Содержание к диссертации
Введение
1. Современные тенденции развития мелкосортных станов и анализ методов расчёта их параметров 8
1.1. Современные направления развития мелкосортных прокатных станов 8
1.2. Основные типы рабочих клетей мелкосортных станов 12
1.3. Анализ современных методов расчёта параметров прокатных клетей. 19
1.3.1. Анализ известных методов расчёта валков на прочность и жёсткость. 19
1.3.1.1. Расчет валкое на прочность 19
1.3.1.2. Определение жесткости валков 23
1.3.2. Анализ современных методов расчёта параметров сортопрокатного стана, определяющих точность проката 24
1.4. Выводы и постановка задач исследований 28
2: Разработка новых методов определения параметров рабочих клетей мелкосортных станов 31
2.1. Специфика процесса сортовой прокатки и её влияние на конструктивные параметры рабочих клетей 31
2.2. Разработка методики регламентирования упругих перемещений ручьёв калибра валков и определение рационального соотношения радиальной и осевой жесткости сортопрокатной клети 32
2.3. Создание новой методики определения параметров рабочих клетей в функции геометрической точности сортовых профилей и реализация её в виде компьютерной подпрограммы 43
2.4. Применение методики расчета рабочих валков на прочность при ограниченной долговечности [20] в условиях мелкосортного прокатного стана 48
2.4.1. Особенности расчета валков сортопрокатного стана на усталостную прочность при ограниченной долговечности 48
2.4.2. Метод расчета валков на прочность на основе экспериментальных данных стойкости ручьев калибров в условиях мелкосортного стана 51
2.5. Выводы 62
3. Определение основных параметров, разработка и расчет рабочих клетей стана 280 64
3.1. Алгоритм проектирования и расчёта параметров рабочих клетей мелкосортного прокатного стана. 64
3.2. Исходные данные для разработки рабочих клетей 64
3.2.1. Сортамент и производительность стана 280 65
3.2.2. Существующие ограничения при создании прокатного оборудования стана 280 66
3.2.3. Технологические и конструктивные аспекты 69
3.3. Расчёт параметров рабочих клетей, определяющих точность сортового проката 72
3.4. Разработка конструкции бесстанйнных рабочих клетей мелкосортного стана 280 83
3.4.1. Исходные данные и последовательность проектирования рабочих клетей 83
3.4.2. Конструкция разработанных бесстанинных клетей и их техническая характеристика 86
3.5. Определение основных характеристик жесткости рабочих клетей и степени соответствия их заданным параметрам 91
3.5.1. Радиальная жесткость клетей 91
3.5.2. Осевая жесткость клетей 92
3.5.3. Сводные данные по жесткости клетей стана 280 93
3.6. Расчеты на прочность элементов рабочих клетей 94
3.6.1. Расчет на прочность валков наиболее нагруженных клетей стана 280 94
3.6.2. Расчет наиболее нагруженных элементов рабочей клети стана 280... 105
3.7. Выводы 108
4. Применение бесстанинных рабочих клетей новой конструкции в составе мелкосортного стана 280 110
4.1. Состав и компоновка оборудования мелкосортного прокатного стана 280 110
4.2. Основные технологические характеристики стана 280 116
4.3. Выводы 121
5. Промышленные исследования на прокатном стане 280 ГУП«ЛПЗ» 122
5.1. Исследование загрузки главных приводов клетей стана 280 122
5.2. Стойкость калибров стана 280 129
5.3. Исследование фактической жесткости клетей 380 и 280 бесстанинной конструкции 130
5.3. Выводы 132
6. Рекомендации по совершенствованию конструкции рабочих клетей мелкосортного стана 280 134
7. Общие выводы и основньіе результаты работы 137
8. Список литературы 139
Приложения. 144
- Анализ современных методов расчёта параметров сортопрокатного стана, определяющих точность проката
- Создание новой методики определения параметров рабочих клетей в функции геометрической точности сортовых профилей и реализация её в виде компьютерной подпрограммы
- Конструкция разработанных бесстанинных клетей и их техническая характеристика
- Исследование фактической жесткости клетей 380 и 280 бесстанинной конструкции
Анализ современных методов расчёта параметров сортопрокатного стана, определяющих точность проката
Сортовая прокатка характеризуется несколькими принципиальными отличиями от листовой прокатки, которые необходимо учитывать. Так, при сортовой прокатке имеют место осевые усилия, которые оказывают значительное влияние на точность прокатываемых профилей, которые приводят к взаимному-смещению ручьёв калибра и ухудшению» геометрической точности. Чтобы размеры профилей не выходили за пределы допуска, прокатное оборудование должно иметь соответствующую радиальную жесткость. Кроме того, процесс сортовой прокатки характеризуется развитым уширением, которое претерпевает значительно большие изменения по ширине, чем по высоте. Эта разница может достигать 3-х кратной величине и приводит к тому, что точность при сортовой! прокатке и, соответственно, параметры оборудования и технологии, определяют изменения по ширине, а не по высоте, как при листовой прокатке. Важной отличительной особенностью сортовой прокатки является также периодическое изменение на 90 направления деформации, что оказывает влияние на радиальную и осевую жёсткости, а также биение валковой системы.
