Ролик для машини безперервного лиття заготовок (слябів)

Ролик для машини безперервного лиття заготовок (слябів), призначений для підтримування заготовки (сляба) на технологічній осі машини, 3 26266 верхні ролика знаходиться в межах 500-650°С, а на внутрішній поверхні - +60°С, при цьому циклічні термічні напруження сягають значень до 800МПа, а циклічні механічні напруження ~150МПа. В аварійних ситуаціях, наприклад, при трихвилинній зупинці машини виникають пікові механічні напруження, які сягають умовної границі текучості матеріалу. На ранній стадії експлуатації після 30005000 циклів на поверхні ролика виникають тріщини термомеханічної втоми і далі ролик експлуатується з поверхневими тріщинами, які поширюються в довжину та глибину і можуть привести до руйнування. При аналізі технічних рішень використання на виробництві суцільної наплавки для підвищення довговічності роликів встановлено, що при наплавці шару Т товщиною 7,5мм із сталі 12X18Н9Т (коефіцієнт лінійного розширення a 2=16·10-6град-1) на ролик Æ270мм із сталі 25Х1М1Ф (a 1=12,7·10-6град1 ) в шарі наплавки утворюються залишкові напруження розтягу +300МПа, а на границі основного металу та наплавки - залишкові напруження стиску -200МПа. На поверхні наплавки сумарні експлуатаційні та залишкові напруження мають значення +850МПа, а на границі основного металу ролика та наплавки +300МПа. При цьому експлуатаційні напруження на поверхні ролика перевищують умовну границю текучості матеріалу (250МПа) і створюють тріщини втоми, які поширюються в глибину ролика і на границі основного металу та наплавки зупиняються внаслідок зниження експлуатаційних напружень до +300МПа, що значно нижче значення умовної границі текучості основного матеріалу ролика (430МПа). При використанні на виробництві для наплавки сталі 10X13 (a 2=11,7·10-6град-1) для тих же умов експлуатації та конструкції ролика в шарі наплавки утворюються залишкові напруження стиску 200МПа, а на границі основного металу та наплавки - залишкові напруження розтягу +200МПа. На поверхні наплавки сумарні експлуатаційні та залишкові напруження мають значення +300МПа, а на границі основного металу та наплавки +700МПа. При цьому експлуатаційні напруження на поверхні ролика перевищують умовну границю текучості матеріалу (210МПа) і створюють тріщини втоми, які поширюються в глибину ролика і перетинають границю основного металу та наплавки внаслідок збільшення експлуатаційних напружень (+700МПа), які значно вищі умовної границі текучості основного матеріалу ролика (430МПа). Таким чином, в залежності від абсолютних значень КЛР матеріалу наплавки та основного металу змінюється характер епюри напружень та кінетика поширення тріщин втоми. Недолік описаної конструкції ролика полягає у її недостатньому ресурсі, що обумовлено необґрунтованим (емпіричним) вибором матеріалу для наплавки та геометричних параметрів згаданого шару без цілеспрямованого використання фізикомеханічних властивостей матеріалу наплавки та можливості їх впливу на характер епюри експлуатаційних напружень. Металеві матеріали, які використовують в інженерній практиці, відрізняються механічними 4 (опору статичному та циклічному деформуванню та руйн уванню) та фізичними (КЛР, КТП, КТ і КТЄ та ін.) властивостями. Механічні та фізичні властивості матеріалів мають різні залежності від температури. Для одних матеріалів характерно підвищення деяких фізичних характеристик з підвищенням температури, для інши х навпаки зменшення їх значень при підвищенні температури. Оскільки експлуатаційні (термічні та механічні) напруження залежать від технологічного процесу і не підлягають ревізії без його зміни, то зменшення абсолютних значень термічних напружень на поверхні можливо тільки шляхом зміни температурного поля по поперечному перерізу ролика та створення залишкових напружень стиску з оптимальним перерозподілом ділянок розтягу та стиску в епюрі термічних напружень за рахунок відмінностей у значеннях коефіцієнтів лінійного розширення (КЛР), температуропроводності (КТП), теплопровідності (КТ) та теплоємності (КТЄ) основного металевого матеріалу та нанесених на його поверхню шарів інши х металевих матеріалів. У основу пропонованої корисної моделі поставлено задачу створення такого ролика для машини безперервного лиття заготовок (слябів), який би мав більший ресурс. Поставлена задача вирішується у пропонованій конструкції ролика за рахунок створення в ній умов для перерозподілу температури по поперечному перерізу ролика і, відповідно, зменшення абсолютних значень термічних напружень на його поверхні та формування в поверхневих шарах в півциклах охолодження залишкових напружень стиску з перерозподілом в сторону збільшення по товщині виробу ділянки стискуючих напружень в епюрі експлуатаційних термічних напружень. Пропонований, як і відомий ролик машини безперервного лиття заготовок (слябів), призначений для підтримування заготовки (слябу) на технологічній осі машини, виготовлений у вигляді пустотілого циліндра, на зовнішню