CC BY
95
|| УКД 669.019
Я ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ¡I СТОЙКОСТИ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ
!§§ P.O. Олжабаев, Г.ЪИтыбаева, А.Ж.Касенов
|§§ Павлодарский государственный университет
¡§§ им. С. Торайзырова
fill Орнац uJBMÓeyiui тиимбшктердщ илемдшк 6emi деформациясы adici
§§!! бойынша шырыдамдылыгы жогарлау перспективалары жэне внеркэсЬитк
fÜÜ сынау нэтижелер1 царалды.
1111 Рассмотрены перспективы повышения стойкости валков прокатных
f¡¡¡§ станов методами ППДи результаты промышленных испытаний
ЩЦ It is Considered prospectsofincreasing ofstability ofswingletrees ofrolling
¡II mills by methods to plastic surrface deformation and results industrial test.
Повышение надёжности - одна из важнейших проблем машиностроительного производства. Оно непрерывно возрастает в связи с интенсификацией производства, повышением производительности технологического оборудования. Одним из основных условий, которым должно удовлетворять оборудование является его безотказная работа с необходимой надёжностью в соответствии с техническими условиями эксплуатации.
Потери из-за недостаточности надёжности выпускаемых машин очень велики. Так за период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание в 8 раз превышают новые, в связи с их износом. На все виды ремонта парка технологического оборудования ежегодно расходуется около 25% капитальных вложений.
Важное значение повышение эксплуатационной надёжности и долговечности имеет для металлургического оборудования, у которого весьма низкие показатели.
В ремонтной службе занято около 30% общей численности производственного персонала.
Мероприятия по повышению эксплуатационной надёжности и долговечности деталей и оборудования металлургического производства включает в себя конструкторские, технологические и организационные мероприятия. В каждом конкретном случае конструктор, технолог и эксплуатационник должен правиль-
но выбрать и использовать наиболее эффективные средства повышения надёжности и долговечности.
Проблема надёжности должна решаться на всех этапах создания и эксплуатации машины.
Первоначально надёжность закладывается при проектировании машины, оборудования. Для обеспечения оптимальной надёжности и долговечности оборудования конструктор обязан на стадии проектирования предусматривать определённый их уровень, который должен гарантировать работу оборудования в течение заданного отрезка времени в определённых условиях эксплуатации при минимальных затратах на изготовление и эксплуатацию.
При изготовлении технологического оборудования её надёжность в работе зависит от качества изготовления деталей и сборочных единиц, методов контроля выпускаемой продукции, методов испытания готовой продукции и других особенностей технологического процесса. Таким образом проблема надёжности является комплексной, т.к. охватывает затраты в сфере создания и эксплуатации машины.
Отказы в машинах происходят в основном по причине износа (абразивного, усталостного, коррозионного, механического и др. на долю которых приходится 60-85% от общего количества выходов из строя и деталей. Для увеличения срока службы изнашивающихся деталей используются разнообразные конструкторские, технологические и эксплуатационные методы и приёмы. Они основываются на изменении шероховатости и твёрдости поверхностей сопряжённых элементов, режимов механической обработки, химико- или термической обработки и. т.п.
В процессе проектирования необходимо стремиться не только к снижению массы и упрощению конструкции с точки зрения технологичности, но и к повышению долговечности её деталей. Интенсификация рабочих процессов в оборудовании приводит к повышению динамических нагрузок, что вызывает поломки деталей. В результате снижается производительность технологического оборудования и увеличиваются затраты на его ремонт. Повышение в этом случае долговечности деталей путём увеличения их статической прочности (т.е увеличения размеров и массы) без расчёта их на усталостную прочность, не имеет смысла.
Организация производства машин и технологического оборудования применяемые технологические процессы и методы контроля оказывают решающие значения на показатели их надёжности. Все компоненты технологического процесса ( метод обработки, применяемое оборудование, последовательность операций, режимы обработки и др.) определяют показатели качества машины ( точность, качество поверхности, механические свойства и др.).
Влияние технологического процесса на показатели надёжности машины -это сложный процесс. В ряде случаев надёжность снижается из-за нестабильности и несовершенства технологии.
Износостойкость зависит от состава, структуры и механических характеристик материалов, на которые влияют виды технологической обработки. Кроме того, износостойкость определяется геометрическими и физико-химическими параметрами поверхностного слоя, которые формируются во время выполнения технологического процесса.
На усталостную прочность деталей влияют механические свойства материалов, состояние его поверхностных слоев и наличие дефектов. При механической обработке в поверхностном слое деталей возникают растягивающие остаточные напряжения которые снижают предел выносливости. При применении технологических процессов создающих сжимающие напряжения, прочностные характеристики деталей улучшаются.
Одной из основных причин выхода из строя деталей металлургического оборудования являются поломки. Разрушение происходит вследствие возникновения опасных перегрузок, вызванных недостатком конструкции детали, дефектами технологии изготовления.
