Исследование технологии наплавочного ремонта опорных валков станов горячей прокатки полосы

Аннотация: Анализируя основной материал валка, выбрать подходящий наплавочный материал. Разработать специальное приспособление для наплавки опорного валка и определить тип сварочного аппарата под флюсом. С помощью производства и испытаний имитированных роликов определяются и оптимизируются процесс наплавки и процесс термообработки. Ремонт наплавкой двух опорных роликов был выполнен поэтапно.

Ключевые слова: резервный рулон; процесс наплавки; износостойкость

В последние годы, с ростом зрелости технологии наплавки, использование метода наплавки для ремонта некоторых типов старых валков с целью продления срока службы валков стало важной мерой для крупных и средних предприятий моей страны по снижению затрат и улучшению показателей эксплуатации оборудования. Это также соответствует требованиям моей страны по энергосбережению и сокращению потребления. , зеленым требованиям по защите окружающей среды. Технология наплавки также стала экономичным, быстрым и эффективным средством производства и обслуживания в машиностроительной промышленности. Baosteel Co., Ltd. имеет три линии горячей прокатки, которые используют кованые или литые опорные валки от профессиональных производителей валков. Типичный химический состав: 0,4%~0,5% C, 5% Cr и небольшое количество других легирующих элементов. Типичная металлографическая структура рабочего слоя - мартенсит или нижний бейнит и небольшое количество карбида Cr₇C₃, а типичная металлографическая структура шейки валка - перлит. Допустимый диапазон твердости нового опорного валка составляет от 65 до 71HSD, колебание твердости поверхности валка составляет менее 2HSD, а твердость шейки валка составляет от 35 до 45HSD. В настоящее время Baosteel потребляет более 10 горячекатаных опорных валков в год, и крайне необходимо проводить ремонт наплавки на их поверхностях.

1. Конструкция наплавочного слоя опорного валика

1.1 Выбор и изготовление сварочных материалов для плакирующего слоя горячекатаного проката резервные рулоны

При выборе сварочных материалов следует учитывать следующие показатели:

(1) Совместимость тела валка и сварочного материала означает, что они должны быть взаимно растворимыми, чтобы избежать образования хрупких металлических соединений. Также необходимо учитывать различия в физических свойствах, таких как температура плавления, коэффициент расширения, теплопроводность и удельное сопротивление между ними.

(2) Состав, свойства и структура зоны сплавления. Зона сплавления — это граничная область между наплавочным слоем и подложкой и граничная область между наплавочными слоями. Граничная зона обычно включает линию сплавления и зону перехода кристаллизации. Поскольку характеристики кристаллизации каждого слоя в зоне сварки различны, из-за изменений состава может образоваться переходный слой с плохими характеристиками. Например, когда наплавочный слой из легированной стали наплавляется на низкоуглеродистую сталь, содержание C в переходном слое значительно увеличивается, образуя большое количество хрупких металлических соединений, вызывая растрескивание наплавочного слоя. В процессе наплавки следует максимально избегать или контролировать образование и рост переходного слоя, а также максимально использовать элементы и процессы, которые могут препятствовать образованию хрупких фаз, такие как наплавочные материалы, содержащие большое количество аустенитообразующих элементов. На основе вышеизложенных принципов выбранный состав сварочного материала показан в таблице 1.

Таблица 1 Химический состав сварочных материалов (массовая доля, 1ТП3Т)

	С	Кр	Си	Мо	Мн	Ни	Поток	ЧРК
базовый слой	0.10	1.00	0.80	0.60	1.9	0.9	HJ260	28
переходный слой	0.35	2.66	0.23		1.64	0.85	HJ260	32
рабочий слой	0.26	5.28	0.32	3.43	2.51	3.4	HJ260	45

1.2 Подготовка перед наплавкой сварочной проволокой и флюсом

Автоматическая сварка под флюсом широко применяется в таких производственных процессах, как изготовление металлических конструкционных деталей, благодаря своей высокой эффективности и стабильному качеству. Однако при ее применении в сварочном производстве средне- и низкоуглеродистых сталей и низколегированных конструкционных деталей наиболее заметной проблемой в процессе сварки таких стальных конструкций является возникновение трещин в сварных швах заготовки. Одной из основных причин является содержание влаги в сварочных материалах. Поэтому при использовании процесса сварки под флюсом для наплавки больших опорных роликов флюс должен быть строго высушен.

