Ролики прокатных станов и ролл-шоп: экспертные решения для производительности и долговечности

Ролики — главные и очень затратные расходники на прокатном стане. Они используются для проката стали, и их производительность зависит от множества факторов, включая материалы и нагрузки, которым они подвергаются в эксплуатации. Конструкция ролика определяется ограничениями, накладываемыми прокатной нагрузкой, прочностью ролика и доступным прокатным моментом. В случае плоского проката на конструкцию также влияют допуск на изгиб роликов и их камерность. Проект ролика должен учитывать нагрузку и момент, необходимые для любого прохода. Кроме того, он должен гарантировать, что физические размеры и материал ролика способны выдерживать максимальные нагрузки, возникающие в процессе прокатной последовательности. Еще один важный фактор, влияющий на ресурс ролика — износостойкость материала.

Материалы роликов

При прокате сталей материал ролика должен быть способен выдерживать нагрузки, пластически деформирующие прокатываемое металло, без собственной пластической деформации. При горячем прокате это не представляет сложности, и чугунные или стальные ролики подходят, если они работают при температуре значительно ниже температуры прокатываемого металла. Выбор чугунных или стальных роликов в конкретном случае зависит от конкретных обязанностей, которые они должны выполнять, и от того, что важнее: вязкость, устойчивость к термическим трещинам или ударным нагрузкам, или высокие износостойкие свойства.

Ролики можно классифицировать по материалу (рис. 1) и способу изготовления. Первое основное подразделение: (i) чугунные ролики и (ii) стальные ролики. Это разделение основано на углеродистости материала. Для роликов границу обычно проводят при ~2,4% C. Обычно ролики называют стальной базы ниже этой цифры и чугунной базы — выше. Между этими типами существует заметная структурная разница: в стальных роликах нет свободного графитного углерода. Стальные ролики могут быть литыми или коваными, что дает дополнительное подразделение. Еще одно разделение, пересекающее приведенную классификацию — двуслойные дуплекс-ролики, отливаемые с твердой внешней поверхностью и более вязким, прочным металлом в центре.

