СПОСОБ ПОДГОТОВКИ К ЭКСПЛУАТАЦИИ ВАЛКОВ ЛИСТОПРОКАТНОЙ КЛЕТИ КВАРТО

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к способам подготовки к эксплуатации рабочих валков листопрокатных клетей, используемых преимущественно на тонколистовых станах, в частности, - на станах холодной прокатки.

Одной из главных эксплуатационных характеристик рабочих валков стана холодной прокатки является полезно используемая шероховатость поверхности бочки, характеризуемая рядом показателей, самый распространенный из которых - среднее значение микронеровностей профиля R_a, измеряемое профилометрами-профилографами в микрометрах (мкм). Как правило, требуемые нормативные значения R_a задают в технологической инструкции стана в зависимости от варианта технологического режима производства листов, их сортамента и номера рабочей клети, в которую устанавливают валки.

От величины R_a зависит один из важнейших параметров режима прокатки - коэффициент трения в очаге деформации, влияющий на энергосиловые параметры этого режима - усилие, момент и мощность прокатки.

Заданное значение R_a обеспечивают операциями поверхностной обработки валков перед прокаткой - шлифовкой, насечкой, текстурированием и другими. При шлифовке значение R_a зависит от марки и типа шлифовального круга, а также от режима работы вальцешлифовального станка.

Наиболее часто рабочие валки для холодной прокатки шлифуют на шероховатость R_a=0,5-0,6 мкм. Главным недостатком эксплуатации валков, подготовленных по описанной общепринятой технологии, является низкая износостойкость исходной шероховатости поверхности бочки: через 1,5-2 часа после начала процесса прокатки исходная шероховатость рабочих валков R_a=0,5-0,6 мкм уменьшается до значений R_a=0,3-0,35 мкм, а в последующие 2-3 часа - до значений R_a=0,1-0,2 мкм, что не отвечает технологическим требованиям.

Быстрый износ микронеровностей (уменьшение шероховатости) рабочих валков ведет к уменьшению коэффициента трения и снижению усилия прокатки в рабочей клети против расчетных, что имеет и свои отрицательные последствия: нарушается стабильный силовой режим, на который рассчитана конструкция клети, недостаточное усилие прижатия в валковом узле приводит к неустойчивому положению валков в клети и, как следствие, к возникновению резонансных колебаний, “гудению” клети, что вызывает необходимость уменьшения скоростей прокатки, при этом ухудшается качество прокатываемых полос и снижается производительность стана.

Для повышения износостойкости профиля бочки валков ранее были предложены различные способы подготовки их к эксплуатации, задача которых - предварительное поверхностное упрочнение бочки.

Известен способ подготовки к эксплуатации валков листопрокатной клети, в котором поверхностное упрочнение осуществляют посредством обработки поверхности валка с помощью дробеметной установки (см. авторское свидетельство СССР №1424890, кл. В 21 В 28/02, 1988).

Данный способ не позволяет получить необходимую равномерность показателя R_a по всей поверхности бочки, требует большого расхода дроби, кроме того, с его помощью затруднительно обеспечить значения R_a меньше 1 мкм.

Известен способ подготовки к эксплуатации валков прокатной клети, в котором поверхностное упрочнение (наклеп) осуществляют посредством накатки роликом (см. авторское свидетельство СССР №1794513, кл. В 21 В 28/02, 1993).

Данный способ обеспечивает более равномерную шероховатость по поверхности бочки валка, однако при этом крайне сложно обеспечить достаточное, сопоставимое с усилием прокатки усилие прижатия ролика, а следовательно, не достигается и достаточная для существенного повышения износостойкости глубина наклепа.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ подготовки к эксплуатации валков листопрокатной клети кварто, описанный в патенте РФ №2131311, кл. В 21 В 28/02, 1999.

Указанный известный способ включает в себя установку опорных и рабочих валков в клеть, приложение к ним усилия взаимного прижатия в плоскости осей валков, превышающего усилие прокатки, и совместное вращение (обкатку) валков под нагрузкой с регламентированной скоростью и временем вращения.

