Дуговая и электрошлаковая наплавка валков прокатных станов

Дуговая и электрошлаковая наплавка валков прокатных станов
И. А. Кондратьев, И. А. Рябцев, Ю. М. Кусков, кандидаты техн. наук,
ИЭС им. Е. О. Патона
Наплавку прокатных валков с целью их восстановления и повышения стойкости в настоящее время применяют практически на всех металлургических предприятиях Украины и стран СНГ. С помощью современных способов механизированной наплавки можно создать валок с достаточно вязкой и прочной сердцевиной, которая хорошо сопротивляется механическим нагрузкам, и износостойкой поверхностью. Наплавка позволяет существенно увеличить долговечность валков, сократить их расход, увеличить выход годного проката вследствие улучшения точности прокатки, снизить расходы по переделу и себестоимость проката.
Прокатные валки изготавливают из стали и чугуна. Наибольшее распространение получила дуговая наплавка стальных валков горячей прокатки обжимных, листо-, сорто- и трубопрокатных станов из доэвтектоидных и эвтектоидных сталей 45, 50, 55. 50Х, 50ХН, 55Х, 55ХН, 60ХН, 9ХФ. Наплавка валков из высокоуглеродистых заэвтектоидных сталей (120Х, 150ХНМ) затруднена из-за опасности возникновения трещин и сколов наплавленного слоя, она требует особых режимов подогрева валков перед наплавкой и остывания после наплавки, поэтому ее применяют в ограниченном объеме.
Еще большие трудности возникают при наплавке чугунных валков. Несмотря на то, что в Украине на металлургических предприятиях широко применяют чугунные валки (их количество достигает 2/3 всего парка валков), наиболее распространенным способом продления срока их службы является переточка изношенных валков на меньший диаметр. После достижения минимального диаметра валки сдают в металлолом. Дуговыми способами чугунные валки не восстанавливают.
Эффективность применения наплавки прокатных валков во многом зависит от правильного выбора состава наплавленного металла. Для такого выбора необходим тщательный анализ условий работы валков, характера и интенсивности их изнашивания. Зачастую на различных металлургических предприятиях валки даже однотипных прокатных станов изнашиваются по-разному, поэтому их необходимо наплавлять различными проволоками.
В настоящее время в Украине для восстановительной наплавки валков обжимных прокатных станов (блюмингов, слябингов) в основном применяют сплошную проволоку Нп-ЗОХГСА. При наплавке этой проволокой стойкость валков практически не повышается, однако даже без повышения стойкости существенно сокращается расход валков, что особенно важно для крупных валков обжимных станов.
Для износостойкой наплавки стальных валков горячей прокатки различных станов чаще всего, хотя и не всегда обоснованно, применяют порошковую проволоку ПП-Нп-35В9ХЗСФ, содержащую до 10% дорогого и дефицитного вольфрама. Наплавленный ею металл обладает высокой стойкостью против истирания при повышенных температурах, но его термическая выносливость относительно невысокая, поэтому валки, наплавленные этой проволокой, часто выходят из строя из-за образования сетки трещин разгара и выкрашивания.
Хорошие результаты при восстановлении стальных валков горячей прокатки дает наплавленный металл типа экономно-легированных хромомолибденовых и хромовольфрамомолибденовых сталей. По теплостойкости эти стали практически не уступают хромовольфрамовым, а по сопротивлению термической усталости существенно превосходят их. Для повышения теплостойкости и стойкости наплавленного металла против истирания применяют также легирование ванадием.
При наплавке валков со сложными калибрами возникают большие трудности с механической обработкой наплавленного слоя из-за его относительно высокой твердости. Для таких валков перспективно использование наплавочных материалов типа мартенситностареющих или дисперсионнотвердеющих сталей. После наплавки такие стали имеют твердость 28-35 НRC, их достаточно легко обрабатывать механически. После отпуска твердость возрастает до 48-55 НRC, и наплавленный металл приобретает высокие служебные свойства. В табл. 1 приведены результаты исследования твердости, ударной вязкости, термостойкости и сопротивления изнашиванию нескольких типов наплавленного металла, которые наиболее широко применяют для восстановления стальных прокатных валков. Термостойкость определяли на установке для комплексной оценки свойств наплавленного металла по числу циклов нагрев—охлаждение до появления сетки трещин, заметной невооруженным глазом. Сопротивление изнашиванию оценивали по потере массы ∆М наплавленного образца от изнашивания трением металла по металлу при температуре 600 0С за 1 ч испытаний.
Наибольшее сопротивление термической усталости имеет безвольфрамовый металл, наплавленный порошковыми проволоками ПП-АН147 и ПП-Нп-25Х5ФМС. Значения ударной вязкости наплавленного металла при повышенных температурах (см. табл. 1) косвенно подтверждают вывод о высоком сопротивлении термической усталости металла, наплавленного порошковыми проволоками ПП-Нп-25Х5ФМС, ПП-АН147 и ПП-АН193. Наилучшие сочетания показателей термической стойкости и сопротивлению изнашиванию имеет металл, наплавленный порошковой проволокой ПП-АН147.
Таблица 1. Свойства наплавленного металла различных систем легирования
Тип Термическая  Потеря  твердость HRC Ударная вязкость Дж/см2
наплавленного  стойкость массы  тем пе ра ту ра
металла кол-во циклов образца, г 20 600 20 450 600
35В9Х3СФ 70 0,12 44-52 36-42 7 10 15
25Х5ФМС 200 0,35 42-45 26-30 42 50 59
ПП-АН147 190 0,15 44-48 30-34 35 47 57
ПП-АН132 130 0,13 46-50 34-40 13 23 38
ПП-АН-193 170 0,21 48-52* 28-32 23 45 51
* - после старения
По результатам лабораторных исследований и опытно-промышленных проверок, выполненных в последние годы, были уточнены составы наплавленного металла и соответственно составы шихты порошковых проволок для наплавки валков горячей прокатки. Результаты исследований и практический опыт позволяют рекомендовать ту или иную из разработанных порошковых проволок для наплавки стальных прокатных валков следующих станов: обжимных (блюминг, слябинг) - ПП-Нп-25Х5ФМС; непрерывнозаготовочных - ПП-АН147, ПП-Нп-35В9ХЗСФ; крупносортных и рельсобалочных — ПП-Нп-25Х5ФМС: средне- и мелкосортных ПП-Нп-25Х5ФМС, ПП-АН147, ПП-АН193; проволочных -ПП-Нп-35В9ХЗСФ, ПП-АН132; листопрокатных - ПП-АН132, ПП-Нп-25Х5ФМС; трубопрокатных — ПП-АН147, ПП-Нп-35В9ХЗСФ. Однако следует подчеркнуть, что окончательный выбор марки проволоки для наплавки конкретных валков необходимо делать на основе натурных испытаний.
Для дуговой наплавки стальных валков прокатных станов в свое время были разработаны вальценаплавочные станки серии КЖ (табл. 2, рис. 1, 2).
Как уже упоминалось выше, дуговыми способами валки из высокоуглеродистой стали или чугуна не наплавляют. В ИЭС им. Е. О. Патона разработана технология электрошлаковой наплавки дробью стальных (с высоким содержанием углерода) и чугунных валков горячей и холодной прокатки с получением рабочего слоя из отбеленного чугуна, легированной или быстрорежущей сталей. Для реализации процесса ЭШН дробью был разработан секционный токоподводящий кристаллизатор (ТПК) и дозатор дроби. Конструкция ТПК обеспечивает вращение шлаковой ванны в горизонтальной плоскости, что способствует получению равномерного проплавления по периметру валка и равномерному распределению дроби по периметру шлаковой ванны. Промышленную проверку прошла наплавка чугунных валков горячей прокатки хромоникелевым, хромистым (1-19% Сг) и высокохромистым (25-30% Сг) чугуном.


