Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5.
1. ЛОКАЛЬНЫЕ ПЕРЕГРУЗКИ ВАЛКОВ СТАНОВ КВАРТО
(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 9
Виды локальных перегрузок валков 9
Наследственная связь повреждений и разрушений валков 12
Механические свойства валков 15
Пути повышения стойкости валков.... 17
Задачи исследования.. 20
2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДОШЩЙЕ: СТОЙКОСТЬ ВАЛКОВ СТАНОВ ХОЛОДНОЙ
ПРОКАТКИ ЛИСТА Г....... 22
Частота повреждений валков 22
Существенные факторы эксплуатации рабочих валков.... 30
Построение модели главных эффектов факторов эксплуатации опорных валков.. 35
Выводы по главе 45
3. ЭНЕРГО-СИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОХОЖДЕНИЯ СКЛАДОК ПРОКАТЫВАЕ
МОГО ЛИСТА ЧЕРЕЗ ВАЛКОВУЮ СИСТЕМУ СТАНА КВАРТО 47
Этапы прохождения складок через валковую систему.... 47
Компактирование складки 49
Прокатка компактной складки 56
Решение сопряженной задачи теплообмена на контакте валок-полоса при прокатке складки 66
Функция удельной поверхностной мощности тепловыделения 69
Сопряженная задача теплообмена в очаге деформации полосы 77
3.5. Контактные нагрузки в валковой системе кварто при про
катке складок полосы 88
Стр.
Методика анализа нагрузок на валки 88
Нагрузки на валки «... 95
3.6. Выводы по главе_ 105
4. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИКОНТАКТНЫХ ЗОН ВАЛКОВ ПРИ ЛО
КАЛЬНЫХ ПЕРЕГРУЗКАХ 108
Случаи пластического деформирования поверхностных слоев валков 108
Методика исследования на разномодульных оптически чувствительных моделях ИЗ
Влияние образования пластической зоны на напряженное состояние поверхностных слоев. 121
Образование пластической области в моделях из стали 9X2 137
Выводы по главе 143
5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ МЕР ПО ПОВЫ
ШЕНИЮ УСТОЙЧИЮСТИ БАЖОВ В УСЛОВИЯХ ЛОКАЛЬНЫХ ПЕРЕГРУЗОК 145
Разработка рациональных режимов эксплуатации твердых валков станов холодной прокатки 146
Определение оптимальной длительности межперевалочного отдыха валков 150
Восстановление работоспособности валков снятием поврежденного слоя 152
Величины съемов при шлифовке рабочих валков 152
Глубина наклепа и съемы при шлифовке опорных валков. 156
Обкатка опорных валков в клети стана 159
Обкатка и нагрев рабочих валков в клети стана...... 163
Определение желательного распределения механических свойств в закаленной зоне валков 165
_ 4 -
Стр.
5.7. Повышение жесткости рабочих валков на раздавлива-
нив... Ю9
5.8. Результаты реализации разработанных мероприятий
в промышленности. 173
5.9. Выводы по главе 175
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ *77
ЛИТЕРАТУРА 1 179
ПРИЛОЖЕНИЯ 19з
\
г - 5 -
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года намечено значительное увеличение выпуска листового проката, особенно холоднокатаного, объем производства которого в 1990 году по сравнению с 1980 годом возрастет в 1,5-2,5 раза. Наряду с увеличением выпуска поставлена задача существенного повышения качества и стабильности свойств выпускаемой продукции /I/.
Для решения этих задач необходимо стабилизировать в оптимальных диапазонах параметры проведения технологического процесса производства листа и свести к минимуму отрицательные последствия нарушений непрерывности протекания процесса (потери производительности стана, нарушение настройки стана, стабильности теп-лового режима валков, и как следствие, производство неплоского листа в период его нестационарности).Потери тем ощутимее, чем выше количественные и качественные показатели процесса прокатки холоднокатаного листа.
Одним из наиболее опасных нарушений процесса прокатки является потеря устойчивости полосы при прокатке (порыв ее, образование и прокатка складок и т.д.), вызывающая повреждение валков и аварийный выход их из строя. Прокатка листа в стационарном режиме исследована достаточно широко и подробно. В то же время процесс прохождения складок полосы через валковую систему кварто исследован недостаточно.
Опыт эксплуатации станов холодной прокатки показывает, что при прокатке складок, вследствие локальных перегрузок в очаге деформации и межвалковом контакте, валки получают местные пластические деформации, инициирующие при дальнейшей работе валков разрушение их поверхностных слоев в виде выкрошен и отслоений.
- б -
Разрушение валков зачастую происходит в стане, что вызывает дополнительные простои станов и повреждение других валков. Частота повреждений валков возрастает в периоды пуска и освоения новых и после реконструкции действующих станов и достигает 10-15 в сутки. Вследствие локальных перегрузок до 80 % валков преждевременно выходят из строя, не использовав и 50 % своего ресурса. При этом расходы на валки составляют 10-25 % расходов на производство холоднокатаного листа. Следовательно, работы, направленные на повышение стойкости валков, являются актуальными.
Изучение процесса и последствий прохождения складок прокатываемой полосы через валковую систему кварто и разработка путей повышения стойкости валков при действии возникающих при этом локальных перегрузок явилось целью данной работы.
Исследования проводились на листовых станах Магнитогорского металлургического комбината, в Магнитогорском горно-металлургическом институте и в лаборатории оптического моделирования Уральского научно-исследовательского института трубной промышленности. Работы проводились по координационным планам исследовательских работ МЧМ СССР, МБ и ССО РСФСР 1970-1985 гг., некоторые вопросы включены в планы Межвузовской целевой научно-технической программы "Валок" и учебно-научно-производственного объединения МГМИ-ММК.
Результаты работы внедрены на листопрокатных станах ММК и использованы при разработке "Типовой технологической инструкции МЧМ по приемке, учету и эксплуатации валков холодной прокатки" (1979 г.).
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. В первой главе проанализированы литературные и патентные материалы по поставленному вопросу, сформу-
\ \
лированы задачи исследования.
Во второй главе на основании построенных статистических моделей работы опорных и рабочих валков с применением корреляционно-регрессионного и дисперсионного анализов и методов факторного планирования оценено комплексное влияние факторов эксплуатации на стойкость валков, подтверждено, что наибольшее отрицательное влияние на стойкость валков оказывают локальные перегрузки, вызванные прохождением складок полосы через валковую систему и выявлены наиболее действенные факторы повышения устойчивости валков при работе в условиях локальных перегрузок.
6 третьей главе исследованы геометрические, силовые и температурные условия прохождения складок полосы через очаг деформации и межвалковый контакт в зависимости от толщины полосы и скорости прокатки. На основании разработанной модели деформации складки оценены контактные и тепловые нагрузки в очаге деформации при прокатке складок и в межвалковом контакте.
В четвертой главе исследованы условия и последствия возникновения пластических деформаций в поверхностных слоях валков, поляризационно-оптическим моделированием на разномодульных моделях выявлены особенности напряженного состояния радиально-неод-нородного цилиндра при нагружении его нормальной нагрузкой по образующей.
В пятой главе разработаны новые и усовершенствованы известные мероприятия по повышению устойчивости валков к последствиям локальных перегрузок в очаге деформации при холодной прокатке. Некоторые рекомендации (по подготовке опорных валков) нашли применение и на станах горячей прокатки листа. Уточнены режимы двухступенчатого нагружения рабочих валков при эксплуатации, еъемов при перешлифовках рабочих и опорных валков, разработаны режимы
- 8 - ^
накатки опорных валков, отдыха рабочих и опорных валков, нагрева рабочих валков путем обкатки их в клети, конструкции рабочих валков, обладающих повышенной устойчивостью при перегрузках.
Результаты работы опубликованы в 15 статьях в отечественных и зарубежном журналах, защищены четырьмя авторскими свидетельствами. Внедрение результатов работы на станах ММК дало экономический эффект около 600 тыс.рублей.