Принципиальным, существенным недостатком этого способа, выявившимся при его использовании, является то, что он эффективен для упрочнения только опорных валков, а в отношении упрочнения рабочих валков он не дает требуемого эффекта. Это было установлено при эксплуатации валков и объясняется тем, что обкатка с нагрузкой на валки, превышающей усилие прокатки на нерегламентированную, не ограниченную верхним пределом величину (в описании к прототипу указано, что это превышение может составлять до 30-50% от усилия прокатки), приводила к возникновению микротрещин в поверхностном слое бочки рабочих валков из-за его высокой исходной твердости и, как следствие, повышенной хрупкости, а это, в свою очередь, вызывало аварийный выход их из строя в процессе эксплуатации. Поэтому на практике способ-прототип стали применять для обкатки только опорных валков, при этом в паре с ними используют комплект изношенных, выведенных из эксплуатации рабочих валков, которые после обкатки удаляют и для прокатки заваливают в клеть вновь отшлифованные и фактически не обкатанные рабочие валки. Таким образом, задача эффективной обкатки рабочих валков способом-прототипом на практике не решается и по-прежнему требует своего решения.

Другим, менее существенным недостатком способа-прототипа является отсутствие в нем каких-либо указаний на возможность использования дополнительных резервов достижения максимально возможного эффекта упрочнения поверхностного слоя рабочих валков, например, путем регламентации разницы диаметров и твердостей поверхностей бочек рабочих валков.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, то есть достижение достаточной по требованиям эксплуатации степени упрочнения поверхностей бочек рабочих валков с получением нужного микрорельефа их поверхности и исключением при этом возникновения микротрещин и, как результат, обеспечение стабильного коэффициента трения в очаге деформации в процессе прокатки и повышение эксплуатационной стойкости рабочих валков.

Указанная задача решается тем, что в способе подготовки к эксплуатации валков листопрокатной клети кварто, включающем установку опорных и рабочих валков в клеть, приложение к ним усилия взаимного прижатия в плоскости осей валков, соизмеримого с усилием прокатки, совместное вращение валков под нагрузкой с регламентированной скоростью и временем вращения, согласно изобретению перед установкой в клеть рабочие валки шлифуют на шероховатость поверхности бочки, среднее значение которой превышает заданное по технологическим требованиям для прокатки нормативное значение шероховатости на 0,5-0,6 мкм, и обкатку ведут при усилии взаимного прижатия валков, не превышающем усилия прокатки, а именно: в диапазоне 95-100% от усилия прокатки.

Кроме того, отшлифованные рабочие валки подбирают в пару с разницей диаметров бочек 2-2,5 мм.

Кроме того, отшлифованные рабочие валки подбирают в пару с разницей твердостей их бочек не более 2-3 единиц по шкале Шора.

Шлифовка рабочих валков на шероховатость, превышающую заданное для прокатки нормативное значение шероховатости R_a на 0,5-0,6 мкм, обеспечит после завершения обкатки заданное для прокатки нормативное значение R_a, так как многочисленные измерения профиля бочки валков до и после обкатки показали, что в результате совместного вращения рабочих валков, прижатых друг к другу с усилием, близким по величине к усилию прокатки (но не превышающим его), исходная высота микронеровностей профиля их бочки уменьшается как раз на 0,5-0,6 мкм. Это связано с тем, что при обкатке происходят смятие, истирание, износ острых пиков микронеровностей, имеющих высоту 0,5-0,6 мкм, микронеровности сглаживаются, площади их опорных поверхностей увеличиваются, и местные контактные напряжения, распределяясь на большей площади, уменьшаются, дальнейшее уменьшение величины микронеровностей приостанавливается. Поэтому после завершения процесса обкатки сглаженный профиль микрогеометрии бочки, имеющий нормативный показатель R_a, заданный для прокатки, сохраняет этот показатель на более длительное время в процессе прокатки по сравнению с не обкатанными рабочими валками. Численные значения рекомендованного превышения величины R_a над нормативной определены с учетом фактической твердости поверхности бочек рабочих валков, составляющей 90-100 по Шору (что значительно выше твердости поверхности бочек опорных валков).

При этом установлено также, что если шлифовать рабочие валки перед обкаткой на шероховатость, превышающую заданное нормативное значение R_a меньше, чем на 0,5 мкм или больше, чем на 0,6 мкм, то после обкатки шероховатость уменьшится на указанную выше величину: 0,5-0,6 мкм, и величина шероховатости окажется меньше или больше нормативной, следовательно, будут нарушены требуемые технологические условия прокатки, и такие валки при установке в клеть будут преждевременно выходить из строя.