1.3 Проектирование наплавочного слоя

Требования к механическим свойствам наплавочных материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2 Механические свойства материалов твердого поверхностного (рабочего) слоя

Рп0,2/МПа	Рм/МПа	А(1ТР3Т)	КВ/Ж	ХСД
885~900	1150～1160	2.5~4.5	18~19	58～62

(1) Базовый слой: используйте низкоуглеродистые и низколегированные наплавочные материалы для обеспечения хорошей совместимости между сварочным материалом и основным металлом и достаточной пластичности для обеспечения прочности сварки сварочного материала и основного металла. Крупногабаритные кованые опорные ролики все изготавливаются из высокоуглеродистой легированной стали. Углеродный эквивалент основного материала высок, а свариваемость плохая. Для обеспечения хорошей металлургической связи между основным металлом и плакирующим металлом базовый слой должен быть плакирован до наплавки рабочего слоя. Материал базового слоя следует выбирать в соответствии с составом сплава основного металла, чтобы соответствовать низко- и среднеуглеродистой системе сплава наплавки. Необходимо учитывать металлографическую структуру системы сплава, а также прочность и вязкость наплавочного материала. Как корпус ролика, так и твердый рабочий слой поверхности обладают смачиваемостью и хорошими связующими свойствами. Если состав сплава немного ниже, следует выбирать систему сплава из нержавеющей стали с лучшей вязкостью. Микролегирующие элементы добавляются в систему плакирующего сплава для измельчения зерен и изменения формы включений, тем самым повышая прочность и вязкость плакирующего сплава.

(2) Переходный слой: твердость и прочность наплавочного слоя переходного слоя находятся между твердостью и прочностью базового слоя и рабочего слоя. Он хорошо совместим с ними и служит связующим звеном между прошлым и следующим, закладывая хорошую основу для наплавочного твердого поверхностного слоя. Переходный слой расположен между базовым слоем и рабочим слоем и играет роль буфера перехода. Поэтому материал переходного слоя должен обладать хорошей прочностью и вязкостью, а также хорошими показателями межслойного сцепления. Переходный слой обычно имеет толщину наплавки от 7 до 14 мм, а структура наплавочного слоя выбирается из бейнита + сорбита + небольшого количества других структур и карбидов или бейнита + мартенсита + небольшого количества других структур и карбидов.

(3) Рабочий слой: Используйте сварочную проволоку с более высоким содержанием легирования для повышения прочности и износостойкости рабочего слоя. В то же время сварочный материал рабочего слоя также должен иметь соответствующую коррозионную стойкость для обеспечения производительности рулона. Механические свойства приведены в Таблице 2.

2 Обработка поверхности опорного вала

2.1 Проектирование процесса наплавки

Принятие разумных параметров процесса наплавки является эффективным средством для обеспечения стабильного процесса наплавки и хорошего качества сварки. Основными параметрами процесса, которые влияют на качество наплавки, являются:. Напряжение сварки, ток и скорость сварки, скорость вращения заготовки, толщина сварочного слоя, величина перекрытия между сварными швами, положение сварки, градиент наплавляемой части заготовки, кривизна угла ступени и т. д.

2.1.1 Поворот

Перед наплавкой ультразвуковым методом и методом колористического контроля определяется место и глубина дефектов, в том числе обточка усталостного слоя старого кольца и шейки валка. Это является залогом обеспечения качества окончательной наплавки опорного валка.

2.1.2 Предварительный нагрев

Основная цель предварительного нагрева — снизить скорость охлаждения металла оболочки и зоны термического влияния в процессе плакирования, уменьшить тенденцию к закалке и уменьшить сварочное напряжение, а также предотвратить изменение фазы основного металла и металла оболочки в процессе плакирования, приводящее к трещинам. Определение температуры предварительного нагрева должно основываться на содержании C и содержании легирующих элементов в основном металле и наплавочном материале и должно быть выше температуры мартенситного превращения Ms материала.

