Технические науки /металлургия

Скобло Т.С., Автухов А.К., Соколов Р.Г.

Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства

имени Петра Василенка

Опыт эксплуатации рабочих валков стана 2000

Повышение производительности прокатных станов при одновременном повышении требований к качеству проката (точность геометрических размеров, отделка продукции) выдвигает все более высокие требования к качеству прокатных валков и увеличению срока их службы.

Целью данной работы явилось изучение эксплуатационной надежности прокатных валков стана 2000 и разработка мероприятий, направленных на повышение их ресурса.

Анализировали эксплуатационную стойкости валков чистовой группы клетей листового стана 2000. Для этих клетей использовали чугунные двухслойные валки исполнений ЛПХНд-63, ЛПХНд-71, ЛПХНд– 74, которые поставляли по ТУ 14-2-619-84.

Под эксплуатационной надежностью прокатных валков понимается свойство валков сохранять в процессе прокатки величины эксплуатационных показателей в пределах, соответствующих режимам и условиям эксплуатации. В работе были определены следующие показатели эксплуатационной надежности прокатных валков:

- среднее число установок;

- средняя наработка за установку;

- среднеквадратичное отклонение наработки за установку;

- средний расход рабочего слоя за установку;

- средний съем рабочего слоя;

- средний ресурс;

- средний начальный диаметр;

- эффективность использования рабочего слоя;

- коэффициент списания валков по износу;

- коэффициент эксплуатационной надежности;

- процент списания валков по: разрушению бочки, разрушению шейки, разрушению треф, отслоениям, сетке разгара, выкрошкам, трещинам, прожогам, износу.

Алгоритм оценки эксплуатационной надежности прокатных валков начинался с выбора из имеющейся информации о валках, данных об их эксплуатации на данной клети стана за данную установку [1]. Эти сведения формировались в виде рабочего массива A={a(n)} , где а(n)- наработка (в т) n-го валка. Массив А состоял из 14 подмассивов А, каждый из которых соответствует своей k-ой причине отказа.

Вначале определяли доли d(k),характеризующие структуру распределения данных отказов прокатных валков по причинам. Пусть n- количество элементов массива А.

Тогда n+n+…+n=N и d(k) = n/N.

Для нахождения средней наработки за установку при отказе по причине k t (k) использовалась формула

t (k)= a(n)/n,

где I-множество индексов валков, которые отказали по k-ой причине.

Среднеквадратическое отклонение δ определялось как

δ={[a(n)-t(k)]²/(n-1)} ,

Далее массив А упорядочивался в порядке возрастания чисел a(n) (для упорядоченного массива сохранялись старые обозначения).

Вычислялись числа

R=int(1+3.32 lg N)+1,

R=int(1+3.32 lg N)+1,

где int(·)-функция целой части)например, int(5,2)=5), N- количество валков, отказавших по k-ой причине (число элементов множества l). Затем вычисляли

b=[a(N)-a(1)]/R,

b=[a(n)-a(n)]/R,

а также числа

b( r )=r · b, r = 1,2,…,R,

b( r · b,r = 1,2,…, R.

Подсчитывали количества валков N(r) массива А, имеющих наработку в пределах от b(r-1) до b(r), и N( r ) от b(r-1) до b( r ), отказавших по причине k соответственно. В ряде случаев представляли интерес данные о количествах валков, отказавших по причине k, но наработавших от b(r-1) до b(r ) тонн. Они получались и обрабатывались по приведенным ниже формулам.

Значения функции интенсивности отказов валков по причине k λ( r ) подсчитывали по формуле

λ(r) = N (r+1) /([N-N(i)] b),

r=1, 2,…, R, k=10, 11, 12.

Средняя интенсивность отказов λ имела вид

λ=λ(r) / R.

Значения параметра потока отказов по причине k при наработке r =ω(r ) выражалось следующей формулой

ω(r ) = N(r) / Nb, k = 1, 2,…, 14; k≠ 10, 11, 12.

Средняя величина параметра потока отказов ωимеет вид

ω=ω(r ) / R.

