Термопрочность цельнокованых и бандажированных прокатных валков

 
 
 
 
А.М. Покровский 
 
 
 
 
Термопрочность 
цельнокованых 
и бандажированных 
прокатных валков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

УДК 539.37:621.771.07
ББК 34.44 

П48

Рецензенты: 

д-р техн. наук, проф. Бохоева Л.А. 
д-р техн. наук, проф. Притыкин А.И. 

Покровский, А. М.

 
П48
Термопрочность цельнокованых и бандажиро
ванных прокатных валков / А. М. Покровский. — М. : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 271, 
[1] с. : ил.

 
 
ISBN 978-5-7038-4624-7 
Сформулированы проблемы, возникающие при производстве 

цельнокованых и бандажированных крупногабаритных прокатных 
валков. Рассмотрены основные  технологические этапы изготовления 
валков и их влияние на трещиностойкость готовых валков. Представлен обзор научных подходов к оценке напряженного состояния и 
прочности цельнокованых и бандажированных прокатных валков. 
Приведены результаты экспериментального и теоретического описания физико-механических свойств валковой стали 75Х2ГНМФ при 
термической обработке. Изложена методика расчета термических 
напряжений в процессе объемной и индукционной закалки прокатных валков, посредством решения связанной задачи термоупруговязкопластичности для материала с нестационарной структурой. Предложен алгоритм расчета напряженного состояния в бандаже при его 
посадке с натягом на профилированную ось. Описаны разработанные 
методики и алгоритмы для оценки трещиностойкости крупногабаритных прокатных валков после их изготовления. Представлены 
результаты численных расчетов применительно к реальным прокатным валкам. 
Монография написана по материалам исследований, проводи
мых в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 

Для магистрантов и аспирантов специальности «Прикладная 

механика», а также разработчиков тяжелого металлургического 
оборудования и специалистов в области термопрочности конструкций с нестационарной структурой. 

 
 
УДК 539.37:621.771.07
  ББК 34.44 

Издается в авторской редакции. 

ISBN 978-5-7038-4624-7
 Покровский А.М., 2017

 

 
 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 

Проблема прочности прокатных валков встает перед всеми заводами, занимающимися их изготовлением. В первую очередь 
трудности возникают при производстве крупногабаритных валков, 
диаметр которых достигает двух метров, а длина шести. Выбор 
рациональных режимов термообработки с использованием экспериментальных методов для прокатных валков неприменим в связи 
с их высокой стоимостью. Поэтому на первый план выходят методы математического моделирования термомеханических процессов, протекающих в валках при термической обработке и тепловой 
посадке. 
В предлагаемой монографии подробно описаны все этапы создания математической модели термомеханических процессов, 
протекающих, как в цельнокованых, так и бандажированных прокатных валках при термообработке. Ценность представляемого 
исследования заключается в том, что в нем рассматривается вся 
проблема от начала до конца: от всестороннего экспериментального изучения физико-механических свойств валковой стали до построения на основе опытных данных компьютерной модели, 
включающей в себя не только определение остаточных напряжений, но и оценку трещиностойкости валков. 
Первым, кто поставил задачу расчетным путем определить 
остаточные напряжения в валках после термообработки был  
Б.А. Морозов. В дальнейшем значительную роль в развитии расчетных методов определения остаточных напряжений в валках 
внесли В.П. Полухин, В.А. Николаев, А.М. Легун, В.Т. Фирсов. 
Книга является итогом тридцатилетней работы автора в области 
прочности термообрабатываемых прокатных валков. Автор выражает 
глубокую благодарность Р.К Вафину, А.И. Гневко, В.А. Грушко, 
В.Г. Лешковцеву, А.Г. Рахштадту, Н.М. Рыжову и В.М. Синицкому 
за внимание и помощь, которые они оказывали на разных этапах  выполнения работы. 

