Файл: Совершенствование теплового процесса листовой прокатки..pdf

сопротивления деформации, скорости прокатки, производитель­ ности охлаждающих систем и т. д. Количество тепла, отдаваемого полосой валкам и окружающей среде, зависит главным образом от средней температуры полосы, от температуры валков и окружающей среды, а также от коэффициентов контактного теплообмена, тепло­ проводности, конвекции и излучения.

При горячей прокатке в стан поступает предварительно нагретая полоса, температура которой за время прокатки постепенно сни­ жается. Потеря тепла полосой происходит за счет излучения в окру­ жающую среду, контактного теплообмена с валками, роликами роль­ гангов и другими соприкасающимися деталями стана и, наконец, конвективного теплообмена с охлаждающей водой и окружающим воздухом. Одновременно с охлаждением полосы во время горячей прокатки происходит и некоторое повышение ее температуры за счет превращения в тепло работы, затрачиваемой на деформацию и тре­ ние между металлом и валками. При этом затрачиваемая на пласти­ ческую деформацию и трение энергия практически полностью превра­ щается в тепло, так как процессы упрочнения и рекристаллизации происходят одновременно и металл упрочняется очень мало. Для стабилизации температуры полосы при горячей прокатке в послед­ ние годы начали применять прокатку с ускорением в черновой группе. Расчеты и исследования [64, 68 ] показали эффективность этого спо­ соба, особенно для тонких полос.

Температура валков при горячей прокатке изменяется в резуль­ тате их нагрева и охлаждения. Нагрев валков происходит главным образом от тепла, отдаваемого нагретой полосой, и в меньшей степени от тепла, выделяемого при пластической деформации. Валки охлаж­ дают главным образом водой. Условия нагрева и охлаждения вал­ ков в процессе прокатки не одинаковы по длине бочки. Части бочки валков, прилегающие к шейкам, нагреваются менее интенсивно, чем середина, находящаяся в контакте с полосой. В результате не­ равномерного разогрева валки приобретают бочкообразную форму. Через некоторое время после начала работы стана, которое опреде­ ляется главным образом ритмом прокатки, температура валков, проводковой арматуры и других деталей стана, соприкасающихся с го­ рячей полосой, устанавливается примерно постоянной с определен­ ной амплитудой колебаний.

Рассмотренные исходные положения теплового процесса при горячей прокатке необходимы для расчета температуры полосы и валков, точность которых зависит от правильного определения основных коэффициентов теплоотдачи, системы уравнений теплового баланса и энергосиловых параметров стана.

При холодной прокатке в стан поступает холодная полоса, темпе­ ратура которой в процессе прокатки повышается, т. е. полоса уно­ сит с собой часть тепла, выделяемого в процессе пластического де­ формирования. Нагрев полосы и валков в процессе холодной про­ катки обусловлен общим тепловым балансом. Для поддержания необходимого теплового баланса и его регулирования необходимо знать температуру валков, полосы и охлаждающей эмульсии до

12

и после прокатки. В начальный период прокатки эти температуры значительно изменяются из-за неустановившегося процесса тепло­ обмена. По мере же нагрева валков до определенной установившейся температуры теплообмен между ними, окружающей средой и поло­ сой становится практически постоянным и далее температура изме­ няется весьма незначительно.

Таким образом, при холодной и при горячей прокатке валок сначала работает в нестационарном тепловом режиме, а затем при установившемся процессе прокатки нестационарный режим пере­ ходит в стационарный или квазистационарный.

Степень нагрева валков в процессе прокатки зависит от величины

охлаждающей эмульсии, коэффициентов теплопроводности, конвек­ ции излучения и т. д.

Отмеченная в разделе 1 нестабильность технологии и сорта­ мента тонколистовой прокатки приводит к колебаниям температуры

итеплового профиля валков, вследствие чего снижается их стойкость

иуменьшается точность размеров и формы полос и листов. Поэтому стабилизация температурного режима тонколистовых станов и про­ филя их валков является существенной составной частью общей проблемы стабилизации технологии листовой прокатки. Учитывая

важность и недостаточную изученность этого вопроса, теоретическим и практическим аспектам стабилизации температуры и теплового профиля валков в последующих главах этой книги уделено большое внимание.

Г Л А В А II

Т Е М П Е Р А Т У Р Н Ы Е П О Л Я , Н А П Р Я Ж Е Н И Я И П Р О Ч Н О С Т Ь

Л И С Т О П Р О К А Т Н Ы Х Б А Л К О В

1. ПРОЧНОСТЬ ЛИСТОПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

Валки тонколистовых станов кварто работают в условиях слож­ ного напряженного состояния, вызванного совместным действием остаточных, контактных, сжимающих, изгибающих, тепловых нагру­ зок и крутящих моментов. Многочисленные исследования и расчеты показали, что из всех видов нагрузок решающее влияние на проч­ ность и стойкость валков оказывают контактные напряжения, дости­ гающие иногда предела усталостной прочности металла [1].

