автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Ресурсосберегающие технологии изготовления слитков для роликов МНЛЗ на основе электрошлакового переплава

На правах рукописи

БЕРДНИКОВ АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛИТКОВ ДЛЯ РОЛИКОВ МНЛЗ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО

ПЕРЕПЛАВА

Специальность 05.16.02-Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

Магнитогорск - 2013

005532496

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

Бигеев Вахит Абдрашитович, доктор технических наук, профессор.

Рощин Василий Ефимович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», (НИУ), г. Челябинск, профессор кафедры пирометаллургических процессов; Юречко Дмитрий Валентинович, кандидат технических наук, ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», начальник лаборатории непрерывной разливки стали.

ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский технологический университет «Московский институт стали и сплавов», г. Москва.

Защита состоится 21 мая 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь Ç& «Цванов

диссертационного совета /¿l/fl „//- щеда^ Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время технология непрерывной разливки стали является доминирующей в металлургическом производстве. Процесс происходит в машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), основными узлами которых являются кристаллизатор и роликовое полотно в виде секций и блоков.

В медном водоохлаждаемом кристаллизаторе формируется сляб, который выходит в зону вторичного охлаждения и окончательно затвердевает при движении по роликовому полотну. Ролики являются одним из основных элементов, определяющих длительность работы МНЛЗ. Любое изменение рабочей поверхности роликов отражается на качестве непрерывно-литой заготовки. На ней могут иметь место закаты, надцавы, царапины. В процессе эксплуатации ролики изнашиваются, происходит увеличение растворов (расстояние между верхними и нижними роликами), что способствует увеличению количества осевых дефектов. Поломка роликов приводит к деформации и прорыву корочки слитка, что вызывает к необходимость остановки МНЛЗ и дорогостоящих ремонтов. Наработка роликов определяет ремонтный регламент секций, длительность их эксплуатации до очередного ремонта, а соответственно, и самой МНЛЗ. Многие работы, посвященные изучению этого вопроса, имеют существенный недостаток - ролик рассматривается как самодостаточная деталь в отрыве от факторов реального производства. Тем более, что эти факторы часто индивидуальны и характерны для конкретного производителя. Поэтому исследования и оценку связи поломок роликов с технологическими режимами разливки, свойствами материала, достаточностью охлаждения и т.п., определение зон поломок, в частности для ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК), необходимо производить непосредственно на месте, отталкиваясь от фактически сложившейся и установившейся технологии разливки.

Поиск способов совершенствования производства роликов, предотвращения поломок и сохранения их рабочей поверхности, увеличения срока службы является важной и исключительно актуальной задачей.

Целью работы является создание ресурсосберегающих технологий изготовления методом электрошлакового переплава (ЭШП) биметаллических слитков для роликов МНЛЗ, имеющих увеличенный срок службы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

1. Изучить и проанализировать причины вывода из строя роликов слябовых МНЛЗ кислородно-конвертерного цеха (ККЦ) и электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) ММК в процессе эксплуатации.

2. Разработать ресурсосберегающую технологию изготовления слитков для выплавки роликов методом ЭШП с использованием корочки флюса, которая образуется при наплавке и представляет из себя отходы производства.

3. Разработать новую технологию изготовления биметаллический слитков для изготовления роликов и их бандажированых конструкций для слябовых МНЛЗ ММК.

4. Разработать новую технологию электрошлаковой наплавки роликов (ЭШН) МНЛЗ на печах ЭШП и методику расчета режимов электрошлаковой наплавки.

Научная новизна:

1. На основе экспериментальных промышленных исследований установлено, что при производстве биметаллических слитков методом ЭШП изменение химического состава металла происходит в переходной зоне высотой, равной 80 мм для роликов диаметром 300-400 мм, а характер изменения содержания хрома и никеля в этой зоне носит нелинейный характер.

2. Разработана методика расчета параметров ЭШН отработавших роликов, позволяющая определять напряжение и силу тока, при которых время наплавки сокращается в два раза, а наработка изготовленных роликов превышает наработку наплавленных электросварным способом в 1,2 раза.

3. На основе анализа поломок роликов установили критическое значение линейной скорости непрерывной разливки стали для слябовой МНЛЗ, равной 0,1-0,2 м/мин, при которой резко возрастает опасность поломки роликов.

Практическое значение работы состоит в разработке технологии производства биметаллических слитков для роликов слябовых МНЛЗ:

- из слитка, выполненного из бывшего в употреблении ролика, путем наплавки по диаметру методом ЭШН на монофилярных печах ЭШП стандартной конструкции;

- из слитка, составленного из трех частей: торцы из стали 38Х2Н2МА, а сердцевина из стали 25Х1М1Ф;

- бандажированных и наплавленных роликов.

Стойкость роликов всех трех типов существенно выше стойкости роликов, имеющихся в цехе. Акты испытаний прилагаются. На первые две технологии получены патенты на полезные модели.

Разработана ресурсосберегающая' технология использования отработанного флюса при ЭШП и ЭШН с получением дополнительного экономического эффекта в размере 260 тыс. руб. в год.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на ежегодных научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета в 2009-2012 гг., XI - XII международных научно-технических конференциях молодых специалистов (Магнитогорск, 2010-2011 гг.), XIV, XV научно-технических конференциях молодых специалистов ЗАО «Механоремонтный комплекс» (Магнитогорск, 20102011 гг.), 68-й межрегиональной научно-технической конференции (Магнитогорск, 2010 г.), конкурсе инновационных технологий России «Архимед-

2012» (г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 11 публикациях, в том числе трех печатных работах, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, а также в двух патентах РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 106 наименований, 12 приложений на 24 листах, содержит 141 страницу машинописного текста, 62 рисунка, 22 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и приведены сведения об основных показателях работы МНЛЗ ОАО «ММК», в частности роликовых секций.

В первой главе произведен анализ известных опубликованных исследований и патентов (в том числе зарубежных), касающихся изготовления, эксплуатации и конструкций роликов. Рассмотрены различные способы и технологии изготовления роликов методами ковки, бандажирования, наплавки под флюсом, изготовление слитков для роликов методом ЭШП. Показаны общие причины выхода роликов из строя в процессе эксплуатации. Определены цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена изучению причин разрушения роликов сля-бовых МНЛЗ ККЦ и ЭСПЦ ММК в процессе эксплуатации.

В начале становления производства непрерывной разливки стали на ММК в 1990 году в МНЛЗ применялись бандажированные ролики. Тело роликов изготавливали из стали 20Х2М, а бандажи - из стали 25Х1М1Ф. В. процессе эксплуатации выявился серьезный недостаток этой конструкции - бандажи «раскатывались» непрервыно-литым слябом. Поэтому начали применять цельные ролики. Их изготавливали по традиционной технологии: металл плавили в мартеновских печах, разливали в изложницы, затем ковали и подвергали термической обработке. Этот способ изготовления заготовки для роликов не обеспечивал требуемого качества. Поэтому предложили применять технологию электрошлакового переплава (ЭШП), позволяющую значительно улучшить характеристики металла.

