УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ГОТОВОГО ПРОКАТА

КАК ОСНОВЫ ЕГО КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ

 

Быстров В.А., Новиков Н.И., Аксенова Э.А.

(НФИ КемГУ, г. Новокузнецк. РФ)

 

        Increase of reliability  and working life of shrouded forming rolls results in more even wear-out of body's surface. This will improve the quality of rolled metal. Increasing forming rolls' service life 3-4 times will allow to rise productivity of a rolling mill by 6-8% and decrease production cost of a manufactured product by 1,5%. It will also ensure competitiveness growth of finished rolling mill's goods.

 

В процессе инновационной деятельности современное металлургиче­ское предприятие может повысить эффективность работы, лишь четко ори­ентиру­ясь на производственный процесс и руководствуясь полным учетом воздейст­вия факторов внешней и внутренней среды. Для этого не­обходима подробная клас­сификация инноваций, их свойств и возможных путей разработки и при­менения наиболее перспективных технических решений. Наиболее характер­ными пока­зателями нововведений являются такие показатели, как абсолютная и относи­тельная новизна, приоритетность и прогрессивность, конкурентоспо­собность, адаптив­ность к новым условиям хозяйствования, способность к мо­дернизации, а также показатели экономической эффективности, экологиче­ской безопас­но­сти и пр. Все эти показатели новшества являются составляю­щими тех­нико-ор­ганизационного уровня нововведения и его конкурентоспо­собно­сти. Их значи­мость определяется по степени влияния этих факторов на конеч­ные результаты деятельности предприятия: на себестоимость про­дук­ции, ее каче­ство, объем продаж и прибыли; уровень рентабельности хозяйст­венной дея­тельности. По­казатели технического уровня новшества оп­реде­ляют техниче­ский уровень производства в целом, формируют качество продукции, а следовательно, её конкурентоспо­собность.

Одной из важнейших мер, способствующих увеличению выпуска проката, улучшению качества металлопродукции и снижению расходов по переделу, яв­ляется повышение стойкости прокатных валков – основного рабочего инст­ру­мента прокатных станов. Статистические данные, полученные как в нашей стране, так и за рубежом, достаточно красноречивы: 6 % всей стоимости про­катного стана составляет стоимость прокатных валков; 20÷25 % времени ра­боты стана уходит на перевалки валков; в общих расходах по переделу затраты на валки по стану горячей прокатки составляют примерно 15÷17 % [1]. 

Для повышения надежности и долговечности валков прокатных станов по­требо­ва­лись новые износостойкие наплавочные композиционные мате­риалы (КМ), ус­пешно работающие в условиях высокотемпературного аб­разивного из­носа. Среди известных КМ наибольшее применение получил сплав на основе релита (WC+W₂C). Однако, дефицитность, дороговизна релита (820¸ 960 руб./кг) и технологические затруднения наплавки КМ ре­лит + сплав на основе железа, ввиду высокой растворимости релита в сплаве-связке, побудили иссле­довате­лей искать новые безвольфрамовые КМ. Поэтому разработка электро­шлаковых процессов уп­рочнения без­вольфрамовыми КМ (спеченными твер­дыми сплавами на ос­нове карбидов титана типа ТН 20) деталей оборудования, ра­бо­таю­щих в тяжелых условиях высокотемпературного износа, является весьма актуальной задачей, повышающей конкурентоспособность продукции.

Спеченные твердые сплавы обладают рядом весьма ценных свойств: высо­кая тве­рдость 86¸92 HRA; высокая микротвердость H_m =19,5¸22,0 ГПа; вели­чина модуля упругости составляет 445 ГПа; высокий предел про­чности при сжатии до s_сж= 6,0 ГПа, с достаточной прочностью на изгиб s_изг =1,2¸2,5 ГПа и на растяжение s_в = 0,5s_изг. И самое благоприятное свойство среди известных карбидов - высокая ударная вязкость 0,8¸1,2 МДж/м². Способность спечен­ных твердых сплавов сохранять в значительной степени указанные свой­ства при повышенных температурах является чрезвычайно важной ха­рактеристикой при высокотемпера­турном абразивном износе [2].

