Стойкость и расход прокатных валков на станах горячей прокатки ОАО "ЧМЗ"

Федеральное агентство по образованию 
 

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

«липецкий государственный  технический университет» 
 
 
 

Кафедра прокатки 
 
 
 

Курсовая  работа

по предмету «Эксплуатация валков» 
 

«СТОЙКОСТЬ И РАСХОД ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ НА СТАНАХ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ОАО “ЧМЗ”» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил                      студент   гр. ОД-03-2           И.И. Шопин  
 
 

Принял                                                                         А. В. Басуров 
 
 
 
 

Липецк 2007

     Аннотация

     С. 15. Ил. 8. Табл. 1. Библиогр.: 7 назв.

 

     Рассмотрены особенности эксплуатации валков на прокатных станах ОАО «ЧМЗ». Показана целесообразность использования отработанных валков за счет переточки на валки  меньшего диаметра. Изложен опыт применения комбинированных шаблонов при нарезке калибров. Описано устройство для плазменной закалки валков и результаты его опытной эксплуатации.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 
 

Показатели срока службы валков, условия работы.

Причины вывода валков из строя ….………………..…………….…………..  3

 

Использование отработанных валков …………..……………….…………  7

 

Применение комбинированных шаблонов и

использование допусков готового профиля ..………………..………..….  8

 

Конструкция калибров, их рациональное расположение

на валках и технология прокатки  ……………………………..……………….  10

 

Обкатка поверхности калибров валков ……………………………………...  11

 

Наплавка валков  ……………………………………………..…..…………..  11

 

Плазменная закалка чугунных прокатных валков ……………………………..  13

 

Библиографический список   ……………………………..……….   15

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ПОКАЗАТЕЛИ  СРОКА СЛУЖБЫ ВАЛКОВ, УСЛОВИЯ РАБОТЫ. ПРИЧИНЫ ВЫХОДА ВАЛКОВ ИЗ СТРОЯ

 

     Прокатные валки — основной инструмент, эксплуатационные характеристики которого оказывают  влияние на производительность прокатных станов и качество продукции. Расход валков — составная часть себестоимости прокатной продукции. Парк валков составляет значительную долю оборотных средств Чусовского металлургического завода. Влияние валкового хозяйства на экономику завода не ограничивается только его масштабами и величиной затрат. Велико также значение качества валков. Актуальность проблемы повышения эксплуатационных характеристик валков и, в первую очередь, их стойкости постоянно возрастает.

     Стойкость валков характеризуется продолжительностью их работы до полного износа. В зависимости от типа стана и сложности профилей стойкость валков колеблется в широких пределах.

     Обычно  для оценки качества валков на заводе пользуются следующими показателями: стойкостью комплекта валков между переточками, стойкостью комплекта валков до полного износа и удельным расходом валков.

     Стойкость комплекта валков между переточками  характеризуется износом калибров. Чем меньше интенсивность износа, тем выше стойкость. Однако стойкость  комплекта валков между переточками не всегда правильно отражает качество валков данного типа, так как бывают случаи неравномерной выработки валков, особенно на валках имеющих дублирующие калибры. Также имеются случаи отправки невыработанных комплектов валков по причине окончания кампании прокатки одного профиля. Стойкость валков за установку или между переточками не всегда объективно характеризует качество валков. Более полно качество валков характеризует их стойкость до полного износа. Срок службы валков зависит от допускаемого уменьшения их диаметра и стойкости между переточками: чем больше допустимое уменьшение диаметра валков, тем больше срок их службы.

 

Таблица 1

Удельный  расход валков на прокатных станах Чусовского металлургического завода

 

     Показателем стойкости валков является также  и удельный их расход. Данные по расходу  валков на прокатных станах приведены  в табл.1. Анализируя удельные расходы  валков трудно сразу определить, почему расход больше или меньше на данном стане, так как он зависит от массы одного погонного метра прокатываемой полосы, конечной температуры прокатки, трудоемкости профиля, применяемой системы калибровки валков, режима обжатий, материала валков, условий их эксплуатации и т.д. Наибольший расход валков наблюдается на стане 550 и наименьший стан 370.