I. ЛОКАЛЬНЫЕ ПЕРЕГРУЗКИ БАЖОВ СТАНОВ КВАРТО (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
І.І. Виды локальных перегрузок валков
Стабильность холодной прокатки листа может нарушаться внезапными сбоями (поломка деталей стана, порыв полосы и т.д.) и медленно, постепенно нарастающими изменениями параметров (износ деталей, в частности, валков), при достижении определенных значений которых проведение технологического процесса становится невозможным, и требуется его остановка для приведения изменившихся параметров в соответствие с требованиями технологии и условий проведения непрерывного процесса.
Анализ частоты и длительности простоев по причинам показывает, что наиболее опасной является потеря устойчивости полосы при прокатке (порыв, образование и прокатка складок) /2-4/* При этом создаются условия для повреждения валков и преждевременного выхода их из строя /3-5/.
При отсутствии натяжения и обрывах на прокатываемой полосе могут образовываться складки, которые, попадая в очаг деформации, вызывают возникновение высоких местных давлений, локальных перегрузок, о чем можно судить по пластическому продавливанию поверхности валка, которое тем больше, чем ниже его твердость и меньше толщина прокатываемой полосы/3, 6-Ю/.
Образование складок полосы и наваров при прохождении их через очаг деформации объясняют /11,12/ изгибом валков в горизонтальной плоскости от действия нескомпенсированного переднего натяжения при исчезновении заднего.
Снятие заднего натяжения при обрыве полосы ведет и к возрастанию давления металла на валки, что вызывает увеличение про-
гиба валков в вертикальной плоскости. Значительная неравномерность обжатия полосы по ширине приводит к появлению внеконтакт-ных напряжений в заднем конце полосы, приводящих к потере устойчивости ее и образованию складок /13/.
Образование складок на заднем конце полосы при прокатке ее без натяжения исследовалось в работах /12,14/. Процесс образования складок при порыве полосы заснят с помощью высокоскоростной кинокамеры /8/. Из анализа этих данных следует, что на полосе образуются волны, эти волны становятся все круче и ширина их все меньше, затем складка тройной толщины входит в очаг деформации.
При обрыве полосы, находящейся под натяжением, за счет запасенной упругой энергии растяжения задний конец полосы приобретает значительную скорость и наносит удар по валкам /2,8/.
При скоростях более 5 м/с большие местные обжатия, давления и силы трения при прохождении складки приводят к значительному тепловыделению в очаге деформации и привариванию прокатываемого металла к валкам, и кроме локальных механических перегрузок материал поверхностных слоев валка испытывает термический удар /2,3,10/.
На высокоскоростных станах время аварийного торможения составляет 0,5-1,5 сек., за это время рабочие валки успевают сделать 10-20 оборотов, во время которых приварившиеся куски прокатываемой полосы, проходя через межвалковый контакт, вызывают большие локальные перегрузки и местное пластическое деформирование поверхности контактирующих валков /2,3,11/.
Как показывает анализ литературных источников, исследователи уделяют опорным валкам значительно меньше внимания, чем рабочим. Наибольшее количество разработок посвящено определению про-
филировок бочек опорных валков /15-21/. Отмечается /15,22-24/, что от профиля образующих рабочих и опорных валков в значительной степени зависит распределение межвалковых давлений. В процессе эксплуатации профиль валков изменяется вследствие износа, что приводит к перераспределению межвалковых давлений и может явиться причиной локальных перегрузок поверхностных слоев бочек опорных валков.
Изменения профиля опорных и рабочих валков стана холодной прокатки значительно меньше, чем изменения профиля валков станов горячей прокатки листа /20-24/» Поэтому следует различать условия работы опорных валков на станах холодной и горячей прокатки. Для первых характерны локальные перегрузки вследствие наваров на рабочих валках /5/ при относительно небольшом изменении профиля образующих; для вторых - локальные перегрузки вследствие значительных изменений профиля образующих /15,23/. Комплексного анализа степени влияния этих двух характерных видов перегрузок в литературе не приводилось.
В литературе произведены приближенные оценки контактных нагрузок, возникающих при прокатке складок полосы на основе оптического моделирования этого процесса /2,8/, а оценки межвалковых нагрузок в этих условиях в известной нам литературе не приведены.
Таким образом, возникновение локальных перегрузок связано во всех случаях с резким локальным изменением профиля образующей валков (будь то навар на рабочих валках, или изменение профиля образующей вследствие износа) или образованием местной складки на полосе.
- 12 - N
1.2. Наследственная связь повреждений и разрушений валков
Анализ работы валков показывает, что при стабильной прокатке стойкость и долговечность валков может быть значительно выше достигнутых в настоящее время показателей, а причинами выхода из строя были бы только износ и усталостные разрушения. В реальных же условиях эксплуатации поверхность валков подвергается частым перегрузкам при потере устойчивости процесса прокатки (порыв полосы, прокатка складок и утолщенных концов), вследствие чего валки преждевременно выходят из строя с использованием лишь 30-50 % активного слоя. Причинами выхода валков из строя являются в 60-80 % случаев навары и разрушения после наваров (трещины, выкрошки, отслоения). Например, в валковом парке стана 2500 насчитывается 2-5 % валков, которые не подвергались повреждениям в процессе эксплуатации, имели стойкость до 80--100 тыс.т на валок и использование закаленного слоя до 20 мм, что в 2-4 раза больше, чем средние показатели по всему парку /25/.
Поэтому, повысив устойчивость валков к последствиям повреждений, можно существенно увеличить стабильность процесса прокатки и стойкость валков.
Детальное исследование воздействия наваров на закаленную зону валков было проведено на стане 1700 /8,26/\и показало, что под наваром образуются зоны отпуска и вторичной закалки, протяженность которых, а также глубина проникновения трещин под наваром связаны с высотой: навара.
Исследование термического удара, моделирующего навар, производилось путем нанесения жидких металлов на закаленную поверх-
г - ІЗ -
ность /27,28/, а также путем локального фрикционного разогрева закаленной поверхности /29,30/ и показало, что в зоне термического удара на глубине до 5 мм образуются напряжения растяжения, приводящие к растрескиванию поверхностного слоя валков. Приблизительная оценка температуры разогрева поверхности контакта валок-полоса при наваре с использованием усредненных параметров очага деформации показала, что температуры здесь достигают 1000С /31,8/, однако анализа условий разогрева контакта при наваре не проводилось.
Локальные механические и термомеханические перегрузки опасны еще и тем, что впоследствии на том же месте развиваются поверхностные разрушения в виде выкрошен и отслоений /8,10,32/, глубина которых составляет 5-25 мм /10,32,33/.
Этот факт объясняют тем, что в переходной зоне закаленного слоя валков (на глубине 10-25 мм) действуют растягивающие остаточные напряжения /34,35/. Но в настоящее время большинство валков производится по технологии, обеспечивающей выведение пика растягивающих напряжений из переходной зоны /36/.
С целью выявления истории работы валка, склонности материала валка к поражаемости различными дефектами и наследственной связи между их появлением был использован предложенный Аркули-сом Г.Э. метод топографирования дефектов рабочей поверхности валка /10/.
Метод топографирования заключается в нанесении условными обозначениями дефектов в порядке их возникновения на карту развертки поверхности валка в соответствии с их координатами. При топографировании дефектов заполняется таблица, в которую заносятся следующие данные: дата появления дефекта, диаметр валка, съем при переточке, стан и клеть, где работал валок в момент
появления дефекта, количество прокатанного металла к этому моменту, причины появления дефекта (по условной классификации). Такой метод является до сих пор начальным этапом исследований по повышению стойкости валков холодной прокатки на листопрокатных станах Магнитогорского металлургического комбината.