Наиболее опасные контактные напряжения возникают в поверх­ ностном слое рабочих и опорных валков глубиной до 5—10 мм, где создается напряженное состояние трехосного сжатия (рис. 1). Макси­ мальным по абсолютной величине главным контактным напряжением является радиальное (стх = аг), минимальным непосредственно у по-

13

обычно характеризуют эквивалентным напряжением, представляю­

напряжения близки к пределу усталости, действие дополнительных (температурных) напряжений может оказаться решающим для проч­ ности валков, даже если эти напряжения в сравнении с контактными невелики. Эквивалентное напряжение может превысить предел уста­

от контактных у температурных напряжений в поверхностном слое радиальное напряжение огг близко к нулю (непосредственно у по­ верхности равно нулю) [1 ]; окружное и осевое являются максималь-' ными. Поэтому влияние температурных напряжений на контактные может происходить только за счет изменения величины ст3 (окружного

И, напротив, если они растягивающие, то эквивалентное напря­ жение возрастает, а запас усталостной прочности снижается. Расчеты показали [1 ] , что на станах холодной прокатки эквивалентные кон-

14

тактные напряжения в валках достигают 1000—1500 Мн/м2 (10000— 15 ООО кГ/см2 ), а температурные 100—250 Мн/м2 (1000—2500 кГ/см2 ), составляя 10—20% от контактных. На станах горячей прокатки контактные напряжения несколько меньше в связи с меньшим со­ противлением металла пластической деформации при высоких темпе­ ратурах. Температурные условия работы валков этих станов более напряженные в связи с большей разностью температур прокатывае­ мого металла и поверхности бочки и более значительными колеба­ ниями температуры в период работы стана.

Температурные напряжения в валках горячей прокатки могут достигать 20—40% от величины контактных напряжений, поэтому учет их в прочностных расчетах еще более важен, чем.для валков хо­ лодной прокатки.

Опыт эксплуатации современных листовых станов подтверждает значительное влияние температурного режима, условий нагрева и охлаждения при прокатке на прочность и стойкость рабочих и опорных валков.

Нередко непосредственной причиной разрушения валков были температурные напряжения, возникшие из-за засорения брызгальных коллекторов, резких колебаний температуры и т. д. [1]. На большинстве листовых станов горячей прокатки и на некоторых ста­ нах холодной прокатки применяют предварительный подогрев вал­ ков перед завалкой их в рабочую клеть [2—4 ] , а также другие меро­ приятия по стабилизации температурного режима в процессе про­ катки.

Как показано ниже, реальное температурное поле валка можно разделить на две зоны: активную и основную. В активной зоне, вклю­ чающей тонкий поверхностный слой толщиной не свыше 1—2 мм, происходят циклические колебания температуры за каждый оборот валка, и распределение температуры в ней не является осесимметричным.

В основную зону, расположенную под активной и составляющую не менее 98—99% от радиуса бочки, циклические колебания не проникают; к ней полностью применимо допущение о симметрич­ ности температурного поля. Толщина активной зоны тем меньше,

поверхности бочки валка диаметром 254 мм при скорости прокатки 0,2 м/сек и 50%-ном обжатии малоуглеродистой стали не превышают 100 Мн/м2 (1000 кГ/см2 ), а на глубине 2% от радиуса они снижаются до нуля. На современных станах, имеющих в сотни раз более высо­ кие скорости вращения, глубина проникновения этих напряжений, по-видимому, гораздо меньше. Поэтому в прочностных расчетах вал­ ков в большинстве случаев достаточно учитывать лишь осесимметричные напряжения, возникающие в основной зоне валка.

Циклические колебания напряжений в активной зоне следует принимать во внимание при изучении механизма износа поверх­ ностного слоя валков [8]. Этот вопрос ^имеет самостоятельное значение и в данной работе не рассматривается.

15

2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВАЛКОВ

Д ля определения температурных напряжений и деформаций в вал­ ках необходимо уметь рассчитывать их температурные поля в зави­ симости от основных параметров технологического процесса тонко­ листовой прокатки.

Дифференциальное уравнение теплопроводности валка, неза­ висимо от конкретного вида технологического процесса (горячая, холодная прокатка или дрессировка), в общем случае в безразмерной

2, 3. . . Для конкретного стана при фиксированных а и R критерий Фурье определяет время процесса прокатки.

16