CC BY
828--------------------------------------- Листопрокатное производство
О.В. Синицкий, П.П. Полецков
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
ЭЛЕМЕНТЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ И ФОРМЫ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА
В статье рассмотрены элементы современных технических и технологических систем, предназначенных для обеспечения заданных требований по поперечной разнотолщинности и плоскостности листового проката. Рассмотрены вопросы обеспечения стабильности процесса прокатки в результате реализации фактора самоцентрирования, представлены устройства контактного и бесконтактного определения формы полосы, а также системы оперативного воздействия на форму межвалкового зазора.
Ключевые слова: листовая прокатка, поперечная разнотолщинность, плоскостность, измерение плоскостности, станочное профилирование, регулирование межвалкового зазора.
Основные характеристики геометрии и формы листового проката
и особенности их выполнения
Листовой прокат из черных и цветных металлов на протяжении многих веков пользуется большим спросом и находит применение во многих областях промышленности, таких как автомобилестроение, машиностроение, приборостроение, производство бытовой техники и др. Подобная популярность обусловлена его универсальностью, что позволяет применять листовой прокат даже при производстве гнутых профилей, замещающих ряд традиционных сортовых. Благодаря этому в общем товарном выпуске прокат черных и цветных металлов в листах и рулонах занимает устойчивое доминирующее положение.
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
72
------------------------------------------ Листопрокатное производство
Как и механические свойства и качество поверхности геометрия и форма также являются основными характеристиками листового проката. Геометрию профиля характеризуют номинальные размеры по длине, ширине и толщине, а также косина реза. К показателям формы относят плоскостность или планшет-ность - свойство листового проката соприкасаться всеми точками поверхности с идеальной плоскостью. Также к показателям формы относят серповидность проката, характеризующую отклонение боковой кромки профиля от прямолинейности (рис. 1).
а б в г д
Рис. 1. Основные дефекты формы листового проката: а - односторонняя волнистость; б - двусторонняя волнистость; в - коробова-тость; г - местная неплоскостность (коробоватость); д - серповидность
На практике наряду с дефектами геометрии часто имеют дело с отклонением от плоскостности, характеризующимся дефектами формы в виде различных волн и складок. При этом нарушения могут проявляться по-разному:
- в виде продольных волн по всей ширине полосы и листов, формирующих складку (гофру);
- в виде поперечных волн, формирующих желоб;
- в виде одновременного искажения профиля в продольном и поперечном направлениях.
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
73
------------------------------------------- Листопрокатное производство
Последняя группа дефектов встречается наиболее часто и проявляется в виде односторонней или двусторонней волнистости (рис. 1), волнистости по центру полосы (коробоватости), а также волнистости на локальном участке по ширине (местной неплоскостности или коробоватости). Завышенные значения вытяжки по одной из сторон также могут привести к формированию серповид-ности (саблевидности) проката.
В ГОСТах 19903 и 19904 приведены допустимые значения несоответствия геометрии и формы для горяче- и холоднокатаного листового проката соответственно [1, 2]. При этом требования к геометрии профилей приведены в соответствии с группой точности, а требования по форме установлены по 4-м группам плоскостности: особо высокой, высокой, улучшенной и нормальной.
Основным характеризующим признаком плоскостности по ГОСТ 26877 является максимальный показатель амплитуды волнистости в пределах базовой длины в 1 м. При этом для оценки отклонений применяют несколько способов: с помощью линейки, штангенглубиномера, щупа, струны и
др. [3].
Появление дефектов плоскостности на листовом прокате, как правило, связано с неравномерным распределением вытяжек по ширине очага деформации при прокатке, но также может быть вызвано действием термических напряжений при нагреве/остывании листов, несимметричных внешних воздействий при переработке (резке, гибке, правке), а также травмированием листов и полос в процессе транспортировки.
Принимая во внимание повсеместное распространение автоматизированных линий по переработке металла, а также повышенные требования к точности штампованных, гнутых, профилированных и др. изделий, к листовому прокату в последние годы предъявляются все более жесткие требования по качеству геометрии и формы, которые могут превышать соответствующие требования ГОСТ.
