочетает в себе максимальный уровень ударной вязкости при высокой твердости.

Выплавлено три сплава с различным содержанием углерода: сплав №1 - 0,51%; сплав №2 - 0,62% и сплав №3 - 0,55%. Среднее содержание остальных легирующих элементов в каждом сплаве: Сг=1,2; Мо=0,7; У=0,4; 81=0,3; Мп=0,6; N1=0,8.

Экспериментальные сплавы для изучения структуры и свойств выплавляли в индукционной печи ИСТ-006 с основной футеровкой. Выпуск металла производился при температуре не ниже 1600°С и отключенной печи. Выпуск металла производился в подогретые до 700-800°С ковши. Заливка стали осуществлялась в сухие, песчано-глинистые формы.

После выплавки опытных сталей литые заготовки перековывались в поковки образцов на ударную вязкость и закаливаемость. Для исправления ковочной структуры и улучшения обрабатываемости кованые заготовки подвергались нормализации с 900°С с последующим отпуском на 680°С.

Выбор оптимальных температур нагрева под закалку и отпуска проводился на основании результатов исследования микроструктуры и твердости образцов, прошедших термическую обработку, - объемная закалка с отпуском. Опробовано три температуры нагрева под закалку: 900, 940 и 980°С и температуры отпуска: 280, 350, 400, 450, 550°С.

Измерения твердости термообработанных образцов показали зависимость снижения уровня твердости с повышением температуры отпуска аналогично стали марки 5Х2МНФ по ГОСТ 5950-2000 (рис. 1).

Рис. 1. Зависимости твердости оттемпературы отпуска для стали марки 5Х2МНФ по ГОСТ 5950-2000

Испытания на ударную вязкость показали следующие результаты (рис. 2, 3).

35

31

н щ

о

Л 27

23

19

15

250

350 450

т-ра отпуска, 0С

550

900

-940

-980

Рис. 2. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска для сплава с содержанием углерода 0,62

По результатам механических испытаний сплавов с различным содержанием углерода выявлено, что максимальный уровень ударной вязкости достигается при содержании углерода 0,51% (см. рис. 3). При содержании углерода более 0,6% наблюдается резкое падение уровня ударной вязкости. При содержании углерода менее 0,5% высокий уровень твердости в сечении ножа, необходимый для режущих свойств, не достигается. Таким образом, выбрано содержание углерода для новой марки стали в пределах 0,5-0,6%.

По результатам исследования механических свойств сплавов 1,2,3 выяснено, что оптимальным режимом термической обработки является закалка с температуры 940°С и отпуск с температуры 280°С. При закалке с температуры 940°С достигается более оптимальное легирование твердого раствора при сохранении достаточно мелкой величины мартенситной иглы (2-4 балл). Температура отпуска 280°С обеспечивает наименьшее выделение дисперсных карбидов из твердого раствора и, тем самым, наименьшее падение ударной вязкости.

Исследование условий эксплуатации пресс-ножниц для переработки.

Павлова Н.Г., Никитин С.В., Емелюшин А.Н.

60

50

40

30

20

0,51 0,55

содержание углерода, %

900  940  980

0,62

Рис. 3. Зависимости ударной вязкости от содержания углерода

При подборе легирующих элементов решено выплавить сплавы с различным содержанием элементов Сг и N1, а элементы С, Мо, V, 81 и Мп принять как постоянную величину, но в достаточном количестве для обеспечения высокой прокаливаемости, сохранения мелкозернистости и теплоустойчивости.

Таким образом, выплавлено три сплава с различным содержанием хрома и никеля:

- сплав №4 Сг=1,64; N1=1,32;

- сплав №5 Сг=1,26; N1=1,88;

- сплав №6 Сг=1,22; N1=3,26.

В табл. 1 представлены полученные свойства после закалки с 940°С и отпуска при 280°С.