Изготовили и отправили в производство ролики из следующих марок сталей: 20ХГСНМ, 20X13, 25Х1М1Ф. Выявили, что наименьшую наработку показали ролики из стали 20ХГСНМ (количество сломанных роликов достигало 250 шт./год). Поломки роликов происходили неоднократно через 300 и 500 плавок.

Несколько большую наработку показали ролики, изготовленные из сталей марок 20X13 и 30X13. Разрушения в них происходили в меньшей степени, но отмечалось повышенное трещинообразование на бочках.

Наибольшую наработку, как при новом изготовлении, так и при восстановлении наплавкой показали ролики, изготовленные из сталей марок 25Х1М1Ф и 25Х1МФ.

Десятилетняя практика эксплуатации роликов, изготовленных из слитков ЭШП, доказала высокую эффективность предложенной технологии, число роликов, сломанных в процессе эксплуатации, сократилось до 9-12 шт. в год. Но проблема наработки роликов полностью решена не была.

Исследовав период работы роликов в 2005-2008 гг. на криволинейном участке МНЛЗ - 1,2, 3,4, установили, что сломались 43 шт. Это случилось на секции радиально-криволинейного участка, где разгибается сляб и возникают максимальные силовые нагрузки на роликовый аппарат:

- для МНЛЗ -1и4-7-я, 8-я, 9-я секции (рисунок 1);

- для МНЛЗ - 2 и 3 - на 8 - я, 9 - я, 10-я секции (рисунок 2).

За рассмотренный период выявили следующие причины поломок роликов:

- образование интенсивной сетки разгара из-за недостаточного охлаждения (в том числе из-за имеющих место снижений скорости разливки, в частности до 0,11 м/мин и менее, из-за этого ролик разогревается до температуры разупрочнения 500-580 °С). Температурный предел для роликов МНЛЗ, изготовленных из стали 25Х1МФ, 500 °С, после его превышения ухудшаются механические свойства, возрастают осевые температурные напряжения, приводящие к деформации роликов и возникновению в них поперечных трещин, уменьшаются пределы текучести и прочности. Поэтому для МНЛЗ актуальным является вопрос поиска новых материалов, которые обладали бы большим термостойким сопротивлением и в то же время имели бы пределы износостойкости не менее, чем у стали 25Х1МФ;

—разрушение шеек и поломка бочек по причине недостаточности силового сечения (например, на тянущей клети);

-заклинивание и разрушение роликов из-за поломки подшипников.

9 секция, 9 %

8 сеидос, 36 % 7: сеетдад, 55 %

Рисунок 1. Распределение поломок роликов по секциям криволинейного участка МНЛЗ № 1 и 4

9 секция, 29 % 10 секция, 7-°/о

:8 секли, 64 %

Рисунок 2. Распределение поломок роликов по секциям криволинейного участка МНЛЗ № 2 и 3

МНЛЗ - 1 и 4 и МНЛЗ - 2 и 3 - машины криволинейного типа, радиусом 8000 мм, с радиальным исполнением кристаллизаторов и первых секций. Они имеют разную металлургическую длину: 35800 и 28000 мм соответственно. У МНЛЗ - 2 и 3, в отличие от МНЛЗ - 1 и 4, более массивные сегменты радиального участка при одинаковом диаметре роликов (270 мм), масса секций № 5, 6, 7 достигает 50 т, на МНЛЗ - 2 и 3, а МНЛЗ - 1 и 4 секции № 5, 6 массой 22 т. На машинах обоих типов поломки происходят в аналогичных линейных координатах, в основном на криволинейных участках. Ломаются чаще всего ролики диаметром 330 мм.

Исследовав период работ МНЛЗ 2008-2009 гг., установили:

1. Все поломки роликов произошли на радиально-криволинейном участке МНЛЗ, или в конечном замыкающем сегменте № 13.

2. Большая часть поломок (62 %) произошла при разливке в двух-ручьевом варианте, причем сечения слябов, на которых произошли поломки, являются непроектными (кристаллизаторы и МНЛЗ под них дорабатывались уже на ММК).

3. Практически во всех случаях (85 %) поломка роликов имеет характер прямого поперечного разлома, на расстоянии примерно 300 мм от опор, несмотря на то, что основная нагрузка приходится на середину бочки ролика. Разлом располагается по месту, где заканчивается сляб, практически по его торцу, там, где фактически проходит тепловая граница в теле ролика, где стыкуются горячая и холодные зона.

4. Во всех случаях химический состав металла роликов соответствует марке стали 25Х1МФ, микроструктура состоит из феррита и перлита, величина балла зерна 8,9.

Как показал анализ данных по сломанным роликам, одной из причин поломки является замедление разливки до скоростей 0,1-0,2 м/мин, что приводит к повышению температуры рабочей поверхности ролика. Путем замера с использованием лазерного пирометра получили следующие данные по их разогреву: скорость 0,1 м/мин - 620 °С, 0,2 м/мин - 500 °С, остановка машины - 800 °С.

Температурный предел для нормальной работы роликов MHJI3 (из стали 25Х1МФ) 500 °С. После его превышения снижаются механические свойства, возрастают осевые температурные напряжения, приводящие к деформации роликов и возникновению в них поперечных трещин, уменьшаются пределы текучести и прочности. Кроме того, при температуре 800 °С отмечено появление сетки разгара, приводящей в итоге к появлению брака.

Отдельно рассмотрели поломки роликов, происходящие на тянущей клети. Клеть является замыкающим сегментом в MHJI3 - 2 и 3, она предназначена для вытягивания остывающего сляба, но нередко используется и для его обжатия. Клеть снабжена гидроцилиндрами с усилием зажатия до 100 т. Она имеет самую высокую регламентную стойкость - 8000 плавок (примерно 12 месяцев эксплуатации), но в среднем работает 5-7 месяцев.

Также необходимо отметить, что при настройке роликового полотна в процессе промежуточных ремонтов имеет место разница в диаметрах бочек между новыми роликами и находившимися в эксплуатации до 1,5-2,0 мм, что приводит к дополнительному силовому воздействию на ролики, удару о ролики слябом и их разрушению.

В третьей главе изложена разработка новых технологий снижения затрат при изготовлении слитков для роликов MHJI3 при сохранении и улучшении их качества.

Для слябовых MHJI3 ММК в качестве материала для изготовления роликов была использована электрошлаковая заготовка.