О характере поломки можно судить по излому детали. Вид излома позволяет оценить имеющиеся в детали концентраторы напряжений и характер действующих сил. К числу факторов, определяющих чувствительность стали к хрупкому разрушению, относятся геометрия и физическое состояние поверхностного слоя.
Валки холодной прокатки работают в условиях сложного напряжённого состояния. Основными причинами выхода из строя валков являются разрушение поверхностного слоя бочки, носящее контактно-усталостный характер и износ. В результате многократных плановых шлифовок снимается весь закалённый слой валка, твёрдость его становится недостаточной и валок необходимо заменить.
Дефекты и повреждения валков холодной прокатки при механической обработке - это кольцевые риски на внутреннем канале, подрезы в местах сопряжении, малый радиус галтелей, не выведенные волосовины и раковины, сетка шлифовальных трещин, несоответствие размеров чертежу.
Поверхностно пластическое деформирование (ППД) является эффективным средством повышения усталостной прочности, улучшения качества поверхности и износостойкости. Технологическими достоинствами упрочнения ППД являются: малая трудоёмкость, отпадает необходимость термических методов упрочнения со свойственными им недостатками.
Наклёпанный слой материала чувствителен к нагреву. Повышение темпера-
туры до 200°С мало снижает напряжение сжатия, созданное ППД, но при 1>450°С, а в некоторых случаях до 800°С действие ППД полностью снимается.
Обкатка роликами или шариками - простой и наиболее распространённый метод ППД. Обкатка повышает предел выносливости валов на гладких участках на 20-40%, в галтелях на 60-100%, сварных валов -в 2 раза, мест концентраторов и резьб в 2-3 раза.
При упрочняющей обработке режим обкатки считается правильным, если повышение твердости составляет 24-40%, а глубина наклёпа составляет Ь=(0,02-0,04) Бдет.
Обкатка валков прокатного стана ЖЗТМ им. Ильича повысила срок их службы на 64%, упрочнение обкаткой штоков штамповочных молотов усилием 50-1 ООкН позволяет повысить срок их службы в 2,5-4 раза.
На качество обработки оказывает влияние исходная шероховатость. Исходная шероховатость поверхности должна быть не выше для незакалённых сталей 2,5-5,0 мкм, для закалённых 0,75-1,25мкм.
При отделочно-упрочняющей обкатки деталей из незакалённых сталей получение минимальной шероховатости и максимального упрочнения достигается при следующих контактных давлениях: МПа 1600-1800для мягких сталей (20), 1800-2000 для сталей средней твёрдости (45) и 2000-2200 для твёрдых сталей.
Если производится только чистовая отделочная обкатка, то давление может быть снижено, при этом получаем шероховатость 11а=0.63-0.32мкм. Подача 5-10мм/об применимы на токарных станках с высотой центров 750-2500мм и на крупных карусельных станках.
Основными причинами выхода из строя стальных прокатных валков горячей прокатки являются: износ катающей поверхности, контактно-усталостное выкрашивание отдельных участков поверхности и поломки. Рабочие валки средне-листового стана 1600 диаметром 520мм упрочняли одно роликовым приспособлением (диаметр ролика 120мм,11пр=12мм) установлены в суппорте вальцето-карного станка, а также вибрирующим роликом. Глубина упрочнения от статического вдавливания ролика достигает Ь=3.5мм, вибрирующим роликом Ь=12мм.
Карагандинским политехническим институтом совместно с Карметкомби-натом разработаны принципиально новые конструкции для упрочнения чистовой обработки рабочих и опорных валков прокатного стана 1700. Отличительной особенностью их является комбинированное воздействие усилия статического давления (обкатывания) энергии и частоты ударных импульсов, что позволяет значительно снизить усилие обкатки и повысить износостойкость и усталостную прочность валков стана 1700.
В зависимости от характера эксплуатации валков разработанные (ГИО) могут работать в трёх режимах:
- упрочняющая обработка, характеризующаяся высоким давлением на ролик и большой глубиной упрочнённого слоя до 10мм и выше, в зависимости от диаметра валков при этом твёрдость поверхностного слоя повышается на 40-60%;
- чистовая обработка, характеризующая низкой шероховатостью Иа=0,32-ОДбмкм при этом обеспечивается однородность микроструктуры поверхностного слоя с наличием высоких остаточных напряжений сжатия;
- упрочняющая чистовая обработка характеризующаяся обеспечением заданных параметров качества путём подбора оптимальных режимов обкатки и конструкции обкатных инструментов.
При упрочняющей чистовой обработке валков заготовки устанавливают в центрах станка и приводят во вращение. Обкатная гидроимпульсная головка закреплённая на продольном суппорте станка получает продольное движение от ходового винта станка, и поперечное движение от гидроцилиндра механизма статического нагружения. При включении гидросистемы рабочая жидкость под давлением, соответствующей настройке ПК поступает в поршневую полость гидроцилиндра, при этом упрочняющий ролик поджимается к валку.