Было выявлено, что разрушения валков (трещины, отслоения, выкрошки) часто зарождаются в зонах, подвергавшихся ранее механическим повреждениям или термомеханическим воздействиям. Нас-
ледственная их связь наглядно и надежно выявлена на топограммах,
показывающих, что на месте наваров и пластических отпечатков
(порезов) при дальнейшей работе развивалось разрушение. Такая
связь имела место на валках французского, австрийского, немецко
го, отечественного производства с применением объемного, газо
пламенного и индукционного нагрева валков перед закалкой и по
следующего отпуска. ^
Одной из основных причин разрушений (особенно отслоений и выкрошек) являются локальные перегрузки /3,8,30,37,38/. Неблагоприятное распределение остаточных напряжений ускоряет зарождение и развитие отслоений и выкрошек.
После повреждения валка отслоение может развиваться из внутренних /3,8/ и из поверхностных трещин /39,40/. Для определения причин этого необходимо рассмотреть напряженное состояние поверхностных слоев валка при его локальной перегрузке.
При повреждении рабочих валков наварами опорные валки, как более мягкие, выполняют роль демпфера ударных нагрузок в валковой системе /5,41/ и повреждаются пластическими надавами /3/.
При работе опорных валков их поверхностные слои испытывают наклеп, степень удаления которого при перешлифовке определяет дальнейшую работоспособность валков. Исследования показали /42/,
что значительное увеличение работоспособности опорных валков наблюдаются при съемах во время перешлифовок около 3 мм на диаметр. Однако при этом не учитывались ни твердость валков, ни контактные нагрузки, от которых сильно зависит степень наклепа /43/ и его глубина.
Наряду с указаниями, что наклеп опорных валков приводит к разрушению поверхностных слоев /42,43,3/, широко известно благоприятное влияние поверхностного пластического деформирования (наклепа) на работоспособность деталей /44/.
Причины этого противоречия в литературе не обсуждались.
1.3. Механические свойства валков,
Закаленная зона состоит из активного (поверхностного, высокопрочного) и переходного слоев и должна быть достаточно глубокой, чтобы обеспечить безаварийную работу в условиях значительных контактных нагрузок.
ГОСТ 3541-79 для валков 400-500 мм определяет глубину активной зоны не менее 10 мм. В литературе рекомендуются другие значения: глубиной 12-15 мм /9,45/, 15-19 мм /46/, 20-25 мм /2,7,46, 47/. В работе /36/ высказывается мнение, что при малой глубине активного слоя плавный переходный слой будет являться существенным резервом в повышении контактно-усталостной прочности валка.
Количественные рекомендации относительно плавности и протяженности переходного слоя в литературе отсутствуют, но имеющиеся сведения об эксплуатации валков, подвергнутым различным режимам закалки показывают, что резкое снижение твердости материала в переходном слое является причиной ускоренного развития разрушений поверхностных слоев в виде выкрошек и отслоений, и пониженной А до 30-60 %) стойкости валков /48,7,9,45-47,49,36/.
Интересный и плодотворный подход к формулировке требований к распределению свойств закаленной зоны прокатных валков развит в работах /2,15,50/, авторы которых указывают, что глубина активного закаленного слоя должна превышать длину дуги контакта валка с полосой в 1,5-2 раза. Анализ напряженного состояния поверхностных зон валка, проведенный авторами на основе оптического моделирования работы валков, а также с учетом остаточных напряжений показал, что если глубина действия максимальных скалывающих напряжений при работе валка приходится на переходную зону, то это приводит к быстрому развитию отслоений, поскольку в этой зоне физико-механические свойства понижены. В то же время при малых дугах контакта при работе валков не обнаруживались случаи усталостного разрушения.
Силовые условия и напряженное состояние на контакте валка с полосой и опорным валком детально исследовалось в работах /2,15,51/ в предположении, что валок деформируется упруго.
Используя эти данные, а также данные о контактной выносливости роликов разной твердости из валковой стали /52,43,7/, с учетом масштабного фактора /2,8/ можно найти, что при указанных напряжениях^^^"ІГЯаматериал валка выдержит без разрушения 7*10 циклов нагружения или же 3,5*10 оборотов, в расчете на производство средневзвешенного профиля (0,8x1500 мм) это составит прокатку валком 5*10 т - в четвертой клети и (10-15)10 т-в первой клети. Такую стойкость реально показывают 2-5 % всех валков стана 2500 /25/.
Средняя стойкость по валковому парку стана 2500 в 2-3 раза ниже, что может быть связано с локальными перегрузками валков в процессе эксплуатации, так как подавляющее большинство их выходит из строя при термомеханических повреждениях.
1.4. Пути повышения стойкости валков
Многие исследователи отмечают повышенную Износостойкость валков высокой твердости. Стойкость рабочих валков станов холодной прокатки твердостью 97-98HS на 20-50 % выше, чем у валков твердостью 90 HS /42,48,52,53/. У твердых валков реже образуются пластические отпечатки на поверхности при локальных мехнических перегрузках (при прокатке складок, загнутых и утолщенных концов полос), более длительный срок сохраняется заданная микрогеометрия поверхности /6/. Повышение стойкости отмечалось и при повышении твердости опорных валков /7,43/.
Исходя из анализа стойкости твердых валков имеются рекомендации применения рабочих валков твердостью 98-99 HS /3,6,52, 53/, а опорных - до 65-75 HS /3,7,43/. ^
С другой стороны, некоторые исследователи отмечают повышенную склонность твердых рабочих валков к разрушениям поверхностных слоев в виде выкрашиваний и отслоений, а также к повреждениям их наварами и указывают наиболее целесообразную твердость 90-95 HS /48,53,54/. Однако, снижение первоначальной твердости валков является простейшей мерой повышения их устойчивости против локальных перегрузок термомеханического характера (наваров) и из-за снижения качества прокатываемой продукции не может быть рекомендовано как основное мероприятие /54/.
Отмечались отколы на валках твердостью 70 HS и выше при прохождении навара в контакте между опорным и рабочими валками /41/. Поэтому рекомендовалось применение валков пониженной твердости 48-55 HS /41/, что также , как и в случае рабочих валков, не может быть рекомендовано, как основное мероприятие.
Предложено, /8,26/ для восстановления работоспособности
валков производить сошлифовку слоев со структурными изменениями иуказана глубина проникновения трещин в зависимости от высоты наваров.
Повышению устойчивости валков при работе их в условиях действия локальных механических и термомеханических нагрузок уделяется постоянное внимание. Разрабатываются новые теплоустойчивые марки стали /36,52/, совершенствуются режимы эксплуатации валков /2-4,42/.
При разработке режимов эксплуатации рабочих валков исходят из того, что валки (особенно твердые - более 95 ИS ) при изготовлении проходят закалку с большими скоростями охлаждения и отпуск при более низкой температуре, чем мягкие валки с поверхностной твердостью менее 94 HS . Следовательно, поверхностные слои твердых валков более напряжены, их структура менее стабильна, в них действуют большие остаточные напряжения, чем в мягких валках /2,35/. При установке в непрерывный стан, где действуют высокие контактные нагрузки (порядка 800-1200 МПа), естественно, происходит более быстрое разрушение поверхности твердых валков (отслоение и выкрошка) /3/.
Создание переменных напряжений в валках осуществляют обкаткой их в дрессировочной клети. При этом контактные напряжения составляют 350-450 Ша, что соответствует стабилизирующей виброобработке /2,3,8,55/.
Опыт эксплуатации показывает, что увеличение межперевалочной работы валков способствует повышению их стойкости, но длительность межперевалочной работы в настоящее время определяется только состоянием микрогеометрии поверхности валков /56/ и может быть существенно увеличена с повышением их твердости /4J, 53/, но при этом возрастает опасность усталостного разрушения.
- 19 -В работах /2,57/, с точки зрения усталостной прочности, определена длительность работы до появления субмикроповреждений в поверхностных слоях, предложено либо удалять слой с усталостными повреждениями (толщиной 0,1-0,2 мм), либо направлять валок на принудительный отдых (промежуточный отпуск) или на перезакалку. Относительно длительности перевалочного отдыха, в зависимости от поврежденности валков, конкретные рекомендации в известной нам литературе отсутствуют, не приводятся связи длительности отдыха и стойкости валков.
