CC BY
12
УДК 621.771.26
Д.И.Старченко
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ КАЛИБРОВКИ ДВУТАВРОВЫХ БАЛОК
Двутавровая горячекатаная сортовая сталь (рис.1) относится к массовым профилям проката, широко используемым, главным образом, в качестве несущих балок и колонн в различных металлоконструкциях, и поэтому эти профили принято называть двутавровыми балками.
Рис. 1. Форма и основные размеры поперечного сечения двутавровой балки: а - с клиновидными и б - параллельными полками
В поперечном сечении двутавровой балки (рис.1,а) выделяют стенку и две полки, примыкающие по краям к стенке под углом 90 Различают двутавровые балки нормальные с клиновидными в поперечном сечении полками по основному ГОСТ 8239-89 и некоторым другим стандартам, прокатываемые на обычных крупносортных и рельсобалочных станах, и балки с прямоугольными в поперечном сечении (рис. 1,6) равномерными по толщине или параллельными и к тому же относительно более широкими, чем у нормальных балок, полками. Так же двутавровые балки и колонны называют широкополочными
По условиям технологии прокатки, во избежание защемления полок двутаврового раската в закрытых ручьях калибра и предупреждения валков от окова, при образовании двутавровых калибров в обычных двухвалковых или трехвалковых клетях полки непременно должны быть клиновидными, то есть с внутренним уклоном, при этом с увеличением уклона полок создаются более благоприятные условия службы и эксплуатации валков.
С другой стороны, с увеличением уклона полок двутавра ухудшаются геометрические и прочностные характеристики балки - уменьшается момент инерции и момент сопротивления при данной площади поперечного сечения, высоте стенки и ширине полок. Поэтому по существующим в настоящее время стандартам для нормальных двутавровых балок установлен, как технологический оптимум, внутренний уклон полок порядка 10-12 % и,' естественно, что на обычных прокатных станах широкоиолочные с параллельными полками двутавровые балки прокатывать практически невозможно. Такие балки успешно прокатывают на специальных универсальных балочных станах, имеющих в своем составе четырехвалковые клети с двумя горизонтальными приводными и двумя вертикальными холостыми, расположенными в одной вертикальной плоскости валками, в которых легко образуются двутавровые калибры с прямоугольными равномерными по толщине без внутреннего и внешнего уклона полками.
Основной характеристикой двутавровых балок является высота стенки в миллиметрах или номер, образованный от высоты стенки в сантиметрах, а также масса погонного метра балки в килограммах.
По основному стандарту предусматривается прокатка нормальных балок от № 10 до № 60, то есть с высотой стенки от 100 до 600 мм при ширине полок от 70 до 190 мм и массой одного метра балки от 9,5 до 108 кг/м.
1'ис.2. Разрезной (а| и черновой (б) двутавровые калибры обжимной клети 800 стана 650 для прокатки балки Ко 16 (табл.)
По характеру образования и разъема двутавровых калибров различают две основные системы калибровки двутавровых балок: прямую и косую. В прямой, наиболее распространенной системе калибровки используют закрытые двутавровые калибры с односторонним, но чередующимся то снизу, то сверху разъемом по краям полок, с прямой (рис.2,а) или слегка дугообразно изогнутой (рис.2,6) стенкой. В этой системе калибровки уклон боковых стенок в подготовительных калибрах обычно не превышает 6-8 % и при ремонтных переточках валков ширина калибров до номинальных размеров не восстанавливается и увеличивается при каждой переточке. Это является главным недостатком прямой системы калибровки балок.
В косой системе калибровки используют закрытые двутавровые калибры тоже с чередующимся, но на крест, разъемом по краям то одной, то другой пары полок и с более или менее наклоненной по отношению к горизонтали стенкой. В косых двутавровых калибрах конструктивно и технологически выпуск (уклон) боковых стенок калибра может быть значительно больше, чем в прямых калибрах и поэтому они при ремонтных переточках валков могут восстанавливаться по ширине полностью до номинальных размеров при относительно малом съеме металла по диаметру валков.
Однако существенным недостатком косых двутавровых балочных калибров является появление в них неуравновешенных горизонтальных сил, под действием которых валки смещаются в осевом направлении относительно друг друга и, вследствие этого, искажается форма калибров. Для удержания валков от осевого смещения предусматривают на валках специальные достаточно широкие и прочные упорные бурты - рабочие конуса, из-за чего хуже используется бочка валков. К тому же в процессе работы рабочие конуса постепенно изнашиваются и по мере их износа валки все равно смещаются и искажается форма калибров. Поэтому косую систему калибровки используют, хотя и не часто, при прокатке балок только малых размеров.
Первый (чистовой) двутавровый калибр
Калибровка двутавровых балок, как и других фасонных профилей, выполняется против хода прокатки (см.табл.). Поэтому по известным размерам поперечного сечения двутавровой балки в холодном состоянии определяют размеры в горячем состоянии чистового раската, а значит и основные размеры чистового калибра (рис.3,ж) и технологические показатели прокатки раската в этом калибре.
