книги из ГПНТБ / Контактное взаимодействие металла и инструмента при прокатке

На рис. 85 показана глубина проникновения температурных волн в тело валка, рассчитанная по формулам А. Н. Шичкова (1) и А. В. Лыкова (2). Как видно из приведенных данных, глубина актив­ ной зоны зависит от числа оборотов валка и граничных условий на его поверхности.

Рис. 84. Распределение температуры в поверхностных слоях валка, подо­ гретого до 60° С после четвертого оборота

На основе проведенных расчетов глубину залегания границы активной и основной зон с достаточной для практических целей точ­ ностью рекомендуется находить по формуле, полученной для гармо­ нических колебаний температуры на поверхности валка (см. рис. 85)^

Эта величина не превышает 7—8 мм для условий службы валков тонколистовых станов холодной прокатки.

На основании проведенного анализа температурных полей вал­ ков можно сделать следующий вывод: если температура поверхности валка в зоне охлаждения его жидкостью меньше 100° С, то средняя ее величина в этой зоне с точностью до 2—3 град совпадает с темпе­ ратурой, установившейся на границе зон. По мере прогревания или теплонасыщения валка такая же температура устанавливается в основной зоне по всему поперечному сечению валка, взятому на

тях).

Устранение поломок валков вследствие больших термических напряжений [112, 113] может быть достигнуто применением пред­ варительного их подогрева'перед завалкой в клеть1.

Первые опыты по использованию предварительно подогретых валков были описаны в работах [112, 113]. В первом случае их подогревали в масляной ванне, во втором — индуктором для низко­ температурного отпуска конструкции ЦНИИТмаша [113]. Однако применение масляных ванн делает помещение огнеопасным и вред­ ным по условиям труда обслуживающего персонала. Для подогрева необходимо иметь не менее двух индукторов с трансформаторами и приспособлениями для вращения валков. Кроме этого, установка подушек на нагретые шейки затруднена (зазор между подшипником

ихолодной шейкой составляет всего 0,03 мм).

Вцехе холодной прокатки Череповецкого металлургического

завода была смонтирована, опробована и успешно внедрена установка по подогреву валков эмульсией. В процессе исследований были опро­

1 М е л е ш к о В . И. Теоретические и экспериментальные исследования и раз­ работка оптимальной технологии производства тонких листов. Автореф. докт. дис.

ДМетИ, 1972.

132

бованы различные варианты подогрева валков и разработаны рацио­ нальные режимы подогрева, а также конструкция коллектора с ре­ гулируемой подачей горячей эмульсии х.

Наличие данных о температурных полях в валке, а также о коле­ баниях теплового профиля в зависимости от условий теплообмена (скорости прокатки, интенсивности подачи эмульсии, продолжитель­ ности пауз и пр.) позволяет более обоснованно учитывать роль теп­ ловых напряжений в явлении усталости поверхностных слоев мате­ риала валков и с точкй зрения обеспечения наиболее рациональ­ ного режима охлаждения.

На непрерывном четырехклете­ вом стане 1700 холодной прокатки ждановского металлургического завода им. Ильича былб прове­ дено исследование распределения температуры в рабочем валке в

нологии, т. е. с, эмульсией и при рабочей скорости до 6 м/с в течение

67 мин;

IV — прокатка двух рулонов с толщины 3,8 до 3 мм при скорости до 4 м/с в течение 23 мин (рис. 87);

V — охлаждение валка после его извлечения из клети. Темпе­ ратуру измеряли через каждый час в течение 26 ч.

Изменение температуры по этапам (I— IV) на различном расстоя­ нии от поверхности валка показано на рис. 87. Внутренние слои (100 и 200 мм от поверхности) практически нечувствительны к изме­ нениям технологического процесса прокатки: кривые разогрева этих слоев не имеют колебаний, характерных для поверхностных зон валка. На кривых даже не сказывается простой стана (10 мин) из-за обрыва полосы.