Чугунные ролики

• Серые чугунные ролики — отливаются в песчаные формы из серого чугуна (с пластинчатым свободным графитом). Структура ролика единообразна по всему объему и очень устойчива к огневым трещинам. В определенной степени само смазываются за счет свободного графита, что является преимуществом при использовании упорных воротков для восприятия осевых нагрузок при прокатке. Типичный анализ: C — 2,5–3%, Si — 0,5–1%, Mn — 0,4–0,8%, P — 0,5% макс, S — 0,1% макс. P допускают до 0,5% для повыжения текучести металла при заливке, но выгодно снижать его при более высоких температурах заливки, так как P вреден для свойств чугуна. S минимизируют, Si подбирают для регулирования содержания свободного графита, так как Si способствует графитизации. Mn нейтрализует S и деоксидирует металл. Слишком высокий Mn препятствует графитизации.
• Легированные чугунные ролики — для улучшения качеств серого чугуна добавляют легирующие элементы для повышения твердости. Эти ролики содержат небольшие количества Ni, Cr, Mo и дают немного лучшую износостойкость и прочность, чем обычный серый чугун. Ролики с большими легирующими добавками намного тверже и лучше износостойки, но дороже и должны давать больший прокатываемый тоннаж. Наличие Ni способствует образованию графита, но в очень тонкорассеянной форме, что повышает вязкость и устойчивость к огневым трещинам. Cr повышает склонность к формированию цементного углерода и ограничивает графитизацию, давая более твердый, но хрупкий чугун. Mo и W способствуют формированию цементного углерода и повышают высокотемпературную прочность. У Cr-легированных чугунных роликов есть склонность к обрыву воротков на сечевых станах из-за хрупкости, кроме того, необходимо хорошее водоснабжение для охлаждения роликов, чтобы избежать огневых трещин. Типичный анализ: C — 3%, Si — 1%, Ni — 1% (или Mo — 0,5%), Cr — 1%. Общеизвестная марка — «Адамит» чугун. Твердость роликов — мера износостойкости, обычно выражается в градусах по Шору. Относительно мягкие серые чугунные ролики имеют твердость 30–40° по Шору, но в легированных чугунных роликах она может быть повышена до 38–50°. Более мягкие ролики предпочтительны для грубого и промежуточного проката, более твердые легированные — для финишного.
• Ролики с чистым (определенным) отбелом — имеют поверхностный слой белого чугуна, образуемый за счет принудительного быстрого охлаждения поверхности (отбелом в форме), ограничивающего образование свободного графита. Ядро — серый чугун из-за более медленного охлаждения, промежуточная зона — смесь белого и серого чугуна. Шейки и концы (шпатели) не отбеливают, сохраняя более высокую вязкость. Отбеленный слой твердый и износостойкий, но хрупкий. Обычно толщина ~25 мм на гладких роликах, может увеличиваться при мелких пазах. Анализ похож на серые чугунные ролики, но C выше. Низкий C дает меньшую твердость, но укрепляет ролик и снижает поверхностные трещины и отслаивание, поэтому используется при высоких напряжениях (прокат листов). Поверхностная твердость 55–65° по Шору, но ролики хорошо устойчивы к перепадам температур и огневым трещинам. Частично отбеленные ролики получают отбеливанием выбранных участков бочки (например, финишных проходов), остальное — серый чугун. Легирующие элементы могут давать твердость 65–90° по Шору, могут содержать ~4,5% Ni, Cr балансирует склонность к свободному графиту. Ni-содержащие отбеленные ролики заявляют о свойстве рабочего упрочнения и более подходят для холодного проката из-за склонности к огневым трещинам.
• Композитные (дуплекс) ролики — метод сочетания очень твердой поверхности с вязким ядром: двойная заливка. Первая заливка дает оболочку из высоколегированного белого чугуна, быстро остывающую на поверхности в отбеливающей форме, после чего вторая заливка (часто серый чугун) вытесняет расплавленный центр и заменяет его вязким ядром. Твердость оболочки 75–95° по Шору.
• Ролики с неопределенным отбелом — очень тонкий четко определенный белый безграфитовый отбел и нет промежуточной зоны смеси. Поверхностные слои содержат очень малые частицы графита, структура плавно переходит в серое ядро. Твердость медленно снижается от поверхности со скоростью ~1° по Шору на 10 мм глубины, затем быстрее к мягкому центру. Отсюда хорошая рабочая глубина. Поверхность более устойчива к огневым трещинам и отслаиванию, чем при чистом отбеле, и ролики лучше захватывают металл. Легированный неопределенный отбел с поверхностной твердостью 55–75° по Шору может содержать Ni, Cr, Mo. Эти ролики могут термически обрабатываться для повышения вязкости под ударные нагрузки. Пример — Адамит неопределенный отбел. Устойчивы к отслаиванию и огневым трещинам.
• Ролики из чугуна с сфероидальным графитом (ШГЧ) — находят применение на некоторых станах. Графит в нодулярной форме при заливке со специальной процедурой с добавлением Mg. ШГЧ имеет гораздо большую прочность и вязкость: прочность ~в 2 раза выше, чем у высококачественного пластинчатого графита, вязкость — в ~12 раз выше. Большинство роликов имеют перлитную структуру, но доступна и игольчатая для лучшей износостойкости. Хорошая чистота поверхности, но осторожность при механической обработке — выделяются вредные пары. Износостойкость: равномерный износ, скорость похожа на пластинчатый графит. Подходят там, где обычный чугунный ролик недостаточно прочен, а стальные дают низкий ресурс из-за износа. Но они дороже обоих, поэтому выбор применения требует осторожности. Твердость до 80° по Шору и выше.

Стальные ролики

Стальные ролики могут быть литыми или коваными. Они намного прочнее и вязче чугунных и используются там, где чугунный ролик считается недостаточно прочным. Позволяют использовать большие деформации, особенно где нужны глубокие пазы. Обрывы из-за ударных нагрузок гораздо менее вероятны, свойства можно широко варьировать подходящей термообработкой. Однако углеродистые стальные ролики изнашиваются быстрее чугунных из-за низкой твердости.

