В валках с вырезанными ручьями часто обнаруживается несоответствие между глубиной отбела и необходимой глубиной ручья. Если глубина ручья больше глубины отбеленного слоя, то врез проникает в зону серого чугуна. Это обусловливает неравномерный износ ручья – усиленный в глубине и менее интенсивный в зоне, состоящей из почти или полностью отбеленного слоя высокой твердости.
Неравномерный износ калибра ухудшает качество поверхности проката и часто служит причиной замены калибра или перевалки валков. Поэтому такие валки применяют чаще всего при неглубоких ручьях (40 – 50 мм).
Отмеченные недостатки исключаются при работе на валках с литыми ручьями. Отливка валков с готовыми ручьями обеспечивает наличие отбеленного слоя по всей глубине ручья (150 мм и больше). Валки с литыми ручьями отличаются высокой стойкостью и твердостью рабочего слоя, что особенно важно при прокатке облегченных и экономичных профилей; механическая обработка их значительно проще обработки валков с врезанными ручьями.
Высокая стойкость описываемых валков способствует сокращению простоев станов на перевалки, улучшению качества проката, увеличению выхода годного металла, повышению производительности прокатных станов, снижению (примерно, в 2 – 4 раза) удельного расхода валков.
Причины поломки валков
Валок любого химического состава и структуры изготовленный по самым совершенным технологическим процессам, быстро изнашивается или ломается (в буртах, шейках или бочке), если в процессе эксплуатации допущены различного рода нарушения. И, наоборот, правильная и рациональная эксплуатация валков, отвечающая конкретным требованиям прокатки и калибровки, является наиболее важным средством, способствующим увеличению их срока службы.
Наблюдения показали, что поломка большинства прокатных валков вызывается различными конструктивными недостатками, неправильной установкой и настройкой валков, чрезмерной выработкой калибров и подшипников, а также при задаче полосы на бурт, перегреве или внезапном охлаждении разогретых валков.
Также причинами, вызывающими поломку валков являются прокатка металла на сильно переточенных валках, прокатка застуженного металла (имеющего высокое сопротивление деформированию), чрезмерные обжатия (превышающие сопротивление материала пределу изгиба), нарушения скоростного режима прокатки и настройки валков.
Из практики известно, что поломка может произойти по трефу, шейке или бочке валка.
Излом бочки валка бывает прямым и косым. Прямой излом бочки возможен при нарушениях термического режима службы валков, перегреве бочки вследствие недостаточного охлаждения водой, быстром разогреве холодных валков, значительном местном перегреве. Например, при поломке муфты валок останавливается и перегревается за счет тепла оставшегося в калибре раската. При этом в теле валка возникают значительные напряжения, приводящие к поломке. Иногда, допустив некоторый перегрев бочки, сразу дают сильное охлаждение — валок лопается, часто даже на холостом ходу.
Неровные и косо направленные изломы бочки и шеек (рис. 1,а) могут возникать вследствие динамических ударов. Такие изломы получаются при: а) неправильной укладке валков, например при значительном перекосе их в соседних клетях, когда валки испытывают неравномерные изгибы; б) неудовлетворительном качестве валкового металла; в) сосредоточенных динамических нагрузках, которые вызывают скалывающие напряжения.
Следует отметить, что излом от перегрева (обычно ровный) проходит почти строго посередине бочки перпендикулярно оси валка. Характер излома от перегрева и преувеличенных обжатий одинаков; их различают по цвету и температуре в сечении излома. В первом случае цвет сечения излома горячего валка голубоватый, во втором голубоватый цвет отсутствует и температура в изломе бочки валка сравнительно низкая.
Рисунок 1. Некоторые виды излома валков:
а – косой излом валка по шейке; б – излом шейки валка от скручивания; в – излом валка от усталости металла
При перегреве шейка скручивается и ломается по сечению тела, как показано на рис. 1,б.
Следует подчеркнуть, что излом шейки валка никогда не бывает ровным, подобно излому бочки.
Нередко поломка валка происходит в результате «усталости» металла. Излом от усталости металла может произойти как по шейке, так и по бочке валка.
Усталостью металлов называется процесс, происходящий в них при многократном приложении нагрузки и в известных условиях (внешние надрезы, неоднородность структуры, состояние поверхности) приводящий к внезапному (хрупкому) разрушению. Свойство металлов сопротивляться разрушению от усталости называют выносливостью.
Форма усталостного излома валка – чашевидная (рис. 1, в), направление излома – от шейки валка в сторону бочки. Сечение валка в изломе, разрушенного от усталости металла, помимо характерной формы, отличается также цветом: середина чаши, у самого основания шейки валка, более темного цвета, чем цвет остальной плоскости излома.
В отличие от обычного разрушения, возникающего при однократной или повторяемых небольшое число раз нагрузок, усталостное разрушение происходит без внешних признаков пластической деформации даже у самых пластичных металлов.
По механизму протекания процесса усталостное разрушение отличается от разрушения при однократной статической нагрузке тем, что носит избирательный (локальный) характер. Внешним проявлением усталости металлов является возникновение и распространение при многократных нагрузках характерного вида поверхностных трещин. Их возникновение обусловлено тем, что поверхностные слои валка при работе более нагружены, чем глубинные слои металла, поскольку первыми воспринимают различные нагрузки при прокатке (статические, динамические, тепловые и др.).
Трещины усталости появляются не сразу; возникнув, они постепенно углубляются внутрь валка по его сечению, пока ослабление последнего не приведет к внезапному разрушению металла. Разрушение от усталости большей частью происходит в направлении, перпендикулярном действию наибольших растягивающих напряжений. Отличительная черта излома от усталости – наличие двух зон: 1) наружного кольца с характерной затертой поверхностью мелкозернистого строения – зона прогрессивного развития трещины под влиянием переменных по знаку нагрузок внутреннего ядра остаточного излома с крупнозернистой структурой – зона статического разрушения, по которой валок ломается мгновенно (когда он по сечению вследствие развития усталостных трещин становится недостаточно прочным).
Усталостное разрушение может начаться одновременно в нескольких местах.
На изломах поверхность усталостной трещины носит название «зоны усталостного разрушения» в отличие от зоны «окончательного (хрупкого) разрушения» остальной части.
Зона окончательного разрушения представляет собой ту часть излома, которая отвечает последней стадии излома валка, уже ослабленного трещиной усталости.
Форма и расположение обеих зон зависит от условий и величины переменных нагрузок, свойств металла и др.
Механизм разрушения металла от усталости можно представить следующим образом. Под влиянием переменной по знаку нагрузки на валок прочность отдельных зерен, разделенных различными пленками, прослойками, порами и неметаллическими включениями, постепенно уменьшается.
С течением времени эти зерна в плоскостях наибольшей слабины начинают разрушаться, что приводит к образованию микротрещин, которые в процессе работы все больше и больше увеличиваются, захватывая соседние зерна, затем отдельные участки металла. Процесс возникновения, развития и слияния микротрещин в одну большую трещину (макротрещину) носит название «усталостного разрыхления» при циклических нагрузках. Когда сопротивление металла в данном сечении достаточно ослабевает, происходит мгновенный излом или разрыв металла от усталости.
Литература
1. Безнос М.П. «Валки крупносортных и рельсобалочных станов», Металлургия, 1966 г.