циліндричну поверхню якого наплавкою нанесено шар металевого матеріалу, а, відповідно до корисної моделі, товщина шару Т металевого матеріалу на зовнішній циліндричній поверхні ролика визначена виразом. Т=(0,15...0,20)Н, де Н - товщина основного матеріалу стінки пустотілого циліндра, а коефіцієнти лінійного розширення (КЛР) матеріалу стінки пустотілого циліндра К1 та шару наплавки металевого матеріалу К2 на зовнішній циліндричній поверхні ролика визначені виразом К2=(0,50...0,73)К1. Пропонована конструкція дозволяє створити умови для перерозподілу температури по поперечному перерізу ролика і відповідно зменшити абсолютні значення термічних напружень на його поверхні та сформувати в поверхневих шарах в півциклах охолодження залишкові напруження стиску з перерозподілом в сторону збільшення по товщині виробу ділянки стискуючих напружень в епюрі експлуатаційних термічних напружень. При цьому в поверхневих шарах рівень експлуатаційних механічних напружень розтягу знижується на величину залишкових напружень стиску, що суттєво збільшує ресурс ролика. 5 26266 В даній корисній моделі досягають підвищення опору виробів експлуатаційним циклічним термомеханічним навантаженням за рахунок урахування особливостей впливу фізичних властивостей основного матеріалу та матеріалу наплавки на формування напружено-деформованого стану конструкції. В якості прикладу розглянуто роботу ролика, одного з відповідальних елементів машин безперервного лиття заготовок, ресурс якого визначає міжремонтний термін експлуатації вказаної машини. Ролик являє собою пустотілий циліндр діаметром від 140 до 600мм і довжиною 2400-4320мм з наплавкою шару металевого матеріалу. Товщина шару Т металевого матеріалу на зовнішній циліндричній поверхні ролика визначена виразом Т=(0,15...0,20)Н, де Н - товщина основного матеріалу стінки пустотілого циліндра, а коефіцієнти лінійного розширення (КЛР) матеріалу стінки пустотілого циліндра К1 та шару металевого матеріалу К2 на зовнішній циліндричній поверхні ролика визначені виразом K2=(0,50...0,73)K1. Оскільки характер епюри напружень від механічного навантаження не залежить від фізикомеханічних властивостей матеріалів і значення напружень максимальні на поверхні і зменшуються по товщині ролика пропорційно його радіусу (ролик розглядається як балка на двох опорах), а термічні експлуатаційні напруження теж мають на поверхні максимальні значення і зменшуються по товщині ролика у відповідності з його температурним полем, яке залежить від фізичних коефіцієнтів КТП, КТ і КТЄ авторами пропонується за рахунок останніх змінити характер температурного поля таким чином, що б зменшити абсолютні значення та градієнт термічних напружень в поверхневому шарі ролика та створити в них залишкові напруження стиску за рахунок відмінностей КЛР. У зв'язку з тим, що розподіл температури по поперечному перерізу ролика нерівномірний і найбільш різке зниження температури відбувається в поверхневому шарі, наприклад, на глибині 10мм від поверхні величина температури зменшується в два рази відносно температури на поверхні і далі знижується по товщині ролика більш рівномірно, то в даній корисній моделі пропонується на поверхню ролика наносити (наприклад, наплавкою електрозварюванням) шар матеріалу, який має температурозалежні КТП, КТ і КТЄ, абсолютні значення яких збільшуються при зниженні температури, а для КЛР значно менші чим для основного металу ролика. Пропоноване технічне рішення дозволяє значно зменшити градієнт та абсолютні значення температури і відповідно термічні напруження в поверхневому шарі ролика. Для наплавки вибирають матеріали у яких абсолютні значення КЛР нижчі, ніж для основного матеріалу. В цьому випадку на поверхні ролика будуть створюватись залишкові напруження стиску, в протилежному випадку - залишкові напруження розтягу. Оскільки під час експлуатації ролик обертається, то під час контакту зі слябом нанесений та основний матеріали нагріваються і створюють температурне поле та термі 6 чні напруження у відповідності з умовами теплообміну та фізичними властивостями використаних матеріалів. Так від нагрівання при контакті ролика зі слябом відбувається релаксація залишкових напружень стиску, створених на попередньому півциклі охолодження в наслідок різниці абсолютних значень КЛР нанесеного шару та основного матеріалу, та виникнення термічних напружень розтягу внаслідок різниці абсолютних значень КЛР нанесеного шару та основного матеріалу та механічних напружень стиску від ваги слябу (ролик розглядається як балка на двох опорах). Під час о холодження у зв'язку з наявністю градієнта температури по поперечному перерізу ролика та різниці абсолютних значень температурозалежних коефіцієнтів КЛР, КТП, КТ і КТЄ нанесених та основного матеріалів проходить перерозподіл термічних напружень та створюються залишкові напруження стиску, які складаючись з механічними напруженнями розтягу знижують їх значення на величину залишкових напружень стиску. Таке технічне рішення дозволяє при