• Литые стальные ролики — сильно варьируют по анализу. Обычный углеродистый ролик: 0,40–0,90% C, твердость 28–36° по Шору. Тяжелые станы (раздувальные, плитные, тяжелые грубильные) используют низкие марки (до 0,60% C), а струпные грубильные — более высокие. Добавление ~0,5% Mo с небольшими добавками Ni, Cr (или более высокий Mn) повышает прочность и снижает тяжесть огневых трещин. Твердость 30–42° по Шору. Высоколегированные ролики обычно в диапазонах: C — 0,80–1,0%, Mn — 0,60–0,90%, Ni — 1,0–2,5%, Cr — 0,50–1,10%, Mo — 0,20–0,40%. Также делают C-Cr ролики (C — 1%, Cr — 1,5–1,75%). Обычно термически обрабатывают, твердость 35–55° по Шору, часто используются как подкладные ролики в 4-вальцовых станах. Легированная сталь с W, твердость 40–50° по Шору, очень устойчива к огневым трещинам, иногда для грубильных роликов горячепрокатных ленточных станов. Литые легированные стальные ролики базы: C — 0,9–2,5%, Si — 0,5–1,0%, Mn — 0,4–0,6%, Ni — 0,25–1,0%, Cr — 0,5–1,5%. Углерод полностью в соединенном виде. Твердость 30–55° по Шору в зависимости от C, хорошо изнашиваются и прочны. Ресурс соответствует стоимости. Требуется хорошее водяное охлаждение.
• Кованые стальные ролики — коваются из стального слитка, необходимая механическая обработка дает улучшенную вязкую структуру. В углеродистой форме (0,35–0,75% C) используются для раздувальных, плитных и тяжелых грубильных станов в нижнем диапазоне C и для мелких промежуточных станов в верхнем. Это несколько произвольно и зависит от условий конкретного стана. Нормализуют перед использованием, твердость 24–30° по Шору. В легированной форме могут термически обрабатываться для широкого диапазона твердости. В диапазоне 50–55° — для крупных подкладных роликов, ~80° — для мелких подкладных роликов холодного проката, 90–100° (полностью закаленные) — для рабочих роликов холодного проката. Типичный анализ: 1% C, 1,5–1,75% Cr, 0,5% Ni. Кованые стальные ролики в диапазоне твердости горячего проката высоко устойчивы к ударным нагрузкам.

Карбидные ролики

Вольфрамовый карбид, WC или W₂C — химическое соединение вольфрама и углерода. Его экстремальная твердость делает его полезным для изготовления прокатных роликов для увеличенного ресурса в приложениях, требующих длительные прокатные кампании. WC в сочетании со связующими материалами в порошковой форме смешивают, измельчают, гранулируют, прессуют в заготовки близкие к нетто-размерам, которые затем спековают в вакуумной печи. Некоторые ролики затем горяче изостатически прессуют (HIP). Ролики шлифуют алмазными кругами или точат на токарных станках с сверхтвердыми режущими пластинами до требуемых размеров. Обычно используются в финишных блоках проволочных станов и некоторых профильных приложениях. Требуют высококачественной охлаждающей воды в узком pH-диапазоне и ограниченной жесткости. Использование воды вне рекомендуемого pH выщелачивает связующее из ролика, вызывая преждевременный отказ рабочей поверхности. Доступны различные марки карбидных роликов по размеру зерна, содержанию и составу связующего. В последние годы сфера применения расширилась в промежуточные стана за счет использования карбидной втулки на стальном валу. Монтаж механическим способом или созданием композитного ролика прессованием и спеканием карбидного кольца на валу.

Влияние легирующих элементов на свойства роликов

Влияние легирующих элементов на ролики приведено в табл. 1.

