Прокатные валки являются ключевыми расходными элементами прокатного стана, непосредственно воспринимающими усилие прокатки и передаваемый крутящий момент. По сравнению с другими компонентами стана, валки работают в более жестких условиях и подвержены более сложным видам разрушения. Неправильный выбор валков может напрямую повлиять на стабильность производства, срок службы валков и качество продукции.
В данной статье с инженерной точки зрения анализируются принципы выбора материалов для прокатных валков, широко используемые материалы для валков, типичные области применения в различных прокатных станах, а также основные виды отказов.
Основные принципы выбора рулонных материалов
Не существует универсального материала для прокатных валков, подходящего для всех условий прокатки. Выбор материала должен основываться на реальных условиях эксплуатации.
Ключевые факторы включают уровень усилия прокатки, рабочую температуру, скорость прокатки и ударные нагрузки. Различные типы прокатных станов и положение валков предъявляют совершенно разные требования к прочности, износостойкости и тепловым характеристикам валков.
Повреждения валков, такие как разрушение, отслаивание поверхности, чрезмерный износ и термическое растрескивание, часто являются результатом несоответствия между свойствами материала и условиями эксплуатации. Поэтому понимание типичных видов повреждений имеет решающее значение для рационального выбора материала.
Достижения в области производства валков, термической обработки, композиционного литья, изготовления гильз для валков и технологий ремонта поверхности также расширили диапазон практического применения многих материалов для валков.
Распространенные материалы для изготовления валков и их инженерные характеристики.
Кованые стальные валки обладают высокой прочностью и превосходными общими механическими свойствами. Они хорошо подходят для применений с высокими усилиями прокатки и ударными нагрузками, таких как прокатные станы предварительной обработки, черновые клети и опорные валки. Их главные недостатки — более высокая стоимость и более жесткие требования к производству.
Литые стальные валки обладают относительно высокой прочностью и позволяют использовать более гибкие производственные процессы. Благодаря усовершенствованию технологий выплавки и переплавки стали, их качество и надежность неуклонно повышаются, что делает их жизнеспособной альтернативой кованым валкам во многих областях применения.
Чугунные и высокопрочные чугунные валки отличаются высокой твердостью и хорошей износостойкостью, обеспечивая превосходное качество поверхности при относительно низких затратах. Валки из высокопрочного чугуна, в частности, сочетают повышенную прочность с хорошей износостойкостью и широко используются в промежуточных и чистовых клетях прокатных станов малого и среднего размера.
Вальцы из высокохромистого чугуна и быстрорежущей стали обладают исключительной износостойкостью и улучшенными характеристиками при высоких температурах. Они все чаще применяются в станах горячей прокатки полосы, сортопрокатных станах и высокоскоростных станах для производства проволоки.
Вальцы из карбида вольфрама, обычно используемые в кольцевой форме, обладают чрезвычайно высокой износостойкостью и минимальной упругой деформацией. Они особенно подходят для высокоточных чистовых прокатных станов и высокоскоростной прокатки.
Типичный выбор материала для прокатных валков в зависимости от типа прокатного стана и положения валка.
Для прокатных станов первого передела, заготовочных станов, станов для производства толстолистовой стали и черновых клетей прокатных станов для крупносортного проката валки должны в первую очередь соответствовать требованиям по прочности и сопротивлению разрушению из-за больших степеней обжатия и высоких ударных нагрузок. Обычно используются валки из кованой стали или высокопрочной литой стали.
На промежуточных и чистовых станах небольших и средних прокатных станов твердость и износостойкость валков приобретают решающее значение для обеспечения точности размеров, качества поверхности и сокращения частоты замены валков. Широко применяются валки из чугуна и высокопрочного чугуна.
На прокатных станах для производства проволоки черновые станы должны обеспечивать баланс между термической стойкостью к растрескиванию и износостойкостью, в то время как на промежуточных и чистовых станах все чаще используются вальцовые кольца из быстрорежущей стали или твердосплава для увеличения срока службы и обеспечения стабильной прокатки.
В прокатных станах горячей прокатки рабочие валки выбираются в основном исходя из твердости поверхности и износостойкости, тогда как для опорных валков основными критериями являются прочность и закаливаемость, поскольку их главная роль заключается в сопротивлении изгибающим нагрузкам.
Станы холодной прокатки предъявляют чрезвычайно высокие требования к качеству поверхности, твердости и прочности рабочих валков. Обычно используются валки из высокопрочной легированной стали и композитные валки. Несмотря на высокие требования к твердости, чугунные валки непригодны для холодной прокатки из-за их более низкого модуля упругости.
Взаимосвязь между твердостью валков и условиями применения.
Твердость является ключевым параметром при выборе валков, но зачастую ее значение неправильно понимают. Более высокая твердость, как правило, повышает износостойкость и качество поверхности, однако чрезмерная твердость может снизить сопротивление разрушению, особенно при высоких усилиях прокатки или ударных нагрузках.
Оптимальная твердость должна выбираться с учетом типа прокатного стана, стадии прокатки и характеристик материала, чтобы обеспечить сбалансированное сочетание износостойкости и эксплуатационной безопасности.
Инженерное значение коэффициента запаса прочности при прокатке.
С точки зрения структурной безопасности, прокатные валки обычно работают с относительно низкими коэффициентами запаса прочности по сравнению с другими компонентами. Из-за сложности точного определения фактических динамических нагрузок в процессе прокатки в инженерной практике обычно используются расчеты статической прочности.
Опыт производства показал, что коэффициент запаса прочности, равный приблизительно 5, является разумным инженерным значением для прокатных валков общего назначения, обеспечивая допустимый уровень напряжений при минимизации риска катастрофического разрушения валков.
Типичные виды отказов подшипников качения и их причины.
Разрушение валков является одним из наиболее серьезных происшествий на прокатных станах. Причины поломок, как правило, связаны с дефектами материала и производства или с чрезмерными эксплуатационными нагрузками.
К распространенным видам поломок относятся разрушение центральной части валка, разрушение дна канавки в рифленых валках, разрушение шейки валка, скручивающее разрушение шеек валков и поломка торцевой части валка. Частыми причинами этих поломок являются концентрация напряжений, внутренние дефекты, перегрузка по усилию прокатки или крутящему моменту, резкие перепады температуры и крутильные колебания в системе привода.
Большинство поломок валков можно эффективно предотвратить с помощью правильного выбора материалов, конструктивного проектирования и контроля производственного процесса.