обертанні ролика відновлювати на кожному циклі складного термомеханічного навантаження корисні залишкові напруження стиску термічного походження, що спричиняє значне зниження шкідливих механічних напружень розтягу від ваги слябу. Товщин у шар у (шарів) наплавки визначають при порівнянні епюр напружень від ваги слябу та залишкових напружень. Необхідною умовою є розташування нульових значень напружень в епюрі залишкових напружень на максимальній відстані від поверхні, де величина напружень розтягу від ваги слябу має значно нижчі значення чим на поверхні та отримання сумарної (разом з експлуатаційною) епюри напружень, в якій максимально можливі в екстремальних ситуаціях напруження розтягу не повинні перевищува ти умовну границю текучості кожного з використаних матеріалів. Оптимальна товщина шару наплавки Т металевого матеріалу на зовнішній циліндричній поверхні ролика відповідає виразу Т=(0,15...0,20)Н, де Н - товщина основного матеріалу стінки пустотілого циліндра, а коефіцієнти лінійного розширення (КЛР) матеріалу стінки пустотілого циліндра К1 та шару наплавки металевого матеріалу К2 на зовнішній циліндричній поверхні ролика виразу К1=(0,50...0,73)К2. При товщині наплавки Т в межах (0,15...0,20)Н тріщини термічної втоми гальмуються в матеріалі наплавки і не сягають глибини основного матеріалу, створені залишкові напруження стиску мають достатньо значні значення, а розташування нульових значень напружень в епюрі залишкових напружень знаходяться на значній глибині, де напруження від ваги слябу значно менші чім на поверхні. При Т(0,15...0,20)Н створюються ще кращі умови для зменшення експлуатаційних напружень, але значне їх зниження не виправдано, а виконувати наплавки значної товщини економічно не доцільно. Значення КЛР для наплавленого шару завжди повинні бути значно менші ніж для ос 7 26266 новного матеріалу, так як це є обов'язковою умовою створення залишкових напружень стиску. Але для металевих матеріалів які відповідають вимогам зварювання та експлуатації роликів і використовують для наплавки відношення КЛР матеріалу наплавки до КЛР основного матеріалу менше чим 0,5 не існує. При значеннях K1>0,73K2 створюються залишкові напруження стиску недостатньої величини, які значно менше компенсують експлуатаційні напруження. А при К1>1К2 створюються шкідливі залишкові напруження розтягу. Тому оптимальними являються значення Т, Н, К1, К2 наведені вище. На основі проведених розрахунків і досліджень авторами було встановлено, що при наплавці на поверхню ролика із сталі 12Х1МФ, для якої значення КЛР, КТП, КТ і КТЄ в діапазоні температур 60...600°С відповідно складають (12,1...16,7)·10-6град-1, (0,973...0,585)·105м 2/сек., (36,5...33,5)вт/мтрад, (0,456...0,783)кДж/кг · град шару товщиною 20мм із сталі 0X17Н4 для якої значення КЛР, КТП, КТ і КТЄ в діапазоні температур 60...600°С відповідно складають (8,9...11,3)·106 град-1, (0,426...0,546)·105м 2/сек., (18,5...25,9)вт/м·град, (0,473...0,574)кДж/кг·град при контакті зі слябом температура на поверхні складає 600°С, а на глибині 20мм - 413°С. В зоні протилежній контакту зі слябом температура на поверхні сягає 325°С, а на границі основного металу та на плавки 268°С. При цьому на поверхні ролика утворюються термічні напруження стиску -269МПа, а на границі основного металу та наплавки 139МПа. Оскільки епюра термічних напружень збалансована, то нульові значення термічних на Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 8 пружень знаходяться на глибині 55мм від поверхні. При цьому механічні напруження розтягу на поверхні ролика від ваги слябу складають +150МПа, на границі основного металу та наплавки вони складають +128МПа. Таким чином на поверхні ролика сумарні експлуатаційні напруження складають -119МПа, на границі основного металу та наплавки - -2МПа, а на глибині 55мм мають значення +89МПа, що значно менше умовної границі текучості основного матеріалу ролика (350МПа). Отже, запропонована конструкція ролика з урахуванням особливостей впливу фізичних властивостей основного матеріалу та матеріалу наплавки на формування напруженодеформованого стану дозволяє керувати процесом створення бажаних напружень по поперечному перерізу ролика від експлуатаційних чинників. Із приведеного прикладу конструкції ролика слідує, що завдяки застосуванню матеріалу для на плавки з урахуванням їх фізико-механічних властивостей створюються напруження по поперечному перерізу ролика значно нижчі умовної границі текучості використаних матеріалів, що не уможливлює утворення тріщин втоми як в поверхневому шарі так і під ним. Особливо важливим моментом є створення на поверхні ролика експлуатаційних напружень стиску, оскільки інженерною практикою встановлено, що руйнування деталей починається, як правило, з поверхні в наслідок дії максимальних напружень розтягу, особливостей фізикомеханічних властивостей поверхневих шарів матеріалів та наявності технологічних та експлуатаційних дефектів. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601