Для оценки средней наработки прокатных валков между отказами tприменялась формула

t= t (k) /14.

Среднеквадратическое отклонение δ имеет вид

δ={[t(k)- t]²/13}.

Коэффициент эксплуатационной надежности Котражает относительную эффективность эксплуатации прокатных валков за одну установку и качество их изготовления. Износ прокатных валков является естественным процессом – следствием их эксплуатации. Другие причины отказов прокатных валков по отношению к износу нежелательны в значительно большей степени. Поэтому показатель «наработка на отказ по износу» выделяется в качестве меры, относительно которой измеряется уровень эффективности эксплуатации прокатных валков. К есть безразмерная величина, изменяющаяся в пределах от 0 до 1. С помощью К можно характеризовать изменения, происходящие в процессе эксплуатации прокатных валков, при совершенствовании прокатного производства. Общая схема введения показателей надежности типа К такова. Пусть t(n, k, i, γ) – наработка до отказа по причине k прокатного валка n в клети γ при i-й установке, 0[{t(…)}] – некоторая операция агрегирования информации t (…) и К=1 (отказ по износу). Тогда коэффициент эксплуатационной надежности Кимеет вид

К= 0[{t(k, n, i, γ)}]/0[{ t( 1, n, i, γ)}].

Тот факт, что К≤1, следует из физической сути процесса прокатки. Примером операции агрегирования выступает обычное усреднение по установкам

К= t (k, n, i, γ) / ( 1, n, i, γ).

Значение коэффициента эксплуатационной надежности в нашем случае определяли по формуле К= t/t.

Результаты работы алгоритма оформляли в виде таблиц и графиков.

Показатели эксплуатационной стойкости валков представлены в табл.1, а показатели причин их списания в табл.2.

Таблица 1. Показатели эксплуатационной надежности рабочих валков стана 2000

№ п/п	Исполн. материала	К-во вал ков	Показатели эксплуатационной надежности прокатных валков
			Коэфф. экспл. надежн.	Среднее чис ло установ.			Сред няя нара бот ка за уста нов ку (т)	Средн. кв. откл. нара ботки за установку	Сред ний ресурс (тыс. т)	Средн. начал. диам (мм)	Средн. расход рабоч. слоя устан.	Средн. съем рабоч. слоя (мм)	Эффектив ность использо вания рабочего слоя т/мм/	Коэфф. списания валков по износу
Диаметр валков 800 мм
1	ЛПХНд-71	170	0,766		37	4539		828,65	154041	809,26	0,85	30,1	5289	0,494
2	ЛПХНд-74	9	0,848		48	4639		789,68	209958	806,4	0,82	40,0	5612	0,778
3	ЛПХНд-63	25	0,922		28	4451		659,83	122800	801,5	0,91	24,3	5111	0,52
Диаметр валков 900 мм
5	ЛПХНд-63	82	0,826		51	4577		731,0	225980	898,3	0,73	31,6	7154	0,671

Анализ исследований эксплуатационной надежности прокатных валков показывает, что лучшие эксплуатационные параметры характерны для валков исполнения ЛПХНд-74, у которых показатели среднего числа установок (48), ресурса( 209958 тыс. т) и съема рабочего слоя (40,0мм) максимальны. При этом коэффициент надежности равен 0,847, а коэффициент списания по износу – 0,778.Однако валки исполнения ЛПХНД – 74 в 1,5 раза дороже валков исполнения ЛПХНД – 71 и почти в 1,8 раза – исполнения ЛПХНД – 63. Поэтому рентабельность работы стана необходимо учитывать во взаимосвязи надежности и затрат на производство проката [2] в случае применения более дорогих валков. При применении валков с повышенным уровнем твердости возрастает и доля их выхода из строя по отслоениям. Это может быть связано с тем, что они требуют более интенсивного охлаждения в процессе эксплуатации.