Для обеспечения указанных требований сложился подход, заключающийся в контроле поперечной разнотолщинности на стадии горячей прокатки и
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
74
----------------------------------------- Листопрокатное производство
требуемой плоскостности преимущественно уже при холодной. Это связано с тем, что на первых стадиях горячей прокатки при обжатии сравнительно высоких полос в результате поперечного течения металла в очаге деформации изменение формы поперечного сечения проката не приводит к потере плоскостности. В свою очередь, при тонколистовой прокатке схема напряженного состояния наиболее близка к плоской, когда полностью отсутствует уширение металла и его течение в поперечном направлении также затруднено. В этом случае весь объем металла, смещаемый по высоте, уходит в вытяжку, формируя участки с неравномерным удлинением.
При тонколистовой прокатке в случае равномерного обжатия полосы по ширине происходит равномерное удлинение с наследованием формы подката. Если на подкате имелись какие-либо дефекты формы, то они будут унаследованы готовым прокатом. Если дефекты отсутствуют, то будет сформирован идеально плоский профиль. Однако для коррекции формы подката часто используют перераспределение обжатий по ширине, позволяющее за счет изменения вытяжек улучшить плоскостность.
Таким образом, высокую плоскостность проката можно обеспечить равенством вытяжек по ширине профиля благодаря плавному сочетанию контуров входного и выходного сечений. Однако простая, на первый взгляд, задача усложняется наличием технологической положительной поперечной разнотол-щинности, составляющей 1-2% от номинальной толщины [4]. Подобное поперечное сечение имеет форму чечевицы, что позволяет облегчить задачу центрирования полосы по оси прокатной клети.
Благодаря положительной разнотолщинности в очаге деформации появляются поперечные силы, способствующие самоцентрированию полосы. Подробно механизм изложен на рис. 2.
Как видно из рисунка, при прокатке двояковыпуклого профиля со стороны валков на полосу действуют нормальные силы давления. Эти силы раскладываются на вертикальную и горизонтальную составляющие. В случае полной симметрии очага деформации сумма вертикальных и горизонтальных состав-
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
75
------------------------------------------- Листопрокатное производство
ляющих сил равна нулю. В этом случае полоса находится в состоянии устойчивого равновесия.
При горизонтальном смещении полосы на величину &Х силы, действующие на полосу в левой и правой части относительно вертикальной оси клети, будут отличаться. Так, при смещении полосы вправо в левой части профиля появятся горизонтальные силы, стремящиеся переместить профиль дальше от точки равновесия. В правой части, наоборот, появятся силы, стремящиеся вернуть профиль обратно на линию устойчивого равновесия. Эти горизонтальные силы будут противоположно направлены и не равны по модулю. В результате их взаимодействия будет сформирован вектор результирующей силы, стремящейся вернуть полосу обратно, при этом он будет тем больше, чем будет больше смещение полосы относительно вертикальной оси. При этом вертикальные составляющие сил давления также будут взаимно уравновешиваться.
В случае прокатки плоской полосы и полной симметрии также выполняется условие равновесия (рис. 3). Однако данное равновесие является неустойчивым и при смещении полосы относительно оси прокатки либо клиновидно-сти профиля возникает горизонтальная результирующая сила, стремящаяся вытолкнуть полосу из валков в направлении смещения (утолщенного конца).
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
76
Листопрокатное производство
Аналогичная картина наблюдается при прокатке вогнутого профиля с той разницей, что горизонтальные составляющие сил направлены в противоположные стороны от оси прокатки (рис. 4).
В случае полной симметрии очага деформации также выполняется условие равновесия. Однако при смещении полосы формируется вектор результирующей силы, стремящейся выдавить полосу из валков. Это обстоятельство усугубляется тем, что в центральной части полосы формируются растягивающие напряжения, отрицательно сказывающиеся на технологической пластичности металла, что может стать причиной появления разрывов, трещин, дыр, порезов и пр.
Рис. 4. Схема действия сил при прокатке вогнутого профиля
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
77
----------------------------------------- Листопрокатное производство
Явление самоцентрирования наиболее актуально на непрерывных станах горячей прокатки, где захват переднего конца полосы и его продвижение по стану осуществляется на больших скоростях и без натяжения.
На толстолистовых станах благодаря мощным направляющим линейкам и высокой жесткости листов в поперечном направлении, достаточной для передачи центрирующего усилия всему листу без образования задиров и заворота кромок, самоцентрирование листов не является столь актуальным.
На непрерывных и реверсивных станах холодной прокатки задачу и выпуск полосы осуществляют с малыми скоростями, при этом сам процесс прокатки осуществляется под натяжением, способствующим центрированию полосы. Улучшению центрирования полосы по оси стана также способствует осевое смещение барабанов разматывателей и моталок, перекос позиционирующих роликов и др.
