Инновационные материалы, используемые в производстве рулонов для высокопроизводительных прокатных мельниц

Введение: Критическая роль роллов в высокопроизводительных прокатных фабриках

Роллинговые мельницы являются основой металлообрабатывающей промышленности, обеспечивая необходимую способность формировать, тонкие и образовывать металлы в листы, пластины, стержни и структурные компоненты. В основе этих мельниц находятся сами рулоны - цилиндрические компоненты, которые прикладывают давление и деформацию к заготовке. Рулоны работают в некоторых из самых экстремальных условий в производстве: устойчивые температуры, превышающие 1000 ° C в горячем прокатке, огромные силы сжатия, измеренные в тысячах тонн, абразивный контакт с горячим металлом и циклическая тепловая и механическая усталость. Производительность, долговечность и качество этих рулонов непосредственно определяют производительность мельницы, отделку поверхности продукта, точность размеров и общую эксплуатационные расходы.

В течение десятилетий производители рулонов полагались на хорошо понятные материалы, такие как чугун, углеродистая сталь и обычные легированные стали. В то время как эти материалы обеспечивали удовлетворительный баланс прочности, износостойкости и обрабатываемости, они все чаще не дотягивают до современных высокоскоростных мельниц с большим объемом, которые требуют более длительных кампаний, более тонких датчиков и более жестких допусков. Поскольку мировая сталелитейная промышленность стремится к более высокой эффективности и более низкой общей стоимости владения, потребность в инновационных рулонных материалах стала актуальной. За последние два десятилетия материаловедение поставило набор передовых материалов - керамические матричные композиты (CMC), высокоскоростные стали (HSS), передовая керамика, порошковые металлургические сплавы и композитные конструкции - которые трансформируют производительность рулона.

В этой статье дается углубленный технический обзор инновационных материалов, способствующих производству рулонов. В ней исследуются их состав, свойства, методы производства и реальные преимущества, а также рассматриваются проблемы и будущие направления. Цель состоит в том, чтобы вооружить инженеров, специалистов по закупкам и операторов мельниц знаниями для выбора лучших рулонных материалов для высокопроизводительных приложений прокатки.

Традиционные материалы и их ограничения

Перед оценкой современных инноваций важно понять исходные условия, установленные традиционными материалами. Большинство прокатных мельниц исторически использовали рулоны, изготовленные из одной из трех категорий:

• Кастовые железные рулоны — в том числе охлажденное чугунное, узелковое чугунное и легированное чугунное. Они обеспечивали хорошую износостойкость из-за их фаз твердого карбида и были относительно недороги в производстве. Однако они проявляли низкую прочность и были склонны к растрескиванию при сильном тепловом ударе или высоком напряжении.
• Углеродные и низколегированные стальные рулоны — обеспечивают более высокую прочность и лучшую пластичность, чем чугуны. Они могут подвергаться термообработке для повышения твердости, но при повышенных температурах их твердость резко падает, что приводит к быстрому износу и деформации поверхности (ползучести рулона).
• Обычные сплавные стальные рулоны — содержащие такие элементы, как хром, никель и молибден. Эти сплавы улучшили упрочняемость и прочность, но все же пострадали от размягчения при температуре горячего проката и недостаточной устойчивости к крекингу (тресканию тепловой усталости).

Основные ограничения этих традиционных материалов включают:

• Тепловое размягчение — потеря твердости при температурах выше 500 °C, вызывающая ускоренный износ и потерю формы.
• Недостаточная износостойкость — особенно против абразивного масштаба и высокоскоростного скольжения металла.
• Тепловая усталость — повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения приводят к инициированию и распространению подземных трещин (трещины огня).
• Короткий срок службы — требующий частых перепадов, увеличения простоев и более высоких эксплуатационных расходов.
• Ограниченная способность выдерживать высокую нагрузку и высокую скорость — особенно на современных полосовых мельницах, где более высокие коэффициенты сокращения и более тонкие датчики требуют превосходной твердости и прочности поверхности.