При большинстве способов наплавки происходит существенное растворе­ние твердых частиц и обогащение матрицы хрупкими продуктами растворения Me'С на Me' и С, что отрицательно сказывается на износостойкости КМ. Наме­чено несколько путей уменьшения растворения твердых частиц в матрице КМ, одним из которых является нанесение защитных (барьерных) покрытий. Таким барьерным покрытием может служить образование боридного барьерного слоя на поверхности спеченных твердых частиц в результате диффузии бора в твер­дые частицы. Обычно для нанесения барьерного покрытия в состав шихты КМ вводится борсодержащая сплав-связка, например ПГ-СР3 (колмоной, содер­жа­щий 3,2 % бора), или в состав флюса добавляются бура (Na₂B₄O₇ ·10Н₂О) и бор­ная кислота (Н₃ВО₃). Введение в состав шихты порошковой проволоки для по­лучения КМ на основе ТН 20 или добавление в состав флюса борсодер­жащих элементов приводит к образованию карбоборидов (Ti₂B)С с образова­нием но­вой межфазной защитной границы. На по­верхности твердых частиц четко на­блюдается нетравящаяся полоска бориро­ванного слоя с повышенной микро­твердостью H_m (Ti₂B)C = 28,9 ГПа, что бла­гоприятно сказывается на из­носо­стойкости при высокотемпературном износе. Установлено, что образова­ние бо­рированного слоя на поверхности твер­дых частиц приводит к увеличе­нию мик­ротвердости границы твердая частица – матрица до 29¸32 ГПа, повы­шению прочности сцепления до 780 МПа, вследствие улучшения смачивающей спо­собности бора, уменьшению раство­римости твердых частиц с борирован­ным слоем, а следовательно, к повыше­нию износостойкости в 3¸4 раза КМ, рабо­тающих при высокотемпературных видах износа [3].

Перспективы развития научных разработок заключаются в том, что раз­ра­ботанные способы упрочнения быстроизнашивающихся деталей, ос­нованные на концентрации спеченных твердых частиц типа ТН 20 в местах ин­тенсивного износа деталей, приводят к экономии легирующих элементов в об­щей массе наплавленного металла. Например, чтобы наплавить 100 кг быстро­режущей стали, содержащей 18 % вольфрама потребуется ввести в шихту более 19 кг вольфрама. Для наплавки того же количества КС на основе спеченного твер­дого сплава типа ТН 20 (который по износостойкости в 2¸3 раза выше, а по плотности в 3,3 раза ниже вольфрама) потребуется гораздо меньшее количество легирующих компонентов, например, титана, молибдена, никеля:

 %

где    – концентрация Ti в общей массе наплавленного металла, %;

 – концентрация твердых частиц в местах интенсивного износа детали;

 = 0,2 – доля твердых частиц в общей массе наплавленного металла;

 – плотность спеченного твердого сплава ТН 20,   = 5,4 т/м³;

– содержание легирующего компонента Ti, в ТН 20,   = 72 %;

 – плотность матрицы, основы наплавленного металла,  = 7,8 т/м³;

 – относительная износостойкость КС на основе ТН 20,   = 2.

 =     

 =  

Т.е. получается весьма экономно легированный сплав (3,24% Ti; 0,9% Ni; 0,54% Mo), что приводит к значительному экономическому эффекту при уп­рочнении быстроизнашивающихся деталей (расход которых только на од­ном металлургическом комбинате составляет сотни тонн) композиционными спла­вами на основе спеченных карбидов титана типа ТН 20.

Опытно-промышленные испытания получения бандажированных валков методом ЭШЛ (совмещенным методом заливки жидкого металла в осевое про­странство с плавлением электрода-соленоида в шлаковой ванне) с примене­нием в качестве материала бандажа высокохромистого чугуна, армированного час­тицами спеченного твердого сплава типа ТН 20, показали повышение срока службы валков в 3¸4 раза. ЭШЛ производили при следующих параметрах: U_шл = 40 В; I_ЭШП = 2200 А; d_эл.сол = 10 мм; шаг соленоида, т.е. расстояние между вит­ками спирали соленоида ℓ_{шаг сол} = 20¸80 мм; внутренний диаметр бандажа D_вн = 300 мм; диаметр электрода-соленоида D_эл.сол = 270 мм; высота оси валка H_вал = 1800 мм; коэффициент расплавления электрода-соленоида a_р = 40 г/А.ч.