Однако прокатку листов и полос в большинстве случаев стремятся осуществлять с одинаковым обжатием по ширине, чтобы выполнялось условие плоскостности:
C jC
где H0 и Нх
К jK
HK и h
SH 0 и Shx
H
с
с
0
H
K
K
0
SH 0
или----
Shl
(1)
толщина полосы (листа) в центральной части на входе и выходе из очага деформации;
толщина полосы (листа) по кромкам на входе и выходе из очага деформации;
поперечная разнотолщинность подката и готового проката;
/1% - суммарная вытяжка по проходам..
Если условие (1) не соблюдается и поперечная разнотолщинность готового проката больше требуемой по условию плоскостности, то наблюдается дефект «волнистость», иначе - «коробоватость».
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
78
Листопрокатное производство
Способы измерения плоскостности
Для оценки плоскостности полос и листов в процессе прокатки применяют контактные и бесконтактные, а также прямые и косвенные методы. Контактные методы являются наиболее чувствительными, однако подходят только для процессов холодной прокатки. Недостатком этих методов является повышенная вероятность травмирования поверхности листов. Бесконтактные способы подходят для процессов и горячей, и холодной прокатки. Однако они, как правило, обладают меньшей точностью.
К бесконтактным способам можно отнести [5]:
- пневматические датчики;
- струйные датчики измерения электрического сопротивления водяной струи;
- оптические датчики и ТВ камеры, в т.ч. реализующие муаровый эффект;
- датчики, измеряющие частоту колебаний неплоских участков;
- радиолокационные и магнитоанизотропные датчики.
К контактным способам можно отнести:
- рычажные датчики для измерения амплитуды высоты дефектов плоскостности;
- секционированные ролики, измеряющие распределение усилия прижатия полосы по ширине, с магнитоупругими, индукционными, тензометрическими и пневматическими датчиками.
Одним из бесконтактных является способ, основанный на применении пневматических датчиков конструкции НИИТЯЖМАШ ОАО «Уралмашзавод» (рис. 5). Особенностью конструкции датчика является использование измерительного сопла, соединенного с входным и демпфирующим дросселем, а также камерой исполнительного механизма.
В процессе измерения формы профиля следящая система контролирует постоянство измерительного зазора между соплом и поверхностью листа. Лю-
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
79
------------------------------------------ Листопрокатное производство
бое изменение положения измерительного сопла передается через звенья цепи измерительному стержню, в котором происходит считывание показаний пло-
скостности.
Рис. 5. Схема одноконтурного пневматического датчика
Данная система обладает сравнительно малым быстродействием, а также невысокой точностью измерений и высокой инерционностью в работе.
Одним из прогрессивных бесконтактных методов определения плоскостности является метод измерения ширины распределения световой проекции на поверхности листового материала в виде концентрических колец, расположенных одно внутри другого. Данные кольца получают от не менее двух источников света, смещенных относительно друг друга в вертикальном направлении. При этом плоскостность определяют как разность высот единичных участков листового материала [6].
Измерение осуществляется следующим образом (рис. 6): свет от источника света 1, расположенного на расстоянии L0 от источника света 2, падает на поверхность 3, формируя световую проекцию в виде кольца и распределяя ее при этом i-м направлении шириной X0i (рис. 7). Под шириной проекции X0i понимается расстояние от центра световой проекции до границы световой проекции в i-м направлении, полученной от источника 1. Свет от источника 2, расположенного на расстоянии L1 от эталонной плоскости 4, падает на поверхность 3, формируя световую проекцию в виде кольца и распределяя ее при этом в i-м направлении шириной X1i внутри световой проекции X0i. Под шириной проекции Хи понимается расстояние от центра световой проекции до ее границы в i-м направлении, полученной от источника 2. Отношение ширин световых проекций X0i и X1i показывает изменение высоты Н единичного участка листового
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
80
Листопрокатное производство
материала измеряемой поверхности 3 относительно эталонной плоскости 4. Разница полученных высот Н для каждого единичного участка листового материала формирует планшетность участка листового материала 5.
определения плоскостности листового мате- поверхности непланшетного уча-
риала стка листового материала
Данный способ позволяет получить абсолютные координаты измеряемой поверхности листового материала. Однако при использовании некогерентного источника излучения вследствие неравномерности спектра излучения снижается точность измерения. Также негативное воздействие на точность оказывают вибрации материала.