Эти недостатки привели к поиску материалов, которые могли бы поддерживать твердость, противостоять износу и выдерживать тепловой цикл при более высоких интенсивностях. Результатом является сегодняшний набор передовых материалов для рулона.

Инновационные материалы, преобразующие производство рулонов

Композиты керамико-матричных (CMC)

Композиты из керамико-матричных матриц представляют собой радикальный отход от рулонов на основе металлов. CMC состоит из керамической матрицы (например, карбида кремния, оксида алюминия или нитрида кремния), усиленной волокнами или частицами другого керамического или огнеупорного материала. Комбинация дает легкий материал с исключительной термической стабильностью, сопротивлением окислению и износостойкостью - далеко за пределами того, что может предложить монолитная керамика или металлы.

В производстве рулонов CMC в основном используются для приложений горячего проката, где обычные рулоны быстро поддаются высокотемпературному износу и тепловой усталости. Например, рулоны CMC могут работать при температурах поверхности, превышающих 1200 °C, без значительной потери твердости или структурной целостности. Их низкий коэффициент теплового расширения снижает градиент теплового напряжения, минимизируя растрескивание огня. Кроме того, поскольку CMC примерно на 60% легче стали, они уменьшают момент инерции сборки рулона, что позволяет быстрее ускорять и замедлять - ключевое преимущество в реверсивных мельницах и высокоскоростных отделочных стендах.

Тем не менее, CMC имеют ограничения. Они дороги в производстве из-за сложных маршрутов обработки, таких как инфильтрация химического пара (CVI) или горячее прессование. Их хрупкость может привести к катастрофическому отказу, если трещины керамической матрицы, хотя армирование волокна значительно улучшает устойчивость к повреждениям. Текущие применения являются нишевыми - в первую очередь на высококачественных специализированных мельницах, производящих экзотические сплавы или где экстремальные температуры исключают любой металлический рулон. Исследования продолжаются для снижения производственных затрат и повышения надежности для более широкого внедрения.

Высокоскоростные стали (HSS)

Высокоскоростные стали, впервые разработанные для режущих инструментов, были чрезвычайно успешно адаптированы для прокатных мельничных рулонов. HSS представляет собой сложную легированную сталь с высокими концентрациями легирующих элементов - вольфрама, молибдена, хрома, ванадия и кобальта - которые образуют твердые карбиды (например, WC, Mo2C, VC) в закаленной мартенситной матрице. Ключевым свойством HSS является его способность поддерживать высокую твердость при повышенных температурах (горячая твердость). В то время как обычные инструментальные стали размягчаются выше 500 ° C, HSS может сохранять значительную твердость до 600-650 ° C.

В рулонных применениях HSS используется в основном для рабочих рулонов на горячем прокате, где поверхность рулона контактирует с раскаленной сталью. Тонкие равномерно распределенные карбиды обеспечивают исключительную износостойкость против абразивного масштаба и контакта металл-металл. Кроме того, рулоны HSS демонстрируют гораздо лучшую термоусталостную стойкость, чем чугунная или легированная сталь, потому что матрица более жесткая и карбиды сопротивляются огрублению при температуре. Результаты поля показывают, что рулоны HSS могут длиться в три-пять раз дольше, чем обычные рулоны чугуна, с соответствующим снижением частоты изменения рулона и стоимости за тонну.

Современные композиции рулонов HSS адаптированы для конкретных условий мельницы. Например, рулоны для шероховатых подставок могут подчеркивать прочность с немного более низким содержанием карбида, в то время как рулоны для отделочных подставок приоритетируют износостойкость и отделку поверхности. Легирование тщательно сбалансировано: слишком много ванадия увеличивает абразивную износостойкость, но может снизить измельчение; слишком много кобальта повышает горячую твердость, но увеличивает стоимость. Типичные сорта рулонов HSS содержат 2-5% C, 5-10% W, 5-10% Mo, 4-8% Cr, 3-10% V и 5-10% Co.

