CC BY
134
5. Firstov A. P. Casting erosion forming the coating on the binding of the modified liquid glass. Ph.D. dissertation Sciences : 05.16.04 / Firstov Alexander Petrovich; S-Ural State University-I. Chelyabinsk, 2008, 136 p.
6. Shabanova N.A., Sarkisov P.D. Fundamentals of Sol-gel technology nanodispersed kremnezemom. Moscow: ICC "Akademkniga", 2004, 208 p.
7. Voski S. Course of colloid chemistry. Moscow: Chemistry, 1975, 513 p.
8. The chelating agents in chemical analysis: a scientific edition / R. Pribil; ed. Teoret. part I. Trough, Per. c the Czech. Y. I. Weinstein, edited by Y. Y. Lurie. 2nd completely Rev. and EXT. ed. Moscow: Publishing house of foreign. lit., 1960, 580 p.
9. Korneev C. I. Danilov centuries Soluble and liquid glass. St. Petersburg: Stroiizdat, 1996, 216 p.
10. Boltromeyuk V.V. Century General chemistry : textbook. Beltramea. Minsk: HQ, 2012, 624 р.
11. Patrov B.V., Sladkov I.B. Pat Ro in B.C., lad Ko in I. B. Physical chemistry: Part 2. The textbook. the allowance. SPb.: The universiity publishing house, 2013, 139 р.
♦ ♦ ♦
УДК 620.179.14:[621.771.07:620.193.91] Вдовин К.Н., Лисовская М.А.
МАГНИТНЫЙ МОНИТОРИНГ РАБОЧИХ ВАЛКОВ ПРИ ИСКУССТВЕННОМ СТАРЕНИИ
Аннтотация В работе представлены исследования изменения коэрцитивной силы и твердости в стальных рабочих прокатных валках, изготовленных методом электрошлакового переплава, при искусственном старении. Магнитную диагностику проводили с помощью переносного коэрцитиметра для стали марок 9Х2МФ и 9Х1 во время вылежки валков на складе (искусственном старении). Партии валков по 5 штук в каждой помещались в одинаковые условия. Коэрцитивная сила, характеризующая напряженное состояние валка, за время вылежки уменьшилась по бочке валка на 100-250 А/м. Твердость уменьшилась на 1-2 единицы HRC за весь срок вылежки и у готовых валков изменялась в пределах 63-67 единиц. В работе наглядно представлены перераспределение коэрцитивной силы по бочке валка и ее изменение за весь срок вылежки для каждого валка партии. При эксплуатации валки с равномерным распределением <Нс> по бочке валка показали большую среднюю стойкость и прошли большее количество перешлифовок.
Ключевые слова: валок, искусственное старение, коэрцитивная сила, твердость, стойкость, электрошлаковый переплав, качество.
Рабочие прокатные валки - это основной инструмент прокатного производства, стойкость которого существенно влияет на себестоимость и качество готового проката. Валки, изнашиваясь до определенных размеров или вследствие выкрошки металла, не имея полной выработки, списываются в лом.
Технология утилизации, а именно производство валков методом электрошлакового переплава (ЭШП) предусматривает использование отработанных валков в качестве электродов для переплава. Проведенные сравнительные испытания кованых валков и переплавленных показали, что свойства их и стойкость почти не отличаются, а стоимость покупных валков составляет примерно 65 тыс. руб., а валка после ЭШП - не более 20 тыс. руб. [1].
В рабочих валках холодной прокатки остаточные напряжения возникают, главным образом, в результате термической обработки - закалки. Особенно это выявляется при закалке токами промышленной частоты (ТПЧ). Когда валок закаливается в вертикальном положении и индуктор имеет ограниченную высоту, то шейки не всегда равномерно прогреваются. Это приводит к неравномерным термическим деформациям. При закалке валков ТПЧ в окрестностях шеек валков формируются зоны повышенных растягивающих остаточных осевых напряжений, снижающих проч-
ность валка. Они несут большую опасность, так как могут привести к поломке валка еще до ввода в эксплуатацию, а при суммировании с контактными напряжениями, при вводе, приводят к отслоению поверхностного рабочего слоя [2].