Установка усилия взаимного прижатия валков в диапазоне, не превышающем усилие прокатки, конкретно: 95-100% от усилия прокатки позволит надежно предохранить рабочие валки от возникновения микротрещин, которые в противном случае (когда усилие взаимного прижатия нерегламентированно превышает усилие прокатки) могли бы явиться причиной их преждевременного усталостного разрушения во время прокатки.

В то же время диапазон 95-100% обеспечивает близость усилия взаимного прижатия валков при обкатке к рабочему усилию в процессе прокатки, в результате смятие и истирание острых пиков микронеровностей профиля бочки происходит предварительно, заранее, до начала прокатки, и сглаженный профиль во время прокатки будет ввиду этого значительно меньше подвергаться износу в дальнейшем.

Однако значительное отклонение усилия взаимного прижатия валков при обкатке от величины усилия прокатки, как показали исследования, также нежелательно. Если установить величину усилия взаимного прижатия валков при обкатке меньше чем 95% от усилия прокатки, то смятие и истирание острых пиков микронеровностей произойдет на меньшую высоту, чем необходимо, вследствие чего значения R_a в начале процесса прокатки будут выше заданных, а затем под воздействием усилия прокатки в процессе ее произойдет дальнейший неуправляемый износ микронеровностей (уменьшение шероховатости) и в результате из-за нестабильности коэффициента трения нарушится стабильность режима прокатки.

Подбор отшлифованных рабочих валков в пару с разницей диаметров бочек 2-2,5 мм обеспечит способу согласно изобретению дополнительное преимущество, состоящее в том, что в процессе обкатки и силового контакта рабочие валки будут вращаться с разными окружными скоростями бочки.

Действительно, главный привод рабочей клети сконструирован так, что угловые скорости вращения обоих валков со всегда одинаковы, а их окружные скорости равны:

где V₁ и V₂ - окружные скорости первого и второго валков, м/с;

D₁ и D₂ - диаметры бочек первого и второго валков, м.

Если D₁>D₂, то и V₁>V₂, то есть в силовом контакте рабочих валков будет иметь место не только трение качения, но и трение скольжения, обусловленное относительным проскальзыванием бочек из-за разности скоростей V=V₁-V₂.

В результате износ, истирание острых пиков микронеровностей бочек валков будут происходить более интенсивно, что позволит сократить время обкатки, необходимое для уменьшения высоты острых пиков до заданного значения R_a. В конечном итоге уменьшится доля вспомогательного и увеличится доля машинного времени в цикле прокатки, то есть возрастет производительность стана.

Следует заметить, что технологическими инструкциями большинства станов холодной прокатки допускается использование при прокатке пары рабочих валков с разностью диаметров бочек до 2 мм. Описываемый способ подготовки валков, ориентируясь в целом на это положение инструкций, использует и незначительно (на 0,5 мм) расширяет допустимый диапазон разности диаметров бочек именно при обкатке, чтобы эффект от трения скольжения при обкатке проявился более четко: при разности диаметров бочек менее 2 мм разность окружных скоростей валков составляет величину менее 0,4%, и эффект от трения скольжения незначителен.

То, что в процессе последующей прокатки указанная разность диаметров бочек рабочих валков сохраняется, не противоречит, как уже сказано, большинству технологических инструкций и, следовательно, по крайней мере, не повлияет в целом отрицательно на технологический режим, так как многие исследования подобных режимов (называемых в теории прокатки “асимметричными”) показали, что они, напротив, только улучшают условия пластической деформации полосы.

Ограничение разности твердостей бочек подбираемых в пару валков значением 2-3 ед. по шкале Шора дает еще одно дополнительное преимущество описываемому способу:

обеспечивается одинаковая скорость износа острых пиков микронеровностей обеих валков в процессе обкатки, в результате перед прокаткой оба валка будут иметь одинаковые значения показателя R_a и процесс прокатки станет более стабильным.

Далее изобретение поясняется на конкретном примере реализации способа.

Способ был осуществлен на 4-й клети 5-клетевого стана “1700” холодной прокатки. Последовательность операций при реализации способа была следующая.