Одной из значительных проблем с HSS является его твердость при изготовлении - его трудно обрабатывать и часто требует шлифования с помощью колес с кубическим нитридом бора (CBN). Центробежные методы литья были усовершенствованы для производства рулонов HSS с закаленной оболочкой и более жестким ядром, оптимизируя стоимость и производительность. Варианты порошковой металлургии предлагают еще более тонкие карбиды и лучшую чистоту.

Продвинутая керамика: кремниевый нитрид и глинозем

Передовая техническая керамика обеспечивает исключительную твердость, низкую плотность и иммунитет к химической атаке.Две керамики, наиболее подходящие для изготовления рулона, - это нитрид кремния (Si3N4) и алюмина (Al2O3) .

Силиконовый нитрид является высокопроизводительной керамикой с выдающимся сопротивлением тепловому удару, свойством, критическим для рулонов, подверженных быстрым изменениям температуры. Он также обладает отличной прочностью на разрыв (около 6-8 МПа·м1/2, выше, чем у большинства инженерных керамических изделий) и высокой прочностью на изгиб. Силиконовые нитридные рулоны используются в холодном прокате, где требуется чрезвычайно высокая твердость поверхности (около 1500-2000 HV) для достижения зеркальной отделки на тонких полосках. Они также используются в горячем прокате цветных металлов, таких как алюминий и медь, где металлические рулонные поверхности вызывают увлажнение или пикап. Поскольку нитрид кремния не влажность к расплавленному алюминию, он предотвращает адгезию и обеспечивает чистую поверхность.

Алюминий (оксид алюминия) ещё более твердый, чем нитрид кремния (2000-2500 HV) и предлагает отличную износостойкость и химическую инертность. Однако он имеет более низкую термоудароустойчивость и более хрупкий. Алюминиевые рулоны находят применение в специальных приложениях, таких как прокатка высокоуглеродистых сталей, где происходит экстремальный абразивный износ, или в качестве резервных рулонов в определенных конфигурациях. Высокая жесткость и стабильность размеров алюминия улучшают контроль калибровки. Однако его плохая прочность означает, что он не может выдерживать высокие изгибающие нагрузки или удары; рулоны часто проектируются со стальной арбором и керамическим рукавом для смягчения этого риска.

Продвинутые керамические рулоны значительно легче стальных рулонов — нитрид кремния имеет только около 40% плотности стали. Это снижает требуемые несущие нагрузки и позволяет быстрее менять рулон. Однако изготовление крупных керамических рулонов (особенно более 500 мм в диаметре) является сложной задачей из-за сложности спекания деталей без дефектов. Для достижения полной плотности часто используется горячее изостатическое прессование (HIP). Затраты остаются высокими, ограничивая керамические рулоны высокоточными линиями, где их преимущества оправдывают инвестиции.

Другие возникающие материалы и композитные структуры

Порошковая металлургия Высокоскоростные стали (PM-HSS)

Обычные рулоны HSS литы, которые могут производить грубые карбиды и сегрегацию во время затвердевания. Порошковая металлургия (PM) решает эти проблемы путем атомизации расплавленного HSS в мелкий порошок, а затем уплотнения и спекания порошка - часто с помощью горячего изостатического прессования (HIP). рулоны PM-HSS демонстрируют чрезвычайно тонкое равномерное распределение карбида (обычно 1-3 мкм по сравнению с 5-50 мкм в литых HSS). Эта микроструктура дает до 20% более высокую износостойкость, улучшенную прочность и лучшую измельчительность. рулоны PM-HSS предпочтительны для самых требовательных отделочных стендов, где качество поверхности и длительный срок службы имеют первостепенное значение.

Цементированные карбидные рулоны (карбид вольфрама)

Цементированные карбиды — в первую очередь частицы карбида вольфрама (WC), встроенные в кобальтовое связующее — обладают чрезвычайной твердостью и износостойкостью. Рулоны, изготовленные из цементированного карбида (часто называемые карбидными рулонами), являются стандартными на проволочных и штанговой мельницах, где они выдерживают высокую скользящую истиранность от горячего металла. Они могут достигать срока службы в десять раз дольше, чем чугунные рулоны. Карбидные рулоны также используются в холодном прокате нержавеющей стали и других твердых марок, где стабильность размеров имеет решающее значение. Основными недостатками являются высокая стоимость, хрупкость (что делает их склонными к перемалыванию) и трудности в перемалывании. Современные сорта карбида с оптимизированным содержанием связующего и размером зерна улучшают прочность, не жертвуя износостойкостью.