Применение промежуточного низко- и среднетемпературного отпуска позволяет снизить уровень остаточных напряжений и сократить число разрушений валков /2,52,58,59/, стойкость валков возрастает до 75 %, а число разрушений уменьшается в 2 раза. Отпуск валков производится.путем нагрева в индукционной установке конструкции ЦНИЙТМАШ в течение 20-25 мин до температур 180-300С. Поскольку не все станы холодной прокатки оснащены установками индукционного нагрева, известны попытки проведения низкотемпературного отпуска в масляных ваннах /60/. N
Большое влияние на долговечность валков оказывает подогрев валков перед завалкой в клеть до рабочих температур. Нагрев валков производят подачей теплоносителя (вода, эмульсия, пар, воздух) на поверхность валка /61-63/, либо внутреннюю полость его /64,65/, а также индукционным методом /66,67/. Во всех случаях отмечается ускорение стабилизации теплового режима работы валков, уменьшение колебания тепловой выпуклости и термических напряжений, улучшение плоскостности прокатываемого металла. Применяющиеся в настоящее время установки для подогрева валков наряду с большими достоинствами имеют и недостатки: для подогрева требуется подвод дополнительной энергии от посторонних источников энергии (подогреватели, индукаторы и т.д.), они обеспечивают
т" - 20 -
подогрев в течение продолжительного времени, имеют значительные габариты.
Таким образом, основными мероприятиями, позволяющими существенно повысить стойкость рабочих валков являются: обкатка при пониженных контактных нагрузках, сошлифовка слоев, в которых произошли структурные изменения вследствие термомеханического повреждения, организация межперевалочного отдыха и отпуска валков.
Эффективность каждого из этих мероприятий определена в од-нофакторной постановке эксперимента и не позволяет оценить совокупного влияния хотя бы некоторых из этих факторов на стойкость валков и долю каждого фактора в совокупном эффекте с учетом действия локальных перегрузок.
Основными мероприятиями, повышающими стойкость опорных валков, исследователи указывают сошлифовку поврежденного слоя (съем 3 мм на диаметр опорного валка) /42/, оптимальную профилировку и соотношение диаметров опорного и рабочего валков /5,8,15,22-24, 51,132/.Применение стали оптимального состава /4,43,52/.
Необходимо заметить, что в отечественной и зарубежной литературе имеются данные /4,52/ о повышенной работоспособности опорных валков из стали с пониженным содержанием углерода, но не приведены условия их эксплуатации, поэтому сравнивать стойкость валков затруднительно.
1.5. Задачи исследования
Как показал анализ литературных данных, наиболее опасной и частой причиной локальных перегрузок и повреждений валков является попадание складок полосы в очаг деформации. Определение параметров очага деформации при этом позволит оценить нагрузки, кото-
- 21 - \
\
рые испытывает валок /2,8/.
В связи со значительными математическими трудностями анализ напряженного состояния поверхностных слоев валков при локальных перегрузках затруднен и произведен экспериментально в предположении об упругой их деформации /8/. При этом в работе /8/ указано, что радиальная неравномерность механических свойств должна сказываться на работоспособность валков. В связи с разработкой специальных методов исследования напряженного состояния деталей при их упруго-пластическом деформировании /68/ (на такой характер деформации указывает появление пластических отпечатков на поверхности валков при прокатке складок /2г5,10,42,53/), поя-вилась возможность оценки напряженного состояния поверхностных зон валков при локальных перегрузках и причин наследственной связи локальных перегрузок валков и их разрушения.
На основе подученных данных можно будет разработать меры борьбы с отрицательными последствиями локальных перегрузок.
Таким образом, из вышеприведенного литературного обзора выберем для исследования следующие вопросы:
анализ процесса прохождения складки полосы через валковую систему стана кварто ;
влияние локальных перегрузок на напряженное состояние приконтактных зон прокатных валков ;
разработать меры борьбы с последствиями локальных перегрузок для повышения стойкости валков холодной прокатки.
2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СТОЙКОСТЬ ВАЛКОВ СТАНОВ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ЛИСТА
2.1. Частота повреждения валков
Как показали наблюдения на станах холодной прокатки 1450, 1200, 2500 Магнитогорского металлургического комбината (ШК), из-за дефектов и обрыва полосы происходит до 90 % всех сбоев в ритмичной работе стана холодной прокатки. Обрыв полосы в 40-60 % случаев происходит из-за разрушения шва, а в остальных случаях -из-за несплошности полосы (дыры, расслаивания и др.).
Такие нарушения стабильности прокатки приводят к неплановым перевалкам, увеличению времени настроечных периодов работы прокатных станов, когда из-за неустойчивости теплового режима и профиля валков, производят продукцию пониженного качества (рис. 2.1). Образование волнистости и коробоватости полосы в начальный период работы валков увеличивает опасность порыва полосы, до 60 % повреждений валков происходит именно в начальный период работы в стане /33,69/.
На протяжении кампании опорных валков профиль горячекатаного листа меняется от чечевицеобразного до вогнутого клинового /70/. При холодной прокатке такого подката это создает неравномерность обжатия полос по ширине, нарушение их плоскостности и неравномерность распределения натяжений, что также способствует порыву полос.
Для изучения места образования и прокатки складок, распределения повреждений и разрушений на валках станов кварто производилось систематическое топографирование дефектов опорных и рабочих валков станов 1200, 1450 и 2500 холодной прокатки и на опорных валках стана 2500 горячей прокатки /33,69,71/.
Сдельный вес неплоского листа на протяжении кампании валков 4 клети стана 2500
Частота случаев поражения отдельных участков поверхности бочки валка по длине наварами (I) и порезами (2)
^Г
х-
Праазтанс листает
I - волнистый лист ( А } ; - коробоватый лист (+) Рис* 2.1
то юоо rsao гшо zsoo Расстояние /шершне Ssvtx/ балка, мм
Рис* 2.2
Пластические отпечатки (механические повреждения) или навары (схватывание прокатываемого металла с валком, т.е. термомеханические повреждения)наиболее часто возникают в центральных зонах валков (рис.2.2), причем до 75 % повреждений располагаются по кольцевой зоне шириной 200-400 мм по середине валка.
Образование складок тройной толщины и прохождения их через очаг деформации имеет место в 90-95 % случаев,\примерно 5-Ю % случаев локальных перегрузок происходит из-за заворачивания кромки, тогда в очаг деформации входит полоса двойной толщины. При прохождении складок повреждения валков наблюдаются на стане 2500 в 55-60 % случаев, а на стане 1200 - в 78-90 % случаев, из которых на стане 2500 наварами заканчиваются 30-35 % повреждений, а на стане 1200 - до 97 %,
Складки чаще всего (в 80-90 % случаев) располагаются под некоторым углом к оси прокатки (30-60 градусов), но могут быть и складки, ось которых параллельна оси прокатки. Во всех случаях перед очагом деформации образуется распушеная складка.
Вероятность повреждения валков при механическом (порезы) и термомеханическом (навары) воздействии зависит от толщины прокатываемой полосы.
В течение 6 месяцев на стане 2500 фиксировали количество и вид повреждения валков при прокатке листа каждой толщины, при этом отмечалось его количество.
Обозначили для каждой клети: CiL- количество повреждений данного вида при прокатке листа I -той толщины, которого прокатано U'L тонн. Тогда А-сц/Цаї - частота (удельный вес) повреждений при прокатке I -той толщины в общем количестве повреждений данного вида, a U - Ui /"LUi - удельный вес полос I -той толщины в общем объеме произведенного листа за тот
же период. Найдем отношение -^-= -=- -^—- f^/^L -г -
U Ecu ZUi Zcli/LUc
Отношение (XijUi по существу является величиной, равной количеству повреждений данного вида при прокатке единицы массы полосы I -той толщины, т.е. характеризует вероятность появления повреждения при прокатке полосы і -той толщины. Отношение С- Zcti/Z.Ui - является величиной, равной среднему количеству повреждений данного вида при прокатке единицы массы полосы, прокатанной в исследуемый период без уточнения ее толщины, т.е. характеризует среднюю вероятность появления повреждения данного вида при прокатке полос на стане.