Тогда, скорость расплавления проволоки электрода-соленоида составила:

V_пл.эл =  = 4 ·2200 · 40/(3,14 ·10² ·7,8) = 144 м/ч = 4 см/с;

Скорость подъёма зеркала металлической ванны оси валка, V_п.м.в:

V_п.м.в = V_пл.эл ·ℓ_{шаг сол}/π D_эл.сол = 40·80/(3,14·270) = 4 мм/с;

Время заполнения осевого пространства жидким металлом t_зап:

t_зап = (H_вал - L_боч)/V_max + L_боч/ V_п.м.в = (1800 – 800)/20 + 800/4 = 250 c = 0,07 ч;

Производительность процесса ЭШЛ бандажированного валка:

П_ЭШЛ = π D²_вн· H_вал ·ρ_ст /(t_зап) = 3,14 ·30² ·180 · 7,8/(0,07) = 56708 кг/ч;

Удельный расход электроэнергии на 1 кг металла, полученного ЭШЛ:

q_уд.эл = I_ЭШП · U_шл· t_зап / П_ЭШЛ = 2200 · 40 · 0,07/56708 = 0,11  кВт. ч/кг.

Следовательно, удельный расход электроэнергии нового способа ЭШЛ бандажированных валков по сравнению с ЭШП получения валков (q_уд.эл = 1,5 ¸ 2 кВт. ч /кг), примерно в 14 раз меньше [4].

Таким образом, разработанные способы ЭШЛ бандажированных валков приводят к сокращению удельного расхода электроэнергии примерно в 14 раз, а нанесение барьерных покрытий на твердые частицы – к экономии легирующих элементов в общей массе наплавленного металла за счет предот­вращения рас­творения твер­дых частиц и повышению стойкости валков в 3÷4 раза.

Условно-годовая экономия от применения ЭШЛ новыми КМ, повышаю­щими срок службы деталей в 3÷4 раза, составила на 1 млн. т. проката за счет повышения срока службы прокатного стана в 2,5 раза, при действующем рас­ходе валков 9,5 руб./т  на 1 т. проката;

Э_у.г = 1000000 · [9,5 · (1 – 1/2,5)] = 5˙700˙000 руб./год

Выводы. Применение системы управления новыми технологиями упроч­нения бы­ст­роизнашивающихся деталей металлургического оборудования, и обеспече­ние этих технологий инновационными решениями в области создания новых КМ и способов ЭШП, позволило увеличить срок службы дета­лей в 3÷4 раза и повысить производительность металлургических агрегатов на 6÷8 %, что обеспе­чило получение экономического эффекта 5˙700˙000 руб./год за счет сни­жения себе­стоимости го­товой продукции, а повышение качества продукции привело к повышению её конкурентоспособности.

Литература

1.    Быстров В.А. Новая технология изготовления бандажированных прокат­ных валков электрошлаковым литьём./ В.А. Быстров, В.И. Верёвкин, И.Ф. Селянин. // Изв. вуз. Черная металлургия. –2001. – № 8. – С. 64-66.

2.    Быстров В.А. Современные технологии получения и исследования сверх­износостойких КС./ В кн.: Новые индустриальные технологии и мате­риалы. / Под ред. В.Е. Громова. – Новосибирск: Сибирские огни, 2000. – (С. 122-133) – 361 с.

3.    Быстров В.А., Новиков Н.И., Оськин И.С. Экономическая эффектив­ность композиционных наплавочных материалов с барьерным покрытием. /II Международная НТК “Материалы и технологии XXI века”. – Пенза: Пенз. ГУ. – 2004. – (С 30-34) – 223 с.

4.    Быстров В.А. Экономическая эффективность энергосберегающей техно­логии изготовления бандажированных прокатных валков методом ЭШН. / В сб. научных трудов “Перспективные материалы, технологии, конструкции” /Под ред. В.В. Стацуры. Вып.3.– Красноярск: САА, 1997.– (С. 315-321) – 464с.