Способ регулирования формы и профиля полосы при прокатке в четырехвалковых клетях со скрещивающимися валками

 

Использование: при прокатке полосы в четырехвалковых клетях с попарно-скрещивающимися опорными и рабочими валками. Сущность изобретения: регулирование формы и профиля полосы осуществляют путем разворачивания в горизонтальной плоскости опорных и рабочих валков, причем опорные валки разворачивают на меньший угол, чем сопряженные с ними рабочие валки, и независимого плоско-параллельного перемещения валков при постоянном угле скрещивания. Это позволяет повысить гибкость регулирования. 6 ил.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при прокатке полосы в четырехвалковых клетях со скрещивающимися валками.

Известен способ регулирования формы и профиля полосы при прокатке в четырехвалковых клетях со скрещивающимися валками (аналог), включающий скрещивание опорных или рабочих валков с осью клети и изменение угла скрещивания при регулировании.

Недостатки этого способа повышенный износ рабочих и опорных валков, низкая долговечность подшипников рабочих валков, большие потери энергии вследствие относительного скольжения валков при полном коэффициенте трения и недостаточная эффективность устранения односторонних дефектов формы и профиля полосы.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ регулирования формы и профиля полосы при прокатке в попарно-скрещивающихся верхних и нижних рабочих и опорных валках с параллельной установкой рабочего и опорного валков в каждой паре.

Недостатки прототипа недостаточная гибкость регулирования формы и профиля полосы и инерционность системы регулирования из-за большой массы одновременно перемещаемых спаренных рабочего и опорного валков, снижающие точность прокатки; нагружение подшипников рабочих валков осевыми нагрузками от контактного взаимодействия с полосой, снижающими работоспособность подшипников; сложность конструкции рабочей клети и большое число механических и гидравлических приводов, снижающих ее надежность; высокая стоимость клети.

Цель изобретения повышение точности прокатки и качества прокатываемых полос за счет увеличения гибкости регулирования формы и профиля полосы и быстродействия системы регулирования, повышение работоспособности подшипников рабочих валков за счет устранения действия на них осевых нагрузок, упрощение конструкции и снижение стоимости клети.

Поставленная цель достигается тем, что опорные валки при скрещивании с осью клети разворачивают в том же направлении, что и сопряженные с ними рабочие валки, на меньший угол, определяемый из условия равенства осевых нагрузок на контакте рабочих валков с опорными и полосой, а регулирование формы и профиля полосы осуществляют путем независимого плоско-параллельного перемещения валков при постоянном угле скрещивания.

На фиг. 1 показана схема установки валков со скрещиванием в исходном положении; на фиг. 2 форма очага деформации при скрещивании валков в исходном положении; на фиг. 3 схема установки валков при смещении точки скрещивания относительно оси клети; на фиг. 4 форма очага деформации при смещении точки скрещивания валков относительно оси клети; на фиг.5 положение осей верхних (t. w) и нижних (b.w) рабочих, верхних (t.b.) и нижних (b.b.) опорных валков при некоторых вариантах регулирования формы и профиля полосы без совмещения точек скрещивания; на фиг. 6 план сил и скоростей на контакте рабочего и опорного валков при скрещивании.

В соответствии с предлагаемым способом верхний и нижний рабочие валки в исходном положении устанавливают в клети со скрещиванием и разворотом относительно полосы и оси клети в противоположные стороны на угол β_s (фиг. 1). Этот угол выбирается в зависимости от ширины полосы, ее механических характеристик, профилировки и усилия противоизгиба рабочих валков с учетом заданных допусков на поперечную разнотолщинность полосы. На практике величина угла β_s не превышает 2^о.

При прокатке вследствие скрещивания возникает относительное скольжение между рабочими валками и полосой в поперечном направлении, что вызывает действие осевых нагрузок F_s на валки и их подшипники. Эти нагрузки могут быть определены из соотношения F_s=1-exp-3Q (1) где ε относительное обжатие; μ коэффициент трения между валками и полосой; Q усилие прокатки.