Одним из эффективных способов определения плоскостности полос, находящихся под натяжением, является использование электронно-оптических измерителей [7].
Общая схема измерителя ИП-4 приведена на рис. 8.
Прибор включает осветитель и ТВ камеру, установленные по обеим сторонам рольганга. Осветитель формирует на проходящей через зону измерения полосе поперечный блик, воспринимаемый ТВ камерой. Камера передает изображение в специальный блок аналогового процессора, где из него извлекаются
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
81
Листопрокатное производство
формообразующие признаки, которые далее в компьютере пересчитываются в относительные удлинения по отдельным стрипам. Стрип - это лентообразный участок полосы в направлении движения, выделяемый оптической системой камеры. Вся ширина полосы разбита растром камеры на множество прилегающих друг к другу стрипов. Количество стрипов может достигать 250. Таким образом, зная длины стрипов можно получать информацию о поперечном распределении относительных удлинений.
Рис. 8. Схема прибора ИП-4
Распределение относительных удлинений при отсутствии натяжения отражает неравномерность расхода металла в растворе валков. В присутствии натяжения устройство пересчитывает относительные удлинения в неравномерность расхода металла в растворе валков.
Таким образом, прибор может одновременно использоваться в трех аспектах:
- в качестве датчика плоскостности для системы автоматического или ручного регулирования;
- в качестве прибора, поставляющего информацию для определения последующего использования прокатанного металла;
- в качестве диагностического инструмента, а также для тонкой настройки технологических режимов прокатки.
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
82
------------------------------------------ Листопрокатное производство
Получаемая прибором информация о плоскостности может быть визуализирована в виде растущей аксонометрии, что позволяет упростить восприятие информации оператором (рис. 9).
На рисунке совокупность стрипов выстраивается в аксонометрической проекции, формируя некоторую условную поверхность. Растущая аксонометрия дает представление о предыстории процесса и позволяет зрительно обнаруживать тенденции изменения плоскостности.
Рис. 9. Пример визуализации плоскостности
Рис. 10. Устройство муарового датчика:
1 - источник света; 2 - поверхность полосы; 3 - линейчатый растр; 4 - наблюдатель
Разновидность оптических датчиков - датчики, реализующие явление муар [8]. В основе работы устройства (рис. 10) лежит формирование линейчатого растра на поверхности полосы с помощью проекционного блока. При наличии дефектов на поверхности происходит искажение полученного растра, которое с помощью фотоим-
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
83
------------------------------------------- Листопрокатное производство
пульсного блока сканируется в направлении перпендикулярном оси прокатки. В результате наложения искаженного и неискаженного растров проявляется муаровый эффект в виде темных и светлых дуг и полос. Таким образом, по смещению картины муар можно определить дефекты плоскостности, их расположение, площадь и высоту.
Основным преимуществом данного способа является возможность контроля плоскостности по всей ширине горячекатаных полос, универсальность, простота настройки и удобство обслуживания, а также надежность при экс-
Также существует способ определения плоскостности, основанный на измерении электрического сопротивления водяной струи [9]. В представленном устройстве (рис. 11) при выходе полосы 2 из прокатной клети 1 происходит изменение длины струи воды 3, подаваемой на полосу через сопло 4. Для подачи воды служат трубопроводы 5 и 7, жидкостный резистор 6, стабилизатор 8 и фильтр 9. При этом прокатная клеть, полоса и струя воды замыкаются в токопроводящий контур через трубопровод 10 и прибор для измерения электрического сопротивления 11. Фиксируя изменение электрического сопротивления в контуре можно определить длину струи и отклонение формы листового проката. При этом для измерения плоскостности используется ряд сопел поперек полосы. Однако данные устройства являются крайне ненадежными и обладают низкой точностью.
Одним из наиболее совершенных способов бесконтактного определения плоскостности тонколистового проката, особенно находящегося под натяжени-
плуатации в неблагоприятных условиях.
Рис. 11. Конструкция струйного датчика сопротивления
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
84
------------------------------------------ Листопрокатное производство
ем, является способ, основанный на использовании магнитоупругого эффекта, заключающегося в изменении магнитных свойств ферромагнетиков под влиянием действующих на них механических напряжений [5].