Композитные рулоны (биметаллические и многослойные)

Производители рулонов часто используют композитные конструкции для сочетания поверхностной производительности твердого, износостойкого материала с прочностью и обрабатываемостью более мягкого сердечника или арбора. Общие композиционные рулоны включают:

• Центрифугально отливается HSS на узловом железном сердечнике — жесткий внешний слой HSS обеспечивает износостойкость, в то время как проточный железный сердечник поглощает удары. Это самая успешная композитная конфигурация рулона для горячего проката мельниц по всему миру.
• Карбидные вставки, сшитые или сжатые на стальных валах — используются для канавочных рулонов на секционных мельницах.
• Керамическое кольцо или рукав на стальной арбор — для специальных низконапряженных прокатных применений.
• Необязательно градуированные материалы (FGM) — где состав непрерывно изменяется от твердой поверхности до жесткого ядра. FGM все еще находятся в разработке, но обещают улучшенное распределение теплового напряжения.

Интерфейс связи между несходными материалами имеет решающее значение; слабые склеивания или остаточные напряжения могут привести к расслаиванию или растрескиванию. Для получения прочных композитных рулонов используются передовые методы, такие как диффузионное склеивание, взрывная сварка и облицовка HIP.

Производственные процессы для Advanced Rolls

Свойства инновационных материалов рулона так же хороши, как и производственный процесс, который их производит.

• Центробежное литье — для HSS и композитных валиков. Расплавленный металл заливается во вращающуюся форму, создавая плотный, мелкозернистый внешний слой. Этот процесс экономически эффективен и широко используется для больших валиков (диаметры до 1500 мм).
• Горячее изостатическое прессование (HIP) — используется для PM-HSS и передовой керамики. Порошок заключен в банку, запылен вакуумом и подвергается воздействию высокой температуры (1100-1200 °C) и давления (100-200 МПа). HIP устраняет пористость, давая детали почти чистой формы с исключительной однородностью.
• Химическая инфильтрация паров (CVI) — для ЧМС. Преформа керамических волокон инфильтрируется с предшественником газа, который откладывается материал керамической матрицы в волокнистой сети. Этот процесс может занять дни или недели, но производит композиты с низким дефектом.
• Помол и отделка — передовые рулоны требуют высокоточной шлифовки для достижения требуемой шероховатости поверхности (Ra 0,2–0,8 мкм). Алмазные или CBN колеса являются обязательными для карбидных и керамических рулонов.

Каждый производственный маршрут имеет компромиссы в стоимости, достижимом размере и конечных свойствах.Выбор зависит от типа рулона, предполагаемого применения и бюджета.

Преимущества и прирост производительности

Принятие инновационных материалов дает измеримые улучшения по нескольким измерениям:

• Расширенный срок службы рулонов — рулоны HSS и PM-HSS служат в 2-5 раз дольше чугуна в горячем прокате. Карбидные рулоны могут служить в 10 раз дольше стали на стержневых мельницах. Керамические рулоны обеспечивают еще большую долговечность в конкретных условиях.
• Сокращение простоев — меньшее количество перекатов означает меньше остановок мельницы. Для типичного мельника с горячей полосой снижение частоты перепадов с каждых 2000 тонн до каждых 8000 тонн может сэкономить миллионы долларов в год в потерянном производстве.
• Улучшенное качество поверхности — более твердые, более стабильные рулонные поверхности обеспечивают лучшую отделку и более жесткие допуски.
• Энергосбережение — более легкие рулоны (керамика, CMC) снижают требуемый крутящий момент двигателя и позволяют быстрее ускоряться. Лучшие тепловые свойства могут снизить требования к нагреву.
• Более высокие скорости качения — передовые материалы выдерживают большие тепловые и механические нагрузки современных высокоскоростных мельниц (скорости качения свыше 40 м/с).
• Более низкие удельные затраты — несмотря на более высокую первоначальную стоимость, стоимость за тонну проката часто снижается из-за продления срока службы и сокращения простоев. Например, рабочий рулон карбида может стоить в четыре раза больше, чем чугун, но производить в 10 раз больше тоннажа.

