Почему возникают повреждения канавок в валках из быстрорежущей стали и как их решить

Валки из быстрорежущей стали (HSS) широко используются на станах горячей прокатки из-за их превосходной износостойкости, длительного срока службы и хорошего соотношения цены и качества. При производстве ребристых стальных прутков валки из быстрорежущей стали обеспечивают гораздо более высокую производительность прокатки, чем рулоны из других обычных материалов. Однако в реальной эксплуатации стана конечная производительность валков из быстрорежущей стали зависит не только от самого материала, но и от конструкции канавок, условий охлаждения, практики ремонта и контроля эксплуатации.

Практический пример производства ребристых стержней показал, что при эксплуатации роликов из быстрорежущей стали могут возникнуть два распространенных вида отказа: поломка буртика ролика между соседними канавками и растрескивание или шелушение канавок на дне канавки. Эти проблемы могут напрямую повлиять на качество продукции, сократить срок службы валков, а в серьезных случаях даже привести к авариям или неожиданным простоям. Согласно документу, такие дефекты когда-то создавали значительный скрытый риск в производстве и приводили к тому, что среднегодовой уровень дефектной продукции составлял около 0,02%.

С технической точки зрения этот тип повреждения по сути представляет собой процесс усталостного разрушения. Во время прокатки канавки подвергаются сложным рабочим условиям, включая силу прокатки, ударную нагрузку, повторяющиеся термические напряжения, вызванные горячим материалом и охлаждающей водой, а также осевое сжимающее напряжение. Под действием этих комбинированных и переменных нагрузок могут возникать микротрещины, которые постепенно распространяются до тех пор, пока не появятся видимые трещины, шелушения или локальные отколы.

В документе указаны несколько основных причин ущерба. Одним из ключевых факторов была недостаточная прочность роликового воротника. На практике более высокая твердость повышает износостойкость, но также снижает прочность, что делает область воротника более уязвимой для поломок. Традиционного опыта проектирования уже недостаточно в реальных условиях прокатки. Еще одним важным фактором стала плохая эффективность охлаждения. Посинение края канавки и температура поверхности выше 80°C указывают на недостаточную эффективность охлаждения, что способствует образованию трещин. Кроме того, если припуск на ремонт канавок был слишком мал, микротрещины могли остаться после точения и затем быстро вырасти, когда валок снова будет введен в эксплуатацию. В документе также отмечается, что чрезмерная ширина прохода K2 и неправильная эксплуатация, например неправильный контакт направляющей или наматывание рулона, могут еще больше ускорить повреждение канавок.

Для решения этих проблем был реализован ряд практических мер. Во-первых, расстояние между центрами канавок было увеличено, а ширина буртика ролика увеличена для повышения прочности буртика. В то же время радиус скругления канавки был увеличен для снижения концентрации напряжений. Во-вторых, была модернизирована система охлаждения. Была внедрена новая система рециркуляции воды среднего давления, а устройство охлаждения валков было несколько раз оптимизировано для повышения эффективности охлаждения. В процессе производства давление охлаждающей воды поддерживалось выше 0,5 МПа, а после остановки прокатки температура поверхности канавок контролировалась ниже 35°С. В-третьих, припуск на ремонт был увеличен, чтобы гарантировать, что все трещины на дне и кромке канавки будут полностью удалены до того, как валок вернется в эксплуатацию. Наконец, был усилен контроль за проектированием проходов и работой стана во избежание перегрузок и случайных механических повреждений.

Результаты улучшения были очень очевидны. После применения этих корректирующих мер завод больше не сталкивался с повторяющимися поломками буртиков или растрескиванием канавок при производстве ребристых прутков. При прокатке ребристых прутков толщиной 12 мм средний выход на один паз достигал около 350 тонн, что примерно на 230 тонн выше, чем у бейнитных валков. Благодаря увеличению срока службы канавок и уменьшению частоты смены валков эффективность производства значительно повысилась. В документе сообщается, что производительность завода увеличилась в среднем на 2,08%, а годовой объем производства увеличился примерно на 15 тысяч тонн, что создало значительный экономический эффект.

Этот случай еще раз показывает, что успешное применение валков HSS определяется не только качеством материала. Правильная конструкция канавок, достаточное охлаждение, полное удаление трещин во время ремонта и дисциплинированная эксплуатационная практика — все это необходимо для достижения стабильных характеристик и максимального срока службы валков. Для сталелитейных заводов, стремящихся повысить эффективность прокатки и снизить общую себестоимость валков, эти детали так же важны, как и сам материал валков.