Файл: Шичков А.Н. Температурный режим листопрокатных валков.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.07.2024
Просмотров: 92
Скачиваний: 0
А . Н . Ш И Ч Н О В
НЫИ РЕЖИМ ІНЫХВАЛКОВ
|
|
|
' "=.Г>Ѵ $•..■'*'», |
|
|
|
1 ' '•'*•’•' ■'.$£&■■ |
т & ъ Ъ -іѵ |
|
.-• г. А'v j. ■ ' . Г л % - ■ |
■ш т |
Щ . |
|
-': : Ѵ :Ж |
;; |
|
|
■л<8 "■■ь & ш |
|
fe' |
: |
і: |
'■:: |
ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛЕНИНГРАДСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
■ V . .
. -’Ч- •
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
А. Н. ШИЧКОВ
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ
ЛИСТОПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
Рекомендовано к изданию Северо-Западным заочным политехническим инетитутом
м - ш з #
fl
СV
УДК 536.21
Ш и ч к о в А. Н. Температурный режим листопрокатных валков. Под ред. заел, деятеля науки и техники проф. И. И. Кула гина. Л., Изд-во Леннигр. ун-та, 1974, 144 с.
В монографии описаны теоретические и экспериментальные исследования теплового режима листопрокатных валков и роликов установки непрерывной разливки стали (УНРС). Разработана принципиально новая методика расчета количества охлаждающей жидкости и способа ее подачи на валок, приведен анализ термоупру гости и прочности валков и роликов УНРС с учетом циклических колебаний температуры на его поверхности. Изложены результаты исследований конвективного теплообмена при охлаждении валков жидкостью.
Книга предназначена для инженеров, занимающихся проекти рованием и эксплуатацией прокатного оборудования, и для студен тов старших курсов металлургических факультетов.
Ил.— 55, табл.— 5, библиогр.— 102 назв.
Ш31010 063 210—74
076(02)—74
©Издательство Ленинградского университета, 1974 г.
П Р Е Д И С Л О В И Е
В решениях КПСС и правительства предусматривается увели
чение производства |
металлов и, в частности, листового проката. |
В настоящее время |
производятся большие работы по внедрению |
и совершенствованию установок непрерывной разливки стали и разработке конструкций более совершенных и высокопроизводи тельных непрерывных прокатных станов с производительностью листа до 5 млн т в год.
Большое внимание уделяется совершенствованию и интенсифи кации существующего прокатного оборудования.
В свете постановления ЦК КПСС от 17 августа 1972 г. «О ходе работ по автоматизации технологических процессов в черной ме таллургии» значительное внимание при проектировании и модер низации прокатного оборудования уделяется автоматизации тех нологических процессов.
Следует отметить, что отсутствие глубоких комплексных теоре тических и экспериментальных исследований тепловых процессов при прокатке является сдерживающим фактором при эксплуатации существующих прокатных станов и в проектировании систем авто матического регулирования и контроля технологических процес сов, связанных с этими явлениями.
Болышшстро имеющихся работ [10, 12, 47, 55, 58, 73, 76, 77, 80] относится к холодной прокатке. Многие же аспекты тепло вого режима станов горячей прокатки почти не изучены. До настоя щего времени отсутствовала методика расчета количества охлаж дающей жидкости, температуры и термоупругости валков этих станов. При расчетах тепловых балансов не учитывалось различие теплофизических свойств воды и прокатных эмульсий. Однако со вершенно ясно, что все эти факторы тесно связаны между собой. Если их рассматривать не в комплексе, без глубокого теоретиче ского анализа, основываясь на частных экспериментах, то нельзя создать стройную теорию тепловых процессов, из которой можно вскрыть все факторы, определяющие характер этих процессов. Сле довательно, проектируемые системы контроля и регулирования температурного режима прокатки неизбежно будут при этом не эффективными.
1* |
3 |
Втечение ряда лет на кафедре теоретических основ теплотех ники Северо-Западного политехнического института в его Чере повецком филиале по заданию НИИТЯЖМАШа при Уралмашзаводе и Череповецкого металлургического завода и в тесном содру жестве с этими предприятиями выполнен ряд комплексных теоре тических и экспериментальных исследований по тепловым процес сам прокатки.