Изготовление роликов производят в ЗАО «Механоремонтный комплекс» (МРК), где установлены электрошлаковые печи ЭШП - 1,25 - И1Л и ЭШП - 2,5 - ВГ. В качестве исходного материала для формирования электродов ЭШП используют бывшие в употреблении ролики и четырехметровые слитки, отлитые в песчано-глинистые формы в литейном цехе.

Технология ЭШП заключается в следующем. От ролика отрезают шейки, бочки соединяют электродуговой сваркой в электрод длиной 4 м и переплавляют методом ЭШП. Флюсом для ЭШП служит дорогостоящий АНФ-32 (примерно 50 000 руб./т, по данным 2012 г.).

В целях снижения стоимости флюса, в качестве альтернативы АНФ-32, провели исследования, связанные с возможность использования отходов:

- доменного производства ММК - гранулированного шлака;

- отработанных флюсов, применяемых при наплавке роликов MHJI3.

Доменный гранулированный шлак - однородная гранулированная масса серо-желтого цвета с вкраплениями грата. Флюс «Граншлак» показал в целом высокие технологические качества, но его недостатком стало наличие большого количества серы 0,8-1,2 %, часть которой переходила из шлака в донную часть слитков, полученных методом ЭШП, вплоть до 300-400 мм от низа. Поэтому вновь перешли на использование флюса АНФ-32.

В 2010 г. в МРК установили новые современные английские наплавочные установки. В качестве наплавочных флюсов для роликов МНЛЗ ис-пытывались флюс ОК FLUX 10.33 (Эсаб) и флюс фирмы «Автоспецмаш»

(г. Череповец.) ВМ-21. Они относятся к группе основных флюсов и содержат СаР2. Отходы флюса от наплавки не использовали.

В ЭШП имеет место изменение химического состава стали, связанное с уменьшением (выгоранием) кремния до 0,01 % и марганца до 0,05 %, исследовали флюс, который остается после наплавки, с точки зрения его воздействия на данные элементы. Поэтому изучили потенциальные технологические характеристики этого материала.

Сначала определили химический состав отработанного флюса после наплавки, он практически не отличается от флюса до наплавки (таблица 1).

Таблица 1

Химический состав флюса до и после наплавки, %

Компонент СаР2 М§0 БЮг А1203

До наплавки 41,6 23,3 16,8 13,3

После наплавки 45,4 19,4 13,3 9,0

Рассчитали индекс основности по Н.Н.Потапову:

В=О.Р18СаО + 0.015 МеО +0.006 СгОМ- 0.014Ша20+ К,0) + 0.007(мп0 + ГеСЛ . (1) 0,017 8Ю2 +0,005 (А1203 + ТЮ2 + гю2)

где СаО, 1^0, СаР2, ЗЮ2, Ка20, К20, МпО, БеО, А1203, ТЮ2, гЮ2 - содержание компонентов, % по массе.

Расчет, произведенный по формуле (1), показывает, что основность полученного флюса В = 2,8. То есть флюс основной, что позволило определить характер взаимодействия шлака с металлом и переход в металл таких элементов, как марганец, кремний. Реакции взаимодействия между шлаком и металлом на межфазной границе. Действительная реакционная способность двуокиси кремния в шлаке зависит и от концентрации кремнезема, и от основности. Наиболее точно эта зависимость рассчитывается по формуле

Аио2=(8Ю2)ф/100В, ' (2)

где (БЮ2)ф - содержание кремнезема в шлаке, %.

Для приведенного случая А ЗЮ2 = 0,0475. Активность низкая,' поэтому прироста содержания кремния в металле не будет.

Химическая активность флюса по марганцу рассчитывается по

формуле

АМп02 = 0,42В(МпО)ф/ЮО, (3)

где (МпО)ф. - содержание закиси марганца в шлаке, %.

Для приведенного шлака Ампог = 0,008. Восстановление марганца не должно иметь места.

В целях оценки возможности использования отходов наплавочных

флюсов для ЭШП разработали специальную программу. Добавку флюсов производили, начиная от 200 г, с постепенным удвоением засыпаемой в кристаллизатор массы до 12,5 кг, или до 50 % рабочей нормы флюса, при выплавке слитков под ролики диаметром 240-270 мм.

Как показала практика, кусковой флюс сильно захолаживает ванну и тяжело расплавляется. Поэтому отходы флюса подвергли дроблению до фракции, сходной с флюсом АНФ-32.

При добавках в АНФ-32 до 2500 г отходов наплавочного флюса замечаний при старте не имелось. На 5500 г процесс прошел с рядом жестких коротких замыканий. При добавке 7500 г возникли проблемы при подъеме кристаллизатора, отмечалась остановка и «подтормаживание» кокиля кристаллизатора, изменился характер флюса, он стал «коротким».

На рисунке 3 представлен произведенный анализ изменения составляющих шлак компонентов при различной массе добавок отходов наплавочного флюса в рабочую массу АНФ-32, при ЭШП. Отбор проб производился с верхней части слитка. Как видно из рисунка 3 происходит увеличение количества СаО, что способствует удалению серы из металла. МпО и 1У^О практически не изменяются. А1203 и БЮ2, в процессе переплава, убывают, но затем происходит их стабилизация.

Анализ приведенных данных позволил составить зависимость, по которой можно оценить величину изменения количества кремния в слитке при добавках отработанного флюса до 1 кг.

сл = 11426 ■ 0,01892 ЗЬл .(3,16-10-11) А81°2 ■ 0,00998 в , (4)

сл - количество кремния в слитке, %; эл - количество кремния в

где

электроде, % сти флюса.

бю2 - активность кремнезема в шлаке; В - индекс основно-

60

% 50

о"

к

с« 40

т 30

К

ее

* 20

Рч

ш

ч

о а 10

0

СаО

810

2 ------

МпО

100

500

600

200 300 400

Масса добавленных отходов наплавочного флюса, г,

Рисунок 3. Динамика изменения составляющих шлак компонентов при различной массе добавок

В результате проведенных работ выяснили, что добавка отходов наплавочного флюса (приведенных марок) является приемлемым технологическим приемом. В результате проведенного исследования установили, что возможна частичная замена дорогостоящего флюса АНФ-32 на отходы наплавочного флюса, что будет способствовать существенной его экономии (до 1 кг на каждой плавке). Экономический эффект составит 260 тыс. руб. в год.

Четвертая глава посвящена разработке технологии и опытным исследованиям ЭШН биметаллических слитков с применением трубчатого электрода.

На первом этапе разработали и опробовали технологию получения биметаллических слитков и восстановления изношенной поверхности роликов

методом ЭШН см. (рисунок 3). при ЭШН деление слитка на составные части происходит не по длине, а по поперечному сечению.

В качестве слитка для ЭШН выбрали пустотелый ролик первой секции МНЛЗ - 2 и 3 ККЦ ММК. Наплавили ролик с наружным диаметром 140 мм и внутренним 75 мм, изготовленный из стали 3 8Х2Н2МА.