Таким образом, отношение A/U представляет собой относительную частоту, или вероятность повреждения валков при прокатке полосы і -той толщины по сравнению со средним уровнем сбоев данного вида на стане.
Из рис. 2.3 и 2.4 видно, что опасность пластических отпечатков возрастает при уменьшении толщины прокатываемых полос монотонно. Опасность термомеханических воздействий изменяется немонотонно с изменением толщины прокатываемых полос. Характер этой зависимости сохраняется при рассмотрении повреждений валков различных клетей непрерывного стана 2500 холодной прокатки.
При прокатке полос толщиной 0,6-1,0 мм большую вероятность имеет механическое повреждение валка. Прокатка же толстых полос опасна возникновением термомеханического воздействия на поверхность валков в очаге деформации, вероятность чего в 2-3 раза выше, чем механического воздействия.
Прохождение складок полосы через очаг деформации сопровождается существенным разогревом прокатываемого листа и поверхности валков, о чем можно судить по твердости поверхности валков в поврежденных местах.
Замеры твердости, поврежденных порезами и наварами валков
Относительная вероятность повреждения валков стана 2500 порезами при прокатке полос различной толщины
ф5 О,* W 1,1 14 ЛВ
1>Ж*Ш,Щ — номера клетей
Рйс. 2.3
Zfl Z,2 Z,4
Толщина, мм
Относительная вероятность * /у повреждения валков стана 2500 наварами при прокатке полос различной толщины
48 1,0 1,1 1,4
Л^ГДЛ? - номера клетей
Рис. 2.4
1,6 2,,0 Z,2r г,ч 2,6 Z,6
Толщина, мм
производились переносным прибором ХПО-Ю (по Виккерсу) на валь-цешлифовальном станке. Твердость измерялась в поврежденном месте, на границе дефекта и на неповрежденной поверхности по мере сошлифовки дефектов через каждые 0,1 мм съема.
Установлено, что под пластическими отпечатками происходит существенное снижение твердости закаленной стали валка, что свидетельствует о разогреве поверхности при прохождении складки (рис.2.5,а), при этом на поверхности валков сохраняется смазка и отсутствует схватывание металла.
Более сильный разогрев приводит к нарушению смазочного слоя и схватыванию прокатываемого металла с поверхностью валка. На большее тепловыделение при этом указывает более существенное снижение твердости поверхности валка в поврежденном месте (рис. 2.5,6).
Во время образования навара, кроме силовых перегрузок, материал подвергается действию значительного перегрева (свыше 900С). 0 высоких температурах нагрева можно судить по наличию под наваром зоны вторичной закалки глубиной 0,05-0,07 мм, где твердость достигает 11-12 ГПа. Под зоной вторичной закалки наблюдается зона вторичного высокого отпуска (рис.2.5,в).
Наблюдения показали, что валки последней клети повреждаются значительно чаще, чем остальных клетей стана (до 80 % из всего числа повреждений на стане) /33,69/. Причем обнаружена наследственная связь стойкости валков после перезакалки с повреждениями их в процессе эксплуатации до переэакалки /72,73/, что свидетельствует о возникновении при локальных перегрузках внутри валка повреждений, которые не залечиваются при перезакалке и становятся очагами развития разрушений (отслоений и выкрошек).
Частота повреждений наварами и порезами валков в процессе их эксплуатации велика, по этим причинам производится до 50-80 %
Твердость поверхности валка по мере сошлифовки дефекта
(5
і.
«к
-о
S,5 3,0 7,5 70 6,5
o,zo Сым, мм
OJO 0,30 0,50 0,70
Съем, мм
$
а.
0,5 J,0 f,5 lp Z,5
Съем, мм
I - на непораженной части; Z - под дефектом; 3 - на границе дефекта;
а - порез j б, в - навар
Рис. 2.5
4 - зо -
всех перевалок валков. Если за весь период эксплуатации валок выдерживает в среднем 25-30 переточек, то по причине "навар" валок шлифуется 3-8 раз, а по причине "порез" - до 20 раз.
За I смену происходит до 5 обрывов полосы, 2-3 из которых приводят к повреждению валков. Причем частота повреждений валков наварами возрастает до 70-100 % в период освоения новых станов и после реконструкции действующих /69,74,75/.
Анализ частоты разрушений различных участков по длине опорных валков показал, что дефект "выкрошка" распределен очень неравномерно (рис.2.6). На стане холодной прокатки максимальная частота разрушений приходится на среднюю часть валков, которой соответствует и наибольшая частота повреждений наварами /71,76, 77/. На стане горячей прокатки опорные валки не подвергаются столь сильным местным перегрузкам, условия их работы характери" зуются более спокойным режимом, приближающимся к условиям усталостных испытаний образцов. Перегрузки и неравномерность наклепа и разрушений объясняются здесь изменением профиля образующих валков при их неравномерном разогреве и износе /76/.
2.2. Существенные факторы эксплуатации рабочих валков
В данной работе одновременно исследовалось в условиях действующего стана 2500 влияние на стойкость валков более 30 факторов, определяющих основные физико-технические характеристики и параметры эксплуатации, таких как колебание содержания легирую-щих элементов валковой стали в пределах марочной регламентации, выдержка перед пуском в эксплуатацию, твердость, длительность работы валка в клетях дрессировочного и непрерывного прокатных станов (т.е. закономерности нагружения валков), число и глубина повреждений валка в разных клетях, длительность межперевалочного
- ЗІ -
Распределение частоты поверхностных разрушений вдоль бочек опорных валков станов 2500
ч>
б
*/00 300 /ZOO /600 2000 ічоб ДАина дочки, мм
& - при горячей прокатке і б - при холодной прокатке
Рис. 2.6
отдыха при работе в разных клетях стана и др. Исследованию были
подвергнуты валки из наиболее распространенной валковой стали
9Х2МФ /78/. х
Анализу подвергнуты раздельно рабочие валки, вышедшие из строя по причинам навара и отслоения, причем для валков, вышедших из строя по отслоению, учитывалось наличие или отсутствие осевого канала.
Комплексный анализ большого числа факторов предопределил применение линейного корреляционно-регрессионного анализа /79, гл.4/. Вычислительные работы выполнены на ЭВМ EC-I020 по стандартным программам. Объем выборки, используемой для анализа, охватил данные за 1974-1980 годы по 280 валкам, что обеспечило со степенью надежности 0,95 вычисление оценок влияния каждого фактора в линейной модели стойкости. Отсеивающий регрессионный эксперимент позволил выявить наиболее значимые факторы в совокупном их влиянии на стойкость, в том числе неуправляемые в процессе прокатки.
Влияние колебания химического состава валковой стали на стойкость валков оценено в литературе без учета условий эксплуатации /80/.
Учет эксплуатационных факторов показал, что они имеют более сильное влияние на стойкость, чем колебание химического состава валковой стали в пределах марочной регламентации /78/.
Существенную связь со стойкостью валков по коэффициентам корреляции и регрессии показали ряд эксплуатационных факторов: длительность межперевалочного отдыха при работе в 1-2 клетях прокатного стана, длительность работы в дрессировочной клети, число и сила повреждений в клетях непрерывного стана и др.
Валки высокой твердости (96-100 HS ) проявляют повышенную чувствительность к повреждениям термомеханического характера в
в начале эксплуатации. Зачастую навары приводят к окончательному выходу из строя твердых валков. Оценка стойкости по циклам загруженности показывает при этом, что для твердых валков (96-100 HS ) она в 1,5-2 раза выше, чем для мягких (90-93 HS ).
Длительность работы в дрессировочной клети по-разному сказывается на работоспособности валков, вышедших из строя по разным причинам. Если коэффициент регрессии фактора в линейной модели для валков, вышедших из строя по навару близок к единице (при одинаковой размерности факториального и результативного признаков), т.е. при линейной аппроксимации его влияние на стойкость аддитивно, то для валков, вышедших из строя по отслоению, этот коэффициент значительно больше единицы (для валков с осевым каналом составляет 1,6-1,7, а без осевого канала - до 3). Это указывает на то, что даже при линейной аппроксимации заметно проявляется стабилизирующее действие начальной работы валков в относительно легких условиях дрессировочного стана на структуру и свойства закаленного слоя валков.
