Настройка сортовых прокатных станов

Безнос М.П.

Металлургия, 1974 г.

МЕХАНИЗМ ИЗНОСА ВАЛКОВ

Износ или истирание предметов (тел) проявляется в различной форме при соприкосновении двух тел, находящихся под давлением и перемещающихся, одно относительно другого. При скольжении одного твердого тела по другому возникает некоторое сопротивление движению. Это сопротивление называется трением. Благодаря силам трения между прокатываемым металлом и валками в очаге деформации происходит постепенный износ рабочей поверхности валков.

Трение, вызывающее износ, может осуществляться либо поверхностями соприкасающихся тел (процесс взаимного изнашивания), либо твердыми частицами (абразивом), входящими в состав среды, в которой происходит работа трущихся тел. В последнем случае износ называется абразивным.

Природа взаимного трения и изнашивания (срабатывания, истирания) двух соприкасающихся поверхностей несколько отличается от трения и изнашивания поверхности абразивом. В первом случае природа трения связана с двумя взаимно влияющими явлениями: силой молекулярного сцепления частиц трущихся поверхностей и взаимным зацеплением их шероховатостей, которые невозможно устранить даже самой тщательной механической обработкой, а при абразивном изнашивании износ является результатом множественного царапания и срезания металла более  твердыми   частицами   абразива.

Так как износ валков имеет важное значение в процессе эксплуатации, рассмотрим его подробнее.

Процесс резания металлов, с помощью которого валкам придают требуемую форму, значительно влияет на состояние их поверхности. Это прежде всего связано с тем, что на поверхности металла остаются следы механической обработки. На поверхности каждого твердого тела, какой бы гладкой она ни была, имеются микроскопические выступы и углубления, которые образуют волнистый рельеф. Высота неровностей поверхности для точеных валков чистовых клетей, обработанных по II группе чистоты, колеблется в пределах 1,6—12,5 мкм. По мере износа калибра его поверхность становится более шероховатой и неровности достигают 12,5—100 мкм, причем отдельные гребенки и впадины различаются по размерам в десятки раз (рис. 11).

Силы трения, возникшие при зацеплении шероховатостей тел и сцеплении поверхностей препятствуют скольжению одного тела относительно другого. Сопротивление движению определяется механическими свойствами самих трущихся тел главным образом твердостью поверхности. Чем тверже металл, тем меньше площадь контакта, тем медленнее происходит истирание скользящей поверхности и, наоборот, чем меньше твердость поверхности, тем больше износ двух контактирующих тел.

В начальный период работы валков под влиянием больших удельных давлений выступы движущегося валка, внедряясь в прокатываемый металл, сминаются. Отдельные микронеровности, непрерывно образующиеся под действием нагрузки, пластически деформируются. Сила трения тем больше, чем глубже внедряются микровыступы в поверхность трения. С течением времени объемное деформирование микрошероховатостей усиливается. С уменьшением одних выступов в процесс отделения и срезания частиц металла вовлекаются новые участки валка и микрорельеф поверхности непрерывно меняется. По мере увеличения количества прокатанного металла наиболее высокие выступы поверхности, контактирующие с металлом, начинают смещаться, что приводит к пластическому сдвигу в поверхностных слоях контактирующей пары. Вначале это смещение затрагивает только верхушки выступов, затем в деформацию вступают последующие, нижележащие слои. Возникновение и развитие описываемого процесса приводит к интенсивному разрушению рабочей поверхности валка. Постепенно поверхностный износ валка переходит в глубинный.

Энергия, затрачиваемая на преодоление сил трения двух тел, частично преобразуется в тепло, избыток которого при увеличении скорости скольжения может привести к размягчению и даже к оплавлению поверхностных слоев. Чем больше скорость прокатки, тем больше работа трения между материалом и поверхностью валков, тем выше температура поверхности валка.

Необходимо отметить, что огромные местные давления, передаваемые через отдельные выступающие точки поверхности, и тепло, возникающее при скольжении, способствуют структурным превращениям и химическим изменениям в контактном слое валка. Это в свою очередь увеличивает интенсивность истирания рабочей поверхности валка.