Произвести ЭШН на стандартной печи ЭШП невозможно, так как будет происходить короткое замыкание между электродом и наплавляемым роликом. Поэтому разработали технологию установки слитка на печь, решили вопрос с изоляцией слитка от ролика, определили форму и габариты кристаллизатора, рассчитали параметры наплавки и подобрали флюс..

На рисунке 4 представлена разработанная схема наплавки, конструкция электрода и способ установки ролика для ЭШН. Ролик расположен во внутренней полости электрода, но при этом изолирован от него. Электрод показан в рабочем, вертикальном положении, замкнутым на затравку, притянутую к медному водоохлаждаемому поддону.

Ориентир ¡точная длина трубной заготовки 2200 - 2600. мм

Диэлекгретеская вставка

Кокиль ЭЛЩ Труба для наплавки ¡Наплавляемый ролнк ■Затравка

Паддок

Рисунок 4. Схема ЭШН ролика секции № 1

Для электрошлаковой наплавки необходимо обеспечить электрический контакт затравки с роликом. Для этого затравку изготовили особой формы и

сконструировали специальный способ закрепления на ней ролика, который зафиксировали через центральную стягивающую шпильку. Изоляцию между роликом и трубчатым электродом обеспечили за счет применения в верхней части наплавляемого ролика крышки с наборной асбокартонной диэлектрической вставкой.

Использовали кристаллизатор с вертикальным кокилем круглой формы из меди марки М1р, с рабочим конусом 0,24 ° на сторону. Диаметр кокиля подобрали таким образом, чтобы обеспечить оптимальный коэффициент заполнения (отношение диаметра электрода к рабочему диаметру кокиля) примерно 0,73.

Трубчатый электрод закрепили в электрододержателе, опустили на ролик через кокиль кристаллизатора и через стружку замкнули на затравку. В качестве флюса применили АНФ-32 с добавлением 1,5 кг отходов наплавочного производства.

Учитывая, что работы по наплавке ролика производятся впервые, разработали новую методику расчета технологических параметров ЭШН. Предварительно провели опытные плавки при различных режимах силы тока и напряжения, оценили состав поверхности и наличие внутренних дефектов. На основании эмпирических данных, полученных при проведении плавок электродов (для заготовок роликов MHJI3) с использованием флюса АНФ-32 и 1,5 кг отработанного флюса, определили фактическую плотность тока рФТ, необходимую для поддержания процесса, обеспечивающего оптимальное качество слитка. Она составила 14,37 А/см2.

Силу тока определяли по известному выражению A.B. Егорова и А.Е. Моржина, через полную мощность

P.=10-3I2Rm. (5)

Сопротивление шлаковой ванны рассчитали по формуле

1

R„

1 + 1,543

с , л2-21 h

сг-А.

(6)

где Ьш - глубина шлаковой ванны, м; 1т. - межэлектродный промежуток, м; Оэ - диаметр электрода, м; Ок- диаметр кристаллизатора.

Полную мощность, затрачиваемую на электрошлаковый переплав, определяли по формуле

Р = Г + Р + Р 4■ Р 4- Р

X пол пот.з 1 пот.изл ' пот.т.п пот.шл '

где Рпол - полезная мощность, кВт;

Рпотэ - тепловые потери осевым потоком тепла с электрода, кВт; Рпот.шл - тепловые потери излучением с зеркала шлаковой ванны, кВт;

Рпот.т.п- тепловые потери через жидкую металлическую ванну, кВт; Рпот.шл - тепловые потери через шлак на стенку кристаллизатора, кВт.

Р =3-1 (Г3£>2-

пот.юп с

1-

Л

ит 100

где Бс - диаметр слитка, м.

Р = 2240 • О3

пот.т.п ис

\ 7/6

Т

У1™ у

Р„ = 3-1<Г3ДА

-1

У

Тса„-50 с"ш 8, + £ 2А:

(9) (10)

Я, А. 1 + А

где Тсол - температура солидус шлака, °С;

50 - температура нагрева стенки кристаллизатора;

к - коэффициент, учитывающий «растекание» теплового потока по стенке кристаллизатора;

8г - толщина гарнисажа, по факту составляет 0,004 м;

8К - толщина стенки кристаллизатора, по факту 0,6 м;

К - коэффициент теплопроводности застывшего шлака, Вт/(м °С);

К' коэффициент теплопроводности материала стенок кристаллизатора, Вт/(м.град).

Для расчета напряжения на шлаковой ванне сравнили две известные зависимости А.Д. Свинчанского и Б.И. Медовар:

Р-ш =

и..

~ Х\ — Лп 5

кш =~*>шЬп{\-К3)1 хБэ,

где Ящ - сопротивление шлаковой ванны, Ом;

К3 - коэффициент заполнения. Тогда

(П) (12)

иш=1^(Лэ-Ьмэ1гг(1-К3)/Ж8э)2+Х2э .

(13)

для простоты расчета вывели зависимости:

-0,409 й

и = 79,58 • е ' в. (14)

I = 431,33-е"0'41-'А- (15)

На основании приведенной методики для расчета иш разработали специальную программу, по которой рассчитали силу тока и напряжение. По расчету значение силы тока составило I = 1846 А, напряжение иш = 43,8 Вт.

Провели опытную плавку по расчетным параметрам и получили удовлетворительное качество слитка.

Темплет от донной части полученной заготовки представлен на рисунке 5. В его центральной части, с небольшим эксцентриситетом (затравка стояла не по центру), расположен след от наплавленного ролика.

Химический анализ металла полученного слитка показал, что до диаметра 120 мм относительно центра наплавляемого бандажа сохранилась сталь 38Х2Н2МА, остальную площадь заняла сталь 25Х1МФ. Оценили величину проплав-ления по методике Ю.Н. Кускова и В.Н. Скоро-ходова:

уп ———--100%

'п р + р > (16) го н

Рисунок 5. Темплет с донной части биметаллической заготовки, полученной методом ЭШН

где - площадь сечения расплавленного основного металла, мм 2;

Рн - площадь сечения наплавленного металла, мм 2, Уп = 37 %. Процент проплавления соответствует диапазону 30-60 для одноэлектродного процесса.

Из полученного слитка изготовили новый ролик - биметаллический бандаж для секции № 1 МНЛЗ - 2 и 3 ККЦ ММК. Секция отработала в МНЛЗ № 2 ОАО «ММК» 780 плавок (при установленном регламенте в 500 плавок). Ролик показал удовлетворительную износостойкость и отработал лучше монометаллических по наработке. Величину износа определили путем замера раствора (расстояние между противоположными роликами в верхней и нижней кассете) непосредственно в МНЛЗ. На монометаллических бандажах износ составил 2,1 мм, на биметаллическом-1,7 мм. До износа ролик не доработал, так как был залит жидким металлом в результате аварии на МНЛЗ. Новизна разработки подтверждена патентом на полезную модель РФ № 100079.