1. Несколько рабочих валков, предназначенных для установки в данную клеть, шлифовали на шероховатость R_a=1,1-1,2 мкм, превышающую заданную нормативную шероховатость рабочих валков для данной клети R_a=0,6 мкм на 0,5-0,6 мкм.

2. Из числа отшлифованных рабочих валков комплектовали в пару валки с разницей диаметров бочек 2-2,5 мм (конкретно: D₁=496 мм, D₂=493,5 мм) и с разницей твердости поверхностей бочек не более 2 ед. по шкале Шора (конкретно: HSh₁=94 ед., HSh₂=95 ед.), осуществляли их сборку с подушками и подготавливали к установке в клеть.

3. Заваливали в рабочую клеть с находящимися в ней опорными валками пару подготовленных согласно п.п.1 и 2 рабочих валков;

4. С помощью нажимного устройства валки сдавливали с усилием Р, не превышающим заданного усилия прокатки (в конкретном примере Р=10,5 МИ, что составляет 99% от усилия прокатки), и начинали вращать их с регламентированной окружной скоростью (4-5 м/с), одновременно через коллекторы подавали на валки смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ);

5. Процесс обкатки в режиме, указанном в п.4, продолжали в течение 10-15 мин. После этого в валки задавали полосу и начинали плановую прокатку.

В результате реализации описанного способа подготовки рабочих валков скорость износа микронеровностей (уменьшения шероховатости) валков уменьшилась в 2,4 раза по сравнению с износом рабочих валков, предварительно якобы обкатанных по способу-прототипу, а фактически не подвергшихся обкатке. Это позволило вести устойчивый, эффективный процесс прокатки без нарушений его стабильности на скорости 17-18 м/с в течение 7 часов, в то время как на валках, подвергавшихся обкатке по способу-прототипу, такой процесс вели на скоростях 13-15 м/с в течение 3 часов, после чего из-за износа микронеровностей (изменение шероховатости) на поверхности бочек валков вынуждены были снизить скорость до 10-12 м/с, так как уменьшение коэффициента трения в очаге деформации привело к возникновению вибраций в указанной 4-й клети, которые прекратились только после нежелательного снижения скорости прокатки.

Результаты обкатки рабочих валков по описанному способу и сравнение этих результатов с эксплуатационными характеристиками рабочих валков, не подвергавшихся обкатке по описанному способу, приведены ниже.

В таблице 1 показаны данные по динамике износа микронеровностей (изменению шероховатости) в процессе эксплуатации рабочих валков, подготовленных к эксплуатации по способу-прототипу.

Из таблицы 1 видно, что первоначальная шероховатость R_a=0,6 мкм снизилась в течение первых 2,5 часов после перевалки (после прокатки примерно 73 км полосы) до уровня 0,35 мкм, а еще через 1 час до уровня 0,3 мкм. Это привело к тому, что скорость прокатки 15-20 м/с, которую установили после перевалки, примерно через 3 часа работы снизили из-за возникновения вибраций до 14-15 м/с.

Для уменьшения износа микронеровностей рабочих валков 4-й клети был разработан и реализован специальный режим их подготовки (обкатки), состоящий из следующих операций:

подбор валков в пару с разницей диаметров 2 мм;

шлифовка их на шероховатость R_a=1,1-1,2 мкм;

обкатка их в рабочей клети с усилием 10-11 МН (1000-1100 тс) на заправочной скорости в течение 15-20 мин.

Данные по динамике износа микронеровностей (изменению шероховатости) в процессе эксплуатации рабочих валков, подготовленных к эксплуатации по способу согласно изобретению показаны в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что после обкатки по описываемому способу рабочий валок приобретает требуемую нормативную шероховатость 0,5-0,6 мкм, а шероховатость рабочих валков снизилась до значения 0,35 мкм не через 2 ч 25 мин, а через 5 ч 45 мин, т.е. время стабильной работы валков увеличилось более чем в 2 раза.

В результате в конце кампании рабочих валков через 6 часов после завалки прокатка происходила без возникновения нежелательных вибрационных процессов в клетях, на сортаменте толщиной 0,3-0,5 мм с предусмотренными высокими скоростями 15-20 м/с.