Табл. 1. Влияние легирующих элементов на ролики

Элемент	Легированные чугунные ролики	Легированные стальные ролики
Углерод (C)	Повышает твердость, хрупкость, износостойкость. Снижает вязкость, глубину отбела	Повышает твердость, хрупкость, износостойкость. Снижает ударную вязкость
Кремний (Si)	Повышает графит, улучшает чистоту, снижает глубину отбела	Очищает сталь в пропорции 0,20–0,35%, повышает твердость, деоксидизатор, способствует качественной заливке
Фосфор (P)	Повышает твердость и хрупкость	Повышает твердость и хрупкость, снижает вязкость, склонен к сегрегации
Сера (S)	Повышает твердость, хрупкость и глубину отбела	Повышает твердость и хрупкость, снижает вязкость. Использовать с осторожностью
Марганец (Mn)	Снижает отбел в нижних диапазонах, повышает в верхних, повышает твердость в сочетании с Ni и Cr, повышает хрупкость	Повышает твердость и хрупкость. Очиститель для прочности на разрыв и износостойкости
Никель (Ni)	Повышает прочность, твердость, износостойкость. Снижает глубину отбела	Повышает прочность, твердость и устойчивость к огневым трещинам в сочетании с Cr и др.
Молибден (Mo)	Повышает прочность, твердость, устойчивость к огневым трещинам, измельчает зерно	Повышает прочность и твердость
Ванадий (V)	Повышает глубину отбела, прочность, устойчивость к огневым трещинам, снижает вязкость	Повышает вязкость, твердость и восприимчивость к термообработке
Хром (Cr)	Упручнитель всегда; в сочетании с Ni или Mo или обоими, повышает глубину отбела	Упручнитель — лучше работает в сочетании с Ni или Mo или обоими
Медь (Cu)	В малых количествах похож на Ni	Похож на Ni
Бор (B)	Упручнитель, использовать с осторожностью	Повышает твердость

Типы роликов для различных горячепрокатных станов

Типы роликов для раздувально-плитных, струпно-сортовых, сечевых, листового и ленточного станов приведены в табл. 2–6. Выбор конкретного ролика зависит от производственных требований, начальной стоимости, специфических качеств и т.д. Тесное сотрудничество с производителем роликов желательно для максимального удовлетворения требований.

Табл. 2. Типы роликов для раздувально-плитных станов

Тип ролика	Поверхностная твердость (° по Шору)
Кованые стальные, 0,4% C	24–30
Литые стальные, 0,4–0,9% C, вязкие	28–36
Литые легированные стальные, 0–0,5% Mo + Ni, Cr, Mn, прочные, вязкие, устойчивые к огневым трещинам	30–42
Адамит литые стальные, высокий C в полном растворении + Ni, Cr, хороший износ, но нужно обильное водяное охлаждение для предотвращения температурных колебаний	30–48

Табл. 3. Типы роликов для струпно-сортовых станов

Тип ролика	Поверхностная твердость (° по Шору)
Кованые стальные 0,75% C, ролики грубильных проходов	35
Литые стальные — 0–0,5% Mo + Ni, Cr, Mn, прочные, вязкие, устойчивые к огневым трещинам	30–42
Перлитнозернистые ролики, литой чугун, прочные, вязкие, устойчивые к огневым трещинам, ролики нитяных проходов	30–38
Спецзернистые ролики, улучшение вышеуказанных	35–40
Адамит литые стальные, высокий C в полном растворении + Ni, Cr, хороший износ, но нужно обильное охлаждение, ролики грубильных проходов	30–48
Углеродистые неопределенный отбел, температурные колебания избегать, ролики промежуточных проходов	35–40
Адамит легированные зернистые ролики, очень хорошее проникновение твердости, требуют температурного контроля, широкий диапазон твердости и прочности, ролики нитяных проходов	35–50
Углеродистые отбеленные ролики, высокая устойчивость к температурным перепадам, обрывам и поверхностному трещинобразованию, ролики мелких сечений	55–65
Адамит легированные неопределенный отбел, улучшение вышеуказанных, овальные и воротковые ролики	55–70
Полностью закаленные легированные неопределенный отбел, улучшение Адамита, напр. Ниронит	65–85
Высоколегированные чугунные отбеленные ролики с хорошим рабочим упрочнением, ролики воротковых станов	65–90
Сфероидальный графит, ролики грубильных проходов струпного стана	55
Сфероидальный графит, сортовой стан. Большинство проходов устойчивы к огневым трещинам, ролики грубильных проходов	60–65

