Recherche sur la technologie de réparation de surface des cylindres de support dans les laminoirs à chaud

Résumé : En analysant le matériau de base du rouleau, sélectionnez le matériau de revêtement approprié. Développez un dispositif spécial pour le soudage de revêtement du rouleau de support et déterminez le type de machine de soudage à l'arc submergé. Grâce à la production et aux tests de rouleaux simulés, le processus de revêtement et le processus de traitement thermique sont déterminés et optimisés. La réparation par soudage de recouvrement des deux rouleaux de support a été réalisée par étapes.

Mots clés: rouleau de sauvegarde; procédé de surfaçage ; résistance à l'usure

Ces dernières années, avec la maturité croissante de la technologie de surfaçage, l'utilisation de la méthode de surfaçage pour réparer certains types de rouleaux anciens afin de prolonger la durée de vie des rouleaux est devenue une mesure importante pour les grandes et moyennes entreprises de mon pays pour réduire les coûts et améliorer les taux de fonctionnement des équipements. Cela est également conforme aux économies d'énergie et à la réduction de la consommation de mon pays. , exigences de protection de l'environnement vert. La technologie de surfaçage est également devenue un moyen économique, rapide et efficace de fabrication et de maintenance dans l'industrie de fabrication de machines. Baosteel Co., Ltd. possède trois lignes de laminage à chaud qui utilisent des rouleaux de support forgés ou coulés de fabricants de rouleaux professionnels. La composition chimique typique est : 0,4%~0,5% C, 5% Cr et une petite quantité d'autres éléments d'alliage. La structure métallographique typique de la couche de travail est la martensite ou la bainite inférieure et une petite quantité de carbure Cr₇C₃, et la structure métallographique typique du col du rouleau est la perlite. La plage de dureté autorisée du nouveau rouleau de support est de 65 à 71 HSD, la fluctuation de la dureté de la surface du rouleau est inférieure à 2 HSD et la dureté du col du rouleau est de 35 à 45 HSD. À l'heure actuelle, Baosteel consomme plus de 10 rouleaux de support laminés à chaud chaque année, et il est très nécessaire d'effectuer des réparations de surface sur leurs surfaces.

1 Conception de la couche de surface du rouleau de secours

1.1 Sélection et fabrication des matériaux de soudage pour la couche de revêtement des tôles laminées à chaud rouleaux de sauvegarde

Lors de la sélection des matériaux de soudage, les indicateurs suivants doivent être pris en compte :

(1) La compatibilité du corps du rouleau et du matériau de soudage signifie que les deux doivent être mutuellement solubles pour éviter la génération de composés métalliques cassants. Il est également nécessaire de prendre en compte les différences de propriétés physiques telles que la température de fusion, le coefficient de dilatation, la conductivité thermique et la résistance spécifique entre les deux.

(2) La composition, les propriétés et la structure de la zone de fusion. La zone de fusion est la zone limite entre la couche de surface et le substrat et la zone limite entre les couches de surface. La zone limite comprend généralement la ligne de fusion et la zone de transition de cristallisation. Étant donné que les caractéristiques de cristallisation de chaque couche dans la zone de soudage sont différentes, une couche de transition aux performances médiocres peut se former en raison de changements de composition. Par exemple, lorsqu'une couche de soudage en acier allié est plaquée sur de l'acier à faible teneur en carbone, la teneur en C dans la couche de transition augmente considérablement, formant une grande quantité de composés métalliques cassants, provoquant une fissuration de la couche de soudage. Pendant le processus de surfaçage, la génération et la croissance de la couche de transition doivent être évitées ou contrôlées autant que possible, et des éléments et des procédés qui peuvent inhiber la génération de phases cassantes doivent être utilisés autant que possible, tels que des matériaux de surfaçage contenant une grande quantité d'éléments formant de l'austénite. Sur la base des principes ci-dessus, la composition du matériau de soudage sélectionné est indiquée dans le tableau 1.