Из-за относительного проскальзывания в осевом направлении на контакте между рабочими и опорными валками также возникают осевые нагрузки F_b, направленные противоположно осевым нагрузкам F_s, действующим на контакте рабочих валков с полосой. Осевые нагрузки F_s и F_b зависят от величины угла перекоса α между рабочими и опорными валками. Разница этих нагрузок передается на подшипники рабочих валков. Она достигает существенной величины и снижает работоспособность подшипников. При определенном соотношении между углами β_s и α осевые нагрузки F_s и F_b взаимно уравновешиваются и на подшипники рабочих валков не передаются. Это повышает их работоспособность, не требует установки дополнительных упорных подшипниковых узлов, упрощает конструкцию и снижает стоимость рабочей клети.

Взаимное уравновешивание осевых нагрузок F_s и F_b может быть достигнуто при скрещивании опорных валков с осью клети на угол β_b<β_s и их развороте в направлении разворота сопряженных рабочих валков. Это обусловлено различными условиями контактного взаимодействия и коэффициентами трения между рабочими валками, полосой и опорными валками. При равенстве сил F_s и F_b между рабочими и опорными валками возникает скрещивание на угол α= β_s β_b. В соответствии с предлагаемым способом рабочие и опорные валки устанавливают со скрещиванием между собой на угол α и с осью клети на углы соответственно β_s и β_b, при которых осевые нагрузки F_s и F_b уравновешиваются и не передаются на подшипники рабочих валков (фиг. 1).

Осевые нагрузки F_b передаются на подшипниковые узлы опорных валков с подшипниками жидкостного трения (ПЖТ). Однако эти узлы снабжаются мощными роликоупорными подшипниками для восприятия осевых нагрузок, и последние не оказывают существенного влияния на работоспособность подшипников опорных валков.

В исходном положении проекции осей рабочих и опорных валков на плоскость полосы пересекаются в точке 0 (точка скрещивания), расположенной на пересечении осей клети и прокатки. При этом сечение очага деформации по ширине полосы приобретает симметричную двояковогнутую параболическую форму, эквивалентную установке выпуклых валков с параллельными осями с минимальной толщиной S_o на оси прокатки (фиг. 2). По мере удаления от оси клети на некоторое расстояние l текущая толщина очага деформации S возрастает и достигает максимальной величины на боковых кромках полосы. При изгибе валков под действием усилия прокатки их активная образующая принимает прямолинейную форму, обеспечивающую равномерную вытяжку полосы по ширине и ее правильную геометрическую форму при прокатке.

Регулирование формы и профиля полосы заключается в устранении волнистости по краям или коробоватости в центре полосы и ее поперечной разнотолщинности путем изменения обжатия и вытяжки по ширине полосы. Регулирование осуществляют путем плоско-параллельного перемещения рабочих и опорных валков при постоянном угле скрещивания. При этом происходит поперечное перемещение и изменяется положение на полосе точек скрещивания валков. Регулирование возможно как с совмещением точек скрещивания рабочих валков с опорными и полосой, так и без совмещения.

При регулировании с совмещением точек скрещивания общую точку скрещивания перемещают в поперечном направлении на участок полосы, где требуется увеличение вытяжки. При перемещении общей точки скрещивания, например из положения 0 в положение 0', на расстояние а от оси прокатки (фиг. 3) форма очага деформации изменяется и становится несимметричной (фиг. 4) при неизмененных начальном зазоре между рабочими валками и положении нажимных винтов. Максимальному обжатию подвергается продольное сечение полосы, проходящее через точку 0', так как в этой точке межвалковый зазор минимальный. Соответственно, в указанном сечении возникает и максимальная вытяжка. В других сечениях обжатиe и вытяжка меньше. Минимальные их значения имеют место на краю полосы с противоположной стороны от оси прокатки. Благодаря изменению положения точки скрещивания по ширине полосы устраняется ее волнистость, коробоватость или серповидность и улучшается плоскостность.

При регулировании углы β_s и β_b скрещивания рабочих и опорных валков остаются неизменными, а перемещение точки скрещивания осуществляется путем их плоско-параллельного перемещения. Это обеспечивает постоянное уравновешивание осевых нагрузок F_b и F_s, действующих на контакте рабочих валков с опорными и полосой, и исключает их действие на подшипники рабочих валков.