Рассмотренные выше известные методы не учитывают эти особенности сортовой прокатки, поэтому необходима разработка новой методики. - при прокатке сортовых профилей имеют место осевые усилия, которые оказывают значительное влияние на точность прокатываемых профилей, так как приводят к взаимному смещению ручьёв калибра и ухудшению геометрической точности, поэтому для обеспечения точности профиля прокатное оборудование должно иметь соответствующую осевую жесткость; - процесс сортовой прокатки характеризуется развитым уширением, при котором колебания , размеров проката по ширине значительно больше, чем по высоте. Эта разница может достигать-3-х кратной величина и приво дит к тому, что точность при сортовой прокатке и, соответственно, парамет ры оборудования и технологии, определяются в большей степени измене ниями размеров по ширине; - важной отличительной особенностью сортовой прокатки является пе риодическое изменение на 90 направления деформации, что оказывает влияние на радиальную и осевую жёсткости. 2. Традиционно трудной в сортопрокатном производстве является реа лизация процессов небольшой производительности, т.к. это связано с необ ходимостью уменьшения скоростей и температур прокатки. Это, в свою оче редь, приводит к росту энергосиловых характеристик, снижает стойкость валков, а также отрицательно сказывается на качестве готовой продукции, поэтому в этих условиях необходимо более точное определение параметров прокатки и адаптации к нимшрокатного оборудования стана. 3. С целью повышения технико-экономических показателей мелко сортных прокатных станов существует необходимость в создании сортовых прокатных клетей новой конструкции на( базе современных научно технических методов расчета и проектирования, что позволит снизить ме таллоемкость рабочих клетей и при этом обеспечить необходимую их.надеж ность, прочность и жесткость. 4. Известные методики расчета валков мелкосортных станов на проч ность не учитывают всего комплекса факторов, определяющих долговеч ность валков. Bi частности, требуется применение такой комплексной мето дики, которая, наряду со статической прочностью, учитывала бы усталост ную прочность материала валков, цикличность нагружения, спектр нагруже ния в условиях ограниченногожоличества циклов валков за период работы. Целью настоящей работы является создание и внедрение с использованием новых методов расчета и проектирования рабочих клетей новой конструкции, обладающих меньшей металлоемкостью, для производства высококачественного проката. Поставленная цель может быть достигнута путем решения следующих задач: - определение исходных данных для проектирования рабочих клетей мелкосортного стана с учетом специфики сортовой прокатки и требований к точности проката; - исследование взаимосвязи упругих деформаций ручьёв калибра при прокатке сортовых профилей и жесткостей рабочих клетей, разработка методики регламентирования упругих перемещений ручьев калибра с целью достижения соответствия прокатываемого профиля действующим стандартам; - создание методики определения характеристик рабочих клетей, определяющих точность проката, радиальной и осевой жёсткости, а также биения валковых систем, с учётом особенностей сортовой прокатки: развитого уширение, колебания которого значительно больше, чем колебания размеров по высоте; значительных осевых усилий; периодического изменения на 90 направления деформации; - разработка алгоритма расчета и проектирования рабочих клетей мелкосортного стана; - исследование фактической осевой жесткости клетей; - исследование стойкости валков мелкосортного стана и разработка рекомендаций по её повышению; - исследование фактических энергосиловых параметров прокатки. ,
Одним из наиболее важных аспектов эффективности современного производства мелкосортного проката является геометрическая точность профилей, которая определяется конструктивными- и технологическими пара-метрами. К конструктивным характеристикам относится жёсткость клетей и биение их валковой системы. К технологическим; параметрам относятся-изменения размеров л о высоте и ширине проката, связанные с допусками на заготовку, колебаниями; температурных и, скоростных условий прокатки, а также с изменениями межклетевых натяжений:, Рассматриваемая работа посвящена исключительно определению конструктивных параметров,, влияющих на точность проката.