Tableau 1 Composition chimique des matériaux de soudage (fraction massique, %)

	C	Cr	Si	Moi	Mn	Ni	Flux	HRC
couche de base	0.10	1.00	0.80	0.60	1.9	0.9	HJ260	28
couche de transition	0.35	2.66	0.23		1.64	0.85	HJ260	32
couche de travail	0.26	5.28	0.32	3.43	2.51	3.4	HJ260	45

1.2 Préparation avant le surfaçage du fil de soudage et du flux

Le soudage automatique à l'arc submergé a été largement promu dans les processus de fabrication tels que les pièces de structure métallique en raison de son rendement élevé et de sa qualité stable. Cependant, lorsqu'il est appliqué à la production de soudage de pièces de structure en acier à teneur en carbone moyenne et faible et à faible alliage, le problème le plus important pendant le processus de soudage de ces structures en acier est l'apparition de fissures dans les soudures de la pièce. L'une des principales raisons est la teneur en humidité des matériaux de soudage. Par conséquent, lors de l'utilisation du procédé de soudage à l'arc submergé pour le surfaçage de gros rouleaux de support, le flux doit être strictement séché.

1.3 Conception de la couche de surface

Les exigences en matière de propriétés mécaniques des matériaux de revêtement sont présentées dans le tableau 2.

Tableau 2 Propriétés mécaniques des matériaux de la couche superficielle dure (de travail)

Rp0,2/MPa	RM/MPa	Un(%)	KV/J	HSD
885~900	1150 à 1160	2.5~4.5	18~19	58～62

(1) Couche de base : Utiliser des matériaux de surface à faible teneur en carbone et à faible alliage pour assurer une bonne compatibilité entre le matériau de soudage et le métal de base et une plasticité suffisante pour assurer la résistance de soudage du matériau de soudage et du métal de base. Les rouleaux de support forgés à grande échelle sont tous en acier allié à haute teneur en carbone. L'équivalent carbone du matériau de base est élevé et la soudabilité est médiocre. Afin d'assurer une bonne liaison métallurgique entre le métal de base et le métal de revêtement, la couche de base doit être plaquée avant la couche de travail de rechargement dur. Le matériau de la couche de base doit être sélectionné en fonction de la composition de l'alliage du métal de base pour correspondre au système d'alliage de rechargement à faible et moyen carbone. Il est nécessaire de prendre en compte la structure métallographique du système d'alliage ainsi que la résistance et la ténacité du matériau de rechargement. Le corps du rouleau et la couche de travail de surface dure ont tous deux une mouillabilité et de bonnes propriétés de liaison. Lorsque la composition de l'alliage est légèrement inférieure, un système d'alliage en acier inoxydable avec une meilleure ténacité doit être sélectionné. Des éléments de micro-alliage sont ajoutés au système d'alliage de revêtement pour affiner les grains et modifier la forme des inclusions, améliorant ainsi la résistance et la ténacité de l'alliage de revêtement.

(2) Couche de transition : La dureté et la résistance de la couche de surface de la couche de transition se situent entre celles de la couche de base et de la couche de travail. Elle présente une bonne compatibilité avec les deux et sert de lien entre le passé et le suivant, posant une bonne base pour la couche de surface dure de surface. La couche de transition est située entre la couche de base et la couche de travail et joue un rôle de tampon de transition. Par conséquent, le matériau de la couche de transition doit avoir une bonne résistance et une bonne ténacité ainsi qu'une bonne performance de liaison intercouche. La couche de transition a généralement une épaisseur de surface de 7 à 14 mm, et la structure de la couche de surface est choisie parmi bainite + sorbite + une petite quantité d'autres structures et carbures ou bainite + martensite + une petite quantité d'autres structures et carbures.

(3) Couche de travail : utilisez un fil de soudage avec une teneur en alliage plus élevée pour améliorer la résistance et la résistance à l'usure de la couche de travail. Dans le même temps, le matériau de soudage de la couche de travail doit également avoir une résistance à la corrosion correspondante pour garantir les performances du rouleau. Les propriétés mécaniques sont présentées dans le tableau 2.

2 Traitement de surface du rouleau de support

2.1 Conception du procédé de surfaçage

L'adoption de paramètres de processus de surfaçage raisonnables est un moyen efficace de garantir un processus de surfaçage stable et une bonne qualité de soudure. Les principaux paramètres de processus qui affectent la qualité du soudage de surface sont : la tension de soudage, le courant et la vitesse de soudage, la vitesse de rotation de la pièce, l'épaisseur de la couche de soudage, la quantité de chevauchement entre les cordons de soudure, la position de soudage, le gradient de la partie de surfaçage de la pièce, la courbure des coins de la marche, etc.