Полнота удаления дефектов имеет положительную связь со стойкостью валков, особенно для валков без осевого канала, как инструмента с наиболее неблагоприятным распределением остаточ-ных напряжений /36,81,82/. Положительное влияние отдыха проявляется значимо, особенно для валков без осевого канала.
На втором этапе исследования применили метод дисперсионного анализа /83,гл.5/ по плану латино-греческого квадрата 4x4 (табл.2.I), дающего возможность указать степень влияния каждого из четырех факторов при варьировании их значений на /1=4 уровнях. Факторы, принятые в рассмотрение, обозначены в табл.2.I латинскими буквами: CL (суток) - длительность межперевалочного отдыха при работе в клетях непрерывного стана; 6 (тыс.т) -
Таблица 2.1 Латино-греческий план типа ЛГК 4x4, значения уровней факторов и результаты эксперимента (стойкость в тыс.т)
\
- длительность работы в дрессировочной клети ;х С (шт.) - число наваров и d (мм) - сила навара, оцениваемая по величине съема при перешлифовке валка до полного удаления дефекта. Уровни факторов в плане ЛГК 4x4 обозначены цифровыми индексами.
Дисперсионный анализ показал, что наиболее сильнодействующим на стойкость фактором из исследуемых является сила навара ( d > мм), для которого расчетное значение критерия Фишера составило Fd = 25,7, что больше критического значения FmafA= = 3,24 для надежности вывода 0,95 и чисел степеней свободы ао = З'и' іош~ 16, ПРИ которых вычислялись факториальная и случайная дисперсии соответственно /83, с.478/. Затем по рангу можно назвать длительность работы валка в дрессировочной клети ( Fg = 6,04) и длительность межперевалочного отдыха ( Fa. =4,48). Линейный эффект числа повреждений (фактор С ) оказался практически незначимым ( Fc = 1,14). Кроме того, имеет место зна-чимый остаток ( гост= 7,15), что указывает на наличие эффектов взаимодействия и влияния неучтенных в данной модели факторов.
2.3. Построение модели главных эффектов факторов эксплуатации опорных валков
Объектом исследования настоящего раздела работы была стойкость к разрушению опорных валков станов Магнитогорского металлургического комбината (ММК). На этих станах используются опорные валки из стали марок 9X2, 9ХФ и 75ХМ с твердостью рабочей поверхности в пределах 35-70 HS /84/.
С целью выявления отдельно условий повреждения опорных валков при прохождении наваров и условий изменения профиля валков в процессе эксплуатации из-за износа и неравномерного нагрева в исследовании были привлечены данные наблюдений по эксплуа-
\
\
тации опорных валков станов горячей прокатки 1450 и 2500.
Для исследования работоспособности опорных валков при совокупном влиянии множества технологических факторов эксплуатации с учетом основных технических характеристик валков предпринят активный многофакторный эксперимент /85/.
Для статистического исследования было принято два уровня фактора (Xj) "марка стали": I) заэвтектоидные стали 9ХФ и 9X2; 2) доэвтектоидная сталь 75ХМ.
Положительное влияние повышения твердости опорных валков на их износостойкость известно из работ /43,77,86,87/. Для выявления действия этого фактора (Х*>) в комплексе других нами выделено две группы твердости валков в диапазонах 30-50HS и 60-70 НS с учетом линейного характера указанной зависимости.
В эксперименте необходимо было отразить условия работы валков (фактор Хд). На стане горячей прокатки локальные перегрузки поверхности опорных валков возникают вследствие резкой нелинейности изменения тепловой выпуклости и неравномерного износа рабочих валков /76/. На стане холодной прокатки опорные валки повреждаются главным образом в результате наваров на рабочих валках /3,86,69,88,77/.
Выкрошивание на рабочей поверхности опорных валков /76/ происходит в зонах резкой неравномерности наклепа.
Можно считать, что опорные валки в клетях № 4-7 чистовой группы станов горячей прокатки не имеют локальных перегрузок, так как установлено, что в этих клетях износ профиля /89/, рабочих и опорных валков невелик. Поэтому для учета условий работы опорных валков по виду локальных перегрузок в плане эксперимента предусмотрено (для Xq) три уровня: I) перегрузок нет; 2) перегрузки типа стана горячей прокатки ; 3) перегрузки типа стана холод-
ной прокатки,
В плане эксперимента варьировали значения фактора (Х^) "длительность межперевалочной работы опорного валка" - по количеству прокатанного металла (тыс.т) - на трех уровнях и с учетом возможных флуктуации значений: I) 60-70; 2) 70-80; 3) 80-90. При этом отметим, что значения данного фактора корректировались по известной методике /5/ с учетом секундных объемов металла и диаметра валков для каждой клети исследуемых станов.
Для оценки влияния длительности межперевалочного отдыха опорных валков (фактор Х) на их долговечность установлено две группы продолжительности отдыха: более 15 суток и менее 15 суток.
На степень удаления поврежденного при эксплуатации поверхностного слоя валков оказывает сильное влияние величина среднего съема при перешлифовке /43,77,87/. Для оценки суммарного вклада линейного и квадратичного эффектов данного фактора (Xg) в функцию отклика, принято решение выделить три группы значений величины съема: I) малый съем (0,5 мм) ; 2) средний - (1-1,5 мм) ; 3) большой - около 3 мм.
В качестве функции отклика Y была принята длительность работы опорных валков до первой выкрошки, которую выражали количеством прокатанного металла (в млн.т). Этот показатель тесно закоррелирован общей стойкостью опорных валков и составляет от нее в условиях ММК 70-90 %. Кроме того, этот показатель отражает контактную выносливость материала валков в данных условиях эксплуатации.
Для сравнения длительности работы валков при разных условиях эксплуатации в клетях станов холодной и горячей прокатки использованы приведенные показатели /84/» рассчитанные по мето-
дике /5/.
Корректировка количества прокатанного металла с помощью коэффициентов приведения позволила получить обобщенные результаты по длительности работы опорных валков для разных режимов их эксплуатации. Случайный характер колебаний параметров заданного режима эксплуатации валков, приведение их работы, исходя из средневзвешенного сортамента проката, к разным клетям и станам, а также наличие в эксперименте неучитываемых возмущений накладывает свой отпечаток на величину дисперсии воспроизводимости результатов (5^ , оценка которой в этих условиях составила S» = 0,072 с числом степеней свободы j = 32. Оценка Sg вычислялась путем усреднения однородных Sig оценок дисперсий в разных ( N - 13) условиях эксплуатации валков. Однородность Si$ в условиях неодинаковых чисел наблюдений ( Hi = 2-7) проверялась по критерию Бартлета, который базируется на нормальном распределении результатов и приближенно подчиняется X -распределению с /V -I степенями свободы , при этом оказалось для уровня значимости 0,05: %= 9,9 <% (12; 0,05) = 21,0 /90, с.368/.
На основании анализа математическую модель предполагали
в виде: ^ ^^Х^'^^Ч^Х^'^М^'*
(2.1)
где Вj и %\ - коэффициенты регрессии факторов количественных XI (линейные эффекты) и качественных Xj , І = 0,1,2 (эффекты і - уровней) соответственно; Ъп - квадратичный эффект Xj фактора ; В0 - свободный член уравнения регрессии.
Модель (2.1) главных эффектов смешанного типа отвечает
г - 39 -
запросу 2 3, число "независимых" параметров которой V = 10, определяется количеством П-z , Из соответственно 2-, 3-уров-невых факторов, ^ = I + Hz + fl3 * 2.
Из желательных свойств плана предполагалось обеспечение минимальной средней дисперсии модели при минимальном количестве опытов A/^V . Следовательно, предполагался выбор Я. для заданной модели, когда минимизируется /85/ нормированная средняя дисперсия dc* ( ) регрессионной функции в области _ 51 : dcp (&*) - rnia dcp it).