Конструктивные характеристики; рабочих клетей должны; учитывать специфику сортовой прокатки, которая характеризуется; несколькими прин-, ципиальными» отличиями от листовой прокатки: Так, при прокатке; сортовых профилей имеют место осевые; усилия, которые оказывают значительное влияние на; точность проката: При. прокатке симметричных профилей, например; круглой; квадратной; и шестигранной сталей; причинами появления осевых усилий являются неточности настройки; и изготовления валков, а-также неточности установки и настройки прив алковой арматуры. Опытные данные показывают, что осевыеусилия в рассматриваемом случае могут достигать 10%, а в отдельных случаях даже 15% от сил прокатки. Переменные осевые усилия приводят к взаимному смещению ручьёв калибра и ухудшению геометрической точности, поэтому, чтобы размеры профилей не выходили за пределы допусков, прокатное: оборудование должно иметь соответствующую осевую жесткость.
Кроме .того, процесс сортовой прокатки характеризуется развитым уширением," при котором: колебания? размеров поі ширине значительно больше, чем по высоте. Эта разница может достигать,3-х кратной и более вели-чин и приводит к тому, что точность при сортовой прокатке и соответственно параметры, оборудования и технологии определяют изменения по ширине, а не по высоте как= при листовой прокатке [23].
Важной отличительной особенностью сортовой прокатки является периодическое изменение на 90 направление деформации; что; в; целом, предъявляет более высокие требованиям, таким конструктивным характеристикам - радиальной ш осевой1 жёсткости; Рассмотренные выше известные методы; не учитывают эти особенности сортовой прокатки, поэтому необходима1 разработка; новой; методики, которая, позволила бы установить рациональную взаимосвязь-между упругими радиальными; и осевыми;перемещениями ручьёв калибров сортовых валков.
Создание новой методики определения параметров рабочих клетей в функции геометрической точности сортовых профилей и реализация её в виде компьютерной подпрограммы
При создании прокатных клетей сортовых станов размеры валков в значительной степени определяет вес клети, требования к подшипникам опор и существенно влияют на жесткость клети, поэтому их расчет на прочность следует проводить как можно точнее.
Несмотря на накопленные знания, до настоящего времени при выборе размеров валков ограничивались приближенной оценкой их прочности, исходя из статического нагружения при пятикратном запасе прочности по номинальным напряжениям и временному сопротивлению материала валка на изгиб или растяжение. Такой подход, как правило, приводит к использованию валков с завышенными диаметрами, поскольку не учитываются конкретные условия их эксплуатации.
Срок службы валков ограничивается их ресурсом по износу поверхности, при этом-они испытывают знакопеременные нагрузки (круговой изгиб). Кроме того, валок является «короткой балкой», для которой формула Навье для определения номинальных напряжений дает значительную погрешность. Валки имеют конструктивные концентраторы напряжений, а сами напряжения в каждом сечении бочки и шейки изменяются во времени. Не принимаются во внимание характеристики прочностных свойств материала валков при знакопеременных нагрузках. Игнорирование этих факторов понижает точность расчета, часто приводит к необоснованному увеличению размеров и массы валков.