2.1.1 Tournage

Avant le placage, des contrôles par ultrasons et des tests de coloration sont utilisés pour déterminer l'emplacement et la profondeur des défauts, y compris le tournage de la couche de fatigue de l'ancienne bague et du col du rouleau. C'est la clé pour garantir la qualité du placage final du rouleau de secours.

2.1.2 Préchauffage

Le préchauffage a pour objectif principal de réduire la vitesse de refroidissement du métal de revêtement et de la zone affectée par la chaleur pendant le processus de revêtement, de réduire la tendance au durcissement et de réduire la contrainte de soudage, et d'empêcher le métal de base et le métal de revêtement de changer de phase pendant le processus de revêtement, ce qui entraînerait des fissures. La détermination de la température de préchauffage doit être basée sur la teneur en C et la teneur en alliage du métal de base et du matériau de revêtement, et doit être supérieure au point de température de transformation martensitique Ms du matériau.

En ce qui concerne le rouleau de support, étant donné que la teneur en alliage du matériau de base et du matériau de revêtement est relativement élevée, associée à la grande taille et à l'épaisseur de revêtement du rouleau de support, la contrainte de soudage est importante. Afin d'éviter les fissures et les pores, d'améliorer la fusion de la couche de soudure et du métal de base au début du surfaçage et d'éviter les fissures et les défauts de soudage, la température de préchauffage doit être augmentée autant que possible. Compte tenu du degré admissible en fonctionnement réel, la détente des contraintes doit être maintenue à 560 °C pendant 70 heures avant le surfaçage et le four doit être refroidi à 370 °C pour commencer le surfaçage. Pendant le processus de chauffage, afin de garantir que l'intérieur du corps du rouleau est chauffé de part en part et que la température à l'intérieur et à l'extérieur du corps du rouleau est uniforme, l'augmentation de la température doit être lente et la vitesse d'augmentation de la température de préchauffage doit être ≤ 25 °C/h. Le temps de préchauffage et de maintien est déterminé en fonction du diamètre extérieur du rouleau de support. Le principe est de s'assurer que l'ébauche du rouleau est chauffée de l'extérieur vers l'intérieur. Et maintenez-la à 200~300℃ pendant une durée suffisante, et la surface du rouleau doit être chauffée uniformément.

2.1.3 Contrôle de la température de la couche intermédiaire et de l'uniformité de la température du corps du rouleau pendant le processus de soudage par placage

La température de la couche intermédiaire lors du processus de rechargement joue un rôle important pour éviter les défauts de processus tels que les fissures. Il faut veiller à ce que la température de la couche intermédiaire soit supérieure à 300 °C (supérieure à la température de transformation martensitique Ms point du matériau). Pour éviter la transformation martensitique et les effets de trempe et de revenu du métal de revêtement, toute la couche de revêtement subit une transformation martensitique dans le four électrique de traitement thermique en même temps après le soudage. C'est la seule façon de garantir l'uniformité de la structure et de la dureté de la couche de revêtement.

Pendant le processus de réparation et de surfaçage du rouleau destiné à une utilisation secondaire, la température de la partie de surfaçage du métal de base doit être strictement appliquée conformément aux exigences du processus. Assurez-vous toujours de l'uniformité du préchauffage du métal de base de revêtement. Lorsque la température de la pièce de soudage par recouvrement du métal de base est inférieure aux exigences du processus, le soudage par recouvrement doit être arrêté et un chauffage intermédiaire doit être effectué, et le soudage par recouvrement doit être poursuivi une fois que la température de la pièce de soudage par recouvrement du métal de base a atteint les exigences du processus. L'ensemble du processus de surfaçage doit être effectué sur la base du maintien strict du corps mère à une température constante pour garantir la résistance après fusion.

En ce qui concerne le rouleau de support, étant donné que la teneur en alliage du matériau de base et du matériau de revêtement est relativement élevée, la taille du rouleau de support et l'épaisseur de la surface sont toutes deux grandes et la contrainte de soudage est élevée. La température entre les passes doit être strictement contrôlée pour maintenir la coordination de plusieurs machines de soudage et la cohérence de la température entre les passes. Lors du surfaçage de la surface du rouleau, en plus de continuer à chauffer et à isoler les côtés, des réchauffeurs de flamme doivent être utilisés pour ajouter un chauffage et une isolation opportuns aux deux extrémités en raison de la dissipation rapide de la chaleur.