Для снижения остаточных напряжений в валках применяют естественный отпуск или искусственное старение, то есть вылежку валка на складе сроком до 6 мес. По литературным данным, величина сжимающих и растягивающих напряжений, в пределах закаленного слоя, снижается до 20% и происходит выравнивание твердости по бочке валка [3]. Также улучшаются служебные свойства валков, а именно средняя эксплуатационная стойкость [4].
Коэрцитивная сила (Нс) является наиболее структурно-чувствительной магнитной характеристикой свойств материала и позволяет определить его напряженное состояние. Магнитный мониторинг, основанный на измерении коэрцитивной силы, рекомендуется применять при входном контроле, при оценке текущего состояния и остаточного ресурса, при контроле твердости бочки валка, а также при выборе режимов термообработки и искусственного старения [5]. Однако внедрение этого вида неразрушаю-щего контроля, как и прочих, обусловлено рядом про-
блем и задач, решение которых связанно с финансовыми вложениями и разработкой конкретных методик и технологий, что замедляет этот процесс [6].
Нахождение корреляционных связей между структурой, механическими свойствами сталей, остаточными напряжениями и коэрцитивной силой определяется для каждого объекта индивидуально, т.к. необходимо учесть марку стали, размеры валка, метод изготовления, режимы термической обработки и для этого нужна внушительная база данных.
В известной научной литературе магнитный мониторинг применяется в основном к чугунным валкам.
В ОАО «ММК-МЕТИЗ» (ММЗ) в прокатном цехе ленты 2 стана 400 изготавливают валки методом ЭШП из сталей 9Х1 и 9Х2МФ размерами: диаметр бочки 197-203 мм, общая длина 1240 мм. Исследовали снижение остаточных напряжений в готовых валках, полученных методом ЭШП и закаленных ТПЧ, в течение пяти месяцев. Валки помещали на хранение в одинаковые условия по пять штук в партии.
Для выбора оптимального срока искусственного старения этих рабочих валков контролировали изменение значений Нс на всём сроке вылежки. Контроль производили ежемесячно с последующей обработкой информации. Измеренная по бочке каждого валка величина Нс усреднялась (<Нс>), и на рис. 1 и 2 изображена зависимость этой усредненной величины от времени вылежки.
Из рис.1 и 2 видно, что <Нс> для валков из двух марок стали лежит в различных диапазонах 9Х1: 1710-1940 А/м; 9Х2МФ: 1920-2130 А/м, при прочих одинаковых условиях: изготовление методом ЭШП, режимы термической обработки и т.д. Что подтверждает необходимость индивидуального подхода к каждому объекту контроля с большой базой данных и усложняет внедрение магнитного мониторинга в производство.
2150 2100 2050 2000
I 1950 «
Л" 1900 ? 1850 1800 1750 1700 1650
февраль март апрель май июнь 2014г<и
Рис. 2. Партия валков марки 9Х2МФ
Следует отметить незначительное уменьшение <Нс> 100-250 А/м за весь срок вылежки для обеих марок стали, тогда как для чугунных валков эта величина обычно составляет 400-500 А/м [7, 8]. Объяснить это можно структурой этих сталей, содержащих аустенит в количестве 15-20%, в чугуне его всего 2-3%.
В процессе вылежки величина <Нс> в среднем уменьшилась на 10% и это меньше теоретических данных - 20%.
<Нс> для валка № 521 из стали 9Х2МФ (см. рис. 2) значительно отличалась от значений для всей партии в целом. Результаты дополнительных исследований показали низкую твердость по бочке валка 30-32 HRC, что обычно является следствием нарушением технологии изготовления или закалки. Исследовав химический состав стали этого валка (табл. 1), установили, что металл соответствует нормативным документам (НД) цеха и его рекомендовали отправить на повторную термообработку.