При перемещении точки скрещивания на расстояние а от оси прокатки (фиг. 3) плоско-параллельные перемещения валков coставят: рабочих e_s=a sin β_s опорных e_b=a sin β_b. (2) Эти перемещения невелики. Например, при максимальном перемещении точки скрещивания рабочих валков на край полосы шириной 1500 мм при угле перекоса β_s= 1^o плоско-параллельные перемещения валков составят e_s=750 sin 1^o=13,09 мм. На практике перемещения не превышают четверти ширины полосы, т.е. примерно вдвое меньше. Соответственно меньше и плоско-параллельные перемещения валков. Это предопределяет возможность применения простых средств, например клиновых устройств, для плоско-параллельного перемещения валков при регулировании и упрощение конструкции клети.

Регулирование профиля (поперечной разнотолщинности) полосы осуществляется путем поперечного перемещения точки скрещивания в сторону увеличения толщины полосы. Соответственно в эту сторону перемещается и максимальное усилие обжатия, благодаря чему происходит выравнивание толщины полосы по ширине и уменьшается поперечная разнотолщинность. Наряду со скрещиванием форма межвалкового зазора при прокатке зависит также от изменения упругой деформации клети (валковой системы, узла нажимных винтов и станин), тепловой деформации и износа валков. Однако определяющим фактором в формировании межвалкового зазора является скрещивание валков. Поэтому при использовании клетей со скрещивающимися валками значительно повышается эффективность применения противоизгиба и дополнительного изгиба валков. Для получения требуемых формы и профиля полосы необходимы значительно меньшие усилия изгиба или противоизгиба, что способствует повышению долговечности валков и их подшипников.

При использовании предлагаемого способа отпадает необходимость в осевой сдвижке рабочих валков, так как поперечное перемещение точки скрещивания эквивалентно осевой сдвижке, и обеспечивается возможность беспрограммной прокатки. При изменении положения точки скрещивания рабочего и опорного валков изменяется положение участков максимального межвалкового давления и соответственно максимального износа валков, что позволяет регулировать и обеспечить равномерный износ валков по длине бочки. Это способствует увеличению срока службы валков и повышению точности прокатки. Кроме того, отпадает необходимость в использовании специального оборудования для сдвижки валков, что упрощает конструкцию и снижает стоимость рабочей клети.

Плоско-параллельное перемещение рабочих и опорных валков осуществляется независимо. Поэтому наряду с регулированием формы и профиля полосы при совмещении точек скрещивания рабочих валков с опорными и полосой, при использовании данного способа возможно регулирование без совмещения точек скрещивания. Благодаря независимому перемещению уменьшаются перемещаемые массы валков, что способствует повышению быстродействия системы регулирования и точности прокатки.

При вариантах I-III точки 0 скрещивания верхнего и нижнего рабочих валков расположены на оси прокатки, при вариантах IV-VI смещены относительно нее. Точки O_t, O_b скрещивания верхних и нижних пар рабочего и опорного валков смещены относительно точки 0 скрещивания рабочих валков. При вариантах I-II максимальные обжатия и вытяжка больше со стороны скрещивания рабочих и опорных валков, что позволяет устранять одностороннюю волнистость полосы. При регулировании по варианту III увеличиваются обжатия и вытяжка по краям полосы и устраняется ее корсобоватость. Установка валков по вариантам IV-VI может быть использована для устранения поперечной разнотолщинности и односторонней волнистости с различным распределением обжатий и вытяжки по ширине полосы. Возможны и другие варианты регулирования и установки валков, причем для одних и тех же целей могут использоваться различные варианты. Это позволяет изменять относительное положение точек скрещивания рабочих валков с полосой и опорными валками в широких пределах и равномерно распределять износ валков по длине бочки.

Угол β_b установки опорных валков относительно оси клети при скрещивании определяется из условия равенства осевых нагрузок F_s и F_b на контакте рабочих валков с полосой и опорными валками на основании теории предварительного смещения сцепленных элементов (микровыступов) по площадке контакта рабочего и опорного валков.

