Файл: Шичков А.Н. Температурный режим листопрокатных валков.pdf

с увеличением со0 при постоянных а и R 0 напряжения уменьшаются. Этот факт объясняется тем, что с увеличением скорости вращения валка уменьшается глубина проникновения неосесимметричной составляющей r6/R0 (см. рис. 3), и температурные напряжения снижаются и при больших скоростях вращения этими напряже­ ниями можно пренебречь. Однако, как будет показано ниже, нельзя пренебрегать при расчетах напряжениями, вызванными неосесим­ метричной составляющей температурного поля при малых скоро­ стях вращения и тем более при отсутствии вращения вообще. Та­ кой режим имеет место в начальные моменты прокатки и в мало­ оборотистом прокатномоборудовании — роликах УНРС и блю­ мингах.

Рассмотрим напряженное состояние для предельного значения, т. е. при отсутствии вращения. Из литературных [57] источников известно, что на стационарном режиме невращающегося сплошного валка напряжения <угп-с, аффНСи а г исчезают вообще и остаются лишь осевые напряжения, т. е.

роликов УНРС, то для них является характерным именно такое напряженное состояние, и' прочность их в основном будет опреде­ ляться осевыми напряжениями.

Если же валок полый, то согласно [48] напряжения описываются следующими выражениями:

где согласно ранее принятым обозначениям- 1 (ф) — граничное ус­

ловие в радиальном сечении валка по ф, a t — среднеинтегральная температура по ср от t (ф).

94

§ 4. Температурные напряжения и прочность валков

Валки тонколистовых станов «кварто» работают в условиях сложного напряженного состояния, вызванного совместным дейст­ вием остаточных, контактных, сжимающих, изгибающих, тепловых нагрузок и крутящих моментов. Многочисленные исследования и расчеты валков холодной прокатки показали, что из всех видов нагрузок решающее влияние на их прочность и стойкость оказы­ вают определяемые формулами Герца контактные напряжения, зачастую достигающие предела усталостной прочности металла

Поскольку контактные напряжения о х и <т3 одного знака (сжи­ мающие), эквивалентное напряжение по абсолютной величине ока­ зывается меньшим, чем максимальное напряжение аггк.

Особенность такого напряженного состояния заключается в том, что если минимальное сжимающее напряжение о3 увеличится по абсолютной величине под воздействием какого-либо другого фак­ тора (например, от температурных напряжений), то разность ІОд—сг3|, или эквивалентное напряжение, уменьшится, в результате чего возрастет запас усталостной прочности поверхностного слоя.

При изменении знака дополнитёльных напряжений и уменьше­ нии абсолютной величины ст3 запас усталостной прочности может уменьшиться. Таким образом, в связи с близостью к пределу кон­

95

тактной усталости, действие дополнительных температурных на­ пряжений может оказаться решающим для прочности валков, даже если эти напряжения в сравнении с контактными невелики. Экви­ валентное напряжение может превысить предел усталостной проч­ ности материалов валков, что приведет к преждевременному их разрушению (выкрашиванию, трещинам, отколам) и выходу из строя.

Взаимодействие контактных и температурных напряжений в ра­ диальном элементе поверхностного слоя валка иллюстрирует схема (см. рис. 24), где контактные напряжения изображены сплошными

(11.43) и (11.44)), непосредственно на поверхности равны нулю, а окружное и осевое напряжения являются максимальными. Поэтому влияние температурных напряжений на контактные может проис­ ходить только за счет изменения величины о3 (окружного или осе­ вого напряжения). Из схемы (см. рис. 24) видно, что стэкв умень­ шается, если сгффК и стфф одного знака.

Следовательно, если температурные напряжения (стфф <<( агг)

вповерхностном слое сжимающие, то они оказывают благоприят­ ное воздействие на прочность и стойкость валков. И напротив, если они растягивающие, то эквивалентное напряжение возрастает, а запас усталостной прочности снижается. Опыт расчетов показал 177'], что на станах холодной прокатки эквивалентные напряжения

ввалках достигают 1000—1500 МПа, (10000— 15000 кГ/см2), а осе­ симметричные температурные —. 100—250 МПа (1000—2500 кГ/см2), составляя 10—20% от контактных.