3

ВВЕДЕНИЕ 

На современном этапе развития народного хозяйства листовой 
прокат находит чрезвычайно широкое применение во всех его отраслях. Листовая сталь составляет наибольшую долю конечной 
металлургической продукции, как в России, так и в развитых Европейских странах [1]. Бесперебойный выпуск требуемого объема 
листового проката возможен только при наличии мощных прокатных станов, отвечающих последнему слову техники. Одной из актуальных проблем при создании таких станов является изготовление крупных опорных и рабочих прокатных валков диаметром более двух и длиной до пяти метров. 
В настоящее время крупногабаритные прокатные валки, как 
правило, производятся в двух вариантных исполнениях: цельнокованый и бандажированный [2], состоящий из оси и напрессованного на нее бандажа. Для их изготовления применяют, в основном, 
высокопрочные легированные стали типа 9ХФ, 60ХСМ, 75ХМ и 
др. Моноблочные опорные и рабочие прокатные валки для получения на контактной поверхности закаленного слоя подвергают 
индукционной закалке токами промышленной частоты (ТПЧ) с 
отпуском. Крупногабаритные опорные валки обычно делают составными (бандажированными). При этом бандаж, представляющий из себя короткую толстостенную трубу большого диаметра, 
выполненную из инструментальной стали, насаживается на стальную ось. Для придания бандажам и осям требуемых эксплуатационных свойств вначале они подвергаются термической обработке: 
изотермический отжиг после ковки и объемная закалка с отпуском 
на твердость 55–88 HSD (по Шору) для бандажей и 230–280 НВ 
(по Бринеллю) для осей. При последующей тепловой посадке бандаж разогревается до температуры 200…250 оС и свободно надевается на профилированную ось.  
В результате этих технологических операций в цельнокованых 
валках формируются значительные термические напряжения, а в 
бандажированных – еще и напряжения от посадки. Отмечены слу

чаи, когда вследствие высокого уровня указанных напряжений 
разрушение валков происходило до начала эксплуатации при термообработке, посадке, транспортировке или хранении. Самопроизвольное разрушение крупногабаритных бандажей при хранении 
после термообработки зарегистрированы, в частности, на ЗАО 
«Новокраматорский машиностроительный завод» (Украина). Неоднократно выявлялись случаи брака по причине хрупких трещин, 
обнаруженные методами неразрушающего контроля сразу после 
окончания термообработки. На ОАО «Электростальтяжмаш» отмечалась выбраковка моноблочных валков по появляющемуся характерному звону при индукционной закалке, связанному с зарождением и скачкообразным ростом хрупких трещин уже на стадии 
закалки. 
По условиям эксплуатации к осям не предъявляют высокие 
требования по твердости, для них применяется более мягкая, по 
сравнению с бандажами, термическая обработка, не приводящая к 
возникновению существенных остаточных напряжений. Кроме 
того, опасные растягивающие напряжения от посадки возникают 
только в бандаже, поэтому бандажированные валки, как правило, 
не выходят из строя по причине разрушения оси. Таким образом, 
необходим анализ прочности бандажа после объемной закалки и 
посадки и цельнокованого валка при индукционной закалке. 
Причиной самопроизвольного разрушения валков является, повидимому, водородная хрупкость, которая развивается в присутствии растягивающих напряжений [3]. Источниками напряжений 
при термической обработке служат объемные деформации, связанные с неравномерностью температурного поля и структурными 
превращениями. Возникновение последних объясняется тем, что 
при закалке инструментальных сталей в зависимости от скорости 
охлаждения аустенит, имеющий гранецентрированную кристаллическую решетку, может превращаться в перлит или бейнит, у которых ферритная основа имеет объемно-центрированную решетку, 
или в мартенсит с тетрагональной решеткой [4]. Этот переход сопровождается увеличением объема, так как гранецентрированная 
решетка упакована плотнее. 
Для уменьшения остаточных напряжений за счет релаксации 
напряжений и снижения хрупкости закаленного слоя бандажи и 
моноблочные валки подвергают отпуску длительностью до 100 ч 

при температуре 350…470 оС, но даже после этого в них сохраняются высокие остаточные напряжения, способные привести к замедленному разрушению [5]. 
Таким образом, основной проблемой при изготовлении прокатных валков является выбор оптимальных режимов термообработки, которые способствовали бы формированию требуемой 
твердости бочки, но не приводили к разрушению вследствие высокого уровня растягивающих напряжений.  
Экспериментальные работы по выбору оптимальных режимов 
термообработки дорогостоящие, так как каждый крупногабаритный прокатный валок представляет собой уникальную деталь. К 
тому же натурные испытания весьма трудоемки: они требуют разрезки валка на темплеты для проведения исследований макро- и 
микроструктуры закаленного слоя, распределения твердости и 
остаточных напряжений. Кроме того, экспериментальные методы 
не позволяют определить временные напряжения, имеющие место 
непосредственно в процессе термической обработки, которые могут быть выше остаточных, особенно при индукционной закалке. 
Поэтому из-за ограниченности информации, полученной при проведении экспериментальных работ, рекомендуемые режимы термообработки не всегда могут быть оптимальными. 
В связи с этим возникает задача математического моделирования термомеханических процессов, протекающих при термической обработке и прессовой посадке крупногабаритных прокатных 
валков. Указанная задача должна включать в себя расчет температурного, структурного и напряженного состояний в валке в течение всего времени термообработки, а для бандажей – и последующей  посадки.  Полученная  информация  позволяет  оценить гарантированную прочность валка, т. е. сделать вывод о его 
трещиностойкости в предположении о наличии в нем изначальных 
трещин, не выявляемых методами неразрушающего контроля, связанного с разрешающей способностью дефектоскопа. 
Варьируя параметрами внешнего теплообмена и натягами, 
можно расчетным путем, оценивая твердость и трещиностойкость 
валка, получить рациональные режимы термообработки и посадки. 
Большой вклад в развитие расчетных методов определения 
остаточных напряжений и прочности при термической обработке 
деталей  внесли  В.В. Абрамов,  В.А. Ломакин,  Н.П. Морозов, 