Первое предложение по применению датчиков, принцип работы которых основан на использовании магнитоупругого эффекта, для бесконтактного измерения натяжения полосы при холодной прокатке было сделано А.Б. Челюстки-ным. В предлагаемом приборе два П-образных намагничивающих сердечника, изготовленных из листовой трансформаторной стали, устанавливают один против другого с некоторым зазором с двух сторон прокатываемого листа. Катушки электромагнитов соединены последовательно таким образом, что магнитные потоки замыкаются через полосу. Величина магнитного потока, проходящего через металл, зависит от его магнитной проницаемости и, следовательно, от натяжения полосы. Колебания полосы неизменной толщины в зазоре между полюсами магнитов не влияют на результаты измерения натяжения, так как уменьшение зазора у одного датчика означает увеличение зазора у другого.
Компенсация измерения толщины полосы и её температуры достигается установкой дополнительных электромагнитов, расположенных перпендикулярно основным. Катушки основных и дополнительных электромагнитов включены в мостовую схему. Напряжение в диагонали моста равно нулю при отсутствии натяжения полосы. При приложении к полосе натяжения баланс моста нарушается в результате возросшей анизотропии магнитных свойств металла. При колебаниях толщины и температуры полосы мост остается сбалансированным ввиду того, что факторы одинаково влияют на обе пары электромагнитов.
Таким образом, величина дисбаланса моста пропорциональна только величине натяжения, приложенного к полосе, распределение которого по ширине полосы зависит также от плоскостности проката.
Недостатком данной схемы является сложность установки датчиков с двух сторон прокатываемой полосы, а также малые зазоры между сердечниками магнитов и полосой, что затрудняет эксплуатацию и механическую защиту сердечников при заправке и обрыве полос.
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
85
----------------------------------------- Листопрокатное производство
В настоящее время наибольшее распространение получил контактный способ измерения плоскостности с использованием секционных роликов.
Подобная система установлена на пятиклетевом стане холодной прокатки 2000 ОАО «ММК». Комбинированные ролики смонтированы после клетей №1 и 5, в которых измерительный ролик совмещен с роликом планшетности типа BFI 2 [10].
Комбинированный ролик измеряет неравномерность натяжения по всей ширине полосы путем дифференцированного измерения усилия прижатия поверхности полосы к ролику (рис. 12). Для этого ролик разделен на сегменты. Каждый сегмент снабжен пьезоэлектрическим датчиком, измеряющим давление на ролик при его огибании полосой. На каждом сегменте установлено по одному датчику.
Рис. 12. Комбинированный ролик типа BFI 2 для измерения планшетности
Измеренные усилия по каналам связи передаются в систему автоматизированного регулирования профиля (САРП). К каждому каналу передачи данных подключается несколько датчиков. Обычно для передачи сигналов с датчиков используется от 12 до 24 каналов. Каналы являются мультиплексными с аналого-цифровыми преобразователями с кодово-импульсной модуляцией
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
86
Листопрокатное производство
(рис. 13). Сигналы по каналам передаются бесконтактным оптическим передатчиком от вращающейся к неподвижной части. В дополнение имеется датчик углового положения для инициирования нового измерения для каждого градуса вращения.
Рис. 13. Схема преобразования сигнала на ролике
От измерительного ролика САРП получает фактические значения распределения натяжения полосы по зонам, измеренные в режиме реального времени. В дальнейшем САРП работает с отклонениями измеренных величин от среднего удельного натяжения. Для этого заданная кривая распределения натяжений сравнивается с кривой фактического распределения. Результатом сравнения является кривая ошибки (отклонения плоскостности от задания), которая в дальнейшем может быть использована для выработки управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
Системы воздействия на форму межвалкового зазора
Для воздействия на форму межвалкового зазора и распределение обжатий по ширине полосы используют [11]:
- станочные профили рабочих, опорных и промежуточных валков;
- системы принудительного изгиба валков;
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
87
---------------------------------------- Листопрокатное производство
- системы, осуществляющие тепловое воздействие на рабочий инструмент и обрабатываемый материал;
- скрещивание и перекос валков;
- системы осевого перемещения валков;
- валки с изменяемым профилем бочки;
- асимметричный очаг деформации и др.
Наиболее значимым из перечисленных способов является станочное профилирование валков [12]. Способ регулирования позволяет компенсировать износ валков, стабилизировать процесс прокатки, компенсировать местное сплющивание валков, а также упругий прогиб валковых систем. Следует отметить, что данный вид регулирования не позволяет оперативно реагировать на изменяющиеся условия прокатки. При этом может быть использовано большое разнообразие самих вариантов профилирования (рис. 14).