На втором этапе исследований приступили к разработке новой технологии получения биметаллической заготовки. Для этого сначала провели исследования и изготовили электрод из забракованных по причине износа роликов двух близких составу марок стали 25Х1МФ и 25Х1М1Ф, различаю-

щихся содержанием молибдена. Для стали 25Х1МФ, содержание молибдена составляет 0,25-0,35 %, для 25Х1М1Ф - 0,6-0,8 %.

После выплавки биметаллической заготовки (рисунок 5) исследовали место стыка. Определили содержание молибдена в %. Результаты измерений представлены на рисунке 6.

Высота темплета, мм

Рисунок 6. Содержание молибдена в биметаллическом темплете: Мо п.к, Мо ось, Мо л.к - содержание Мо, %, по правому краю, оси, левому краю соответственно

Как видно из рисунка 6, в осевой части по сравнению с краями, на уровне 50.. 130 мм, имеется область усредненного значения содержания молибдена. При ЭШП сталей с разным содержанием молибдена образовалась зона перемешивания высотой ~ 80 мм.

Изменение содержания молибдена в стыковой зоне описывается следующими зависимостями:

М0ось~ — 10~7И3 +4-10~5Ь2 -0,0059Ь + 0,6819 5 <17)

Мопк =2-10"7Ь3 +5-10"5Ь2 -0,0025Ь +0,7035 . (18)

где Ь - высота, которая отсчитывается от координаты (- 100) мм от места стыка фрагментов.

Место стыков двух материалов имеет не линейную, а параболическую форму. ЭШП обеспечивает качественное биметаллическое соединение без внутренних дефектов, при этом область стыка имеет форму параболы с преобладанием в осевой части материала, который располагается на электроде выше. Таким образом, можно изготавливать биметаллические слитки для роликов, у которых в области движения сляба будет располагаться материал

с повышенными износостойкими свойствами.

В пятой главе кроме способа ЭШН описывается изготовление биметаллических роликов посредством механического соединения разнородных сталей методом наплавки на бандаж. Проведя анализ марок сталей, применяемых для изготовления роликов как в России, так и за рубежом, разработали новую конструкцию двухопорных роликов с основой из стали 25X1МФ, с толстостенными бандажами из сталей 25Х2НМВФА и 25Х1МФТР, а также монометаллических роликов из стали 25Х1МФТР.

Традиционно по технологии ОАО «УРАЛМАШ» для изготовления бандажированных роликов применяли тонкостенные до 15 мм бандажи, которые собирали на бочку методом горячей «посадки». В ролике впервые применили: толстостенные бандажи толщиной 55 мм; новую методику фиксации бандажей за счет вставки штифта и усадки бандажа при наплавке; охлаждение бандажа путем выполнения на бочке ролика спирального щелевого канала с изменяющемся сечением; новый, ранее не применявшийся для изготовления бандажей материал - сталь 25Х2НМВФА; наплавку бандажей.

В 2010 г. собрали 8 бандажированных роликов для блоков МНЛЗ -1 и 4. Для сравнения изготовили ролики двух конструкций: одну с периферийным охлаждением (на оси нарезаны каналы охлаждения), а другую с гладкой осью.

Ролики с периферийным охлаждением собрали в блок и установили в МНЛЗ - 1 по 3 - 4 ручью на место 9 - 4 (9 - я секция, четвертый блок) в наиболее нагруженный криволинейный участок. Блок отработал без замечаний и был демонтирован с наработкой 1068 плавок.

В процессе осмотра выяснили, что все ролики вращаются, все бандажи целые, сетка разгара, трещины и сколы отсутствуют. На двух роликах первый со стороны длинной шейки бандаж отошел от сварного стыка с конической частью, но на работоспособность роликов это не повлияло. После полной разборки выявили, что подшипники целые, резинотехнические изделия эластичные, перегрева не было. Средний износ бандажей составил всего 0,12 мм, а на роликах обычной конструкции, установленных на этом же блоке, он достигал 1,0 мм.

Ролики без периферийного охлаждения собрали в блок, который установили в МНЛЗ - 1 по 1 - 2 ручьям на место 12 - 1 (12 - я секция, первый блок), на горизонтальную часть МНЛЗ. Он отработал без замечаний и был демонтирован с наработкой 1985 плавок (при установленном регламенте 1800 плавок).

В процессе осмотра выяснили, что все ролики вращаются, все бандажи целые, сетка разгара, трещины, сколы отсутствуют. На двух роликах первый со стороны короткой шейки бандаж расстыковался со вторым в месте соединения, но на работоспособность роликов это не повлияло.

Средний износ составил всего 0,04 мм (на обычных роликах он составил около 1,5 мм), при этом, на поверхности бандажей, в отличие от рядом расположенных монометаллических роликов сетки разгара не имелось.

Новая конструкция толстостенных бандажированных роликов, с натягом, образующимся за счет наплавки, показала высокие эксплуатационные характеристики. По сравнению со стандартными роликами износ оказался меньше в 10 раз, но имелись расстыковки бандажей.

При анализе мест и причин поломок роликов выявили, что их разрушение происходит по бочке, чаще по ее краям, в зоне, где располагается угол сляба. Предложили новое решение этой проблемы, связанное с локальным улучшением механических характеристик бочки на тех участках, которые особо подвержены разрушению (от воздействия динамических нагрузок), при обеспечении монолитности сечения ролика.

Разработали новую технологию получения биметаллических слитков с соединением разных материалов в продольном направлении. Так как ролик предполагалось эксплуатировать в MHJI3, для гарантии его работы в качестве двух соединяемых материалов использовали стандартную сталь 25Х1МФ и сталь, применяемую для изготовления роликов, наиболее изнашиваемых и нагруженных первых секций - 38Х2Н2МА.

Режимы ЭШП рассчитали по методике К.Н. Вдовина - A.A. Подосяна. В качестве флюса использовали АНФ-32+5% отходов наплавочного производства (глава 3).

Общая загрязненность неметаллическими включениями (оксидами и сульфидами) составила 2-3 балла. Микроструктура состояла из перлита и феррита. Зону сплавления получили качественную, с хорошими механическими характеристиками.

Учитывая положительные результаты проведенных исследований зоны сплавления, изготовили новый биметаллический ролик (рисунок 7) и испытали его в MHJI3 ККЦ.

Изготовленный биметаллический ролик эксплуатировался в MHJI3 - 1 на наиболее нагруженном криволинейном участке, в секции 9-3. Ролик отработал 1184 плавки; замечаний, поломок не наблюдается. Новизна предложенного решения на биметаллический ролик подтверждается патентом на полезную модель №104879.