     Износ калибров на одном и том же комплекте валков происходит неодинаково. На выработку калибров влияют:

     ♦ Величина обжатия и давление металла на валки;

     ♦ Форма калибров;

     ♦ Скольжение прокатываемого металла по валкам в очаге деформации вследствие неравенства катающих диаметров валков;

     ♦ Температурные условия прокатки;

     ♦ Охлаждение калибров валков;

     ♦ Материал валка и его твердость.

     Кроме того, выработка калибров зависит от числа пропусков и длины прокатываемых в ней полос, состояние трущихся поверхностей, а также попадание в зону деформации продуктов истирания, окалины и т.д.

     Так как износ происходит под действием  многочисленных факторов, определить степень влияния каждого из них весьма затруднительно.

      Одним из основных факторов, вызывающих неравномерность износа калибра, является работа сил трения, возникающих при скольжении прокатываемого металла в очаге деформации. Прокатные валки работают в очень тяжелых условиях. При наличии больших давлений имеет место скольжение прокатываемого металла в очаге деформации и, следовательно, появляются напряжения трения, под действием которых поверхность валков истирается, т.е. подвергается абразивному износу. При окислении поверхности валка возрастает коэффициент трения и, следовательно, увеличивается абразивный износ.

     Большое влияние на неравномерность износа фасонных калибров оказывает разная твердость на поверхности калибра. Чем больше твердость металла на поверхности ручья и равномернее по периметру калибра, тем выше его стойкость против износа, меньше влияют на износ технологические параметры прокатки и большее количество прокатанного металла. При расточке калибров на гладких отбеленных чугунных валках твердость поверхности калибров уменьшается с увеличением глубины вреза. На основании замеров твердости и паспортных данных о работе чистовых валков стана 550 [1] построен график зависимости стойкости валков от их твердости, для прокатки угловой стали (рис: 1а) и прокатки швеллерных и балочных профилей (рис. 1б).

     Существенно влияет на износ калибра неравномерность (перепад) температуры раската между  отдельными элементами профиля. Элементы профиля с пониженной температурой более интенсивно истирают соответствующие участки калибра вследствие повышения сопротивления металла деформации.

     Значительное  влияние на срок службы валков оказывает  интенсивность процесса прокатки. Частый ввод металла в валки с соответствующими «тепловыми ударами» ускоряет износ  калибров.

     На  поверхности валка всегда имеются  микронеровности (впадины и выступы). Внедряясь под давлением в  эти впадины, металл при скольжении раздвигает (расклинивает) выступы  и образует микротрещины, которые  постепенно углубляются, и начинается разрушение рабочей поверхности валка.

     Поверхность калибра сортопрокатного валка  подвергается при прокатке попеременному нагреванию и охлаждению благодаря контакту калибра с нагретым металлом и последующему охлаждению валков водой, т.е. валок подвергается термоциклической нагрузке. В результате попеременного нагрева и охлаждения на поверхности валка появляется сетка разгара, представляющая мелкие хаотически расположенные трещины, соединяющиеся между собой (тепловой износ).

     Под действием высокого локального давления и высокой температуры частицы прокатываемого металла навариваются на поверхность валков или внедряются в микротрещины и вырывают частицы валков. Получаются дефекты износа «навары» и «выкрашивания». Большие термические и местные контактные напряжения в поверхностном слое валков толщиной 3-6 мм могут приводить к образованию поперечных или продольных трещин на поверхности валков.

     Интенсивное окисление металла валка в  образовавшихся трещинах и знакопеременное  нагружение вращающего валка способствует дальнейшему развитию этих трещин. Постепенно углубляясь, трещины приобретают кольцевой характер. Если глубина трещины превысит допустимую величину переточки, валок становится негодным для эксплуатации. Такие трещины являются одной из причин выхода валков из строя.

     Другой  причиной выхода валков из строя являются поломки, которые могут иметь  различный характер. По мере углубления кольцевой трещины «здоровая» часть  валка, воспринимающая нагрузку при  прокатке, уменьшается и, следовательно  напряжения в теле валка увеличиваются. Когда они достигнут предела прочности, валок ломается. Наряду с описанным усталостным характером нагружения валка причиной поломки валков может быть чрезмерная нагрузка при прокатке, дефекты изготовления валка, неправильная установка привалковой арматуры и др.