Табл. 4. Типы роликов для сечевых станов

Тип ролика	Поверхностная твердость (° по Шору)
Кованые стальные ролики, грубильные, промежуточные и финишные ролики	24–30
Литые стальные, 0,4–0,9% C, грубильные ролики	28–36
Перлитнозернистые ролики, прочные, вязкие, устойчивые к огневым трещинам, грубильные, промежуточные и финишные	30–38
Литые стальные, 0–0,5% Mo + Ni, Cr, Mn, прочные, вязкие, с хорошей устойчивостью к огневым трещинам, грубильные	30–42
Адамит литые стальные, высокий C в полном растворении + Ni, Cr, хороший износ, но нужно обильное охлаждение для избежания температурных колебаний, грубильные	30–48
Спецзернистые ролики — улучшение вышеуказанных	35–40
Гиперевтектойдная сталь с Ni, Cr, Mo, износостойкость и прочность в примерно равных пропорциях, грубильные и полуфинишные	35–45
Углеродистые неопределенный отбел, температурные колебания избегать, ролики промежуточных проходов	38–40
Адамит легированные ролики, очень хорошее проникновение твердости, требуют температурного контроля, изготавливаются в широком диапазоне твердости и прочности, промежуточные и финишные	38–50
Литые стальные с Cr и W, высокая устойчивость к трещинобразованию и огневым трещинам, полуфинишные	40–50
Адамит легированные неопределенный отбел, улучшение вышеуказанных, промежуточные и финишные	55–70
Сфероидальный графит для обратимых грубильных роликов	45
Сфероидальный графит для мелких сечевых станов	60–65

Табл. 5. Типы роликов для листового стана

Тип ролика	Поверхностная твердость (° по Шору)
Перлитнозернистые ролики, литой чугун, прочные, вязкие, устойчивые к огневым трещинам, грубильные	30–38
Литые чугунные, 0–0,5% Mo + Ni, Cr, Mn, прочные, вязкие, с хорошей устойчивостью к огневым трещинам	40–42
Спецзернистые ролики, улучшение перлитнозернистых	35–40
Углеродистые отбеленные ролики, высокая устойчивость к температурным перепадам, обрывам и поверхностному трещинобразованию	55–65
То же, но с 0,4–1,0% Mo, рабочие ролики, условия стана должны быть стабильны	55–65
Легированные неопределенный отбел. Температурные колебания избегать охлаждением, рабочие и финишные ролики	65–85
Легированные отбеленные ролики, литой Ni-легированный чугун, хорошее рабочее упрочнение, финишные ролики	65–90
Композитные легированные отбеленные ролики, внешняя оболочка из легированного белого чугуна, формирующая рабочую поверхность, остальное — вязкий серый чугун, хороши для сверхтонких финишей, преимущество оболочки в самоупручнении, рабочие ролики	75–95

Табл. 6. Типы роликов для горячепрокатных ленточных станов

Тип ролика	Поверхностная твердость (° по Шору)
Кованые стальные ролики, рабочие ролики	24–30
Адамит литые стальные, высокий C в полном растворении с Ni, Cr, хороший износ, но нужно температурное управление охлаждением, рабочие ролики	30–38
Гиперевтектойдная сталь с Ni, Cr, Mo, износостойкость и прочность в равных пропорциях, грубильные ролики	35–45
Углеродистые неопределенный отбел, температурные колебания избегать, ролики промежуточных проходов	38–40
Адамит легированные зернистые ролики, очень хорошее проникновение твердости, но требуют температурного контроля, изготавливаются в широком диапазоне твердости и прочности, промежуточные и финишные ролики	35–50
Литые стальные с Cr и W, высокая устойчивость к трещинобразованию и огневым трещинам, грубильные ролики	40–50
Углеродистые отбеленные ролики, высокая устойчивость к температурным перепадам, обрывам и поверхностному трещинобразованию	55–65
То же, но с 0,4–1,0% Mo, условия стана должны быть более стабильными и контролируемыми, рабочие ролики	55–65
Адамит легированные неопределенный отбел, улучшение вышеуказанных, горячие финишные и планешные ролики	55–70
Легированные неопределенный отбел, улучшение Адамита, рабочие ролики	65–85
Легированные отбеленные ролики чугунные, похожие, но улучшенные качества по сравнению с легированными неопределенным отбелом	65–90
Манитит легированные неопределенный отбел, очень устойчивы к огневому трещинобразованию, хвостовым меткам, ушибкам и отслаиванию, рабочие ролики цеха	75–85
Сфероидальный графит, грубильные ролики	60–65
Сфероидальный графит, финишные ролики	65–70
Сфероидальный графит, подкладные ролики	50–55