Таблица 2. Показатели причин списания прокатных валков

Причина списания		Исполнения валков
		ЛПХНд-71	ЛПХНд-74	ЛПХНд-63
1. Износ	Доля, %	49,4	77,8	52,0
	Наработка, т	208338	202460	154786
2. Разрушение бочек	Доля, %	3,54	-	-
	Наработка, т	97728	-	-
3. Разрушение шейки	Доля, %	5,88	-	-
	Наработка, т	68956	-	-
4. Разрушение треф	Доля, %	7,64	-	4,0
	Наработка, т	84282	-	23402
5. Отслоение	Доля, %	4,7	22,2	12,0
	Наработка, т	142894	236204	101396
6. Сетка разгар	Доля, %	4,7	-	-
	Наработка, т	110026
7. Выкрошки	Доля, %	5,29	-	8,0
	Наработка, т	108536	-	175787
8. Трещины	Доля, %	2,35	-	-
	Наработка, т	145516	-	-
9. Прижог	Доля, %	16,47	-	24,0
	Наработка, т	97581	-	63103

Самые низкие эксплуатационные показатели у валков исполнения ЛПХНд-63.

При максимальном коэффициенте эксплуатационной надежности 0,992 их ресурс и средний съем рабочего слоя составляют соответственно 122800 т и 24,3 мм. Это связано с тем, что у валков исполнения ЛПХНд-63 твердость рабочего слоя на 13% ниже чем у валков исполнения ЛПХНд-71, и, как следствие износостойкость. Поэтому показатель средней наработки по износу более, чем на 30% меньше, в сравнении с валками других исполнений.

Наиболее широкое применение на стане 2000 нашли валки исполнения ЛПХНД-71. Исследования показали, что при максимальном показателе среднего ресурса по износу (208338 т) эти валки имеют самый низкий коэффициент списания по износу (0,494). Приведенные показатели свидетельствуют о наличии значительного резерва в повышении их ресурса.

На рис. 1 и 2 представлены диаграммы распределения среднего съема металла и наработки за установку различных исполнений валков в зависимости от количества их установок в клеть. Из этих данных следует, что при увеличении количества установок валков в клеть средний съем металла за установку монотонно возрастает, а средняя наработка снижается. Наблюдаемое можно объяснить спадом твердости по глубине рабочего слоя. Максимального своего значения – 1,27 и 1,48 средний съем металла за установку для валков исполнения ЛПХНд-74 и ЛПХНд – 63 соответственно достигается в интервале 60-70 установок, а для валков исполнения ЛПХНд-71 этот показатель достигает значения 1,44 в интервале - 50-60.

Эта тенденция проявляется в виду того, что по мере расхода рабочего слоя при ремонте валков происходит спад твердости и накопления в нем повреждаемости.

1 1

2 2

3 3

3

	Рис 2. Распределение средней наработки за количество установок в клеть, где: 1-исполнение ЛПХНд-74; 2- ЛПХНд-71; 3- ЛПХНд-63
Рис. 1. Распределение среднего съема за установку в зависимости от периода эксплуатации: 1-исполнение ЛПХНд-74; 2- ЛПХНд-71; 3- ЛПХНд-63

На рис.3-5 приведены данные распределения средних наработки и съема металла за установку и распределение эффективности использования рабочего слоя валков по клетям. Из приведенных данных следует, что показатели средней наработки за установку и съема металла во время ремонта самые стабильные при эксплуатации валков в10 и 11клетях.

Рис. 4. Распределение среднего съема металла валков за установку по клетям:

1-исполнение ЛПХНд-71;

2- ЛПХНд-74;

3- ЛПХНд-63;

4- ЛПХНФд

Рис. 3. Распределение средней наработки валков за установку по клетям:

1-исполнение ЛПХНд-71;

2- ЛПХНд-74;

3- ЛПХНд-63;

4- ЛПХНФд-63

Значения указанных показателей находятся в пределах от 4506 до 4778 тонн и от 0,81 до 0, 93 мм соответственно. Минимальное значение среднего съема

Рис. 5. Распределение эффективности использования рабочего слоя валков по клетям, где:1-исполнение ЛПХНд-71; 2-исполнение ЛПХНд-74;

3-исполнение ЛПХНд-63;

для всех исполнений валков имеет место в 12-й клети при меньшем количестве установок. Данные показатели свидетельствует о том, что эффективность использования валков в 12-й клети наибольшая. Это связано с тем, что для этой клети характерно минимальное усилие прокатки (обжатия).