2.1.4 Traitement thermique de relaxation des contraintes intermédiaires

Étant donné que le rouleau de placage est un soudage multicouche à passes multiples, la couche arrière a un effet de traitement thermique sur la couche avant et l'accumulation d'hydrogène dans la soudure augmente également couche par couche. Par conséquent, pendant le processus de placage, lorsque l'épaisseur du placage atteint une certaine plage (épaisseur de placage unilatérale de 20 à 25 mm), un traitement thermique de recuit doit être effectué pour garantir que la contrainte de placage est éliminée, puis le placage continue jusqu'à la taille spécifiée.

Étant donné que les points de transformation martensitique des matériaux de revêtement de la couche de base, de la couche de transition et de la couche de travail sont différents, le matériau ayant le point de transformation martensitique le plus élevé est généralement utilisé comme valeur de référence de la température intercouche. Quant au matériau du rouleau de support, la température doit être contrôlée à 480~520℃, la température est maintenue pendant environ 20 heures et le four est refroidi à 400℃ avant de commencer le surfaçage du four. Répétez le processus de traitement thermique du revêtement et améliorez la structure jusqu'à ce que l'épaisseur du revêtement atteigne la taille requise par le dessin.

2.1.5 Traitement thermique après soudage

Français Un traitement de renforcement par dispersion (trempe) est nécessaire après le soudage pour précipiter complètement les carbures tels que V₄C₃, Mo₂C, Cr₇C₃ pour le renforcement par dispersion, afin d'obtenir une bonne structure métallographique de la couche de surface après le soudage. Ajustez la dureté de la couche de surface et éliminez la contrainte de soudage causée par la dilatation et la contraction thermiques pendant le processus de surfaçage. L'objectif principal du traitement thermique après soudage est d'améliorer la structure après soudage et d'éliminer la contrainte de soudage. Le rouleau de support après surfaçage doit être refroidi lentement et ne pas dépasser 250℃ avant le traitement thermique. La température initiale du four de traitement thermique est d'environ 280°C, chauffez lentement jusqu'à 480~520°C et maintenez-le au chaud pendant 20 heures. Dans la plage de 520 à 450°C, la température ne baisse pas de plus de 10°C toutes les 1 heure. Lorsque la température descend à 450°C, l'alimentation électrique est coupée et le four est refroidi lentement, puis le four est déchargé à température ambiante.

Une fois le rouleau de support soudé, il doit être refroidi lentement et la température ne doit pas dépasser 250 °C avant d'être soulevé dans un four électrique de traitement thermique spécial pour le traitement de revenu. Le four de traitement thermique nécessite une bonne uniformité de température dans le four, une mesure précise de la température et un processus de contrôle précis de la température. Le chauffage, la conservation de la chaleur et le refroidissement de l'ensemble du processus de traitement thermique doivent être strictement mis en œuvre conformément aux exigences du processus.

Afin de maximiser les performances du matériau, il convient de sélectionner un revenu à haute température de 540 à 560 °C. Une température de revenu trop élevée ou trop basse réduira la dureté de la couche de surface. En effet, si la température est trop élevée, la décomposition de la martensite et l'agrégation des carbures s'intensifieront ; si la température est trop basse, l'effet de renforcement de la dispersion sera insuffisant. Une température de revenu raisonnable est complétée par un temps de revenu suffisant. La structure métallographique de la couche de surface après revenu est martensite + carbure.

Pendant le processus de livraison du four, des tampons d'amiante épais peuvent être utilisés pour envelopper les rouleaux afin d'empêcher la chute rapide de la température des rouleaux. Dans le même temps, la température initiale dans le four doit se situer dans la plage requise de la température de préchauffage du rouleau de support ou de la température intercalaire. Pendant le processus de chauffage, afin d'assurer une température uniforme, la vitesse de chauffage doit être lente. Pendant le processus de refroidissement, afin d'éviter la génération de nouvelles contraintes, il doit également être refroidi lentement. Une fois que le rouleau de support a progressivement refroidi à 50 °C, il peut être retiré du four et laissé refroidir naturellement à température ambiante. Dans le même temps, assurez-vous de la cohérence de la température au niveau du bord d'extrémité et de la partie médiane du corps du rouleau pendant le processus de refroidissement et évitez la différence de dureté causée par le refroidissement rapide du bord d'extrémité.