Таблица 1

Номер сплава Твердость, HRC Микротвердость металлической основы, МПа Ударная вязкость, Дж/см2 Количество остаточного аустенита,%

4 58 5444 44 1,83

5 60 6140 49 1,89

6 60 4688 51 7,31

Из представленных в табл. 1 механических свойств видно, что минимальный уровень ударной вязкости имеет сплав №4. Данный показатель получен в основном по причине наименьшего содержания в нем никеля.

Максимальный уровень ударной вязкости имеет сплав №6, однако этот сплав имеет также максимальный уровень остаточного аустенита и минимальную микротвердость металлической основы. Повышенный уровень остаточного аустенита в никелевом мартенсите, из-за его небольшой способности к упрочнению, в большей степени восприимчив к пластической деформации [1], т.е. возможно увеличение степени износа режущей кромки ножа.

Таким образом, после проведения испытаний образцов из сплавов 4,5,6, выявлено, что наиболее оптимальными свойствами обладает сплав №5, он обладает высоким уровнем ударной вязкости при сохранении высокой твердости, микротвердости металлической основы и небольшом содержании

остаточного аустенита (рис. 4).

Для выбора оптимального способа изготовления ножей опробовали два варианта получения заготовки: 1 поковка из слитка; 2 поковка из слитка, полученного переплавом ЭШП литой заготовки из электропечи ДСП 17.12.05.

При ЭШП за счет изменения условий охлаждения (в кристаллизаторе) уменьшаются пористость и рыхлость. Поэтому улучшаются:

а) пластичность, особенно в поперечном направлении у сталей повышенной вязкости (при 40-50 НЯС);

б) прочность и вязкость на 5-10% в состоянии высокой твердости (60-67 НЯС).

X 800

Рис.4. Фотография микроструктуры с замером микротвердости

При изготовлении опытных партий ножей были сделаны пробы для исследований размерами 100x100x100 мм, соизмеримые с размерами ножей. Пробы прошли термическую обработку по выбранным режимам.

По результатам исследования распределения твердости по сечению проб выявлено, что они прокаливаются на 100 мм.

Максимальный уровень твердости (56 HRC) достигается при закалке с температуры 940°С.

Для исследования микроструктуры были вырезаны образцы из проб и проведены металлографические исследования. При закалке с температуры 940°С сохраняется достаточно мелкая величина иглы мартенсита (3 балла).

Для сравнения уровня ударной вязкости стали марки 6ХВ2С и специальной стали опытной партии были изготовлены образцы на удар и проведены испытания в зависимости от температуры отпуска.

Результаты испытаний приведены в табл. 2

Таблица 2

Температура отпуска, °С Спец. сталь Спец. сталь сЭШП 6ХВ2С

KCU, Дж/см2 Твердость, HRC KCU, Дж/см2 Твердость, HRC KCU, Дж/см2 Твердость, HRC

450 30 51 35 51 18 50

550 40 45 44 45 25 40

650 55 33 58 33 39 30

Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска приведена на рис. 5.

400 500 600

Температура отпуска, °С

СС -— ССсЭШП

700

6ХВ2С

Рис. 5. Зависимость ударной вязкости оттемпературы отпуска: СС - заготовка, полученная из кузнечного слитка; СС с ЭШП - заготовка, полученная из слитка ЭШП

Таким образом, для изготовления ножей для рубки металла выбрана комплексно легированная сталь 55ХН2МФ, близкая по химическому составу стали марки 5Х2МНФ по ГОСТ 5950-2000. Новый химический состав стали обеспечивает превосходство, по сравнению с известными, в ударной вязкости, прока-ливаемости и твердости, что в свою очередь предполагает увеличение стойкости.

В ЗАО «Профит» г. Магнитогорск в 2005 г. была внедрена в производство опытная партия ножей холодной рубки пресс-ножниц «Colmar», изготовленных из специальной стали. Стойкость ножей увеличилась в среднем на 40-50%.

По сравнению с ножами из стали 6ХВ2С, которые в большинстве случаев выходят из строя из-за сколов

по рабочей кромке, на ножах из специальной стали не было зафиксировано ни одного случая скола.