В.П. Полухин, В.А. Николаев, А.М. Легун, В.Т. Фирсов, И.М. Борисов, В.С. Морганюк, В.Е. Лошкарев, Н.А. Адамова (Н.А. Немзер), Самойлович Ю.А., Н.И. Загряцкий,  А.С. Киселев,  T. Inoe,  K. 
Tanaka,  H.-Y. Yn, Z.-G. Wang, S. Denis, A. Bakota, S. Iskierka, J. 
Rodrigues, P. Martins, M. Ehlers, H. Muller, D. Lohe и др.  
В настоящее время, несмотря на значительные успехи отечественных и зарубежных ученых в этом направлении, данная проблема, в силу своей сложности, до конца еще не исследована. Решение задачи в значительной степени осложняется протеканием 
структурных превращений, оказывающих большое влияние на физико-механические [6] и теплофизические [7] характеристики, а 
также приводящих к выделению скрытой теплоты структурных 
превращений [8] и проявлению эффекта сверхпластичности [9]. В 
связи с этим задачи определения температурного, структурного и 
напряженного состояний, а также трещиностойкости оказываются 
взаимосвязанными. Реальные процессы термообработки и посадки 
с натягом крупногабаритных прокатных валков характеризуются 
напряжениями, превышающими предел текучести, и проявлением 
реономных свойств стали на первых стадиях закалки и при отпуске. Это приводит к необходимости для определения напряженного 
состояния при термообработке решать задачу термоупруговязкопластичности с учетом структурных превращений, а для прессовой посадки – упругопластическую задачу с учетом остаточных 
напряжений от термообработки и неоднородности фазового состава. 
Цель настоящей работы – создание математической модели термомеханических процессов, протекающих в стали при нагреве и  
охлаждении,  а  также  при  посадке  для  выбора  рациональных режимов термической обработки и посадки крупногабаритных прокатных валков. Создание модели связано с проведением комплексного 
исследования физико-механических свойств инструментальной стали 
в интервале температур, характерном для термообработки прокатных 
валков, а также с разработкой методов расчета температурного, 
структурного и напряженного состояний оценки твердости и трещиностойкости. В качестве объекта экспериментального исследования 
была выбрана инструментальная сталь с высокой прокаливаемостью 
75Х2ГНМФ, позволяющей исследовать взаимное влияние напряженного и структурного состояний.  

Г л а в а  1 

ПРОБЛЕМА ПРОЧНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ 
ОПОРНЫХ И РАБОЧИХ ВАЛКОВ 
ЛИСТОПРОКАТНЫХ СТАНОВ 

Важной проблемой при создании мощных прокатных станов является изготовление высококачественных крупногабаритных рабочих и опорных валков. Их 
производство состоит из ряда технологических этапов, каждый из которых 
определенным образом влияет на прочность и твердость готового изделия. Обзор опубликованных научных подходов, посвященных прочности валков, показывает, что в настоящее время не существует надежных методов, позволяющих 
гарантированно прогнозировать прочность прокатных валков. 

1.1. Требования к твердости и прочности 
крупногабаритных прокатных валков 
мощных листопрокатных станов 

Основная часть металлопродукции выпускается в настоящее 
время в виде проката. Причем с каждым годом в общей структуре 
выпуска увеличивается доля листового проката по отношению к 
сортовому [1]. В 2015 г. производство листового проката в России 
составило 27,5 млн т. Последнее объясняется наибольшей экономичностью и универсальностью этого вида продукции, особенно 
тонколистового холоднокатаного проката. В 2015 году в России 
было произведено 8,2 млн т плоского холоднокатаного проката без 
покрытий. Холоднокатаные листы и полосы широко применяют 
для легких штампованных и сварных конструкций в высокотехнологичных производствах, в частности в автомобилестроении. В 
связи с этим примерно 30 % тонкого плоского стального листа в 
России получают путем холодной прокатки. 
Современный листопрокатный стан представляет собой сложнейший комплекс машин и механизмов. Основным инструментом 
стана, формирующим размеры листа, его чистоту поверхности и 
свойства, являются валки, смонтированные в клети [10]. По числу 