Так как каталог /85, с.201-211/ общих вариантов факторных Q -оптимальных планов не содержит плана, непосредственно от-
q q
вечающего запросу 2 3, то "подходящий" план выбирался из планов, допускающих необходимые преобразования первичных факторов во вторичные с наибольшей эффективностью и содержащих при этом минимальное количество опытов.
Отвечает этим требованиям план типа 3 х 6/18 при /V=I8, допускающий возможность Q -оптимального преобразования, причем только одного столбца 6-уровневого фактора вхтри 2-уровне-вых, т.е. 6 ~ 2 при достаточно высокой эффективности преобразования f = 88,89 %.
Полученный таким образом регулярный неравномерный й -оптимальный факторный план главных эффектов и результаты эксперимента представлены в табл. 2.2. При этом, свойство неравномерности уровней одного из факторов, присущее данному варианту преобразования, было удачно использовано (в соответствие с принципом репрезентативности) при заполнении планахпо фактору Хс ("длительность отдыха"), так как в условиях производства опорных валков с продолжительностью отдыха более 15 суток оказалось
HH H I—I М НЧ НН Н-1
ГО
«ооо-ося-сл^согои
я о
h-i о
о о о
р ш К CD
S S
>с» р о а
ГО нн О
О ГО ГО М о
^с
о и о о
о о ни о
Ы О
м о
о о м о о
о о ы
ЫОк-чкнОИ!—tO
ГОГОГОМЫНОООГОГОГО
НОГООГОІНГОНОН-ІОГООГО
ш о ы
OOOOOOOOOOMWO
ОГ0ННЫОГ0Г01-ЧООГ0НЧ
О W о о о м
о о
ОЫОООООнч
^ГОСГ>Ю4^<2^|Ь.ГОСЯ«0<гОСЯ»-100СГ>00
слосяосоосясяося-<госяо1-ноооо
О О О ы О 1-і
оыооооомыоо
СЯ 00
00 со
ся ю со _
tfb ся о> со со со о
>НЛЭ4ь.ГОСЛСЛЫСЛ^С0СЯЮф<О
<0 0>С0О0>М<2Г0<0
а р
X.
.х
*
&
<>
ш X
я о
о со
I о
а э
К 2
р о*
я р
^9 со
.СО
Г - 41 -
значительно больше, чем - менее 15 суток. \
Обработка результатов эксперимента выполнена на ЭВМ ЕС 1020, получена следующая обобщенная модель главных эффектов:
м +
Y'=о,чо5+qZ56X-qz36 x/'Vqooe X^o^onxf-o^isx^-
+ 0,156^-0,1551^+0,165^- Q3X6 (2^2)
Причем в условиях данного эксперимента эффект качественного фактора Хд на уровне С = I, а также линейный и квадратичный эффекты количественного фактора X* оказались незначимыми и поэтому в окончательный вариант модели (2.2) они не включены.
Полученная модель при коэффициенте детерминации Ц =0,81
адекватно ( Socm - 0,107) отражает физическую сущность исследу-
\ емого процесса сопротивляемости разрушению опорных валков листо-
прокатных станов. Отношение F=50cm Iе - 1>5, что меньше
критического F (8 ; 32 ; 0,05) = 2,24 для уровня значимости
0,05, при котором проверялась /85, с.376/ гипотеза адекватности
модели.
Из уравнения (2.2) следует, что положительное влияние на долговечность работы валков оказывают количественные факторы Х« (твердость поверхности, НS ), а также верхний интервал варьирования Xg (величина съема при перешлифовке, мм) и следующие уровни качественных факторов Х-г (сталь марок 9ХФ и 9X2), Xq (отсутствие локальных перегрузок), Х^ (длительность межперевалочного отдыха более 15 суток). Ряд уровней качественных факторов Хх (марка стали 75ХМ), Хд (наличие сильных локальных перегрузок - при холодной прокатке) и Х (продолжительность межперевалочного отдыха менее 15 суток) влияют отрицательно на стойкость.
Наибольший интерес представляет нелинейное влияние на
\ Госуда"стггппм БИБЛИОТЕКА СССР Lим- 3- И.Лаиииа
стойкость валков фактора Xg. Как следует из уравнения (2.2), фактор Xg при съемах менее 1,84 мм оказывает отрицательное действие, а при съемах более 1,84 мм - положительное действие на стойкость. При этом величина съема 1,84 мм соизмерима с глубиной залегания слоев с максимальной величиной скалывающих напряжений, возникающих при контакте опорного и рабочего валков /43,86/. Поэтому, съемы меньше, чем указанная величина, не выводят полностью слои опасной зоны, подвергавшиеся действию пульсирующих максимальных напряжений. При последующей установке опорного валка его ослабленные слои продолжают работать и, в условиях значительных перегрузок, разрушаются. Перешлифовка же с большим, чем 1,84 мм съемом позволяет вывести полностью ослабленные слои из опасной зоны и включить в работу глубокие, еще не наклепанные слои опорного валка - это является важным резервом повышения работоспособности опорных валков. Причем, экстремальный уровень этого фактора, определяемый из условия
2X-=Q3Z6X6-43=0 (2.3)
и соответствующий съему Xg = 0,92 мм отвечает, исходя из условия
>0 , минимальной стойкости опорного валка при прочих равных условиях. Вероятно, при такой глубине съема (Xg ~ I мм) поврежденный поверхностный слой валка будет находиться максимальное время в зоне действия максимальных скалывающих напряжений.
Из уравнения (2.2) также следует, что долговечность валков из стали 9ХФ и 9X2 при прочих равных условиях несколько выше, чем для стали 75ХМ и объясняется это большей наклепывае-мостью стали с пониженным содержанием углерода. Снижение содержания карбидов, выполняющих роль дисперсной упрочняющей фазы,
а также наличие менее прочной свободной ферритной фазы приводит к наклепываемости, что уменьшает срок службы опорных валков /52,84/. Действительно, сопоставляя стойкость опорных валков, работающих в одинаковых условиях, например, на стане горячей прокатки 2500 за I98I-I932 гг., мы видим, что для валков, имеющих твердость 35-40 И5 из марок стали 9ХФ, 75ХМ и 60ХН средняя стойкость составила соответственно 3,3; 1,8-2 и 1,1 млн.т на валок.
Повысить уровень стойкости опорных валков из стали 75ХМ и других марок с пониженным содержанием углерода можно за счет повышения их твердости или продолжительности межперевалочного отдыха более 15 суток, но главным образом, как следует из зави-симостей (2.2) и (2.3) за счет выбора величины Xg > 2 мм съема при перешлифовке валка.
На станах горячей прокатки ММК в условиях принятых по технологии подготовки валков одинаковых съемов порядка 2 мм стойкость опорных валков из стали 75ХМ составила 0,4-0,6 от стойкости валков из стали 9ХФ и 9X2 при одинаковой их твердости порядка 60 HS , а применение в этих же условиях (на стане 1450 горячей прокатки) валков хотя и с пониженной твердостью (около 40 HS ), но с более высоким содержанием углерода, - из стали I50XHM - призвело к двухкратному увеличению стойкости по сравнению с валками из стали 9ХФ и 9X2. Причем, увеличение съемов на валках из стали 75ХМ с 2 до 3 мм привело лишь к выравниванию показателя их стойкости с валками из стали 9ХФ в сопоставимых условиях эксплуатации.
Следовательно, повышение содержания углерода в валковой стали в условиях наклепываемости поверхностных слоев при качении без существенных локальных перегрузок, как показывает опыт ММК,
f - 44 - ^
способствует повышению работоспособности опорных валков.
