Валки холодной прокатки работают в весьма тяжелых условиях под влиянием значительных статических и динамических нагрузок. Они должны обладать высокой прочностью, износостойкостью, выносливостью и достаточной вязкостью. В процессе работы валки подвергаются воздействию высоких удельных давлений и значительных контактных напряжений.
Находят применение литые, цельнокованые, ковано-литые и бандажириванные валки холодной прокатки.
Стойкость валков холодной прокатки определяется рядом факторов, связанных с технологией их изготовления и условиями эксплуатации. К первой группе факторов следует отнести химический состав и механические свойства валков, технологию выплавки стали, ковки, термической и механической обработки. Ко второй группе факторов относятся режимы обжатия, скорость прокатки, давление металла на валки, натяжение полосы, условия охлаждения и температурное поле валков, механические свойства прокатываемого металла и др.
Исходя из изложенного, к валкам холодной прокатки предъявляют следующие требования:
1) высокая и равномерная твердость поверхности, что обеспечивает высокое качество прокатываемого листа;
2) высокая прокаливаемость, необходимая для получения определенной глубины закаленного слоя (активного слоя и переходной зоны). Активный слой должен быть не менее 8 мм для валков с диаметром бочки до 250 мм и не менее 10 мм при диаметре бочки свыше 250 мм. При наличии такого слоя высокой твердости исключается возможность продавливания поверхности бочки при перегрузках. Переходная зона уменьшает вероятность развития усталостных трещин на границе активного слоя и центральных слоев;
3) высокая износостойкость рабочего слоя;
4) высокая теплостойкость (до 350—400 °С) при общем и локальном разогреве;230
5) высокая контактная прочность рабочего слоя, стойкость против образования поверхностных дефектов — трещин, отслоений, выкрошек и т. д.;
6) высокое качество поверхности. Шероховатость обрабатываемых поверхностей бочки и шеек валков должна быть не более1,25 мкм (ГОСТ 2789—73);
7) благоприятное распределение и минимальная величина остаточных напряжений по всему сечению валка после закалки и отпуска.
8) отсутствие флокенов, грубых скоплений карбидов, карбидной сетки, крупноигольчатого мартенсита и других дефектов макро- и микроструктуры.
Исходя из перечисленных требований, для изготовления рабочих валков холодной прокатки применяются качественные стали, содержащие минимальное количество вредных примесей. В валковой стали должно быть минимальное количество неметаллических включений, отсутствие усадочной рыхлости, осевой или внецентренной пористости, минимальное содержание газов (особенно водорода), мелкое зерно и т. д.
Для изготовления валков холодной прокатки наиболее широко используют пять марок высокоуглеродистых сталей: 9X1, 90ХФ, 9X2, 9Х2МФ и 9ХСВФ Сталь 9X1 применяют для валков с диаметром бочки менее 400 мм; стали, легированные ванадием, вольфрамом, молибденом, кремнием, применяют для изготовления валков с диаметром бочки 400 мм и более.
Все эти стали заэвтектоидные. После закалки и низкого отпуска они имеют структуру, состоящую из мелкоигольчатого мартенсита с избыточными равномерно распределенными карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита, которая обеспечивает высокую твердость.
Также применяют стали с пониженным содержанием углерода: 60ХСМФ, 60Х2СМФ, 7Х2СМФ, 7Х2СВФ и 75ХСМФ. Для изготовления рабочих валков многовалковых станов используют сталь ледебуритного класса Х9ВМФШ, а также сталь карбидного класса 6Х6М1Ф. Широко применяют для изготовления валков холодной прокатки и стали с пониженным содержанием углерода типа 7ХМФ. Повышение стойкости валков из сталей с пониженным содержанием углерода достигается за счет повышения вязкости, меньшей хрупкости закаленного слоя, пониженного уровня остаточных напряжений, повышенной устойчивости стали против образования трещин и отслоений на поверхности бочки валка.
Предварительная термическая обработка
Предварительную термическую обработку проводят с целью перекристаллизации структуры кованого металла, снижения твердости и уровня остаточных напряжений, подготовки структуры к механической обработке и последующей закалке, предотвращения флокенообразования, так как все применяемые валковые стали флокеночувствительны. Даже в случае правильного проведения ковки и получения исходной структуры зернистого перлита без признаков перегрева противофлокенная обработка валков холодной прокатки обязательна, хотя для их изготовления и применяют сталь высокого качества.
К предварительной термической обработке поковок валков относятся: отжиг, улучшение, нормализация с отпуском и др.
Выбор режима определяется размерами валков, технологией прокатки, условиями эксплуатации. Так, например, для валков отделочных чистовых клетей, где требуется большая жесткость, рекомендуется режим изотермического отжига с улучшением, а для рабочих валков предчистовых клетей, которые обеспечивают большие обжатия проката и испытывают большие удельные нагрузки — режим двойной нормализации с отпуском.
После грубой механической обработки и сверления осевого канала валки подвергают улучшению. Этот процесс приводит к полной ликвидации остатков карбидной сетки, измельчению карбидной фазы, получению мелкодисперсной перлито-сорбитовой структуры, повышению прочности (особенно отношения предела).
Окончательная термическая обработка
После предварительной термической обработки валков холодной прокатки снимают припуск 3—15 мм и проводят окончательную термическую обработку. Основная цель ее заключается в получении высокой твердости на поверхности бочки валков, что необходимо для обеспечения высокого качества листового проката. Наибольшее распространение получила закалка с индукционного нагрева токами промышленной частоты на специальных установках типа ТП4-700. Валок нагревается внутри многовиткового кольцевого индуктора. Охлаждение проводят водой через спрейер под давлением 0,3—0,7 МПа.
После закалки валки холодной прокатки подвергают низкотемпературному отпуску. Отпуск приводит к значительному снятию и перераспределению остаточных напряжений в закаленном валке, образованию дисперсных карбидов, распаду остаточного аустенита, стабилизации размеров, выравниванию твердости поверхности бочки валка.