виды прокатных валков

Когда говорят о видах прокатных валков, обычно сразу лезут в учебники: литые, кованые, составные... Но на практике, особенно когда сам занимаешься их производством или подбором для стана, понимаешь, что эта сухая классификация часто не отражает главного – как именно поведёт себя конкретный валок в конкретных условиях, под какой прокат, на каком проходе. Многие, особенно те, кто только начинает работать с прокатным оборудованием, ошибочно полагают, что главный критерий – это просто материал, скажем, чугун или сталь. А на деле, тут целая история с геометрией бочки, способом получения заготовки, последующей термообработкой и даже с тем, как организовано охлаждение во время работы. Помню, на одном из старых мелкосортных станов были постоянные проблемы с выкрашиванием поверхности на чистовых клетях – все грешили на качество стали. Оказалось, что валки были вроде бы кованые, но режим улучшения и закалки был подобран без учёта реальных пиковых температурных нагрузок при прокатке арматуры малого диаметра на высоких скоростях. Вот об этих практических тонкостях и хочется порассуждать.

От заготовки до бочки: как способ изготовления определяет судьбу валка

Начнём с основ. Если брать литые валки – да, это часто выбор для черновых клетей, где важна стойкость к ударным нагрузкам и тепловым ударам. Но и литьё литью рознь. Обычный отливок из чугуна с шаровидным графитом и валок, полученный методом центробежного литья, где структура по радиусу бочки неоднородна и специально сформирована – это две большие разницы. Вторые, конечно, дороже, но для некоторых профилей, где износ должен быть максимально равномерным, они практически незаменимы. Мы на производстве, в ООО Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство, часто сталкиваемся с запросами именно на кованые заготовки под валки. Почему? Потому что ковка, особенно на мощном гидравресе, который у нас есть, даёт ту самую плотную, мелкозернистую структуру металла, которая потом после термообработки обеспечивает и высокую твёрдость поверхности, и необходимую вязкость сердцевины. Это критически важно для валоков ответственных применений – например, для клетей горячей прокатки полос или сортового проката, где нагрузки цикличные и высокие.

А вот составные (бандажированные) валки – это отдельная песня. Тут уже игра идёт на экономию дорогостоящего материала. Дешёвая или более вязкая сердцевина (ось) и износостойкий, часто твердый бандаж. Казалось бы, идеально. Но вся сложность – в технологии посадки бандажа на ось (горячая посадка, прессовая). Малейший недожог или пережог – и в процессе работы под нагрузкой может возникнуть проворот или, что хуже, концентрация напряжений на кромках контакта. Видел как-то на одном из комбинатов последствия такого проворота – бандаж сместился всего на миллиметр-полтора, а профиль прокатываемого уголка пошёл волной по всей длине. Пришлось останавливать клеть, снимать, разбирать. Убытки колоссальные. Поэтому к выбору поставщика таких составных валков нужно подходить особенно тщательно, смотреть на его технологическую базу и опыт. На нашем сайте https://www.jyybdz.ru мы как раз акцентируем, что имеем полный цикл – от электрошлакового переплава (ЭШП) для получения качественной заготовки до ковки, токарной обработки и, что ключевое, до улучшения и термической обработки. Это позволяет контролировать все этапы и отвечать за конечные свойства изделия.

И ещё один момент, который часто упускают из виду при классификации – это валки для холодной прокатки. Тут уже совсем другие требования к материалу и твёрдости. Часто это высоколегированные стали, и главный бич – не столько абразивный износ, сколько усталостное выкрашивание и образование сетки трещин (фликера). Геометрия бочки должна быть идеальной, шероховатость поверхности – минимальной. Для их производства одних мощных прессов мало, нужны точные печи для термообработки с контролем атмосферы, чтобы избежать обезуглероживания поверхности, и высокоточные токарные и шлифовальные станки. В нашем цеху стоят горизонтальные токарные станки как раз для такой чистовой обработки тел вращения большого диаметра.

Материал: не просто ?чугун? или ?сталь?