Вданной работе представлены результаты этих исследований, проведенных автором и непосредственно под его руководством, часть из них опубликована, например в [30, 78, 90, 92].
Первая глава посвящена тепловому режиму в листопрокатных
валках. Впервые получены решения дифференциального уравнения теплопроводности при граничных условиях, учитывающих вращение валка, различное распределение граничных условий и наличие внутреннего охлаждения. На основе этих решений даны зависи мости для расчета расхода охлаждающей жидкости и методика вы бора оптимального способа ее подачи для поддержания и реализа ции требуемого теплового режима.
Вторая глава посвящена вопросам термической деформации и термоупругости. Материал этой главы является логичным продол жением результатов, полученных в первой главе. Приведен анализ термоупругости и прочности валков и роликов установок непре рывной разливки стали (УНРС) с учетом циклических колебаний температуры на их поверхности.
Третья глава посвящена исследованию конвективного теплооб мена при охлаждении валков жидкостью. Получено критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при условиях охлаждения валков, имеющих место на листопрокатных станах. Дана методика расчета брызгальных коллекторов, используемых на [современных прокатных станах, и приведены результаты ис следований теплофизических свойств эмульсии.
Материал § 9 гл. I и § 4, 5 гл. II написан совместно с канд. техн. наук доц. Э. А. Гарбером, а материал § 1, 2 и 3 гл. Ill — совместно с канд. техн. наук доц. В. Г. Лабейшем. В экспериментах по кон вективному теплообмену и исследованиям коллекторов принимал участие асп. Г. П. Кудряшов, а в работе по исследованию теплофи зических свойств эмульсий инж. Д. В. Гринберг. Электромодели рование температурных полей выполнено совместно с инж. Э. И. Се ребряковой.
Автор выражает глубокую признательность научному редак тору, заведующему кафедрой теоретических основ теплотехники СЗПИ проф. И. И. Кулагину, а также проф. А. В. Третьякову, проф. Л. А. Коздоба, проф. В. П. Полухину и доц. Э. А. Гарберу за ценные замечания при редактировании и обсуждении материала рукописи.
В В Е Д Е Н И Е
Известно, что из решения задач теплопроводности можно полу чить исходные данные для составления теплового баланса рабочего валка клети и стана в целом. В связи с этим исследовать тепловой режим мы будем на основе качественного и количественного ана лиза нестационарных, квазистационарных и стационарных темпе ратурных полей.
Следует также отметить, что тепловой режим работы валков листопрокатных станов, роликов УНРС, роликов рольганга и дру гих цилиндрических узлов металлургического оборудования, под вергаемых в процессе работы тепловому воздействию, в значитель ной мере одинаков. Поэтому выводы и исследования, проводимые относительно теплового режима валков станов горячей прокатки листа, могут быть распространены на подобное оборудование.
Схему горячей прокатки листа рассмотрим на примере шести
клетевого |
стана 1700 Череповецкого металлургического завода. |
||
На рис. 1 |
представлена схема этого стана. В стан поступает пред |
||
варительно |
нагретая полоса 1 |
шириной |
1000— 1500 мм, темпера |
тура которой іл колеблется от |
1100 до |
1200° С. Направление дви |
жения полосы указано на рисунке стрелкой.
По мере прохождения клетей температура полосы снижается приблизительно на 50° С в каждой клети, и на выходе из стана по лоса имеет величину порядка 900—950° С. Потери тепла полосой происходят за счет излучения в окружающую среду, контактного теплообмена с валками, роликами рольгангов и другими соприка сающимися деталями стана и, наконец, конвекции окружающему воздуху и охлаждающей воде. Одновременно с охлаждением полосы, во время прокатки происходит и некоторое повышение ее темпера туры за счет превращения в тепло работы; затрачиваемой на дефор мацию и трение между металлом и валками.
Температура рабочих 2 и опорных 4 валков, длина бочки ко торых 1700 мм, определяется соотношением между интенсивностью их нагрева и охлаждения. Нагрев рабочих валков, а через них и
5
опорных, происходит главным образом от теплового потока,отда ваемого полосой контактным теплообменом с валком, и в меньшей степени от тепла, выделяемого при упруго-пластической дефор мации.