Количественные тематические исследования ведущих заводов подтверждают эти преимущества. Например, крупный европейский сталелитейный завод сообщил о 30-0% увеличении срока службы крена после перехода с бесконечного охлаждения чугуна на HSS в своих финишных стендах, с сокращением потребления крена на тонну на 40%.

Проблемы и соображения

Хотя инновационные материалы предлагают очевидные преимущества, их принятие ставит перед нами несколько проблем:

• Более высокая стоимость — сырье и производственные процессы для ЧВК, передовой керамики и ПМ-HSS значительно дороже. Капитальные инвестиции в новое литье или HIP-оборудование могут потребоваться.
• Бриттлость — многие современные материалы более хрупкие, чем традиционные стали. Они требуют тщательной обработки, надежной практики прокатки и дизайна, чтобы избежать концентраций напряжения. Катастрофический отказ может привести к повреждению мельницы и рискам безопасности.
• Машиноспособность — чрезвычайно твердые материалы трудно профилировать и перемолоть. Специализированные инструменты и более низкие показатели удаления материалов увеличивают затраты на прокат.
• Теплоуправление — керамика и ЧМК имеют низкую теплопроводность по сравнению со сталью, что может привести к более высоким температурам поверхности рулона и потенциальной тепловой перегрузке, если охлаждающая жидкость не оптимизирована.
• Совместимость с мельничной инфраструктурой — для более легких рулонов могут потребоваться модифицированные подшипниковые корпуса или хуки для размещения различных размеров. Композитные рулоны требуют надежных методов склеивания.
• Ограничения цепи поставок — специализированные материалы могут иметь ограниченных поставщиков, длительное время выполнения заказа и строгие требования к контролю качества.

Для решения этих проблем требуется тесное сотрудничество между операторами мельниц, производителями рулонов и учеными-материаловодами. Перед крупномасштабным развертыванием необходимо провести экспериментальные испытания и тщательный мониторинг состояния.

Будущие тенденции в прокатных материалах

Эволюция прокатных материалов еще далека от завершения. Несколько новых тенденций обещают еще больше повысить эффективность проката:

• Наноструктурированные материалы — включение наночастиц (например, карбидов или нитридов наноразмера) в обычные матрицы может резко увеличить твердость и износостойкость без ущерба для прочности. Исследования наноструктурированных HSS и нанокомпозитов керамических металлов продолжаются.
• Передовые покрытия — физическое осаждение паров (PVD) и химическое осаждение паров (CVD) применяются к поверхности крена. Покрытия, такие как TiN, TiAlN, Al2O3 или алмазоподобный углерод (DLC), могут уменьшить трение, предотвратить извлечение металла и продлить срок службы. Покрытые рулоны уже используются в некоторых применениях холодного крена.
• Умные рулоны со встроенными датчиками — волоконно-оптические или беспроводные датчики температуры и деформации, интегрированные в корпус рулона, могут обеспечивать мониторинг состояния в режиме реального времени. Эти данные позволяют прогнозировать техническое обслуживание и оптимизируют графики прокатки.
• Аддитивное производство (AM) — известное как 3D-печать, AM исследуется для производства сложных геометрий рулонов и функционально-градуированных структур.Хотя современные методы AM слишком медленные для больших рулонов, они могут позволить производство небольших рулонов в форме почти сетки и ремонт поврежденных рулонов.
• Устойчивые материалы — растет интерес к переработанным карбидам, биосвязывающим веществам и низкоэнергетическим производственным маршрутам. Экологичные рулонные материалы, которые уменьшают углеродный след сталеплавильного производства, являются будущим приоритетом.