Выводы

1. Ударная вязкость разработанной стали выше на 30-40%, чем у стали марки 6ХВ2С при одинаковом уровне твердости.

2. Стойкости ножей на 40-50% выше, чем у стали марки 6ХВ2С при увеличении себестоимости всего на 4%.

1. 2. 3.

х1000

Рис.6. Закалка с температуры 940°С

Список литературы

Заварыкин Е.С. Эксплуатация ломоперерабатывающего оборудования // Рынок вторичных металлов (РВМ). 2004. №2. С. 20-22. Еремин А.И. Пресс-ножницы: как сделать правильный выбор // РВМ. 2004. №1. С. 8-41.

Емелюшин А.Н., Павлова Н.Г., Никитин C.B. Разработка и освоение новой универсальной марки стали для ножей ОАО «ММК» // Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы. Шлифабразив-2009: сб. статей междунар. науч.-техн. конф. Волжский, 2010. С. 56-59.

Пат. 2409695 РФ. Нож для резки металла. / Емелюшин А.Н., Никитин C.B., Кадошников В.И., Молочкова О.С., Валишина Т.С., Коток А.П., Бердников С.Н. (РФ).

Сведения об авторах

Павлова Наталья Григорьевна - начальник Лаборатории термической и кузнечно-прессовой обработки ЗАО «МРК» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».

Никитин Сергей Витальевич - ведущий инженер Лаборатории термической и кузнечно-прессовой обработки ЗАО «МРК» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». E-mail: termist-met@mail.ru.

Емелюшин Алексей Николаевич - д-р техн. наук., проф., зав. кафедрой материаловедения и термической обработки металлов, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: emelushin@magtu.ru.

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

RESEARCH OF CONDITIONS OF PRESS SCISSORS OPERATION FOR SCRAP METAL PROCESSING TO INCREASE THEIR PRODUCTIVITY

Pavlova Natalia Grigorevna - Chief of Thermal and Forge and Press Processing Laboratory, «MRC» CJSC, Magnitogorsk Iron and Steel Works OJSC.

Nikitin Sergey Vitalevich - leading engineer of Thermal and Forge and Press Processing Laboratory, «MRC» CJSC, Magnitogorsk Iron and Steel Works OJSC. E-mail: termist-met@mail.ru.

Emelushin Alexey Nikolaevich - D.Sc. (Eng.), professor, Head of Material Science and Thermal Treatment of Metals department, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: emelushin@magtu.ru.

Исследование условий эксплуатации пресс-ножниц для переработки.

Павлова Н.Г., Никитин C.B., Емелюшин А.Н.

Abstract. Up to date the important role in manufacture and metal rolling processing is taken to knives for metal cutting. In the article the problem of increase in firmness of the replaceable equipment is considered and the decision on one of the first production phases of metal rolling - scrap metal preparation has been found.

Working conditions of knives for metal chipping have been analyzed, the reasons of premature failure and ways of increase of their firmness have been considered. The reasoning for the development of new kind of steel has been presented; steel new chemical composition has been developed for manufacture of knives. Experimental alloys mechanical characteristics tests have been carried out. The optimum mode of metal thermal processing to achieve minimum rate of knife cutting edge wear has been revealed. The alloy with the optimal properties and high level of impact strength in high hardness and firmness preserving is revealed.

After introduction of the knives made of steel with a new chemical composition their work has been analyzed. The results obtained of 40-50% firmness increasing at 4% cost supplement

allow to keep existing markets with the prospect of entering the •-

foreign markets.

Keywords: scrap metal processing, steel grades, firmness of knives, optimal metal chemical composition, experimental alloys.

References

1. Zavarikin E.S. Jekspluatacja lomopererabatyvajushhego oborudovanija [Operation of the scrap metal processing of equipment]. The Market of secondary metals (MSM). 2004, no. 2, pp. 20-22.