С материалами тоже не всё однозначно. Возьмём чугунные валки. ?Чугунный? – не приговор. Есть отбелённые чугунные валки с поверхностным слоем высокой твёрдости – хороши для некоторых видов листовой прокатки. Но их слабое место – хрупкость, боятся локальных перегревов и задиров. Более распространены валки из высокопрочного чугуна (с шаровидным графитом). Они прочнее и менее чувствительны к концентраторам напряжений. Но опять же, их литейные свойства и конечные характеристики сильно зависят от химического состава и модифицирования расплава. На нашем производстве мы не делаем литые валки, но постоянно поставляем кованые заготовки для тех, кто специализируется на их последующей механической и термообработке. И здесь на первое место выходит качество исходной стали, которое как раз и обеспечивает наш электрошлаковый переплав (ЭШП). Эта технология позволяет drastically снизить содержание вредных примесей, неметаллических включений, получить плотную, однородную структуру слитка. Для ответственного прокатного валка это не прихоть, а необходимость.

Стальные кованые валки – это основной парк для многих станов. Но и сталь стали рознь. Углеродистые, легированные (часто хромом, никелем, молибденом), инструментальные... Выбор зависит от назначения. Для опорных валков блюмингов или слябингов, которые воспринимают колоссальные радиальные усилия, важна в первую очередь прочность и сопротивление пластической деформации сердцевины. А для рабочих валков чистовых клетей сортовых станов – твёрдость и износостойкость поверхности. И вот здесь как раз и проявляется искусство термообработчика. Недокалишь – не добьёшься нужной твёрдости, поверхность будет быстро изнашиваться. Перекалишь – появится излишняя хрупкость, риск выкрашивания или даже поломки бочки. В наших электрических печах для улучшения можно достаточно гибко выставлять режимы, что особенно важно при работе с разными марками сталей.

Отдельно стоит сказать о биметаллических и наплавленных валках. Это уже не классический ?вид? в чистом виде, а скорее способ восстановления или упрочнения поверхности. Наплавка твёрдыми сплавами позволяет значительно продлить срок службы бочки валка, особенно при прокатке абразивных материалов. Но технология эта капризная: нужно идеально подготовить поверхность (обточить, обезжирить), строго выдерживать режимы наплавки, чтобы минимизировать внутренние напряжения и риск отрыва наплавленного слоя. И, конечно, последующая обработка – тоже задача непростая, из-за высокой твёрдости материала. Но когда это работает, экономический эффект огромен.

Геометрия и профиль: то, что непосредственно формирует металл

Вот о чём редко пишут в общих статьях про виды, но что абсолютно критично на практике – это геометрия бочки и калибровка. Гладкий бочок для прокатки листа или полосы – это одно. А вот сортовые валки с системой ручьев (калибров) – это уже высшая математика. Каждый ручей должен быть рассчитан и изготовлен с высокой точностью, иначе металл в процессе прокатки будет неправильно деформироваться, появятся внутренние напряжения в самом изделии, перекосы, неравномерный износ. Изготовление таких валков – это вершина мастерства токаря-калибровщика. У нас на предприятии с годовым объёмом поковок в 5000 тонн мы часто делаем заготовки именно под такие сложные валки. Потому что ковка позволяет получить максимально близкую к конечной форме заготовку, что сокращает объём механической обработки и, что важно, сохраняет силовые линии волокон металла, идущие вдоль контура будущего валка, повышая его сопротивление усталости.

Ещё один геометрический нюанс – это бочка с выпуклостью или вогнутостью (выгиб). Это делается специально для компенсации упругого прогиба валка под нагрузкой, чтобы прокатываемая полоса или лист получались ровными по толщине, без ?подушки? или ?серпа?. Величина этого выгиба – результат сложных расчётов и опыта, она зависит от диаметра валка, расстояния между опорами, давления металла. И при переточке валка (снятии слоя металла для восстановления профиля) эту геометрию нужно восстанавливать, иначе прокат пойдёт браком.

А бывают и совсем специальные профили – например, для прокатки рельсов, колёс, балок. Тут каждый ручей – это практически произведение искусства. И износ происходит неравномерно: какие-то выступы стираются быстрее. Поэтому и подход к их восстановлению (переточке) должен быть индивидуальным. Часто такие валки после значительного износа не точат, а отправляют на наплавку, чтобы восстановить именно первоначальный профиль, а не просто уменьшить диаметр.