1565

-ЕЕ

Рисунок 7. Конструкция биметаллического ролика с продольным соединением двух материалов: сталь 25Х1МФ и 38Х2Н2МА

Исследования позволили разработать новую технологию изготовления биметаллического монолитного слитка, в центральной части которого используется сталь с повышенными механическими свойствами и износостойкими характеристиками.

Ролики, полученные по такой технологии, позволяют сократить количество поломок на машинах и предотвратить аварийные ситуации в виде «прорывов» и остановки сляба.

ВЫВОДЫ

1. В процессе проведенных комплексных исследований были изучены причины поломок роликов на сменном оборудовании слябовой МНЛЗ ККЦ ОАО «ММК». Ролики ломались по причине резкого замедления скорости разливки ниже 0,2 м/мин, из-за чего происходил их перегрев до температур свыше 500 °С. Для устранения этих поломок предложено применять ролики с дифференцированными свойствами.

2. Разработана ресурсосберегающая технология изготовления слитков для роликов на установках ЭШП, которая позволяет восстанавливать ролики как по диаметру, так и длине путем составления слитка из трех частей: торцы из стали 38Х2Н2МА, а сердцевина - 25Х1М1Ф.

3. Установили распределение легирующих элементов (Мо, Сг, N1) в переходной зоне биметаллических слитков. Химический состав этих элементов изменяется по параболе от большего содержания к меньшему в месте стыка.

4. Разработана ресурсосберегающая технология ЭШП с добавлением отходов наплавочного флюса, применение которых позволило снизить стоимость наплавки слитков для роликов и дало экономический эффект в 260 тыс. рублей в год.

5. Разработана модель технологии изготовления роликов на установках ЭШП, которая позволила оценить основность и активность компонентов во флюсе АНФ-32. При различной массе добавок отработанного наплавочного флюса доказали возможность активной утилизации отходов наплавочного производства в технологии ЭШП с получением дополнительного экономического эффекта.

6. Произведенные исследования позволили оценить основность и активность БЮ2 и МпО в флюсе АНФ-32 при различной массе добавок отработанного наплавочного флюса; была доказана возможность активной утилизации отходов наплавочного производства в технологии ЭШП, с получением дополнительного экономического эффекта. Была составленна зависимость, по которой можно оценить величину изменения количества кремния в слитке при добавках отработанного флюса до килограмма.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Бердников, A.C. Опыт эксплуатации, изготовления и повышения стойкости роликов МНЛЗ // Тезисы докладов XIV научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «Механоремонтный комплекс». -Магнитогорск, 2010. - С. 21-22.

2. Использование отходов производства при ЭШП /A.C. Бердников, В.А. Бигеев, A.A. Подосян и др. //-Сталь.- 2011. -№ 5. - С. 26-28.

3. Поиск оптимального состава флюса для ЭШП роликов МНЛЗ Бердников, A.C., Подосян A.A. // Тезисы докладов XV научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «Механоремонтный комплекс». - Магнитогорск, 2011. - С. 8-9.

4. Способы повышения стойкости роликов МНЛЗ Вдовин, К.Н., Подосян A.A., Бердников A.C. // Сталь. - 2010.-№ 5. - С. 112-114.

5. Поломка роликов на МНЛЗ и поиск оптимального материала и конструкции для их изготовления. Бердников, A.C., Подосян A.A., Вдовин К.Н. // материалы 68-й межрегион, науч.-техн. конф. // Актуальные проблемы современной науки техники и образования: Магнитогорск 2010. -С.20.

6. Бердников, A.C. Поиск оптимального состава смешанного флюса для ЭШП роликов МНЛЗ с применением производственных отходов для снижения производственных издержек // Тезисы докладов XI меж-дунар. науч. - техн. конференции молодых специалистов. - Магнитогорск,. 2011.- С. 189-191.

7. Пат. 100079 РФ, МПК B22D 11/12. Устройство для электрошлаковой наплавки цилиндрических изделий / К.Н. Вдовин, A.A. Подосян, A.C. Бердников и др.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». - №2010126905/02.

8. Пат. 104879 РФ, МПК B22D 11/12. Ролик машины непрерывного литья заготовок / Вдовин К.Н., Бердников A.C., Подосян A.A.; заявитель и патентообладатель ГОУ' ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». - №2011100277/02. ,

9. Поиск оптимальных конструкций роликов МНЛЗ Бердников, A.C., Подосян A.A. // Тезисы докладов X междунар. науч.-техн. конференции молодых работников. - Магнитогорск, 2010. - С. 55-56.

10. Бердников, A.C. Опытная технология сборки бандажированного ролика / Бердников A.C., Подосян A.A.; ЗАО МРК, ЛСО. - Магнитогорск, 2008.-С.З.

11. Причины поломки роликов МНЛЗ и поиск новых материалов и конструкций для их изготовления / С.Н. Бердников, К.Н. Вдовин, A.C. Бердников и др. // Сталь. - 2012. - № 2. - С. 98-102.

Подписано в печать 15. 04.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.Ха 1.

Плоская печать. Усллгеч.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 202.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

На правах рукописи

04201355994

БЕРДНИКОВ АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛИТКОВ ДЛЯ РОЛИКОВ МНЛЗ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-д-р техн. наук, профессор Бигеев В.А.

Магнитогорск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................5

Глава 1.ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ РОЛИКОВ МНЛЗ....................................................................................7

1.1. Основные проблемы эксплуатации роликов МНЛЗ.............................7

1.2. Бандажированые ролики..............................................................10

1.3. Наплавленные ролики................................................................12

1.4. Способы повышения стойкости роликов к износу и термическому сопротивлению.............................................................................16

1.5. Исследования и разработка материалов роликов..............................18

1.6. Технология электрошлакового переплава.......................................23

Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИЧИН ПОЛОМОК РОЛИКОВ И СПОСОБОВ ИХ УСТРАНЕНИЯ.........................................................................28

2.1. Выбор марок стали для изготовления роликов МНЛЗ........................28

2.2. Технология производства роликов МНЛЗ в ЦРМО № 3 ЗАО «МРК».....31

2.3. Технология электродуговой наплавки отработанных роликов в ЦРМО № 3 ЗАО «МРК»...............................................................................34

2.4. Анализ причин выхода из строя роликов МНЛЗ...............................37

Глава 3. ИСЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ РАЗЛИЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ РОЛИКОВ МНЛЗ..........................................................................53

3.1. Существующая технология ЭШП................................................53

3.2. Исследования возможности применения различных флюсов для ЭШП роликов МНЛЗ..............................................................................53

3.3. Исследования возможности утилизации отходов наплавочного производства при ЭШП и определение активности 8Ю2 и МпО............................56

Глава 4. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ОПЫТНЫЕ ИСЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭШН С ПРИМИНЕНИЕМ ТРУБЧАТОГО