На станах горячей прокатки контактные напряжения несколько меньше в связи с меньшим сопротивлением металла пластической деформации при высоких температурах. Температурные условия, работы валков этих станов являются более напряженными в связи с большей температурой прокатываемого металла и' поверхности бочки и более значительными колебаниями температуры в период работы стана. Поэтому температурные напряжения в валках горя­ чей прокатки, вызванные осесимметричной составляющей темпера­ турного поля, могут достигать 20—40% от величины контактных напряжений, и учет их в прочностных расчетах еще более важен, чем для валков холодной прокатки.

Что касается неосесимметричных напряжений, то в связи с от­ сутствием методики расчета при оценке прочности валков ранее их вообще не учитывали.

Приведенная в § 3 данной главы методика расчета дает возмож­ ность восполнить этот существенный пробел в прочностных расче­ тах листопрокатных валков. Как видно из формул (11.38), (11.39), (11.40) и (11.41), неосесимметричные напряжения обратно пропор­

циональны критерию Pd, т. е. при прочих равных условиях ско-

96

рости вращения валков. Следовательно, максимальные значения этих напряжений имеют место, при малых скоростях: во время оста­ новок, разгонов, торможений и т. д. Для количественной оценки влияния неосесимметричных напряжений на прочность валков це­ лесообразно поэтому использовать формулу (11.42), относящуюся к предельному случаю со0 = 0.

Как показано выше, в указанном случае в сплошном валке дей­ ствует только одно неосесимметричное напряжение о22!!с, определяе­ мое формулой (11.42), а все остальные нормальные и касательные неосесимметричные напряжения равны нулю: В полом валке ка­ сательные напряжения оуфПС в поверхностном слое близки к нулю, т. е. при оценке прочности валков ими можно пренебречь. Таким образом, грани радиального элемента, изображенного на рис. 26, попрежнему остаются главными площадками: задача состоит только в том, чтобы учесть влияние дополнительного осевого напряжения

^ z z i i c

Как видно из формулы (11.42), напряжение а22НС в любой точке сечения валка отрицательное (сжимающее), причем величина его прямо пропорциональна температуре. Следовательно, максималь­ ное значение это напряжение имеет место в том участке поверхност­ ного слоя валка, который находится в районе контакта с прокаты­

рячей прокатке по крайней мере на порядок выше, чем при холод­ ной, влияние неосесимметричных напряжений на прочность валков горячей прокатки, очевидно, значительно более существенно, чем осесимметричных. Проиллюстрируем это на конкретном примере. Пусть максимальное удельное давление в поверхностном слое ра­

Согласно теории Герца главные нормальные контактные напряже­ ния в наиболее нагруженной поверхностной зоне будут равны: ра­

По формуле (II.28) температурные осесимметричные напряже­ ния в поверхностном слое равны

СГ22С = ОффС = ~ ~ (3 — Ѳдо) А ^шахі =

1 р

= — 2,2-і05-12,2-10- ^ 0)5.60~ _ 115 МПа (1150 кГ/см2).

По формуле (11.42) температурные неосесимметричиые осевые на­ пряжения в контакте с прокатываемым металлом будут равны

< W 0= £ a 4 p = 1 ’ Ф = 0^-Фі) =

=—2,2 -ІО5-12-ІО- 6 - 1000 = — 2640 МПа(26400 кГ/см2),

вконтакте с опорным валком:

= —Eat (р = 1, Ф = фб) =

= —2,2- 10s-12-10_6-8 0 = — 200МПа(2000 кГ/см2).

Как видим, абсолютная величина ст22НС в зоне контакта с поло­ сой оказалась в 2,5 раза большей, чем максимальное контактное напряжение аггк-

Определим эквивалентные напряжения в зоне контакта с поло­ сой:

01 0zz ®zzR ^rrcRn 0ггнс/?о

= — 340— 115 —2640= — 3095 МПа (30950 кГ/см2);

0з = 0фф = %фк + %фс*о= - 2 1 6 - 1 1 5 = - 3 3 1 МПа (3310 кГ/см2);

° ,к в Н 0і - 0з| = |-ЗО 95 + 3 3 1 |= +2764 МПа (27640 кГ/см2).