Рис. 14. Варианты профилировок валков
(слева толстолистовые станы, справа полосовые)
При горячей прокатке профили опорных валков, как правило, выполняются выпуклыми, а профили рабочих - вогнутыми. При холодной прокатке
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
88
---------------------------------------- Листопрокатное производство
опорные валки шлифуют на цилиндр с краевыми скосами или выпуклыми, рабочие - цилиндрическими либо выпуклыми.
Системы принудительного изгиба валков являются наиболее оперативным способом регулирования, основанным на упругой податливости тел действию изгибающего момента и поперечных сил. Изгиб рабочих и опорных валков может осуществляться как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях с использованием гидравлических цилиндров, клиньев или стяжных винтов (рис. 15, 16).
Рис. 15. Системы принудительного изгиба валков (слева направо: противоизгиб рабочих валков, дополнительный изгиб рабочих валков,
противоизгиб опорных валков)
Тепловое регулирование основано на способности тел изменять свои геометрические размеры и объем при изменении температуры. Данный вид регулирования может быть как внешним, так и внутренним и осуществляться по отношению к рабочему инструменту или обрабатываемому материалу. Представленный вид регулирования является инерционным и применяется для чистовой настройки стана. Преимущество данного метода - в возможности воздействовать на асимметричные дефекты плоскостности.
Скрещивание валков основано на изменении расстояния между рабочими валками при изменении угла разворота валков относительно друг друга. Выделяют раздельное, попарное и рассогласованное скрещивание валков (рис. 17).
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
89
Листопрокатное производство
Преимуществом данного метода является возможность использования цилиндрических валков без их профилирования.
Рис. 16. Система принудительного изгиба рабочего валка в горизонтальной плоскости
Рис. 17. Варианты валковых систем со скрещивающимися валками
Осевое перемещение валков как вид регулирования может применяться для «рассеивания» износа по длине бочки рабочих валков и реализации «неупорядоченной» прокатки, устранения явления утонения кромок, контроля и регулирования формы поперечного сечения полос, а также в системах CVC и CVCPLUS (рис. 18).
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
90
Листопрокатное производство
Особенности систем с S-образными валками:
- верхний и нижний рабочие валки клетей CVC имеют идентичную S-образную профилировку (разность диаметра по длине бочки одного валка 0,20,4 мм) и развернуты друг относительно друга на 180°;
- опорные валки системы кварто-CVC имеют цилиндрическую профилировку с краевыми скосами, что приводит к значительной неравномерности распределения давлений по длине контакта рабочего и опорного валков и, как следствие, к пониженной стойкости опорных валков в местах контакта с выпуклыми участками рабочих;
- в современных системах CVCPLUS опорные валки также имеют S-образную профилировку, что значительно повышает равномерность межвалкового давления и увеличивает стойкость опорных валков;
- в исходном положении зазор по длине бочки одинаков (рис. 19);
- если при осевом смещении происходит сближение выпуклых участков валка, обжатие полосы в средней части становится больше, чем по краям;
- если осевое смещение рабочих валков происходит таким образом, что выпуклые участки бочек удаляются друг от друга, обжатие в средней части полосы уменьшается, а по краям увеличивается;
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
91
Листопрокатное производство
- так как величина смещения в доступном диапазоне регулирования (около ± 100 мм) задается плавно, становится возможным обеспечить достаточно высокое соответствие формы межвалкового зазора профилю входящей полосы и тем самым, минимизируя неравномерность распределения вытяжек по ширине, добиться высокой плоскостности прокатанного металла.
Рис. 19. Особенности осевой сдвижки S-образных валков
Применение валков с изменяемым профилем бочки основано на изменении активной образующей бочки валка под действием внутренней нагрузки. Может осуществляться механическим, гидравлическим или гидромеханическим путем. Валки бывают как цельного исполнения, так и составными с неподвижной осью (рис. 20).
Рис. 20. Валки с переменным профилем бочки:
1 - ось валка; 2 - бандаж; 3 - кольцевая полость
Как подвид можно выделить применение валков с гидростатическими опорными элементами, отличительным признаком которых является передача
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
92
------------------------------------------ Листопрокатное производство
усилия прокатки не через шейки валков, а непосредственно через их бочку. Данный способ реализации опорного элемента позволяет значительно снизить прогиб валковых систем (рис. 21).