2.1.6 Protection de col roulé de secours

Le tourillon doit être protégé pendant le revenu. Le tourillon ne peut pas être affecté par la température du processus de traitement thermique. Une fois que la température affecte le tourillon, la surface du tourillon sera oxydée, affectant la tolérance de forme de cette pièce, et même provoquant une concentricité gravement hors tolérance en raison de la flexion axiale. Étant donné que le rouleau de support est lourd, prend beaucoup de temps à souder et tourne toujours, les tourillons des deux côtés du rouleau doivent être protégés. Deux pièces de bagues forgées (2900/400 mm × 300 mm) sont usinées en fonction de la taille du tourillon. Après le traitement, elles sont assemblées sur les tourillons des deux côtés du rouleau et fixées. Les bagues du rouleau ne sont pas autorisées à se déplacer en série.

2.2 Procédé de surfaçage

Les paramètres du processus de surfaçage sont indiqués dans le tableau 3. Selon l'inspection de la coloration de la surface du rouleau et l'inspection par ultrasons, la surface du rouleau est tournée (> 1436 mm) pour confirmer qu'il n'y a pas de fissures, de pores et d'autres défauts qui affectent le soudage de surface.

Tableau 3 Paramètres du processus de surfaçage

Température de préchauffage ℃	Courant de soudage A	Tension V	Vitesse de soudage mm/min	Dépassement du fil mm	Température entre les passes ℃	Traitement thermique intermédiaire ℃	Traitement thermique après soudage ℃
350 à 450	400 à 550	28~32	380 à 500	20 à 35	280 à 320	450 à 500	480 à 520

Le soudage de surface est divisé en couche de base, couche de transition et couche de travail. La couche de base est conçue avec deux couches, d'environ 7 mm d'un côté. La couche de transition est conçue avec deux couches, d'environ 7 mm d'un côté. La couche de travail doit effectuer un surfaçage multicouche sur la surface du rouleau en fonction des exigences de réparation. Après 20 à 30 mm de soudage de surface intermédiaire, un traitement thermique doit être effectué jusqu'à ce que le diamètre de la surface du rouleau atteigne les exigences convenues. Avant le surfaçage, le fil de soudage et le flux sont séchés à 200 °C et conservés pendant 2 heures.

Premier traitement thermique de scellement au four : chauffer à > 200 ℃ et maintenir pendant 4 à 6 heures, chauffer à > 300 ℃ et maintenir pendant 5 à 10 heures, chauffer à > 400 ℃ et maintenir pendant 5 à 10 heures, chauffer à > 560 ℃ et maintenir pendant 20 à 30 heures. Refroidir le four à < 400 ℃ et ouvrir le four pour le premier soudage de surface. Utiliser du fil de soudage Stellite ∅ 4 mm, 108 + du flux 260 pour souder les deux couches de base. Utiliser ensuite du fil de soudage Stellite ∅ 04 mm, 107M + du flux 260 pour souder les deux couches de transition, et utiliser du fil de soudage 254 + du flux 260 pour souder la surface dure à ∅ 1491 mm × 2090 mm.

Deuxième traitement thermique de scellement au four : chauffer à > 200 ℃ et maintenir pendant 4 à 8 heures, chauffer à > 400 ℃ et maintenir pendant 10 à 14 heures, chauffer à > 560 ℃ et maintenir pendant 8 à 12 heures. Refroidir le four à < 400 ℃ et ouvrir le four pour le deuxième soudage de surface, en utilisant du fil de soudage Stellite 254 + du flux 260 pour souder à ∅1545 mm × 2075 mm.

Troisième traitement thermique de scellement au four : refroidissement à 200 ℃ et maintien pendant 5 à 9 heures, chauffage à > 300 ℃ et maintien pendant 8 à 10 heures, chauffage à > 400 ℃ et maintien pendant 8 à 10 heures, chauffage à > 560 ℃ et maintien pendant 5 à 8 heures. Refroidissez le four à < 400 ℃ et ouvrez le four pour le troisième soudage de surface. Utilisez du fil de soudage Stellite 254 + du flux 260 pour souder à ∅1594,5 mm × 2065 mm.