1Л и п у х и н Ю . В., М а с л е н н и к о в В. А., С е р г е е в Е. П . — «Сталь», 1971, № 4, с. 346—347 с ил.

2Исследования проведены совместно с А. К- Терешко.

На I этапе температура в слоях, отстоящих на 100 и 200 мм от поверхности, осталась практически неизменной, в то время как тем­ пература поверхностного слоя возросла почти на 10 град.

На II этапе поверхностные зоны валка начали нагреваться на 8— 10 град/мпн. Этот мощный поток тепла быстро достигает внутрен­ них слоев; здесь также наблюдается некоторое приращение, темпе­ ратуры, хотя значительно менее интенсивное.

Л‘ н/ Э

О Ю ?0 Ю 60 SO 60 Ю 80 90 Ю0 НО Т.мин

Рис. 87. Динамика изменения температуры слоев валка в процессе эксплуатации (обозна* чения термопар — см. рнс. 86)

При подаче эмульсии в течение III этапа скорость нагрева по­ верхностных слоев в 2—2,5 раза ниже. Здесь можно проследить, насколько чувствительна температура поверхностных слоев валка ко всяким изменениям режима прокатки. На рис. 87 показаны мо­ менты остановок, пауз, разгонов и пр. Видно, что колебания тем­ пературы достигают 12 град. То же наблюдается и при исследовании температурного режима валков горячей прокатки [114], однако вследствие специфики процесса изменения температуры там более значительны.

Если прокатка идет по технологии, т. е. когда практически сразу вслед за задним концом предыдущего рулона задают передний конец последующего, когда нет обрывов полосы, требующих остановки стана, не изменен сортамент, то подача эмульсии не прекращается. Однако в течение даже кратковременных пауз, пока валки вращаются вхолостую, температура поверхностных зон резко снижается. Изве­ стно, что резкое падение температуры поверхности валка вызывает

134

растягивающие напряжения, которые могут привести к образованию трещин и отколов на рабочей поверхности. Поэтому необходимо отключать подачу эмульсии сразу после выхода полосы из очага деформации. В связи с этим следует резко сократить время подачи эмульсии на валки, вращающиеся вхолостую.

Кривые радиального распределения температуры для различных характерных моментов процесса прокатки представлены на рис. 88. Кривая 1 построена для момента, соответствующего концу обкатки, перед задачей первого рулона в клеть (7-я минута). Валок еще не успел достаточно прогреться, максимальная по сечению температура наблюдается на глубине 5—6 мм, т. е. там, где появляются наиболь­ шие максимальные скалывающие напряжения. Это объясняется, по-видимому, тем, что циклически изменяющиеся напряжения могут быть причиной внутреннего тепловыделения.

Кривая 2 построена для периода, прокатки без эмульсии (14-я минута). Температура поверхностных зон валка заметно повыси­ лась. Здесь наблюдается резкое увеличение градиента температуры по сечению, что в свою очередь неизбежно связано с ростом тепловых напряжений в валке и числа отслоений в начальной стадии эксплуата­ ции валков. Затем внутренние слои разогреваются, перепад темпе­ ратур по сечению уменьшается, напряжения падают и вероятность отслоений становится меньше. Это подтверждают авторы работы [115], которые на основании расчетов также показали моменты наибольшей вероятности появления трещин и отколов рабочей по­ верхности.

По мере разогрева внутренних зон валка кривая радиального распределения температур выравнивается, что приводит к некото­ рому снижению напряжений в приконтактных зонах валка. Кривые 3—5 на рис. 88 характеризуют радиальное распределение темпера­ туры соответственно при прокатке по обычной технологии (69-я минута) в момент прохождения сварного шва (до 2 м/с; 71-я минута) и после паузы с подачей эмульсии (79-я минута). Нетрудно заметить, что колебания температуры, вызванные изменениями скорости про­ катки, паузами и др., распространяются в тело валка на глубину до 50 мм; при этом на поверхности эти колебания весьма значительны

(см, - рис. 87).

