Результат интеллектуальной деятельности: РАБОЧИЙ ВАЛОК ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

Изобретение относится к рабочим валкам станов холодной прокатки полос.

В настоящее время при холодной прокатке полос наблюдается неравномерное распределение продольных напряжений по ширине полосы. По данным работы [1] растягивающие напряжения (σ_н) на кромочных участках в 1,5-2,0 раза больше чем в средней части полосы. Значительная величина растягивающих напряжений (σ_н=0,5-0,6σ_т, где σ_т - предел текучести материала полосы) при наличии макро- и микродефектов на кромках приводит в большинстве случаев к разрушению металла и обрыву полосы, что в свою очередь вызывает аварийную остановку и простои стана для замены поврежденных прокатных валков.

Известен прокатный валок, включающий бочку с микрорельефом рабочей поверхности, выполненным в виде множества ориентированных относительно образующей бочки канавок. Причем канавки ориентированы по окружности. Микрорельеф бочки имеет шероховатость в направлении длины валка, в 3 раза большую чем в направлении окружности. Ориентированные по окружности канавки непрерывны [2].

Недостатком известного решения является одинаковая ориентация канавок по длине рабочей зоны бочки валка, что не позволяет снизить микрошероховатость и величину коэффициента трения на кромочных участках полосы по сравнению со средним участком. В результате коэффициент вытяжки и продольные растягивающие напряжения на кромочных участках по сравнению с серединой полосы не уменьшаются, а значит невелируется эффективность по количеству обрывов полос при прокатке.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является валок для холодной прокатки полос, который включает бочку с микрорельефом рабочей поверхности, выполненным в виде ориентированных относительно образующей бочки канавок. Канавки на поверхности крайних и средних участков ориентированы в разных направлениях относительно образующей бочки. Причем канавки по длине бочки валка нанесены с изменением от параллельного до перпендикулярного относительно оси валка по направлению к средней части рабочей зоны валка. Ширина канавок краевых участков составляет 0,02-0,05 диаметра бочки [3].

Недостатком данного решения является низкая его эффективность из-за наличия в очаге деформации факторов, по-разному влияющих на величину продольных напряжений в прокатываемой полосе. Так параллельное относительно образующей бочки расположение канавок на крайних участках рабочей зоны валка увеличивает захват смазки в очаге деформации, что приводит к снижению коэффициента трения и увеличению коэффициента вытяжки. В тоже время расположение выступов канавок валка в поперечном относительно очага деформации направлении будет препятствовать течению металла в очаге деформации за счет увеличения сдвигающих касательных напряжений в очаге деформации, что приводит к увеличению коэффициента трения, а значит к уменьшению величины вытяжки на кромочном участке и к повышению величины продольных растягивающих напряжений на кромке полосы. Кроме того, по экспериментальным данным [1] максимум продольных растягивающих напряжений располагается на участке шириной до 100 мм от кромки, тогда как в прототипе [3] заявленная ширина краевых участков равна 12-15 мм.

Задачей заявляемого устройства является снижение растягивающих напряжений по ширине полосы, что позволяет снизить порывы полос, а следовательно, снизить расход металла и повысить производительность прокатного стана.

Поставленная задача решается за счет того, что валок стана холодной прокатки полос содержит бочку с нанесенным на ее поверхность микрорельефом в виде микрошероховатости.

Согласно изобретению величина микрошероховатости на краевых участках бочки, составляющих 0,17-0,27 диаметра бочки валка, равна 0,1-0,22 величины микрошероховатости средней части бочки.

Изобретение осуществляется следующим образом.

В условиях цеха холодной прокатки прокатный валок подвергают шлифовке на вальцешлифовальном станке. После обработки шлифовальным кругом поверхность бочки по всей длине имеет микрошероховатость R_a=0,8-1,2 мкм. При прокатке низкоуглеродистой стали рабочим валкам придают более высокую микрошероховатость R_a=5,5-7,0 мкм. Шероховатость наносят путем дробеструйной обработки поверхности. Валки насекают для улучшения захвата полосы и для предотвращения схватывания соседних витков, смотанной в рулон полосы, при последующем низкотемпературном отпуске. После дробеструйной обработки краевые участки валка, закрытые трафаретом, останутся шлифованными с шероховатостью R_a=0,8-1,2 мкм (фиг. 1, позиция 1), а на незащищенном участке получают микрошероховатость поверхности R_a=5,5-7,0 мкм (фиг. 1, позиция 2). Если соотнести предельные величины меньшей шероховатости (R_a=0,8-1,2) к предельным величинам большей шероховатости (R_a=5,5-7,0), соответственно получим величину отношения (0,1-0,22),

Эффективность предлагаемой величины отношения микрошероховатостей определяется изменением величины коэффициента внешнего трения. Так по данным А.П. Грудева [4] при уменьшении высоты шероховатости с R_a≈5,5 мкм до R_a≈1,0 мкм (R_a - параметр шероховатости по ГОСТу 2783-73) коэффициент трения снижается примерно в два раза. Это в свою очередь приводит к уменьшению среднего нормального контактного напряжения (Р_ср) и величины усилия прокатки (P). В процессе прокатки толщина полосы (h) на выходе из валков характеризуется уравнением Головина-Симса:

где S - межвалковый раствор;

P - усилие прокатки;

M_к - жесткость клети.