ЭЛЕКТРОДА................................................................................62

4.1. Разработка и изготовление печи ЭШП для МГТУ и опытные плавки.....62

4.2. Расчет режимов ЭШН................................................................64

Глава 5. РАЗРАБОТКА НОВЫХ СОСТАВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РОЛИКОВ МНЛЗ..........................................................................................71

5.1. Способы изготовления слитков методом ЭШП из различных электродов.............................................................................................71

5.2. Исследования поведения молибдена в стыковой зоне после ЭШП сталей 25Х1М1Ф и 25Х1МФ......................................................................74

5.3. Разработка технологии ЭШН для промышленного производства..........76

5.4. Расчет режимов для ЭШН..........................................................80

5.5. Процесс ЭШН..........................................................................82

5.6. Изготовление роликов путем бандажирования с применением новых температурн-износотойких сталей......................................................86

5.7. Расчет величин усадки бандажа при наплавке в зависимости от содержания хрома и величины натяга............................................................87

5.8. Изготовление ролика новой конструкции.......................................93

5.9. Опытная эксплуатация роликов новой конструкции..........................96

5.10. Изготовление составного слитка из сталей 25Х1М1Ф и 38Х2Н2МА и

исследования в зоне сплавления......................................................100

Заключение.................................................................................106

Библиографический список............................................................108

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ Г........................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ Д........................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ Е........................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж........................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ И........................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ К........................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ Л ПРИЛОЖЕНИЕ М

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывная разливка стали освоена более чем в 90 странах мира. Успешно действуют примерно 1750 машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), что позволяет разливать на них более 85 % всей производимой стали. При этом в США, странах ЕЭС, Японии доля непрерывно-литой стали составляет 94-95 % и более, в Бразилии - 72 %, Китае - 55%, России -55-60 %, Украине - 20-25 %. Ожидается, что практически полное оснащение предприятий черной металлургии в мире машинами непрерывной разливки произойдет примерно к 2020 г.

Технологию и оборудование непрерывной разливки стали, несмотря на достигнутые успехи в этой области, продолжают постоянно совершенствовать во всех индустриально развитых странах.

МНЛЗ - технологическая линия, состоящая из промежуточного ковша, кристаллизатора, в котором происходит формирование сляба или блюма, и роликовых секций или сегментов, а также другого сменного оборудования. Основным элементом секций являются ролики, эксплуатируемые в условиях повышенных температурных и силовых нагрузок, которые приводят к изно-сам и поломкам.

В медном водоохлаждаемом кристаллизаторе образуется корочка сляба, он приобретает необходимую форму, после чего выходит в зону вторичного охлаждения и окончательно затвердевает при движении по роликовому полотну. Ролики являются одним из основных элементов, определяющих наработку МНЛЗ. Любое изменение рабочей поверхности роликов отражается на качестве непрерывно-литой заготовки. На ней могут иметь место закаты, наддавы, царапины. При наработке роликов свыше допустимых величин происходит нарушение координат разливочной кривой и увеличение растворов, что приводит к изменению слябообразующих нагрузок и может способствовать увеличению количества осевых дефектов. Поломка роликов вызывает более глобальную деформацию, и даже прорыв корочки слитка, что приводит к необходимости остановки МНЛЗ и дорогостоящим ремонтам.

Наработка роликов определяет ремонтный регламент секций, длительность их эксплуатации до очередного ремонта, а соответственно, и самой МНЛЗ. Многие работы, посвященные изучению этого вопроса, имеют существенный недостаток - ролик рассматривается как самодостаточная деталь в отрыве от факторов реального производства. Тем более, что эти факторы часто индивидуальны и характерны для конкретного производителя. Поэтому исследования и оценку связи поломок роликов с технологическими режимами разливки, свойствами материала, достаточностью охлаждения и т.п., определение зон поломок, в частности для ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК), необходимо производить по месту, отталкиваясь от фактически сложившейся и установившейся технологии разливки.

Наработка роликов определяет ремонтный регламент сегментов, длительность их эксплуатации до очередного ремонта и соответственно самой МНЛЗ, непосредственно влияет на качество разливаемого металла. В связи с этим, поиск способов увеличения срока их службы становится необходимой задачей.

В связи с тем, что в настоящее время актуален вопрос, связанный с регулярными поломками роликов на криволинейном участке МНЛЗ, в предложенной работе ставится задача по поиску новых технологий (в частности, методом ЭШН и ЭШП) изготовления роликов с анизатропными свойствами по длине и сечению.

Глава I. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОЛИКОВ МНЛЗ

1.1. Основные проблемы эксплуатации роликов МНЛЗ

Машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в России эксплуатируются с 1964 г. [1]. В настоящее время технология непрерывной разливки является доминирующей в металлургическом производстве (в России примерно 5560 %). Поэтому вопрос повышения работы и стойкости всех элементов МНЛЗ является актуальным.

Основными элементами, определяющими износостойкость МНЛЗ, являются ролики зоны вторичного охлаждения. Из медного водоохлаждаемого кристаллизатора сляб попадает на роликовое полотно. Ролики являются вторым формирующим и удерживающим форму сляба звеном. Любое изменение рабочей поверхности (бочки) роликов приводит к дефектам на поверхности сляба, могут образовываться закаты, наддавы, царапины. При износе роликов свыше допустимых величин происходит нарушение заданной разливочной кривой и увеличение растворов, что приводит к изменению слябообразую-щих нагрузок и может способствовать увеличению количества осевых дефектов в слябе типа рыхлости и неоднородности. Поломка роликов вызывает более глобальную деформацию, и даже прорыв корочки слитка, что приводит к необходимости остановки МНЛЗ. Поэтому износ роликов свыше 0,5 мм считается недопустимым [2, 3]. Количество роликов, например в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК), на пяти разливочных машинах составляет 3896 шт. Это ролики нескольких типоразмеров - длинные, короткие и приводные, диаметрами 140, 200, 220, 240, 270, 330 мм. Приводные ролики двигают сляб, а длинные и короткие его поддерживают [4].

Ролики подвергаются термоциклическим, абразивным, а также коро-зионно-эрозионным нагрузкам [5, 6]. По данным В.П. Северденко, Е.М. Ма-кушок, неизбежные технологические замедления разливки приводят к сильному повышению температуры на бочке ролика, что увеличивает уровень ос-

таточных напряжений в ролике и способствует возникновению в них поперечных трещин [7, 8]. Величина износа бочек роликов на криволинейных участках МНЛЗ может достигать 2-2,5 мм [5]. Кроме того, на роликах в процессе эксплуатации возникает сетка разгара, постепенно переходящая в кольцевые, разрывные трещины, разрушающие ролик. Аналогичные данные приводятся Нисковским В.М. [1] - развитие трещин напрямую связано и усугубляется нестабильностью разливки и регулярными нарушениями технологии, выражающимся в резком снижении скорости разливки (в отдельных случаях до 0,1-0,2 м/мин) или остановки МНЛЗ. В этом случае отмечается увеличенный тепловой прогиб ролика, вызывающий при его вращении механическую и циклическую деформацию. При вынужденной остановке прочностные свойства ролика сильно понижаются из-за резкого возрастания температуры в месте контакта. Данные факторы служат причиной разрушения роликов, имеющих поверхностные дефекты в виде глубоких кольцевых трещин, и требуют обязательной их замены. Эта замена производится в период планово-предупредительных ремонтов (ППР), требует большого расхода роликов и ограничивает производительность МНЛЗ из-за простоя. Поэтому проблема повышения стойкости роликов является очень важной и актуальной [1].