В результате анализа показателей эксплуатационной надежности различных исполнений валков по клетям (табл.3) установлено, что слабым местом при их эксплуатации является 9-я клеть. В этой клети наблюдается самое большое число отказов по причинам, не связанным с износом. Эффективность использования рабочего слоя не превышает 5284 т/мм, что на 8% меньше, чем при работе валков в других клетях.

Таблица 3. Показатели эксплуатационной надежности рабочих валков по клетям стана 2000

№ п/п/	Номер клети	К-во валков	Показатели эксплуатационной надежности
			Коэф фиц. эксплуат. надежности	Сред нее число уста новок	Средняя наработка за установку, т	Средн. квадр. отклонение наработки, т	Ресурс, т	Средний диаметр, мм		Съем рабочего слоя, средний, мм		Эффектив ность использо вания рабочего слоя , т/мм	Коэффициент отказа валков по износу
1	2	3	4	5	6	7	8	9		10		11	12
Исполнительный материал ЛПХНд-71
1	8	121	0,6549	10	4544	5718,6	45291		780,9		10,3	4399	0,977
	9	126	0,7276	9	4577	5782,7	41230		790,5		8,1	5117	0,738
	10	115	0,6589	11	4540	5753,1	47861		793,3		9,44	5068	0,952
	12	119	0,6513	10	4554	5794,1	45434		807,9		9,05	5011	0,949
	12	108	0,6503	9	4728	5784,7	42597		814,2		4,86	8759	0,980
Исполнительный материал ЛПХНд-74
2	8	9	0,7760	14	4541	827,2	54503		776,8		13,04	4648	1,00
	9	9	0,7280	9	4629	859,1	28931		779,8		7,5	5284	0,852
	10	8	0,8864	11	4778	501,4	45394		796,4		9,9	5721	0,904
	11	8	0,8309	11	4671	657,7	36094		802,3		9,2	5413	1,00
	12	6	0,8135	10	4585	836,0	46615		808,8		4,1	11277	1,00
Исполнительный материал ЛПХНд-63
3	8	13	0,6834	10	5721	656,2	55889		762,1		11,2	4974	1,00
	9	11	0,6317	12	4199	599,6	51918		772,4		11,3	4581	0,874
	10	14	0,8112	11	4506	618,3	48600		781,1		8,7	5549	1,00
	11	11	0,6613	18	4667	638,4	84433		797,8		16,9	4977	1,00
	12	12	0,7555	4	3471	501,2	13507		803,1		5,2	7863	1,00

Анализ эксплуатационной надежности рабочих валков (рис.6) показал, что при увеличении их диаметра ресурс валков всех исполнений монотонно возрастает от 152018 т с диаметром в интервале 800-805 мм до 244250 т с диаметром в интервале 815-820 мм или на 60,6%. При использовании валков диаметром 815-820 мм их средняя наработка за установку повышается на 17%, а - диаметром 810-815 мм –составляет 9% (табл.4).

Значение эффективности использования рабочего слоя валков с повышенным диаметром возрастает на 28% и составляет 6817 т/мм для валков диаметром 815-820 мм. Однако с увеличением начального диаметра валков до 810-820 мм, эффективность использования их рабочего слоя снижается на 12% (рис.7) вследствие более прогрессирующего снижения твердости металла по глубине рабочего слоя, чем у валков с начальным диаметром 800 мм. Из приведенных данных следует, что увеличение ресурса валков с увеличением их диаметра достигается только за счет роста количества установок. В то же время толщина рабочего слоя двухслойных валков, изготовленных методом стационарной отливки, недостаточна. Поскольку она не одинакова в зонах у верхней и нижней частей бочки.

Таблица 4. Показатели эксплуатационной надежности прокатных валков с различным диаметром.