Рис. 21. Валки с сегментированными опорными элементами:
1 - опорная траверса (ось); 2 - рабочий валок или бандаж; 3 - опорные элементы (гидравлические кольцевые каналы); 4 - поверхность контакта траверсы с валком; 5 - подвод гидравлический жидкости
Реализация асимметричного очага деформации является относительно новым направлением развития процессов обработки металлов давлением. Установлено, что несимметричные очаги деформации позволяют снизить усилие прокатки, момент прокатки, уширение, прогиб валковых систем, повысить точность геометрических размеров. Для регулирования профиля полос наиболее часто применяют рассогласование окружных скоростей валков, сдвижку валков в направлении прокатки, изменение угла входа и выхода полосы из очага деформации. Указанные способы позволяют повысить эффективность обычных средств контроля поперечного профиля полос, снизить поперечную разнотол-щинность или непосредственно стабилизировать плоскостность листового проката.
В настоящее время представленные способы воздействия на форму поперечного сечения и плоскостность листового проката развиваются по направлениям расширения возможных диапазонов регулирования, увеличения скорости срабатывания систем и их точности, интеграции группы способов в автоматизированном комплексе.
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
93
Листопрокатное производство
Пути совершенствования профилировок вертикально симметричных валковых систем
Поперечная разнотолщинность и плоскостность являются одними из основных показателей качества листового проката. В процессе производства на данные показатели можно воздействовать через изменение формы межвалкового зазора как применением средств оперативного воздействия (противоизгиб рабочих валков, многозонное охлаждение и др.), так и определенной станочной профилировки.
Повышение эффективности работы валковых систем может осуществляться путем изменения градиента межвалкового давления при увеличении выпуклости бочки опорных валков. Такой подход позволяет улучшить самоустановку валковой системы для условий производства конкретных полос, повысить эффективность работы систем принудительного изгиба рабочих валков и уменьшить риск образования сколов на краю бочек валков за счет смещения максимумов погонного давления в центральную часть бочек [13].
Однако такой подход чреват увеличением наклепа центральной части поверхности валков, что повышает вероятность образования выкрошек, отслоений, а также увеличивает неравномерность износа валков и снижает их эксплуатационную стойкость. Возможным улучшением в данной ситуации является оптимизация формы образующей бочек валков при установленной величине их выпуклости или вогнутости.
Традиционно для описания образующей бочки валков станов листовой прокатки используют квадратичную параболу. Это позволяет обеспечить высокую эффективность систем противоизгиба рабочих валков, устойчивость процесса прокатки и хорошую стойкость валков. Однако изменением конфигурации образующей бочки валков можно адаптировать профилировку под те или иные задачи.
Для оценки влияния конфигурации образующих бочек валков использовалась усовершенствованная комплексная математическая модель расчета нагрузок и деформаций валковых систем кварто [14]. Вид образующей бочки вал-
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
94
----------------------------------------- Листопрокатное производство
ков варьировали путем изменения значения показателя степени в уравнении y=\x\n. Расчеты выполняли применительно к 11-й клети стана 2500 горячей прокатки ОАО «ММК» для случая прокатки полосы размерами 2,96x1265 мм из стали 08пс. Величина обжатия составляла 0,52 мм, погонное давление металла на валки 3340 Н/мм (340 кг/мм), усилие противоизгиба 490 кН (50 т) на шейку [15].
При этих условиях и выпуклости бочки опорного валка в +2 мм синтезировали профили рабочего и опорного валков при различных значениях показателя n. Полученные профилировки оценивали по изменению эффективности противоизгиба рабочих валков DhF, эффективности самоустановки валков DhP и максимального значения межвалкового давления [16]. Полученные результаты наглядно отображены в виде поверхности распределения соответствующего отклика (рис. 22-24).
Эффективность противоизгиба валков ShF (10_3 мм/т)
Рис. 22. Изменение эффективности систем противоизгиба в зависимости от показателя степени n образующих бочек опорного и рабочего валков
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
95
--------------------------- Листопрокатное производство
Эффективность самоустановки валков 5hp(10 3 мм/т)
Рис. 23. Изменение эффективности самоустановки валков в зависимости от показателя степени n образующих бочек опорного и рабочего валков
Максимальное межвалковое давление (Н/мм)
для рабочего валка _ _ для опорного валка
з,э
Рис. 24. Максимальное значение межвалкового давления в зависимости от показателя степени n образующих бочек опорного и рабочего валков
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
96
----------------------------------------- Листопрокатное производство
Из рис. 22 видно, что система противоизгиба рабочих валков обладает максимальной эффективностью при минимальных значениях показателя п. С увеличением п происходит общее снижение эффективности, однако вид образующей бочки рабочего валка оказывает большее влияние, нежели опорного.