На станах холодной прокатки опорные валкихкроме своей основной функции выполняют роль демпфера ударов в условиях локальных перегрузок при наварах на рабочих валках, когда более существенным оказывается повышенная пластичность стали с пониженным содержанием углерода. Так, на стане 2500 холодной прокатки в условиях применения повышенных съемов (до 3 мм) стойкость валков из стали 75ХМ в 1,5-2 раза выше, чем из стали 9ХФ. Однако при более сильных локальных перегрузках, действующих, например, на стане 1200 в отличие от стана 2500, указанные преимущества валков из стали 75ХМ практически теряются: показатели стойкости для валков из сталей 75ХМ и 9ХФ в среднем одинаковы и в разные периоды за 1976-1982 гг. для валков из стали 75ХМ стойкость составляла как выше (1,1-1,3), так и ниже (0,8-0^9) от уровня стойкости валков из стали 9X2 и 9Х. .
В условиях частых локальных перегрузок (на стане 1200 холодной прокатки ММК) возрастает вероятность выкрошивания на по-верхности опорных валков при изменении направления их вращения, когда при перевалке меняют местами верхний и нижний опорные валки /86,91/. Максимальная вероятность разрушения обнаружена при изменении направления вращения валка через каждые 2-3 установки.
Таким образом, в условиях ММК только небольшая часть валков (на стане 2500 холодной прокатки) работает в режимах, благоприятных для использования валковой стали 75ХМ, повышение стойкости которых достигается с увеличением съема при перешлифовках до 3 мм и более. Значительная же часть опорных валков станов ММК работает в режимах, благоприятных для использования валковой стали с повышенным содержанием углерода. \
- 45 - \
Естественно, что наличие локальных перегрузок отрицательно влияет на стойкость валков. При прочих равных условиях вклад уровня фактора Хд в общее изменение стойкости по сравнению с уровнем Хо (отсутствие перегрузок) более чем в 2 раза мень-ше, чем уровня Хд (перегрузки при наварах на рабочих валках стана холодной прокатки): стойкость валка в приведенных единицах снижается по сравнению со случаем отсутствия перегрузок на 0,204- при перегрузках из-за изменения профиля валков, и на 0,419 - при перегрузках из-за наваров.
2.4. Выводы по главе
Корреляционно-регрессионный и дисперсионный анализ, а также построенная статистическая факторная модель главных эффектов позволили выявить влияние эксплуатационных факторов на стойкость валков станов кварто. Комплексный анализ влияния большого числа факторов подтвердил, что наибольшее отрицательное влияние на стойкость валков (как опорных, так и рабочих) оказывают локальные перегрузки, вызванные прохождением складок полосы через валковую систему стана кварто.
Повреждения наварами, когда при перешлифовке необходимо снимать по диаметру валка слой более I мм,очень резко снижают стойкость рабочих валков, причем повреждения закаленного слоя не могут быть исправлены перезакалкой.
Положительное влияние на стойкость рабочих валков оказывает начальная работа валков в дрессировочной клети, нормированная длительность межперевалочного отдыха валков (особенно поврежденных мелкими дефектами) более 4 суток и полное удаление последствий повреждений, вызванных локальными перегрузками.
Положительное влияние на долговечность опорных валков
/
оказывают повышение твердости поверхности до 60-70 HS , примене
ние стали с содержанием углерода 0,9 %, отсутствие локальных
перегрузок, длительность межперевалочного отдыха более 15 суток.
Большой интерес представляет нелинейное положительное влияние
на стойкость валков величины съемов при перешлифовке. Установ
лено, что при съемах более 1,84 мм (в условиях станов 1450,
2500) этот фактор повышает стойкость валков относительно среднего
уровня, а при съемах менее 1,84 мм - действует отрицательно. При
чем наиболее неблагоприятными (максимальный отрицательный эф
фект) оказались съемы 0,92 мм. N
5. Разрушение поверхностных слоев опорных валков происходит в зоне максимальной неоднородности наклепа. Причем отрицательное влияние локальных перегрузок межвалкового контакта при прохождении навара значительно больше, чем при изменении профиля валков в результате износа и неравномерного разогрева.
3. ЭНЕРГО-СИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОХОЖДЕНИЯ СКЛАДОК
ПРОКАТЫВАЕМОГО ЛИСТА ЧЕРЕЗ ВАЛКОВУЮ СИСТЕМУ
СТАНА КВАРТО \
3.1. Этапы прохождения складок через валковую систему
В большинстве случаев складки образуются на заднем конце прокатываемой полосы под некоторым углом к оси прокатки (в пределах 0 4-60). Для удобства анализа принимаем, что складка имеет продольное расположение относительно полосы (рис. 3.1). Складка распушена.
За счет нагружения складки при входе в зев валков возникает зона внеконтактной деформации складки (этап 0).
На следующем этапе происходит компактирование складки, т.е. слои складки сходятся, складка становится компактной (этап I). Скорость скольжения металла по валку равна скорости отставания и постоянна для всего этапа I.
На третьем этапе прокатывается компактная складка, при этом в очаге деформации отметим зоны отставания (2Хи опережения (3). На рис.3.I обозначено нейтральное сечение Н, где толщина полосы равна h н .
Скольжение металла по валку в зонах 2 и 3 определяется текущим значением опережения и отставания.
В случае привара прокатываемой складки к валкам она попадает в межвалковый контакт, вызывая локальные перегрузки и, зачастую, пластическое деформирование поверхностных слоев валков /3,5,77/.
В связи со сложностью явлений, сопровождающих прохождение складки, проанализируем этот процесс поэтапно, выделив для рассмотрения следующие моменты:
К описанию процесса прохождения складки полосы через очаг деформации (пояснение в тексте)
Рис. 3.1
Этапы компактирования складки
Рис. 3.2
\
- компактирование складки ;
\
прокатка компактной складки ;
прохождение приварившейся складки через межвалковый контакт.
Как показало исследование структурных превращений и твердости материала валка, под наваром происходит значительный разогрев поверхностных слоев. Поэтому при рассмотрении деформации складки в очаге деформации исследуем и тепловыделение в нем.
Прохождение складок полосы через очаг деформации сопровождается кратковременным возрастанием контактных нагрузок, т.е. валки испытывают ударное нагружение. Однако ударное нагружение испытывают поверхностные слои валков и при нормальном ходе процесса прокатки, поскольку время прохождения контакта с очагом деформации каждой точкой поверхностных слоев валка измеряется тысячными долями секунды. При этом многие исследователи /2,4,42, 51,92,95-97/ изучали силовые условия в очаге деформации и валках без учета временного фактора. В нашей работе, следуя имеющимся методикам, мы для оценки силовых условий при прокатке складок также не учитывали временный фактор.
3.2. Компактирование складки
Процесс компактирования складки можно разбить на две стадии. На первой стадии нагружение складки происходит по схеме, помещенной на рис. 3.2,а. Здесь же указана эпюра изгибающих моментов, действующих в поперечных сечениях изгибаемого листа. Распределенные нагрузки заменены равнодействующей Р . Максимальный изгибающий момент равен Pt и приложен в сечении 1-І.
Вторая стадия нагружения складки наступает, когда деформируемые сгибы листа упираются в деформирующие поверхности (рис.
3.2,6). Максимальный изгибающий момент приложен в сечении П-П и равен Pj1c .
Изгибающий момент при пластическом изгибе полосы может быть найден на основании теории чистого пластического изгиба широкой полосы /92/.
Ширина складки значительно превышает толщину полосы, в складке имеются жесткие зоны, не подвергающиеся пластической деформации и на поверхности контакта с валками действуют силы трения-все это в значительной степени стесняет деформацию в направлении образующих складки, и можно принять, что размеры элементов складки в направлении образующих остаются неизменными, т.е. деформацию можно приближенно считать плоской. Тогда дифференциальные условия равновесия примут вид
а&г^ Єе-бг (о т\
сСъ ' г ' Uj-lj
Обозначим радиус наружной поверхности изогнутой части складки Ъ= , а внутренней поверхности - г=а.
Условие пластичности для плоского деформированного состояния в растянутых наружных слоях полосы при Хс ^ % ^ 6
Є0-бг=І, х (3.2)
а в сжатых внутренних слоях при 042$ Ъс \
Єв-6г=-І. (3.3)
