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. Пред-
ставлен обзор научных подходов к оценке напряженного состояния и 
прочности цельнокованых и бандажированных прокатных валков. 
Приведены результаты экспериментального и теоретического описа-
ния физико-механических свойств валковой стали 75Х2ГНМФ при 
термической обработке. Изложена методика расчета термических 
напряжений в процессе объемной и индукционной закалки прокат-
ных валков, посредством решения связанной задачи термоупруговяз-
копластичности для материала с нестационарной структурой. Пред-
ложен алгоритм расчета напряженного состояния в бандаже при его 
посадке с натягом на профилированную ось. Описаны разработанные 
методики и алгоритмы для оценки трещиностойкости крупногаба-
ритных прокатных валков после их изготовления. Представлены 
результаты численных расчетов применительно к реальным прокат-
ным 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 конструк-
ций 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 за-
водами, 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 экспе-
риментальных методов для прокатных валков неприменим в связи 
с их высокой стоимостью. Поэтому на первый план выходят мето-
ды математического моделирования термомеханических процес-
сов, протекающих в валках при термической обработке и тепловой 
посадке. 
В предлагаемой монографии подробно описаны все этапы со-
здания математической модели термомеханических процессов, 
протекающих, как в цельнокованых, так и бандажированных про-
катных валках при термообработке. Ценность представляемого 
исследования заключается в том, что в нем рассматривается вся 
проблема от начала до конца: от всестороннего экспериментально-
го изучения физико-механических свойств валковой стали до по-
строения на основе опытных данных компьютерной модели, 
включающей в себя не только определение остаточных напряже-
ний, 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 рас-
четных 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  вы-
полнения работы. 