Таблица 1
Химический состав валка № 521
Требования по НД Химический состав, %
С Si Mn S P & № Mo V
Значения согласно НД 0,85 -0,95 0,25 -0,5 0,2 -0,7 1,7 -2,1 0,2 -0,3 0,1 -0,2
до 0,03 до 0,03 до 0,5
Фактические замеры 0,86 0,32 0,58 0,004 0,008 1,75 0,17 0,23 0,17
Рис. 1. Партия валков марки 9Х1
В процессе мониторинга все валки, у которых наблюдали неравномерное распределение Нс по поверхности бочки или значительное отличие <Нс> для данной марки стали, возвращались на повторную термическую обработку.
В проведенном ранее исследовании готовый валок № 15 из стали 9Х1, в котором разброс Нс составлял порядка 300 А/м, был допущен в эксплуатацию [9]. После ввода его в производство, он прокатал всего 180 т металла и был выведен из эксплуатации из-за вы-крошки поверхностного слоя глубиной до 22 мм (рис. 3). Отслоение произошло по краю бочки со стороны приводной шейки. Измерения коэрцитивной силы по поверхности бочки этого валка приведены на рис. 4.
Исследовав химический состав стали этого валка (табл. 2), установили, что металл не соответствует
нормативным документам цеха. Измерив твердость валка, убедились, что она распределилась неравномерно (см. рис. 4), что тоже способствовало разрушению.
Изготовили шлифы из отслоившейся части валка и оценили микроструктуру металла, выявили, что она состоит из феррита, перлита и неравномерной сетки карбидов (рис. 5), то есть в этой части валка закалка не произошла, что и явилось одной из причин разрушения.
В каждом отдельном валке во время вылежки наблюдалось перераспределение Нс по бочке валка (рис. 6), что можно объяснить тремя стадиями при искусственном старении.
Рис. 3. Выкрошка валка
Химический состав валка № 15
Таблица 2
Требования по НД Химический состав, %
С Si Мп S Р Сг № Мо V Си
Значения согласно 0,8-0,95 0,25-0,45 0,15-0,45 не более не более 1,4-1,7 не более не более
ГОСТ 5950-2000 0,03 0,03 0,4 0,3
Фактические замеры 0,79 0,32 0,58 0,004 0,008 1,75 0,17 0,044 0,098 -
Три стадии при искусственном старении представляют распад перенасыщенных твердых растворов. Считается, что на первой стадии в результате диффузии возникает концентрационная неоднородность, что приводит к изменению некоторых физических свойств без повышения прочности и твердости стали. На второй стадии образуются новые фазы с собственной ориентацией и границами, при этом изменяются некоторые физические свойства, а прочность и твердость стали значительно возрастают. На третьей стадии происходит коагуляция, т.е. укрупнение образовавшейся упрочняющейся фазы, что приводит к разупрочнению и снижению прочности и твердости [10].
Контроль значений твердости по бочке валка показал, что ее величина уменьшилась в среднем на 1-2 единицы HRC за весь срок вылежки. У готовых валков твердость изменялась в пределах 63-67 единиц. Во время вылежки величина твердости по бочке валка
колебалась незначительно и определить сроки стадий искусственного старения не удалось.
Рис. 5. Микроструктура стали (х1000)
Фактическая стойкость рабочих валков
Таблица 3
сентябрь шпябрь
2 3
участок валка
Рис. 6. Изменение Нс по валку № 176 при искусственном старении
В партии из стали 9Х2МФ было отмечено уменьшение Нс у края бочки с приводной шейкой для всех валков. На рис. 7 представлено распределение Нс по валку № 523 из этой партии. Такая закономерность была в дальнейшем устранена перенастройкой закалочной установки, что повлекло равномерность распределения Нс и твердости по бочке валка при последующих закалках на этой установке.