Поскольку сортовые валки в процессе эксплуатации испытывают действие знакопеременных напряжений при наличии концентраторов, их прочностной расчет на современном уровне должен производиться в два этапа. На первом этапе определяются напряжения в сечениях от действия технологических нагрузок с учетом концентрации этих напряжений, а на втором этапе -оценка усталостной прочности валка. Основное внимание в данной работе было уделено расчету валков чистовой и промежуточной группы, изготовленных из чугуна, поскольку предварительные расчеты показали для них большие удельные нагрузки по сравнению с нагрузками стальных валков черновой группы.
В основном чугунные валки сортовых станов рассчитывают только на статическую прочность. До недавнего времени это объяснялось прежде.всего недостаточностью данных о напряженном состояния валков, усталостных характеристиках валкового чугуна и влиянием различных факторов на пре- ! дел выносливости материала валков. Обычно для определения напряжений в валках используются методы сопротивления материалов. Для определения номинальных напряжений изгиба в бочке и шейках валка используется формула [26, 27]: Достаточно часто ручьевые валки рассчитывают только на изгиб, так как напряжения кручения в них весьма незначительны по сравнению с на-пряжениями изгиба (в 15-25 раз ниже). Если в шейках и приводных частях расчетные напряжения с достаточной точностью совпадают с экспериментальными данными, то напряжения в ручьях бочки и в галтелях сопряжения шейки и бочки весьма существенно отличаются от действительных. Известно, что напряжения в коротких балках при отношении L/D 6, рассчитанные по формуле Навье, имеют значительную погрешность. Результатом этого является неправильная оценка прочности валков, у которых указанное соотношение меньше трех. Для растянутой зоны напряжения в валках меньше номинальных, а для сжатой - больше, то есть имеет место асимметрия цикла, при этом, чем короче валок, тем больше асимметрия. Концентрация напряжений дополнительно увеличивает эту разницу. Оценку усталостной прочности валков производят, исходя из допустимой величины коэффициента запаса, который составляет [nj ,1-1,4. При этом коэффициенты запаса прочности валка по нормальным напряжениям определяют по формуле: Уа и Jm - амплитудные и средние напряжения в валке при изгибе; ц/а - коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла; амплитудные и средние напряжения в валке при изгибе. В расчетах принимается, что нормальные напряжения в бочке валка при изгибе изменяются по симметричному циклу, а при оценке усталостной прочности чугунных валков концентрацию напряжений и качество поверхности не учитывают. Без учета этих факторов ДЛІР бочки ручьевого валка, запас прочности равен где &пот - напряжения в валке при изгибе по симметричному циклу. При этом допустимый запас прочности принимался [п ]" 2. Так как до недавнего времени не было данных по усталостным характеристикам валковых чугунов и не было изучено влияние масштабного фактора, то при расчетах чугунных валков на усталость формулу не использовали. Однако по условиям службы валков этого недостаточно, и их расчет необходимо дополнить расчетом на усталость. Известные положения расчетов, приведенные выше, не учитывают особенностей напряженного состояния ручьевых валков, способности чугуна неодинаково сопротивляться растяжению и сжатию и некоторые другие его свойства. Это не позволяло достоверно оценивать усталостную прочность чугунных валков [20].
Конструкция разработанных бесстанинных клетей и их техническая характеристика
Разработан алгоритм проектирования и расчета параметров рабочих клетей мелкосортного прокатного стана, позволяющий создавать рабочие клети с учетом требуемого сортамента профилей, производительности и местных условий производственной площадки. Сформулированы исходные данные для выполнения проектирования и расчетов.