     Наблюдения  показали, что поломка большинства  прокатных валков вызывается неправильной установкой и настойкой валков, чрезмерной выработкой калибров и подшипников, а также при задаче полосы на бурт или в нерабочие калибры валков. Прокатка застуженного металла, характеризующегося повышенным сопротивлением деформации, особенно в валках с ослабленной вследствие неоднократных переточек, приводит к выводу из строя даже самых лучших валков. Различные нарушения (главным образом преувеличения) предусмотренного технологией режима обжатий также приводят к поломке валков. В результате чрезмерных обжатий в толще бочки создаются напряжения, превышающие сопротивления материала пределу изгиба, вследствие чего валок разрушается.

     Нарушение плавного захвата валками при изношенном оборудовании (наличие больших зазоров между муфтами и трефами, муфтами и шпинделями), работа «вал на вал» захват «под сокращение», когда при натянутой системе валок-муфта-шпиндель-шестеренный валок, представляющий в это время жесткий.стержень, возникает мгновенное торможение системы и последующие резкое выбирание зазоров – все это приводит к большим динамическим нагрузкам при прокатке и преждевременному выходу из строя муфт, шпинделей, трефов и шеек рабочих валков, в первую очередь чугунных.

     Опасной в отношении поломки валка  является пробуксовка металла. Буксовка металла в валках часто возникает  в обжимных клетях, когда металл сильно нагрет. Пробуксовка металла, происходящая под большой нагрузкой, нередко вызывает очень высокие  динамические нагрузки, опасные для прочности деталей, передающих крутящие моменты. Высокие динамические усилия — результат того, что нагрузка, под действием которой происходит пробуксовка, мгновенно снимается, а в соединениях деталей, передающих крутящий момент, появляются зазоры — «люфты», которые мгновенно же выбираются под максимальной нагрузкой в момент следующего захвата, внезапно прекращающего пробуксовку.

     Требования  к валкам обусловлены рассмотренными причинами выхода валков из строя. Валки должны быть прочными, износостойкими, стойкими к выкрашиванию и отслоению рабочей поверхности, нечувствительными к образованию трещин (достаточно вязкими) и др. Для большинства валков главным, преобладающим требованием является какое-то одно из указанных требовании, а остальные требования выполняются на каком-то более низком уровне. Например, для валков заготовочного стана 800, где действуют большие усилия и моменты прокатки, главным требованием является прочность, а износостойкость не имеет большого значения, так как заготовки будут подвергаться дальнейшей прокатке на сортовых станах, в процессе которой значительная часть дефектов полупродукта может быть устранена. Наоборот, для чистовых валков прокатных станов, поставляющих готовую продукцию, основным требованием является высокая твердость и износостойкость рабочей поверхности, а прочность не имеет большого значения, поскольку усилия и моменты прокатки в чистовых клетях невелики.

 
 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТРАБОТАННЫХ ВАЛКОВ

 

      На прокатных станах возможно использовать ту особенность профилей простой и сложной конфигурации, которая допускает повторную эксплуатацию изношенных валков после их переточки.

 

     На  рис.2 изображено расположение калибров на валках черновой клети для прокатки двутавровой балки № 4" на стане 550. Допускаемое уменьшение диаметров на 75 мм ниже указанных в чертеже. Комплект состоит из четырех чугунных прокатных валков. После того как износ калибров превысит допустимый и производится перевалка валков, то нижний и верхний валок меняют местами, а средний валок устанавливают новый. Расположение калибров по длине бочки и ширина буртов выбраны таким образом, что после выхода комплекта из строя по предельному диаметру (ширина калибров в процессе переточек восстанавливается) нижний и верхний валки можно перетачивать на два средних для последующего нового четырехвалкового комплекта, как было предложено в работе [2]. При этом ручьи средних валков соответствуют буртам переделываемых нижнего и верхнего валков, а калибры на новом комплекте смещаются влево. Расход валков черновой клети при их двойном использовании сокращается почти в два раза.

     С целью уменьшения удельного расхода  стальных прокатных валков применяется использование отработанных валков крупных станов в качестве заготовок для валков более мелких станов. Так, списанные валки стана 550 из стали 70, имеющие после списания диаметр 535 мм (длина бочки 1550 мм), используют в качестве заготовки для валков обжимной клети трио стана 250. Чистовые валки 5-й клети чистовой линии стана 250 для прокатки периодических арматурных профилей перетачивают на валки с квадратными калибрами 1-й клети чистовой линии.