Что касается опорного ролика, то поскольку содержание сплава в основном материале и материале покрытия относительно высокое, в сочетании с большим размером и толщиной покрытия опорного ролика, сварочное напряжение велико. Чтобы предотвратить трещины и поры, улучшить сплавление наплавленного слоя и основного металла при начале наплавки, а также избежать трещин и дефектов сварки, температура предварительного нагрева должна быть максимально увеличена. Принимая во внимание допустимую степень в реальной эксплуатации, снятие напряжений должно поддерживаться на уровне 560 °C в течение 70 часов перед наплавкой, а печь должна быть охлаждена до 370 °C для начала наплавки. Во время процесса нагрева, чтобы гарантировать, что внутренняя часть корпуса ролика прогрета и температура внутри и снаружи корпуса ролика является равномерной, подъем температуры должен быть медленным, а скорость подъема температуры предварительного нагрева должна быть ≤25 °C/ч. Время предварительного нагрева и выдержки определяется в соответствии с внешним диаметром опорного ролика. Принцип заключается в том, чтобы обеспечить нагрев заготовки ролика снаружи внутрь. И поддерживать ее при температуре 200~300℃ в течение достаточного времени, а поверхность ролика должна нагреваться равномерно.

2.1.3 Контроль равномерности температуры между слоями и тела ролика в процессе наплавки

Соответствует ли температура между слоями в процессе наплавки или нет, играет важную роль в предотвращении дефектов процесса, таких как трещины. Необходимо обеспечить, чтобы температура между слоями была выше 300°C (выше точки мартенситного превращения Ms материала). Чтобы избежать мартенситного превращения и эффектов закалки и отпуска металла оболочки, весь слой оболочки одновременно после сварки подвергается мартенситному превращению в электропечи для термообработки. Только таким образом можно обеспечить однородность структуры и твердость слоя оболочки.

При ремонте и наплавке рулона вторичного использования температура наплавляемой части основного металла должна строго соблюдаться в соответствии с требованиями процесса. Всегда обеспечивать равномерность предварительного нагрева плакирующего основного металла. Если температура наплавляемой части основного металла ниже требований процесса, наплавку следует прекратить и выполнить промежуточный нагрев, а наплавку продолжить после того, как температура наплавляемой части основного металла достигнет требований процесса. Весь процесс наплавки должен осуществляться на основе строгого поддержания постоянной температуры основного тела для обеспечения прочности после сплавления.

Что касается опорного ролика, то поскольку содержание сплава в основном материале и материале покрытия относительно высокое, размер опорного ролика и толщина наплавки большие, а сварочное напряжение высокое. Температура между проходами должна строго контролироваться для поддержания координации работы нескольких сварочных машин и постоянства температуры между проходами. При наплавке поверхности ролика, в дополнение к продолжению нагрева и изоляции сторон, следует использовать пламенные нагреватели для своевременного нагрева и изоляции на обоих концах из-за быстрого рассеивания тепла.

2.1.4 Промежуточная термическая обработка для снятия напряжений

Так как плакирующий валик представляет собой многослойную многопроходную сварку, задний слой оказывает термическое воздействие на передний слой, и накопление водорода в сварном шве также увеличивается слой за слоем. Поэтому в процессе плакирования, когда толщина плакирования достигает определенного диапазона (толщина односторонней плакировки 20-25 мм), необходимо выполнить отжиговую термическую обработку, чтобы гарантировать устранение напряжений плакирования, а затем плакирование продолжается до заданного размера.

Поскольку точки мартенситного превращения материалов наплавки основного слоя, переходного слоя и рабочего слоя различны, то в качестве опорного значения температуры между слоями обычно используют материал с самой высокой точкой мартенситного превращения. Что касается материала опорного ролика, то температуру необходимо контролировать на уровне 480~520℃, поддерживать температуру около 20 часов, а печь охлаждают до 400℃ перед началом наплавки в печи. Повторяйте процесс термообработки наплавки и улучшения структуры до тех пор, пока толщина наплавки не достигнет размера, требуемого чертежом.

2.1.5 Послесварочная термообработка

Дисперсионно-упрочняющая обработка (отпуск) требуется после сварки для полного осаждения карбидов, таких как V₄C₃, Mo₂C, Cr₇C₃ для дисперсионного упрочнения, чтобы получить хорошую металлографическую структуру наплавочного слоя после сварки. Отрегулируйте твердость наплавочного слоя и устраните сварочное напряжение, вызванное термическим расширением и сжатием в процессе наплавки. Основная цель послесварочной термообработки - улучшить послесварочную структуру и устранить сварочное напряжение. Опорный ролик после наплавки следует медленно охлаждать и не превышать 250 ℃ перед термообработкой. Начальная температура печи для термообработки составляет около 280 °C, медленно нагревайте до 480 ~ 520 °C и сохраняйте тепло в течение 20 часов. В диапазоне от 520 до 450 °C температура не падает более чем на 10 °C каждый час. Когда температура падает до 450°C, питание отключается, печь медленно охлаждается и выгружается при комнатной температуре.