Охлаждение валков осуществляется водой, подаваемой брызгальными коллекторами 3. С целью предотвратить попадание ох лаждающей жидкости на прокатываемый раскаленный металл вдоль бочки валка устанавливаются проводки 5 и 6.
Рнс. 1. Схема шестиклетевого стана
Опыт показал, что неправильная организация теплового режима прокатки может привести к весьма нежелательным последствиям, вплоть до поломки валка. Так, например, недостаточное количество охлаждающей жидкости или неправильная ее подача (неправиль ная установка коллекторов или неправильное распределение рас хода вдоль бочки валка) может вызвать перегрев валка, искажение теплового профиля и другие последствия. Излишнее количество охлаждающей жидкости приведет к неоправданному увеличению расхода, а следовательно, перерасходу энергии на привод насосов. Как будет сказано ниже, даже небольшое перемещение проводок 5 и б в пределах 10° вверх или вниз по бочке валка приводит к'значительному изменению его средйей температуры. Особенно это от носится к проводке 6.
6
Задачей приведенных ниже исследований является разработка методики расчета оптимального теплового режима валков при дан ных параметрах прокатки (угла захвата металла рабочим валком и температуры листа) и конструктивных особенностей стана (удоб ства размещения брызгальных коллекторов и проводок), удовлет воряющим требованиям технологии и эксплуатации станов. Для решения этой задачи составим математическую модель, описываю щую температурное поле валка, и на основе аналитического реше ния уравнения теплопроводности при заданных условиях однознач ности ответим на следующие вопросы:
1. Каково решение уравнения теплопроводности вращающе гося валка или ролика при наличии и отсутствии внутреннего ох лаждения? Какое при этом охлаждение более эффективно — наруж ное или внутреннее?
2.Какие факторы определяют расход охлаждающей жидкости при данных параметрах прокатки и конструкции стана? Каким об разом можно рассчитать этот расход?
3.Чем определяется величина среднеинтегральной темпера
туры поверхности валка при наличии внутреннего охлаждения и без него?
4.Каково время неустановившегося теплового процесса в валке при прокатке?
5.Какие факторы определяют интенсивность конвективного теплообмена при охлаждении валков водой или эмульсией?
При этом был затронут еще ряд вопросов, связанных с тепловым
итеплопрочностным режимом валков.
Г Л А В А I
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЛИСТОПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
§ 1. Математическая постановка задачи
Нестационарное температурное поле листопрокатного валка, роликов УНРС и роликов другого металлургического оборудова ния в общем случае описывается нелинейным дифференциальным уравнением в частных производных, которое в цилиндрической системе координат имеет вид
dp \ dp j |
P \ dp j |
p2 dtp \ Зср/ |
dz \ dz) |
( 1 . 1) |
r ? 3t |
где с, X, у — соответственно удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и плотность материала валка — функции темпе ратуры; р — относительный радиус (р = r/R0, где R 0 — радиус
валка); Ѳ— относительная температура ^Ѳ = —— —] ; ср —
координатный угол; т — время.
Следует отметить, что получить решение уравнения (1.1) при краевых условиях, имеющих место при прокатке листа, представ ляет значительные трудности. Поэтому при рассмотрении условий однозначности (начальных, граничных условий и теплофизических свойств) будем стремиться по возможности упростить поставленную задачу.
Совершенно очевидно, что в радиальном направлении наиболь ший градиент температур в центральном сечении бочки валка.
Как показали исследования осевого температурного поля валка (приведенные ниже в § 6), при диаметре рабочего валка до 600 мм
иширине прокатываемого металла от 900 до 1100 мм градиент тем ператур вдоль оси 2 в пределах двух, третей этой ширины незначи
телен, и с достаточной для инженерных расчетов точностью можно принять (50/02=0. Поэтому далее рассмотрим раздельно радиальное
иосевое температурные поля валка.
Что касается влияния температуры на теплофизические свойства материала валка, то согласно данным, приведенным в табл. 1, необ-
8
С
S*
ѵо
та
Ь
Физические свойства чугунов и их структурных составляющих [70]
|
и |
|
о |
|
СП |
|
О |
|
to |
X |
|
Ь. |
|
X |
О |
Ій |
о |
|
|
Е І |
|
|
и |
|
о |
|
<м |
|
V |
|
о |
,_.