Ролл-шоп (цех роликов)

Функции ролл-шопа включают:

• Прием роликовой сборки от прокатного стана после завершения прокатной кампании.
• Промывку сборки и демонтаж роликов из сборки.
• Осмотр роликов на огневые трещины, измерение диаметра. Осмотр отдельных частей роликов и поворот подшипников при необходимости.
• Планирование и выполнение шлифовки/перепазковки ролика по плану.
• Хранение отшлифованных/перепазкованных роликов в стойках и ожидание сборки по прокатному графику стана.
• Отправку чоков после демонтажа в зону сборки для сборки отшлифованного/перепазкованного ролика по графику.
• Сборку ролика и чока парно.
• Отправку собранной пары роликов на прокатный стан.

Осмотр чоков и подшипников проводится периодически. Функции ролл-шопа также включают шлифовку ножей гильотин, ставших тупыми при использовании на прокатном стане. Современный ролл-шоп на прокатном стане имеет следующее оборудование:

• Тяжелые, средние и легкие полностью автоматические ЧПУ шлифовальные станки для роликов и погрузчики роликов для плоских станов
• Тяжелые, средние и легкие полностью автоматические ЧПУ станки для пазковки роликов и погрузчики для сечевых и длиннопрофильных станов
• Шлифовальные станки для вольфрамокарбидных роликов и колец для проволочных и легких сечевых станов
• Чоково-съемные машины для всех типов роликов
• Текстурирующие машины
• Ролочные токарные станки
• Токарные, фрезерные и расточные станки
• Индукционные нагревательные и закаляющие установки
• Промывочные машины для чоков
• Наклонные устройства для чоков
• Шлифовальные станки для ножей гильотин
• Охлаждение и промывка роликов
• Стойки для хранения роликов
• Роллоносы (перегрузочные тележки)
• Прочие устройства для ежедневных операций ролл-шопа

Ролл-шоп ведет индивидуальные данные о производительности каждого ролика и проводит их глубокий анализ для увеличения ресурса. Для этого цех тесно сотрудничает с поставщиками роликов для улучшения химических и физических спецификаций в следующем закупочном цикле. Ролл-шоп также сотрудничает с расследующим органом при анализе причин поломки ролика, предоставляя исторические данные из своих записей.

Функции ролл-шопа также включают своевременные закупочные действия для обеспечения стана роликами по графику. Закупка планируется с учетом контроля запасов роликов.

Когда ресурс ролика исчерпан и достигнут диаметр утилизации, он перемещается в зону утилизации. Аналогично, сломанные ролики перемещаются туда после завершения расследования причины поломки.

В современных ролл-шопах используются два программных решения: система управления ролл-шопом (RSMS) и система управления дефектами роликов (RDMS) для полного контроля и анализа операций. RSMS позволяет анализировать от мониторинга реального процесса шлифовки/пазковки до сбора и обработки данных о производстве, потреблении и потребностях с минимальными затратами ресурсов. RDMS — мощный инструмент, повышающий и оптимизирующий производительность через глубокое управление дефектами и автоматические корректирующие действия. Кроме того, ролл-шоп должен быть полностью интегрирован с прокатным станом и обеспечивать обмен данными между системами стана и ролл-шопа.

Планировка ролл-шопа очень важна для оптимизации логистики перемещения роликов. Дорожки должны обеспечивать свободное движение вилочных погрузчиков.

Автоматизация перемещения роликов в ролл-шопе требует применения мер безопасности для ограничения доступа персонала в зоны автоматических операций, не контролируемые напрямую. Необходимы барьеры, обозначающие границы зоны автоматической работы. В этой зоне доступ только для обслуживания или аварийных целей.