 

ПРИМЕНЕНИЕ  КОМБИНИРОВАННЫХ ШАБЛОНОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДОПУСКОВ ГОТОВОГО ПРОФИЛЯ

 

     Рассмотрим  использование особенностей ящичных  калибров для уменьшения расхода прокатных валков на заготовочном стане 800, состоящим из двух клетей трио. Прокатка как на первой, так и на второй клетях производится в сопряженных ящичных калибрах с уклоном боковых стенок от 6 до 25% и с кантовкой после каждых двух проходов. В первых двух калибрах первой клети производится по два прохода.

     Для переточки валков первой клети применяют  минусовые, номинальные и плюсовые шаблоны.

     Минусовые, номинальные и плюсовые комплекты  шаблонов, обеспечивающие незначительное уменьшение катающих диаметров валков при переточках, предусматривают разницу калибров по ширине; при этом, ширина увеличивается от минусовых шаблонов к плюсовым. Разница между шириной минусовых и плюсовых шаблонов составляет от 6 до 8 мм, а номинальные шаблоны имеют промежуточные размеры. Так при прокатке раскат после каждого верхнего прохода кантуется и задается затем между средним и нижним валками, а далее высота раската становится его шириной, применение шаблонов разной ширины потребовало для шаблонов верхних калибров разной высоты, увеличивающейся соответственно ширинам от минусовых шаблонов к плюсовым.

     Изготовление  новых валков первой клети производится по минусовым шаблонам (рис. 3а). После того как валки проработают кампанию, переточка их уже осуществляется по номинальным шаблонам; при следующей переточке — по плюсовым шаблонам (рис.3б). Таким образом, после двух постановок в стан и применения трех комплектов шаблонов почти не происходит уменьшения диаметров валков и валки по существу являются вновь изготовленными, что позволяет резко увеличить срок их службы [2].

     При переходе к плюсовым шаблонам ширина последнего калибра, а соответственно и раската увеличивается на 6 мм. Эта разница выравнивается во втором калибре второй клети (после кантовки) и на размеры сечения заготовки не влияет.

     Средняя стойкость валков первой клети стана 800 до их полного износа увеличилась  при использовании минусовых, номинальных  и плюсовых шаблонов на 55%.

     Допускаемые отклонения по размерам для простых и сложных профилей, предусматриваемые стандартами и техническими условиями, учитывают износ прокатных валков и изменение условий деформации в процессе прокатки. Однако при прокатке ряда профилей (швеллеров, двутавровых балок и др.) калибры которых, а в первую очередь калибры валков чистовой клети имеют незначительный, определяемый стандартом уклон боковых стенок, приходится учитывать допускаемые отклонения для уменьшения расхода валков. Размеры чистовых калибров построены с учетом минусовых допусков, что обеспечивает получение более экономичного профиля. По мере выработки калибра, прежде всего полок, профиль постепенно увеличивается, достигая номинальных размеров. При этом ширину калибров валков чистовой клети при переточках не восстанавливают, а увеличивают от переточки к переточке, не выходя за пределы максимальных отклонений по ГОСТу.

 

Рис. 3. Расположение калибров на валках первой клети стана 800

а) по минусовым шаблонам б) по плюсовым шаблонам

 

     Для примера возьмем профиль швеллера № 10 по ГОСТ 8240-97 [2]. Допускаемые отклонения по высоте стенки равны 2 мм. Уклон наружных граней полок должен быть не более 1,5%. Чистовой калибр располагается в валках таким образом, что высота стенки является, его шириной. При уменьшении диаметра валков в результате переточек на 75 мм ниже указанного чертежом ширина калибра восстанавливается на

2*1,5%*75*0,5=1,125 мм=1,1 мм.

     Используя допускаемое отклонение по высоте стенки, составляющее 4 мм, увеличиваем таким  образом восстанавливаемость калибров, а соответственно и срок службы валков, более чем в четыре раза.

 

КОНСТРУКЦИЯ КАЛИБРОВ, ИХ РАЦИОНАЛЬНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ НА ВАЛКАХ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОКАТКИ

 

      При прокатке профилей простой и  сложной конфигурации одним из основных факторов, определяющих стойкость калибров, является их выпуск, который обеспечивает удобную и правильную подачу полос, легкий выход полосы из калибра и возможность переточки валков с сохранением неизменных по ширине размеров калибров.