№ п/п	Начальный диаметр, мм	Конечный диаметр, мм	Количество валков	Коэффициент эксплуатац. надежности	Среднее число установ.	Среднее наработка за установку, т	Ср. квадр. отклонение наработки, т		Средний ресурс, т	Средний съем за установку, мм	Съем рабочего слоя, мм	Эффектив ность использо вания рабочего слоя , т/мм	Коэффиц. отказа по износу
1	2	3	4	5	6	7	8		9	10	11	12	13
Исполнительный материал ЛПХНд-71
1	820-815	765,99	27	0,701	46	5309	869,1	244250		1,02	52,3	6817		0,613
	815-810	768,91	18	0,670	38	4903	818,7	199461		0,92	41,8	6312		0,534
	810-805	763,31	39	0,742	35	4851	801,3	178326		0,88	33,8	5875		0,516
	805-800	765,63	31	0,836	33	4731	826,1	152018		0,98	32,3	5425		0,674
	800-795	774,6	52	0,684	30	4716	726,4	153500		0,80	26,4	5814		0,410
	797-790	773,3	12	0,812	28	4594	731,8	131456		0,83	22,4	5868		0,366
	790-785	766,4	6	0,777	24	4212	802,6	120893		0,73	29,6	4484		0,313
Исполнительный материал ЛПХНд-63
2	820-815	4	4	0,624	33	4823	812,6	228613		0,85	49,6	5609	0,740
	810-805	7	7	0,711	31	4718	793,4	201114		0,86	31,8	6324	0,647
	805-800	13	13	0,742	26	4651	764,3	146412		0,91	28,11	6637	0,698
	800-795	2	2	0,693	24	4199	806,4	120801		1,03	26,4	6874	0,734

Рис. 6. Распределение ресурса валков от исходного диаметра, где: 1-исполнение ЛПХНд-71 2-исполнение ЛПХНд-63

Рис. 7. График распределения эффективности использования рабочего слоя от числа установок, где: 1-начальный диаметр валков 820 мм 2-начальный диаметр валков 800 мм

Анализ оценки эксплуатационной стойкости прокатных валков показывает, что для повышения их надежности необходимо разработать мероприятия, которые смогут снизить отказы: по разрушениям (17,8%) и прижогу шеек в подшипниках (17,1%), а также мероприятия способствующие повышению эффективности использования рабочего слоя.

Для снижения отказов валков по разрушениям и повышению их износостойкости предложены технологии вакуумирования жидкого расплава в ковше, использование введения различных модифицирующих присадок и легирующих добавок, а также внепечной обработки валкового металла шлакообразующими боросодержащими смесями состоящими из 75% датолитового концентрата, 10% кальцинированной соды и 15% окиси железа. Введение такой смеси в расплав металла позволит повысить твердость валков на 5-10% и снизить ее спад по толщине рабочего слоя, увеличить прочность на 25-30%, и, как следствие, эксплуатационную надежность на 15-30%.

Улучшение указанных показателей достигается за счет повышения микротвердости цементита в среднем на 15%, перлита – на 10% и перераспределения структурных составляющих металлической основы, их измельчения. Установлено, что оптимальный расход смеси для валков 900х2000 мм исполнения ЛПХНд-63 и 820х2000 мм исполнения ЛПХНд – 71 соответственно составляет 0,8-0,9 и 1,0-1,1 % от веса плавки.

В соответствии с разработанной технологией модифицирования шлакообразующей смесью было изготовлено 25 валков исполнения ЛПХНд-71 и 15 валков исполнения ЛПХНд-63.

В результате сравнительных исследований прочности металла на изгиб было установлено, что она возрастает для валков исполнения ЛПХНд-63 на 15,5 % с 275,0 до 317,6 Н/мм², а для исполнения ЛПХНд-71 на 17,25% с 267, 8 до 314,0 Н/мм². Для валков исполнения ЛПХНд-71, обработанных боросодержащей смесью (рис. 8), твердость повышается на глубине 5 мм на 2 HS, на 10 мм – 2,8 HS, а на 15 мм – 5,5 HS. Для валков исполнения ЛПХНд-63 соответственно на 2,0; 2,2; 2,8 HS.