Расчет тепловых напряжений, проведенный нами по методике, изложенной в работе [116], показал, что для конкретных условий прокатки, характерных для исследуемого стана, максимальная ве­ личина напряжений в приконтактных зонах валков не превышает величины 4 кГс/мм2 (при осесимметричной задаче), что почти не должно сказываться на эксплуатационной стойкости валков. Однако опыт эксплуатации валков холодной прокатки показывает, что теп­ ловой режим —• это один из основных критериев, определяющих работоспособность валков; нарушения режима их охлаждения неиз­ бежно ведут к отколам рабочей поверхности валков.

Следовательно, величины напряжений при установившемся ре­ жиме, полученные расчетом, надо считать заниженными. Причина этого, на наш взгляд, кроется в том, что был принят логарифми­

135

ческий закон радиального распределения температуры, что часто не характерно для приконтактной зоны. Следует иметь в виду, что это несоответствие должно усугубиться на последующих клетях, где силовые и температурные факторы проявляются более интенсивно.

После прокатки 14 рулонов (~300 т) валок извлекли из клети; продолжали измерять температуру в течение 26 ч (рис. 89). Из рис. 89

видно, .что внутренние слои продолжают нагреваться в течение 5 ч с момента вывалки, после чего температура всех слоев уменьшается по экспоненциальному закону. Через 13—14 ч температурный пе­ репад становится отрицательным, так как поверхностные слон к этому моменту имеют более низкую температуру. В это время может про­ изойти раскрытие микротрещин, полученных за время эксплуата­ ции в клети, так как внутренние, более нагретые слои, сжимаясь под действием более холодной «оболочки», вызывают в последней значительные растягивающие напряжения. Такие случаи наблю­ дались.

3. ТЕМПЕРАТУРА В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ И УСТОЙЧИВОСТЬ ТЕПЛОВОГО ПРОФИЛЯ РАБОЧИХ ВАЛКОВ

Интенсивность контактного теплообмена в очаге деформации при прокатке тонких листов в конечном итоге формирует температурное поле валка и создает предпосылки для устойчивой или неустойчивой службы смазки, надежность которой определяется термосиловым критерием (ТС). Поэтому для процесса прокатки представляет осо­ бый интерес температура поверхности валка в очаге деформации, которая может быть определена по формуле (93) в зависимости от

136

параметров процесса (Тв — ф ( у , рср; /ср, сгт. . .) и т. д.). Расчеты убеждают нас в том, что на температуру в очаге деформации зна­ чительное влияние оказывает начальная температура валка Тв0 в точке встречи валка с полосой. При этом, когда температура на

границе активной и основной зоны 1В, определяемая, по формуле (96), не превышает 70—80° С, Тв0, как правило, принимается на 4—

5 град ниже найденных значений 7В. При возрастании скорости прокатки Тв0 становится больше 80° С. В этих случаях необходимо

Рис. 90. Относительное изменение температуры на поверхности валка; / — контакт с металлом; // — контакт с опорным валком

определять Тв0 конечно-разностным методом. С увеличением ско­ рости прокатки Тв0 медленно увеличивается, но обычно не превы­ шает 100 град.

Рассмотрим влияние скорости прокатки на температуру в очаге' деформации. Изменение температуры поверхности валка за полный его оборот (рис. 90) рассчитано конечно-разностным методом (см. раздел 2 гл. III). При этом с целью качественного анализа амплитуды изменения температуры в каждой точке отнесены к начальной тем­ пературе на входе в очаг деформации, Где резко повышается темпе­ ратура от источников Qlt Q2b и Q3b. Перепад температуры по длине дуги захвата может быть от 100 град и выше в зависимости от пара­ метров очага деформации. Максимальное значение температуры — в точке выхода полосы из очага деформации. От точки выхода до контакта рабочего валка с опорным температура резко снижается из-за холодящего действия опорного валка.. От участка контакта с опорным валком до точки входа в очаг деформации температура валка незначительно изменяется и стремится к величине Тв0.