     С увеличением выпуска съем по диаметру при переточке уменьшается, что имеет большое значение для увеличения срока службы валков. На практике завода в целях экономии валков и упрощения работы на стане 550 применяют развернутый тип калибровки для проката швеллеров №10 и 12 в калибрах чистовой клети. На рис. 4 показана развернутая конструкция чистового калибра для прокатки швеллера №10. Выпуск наружных граней полок равен 5%. Угол между средней линией стенки и наружными гранями полок незначительно превышает 90°. Правку профиля с выпрямлением стенки производят в холодном состоянии на восьмироликовой правильной машине. Расход валков чистовой клети уменьшается в этом случае в 1,42 раза.

      При прокатке швеллеров на других металлургических заводах наиболее часто применяется калибровка с увеличенным выпуском, приведенная на рис.5 а. Однако по сравнению с этими способами существенные преимущества развернутая калибровка, основанная на последовательном сгибании полосы по ходу прокатки (рис. 5 б и 5 в). По схеме рис.5в предчистовой калибр полузакрытого типа. Методика расчета калибровки швеллеров для стана 550 по схеме рис.5в разработана Илюковичем Б.М. [2,3]. Калибровка валков по способу сгибания имеет целый ряд преимуществ: уменьшается износ валков вследствие небольшой разницы рабочих диаметров в калибре; достигается наибольшая равномерность деформации по ширине профиля; сокращается расход энергии на прокатку. Внедрение калибровки швеллеров №10 и 12 по методу сгибания на стане 550 привело к сокращению расхода прокатных валков и увеличению их стойкости. Сокращение расхода валков а среднем составляет от 30 до 45%.

      При прокатке простых и сложных  профилей общие чистовые калибры  применяют довольно часто, приведем пример универсальной конструкции чистового калибра стана 250 при прокатке шестигранной стали (рис.6) [2, 4], которая имеет по сравнению с обычной формой калибра следующие преимущества:

     ♦ Допускает прокатку шестигранной стали различных размеров на одних и тех же калибрах за счет изменения расстояния между валками;

     ♦ Дает возможность увеличить количество калибров при той же длине бочки валка благодаря уменьшению ширины буртов между ними;

     ♦ Позволяет использовать валки с меньшим диаметром бочки и повысить износостойкость калибров за счет наиболее твердой части отбеленного слоя благодаря уменьшению глубины вреза ручьев. При этом сокращается парк валков и упрощается работа вальцетокарной мастерской.

     Необходимая точность боковых граней готового шестигранного  профиля при прокате со свободным  уширением обеспечивается предчистовыми  ребровыми калибрами.

     Одним из способов уменьшения расхода валков является увеличение коэффициента переточек. На стане 550 увеличили начальные диаметры валков за счет изменения конструкции подушек, что дало уменьшение расхода валков более чем на 20%.

 

ОБКАТКА ПОВЕРХНОСТИ КАЛИБРОВ ВАЛКОВ

 

     Известно, что даже тщательно обработанная поверхность является носителем технологических (следы механической обработки) или эксплуатационных (царапины, коррозия) концентраторов напряжения [5]. Кроме того, поверхность имеет пониженную усталостную прочность, так как она является границей металла, нарушающей целостность его кристаллических зерен.

     Для эффективной меры повышения усталостной  прочности и износостойкости стальных прокатных валков первой клети трио заготовочного стана 800 является упрочнение поверхности калибров путем наклепа, производимого обкаткой роликами. При поверхностном упрочнении меняются физико-механические свойства поверхностного слоя металла, повышаются его твердость и прочность, видоизменяется ориентация кристаллических зерен так, что сопротивление пластической деформации и разрушению повышается. В результате Упрочнения в поверхностном слое возникают напряжения сжатия, которые компенсируют растягивающие напряжения, являющихся основной причиной появления трещин.

     Для обкатки используют специальное  приспособление, позволяющее выполнять эту операцию на вальцетокарном станке после окончательной обработки валка. Приспособление для накатки состоит из ролика с рифленой поверхностью и суппорта, на котором закреплен ролик.

 

НАПЛАВКА  ВАЛКОВ