Выбор конструктивных параметров валков

ПРОКАТНЫЕ КЛЕТИ

Рабочая клеть - основная составная часть прокатного стана, в которой проис­ходит деформация металла. Рабочая клеть большинства прокатных станов состо­ит их двух станин, валков с подушками и подшипниками, механизмов для уста­новки и уравновешивания валков, валковой арматуры.

Валки прокатных станов

Выбор конструктивных параметров валков

Валки прокатных станов предназначены для выполнения основной операции прокатки - пластической деформации металла и придания ему требуемой формы и размеров сечения. В процессе прокатки валки воспринимают возникающее уси­лие и передают его на подшипники.

Прокатный валок состоит из следующих основных элементов (рис. 1.4): бочки (диаметром D и длиной L) - наиболее ответственной части валка, так как при про-

катке она непосредственно соприкасается с металлом; шеек (диаметром d и длиной /), которыми валок опирается на подшипники; концов, служащих для соединения валка со шпинделем. Передача вращения осуществляется через трефовую муфту или шарнирную головку и трефовый или универсальный шпиндели соответственно.

Валки прокатных станов можно разделить на две основные группы: листовые и сортовые (рис.1.5). Листовые валки имеют бочку цилиндрической формы (глад­кие валки) и предназначены для прокатки листов, полос и лент. Бочка валков лис­товых станов горячей прокатки делается вогнутой с таким расчетом, чтобы при разогреве в процессе горячей прокатки она стала цилиндрической (большему ра­зогреву подвергается средняя часть бочки).

Наоборот, бочки валков для холодной прокатки тонких листов делают выпук­лыми, так как валки при воздействии на них больших усилий при прокатке про­гибаются. В этом случае выпуклость компенсирует прогиб и прокатный лист бу­дет иметь правильные геометрические размеры по ширине.

Сортовые валки служат для прокатки различных сортовых профилей и заго­товок. На бочке есть врезные углубления - ручьи, соответствующие прокатывае­мому профилю (круглому, квадратному, уголковому и т.д.). При установке валков один над другим ручьи образуют калибры, по своей форме приближающиеся к форме готового профиля.

Валки прокатных станов работают в очень тяжелых условиях - на них действуют большие усилия; в зоне контакта металла с валками возникают значи­тельные напряжения; за счет проскальзывания полосы относительно валков имеет место истирание; при горячей прокатке валки длительное время находятся в со­прикосновении с полосой, нагретой до 900-1250 °С, и в то же время они охлажда­ются водой. Поэтому к материалу, из которого изготовляют валки, предъявляются очень высокие требования, определяемые условиями работы стана. В зависимости от износостойкости и твердости валков их можно разделить на мягкие, полутвер­дые и особо твердые. Первые изготовляют из серого чугуна или малоуглеродистой стали, но они не всегда удовлетворяют предъявляемым повышенным требованиям, поэтому применяют в основном литые и кованые стальные и чугунные валки по­вышенной прочности. Для станов холодной прокатки используют стальные и чу­гунные валки с поверхностным слоем, обладающим высокой твердостью.

Валки прокатных станов со следами износа (истирание, выкрашивание, вы­боины) подвергают переточке на специальных вальцетокарных станках или пе­решлифовке на вальцешлифовальных станках. Допускаемое уменьшение диамет­ра валков составляет для сортовых станов порядка 10-15, а для листовых - 3-5%: чем длительнее время работы валков, тем лучше такой важный технико-экономи­ческий показатель, как расход валков на тонну полученного проката, меньше вре­мени отнимает смена валков, повышается производительность стана.

Твердость обычных чугунных валков HSD 30-45, и их применяют для горя­чей прокатки толстой полосы из сталей с малым сопротивлением деформации.

Твердые чугунные валки отличаются твердостью HSD 55-75 благодаря отбе­ленному слою, который получается при заливке в металлическую форму: чем тол­ще отбеленный слой, тем больше срок службы валка, однако при этом снижается его прочность.

Валки из легированного чугуна имеют твердость HSD 40-70, в качестве леги­рующих добавок применяется хром, никель и молибден. Для этих валков харак­терна повышенная износостойкость и достаточная прочность.

Стальные валки, способные выдержать большие изгибающие напряжения, применяют на крупных обжимных станах и станах холодной прокатки. Валки могут быть литыми или коваными (первые дешевле).

Для валков обжимных рельсобалочных и заготовочных станов рекомендуются стали марок 40Х, 50ХН и 60ХН. Для улучшения условий захвата металла по­верхность валков делается рифленой.

Валки станов холодной прокатки характеризуются высокой поверхностной твердостью (для рабочих валков - до HSD 100, для опорных - до HSD 80) и прочностью. Валки диаметром до 300 мм изготовляют из стали 9Х и 9ХФ, свышe 300 мм - из стали 9X2, 9Х2МФ и подвергают термической обработке (закал­ке,отпуску) по специальным режимам.