При достижении давления соответствующего усилию статического поджатая включается гидроимпульсный механизм обкатного устройства. Он выполнен в виде цилиндра, разделённого перегородкой на две камеры: А- холостого хода и Б- рабочего хода. Камера Б периодически сообщается через впускные отверстия в цилиндре управления с напорной магистралью, а через регулируемый дроссель - со сливной магистралью. [1,2]
Разработанные ГИО позволяют создавать усилия статической обкатки в -ЗбкН и более, частоту ударных импульсов 60-120 Гц, энергию удара 30-120Дж.
По новой технологии обработаны опорные валки диаме1ром 1500мм из стали 9ХМФ массой 35т. В качестве инструмента применяли ролик диаметром 160мм, Кпр=15мм из стали 01X15. В результате обкатки валков шероховатость поверхности составила 0,32мкм (исходная 6,3мкм) микрогвёрдосгь поверхности увеличилась на 25-30%.
Стрела прогиба, верхней и нижней бочки по клетям
Кар Клеты б 7 8 9 10 11 12
МК
Стан с!=700 верх -0,05 -0,05 - - -0,1 0,0 +01
1700 мм 0,05 0,05
рабоч ниж -0,6 -0,6 0,5 0,45 -0,45 -0,1 -0,4
Б= 1500мм 0 0 0 0 0 0 0
опорный.
Расход чугунных валков чистовой группы станка 1700 по причине выхода их из строя.
Причины выхода из строя Общее число чугунных валков, %
1989г 1990г
чугун 1,72 1,58
сталь 0,32 0,28
1 Износ бочки 22,1 13,3
2 Поломка трефа, сетка разгара 10,7 (12,6) 8,1 (9,6)
3 Трещины 10,5 6,1
4 Выкрошки 26,2 16,1
5 Прижоги подшипн 14,9 9,8
6 Износ шейки 1,5 1,3
7 Раковины 5,1 3,7
Общее число чугунных валков-616
До упрочнения После упрочнения
1- Износ бочки 22,1 16,3
2- Износ шейки 1,5 1,3
Наработка на валок, тыс. тонн
150
100
81,7% среднее
50
20 40 60 80 100
График износа валков
Оценка эксплуатационной стойкости валков проводилась на статистических данных в виде таблиц и графиков. На основе анализа результатов исследований разработаны рекомендации по повышению эффективности использования валков.
Фракгографические исследования поверхности валков после их эксплуатации с помощью электронного микроскопа типа BS-613 фирмы TESLA. Рентгенографический анализ фазового состава поверхности излома валкового материала выполнялась на установке УРС-55 А в СоКа - излучении в камере Дебая-Шерера Ж57,3мм при экспозиции 50 и 60 часов в ЦЗЛ КарМК.
Характеристика и причины образования дефектов.
На этапе изготовления и эксплуатации валков в нем возникают под поверхностные трещины. По мере эксплуатации валка она приближается к рабочей поверхности, как за счёт пере шлифовки так и за счёт роста трещин. При достижении критической толщины происходит откол или отслоение.
Металлографические исследования проводились на кольце отбеленного чугуна и куска отслоившегося металла от двухслойного валка ЛПХНд-62. Этот валок №85052 отслоился на глубину 60 мм с учётом съёма 4-5 мм, что составляет 50% от минимального значения глубины отбеленного слоя по ТУ на их производство.
На поверхности бочки валка наблюдаются поры и трещины по границе зёрен на расстоянии 15-20мм усталости расположенные под углом 90° на глубине до 50 мм.
На КарМК не достаточен запас валков с учётом естественного старения 6 месяцев, съём шлифованных валков 10-12 клетей составляет 0,2-0,3 мм, что недостаточно для полного удаления микротрещин. Валки вводятся в эксплуатацию через 1,5-2 месяца после изготовления. Запас валков составляет 140-160 при норме 350 валков.
Рекомендации по применению валков прокатных станов:
- рекомендуется ввод в клети 10-12 двухслойного валков использования ЛПХНд-72 в клети 6-8 ЛПХНд-62, ЛП58.
- увеличить съём при пере шлифовке рабочих валков клети 9-12 до 0,6-0,8 для обеспечения снятия повреждённого слоя.
- произвести симметричное профилирование верхних и нижних валков.
- предварительный подогрев в течение 2-3 часа.
ЛИТЕРАТУРА
1 Олжабаев P.O., Эйдельман В.М., Ли A.B. Устройства для упрочняюще -чистовой обкатки валков /Металлург, 1986, №5, с.33-34 /;
2 Олжабаев P.O., Кудрявцев И.В. Гидроимпульсные силовые головки для поверхностного упрочнения деталей машин / Вестник машиностроения, 1987, №4, с. 23-24 /.