Если принять жесткость клети и межвалковый раствор в процессе прокатки полосы постоянными, видим, что толщина полосы определяется усилием прокатки. Усилие прокатки, как было отмечено ранее, является величиной, зависящей от коэффициента трения [5]. Изменяя величину коэффициента трения, можно влиять на межвалковый раствор и толщину выходящей из валков полосы.

При уменьшении толщины полосы на кромочных участках полосы увеличивается вытяжка на этих участках и снижается величина продольных растягивающих напряжений (σ_н) на кромках по сравнению с напряжениями средней части полосы.

Как было указано выше по данным работы [1], максимум продольных растягивающих напряжений располагается на участке полосы шириной до 100 мм от кромки. Поэтому принимаем ширину кромочных участков полосы, на которых необходимо снизить растягивающие напряжения B=100 мм. Привязывая эту величину к используемым на станах холодной прокатки диаметрам рабочих валков (D_в=400-600 мм), получаем предельные величины отношения B/D=0,17-0,25, т.е. длину рабочей зоны валка с меньшей микрошероховатостью поверхности.

Работоспособность валкового комплекта проверена на лабораторном стане с диаметром валков D_в=120 мм и длиной бочки L_σ=150 мм. Микрошероховатость поверхности в первой серии опытов по всей длине бочки составила R_a≈6,0 мкм (существующая технология прокатки, опытные образцы №1, 2, 3). Во второй серии прокатку производили по предлагаемой технологии в валках с неравномерным микропрофилем бочки: - на краевых участках величина микрошеороховатости составила по R_a≈1,0 мкм, а в средней части R_a≈6,0 мкм (предлагаемая технология, образцы №4, 5, 6).

На стане прокатывали по три полосы с исходной толщиной H=3,0 мм; шириной B=130 мм; длиной l=300 мм и величиной обжатия Δh: 0,3 мм; 0,5 мм; 0,8 мм.

В качестве смазки использовали эмульсию «Эмульсола Т» с концентрацией 2-3%. Перед прокаткой на кромки L_Hкр(y≈5 мм) и в середине L_Hср(y≈65 мм) ширины полосы наносили керновые отметки с расстоянием между ними 150 мм.

Полосу прокатывали с окружной скоростью вращения валков V≈0,3 м/с. После прокатки измеряли новые расстояния между керновыми отметками на полосе.

По данным измерений рассчитывали коэффициенты вытяжек на кромке µ_кр и в середине µ_ср ширины полосы, относительную разницу вытяжек Δµ/µ_ср на кромке и в середине ширины полосы и возможную разницу величин растягивающих продольных напряжений Δσ_н на кромке и в середине ширины полосы: µ_кр=L_hкр/L_Hкр; µ_ср=L_hcp/L_Hср; Δµ/µ_ср=(µ_ср-µ_кр.)/µ_ср; Δσ_н=ЕΔµ/µ_ср, где Е - модуль упругости Юнга; L_hкр; L_hср - расстояние между отметками после прокатки полосы соответственно на кромке и в середине.

Из опытных и расчетных данных (см. таблицу) следует, что в насеченных валках с микрошероховатостью по всей длине бочки по R_a≈6,0 мкм (существующая технология) коэффициент вытяжки на кромке оказывается меньше, чем в средней части ширины полосы (см. таблицу, образцы №1, 2, 3). В результате этого на кромках полосы возникают продольные растягивающие напряжения, которые в нашем опыте на 20-58 МПа превышают напряжения растяжения в середине ширины.

При прокатке полос в валках с неравномерной микрошероховатостью поверхности (предлагаемая технология), см. таблицу, образцы №4,5,6) во всех случаях коэффициент вытяжки на кромках выше чем в середине, что обусловлено уменьшением коэффициента трения на этом участке и увеличением вследствие этого обжатия полосы. Превышение вытяжки на кромках по сравнению с серединой приводит к снижению напряжений растяжения на 67-90 МПа и к уменьшению вероятности обрыва полосы при прокатке, а значит к снижению простоев стана и расходу прокатных валков.

Источники информации

1. В.А. Николаев, О.Н. Зотов, Б.Н. Задко. Распределение удельных напряжений в полосе при холодной прокатке // Известия вузов. Черная металлургия. - 1977. - №3. С. 88-89.

2. Патент США №3613319, кл. B21B 27/2, 1972.

3. Авторское свидетельство СССР №839633, кл. B21B 27/02, 1981.

4. Грудев А.П. Внешнее трение при прокатке. М.: Металлургия, 1973.

5. Теория прокатки. Справочник. А.И Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин, А.В. Третьяков, Г.С. Никитин . Изд-во Металлургия, 1982. - 333 с.