После наплавки опорного ролика его следует медленно охладить, и температура не должна превышать 250°C, прежде чем его поместят в специальную термическую печь для отпуска. Термическая печь требует хорошей равномерности температуры в печи, точного измерения температуры и точного процесса контроля температуры. Нагрев, сохранение тепла и охлаждение всего процесса термической обработки должны строго выполняться в соответствии с требованиями процесса.

Чтобы в полной мере раскрыть эксплуатационные характеристики материала, следует выбрать высокотемпературный отпуск при 540~560℃. Слишком высокая или слишком низкая температура отпуска снизит твердость наплавленного слоя. Это связано с тем, что при слишком высокой температуре усиливается разложение мартенсита и агрегация карбидов; при слишком низкой температуре эффект дисперсионного упрочнения будет недостаточным. Разумная температура отпуска дополняется достаточным временем отпуска. Металлографическая структура наплавленного слоя после отпуска представляет собой отпущенный мартенсит + карбид.

В процессе доставки в печь можно использовать толстые асбестовые прокладки для обертывания валков, чтобы предотвратить быстрое падение температуры валков. В то же время начальная температура в печи должна находиться в требуемом диапазоне температуры предварительного нагрева опорного валка или температуры между слоями. В процессе нагрева, чтобы обеспечить равномерную температуру, скорость нагрева должна быть медленной. В процессе охлаждения, чтобы предотвратить возникновение нового напряжения, его также следует охлаждать медленно. После того, как опорный валок постепенно остынет до 50°C, его можно вынуть из печи и дать ему остыть до комнатной температуры естественным путем. В то же время следует обеспечить постоянство температуры на торцевой кромке и средней части корпуса валика во время процесса охлаждения и избежать разницы твердости, вызванной быстрым охлаждением торцевой кромки.

2.1.6 Резервная защита шеи рулона

Цапфа должна быть защищена во время отпуска. Цапфа не может быть подвержена влиянию температуры процесса термообработки. Как только температура воздействует на шейку, поверхность шейки окисляется, влияя на допуск формы этой детали и даже вызывая серьезный выход концентричности за пределы допуска из-за осевого изгиба. Поскольку опорный ролик тяжелый, требует много времени для сварки и всегда вращается, шейки с обеих сторон ролика должны быть защищены. Две части кованых втулок (2900/400 мм × 300 мм) обрабатываются в соответствии с размером шейки. После обработки они собираются на шейках с обеих сторон ролика и фиксируются. Втулки роликов не должны перемещаться последовательно.

2.2 Процесс наплавки

Параметры процесса наплавки приведены в таблице 3. По данным контроля окраски поверхности валков и ультразвукового контроля поверхность валков обтачивается (>1436 мм) для подтверждения отсутствия трещин, пор и других дефектов, влияющих на наплавку.

Таблица 3 Параметры процесса наплавки

Температура предварительного нагрева ℃	Сварочный ток А	Напряжение В	Скорость сварки мм/мин	Выступ проволоки мм	Температура между проходами ℃	Промежуточная термообработка ℃	Термическая обработка после сварки ℃
350～450	400～550	28~32	380～500	20～35	280～320	450～500	480～520

Наплавка разделяется на базовый слой, переходный слой и рабочий слой. Базовый слой выполняется из двух слоев, около 7 мм с одной стороны. Переходный слой выполняется из двух слоев, около 7 мм с одной стороны. Рабочий слой необходимо выполнить многослойной наплавкой на поверхность валика в соответствии с требованиями ремонта. После промежуточной наплавки 20-30 мм необходимо провести термообработку до тех пор, пока диаметр поверхности валика не достигнет согласованных требований. Перед наплавкой сварочную проволоку и флюс сушат при температуре 200°С и выдерживают в течение 2 часов.