Определены базовые параметры (табл. 3.19) рабочих клетей прокатного стана 280 (радиальная и осевая жесткости, их рациональное соотношение, допустимые биения валков), при которых обеспечивается требуемая точность проката в соответствии с действующими стандартами, и которые учитывают специфику сортовой прокатки, а именно: - наличие развитого уширения со значительно большими колебаниями размеров по ширине, чем по высоте; - наличие переменных осевых усилий на рабочих валках от неточности настройки и изготовления валков, а также неточности установки и настройки привалковой арматуры; - периодическое изменение на 90 направления деформации. 3. Спроектированооборудование рабочих клетей, прокатного стана 280 и подтверждено соответствие их параметров по радиальной и осевой жесткости требуемым характеристикам, обеспечивающим получение заданной- точности проката. 4. Проведены прочностные расчеты рабочих валков по методике с учетом усталостной прочности в условиях ограниченной долговечности и- прочностные расчеты наиболее ответственных узлов .рабочих клетей, которые, показали, приемлемые коэффициенты запаса прочности. 5 . При расчете на прочность рабочих валков проектируемого мелкосортного. стана реализована возможность более полного! учета условий службы валков, что существенно повышает достоверность расчетов и позволяет снизить металлоемкость валков и соответственно рабочих клетей. Данный расчет может служить методическим руководством при конструирова-ний валков и клетей сортовых станов; 6. За время выполнения пусконаладочных работ, освоения технологии производства и 3-х летний период эксплуатации не было зафиксировано ни одной поломки конструктивных элементов клетей, в том числе, рабочих валков, что подтверждает правильность выбранных конструктивных решений и достоверность прочностных расчетов. В 2004 году перед специалистами ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ» была поставлена задача, используя отечественный опыт с учетом современных требований к качеству сортового проката, уровню автоматизации, энерго- и ресурсосбережения, создать современный специализированный мелкосортный прокатный стан для производства горячекатаного проката строительного сортамента. Основные характеристики производства изложены в главе 3, раздел 3.2.1. Заданная относительно небольшая производительность литейно-прокатного комплекса (200 тысяч тонн проката в год) поставила достаточно сложные технические и технологические проблемы при обеспечении совме-щения процессов выплавки стали, разливки её в непрерывнолитую заготовку и прокатки. До начала 2 Г века считалось, что литейно-прокатные комплексы такой производительности будут иметь длительный срок окупаемости и потому будут экономически нецелесообразны. Появление новых технологйче-ских процессов и материалов, принципиально новый уровень конструирования основного технологического оборудования и средств автоматизации позволило существенно уменьшить капитальные затраты при создании ЛПК, и прокатного стана в частности, сократить сроки строительства и пусконала-дочных работ, а также повысить эффективность работы оборудования комплекса. Мелкосортный непрерывный стан 280 (рис. 4.1) входит в состав ли-тейно-прокатного комплекса (ЛПК-200)і Работа стана осуществляется в едином технологическом процессе при непосредственном совмещении работы машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с прокатным оборудованием. Ill Подобное совмещение технологических процессов позволяет осуществлять прокатку с использованием 90....95% горячего посада от общего объёма производства проката, что обеспечивает экономию энергетических ресурсов, сокращение необходимых производственных площадей и оборудования по сравнению с траднщионным изготовлением металлопродукции с холодного посада [4]. Предложенная компоновка стана с использованием аварийного. рольганга на входной стороне нагревательной печи позволяет успешно, решать процесс задачи нагретой заготовки в прокатный стан и удалять отбракованную заготовку по следующим причинам: - короткое расстояние между выходной частью нагревательной печи и первой клетью прокатного стана позволяет сохранять стабильную температуру нагрева по длине заготовки; - нет необходимости в дополнительном оборудовании для термостати-рования заготовки, а также выгрузки с линии стана и транспортировки её в пролет склада заготовок; - в случае отбраковки заготовки перед прокаткой нагретая заготовка по. выпускному печному рольгангу перемещается на аварийный рольганг, с которого она порталом или цеховым краном передается на склад или на повторный нагрев Стан 280 создавался как специализированный стан для производства проката преимущественно строительного сортамента и это определяет его основные характеристики и параметры.
Исследование фактической жесткости клетей 380 и 280 бесстанинной конструкции
В процессе создания, а также по результатам пусконаладочных работ и исследований стана 280 в процессе промышленной эксплуатации, сформировались рекомендации по совершенствованию клетей и прокатного оборудования стана, а также некоторых технологических аспектов, которые следует использовать при создании оборудования новых перспективных сортопрокатных станов и реконструкции действующих станов.