*
с<
н"
И
и
о
--
1
X
а
о
о
Ö
оІ
CN
Ъ
t-
?■
X2
>.£> STл
3 с. с >.
Sь
Е- U
|
|
|
|
с о |
|
I |
1 |
|
|
—— |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
см |
|
I |
1 |
Г - |
|
CD |
f |
1 |
1 |
с о |
|
00 |
1 |
|
|
с о |
|
t o |
|
|
|
О |
|
СО |
|
I |
I |
СО |
|
|
1 |
1 |
1 |
см |
|
ю |
1 |
|
|
CD |
|
|
|
|
|
О |
|
п* |
|
1 |
1 |
ІО |
1 |
см" |
1 |
|
|
о |
|
о |
|
|
|
CD |
|
ю |
|
|
|
СО |
|
CD |
|
1 |
1 |
'Tt* |
см |
CD |
1 |
|
|
r f |
о |
О |
|
|
|
Ю |
U0 |
|
|
Ю |
|
и |
|
|
|
N - |
О |
|
|
|
|
N - |
|
|
|
||
*• |
с о |
О |
|
|
|
CD |
с о |
см |
г - |
CD |
|
|
|
СО |
СО |
CM |
|
+1 |
+1 |
|
- |
- |
« |
|
|
ю |
о |
||
ет» |
см |
с |
|
||
|
N - |
LO |
|||
|
CD |
|
|||
|
|
|
|
|
|
СО |
с о |
|
|
|
|
СО |
LO |
LO |
|
|
|
|
|
|
|
|
оо
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
СО |
|
to |
|
|
|
сг> |
|
|
|
•—< |
|
о |
см |
CM |
—-r |
|
1 |
|
•—< |
||
+1 |
+1 |
1 |
1 |
r |
|
о |
— |
N - |
г - |
CM |
о |
|
|
► |
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
г - |
|
|
|
|
|
N - |
N - |
о |
|
о |
00 |
1 |
1 |
|
|||
I |
г - |
|
N |
N." |
|
|
с о |
|
|||
|
|
|
|
|
|
N - |
CD |
|
|
|
|
-Г’ |
|
u |
N , |
u |
|
> > |
|
cr |
ЕГ |
t 3 |
J S |
E |
3 |
4 |
Cl. |
0)05
ЮC J
|
H |
|
|
|
|
s |
f - |
N |
|
t o |
s |
S |
||
05 |
||||
Ю |
Q . |
4 |
||
E- |
||||
|
o |
a . |
a . |
|
H |
>-1 |
05 |
o> |
|
a |
< |
Ѳ |
E |
oo |
CO |
n . |
N - |
О |
|
N . |
Ю |
|
T—' |
o> |
05 |
a> |
N-" |
CD |
05 |
CD |
CM |
о |
|
CO |
О |
CM |
CO |
CD |
—H |
|
—4 |
о—
00 |
CM |
|
CM |
||
CD |
0 5 |
|
о |
|
|
CO |
N - |
|
CM |
CO |
|
CD |
0 0 |
|
CM |
N - |
|
—1 |
О |
|
- |
|
|
N . |
Ю |
|
1 |
1 |
|
t o |
|
|
с о |
CO |
|
1 |
1 |
|
CD |
t o |
|
|
N - |
|
|
CO |
|
N - |
CM |
|
1 |
||
|
||
N-" |
1 |
|
CM |
||
|
||
|
CM |
H
NE- 5
s |
TO |
CD |
• 6 * |
|
|
a> |
c u |
С Г |
u |
й)
«=с
{_
öсс
+
Ö в CJ
О
о |
теплоемкости. |
О |
|
L* |
|
О |
|
J3 É-
о
о£
GJ
*5
а |
их |
|
С |
|
|
t" |
— |
|
о |
||
Сп |
||
та |
||
составляющих, |
||
>> |
||
t—. |
|
|
та |
|
|
>ѵ |
|
|
ь |
|
|
>» |
|
|
а* |
структурных |
|
та |
||
|
||
N |
|
|
а |
|
|
<у |
|
|
и |
|
|
та |
отдельных |
|
О |
||
Ш |
|
|
а |
|
|
та |
количество |
|
а> |
||
2 |
|
|
с , |
|
|
С |
с |
|
|
9