Рис. 1. Наплавка валка блюминга на вальценаплавочном станке КЖ-9705



Рис. 2. Наплавка валка сортопрокатного стана на вальценаплавочном станке КЖ-9711
Положительные результаты получены и при наплавке хромомолибденовой стали на валки холодной прокатки с диаметром бочки 600 мм и длиной 1500 мм. Установлена также возможность изготовления новых биметаллических валков холодной прокатки с рабочим слоем из быстрорежущей стали.
Электрошлаковую наплавку некомпактными присадочными материалами, в том числе и дробью, характеризуют равномерный химический состав и твердость как по толщине, так и по длине слоя, наплавленного на бочку валка. Это обеспечивает постоянство показателей работы валка независимо от толщины снимаемого при переточках изношенного слоя. Электрошлаковый металл имеет повышенные механические свойства и горячую твердость, характеризующую, в частности, способность материала сопротивляться абразивному изнашиванию при повышенных температурах.
В табл. 3 представлены химический состав, предел твердости по Шору металла рабочего слоя валков, наплавленных электрошлаковым способом в ТПК и изготовленных центробежной отливкой одним из ведущих производителей прокатных валков фирмой «Гонтерман-Пайперс».
Таблица 3. Химический состав, предел прочности ав
и твердость НЗ металла рабочего слоя валков, полученных
ЭШН и изготовленных фирмой «Гонтерманн—Пайперс»