Практика эксплуатации стана 280 и мировой опыт говорят о необхо-димости увеличения диаметров и длин бочек рабочих валков в следующем размерном диапазоне: а) черновая группа: диаметр валков 630...560 мм, длина бочки - 700 мм; б) промежуточная группа: диаметр валков 480...380 мм, длина бочки 700 мм; в) чистовая группа: диаметр валков 360...300 мм, длина бочки — 700 мм. Это позволит: - увеличить ресурс (долговечность) валков при несущественном росте массы оборудования; - применить в черновой группе клетей литые чугунные валки, обладающие более высокой стойкостью по сравнению со стальными; - расширить диапазон сечения прокатываемой заготовки — с квадрата 125x125 до 150x150 мм, поскольку в современном производстве наметилась устойчивая тенденция к увеличению сечения заготовки, что позволяет повышать объёмы производства и качество проката; - сократить число перевалок, увеличив тем самым фактическое время работы стана и сократив парк резервных валков. 2. В выпускных клетях наряду с чугунными валками рекомендуется использовать бандажированные валки с твердосплавными шайбами, которые обладают стойкостью в 10 раз превышающую долговечность чугунных. 3. При качественном изготовлении клетей не требуется осевая регулировка обоих валков клети, достаточно диапазона осевого перемещения ± 3...4 мм одного валка. Такое конструктивное решение упростит конструкцию клети и её обслуживание. 4. Механизм осевой регулировки, примененный в клетях стана 280, обеспечивает высокую осевую жесткость, показал хорошую надежность и удобство в обслуживании горизонтальных клетей. Однако доступ к этому механизму в работающих вертикальных клетях затруднен, что достаточно неудобно при регулировках в линии стана. Предлагается «применить в будущем механизм осевой регулировки, изображенный»на рис. 6.1. 5. Размещение привалковой.арматуры на специальных столах, установленных в межклетьевом пространстве черновой и промежуточной, группы, удобно в обслуживании. В связи с тем, что перевалки клетей чистовой груп-пы производятся1 достаточно часто, будет более «рациональным размещение привалковой арматуры на брусьях рамы чистовой клети, при этом комплексная настройка/клетей и проводок осуществляется в мастерской, сокра-щая тем самым время подготовки стана. 6. В главном приводе следует применить карданные валы, что удешевит обслуживание, существенно упростит конструкцию шпиндельного механизма и процесс перевалки, обеспечит более широкий диапазон диаметров переточек валков и повысит надежность работы привода. 7. При повышении производительности стана более 200 тыс. тонн в год рекомендуется использовать слиттинг-процесс с целью уменьшения влияния динамических нагрузок на приводную часть клети и на рабочие валки за счет снижения скоростей прокатки в выпускных клетях для мелкого профилям 1. На основе исследований формоизменения металла при прокатке сортовых профилей: разработана: новая методика регламентирования упругих перемещений ручьёв) калибра в і радиальном и осевом направлениях. Предложенная- методика позволяет установить рациональное соотношение; радиальной и осевой жесткости рабочихклетей,, что? улучшает геометрические параметры; проката и повышает выход годного-сортовой металлопродукции (патент РФ №2408444). 2. Создана новая-методика определения характеристик рабочих клетей: - радиальной и осевой- жёсткости; а также биения, валковых, систем; опредё-ляющихточность проката, учитывающая;специфику сортовойпрокатки: - развитое уширение металла приводящее "к, большим; колебаниям?раз- -меровшроката по:ширине,,чемшо высоте;: - наличие переменных; осевых; сил; на: рабочих валках от неточностей изготовлениями;настройки валков.и привалковой арматуры;: .: -периодические:изменения на90? направлений;деформации. 3 Впервые в; качестве: проверочной-применена методика, расчета ра бочих: валков :из чугуна; сучетом усталостнойшрочности материала валковв5 условиях ограниченной: долговечности и«спецификифаб6ты:валков!при мел косортной; прокатке; с использованием; фактических данных; о стойкости ручьев- калибров. Данная- методика; может служить проверочным расчетом приконструированиивалков.