Поскольку максимальное значение температуры наблюдается в точке разрыва контакта полосы с валком (в точке выхода), про­ анализируем влияние параметров процесса прокатки на максималь­ ное значение температуры. Как следует из предложенной теории (см. раздел 1 гл. III), с увеличением скорости прокатки уменьшаются значения критерия Я и функций F± (Я) и F3 (Я). В результате умень­ шаются приращения температуры в очаге деформации Тв1 и Тв2

137

вследствие разницы между начальной температурой полосы Тп0. и валка Тв0, а также работы формоизменения Г 3в. Физический смысл подобного явления подробно рассмотрен в разделе 2 настоящей главы.

Приращение температуры за счет тепла от работы трения ТЗв возрастает пропорционально корню квадратному из окружной ско­ рости валка. На рис. 91 показаны рассчитанные по предложенной выше методике изменения температуры на поверхности валка в точке выхода полосы из валков в зависи­

У, и/с

циент трения изменялся от 0,05 до 0,03. Как видно из представлен­ ных данных, температура поверхности на выходе из контакта с по­ лосой может достигать весьма высоких значений: при v =-.17 м/с Тк — 240° С, а при v = 30 м/с Тк = 280° С. Известно, что при —220—240° С происходит распад обычно применяемых смазок. Так, например, масло П-28 воспламеняется при 285° С, а И-20 при 170° С.

В. работе [108] использовали смазку, термоустойчивость кото­ рой выше, чем пальмового масла. В связи с этим на пятиклетевом стане удалось повысить скорость прокатки до 30 м/с (рис. 92). Из рис. 92 следует, что 30% полос прокатывали со скоростью 30 м/с. Учитывая, что стан предназначен для прокатки полос толщиной 0,15— 1,6 мм, очевидно, на этой скорости прокатывали более толстые полосы.

Расчеты, проведенные авторами, подтверждают это положение. Так, на рис. 93 показано изменение температуры Тк полосы (Я =1,32,

138

ства тепла, поступающего в валок, в зависимости от толщины про­ катываемой полосы (рис. 94). Уменьшение толщины прокатываемой

отдачи весьма высок, что должно снизить температуру поверхности полосы на входе в очаг деформации до ==^100 град. Тогда перепад температур Т0п— Тв0 может быть отрицательным или равным нулю. В связи с этим имеется резерв для снижения суммарной температуры на поверхности контакта. Так, применение охлаждения полосы в трех последних межклетевых промежутках сверху и снизу позво­ лило довести скорость прокатки до 30 м/с [108]. Резерв снижения температуры Т 2в (вследствие уменьшения теплоты формоизменения) иногда часто используется на реверсивных станах, когда в резуль­ тате промежуточного отжига снижается температура контакта и

139

Повышается таким образом термостойкость смазок. Однако при не­ прерывной прокатке это маловероятно, хотя интенсивность потока, тепла значительно возрастает (рис. 95).

Указанные выше резервы снижения температуры контакта до­

вольно незначительны по сравнению с резервами уменьшения Та0

и тв3.

Таким образом, в реальном процессе непрерывной прокатки можно эффективно воздействовать только на величины Тп0, Тв0 и

Тв3. Так, начальную температуру валка при входе в очаг деформа­ ции Тв0 можно значительно снизить введением дополнительного охлаждения валков со стороны выхода полосы. Коллекторы следует устанавливать так, чтобы часть охладителя была направлена на участок поверхности контакта рабочего валка с опорным, а другая часть — только на рабочий валок. Расположение сопел коллекторов и подача охладителя будет выглядеть так, как это показано на рис. 96. Подача эмульсии непосредственно на поверхность контакта рабочего и опорного валков способствует снижению износа последних.

Расчеты показывают, что усовершенствование системы охлаждения (рис. 96) позволяет снизить температуру валка на входе Тв0 до 50— 70° С. Это означает, что температура поверхности контакта пони­ зится примерно на 50 град, что позволит вести прокатку на скоро­ стях, близких к 30 м/с и более.

140