Из-за скрещивания (фиг. 6) при вращении рабочий валок проскальзывает относительно опорного в осевом направлении со скоростью Δ V=V_wsin α ω_w r_wsin α, (3) где V_w и r_w окружная скорость и радиус рабочего валка; ω_w угловая скорость рабочего валка.

При проскальзывании на рабочий валок со стороны опорного действует осевая нагрузка
F_b= F_wcos α, (4) где F_w осевая нагрузка, действующая на опорный валок со стороны рабочего.

Ввиду малости угла α можно принять cos α=1 и считать F_b ≈ F_w. При скрещивании валков на угол α в результате их относительного проскальзывания возникают осевые тангенциальные смещения сцепленных элементов по площадке контакта. Вначале происходит деформация элементов и осевая нагрузка возрастает при неполном коэффициенте трения. На некотором удалении от начала площадки контакта происходит срыв сцепленных элементов и начинается скольжение. В момент срыва осевая нагрузка достигает максимальной величины, соответствующей полному коэффициенту трения скольжения материалов валков.

Интенсивность нарастания осевых смещений сцепленных элементов, а следовательно, и осевой нагрузки F_b на площадке контакта рабочего и опорного валков, зависит от угла α их относительного переноса. С увеличением α, а соответственно и скорости ΔV осевого проскальзывания, осевая нагрузка возрастает. При распространении скольжения на всю площадку контакта осевая нагрузка достигает максимальной величины и при дальнейшем увеличении угла α не изменяется.

На основании результатов исследований величину осевой нагрузки, действующей на рабочий валок со стороны опорного, можно определить из соотношения
F_b=fQΨ_τ (5) где f коэффициент трения скольжения валков;
Ψ_τ (6)
коэффициент тянущего окружного усилия F_τ, действующего на опорный валок со стороны рабочего;
ε_τ (7)
относительная разность окружных скоростей рабочего V_w и опорного V_bвалков:
V_w= ω_wr_w; V_b= ω_br_b;
ω_b, r_b угловая скорость и радиус опорного валка.

При установившейся скорости прокатки и постоянной окружной скорости опорного валка тянущее окружное усилие определяется только сопротивлением в его подшипниковых узлах и может быть найдено с учетом того, что F_b=F_s, по соотношению
F_τ (8) где f_m, r_m коэффициент трения и радиус подшипника жидкостного трения опорного валка;
f_r, r_r коэффициент трения и радиус ролико-упорного подшипника опорного валка, воспринимающего осевую нагрузку.

Для определения угла α перекоса рабочего и опорного валка воспользуемся соотношением, устанавливающим зависимость между Ψ_τ и ε_τ:
A1- (9) где А=fa(1/r_w + 1/r_e), (10)
a полуширина площадки контакта валков.

При использовании чугунных и стальных рабочих и опорных валков, для которых модули упругости Е одинаковы и коэффициенты Пуассона равны 0,3, величина а на основании теории Герца-Беляева определяется из выражения
a=1,08 (11)
q= Q/e (12)
погонные нормальные усилия, действующие на площадке контакта; вычисляются исходя из допущения, что, ввиду малости угла α, реальная эллиптическая площадка контакта имеет прямоугольную форму; L длина бочки валка.

При равенстве осевых нагрузок F_b=F_s с учетом выражений (5) и (6) можно записать:
Ψ_τ/ε_τ= F_s/fQ α (13)
ε_τ/α= F_τ /F_s (14)
Представим выражение (9) в виде:
A1-= (15)
Подставляя в это выражение (13) и (14), после преобразований получим формулу для определения угла скрещивания рабочих и опорных валков
α (16)
При настройке прокатной клети по данному способу рабочие валки устанавливают со скрещиванием с осью клети на угол β_s. По формуле (1) определяют осевые нагрузки F_s на контакте рабочих валков с полосой. По формулам (8), (10) вычисляют F_τ и А и, подставляя полученные значения в (16), находят угол α. Устанавливают опорные валки с разворотом относительно оси клети на угол β_b=β_s-α в направлении разворота сопряженных с ними рабочих валков.