Во время работы прокатные валки испытывают износ поверхностей при трении, коррозии и циклических нагрузках— истирание, царапание, вырывание, окисление, смятие (смятие — процесс пластической деформации поверхности валка, при котором не происходит его убыли, но изменяются размеры), образование трещин, известных под названием сетки разгара (рис. 12); внутренние физические и структурные разрушения при циклических нагрузках, особенно в высокотемпературной среде — трещины, изломы, ползучесть и т. д.

Как показали исследования, трещины, появляющиеся на рабочей поверхности валка, на некоторой глубине смыкаются и частички валкового металла   выкрашиваются. Образующаяся в результате этого шероховатая поверхность при трений о прокатываемый металл вследствие механического износа начинает сглаживаться. Через некоторое время появляются новые мелкие трещины, постепенно углубляющиеся и вновь смыкающиеся на некоторой глубине. Таким образом поверхность валка непрерывно изнашивается.

Чем больше толщина прогреваемого слоя, тем крупнее ячейки разрушающейся сетки трещин. Глубина трещин соизмерима с толщиной слоя металла, испытывающего резкие колебания температуры, и находится в пределах 5—б мм. Постепенно в трещинах происходит окисление металла, что способствует дальнейшему их развитию. Во время работы в трещины, а также в отдельные углубления, появляющиеся от выкрашивания или смятия поверхности, попадают окислы железа, вода, которые ускоряют износ и разрушение рабочей поверхности валка. При растрескивании валка ухудшается отвод тепла от поверхности контакта с прокатываемым металлом, что способствует интенсивному истиранию калибра, снижению качества поверхности готового проката.

В реальных условиях все металлы на воздухе покрываются весьма тонкой, но прочной пленкой окислов. Под влиянием мгновенных больших давлений и высоких местных нагревов, достигающих температур плавления, оксидная пленка прорывается, вследствие чего происходят мгновенные точечные сваривания частиц поверхности валка с прокатываемым металлом и разрыв связей на поверхности контакта. Этот процесс сваривания и последующего разрыва связей сопровождается вырыванием частиц и целых зерен от трущихся поверхностей. Чем выше температура среды, в которой происходит процесс, тем интенсивнее износ рабочей поверхности.

Оплавление и вырывание металла — недопустимая форма износа, так как при этом поверхность бочки валка изнашивается наиболее интенсивно.

В условиях горячей прокатки обычно наблюдается механическое изнашивание, усиленное коррозией, происходящей под воздействием кислорода воздуха и воды на истираемую поверхность.

Истирание твердого металла всегда менее интенсивно, чем мягкого металла.

Скольжение одноименных металлов приводит к более сильному трению и, следовательно, мякну, чем скольжение разноименных металлов.

Продукты износа представляют собой мелкодисперсный порошок, состоящий из чешуек металла с неровными очертаниями, толщина чешуек исчисляется сотыми и тысячными долями миллиметра. Физические и химические свойства продуктов износа зависят от свойств твердых тел, при истирании которых они образовались. Продукты износа вместе с окалиной, частицами шлака, парами воды оказывают действие, подобное действию свободных абразивных частиц. Прилипая в процессе деформации к трущейся поверхности, они участвуют в истирании, увеличивая коэффициент трения и, следовательно, износ. Из очага деформации налипшие частицы уносятся прокатываемым металлом и смываются с поверхности валков водой. Происходит непрерывное выделение и налипание новых частиц износа. Установлено, что при прокатке железа частицы металла и окислов увеличивают коэффициент трения и уширение, уменьшают вытяжку полосы (примерно на 6%).

Интересно отмстить, что новые, не «пригоревшие» валки без налипших частичек металла плохо захватывают. Достаточно прокатать 2—3 полосы, как на валках появляется слой налипших частичек и захватывающая способность резко возрастает, хотя никаких видимых изменений состояния поверхности валков еще нет. Доказано, что при прокатке с налипшим металлом коэффициент трения увеличивается почти вдвое по сравнению с прокаткой на грубошлифованных валках.

Толщина налипшего слоя зависит от толщины и прочности слоя окислов на металле, температуры и химического состава валков и прокатываемого металла, степени шероховатости, режима обжатий, скорости скольжения металла в очаге деформации и пр. Налипание частиц металла на валки тем больше, чем меньше толщина слоя окислов и ниже прочность его сцепления с металлом. Чем полнее будет удаляться печная окалина с поверхности прокатываемого металла, тем более благоприятны условия для возникновения непосредственного контакта, тем легче осуществляется захват.