валков в клети листовые прокатные станы подразделяют на двух- 
(дуо), четырех- (кварто) и многовалковые [11]. Двухвалковые станы не получили широкого применения вследствие их малой производительности. Более широко применяются четырехвалковые 
станы, используемые обычно как реверсивные, а также многовалковые станы, предназначенные для прокатки тонкой и тончайшей 
(менее 0,1 мм) полосы. Наиболее типичными для современного 
прокатного производства являются непрерывные станы, включающие от трех до пяти клетей [12]. 
Современное листопрокатное производство характеризуется 
высокой интенсивностью процесса. Скорость прокатки в непрерывных  станах  может  достигать  40 м/с  [12].  С  каждым  годом 
повышаются требования к качеству прокатываемого листа, его чистоте поверхности и допускам на разнотолщинность. Увеличивается степень обжатия при прокатке, возрастает доля труднодеформируемых материалов [13]. Все это приводит к ужесточению условий эксплуатации рабочих и опорных валков, увеличению 
контактных и изгибных напряжений, а следовательно, к повышению требований по их твердости и прочности. 
Очевидно, что бесперебойная работа прокатного стана и получение высокосортной продукции в значительной степени зависят 
от качества прокатных валков. Основным параметром, определяющим качество валка, является его стойкость, т. е. количество 
прокатанного металла до списания. На ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) разработан критерий, позволяющий оценить эффективность использования прокатных валков 
различных заводов-изготовителей [5]. Согласно данному критерию, эффективность использования прокатного валка тем выше, 
чем меньше коэффициент 
G
C
K
/
э =
, где C  – стоимость валка, 
млн руб., G  – стойкость, т. Результаты анализа валков, изготовленных на ОАО «Уралмаш» (УЗТМ), Машиностроительный концерн «Ормето-ЮУМЗ» (ЮУМЗ), ООО "Юргинский машзавод" 
(ЮМЗ), ПАО «Новокраматорский машиностроительный завод» 
(НКМЗ, Украина), а также производства Германии и Японии сведены в табл. 1.1.  
Из табл. 1.1 ясно, что по 
э
K  для валков стана 2500 холодной 
прокатки (х/п) предпочтение нужно отдать НКМЗ, а для валков 
стана 1200 холодной прокатки – Германии. Валки, изготовленные 

на этих заводах, хотя и более дорогие, но имеют лучшие показатели по стойкости за счет оптимального выбора марок стали и режимов термообработки. 
 
                                                                                                       Таблица 1.1 
 
Эффективность использования различных прокатных валков 
 

Прокатный

стан (размеры 

валка, мм)

Завод- 
изготовитель 
Средняя 
стойкость, т 

Стоимость

валка, 

млн руб.

Эффективность 
использования, 

руб./т

 

2500 х/п 
(500×2500) 
 

 
1200 х/п 
(500×1200) 

УЗТМ 
Япония 
ЮУМЗ 
ЮМЗ 
НКМЗ 

УЗТМ 
ЮУМЗ 
ЮМЗ 
Германия 

21618 
27206 
27699 
34997 
41110 

5538 
5567 
8085 
10428 

81,3 
88,2 
81,6 
81,5 
88,5 

45,9 
40,8 
42,5 
50,5 

3762 
3242 
2945 
2330 
2145 

8288 
7328 
5256 
4842 

 
Каждая поломка валка значительно увеличивает простой прокатного стана. Так, выход из строя рабочего валка на листовом 
стане ММК приводит к остановке на 1 ч, а опорного – на 4 ч [5]. 
Диапазон расхода валков на 1 т прокатной продукции весьма широк и составляет от 0,05 до 25 кг/т [12]. Доля затрат на валки в общих расходах составляет от 2 до 15 % в цехах горячей прокатки 
(г/п) и от 15 до 25 % в цехах холодной прокатки. В связи с этим расход валков в значительной мере определяет себестоимость проката. 
Уровень развития производства валков существенно отстает от 
современных требований. Достигнутые показатели качества и работоспособности валков не позволяют сократить эксплуатационный парк валков и складские помещения, что предопределяет необоснованные материальные затраты. Таким образом, одной из 
наиважнейших задач металлургического машиностроения является 
изготовление высококачественных прокатных валков. 
Прокатный валок состоит из бочки, непосредственно участвующей в контактировании, и шеек (цапф), расположенных с обеих 
сторон бочки и опирающихся на подшипники. У листопрокатных 
валков бочка цилиндрическая. Основные размеры валков – диаметр и длину бочки – предварительно выбирают на основании