В качестве примера определим угол β_b скрещивания опорных валков с осью клети при прокатке горячей полосы и следующих исходных данных: угол скрещивания рабочих валков β_s=1^o(0,0175 рад); усилие прокатки Q=30000 кН; относительное обжатие ε=0,3; коэффициенты трения: валка о полосу μ= 0,3; рабочих и опорных валков f=0,2; в подшипнике жидкостного трения опорного валка f_m= 0,001; в упорном подшипнике качения опорного валка f_r=0,01; радиусы, мм; рабочего валка r_w=400; опорного r_b=800; подшипника жидкостного трения r_m=550; упорного подшипника r_b=280; длина бочки валков L=2000 мм; модуль упругости материала валков Е=215 кН/мм².

С учетом этих данных получаем: по формуле (1) F_s=2305 кН; по формуле (11) а= 3,294 мм; по формуле (8) F_τ8,0675 кН; по формуле (10) А=0,00247; по формуле (16) α=5,317·10^-4 рад= 0,0305^о. Следовательно, опорные валки должны быть установлены со скрещиванием с осью клети на угол β_b=1-0,0305=0,9695^о.

Из приведенного примера видно, что при использовании данного способа угол α скрещивания рабочих валков с опорными невелик. Поэтому скрещивание валков не оказывает существенного влияния на износ их рабочей поверхности. Из этого примера также следует, что при установившемся процессe прокатки тянущее окружное усилие F_τ более чем на два порядка меньше осевого усилия F_s, поэтому усилием F_τ можно пренебречь. Тогда выражение (16) упрощается и принимает вид
α=1- (17)
Значения угла α, вычисленные по (16) и (17), практически не отличаются. Так, для приведенного примера по формуле (16) точное значение α= 5,3166659·10^-4 рад, по формуле (17) α=5,3166618·10^-4 рад. Поэтому на практике для вычисления угла α можно пользоваться формулой (17).

Значение угла α, вычисленное по формулам (16) и (17), соответствует неполному коэффициенту трения по площадке контакта между валками и наличию на этой площадке участков сцепления и скольжения. С увеличением угла α осевая нагрузка F_b возрастает и при достижении критического значения α_к=А скольжение распространяется на всю площадку контакта, что соответствует полному коэффициенту трения f между валками. Нагрузка F_b достигает максимальной величины F_bmax=fQ и при дальнейшем увеличении угла α остается неизменной. С учетом этого и условия F_b=F_sвыражение (17) в общем случае принимает вид:
α (18)
Для приведенного примера критическое значение α_к=А=0,00247 рад=0,1415^о; F_bmax=6000 кН.

На практике углы β_s перекоса рабочих валков относительно полосы при скрещивании не превышают 2^о, что соответствует углам α значительно меньшим критического угла α_к. Поэтому при использовании данного способа для определения угла α практически всегда будет справедлива формула (17), и окончательное выражение для определения угла скрещивания опорных валков с осью клети будет иметь вид:
β_b=β_s-A1- (19)
Таким образом, применение предлагаемого способа обеспечивает повышение точности прокатки и качества прокатываемых полос за счет увеличения гибкости регулирования формы и профиля полосы и быстродействия системы регулирования, повышение работоспособности подшипников рабочих валков, упрощение конструкции и снижение стоимости клети.

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ И ПРОФИЛЯ ПОЛОСЫ ПРИ ПРОКАТКЕ В ЧЕТЫРЕХВАЛКОВЫХ КЛЕТЯХ СО СКРЕЩИВАЮЩИМИСЯ ВАЛКАМИ, включающий разворот опорных валков относительно полосы при скрещивании в направлении разворота сопряженных с ними рабочих валков на угол, определяемый из условия равенства осевых усилий на контакте рабочих валков с опорными и полосой, отличающийся тем, что регулирование осуществляют путем независимого плоскопараллельного перемещения рабочих и опорных валков со смещением точек скрещивания верхней и нижней пар рабочих и опорных валков и рабочих валков между собой в поперечном и/или продольном направлениях относительно соответственно осей прокатки и клети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6