Кроме перечисленных дефектов на поверхности роликов происходит процесс интенсивного окалинообразования и вдавливания кусков окалины в тело сляба. Особенно это характерно для устаревших МНЛЗ конструкции УРАЛМАШ восьмидесятых годов [9]. В результате окалинообразования происходит налипание части окалины на внешнюю поверхность ролика (наматывание). На горизонтальном участке окалина, расположенная на верхней грани сляба, практически не удаляется, продолжая утолщаться. Кроме того, в этой части МНЛЗ часто наблюдается недостаточно интенсивное охлаждение отдельных роликов, что объясняется выпадением солей жесткости во внутренней полости роликов. Это приводит к повышению температуры роликов в зоне контакта со слябом примерно в 1,5 раза. Из-за чего и происходит нали-

пание окалины, а при ее слое, достигающем в отдельных случаях 5-7 мм, имеет место дополнительное локальное (в зоне увеличенного диаметра) силовое воздействие сляба на ролик, способное привести к его поломке.

Учитывая многофакторный характер негативных воздействий на ролики, требуется решить следующие проблемы: для повышения усталостной стойкости ролика необходимо повысить пластичность его материала, а для уменьшения износа увеличить твердость и прочность поверхности. Это фактически взаимоисключающие условия.

В период становления производства непрерывной разливки стали на многих металлургических предприятиях использовали ролики, изготовленные из углеродистых сталей, но в процессе эксплуатации было выявлено, что они быстро выходят из строя из-за уже обозначенного теплового воздействия, связанного с характером контакта ролика со слябом. В этой зоне температура ролика может подниматься до 700 °С. На глубине 2 мм она достигает 500 °С. Такой нагрев, приводит к резкой механической дисгармонии, превосходя допустимые прочностные пределы [10, 11, 12, 13]. В результате чего снижается прочность материала и происходит разрушение роликов при достаточно низких уровнях нагрузок. У роликов после работы в МНЛЗ твердость бочки может снижаться до 185-190 НВ [4]. Поэтому очень актуален вопрос поиска новых материалов, конструкций и способов восстановления роликов, например методом ЭШП.

По данным Л.В. Буланова, ролики МНЛЗ в целях предупреждения перегрева должны охлаждаться. На УРАЛМАШе были разработаны ролики с водоохлаждаемым каналом в виде кольцевой полости диаметром 40-70 мм. Внутрь полости вставляли специальное приспособление, через которое подавали воду для охлаждения. Однако нередко в процессе эксплуатации температура нагрева ролика, а значит и стенки канала, превышает температуру выпадения солей жесткости (накипи) теплоизолирующего слоя. Когда слой окалины наматывается на бочку, перегрев может достигать высоких значений, известны случаи, когда температура превышала 700 °С. Моделирование

теплового состояния ролика с теплоизолирующим слоем, с учетом коэффициента теплоотдачи, толщины теплоизолирующего слоя и коэффициента его теплопроводности, показало, что слой накипи более 0,5 мм может привести к перегреву более 700 °С. В связи с этим и происходит разупрочнение ролика [12].

1.2. Бандажированые ролики

Расходы на замену роликов являются одной из самых затратных статей на ремонт оборудования МНЛЗ. Одним из направлений повышения их стойкости является бандажирование [14, 15, 16]. На ММК применялись ролики, тело которых было изготовлено из стали 20Х2М, а бандажи-из стали 25Х1М1Ф. Бандажи устанавливали на ролик путем горячепрессовой посадке. В процессе эксплуатации выявили серьезный недостаток данной конструкции, бандажи раскатывались слябом. Между телом ролика и бандажом появлялся зазор до 5 мм. Это приводило к уменьшению крутящего момента и вызывало застревание сляба [17].

Существует ряд патентов на бандажирование роликов. - Патент № 13, 2001 г. Способ изготовления роликов для МНЛЗ, предполагающий фиксацию бандажа, состоящего из нескольких цилиндрических колец, крайние из которых зафиксированы от осевого смещения. Бандаж при этом выполняют из жаропрочных корозионно-стойких сплавов, а на поверхностях бочки и кольцах бандажа, вдоль образующих, формируют зубья рифлений, имеющих высоту профиля, равную расчетной величине зазора, необходимого для установки нагретых колец бандажа на бочку. При этом вершины рифлений на поверхности бочки сопрягаются со впадинами рифлений на поверхности бандажа. После чего вся конструкция охлаждается до комнатной температуры, для обеспечения натяга и образования замка из рифлений. По сути, соединение напоминает шлицевое. Однако изготовление рифлений-очень трудоемкая операция, требующая наличия специального механическо-

го оборудования. Очень часто на ремонтных предприятиях такое оборудование отсутствует, т.е. изготовление рифлений задача трудноисполнимая [18].

- Патент 2147970. Бюл. № 2, 2000 г. Конструкция ролика МНЛЗ, предполагающая наличие специальных сборных бандажей, установленных вплотную друг с другом, отличающаяся тем, что в теле каждого бандажа выполнены специальные полости в форме «ласточкиного хвоста», с трапецеидальными вставками из корозионно-износотермостойкого материала, с размещенными между ними распорными элементами в виде усеченного клина, жестко зафиксированные от радиального перемещения в теле бандажа. Эта конструкция сложна в изготовлении и вызывает сомнение в плане обеспечения оптимального распределения напряжений по телу ролика, что может приводить к поломкам роликов [19]. На ММК были изготовленны два приводных ролика диаметром 330 мм данной конструкции. Ролики и бандажи были сделаны из стали 25Х1М1Ф, вставки-из стали 38Х2Н2МА. Ролики отработали 3390 плавок. Вставки при данной стойкости покрылись сеткой разгара. В связи с трудоёмкостью конструкции и из-за относительно быстрого выхода из строя вставок от применения данных роликов отказались [4].

- Патент 2111084. Бюл, №4, 1998 г. Ролик зоны вторичного охлаждения (ЗВО), состоящий из бочки, цапф и бандажей, толщина кольца которых равна 0,073 - 0,099 от диаметра бочки, а суммарная ширина всех колец бандажа составляет не мен