3

ВВЕДЕНИЕ 

На современном этапе развития народного хозяйства листовой 
прокат находит чрезвычайно широкое применение во всех его от-
раслях. Листовая сталь составляет наибольшую долю конечной 
металлургической продукции, как в России, так и в развитых Ев-
ропейских странах [1]. Бесперебойный выпуск требуемого объема 
листового проката возможен только при наличии мощных прокат-
ных станов, отвечающих последнему слову техники. Одной из ак-
туальных проблем при создании таких станов является изготовле-
ние крупных опорных и рабочих прокатных валков диаметром бо-
лее двух и длиной до пяти метров. 
В настоящее время крупногабаритные прокатные валки, как 
правило, производятся в двух вариантных исполнениях: цельноко-
ваный и бандажированный [2], состоящий из оси и напрессованно-
го 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 полу-
чения на контактной поверхности закаленного слоя подвергают 
индукционной закалке токами промышленной частоты (ТПЧ) с 
отпуском. Крупногабаритные опорные валки обычно делают со-
ставными (бандажированными). При этом бандаж, представляю-
щий из себя короткую толстостенную трубу большого диаметра, 
выполненную из инструментальной стали, насаживается на сталь-
ную ось. Для придания бандажам и осям требуемых эксплуатаци-
онных 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 бан-
даж разогревается до температуры 200…250 оС и свободно наде-
вается 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 тер-
мообработке, посадке, транспортировке или хранении. Самопро-
извольное разрушение крупногабаритных бандажей при хранении 
после термообработки зарегистрированы, в частности, на ЗАО 
«Новокраматорский машиностроительный завод» (Украина). Не-
однократно выявлялись случаи брака по причине хрупких трещин, 
обнаруженные методами неразрушающего контроля сразу после 
окончания термообработки. На ОАО «Электростальтяжмаш» от-
мечалась выбраковка моноблочных валков по появляющемуся ха-
рактерному звону при индукционной закалке, связанному с зарож-
дением 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, по-
видимому, водородная хрупкость, которая развивается в присут-
ствии растягивающих напряжений [3]. Источниками напряжений 
при термической обработке служат объемные деформации, свя-
занные с неравномерностью температурного поля и структурными 
превращениями. Возникновение последних объясняется тем, что 
при закалке инструментальных сталей в зависимости от скорости 
охлаждения аустенит, имеющий гранецентрированную кристалли-
ческую решетку, может превращаться в перлит или бейнит, у ко-
торых ферритная основа имеет объемно-центрированную решетку, 
или в мартенсит с тетрагональной решеткой [4]. Этот переход со-
провождается 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 сохраня-
ются высокие остаточные напряжения, способные привести к за-
медленному разрушению [5]. 
Таким образом, основной проблемой при изготовлении про-
катных валков является выбор оптимальных режимов термообра-
ботки, которые способствовали бы формированию требуемой 
твердости бочки, но не приводили к разрушению вследствие высо-
кого уровня растягивающих напряжений.  
Экспериментальные работы по выбору оптимальных режимов 
термообработки дорогостоящие, так как каждый крупногабарит-
ный прокатный валок представляет собой уникальную деталь. К 
тому же натурные испытания весьма трудоемки: они требуют раз-
резки 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 мо-
гут быть выше остаточных, особенно при индукционной закалке. 
Поэтому из-за ограниченности информации, полученной при про-
ведении экспериментальных работ, рекомендуемые режимы тер-
мообработки не всегда могут быть оптимальными. 
В связи с этим возникает задача математического моделиро-
вания термомеханических процессов, протекающих при термиче-
ской обработке и прессовой посадке крупногабаритных прокатных 
валков. Указанная задача должна включать в себя расчет темпера-
турного, структурного и напряженного состояний в валке в тече-
ние всего времени термообработки, а для бандажей – и последую-
щей  посадки.  Полученная  информация  позволяет  оценить га-
рантированную прочность валка, т. е. сделать вывод о его 
трещиностойкости в предположении о наличии в нем изначальных 
трещин, не выявляемых методами неразрушающего контроля, свя-
занного 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. Бо-
рисов, В.С. Морганюк, В.Е. Лошкарев, Н.А. Адамова (Н.А. Нем-
зер), 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 отече-
ственных и зарубежных ученых в этом направлении, данная про-
блема, в силу своей сложности, до конца еще не исследована. Ре-
шение задачи в значительной степени осложняется протеканием 
структурных превращений, оказывающих большое влияние на фи-
зико-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 отпус-
ке. Это приводит к необходимости для определения напряженного 
состояния при термообработке решать задачу термоупруговязко-
пластичности с учетом структурных превращений, а для прессо-
вой посадки – упругопластическую задачу с учетом остаточных 
напряжений от термообработки и неоднородности фазового состава. 
Цель настоящей работы – создание математической модели тер-
момеханических процессов, протекающих в стали при нагреве и  
охлаждении,  а  также  при  посадке  для  выбора  рациональных ре-
жимов термической обработки и посадки крупногабаритных прокат-
ных 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 трещи-
ностойкости. В качестве объекта экспериментального исследования 
была выбрана инструментальная сталь с высокой прокаливаемостью 
75Х2ГНМФ, позволяющей исследовать взаимное влияние напряжен-
ного 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 высокотехно-
логичных 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 слож-
нейший 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 ста-
ны не получили широкого применения вследствие их малой про-
изводительности. Более широко применяются четырехвалковые 
станы, используемые обычно как реверсивные, а также многовал-
ковые станы, предназначенные для прокатки тонкой и тончайшей 
(менее 0,1 мм) полосы. Наиболее типичными для современного 
прокатного производства являются непрерывные станы, включа-
ющие от трех до пяти клетей [12]. 
Современное листопрокатное производство характеризуется 
высокой интенсивностью процесса. Скорость прокатки в непре-
рывных  станах  может  достигать  40 м/с  [12].  С  каждым  годом 
повышаются требования к качеству прокатываемого листа, его чи-
стоте поверхности и допускам на разнотолщинность. Увеличива-
ется степень обжатия при прокатке, возрастает доля труднодефор-
мируемых материалов [13]. Все это приводит к ужесточению усло-
вий эксплуатации рабочих и опорных валков, увеличению 
контактных и изгибных напряжений, а следовательно, к повыше-
нию требований по их твердости и прочности. 
Очевидно, что бесперебойная работа прокатного стана и полу-
чение высокосортной продукции в значительной степени зависят 
от качества прокатных валков. Основным параметром, определя-
ющим качество валка, является его стойкость, т. е. количество 
прокатанного металла до списания. На ОАО «Магнитогорский ме-
таллургический комбинат» (ММК) разработан критерий, позволя-
ющий оценить эффективность использования прокатных валков 
различных заводов-изготовителей [5]. Согласно данному крите-
рию, 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 про-
катного 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 ши-
рок и составляет от 0,05 до 25 кг/т [12]. Доля затрат на валки в об-
щих 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 рас-
ход валков в значительной мере определяет себестоимость проката. 
Уровень развития производства валков существенно отстает от 
современных требований. Достигнутые показатели качества и ра-
ботоспособности валков не позволяют сократить эксплуатацион-
ный парк валков и складские помещения, что предопределяет не-
обоснованные материальные затраты. Таким образом, одной из 
наиважнейших задач металлургического машиностроения является 
изготовление высококачественных прокатных валков. 
Прокатный валок состоит из бочки, непосредственно участву-
ющей в контактировании, и шеек (цапф), расположенных с обеих 
сторон бочки и опирающихся на подшипники. У листопрокатных 
валков бочка цилиндрическая. Основные размеры валков – диа-
метр и длину бочки – предварительно выбирают на основании