Полученные значения превышают указанные в работе [77] до­ пускаемые контактно-усталостные напряжения. Очевидно, валки выдерживают столь большие напряжения потому, что они являются сжимающими и направлены вдоль оси бочки, а также действуют в весьма тонком поверхностном слое. Кроме того, эти напряжения имеют место в начальный период прокатки, ибо с увеличением ско­ рости о22НС и оффНС уменьшаются.

На основании приведенного расчета можно сделать вывод, что для валков горячей прокатки решающее влияние на прочность ока­ зывают наряду с контактными неосесимметричные температурные напряжения. За каждый оборот рабочего валка его поверхностный слой нагружается дважды: при контакте с опорным валком (где максимальными являются контактные напряжения) и при контак­ те с прокатываемым металлом (где максимальными могут быть температурные напряжения).

Что касается валков холодной прокатки, то на их прочность величина ог22НС оказывает значительно меньшее влияние, так как температура t (р = 1, ф = 0 фх) в зоне контакта с полосой, как правило, не превышает здесь 150—200° С. Кроме того, поскольку абсолютная величина сг22ІІС в этом случае меньше, чем аггк, она согласно указанному выше, суммируясь с сг22К и а22С, облегчает работу поверхностного слоя валка. Поэтому в контакте с опорным валком, где величины t (р = 1, ф = ф5) и а22НСменьше, чем в кон­ такте с полосой, напряженное состояние рабочего валка оказы­

98

вается более тяжелым и определяется главным образом действием контактных и осесимметричных температурных напряжений.

Изложенные результаты необходимо учитывать при выборе ма­ териала валков и разработке рациональных технологических ре­ жимов их эксплуатации.

§ 5. Тепловой профиль листопрокатных валков

Изменение температурных полей валков приводит к изменению температурных напряжений и деформаций. Рассмотрим факторы, определяющие динамику теплового профиля валка.

Под тепловым профилем подразумевают тепловую выпуклость или вогнутость валка, т. е. разности диаметра в середине и у края бочки.

Тепловой профиль является важной составной частью суммар­ ного профиля валков (составляет 20—30% от общей выпуклости валков) и оказывает существенное влияние на точность размеров и геометрию прокатываемых полос, а также на стойкость и износ рабочих и опорных валков.

За счет правильного управления профилем (профилирования) бочки валков можно добиться равномерной деформации по ширине полосы и в результате получить планшетный лист с минимальными отклонениями от допусков по коробоватости, волнистости и попе­ речной толщине.

Профилирование валков начинают вне стана, когда на шлифо­ вальных станках получают другую важную составляющую суммар­ ного профиля валков — шлифовочную.

Ее назначают, как правило, для определенного сортамента, и во время эксплуатации валков в стане она практически остается постоянной, изменяясь лишь за счет износа.

Суммарный же профиль валков, под которым подразумевается форма и размеры активной образующей рабочего валка на границе с прокатываемым металлом, в процессе работы стана непрерывно изменяется. Эти изменения, вызванные колебаниями скорости, на­ тяжения, усилия прокатки (дрессировки), перепада температуры по длине бочки, профиля подката и других параметров, приводят к нарушениям планшетности полосы и требуют оперативного уп­ равления профилем валков.

Такое управление на современных станах осуществляют с по­ мощью быстродействующих систем гидравлического изгиба валков. Эффективность таких систем во многом зависит от поддержания стабильности теплового профиля валков. Диапазон регулирования активной образующей с помощью гидроизгиба ограничен,- поэтому важно уметь правильно выбрать исходную (шлифовочную) выпук­ лость валков, важной составляющей которой является тепловая выпуклость.

Известно несколько методов определения теплового профиля валков [10, 66, 76].