Рис. 8. Распределение твердости металла по толщине рабочего слоя валков

ЛПХНд-71 (кривые 1 и 2) и ЛПХНд-63 (кривые 3 и 4)

1 и 3 – валки, обработанные боросодержащими смесями;

2 и 4 – валки текущего производства.

Сравнительный анализ эксплуатации прокатного инструмента, изготовленного из сплавов с боросодержащей смесью показал, что для валков исполнения ЛПХНд-71 коэффициент отказов по разрушениям снизился с 0,171 до 0,076, наработка за установку при отказах по износу возросла на 12% с 4689 до 5267 т, средний ресурс валков повысился на 19%, а ресурс валков исполнения ЛПХНд-63 на 11% (табл. 5).

Таблица. 5 Сравнительные данные эксплуатации чугунных рабочих валков различного способа производства

Показатели эксплуатации рабочих валков	Технология		Повышение эффективности, раз
	существующая	с использованием модифицирования расплава
ЛПХНд-71 диаметром 800 мм
Количество установок	37	44	1,29
Коэффициент отказов по разрушениям	0,171	0,076	0,44
Наработка за установку при отказах по износу, т	4689	5267	1,12
Ресурс, тыс.т	154,0	183,4	1,18
ЛПХНд-63 диаметром 900 м
Количество установок	51	55	1,08
Коэффициент отказов по разрушениям	0,071	0,023	Снижение показателя 0,32
Наработка за установку при отказах по износу, т	5705	5993	1,05
Ресурс, тыс.т	225,9	251,3	1,11

В результате исследования эксплуатационной надежности 291 рабочих валков стана 2000 установлено, что коэффициент списания по износу рабочих валков диаметром 800мм составляет для ЛПХНд-71 – 0,494, ЛПХНд -74 – 0,778, ЛПХНд-63 – 0,52 и ЛПХНд-63 диаметром 900 мм – 0,67.

Существуют и другие причины списания валков, а именно: выкрошки и отслоения 5.2%-ЛПХНд-71, 22%-ЛПХНд-74, 20%-ЛПХНд-63; прижог подшипника и отслоения - 16,5% и 24%, разрушения 17,8% и 4% соответственно для валков ЛПХНд-71 и ЛПХНд-63.

Независимо от исполнения валков с ростом числа установок происходит прогрессирующее с 0,3-0,6 до 1,27-1,48 мм увеличение съема металла при перешлифовках в следствии спада (на 2-4 HS) твердости по глубине рабочего слоя.

Увеличение исходного диаметра валков с 800-820 мм обеспечивает повышение их ресурса с 154041 до 210050 т (36%), за счет увеличения количества установок (на 12-14).

Однако при этом эффективность использования рабочего слоя снижается с 6,817 до 5,533 т/мм, из-за неоднородности его толщины 12-25 мм.

Для снижения разрушения валков и увеличения эффективности использования их рабочего слоя рекомендована усовершенствованная технология отливки валков с внепечной обработкой боросодержащими шлакообразующими смесями, обеспечивающая снижение спада твердости для валков исполнения ЛПХНд-63 и ЛПХНд-71 соответственно на глубине рабочего слоя валков равной 15 мм на 2,8 и 5,5 HS и увеличение их прочности на 15,5 и 17,5%.

При эксплуатации валков, изготовленных по такой технологии, снижается коэффициент отказов по разрушениям с 0,71 до 0,076, а ресурс валков исполнения ЛПХНд-71 повышается на 19%, а ЛПХНд-63 – на 11%.

Список литературы.

1. Приходько В.П., Иващенко П.А.П17 Прокатные валки : нормы, парк, потребность, надежность/ Укр.НИИ металлов.-Х. : Прапор, 1990.-143с. :схем.

2. ПриходькоВ.П., Скобло Т.С., Чуприн С.В. О стойкости прокатных валков. – Сталь, 1987, №7, с. 58-62.