Первая герметизирующая термическая обработка печи: нагреть до >200℃ и выдержать в течение 4~6 ч, нагреть до >300℃ и выдержать в течение 5~10 ч, нагреть до >400℃ и выдержать в течение 5~10 ч, нагреть до >560℃ и выдержать в течение 20~30 ч. Охладить печь до <400℃ и открыть печь для первой наплавки. Используйте Stellite ∅ 4 мм, сварочную проволоку 108 + флюс 260 для сварки двух базовых слоев. Затем используйте Stellite ∅04 мм, сварочную проволоку 107M + флюс 260 для сварки двух переходных слоев и используйте сварочную проволоку 254 + флюс 260 для сварки твердой поверхности до ∅1491 мм × 2090 мм.

Вторая герметизирующая термическая обработка в печи: нагрев до >200℃ и выдержка в течение 4~8 ч, нагрев до >400℃ и выдержка в течение 10~14 ч, нагрев до >560℃ и выдержка в течение 8~12 ч. Охладите печь до <400℃ и откройте печь для второй наплавки, используя сварочную проволоку Stellite 254 + флюс 260 для сварки до ∅1545 мм×2075 мм.

Третья герметизирующая термическая обработка печи: охлаждение до 200℃ и выдержка в течение 5~9 часов, нагрев до >300℃ и выдержка в течение 8~10 часов, нагрев до >400℃ и выдержка в течение 8~10 часов, нагрев до >560℃ и выдержка в течение 5~8 часов. Охладите печь до <400℃ и откройте печь для третьей наплавки. Используйте сварочную проволоку Stellite 254 + флюс 260 для сварки до ∅1594,5 мм×2065 мм.

Четвертая термическая обработка в печи: нагрев до >200℃ и выдержка в течение 6~8 часов, нагрев до >300℃ и выдержка в течение 6~8 часов, нагрев до >400℃ и выдержка в течение 8~10 часов, нагрев до >560℃ и выдержка в течение 8~10 часов, охлаждение печи до комнатной температуры.

Поверхность наплавки должна быть гладкой и без дефектов, таких как трещины и поры. Наплавочный слой имеет плотную структуру, без дефектов и стабильное качество. Типичная структура наплавочного слоя представлена на рисунке 1.

(а) малое увеличение (б) большое увеличение

Рисунок 1 Металлографическая структура наплавленного слоя

3 Твердость и промышленное применение наплавочных роликов

Твердость плакирующего валка приведена в таблице 4. Видно, что твердость поверхности наплавки составляет 61~63HSD, что соответствует требованиям.

С момента первого использования отремонтированного опорного ролика на машине в сентябре 2012 года он использовался 10 раз на нижней роликовой станции R3. Подробности см. в Таблице 5. Результаты износа показывают, что при обычных циклах замены роликов относительный износ опорного ролика 0764# составляет от 0,2 до 0,4 мм, что соответствует уровню обычных роликов.

Таблица 4 Результаты испытания твердости опорного ролика 0764# (HSD)

Корпус ролика	1	2	3	4	5
Автобус 1	62	62	62	62	62
Автобус 2	62	63	62	62	61
Автобус 3	62	62	63	63	62
Автобус 4	61	62	62	62	62

Таблица 5 История использования опорного ролика 0764#

Серийный номер	Дата запуска машины	Дата снятия машины с эксплуатации	Диаметр машины мм	Прокатный тоннаж	Диаметр до шлифования мм	Абсолютный износ мм	Относительный износ мм	Диаметр после шлифовки мм
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 Заключение

(1) Определен материал сварочной проволоки каждого наплавочного слоя, состав проволоки рабочего слоя - Cr5Ni3Mo3, а основного слоя - 20CrNiMo.

(2) Токарная обработка должна удалять остаточный усталостный слой на поверхности ролика, а температура предварительного нагрева, температура между слоями и температура послесварочной термообработки должны быть выше температуры мартенситного превращения основного металла и материала покрытия. В процессе наплавки необходимо использовать втулки для защиты опорной шейки валка.

(3) Опорные ролики, отремонтированные методом наплавки, могут соответствовать требованиям эксплуатации рам R3 и R4 производственной линии 2050. Толщина наплавочного ролика в миллиметрах эквивалентна толщине обычного опорного ролика. Продвижение и применение технологии наплавочного ремонта опорных роликов имеет хорошие экономические и социальные выгоды.