Номер Марка стали Год Средняя стойкость, т/валок
До внедрения магнитного мониторинга
1 9Х2МФ 2010 1273,29
2 9Х2МФ 2011 1077,94
3 9Х1 2010 1033,3
4 9Х1 2011 996,05
После внедрения магнитного мониторинга
5 9Х2МФ 2012 1333,52
6 9Х2МФ 2013 2221,05
7 9Х2МФ 2014 1275,32
8 9Х1 2012 1130
9 9Х1 2013 1430,1
10 9Х1 2014 1477,2
-*-февраль -•-март -^-апрель -♦-май
-■-июнь
0 1 2 3 4 5 6 участок валка Рис. 7. Изменение Нс по валку № 523 при искусственном старении
Магнитный мониторинг проводится на ММЗ в прокатном цехе ленты в течение 2 лет (конец 20122014 гг.), что способствовало повышению показателей средней стойкости прокатных валков (табл. 3). Основными показателями при контроле служат равномерность распределения Нс по бочке и в партии валков в целом. При необходимости проводятся дополнительные исследования и делается заключение о презакалке или переплавке валков. Повышение количества прокатанных тонн металла на валок свидетельствует об эфффективности предложенного мониторинга.
Внедрение магнитного мониторинга позволило своевременно на всех стадиях производства (закалка, перешлифовка, перезакалка) обнаружить нарушения технологии изготовления и дефектность валка, тем самым увеличивая стойкость и уменьшая стоимость готовой продукции.
Примечание. Основной причиной выхода из строя рабочих валков является выкрошка.
В настоящее время большая часть исследованных валков находится в эксплуатации или на складе на вылежке.
Оптимальный срок искусственного старения было предложено уменьшить с 6 до 3-4 месяцев, так как Нс практически не изменяется после такого срока вылежки, а при увеличении длительности вылежки наблюдается постепенное снижение прочностных свойств, ударной вязкости и повышение пластичности.
Список литературы
1. Освоение производства рабочих валков станов холодной прокатки методом электрошлакового переплава / Вдовин К.Н., Вершигора С.М., Адамчук С.В., Семенова О.В. // Теория и технология металлургического производства. Магнитогорск: МГТУ, 2004. Вып. 4. С.130-133.
2. Прокатные валки / Вдовин К.Н., Гималетдинов Р.Х., Колокольцев В.М. и др. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 540 с.
3. Надежность и долговечность валков холодной прокатки / По-лухин В.П., Николаев В.А., Тылкин М.А. и др. М.: Металлургия, 1976. 448 с.
4. Вдовин К.Н., Ячиков И.М., Егорова Л.Г. Влияние естественного отпуска на надежность и долговечность валков холодной прокатки // Вестник Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова. 2005. № 3-4. С. 107-108.
5. Вдовин К.Н., Лисовская М.А. Управление качеством процесса производства и эксплуатации прокатных валков // Технология металлов. 2013. № 12. С.9 -11.
6. Samedov Ya.Yu. Problems of nondestructive testing of forming rolls. Russian Journal of Nondestructive Testing. 2008, vol. 44, Iss. 4, pp. 229-235.
7. Гималетдинов Р.Х., Агзамов С.Р. Контроль качества литых чугунных прокатных валков при их производстве на Кушвин-ском заводе прокатных валков // Труды пятого конгресса прокатчиков. М.: АО «Черметинформация», 2004. С. 474-476.
8. Оценка состояния прокатных валков с использованием магнитного мониторинга / Луценко А.Н., Монид В.А., Казюкевич И.А и др. // Труды пятого конгресса прокатчиков. М.: АО «Чер-метинформация», 2004. С. 482-483.
9. Вдовин К.Н., Лисовская М.А. Производство стальных валков методом ЭШП и магнитный мониторинг их качества // Металлургические процессы и оборудование. 2013. № 3 (33). С. 33-40.
10. Ланская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. М.: Металлургия, 1976. 216 с.