При увеличении показателя п как для опорного, так и для рабочего валков наблюдается увеличение чувствительности валковой системы к нестабильности усилия прокатки (рис. 23), при этом конфигурация образующей бочки рабочего валка также оказывает большее влияние, нежели опорного.
График распределения максимальных значений межвалкового давления (рис. 24) показывает, что вид образующей бочки рабочего валка не оказывает существенного влияния на указанный параметр. При этом с увеличением показателя степени п для опорного валка максимальное значение межвалкового давления интенсивно снижается и при значениях п=2,9^3,2 наблюдается фиксация межвалкового давления на минимальных значениях.
Таким образом, вид образующей бочки рабочего валка оказывает большее влияние на эффективность систем противоизгиба (увеличение DhF) и эффективность самоустановки валков (уменьшение DhP), а опорного - на распределение межвалкового давления.
Для повышения эффективности работы валковой системы и увеличения межперевалочных сроков целесообразно выполнять образующую бочки рабочего валка с меньшими значениями показателя степени п, а опорного - с большими.
Библиографический список
1. ГОСТ 19903-74 Прокат листовой горячекатаный. Сортамент.
2. ГОСТ 19904-90 Прокат листовой холоднокатаный. Сортамент.
3. ГОСТ 26877-91 Металлопродукция. Методы измерения отклонений формы.
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
97
------------------------------------------ Листопрокатное производство
4. Салганик В.М., Мельцер В.В. Исследование на ЭВМ деформаций и нагрузок валковой системы кварто: Учеб. пособие. Свердловск: Изд. УПИ, 1987. 78 с.
5. Максимов Е.А., Шаталов Р.Л., Босхамджиев Н.Ш. Производство планшетных полос при прокатке. М.: Теплотехника, 2008. 336 с.
6. Патент 2230291 РФ. Способы измерения планшетности листового материала / Горновенко П.И., Зуев А.М., Шапиро Д.Л. и др. БИПМ. 2004.
7. Агуреев В.А., Курякин А.В., Трусило С.В. Измерение плоскостности горячекатаной полосы электронно-оптическим измерителем ИП-4 под натяжением моталки // Металлург. 2007. №3. С. 72-75.
8. Денисов П.И. Поточный контроль прокатываемых полос методом муар. М.: Металлургия, 1982. 120 с.
9. Робертс В. Холодная прокатка стали. М.: Металлургия, 1982. 524 с.
10. ТИ 101-П-ХЛ11-34-2011. Холодная прокатка стальной полосы на 5-клетевом стане - тандем ЛПЦ-11. Магнитогорск: Изд-во ОАО «ММК», 2011. 48 с.
11. Салганик В.М., Полецков П.П. Способы и устройства регулирования профиля и формы листового проката // Новости черной металлургии России и зарубежных стран. Черная металлургия: Бюл. науч.-техн. и экон. информации. 2000. Вып. 11-12 (1211-1212). Часть I. С. 15-30.
12. Профилирование валков листовых станов / А.А.Будаква, Ю.В.Коновалов, К.Н.Ткалич и др. Киев: Техшка, 1986. 190 с.
13. Совершенствование профилировок валков на основе применения самоустанавливающейся валковой системы / В.М.Салганик, П.П.Полецков, О.В.Синицкий и др. // Обработка сплошных и слоистых материалов: межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. С. 52-57.
14. Уточнение описания контактного взаимодействия рабочего и опорного валков системы кварто для расчета их нагрузок и деформаций / В.М. Салга-ник, О.В. Синицкий, П.П. Полецков // Моделирование и развитие процессов
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
98
---------------------------------------- Листопрокатное производство
обработки металлов давлением. Сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: МГТУ, 2006. - С. 34-42.
15. Синицкий О.В. Профилирование валков систем кварто станов горячей прокатки // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Межрегиональный сборник научных трудов. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011.С. 52-58.
16. Профилирование опорных валков систем кварто / О.В. Синицкий, Е.В. Синицкий, С.А. Левандовский, П.С. Чернусь, И.А. Пашинин // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Межрег. сб. науч. тр. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С. 96-101.
Калибровочное бюро (www.passdesign.ru). 2015. Выпуск 6
99