Большие опорные валки целесообразно изготовлять составными бандажированными; материал бочки - сталь 9Х, 9X2, 90ХФ; материал оси - сталь марок 55Х, 60ХН, 80ХНЗВ.

Опорные валки делают также цельноковаными из стали марок 9X2, 65ХНМ, ЗХФ. Рабочие валки многовалковых станов для прокатки тонкой и тончайшей ленты изготавливают из высококачественной легированной стали или из карби­да вольфрама. Износостойкость таких валков в 30-50 раз выше, чем обычных ле­гированных, при этом можно получить наивысший класс чистоты поверхности проката. Для опорных валков многовалковых станов используют инструменталь­ную сталь, содержащую 1,5 С и 12 % Сг.

Основные конструктивные параметры валков - диаметр и длину бочки вы­бирают на основании практических данных и уточняют с учетом прочности вал­ков на изгиб и допустимого прогиба при прокатке.

Формула 1.2 учитывает допустимые углы захвата α, определяемые величиной коэффициента контактного трения, и величину обжатия Δh.

Для осуществления «естественного» захвата металла валками необходимо соблюдения условия захвата

tgα ≈α < μ,

т.е. угол захвата (в радианах) должен быть по величине меньше коэффициента трения μ в месте контакта металла с валками.

При горячей прокатке на обжимных станах на поверхность валков наносят насечку специально для увеличения предельного угла захвата. Коэффициент тре­ния в этом случае можно считать максимальным, равным 0,5-0,6, тогда, согласно формуле (1.4), α _mах = 28-34°.

При сортовой и толстолистовой горячей прокатке коэффициент трения мень­ше, так как качество поверхности валков выше и составляет μ = 0,3-0,45, а мак­симальный угол захвата α = 16°-18°.

Для станов холодной прокатки при определении диаметра рабочих валков D_? можно воспользоваться формулой Р. Стоуна:

где Е - модуль упругости материала валков; h_min - минимальная толщина полосы, которую можно прокатать на стане; μ - коэффициент контактного трения при хо­лодной прокатке; К = 1,5 (σ_τ0+σ_τ1) / 2 - средний по очагу деформации предел те­кучести металла с учетом упрочнения σ_τ0- предел текучести на входе металла в валки, σ_τ1 - на выходе); σ_cp = (σ₀ + σ₁) / 2 - среднее удельное натяжение полосы (σ₀ - заднее натяжение; σ₁ - переднее).

Для определения диаметра стальных валков для холодной прокатки А. А. Ко­ролев рекомендует следующее соотношение:

Модуль упругости Е можно принять для стальных валков 215 ГПа, для чугун­ных и для валков из твердых сплавов 650 ГПа.

Для прокатных станов различного назначения практикой установлены следу­ющие отношения длины бочки валков к ее диаметру (L/D): на обжимных 2,2-2,7; на сортовых 1,6-2,5; на толстолистовых станах 2,2-2,8; на станах кварто 3-5 для рабочих и 1,5-2,5 для опорных валков.

При разработке конструкции валков из твердых сплавов отношение длины к диаметру не более 4, а диаметров шейки и бочки - не менее 0,6.

Стоимость твердосплавных валков пока очень высока и резко увеличивается с ростом габаритных размеров, поэтому стали применять составные валки, состо­ящие из стальной оси и металлокерамического кольца. Кольцо с осью соединено прессовой посадкой с дополнительным креплением с помощь буртов, гаек, шпо­нок и т.д. Основной недостаток металлокерамических валков - повышенная хруп­кость.

Диаметр шейки валков с подшипниками скольжения открытого типа выбира­ют на основании следующих соотношений: d = (0,55÷0,63) D - для обжимных и сортовых станов; d = (0,7÷0,75) D - для листовых двух- и трехвалковых станов горячей прокатки.

На станах холодной прокатки кварто диаметр опорного валка D_oп выбирают ис­ходя из условий минимального прогиба валков, который зависит как от соотношения диаметров опорного и рабочего валков D_оп / D, так и от отношения к диаметру опор­ного валка диаметра его шейки d_оп / D_on: D_оп /D_р- 2,5÷3,5; d_Qn / D_on = 0,5÷0,8.

Установка опорных валков в подшип­никах жидкостного трения позволяет увеличить отношение d_on / D_on в 1,5 раза по сравнению с установкой опор­ных валков в подшипниках качения.

Длину шейки обычно принима­ют равной ее диаметру.

После установления основных размеров валков на основании при­веденных выше соотношений окон­чательные размеры валков необхо­димо согласовать с данными по ГОСТ 5399-69 и затем провести проверочный расчет валка на проч­ность, а для валков тонколистовых и широкополосных станов - и на де­формацию (прогиб).