Сведения об авторах
Вдовин Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519) 29-85-30. E-mail: [email protected]
Лисовская Мария Александровна - ст. преп. кафедры физики, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова». Тел.: 8 (3519) 29 84 70. E-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
MAGNETIC MONITORING OF THE WORK ROLLS DURING ARTIFICIAL AGING
Vdovin Konstantin Nikolaevich - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected]
Lisovskaya Maria Aleksandrovna - Assistant Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: (3519) 29 84 70. E-mail: [email protected].
Abstract. The paper presents a study of the coercive force change and the hardness of steel work rolls, produced by the method of electroslag remelting, at artificial aging. Magnetic diagnostics was performed using a portable coercimeter for steel grades 9Cr2MoP (9X2M0) and 9Crl (9X1) during rolls rest in the storehouse (artificial aging). Batches of rolls 5 pieces in each were placed in equal conditions. Coercive force characterizing the stress .state of the roll decreased by 100-250 A/m on the roll body during rest. Hardness decreased by 1-2 units HRC for the entire rest period and the finished rolls were changed in the range 63-67 units. The article visualizes the redistribution of the coercive force on the roll body and its change for the entire rest period for each roll of the batch. During operation the rolls with uniform < He > distribution on the roll body showed a higher average resistance and got a greater number of re-grindings.
Keywords: roll, artificial aging, coercive force, hardness, durability, electroslag remelting, quality.
References
1. Vdovin K.N., Vershigora S.M., Adamchuk S.V., Semyonova O.V. Development of cold rolling mills work rolls production by method of electroslag re-melting. Teorya i technologya metallurgicheskogo proizvodstva. [Theory and technology of metallurgical production]. Magnitogorsk: MGTU, 2004, no. 4, pp. 130-133.
2. Vdovin K.N., Gimaletdinov R.Kh., Kolokoltsev V.M. and others. Prokatnyie valki [Mill rolls]. Magnitogorsk: MGTU, 2005, 540 p.
3. Polukhin V.P., Nikolaev V.A., Tylkin M.A. and others. Nadezhnost i dolgovechnost valkov holodnoy prokatki.[Reliability and durability of cold rolling rolls]. Moscow: Metallurgya, 1976, p. 448.
4. Vdovin K.N., Yachikov I.M., Egorova L.G. The influence of natural rest on reliability and durability of cold rolling rolls. Vestnik Altajskogo gosu-darstvennogo tehnicheskogo universiteta im. I.I. Polzunova. [Vestnik of Altajsk State Technical University by I.I. Polzunov] 2005, no. 3-4, pp. 107-108.
5. Vdovin K.N., Lisovskaya M.A. Quality control during production process and operation of rolls. Tehnologya metallov [Metal technology]. 2013, no. 12, pp. 9-11.
6. Samedov Ya.Yu. Problems of nondestructive testing of forming rolls. Russian Journal of Nondestructive Testing. 2008, vol. 44 (issue 4), pp. 229-235.
7. Gimaletdinov R.Kh., Agzamov S.R. The quality control of cast iron rolls during manufacturing on Kushvinsky rolls plant. Trudy pyatogo kon-gressa prokatchikov. [Materials of fifth congress of rollinger] Moscow: AO "Chermetinformatsya". 2004, pp. 474-476.
8. Lutsenko A.N., Monid V.A., Kazyukevich I.A. and others. Rolls condition assessment using magnetic monitoring. Trudy pyatogo kongressa prokatchikov. [Materials of fifth congress of rollinger]. Moscow: AO "Chermetinformatsya". 2004, pp. 482-483.
9. Vdovin K.N., Lisovskaya M.A. Production of steel rolls using the method of ESR and magnetic monitoring of their quality. Metallurgicheskye protsessy i oborudovanye [Metallurgical processes and equipment]. 2013, no. 3 (33), pp. 33-40.
10. Lanskaya K.A. Vyisokohromistyie zharoprochnyie stali [High-chromium heat-resistant steels]. Moscow: Metallurgya, 1976, p. 216.
♦ ♦ ♦