Quatrième traitement thermique de scellage au four : chauffer à > 200 ℃ et maintenir pendant 6 à 8 heures, chauffer à > 300 ℃ et maintenir pendant 6 à 8 heures, chauffer à > 400 ℃ et maintenir pendant 8 à 10 heures, chauffer à > 560 ℃ et maintenir pendant 8 à 10 heures, refroidir le four à température ambiante.

La surface de la couche de surface doit être lisse et exempte de défauts tels que des fissures et des pores. La couche de surface a une structure dense, aucun défaut et une qualité stable. La structure typique d'une couche de surface est illustrée à la figure 1.

(a) faible grossissement (b) fort grossissement

Figure 1 Structure métallographique de la couche de surface

3 Dureté et application industrielle des rouleaux de placage

La dureté du rouleau de revêtement est indiquée dans le tableau 4. On peut voir que la dureté de surface du soudage de surface est de 61~63HSD, ce qui répond aux exigences.

Depuis que le rouleau de support réparé a été utilisé pour la première fois sur la machine en septembre 2012, il a été utilisé 10 fois dans la station de rouleaux inférieurs R3. Voir le tableau 5 pour plus de détails. Les résultats d'usure montrent que dans le cadre de cycles de remplacement de rouleaux normaux, l'usure relative du rouleau de support 0764# est comprise entre 0,2 et 0,4 mm, ce qui est au même niveau que les rouleaux ordinaires.

Tableau 4 Résultats du test de dureté du rouleau de support 0764# (HSD)

Corps du rouleau	1	2	3	4	5
Autobus 1	62	62	62	62	62
Autobus 2	62	63	62	62	61
Autobus 3	62	62	63	63	62
Autobus 4	61	62	62	62	62

Tableau 5 Historique d'utilisation du rouleau de secours 0764#

Numéro de série	Date de démarrage de la machine	Date de retrait de la machine	Diamètre de la machine mm	Tonnage roulant	Diamètre avant rectification mm	Usure absolue mm	Usure relative mm	Diamètre après rectification mm
1	2012.09.13	2012.09.28	1583.30	25600	1582.90	0.40	0.1054	1581.85
2	2012.10.09	2012.11.08	1581.85	453318	1580.95	0.90	0.3408	1577.85
3	2012.12.04	2013.01.05	1577.85	456413	1577.05	0.80	0.3312	1573.50
4	2013.01.29	2013.02.26	1573.50	360362	1572.80	0.70	0.2014	1570.00
5	2013.03.29	2013.04.23	1570.00	367017	1569.00	1.00	0.3140	1566.10
6	2013.08.12	2013.09.17	1566.10	539741	1565.50	0.60	0.2865	1562.00
7	2013.10.28	2013.12.06	1562.00	477281	1561.61	0.39	0.3017	1558.20
8	2014.01.07	2014.02.02	1558.20	393157	1557.80	0.40	0.3805	1554.40
9	2014.03.31	2014.05.03	1554.40	529014	1553.45	0.95	0.3307	1550.40
10	2014.06.04	2014.07.03	1550.40	452598	1549.60	0.80	0.2578	1546.40

4 Conclusion

(1) Le matériau du fil de soudage de chaque couche de surface est déterminé, la composition du fil de la couche de travail est Cr5Ni3Mo3 et la couche de base est 20CrNiMo.

(2) Le traitement de tournage doit éliminer la couche de fatigue résiduelle sur la surface du rouleau, et la température de préchauffage, la température intercouche et la température de traitement thermique après soudage doivent être supérieures à la température de transformation martensitique du métal de base et du matériau de revêtement. Pendant le processus de surfaçage, des bagues doivent être utilisées pour protéger le col du rouleau de secours.

(3) Les rouleaux de support réparés par surfaçage peuvent répondre aux exigences d'utilisation des châssis R3 et R4 de la ligne de production 2050. L'épaisseur millimétrique du rouleau de revêtement est équivalente à celle d'un rouleau de support ordinaire. La promotion et l'application de la technologie de réparation de surface pour les rouleaux de support présentent de bons avantages économiques et sociaux.