Практические грабли: с чем сталкивался лично

Хочу поделиться парой случаев из практики, которые хорошо иллюстрируют, как теория видов сталкивается с реальностью. Как-то поступил заказ на партию кованых заготовок для валков чистовой группы мелкосортного стана. Сталь – стандартная, термообработка – объёмная закалка с высоким отпуском. Валки сделали, отгрузили. Через месяц звонок: на двух валках из партии появились кольцевые трещины на бочке, неглубокие, но видимые. Начали разбираться. Оказалось, на стане при переходе на прокатку новой марки стали (более тугоплавкой) немного изменили режим охлаждения валков, увеличили расход воды. А в конструкции подшипниковых узлов этих конкретных клетей была небольшая конструктивная особенность, приводящая к локальному переохлаждению одной зоны бочки. Резкий тепловой градиент + остаточные напряжения после термообработки (которые, впрочем, были в норме) и дали эти трещины. Вывод: даже идеально изготовленный валок можно ?убить? неправильной эксплуатацией. Вид валка (кованый, износостойкий) не спасёт от термоудара.

Другой пример, уже связанный с нашим производственным циклом. Делали крупногабаритную поковку под опорный валок. После ковки на гидравлическом прессе и отжига для снятия напряжений приступили к токарной обработке. И на определённом проходе резцом почувствовали неоднородность твёрдости, рывки. Остановились, проверили. Обнаружили локальную зону с несколько иной структурой – следствие неидеального прогрева заготовки перед одним из ковочных переходов. Пришлось скорректировать режим последующей термообработки (улучшения), чтобы выровнять свойства по всему объёму. Если бы пропустили этот дефект, валок в работе мог бы начать неравномерно изнашиваться или, в худшем случае, в этом месте возникла бы усталостная трещина. Это к вопросу о важности контроля на всех этапах, о чём мы всегда говорим клиентам, которые заходят на jyybdz.ru. Наше небольшое, но сфокусированное предприятие с коллективом в 30 человек как раз построено на принципе полного контроля цепочки: ЭШП – ковка – термообработка – мехобработка. Только так можно гарантировать, что заявленный ?вид? валка будет соответствовать заявленным же эксплуатационным свойствам.

И ещё один момент, который стал для меня откровением в начале карьеры: важность правильного хранения и транспортировки валков. Казалось бы, железная болванка, что с ней случится. Ан нет. Удар о борт вагона или падение при разгрузке краном может создать микротрещины или внутренние напряжения, которые потом проявятся в самый неподходящий момент. Особенно это касается закалённых валков с высокой твёрдостью. Поэтому упаковка, крепление, логистика – это тоже часть заботы о качестве конечного продукта.

Вместо заключения: о выборе и приоритетах

Так к какому же виду прокатных валков стоит присмотреться? Универсального ответа нет. Всё упирается в технико-экономическое обоснование для конкретной клети, конкретного сортамента, конкретного графика работы стана. Да, кованый стальной валок из качественной электрошлаковой стали с грамотной термообработкой часто будет надёжнее и долговечнее. Но он и дороже. Для черновой клети, которая ?ест? валки быстро, может быть, экономически выгоднее использовать более дешёвые литые чугунные, но менять их чаще. А для уникального профиля, который прокатывают раз в квартал, может, и вовсе стоит рассмотреть вариант с составным валком, где можно менять только бандаж.

Главное – не зацикливаться на названии вида, а понимать, какие свойства нужны в первую очередь: сопротивление износу, сопротивление усталости, стойкость к тепловым ударам, прочность на изгиб. И уже исходя из этого, вместе с производителем, который обладает необходимым технологическим арсеналом (как, например, наше ООО Цзиюань Юйбэй, где есть и ЭШП, и ковочный пресс, и печи для отжига и улучшения, и парк станков), подбирать материал, технологию изготовления и вид конечной обработки. Потому что по-настоящему качественный прокатный валок – это всегда компромисс между множеством факторов, рождённый не в каталоге, а в диалоге между технологом стана и инженером производителя. И этот диалог, основанный на взаимном понимании практических задач, куда ценнее любой, даже самой подробной, классификации.