2. Eremin A.I. Press-nozhnicy: kak sdelat' pravil'nyj vybor [Press scissors: how to make a correct choice]. PBM, 2004, no. 1. pp. 8-41.

3. Emeljushin A.N., Pavlova N.G., Nikitin S.V. Razrabotka i osvoenie novoj universal'noj marki stali dlja nozhej OAO «MMK» [Working out and development of new universal mark of steel for «MMK» OJCS knives]. Processes of abrasive processing, abrasive tools and materials: Intern. Collection of ScientArticls. 2010, pp. 56-59.

4. Emeljushin A.H., Nikitin S.V., Kadoshnikov V.I, Molochkova O.S, Valishina T.S., Kotok A.P., Berdnikov S.N. Nozh dlja rezki metalla [A knife

for sharp metal]. Patent RF, no. 2409695, 2011. -•

УДК 621.95; 622.143

Сергеев C.B., Сергеев Ю.С., Решетников Б.А., Шаламов В.Г.

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ПРОНИКАНИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ МНОГОЛЕЗВИЙНЫХ ТЕЛ В ТВЕРДЫЕ СПЛОШНЫЕ СРЕДЫ

Аннотация. Вскрыты закономерности и выявлен главный динамический механизм формирования погрешностей продольной и поперечной формы скважин и отверстий при обработке их вращающимися концевыми мерными многолезвийными инструментами. Это позволит разработать математические модели расчета точности формообразования отверстий и скважин такими инструментами с учетом основных динамических факторов. Эти модели составят основу единой физической теории таких процессов.

Ключевые слова: вращающиеся буровые и металлорежущие инструменты, динамический механизм возникновения погрешностей обработки, поперечные и осевые автоколебания инструмента.

Достижение требуемого качества отверстий в машиностроении и скважин в горном деле является весьма сложной технической задачей. Процессы их получения, как правило, трудоемкие, так как занимают значительный объем машинного времени.

В машиностроении обработка отверстий осуществляется преимущественно сверлами, зенкерами, развертками и другими видами вращающихся концевых мерных многолезвийных инструментов (КММИ) с различным числом режущих лезвий, кулачков, брусков и других обрабатывающих элементов. При бурении же скважин используются различного вида вращающиеся многолезвийные буры, долота, шарошки, коронки, которые также относятся преимущественно к КММИ.

Разнообразие вращающихся КММИ и своеобразие физических явлений, происходящих при обработке отверстий в машиностроении таково, что до сих пор практически не удалось построить единую физическую теорию таких процессов, объясняющую всю совокупность эмпирически известных фактов и прогнозирующую новые эффекты и явления. Подобные теоретические обобщения отсутствуют и в бурении. Работоспособная же единая физическая теория должна объяснить явления, происходящие и при бурении скважин, и при формообразовании отверстий различными инструментами, поскольку эти процессы, без сомнения, родственны, о чем косвенно может свиде-

тельствовать хотя бы тот факт, что в английском и немецком языках понятия бурения и сверления не разделяются [1].

Без глубокого теоретического осмысления процессов проникания вращающихся КММИ в твердые сплошные среды невозможно:

- получить надежный прогноз точности формирования поверхностей на стадии проектирования технологических процессов;

- выработать направление совершенствования технологического оборудования;

- примирить различные эмпирические факты, поскольку на интуитивном уровне рассмотрения они противоречат друг другу, и разные исследователи дают диаметрально противоположные рекомендации по совершенствованию процессов формообразования отверстий и скважин. Уровень понимания этих процессов еще не достиг такого развития, когда новые данные не отменяют старые, а включают их на другом уровне.

Краткий анализ показывает, что некоторое единство взглядов на процессы сверления и бурения достигнуто различными исследователями лишь в вопросе о влиянии на увод и искривление осей обрабатываемых отверстий таких факторов, как неоднородность и анизотропность среды, в которой движется инструмент, и начальных погрешностей наладки технологических систем. Остальные же вопросы являются остро дискуссионными, причем различные гипотезы и раз-