В нормальных двутавровых балках полки попарно симметричны относительно стенки и одинаковы по размерам и, следовательно, они будут симметричны и одинаковы и в чистовом раскате и калибре (рис.3,ж) и их основные размеры будут определяться с учетом допускаемых минусовых отклонений в размерах и массе и линейной усадки металла при охлаждении от температуры конца прокатки до нормальной температуры.
Толщина по краям нижних и верхних полок
Первый по ходу прокатки двутавровый разрезной балочный калибр, в котором из прямоугольной заготовки при резковыраженной неравномерной деформации посередине и краям формируется двутавровый раскат грубой формы, при прокатке балок малых и средних размеров с высотой стенки обычно не более 360 мм, выполняют, как и все другие калибры, закрытым (рис.2,а) с односторонним разъемом по краям полок. При прокатке более крупных балок грубодвутавровый раскат-заготовку получают непосредственно на блюминге и во избежание глубоких врезов в тело валков используют открытые разрезные двутавровые калибры с разъемом примерно по оси симметрии сенки. Таким путем избегают высоких буртов и глубоко врезанных в тело валка противо-буртовых впадин и лучше используют запас прочности валков.
Известны различные и довольно многообразные способы калибровки двутавровых балок, то есть способы определения основных размеров двутавровых калибров и технологических показателей прокатки, но во всех случаях, начиная с некоторого двутаврового калибра, который принято называть черновым, стремятся по возможности создавать во всех последующих подготовительных, предчистовом и чистовом калибрах более или менее равномерную деформацию по основным элементам раската - полкам и стенке, при этом в одних случаях основным показателем степени деформации принимают коэффициенты обжатия по краям и основанию полок и по стенке, а в других - показателем деформации принимают коэффициенты вытяжки по полкам и по стенке, а точнее коэффициенты обжатия площади поперечного сечения по полкам и стенке, так как физически коэффициенты вытяжки по отдельным элементам раската не могут быть разными.
Достаточно строгой и наиболее рациональной основой калибровки двутавровых балок следует признать равномерность деформации по полкам и стенке раската, характеризуемую коэффициентами вытяжки. И, безусловно, целесообразно формализовать калибровку, создавая алгоритмы (табл.), позволяющие выполнять рабочие калибровки как с помощью простых счетных приборов, так и на современных электронно-вычислительных машинах.
Общие принципы и методику калибровки двутавровых балок целесообразно иллюстрировать конкретным примером. Для этого должна быть поставлена конкретная задача и известны условия прокатки и, прежде всего, общая характеристика и особенности стана, на котором намечается прокатка двутавровых балок.
Начальные условия калибровки
Выполнить калибровку двутавровой балки № 16 по ГОСТ 8239-89 для линейного крупносортного стана 650.
Основные размеры поперечного сечения Ьалки (рис.1,а) и допускаемые отклонения в размерах: высота (ширина) стенки В = 160 мм; толщина стенки /i = 5 мм; полная ширина полок Ьп =81 мм; средняя толщина трапециевидной полки Т - 7,8 мм; внутренний уклон полок [g <р > 0,12; радиус галтели по
основанию полок г ~ 8,5 мм и фасок по краям полок Л = 3,5 мм; допустимые отклонения по высоте (ширине) стенки v = ± 2,5 мм; по ширине и толщине полок v,( = 1 2,5 мм и v7. = - 0,06 Т \ площадь поперечного сечения балки
Q - 2020 ММ1-, масса погонного метра q = 1.5,9 кг/м; допускаемые отклонения 3
по массе v = ± — %.
5
При выполнении калибровки профиль двутавровой балки разбивают (рис.1.а) на 5 участков: 4 полки и стенку и по известной номинальной средней толщине полок и уклону определяют дополнительные номинальные размеры полок:
Ширина стенки
^ =/Сду(Ь"кЛву) = 1,01(160-0,6-2,5) = 160лш.
где к,= 0,5....0,8 - коэффициент допускаемого отклонения от номинального минусового допуска.
РИС. 3. Клоака дв^ро.ой «3-й » .0 н 'п^—Г^^
П лошадь поперечного сечения стенки
^ = ¿,^=4,8-160-768 мм2
Полная площадь чистового раската
=2(<ь,+ - 2(284+ 284) + 768 = 1904мм2. Режим деформации раската по пропускам
С учетом размеров (номера) двутавровой балки и возможностей сл ана назначают общее количество пропусков в фасонных калибрах п = 7-1!, количество пропусков с нарастанием Па и затуханием деформации, выбирают коэффициент вытяжки в первом (чистовом) калибре 1,05...1,10 и средний
коэффициент вытяжки (.1 = 1,20...1,40 и определяют: суммарный коэффициент вытяжки
М-,
= схр[(п -1) 1п ] - ехр[(9- 01п1,28] = 7,2057;
(12)
максимальный коэффициент вытяжки в нарастающе-затухающем режиме деформации
[ 2(п„ - 1) 1п ^ - [п,, (п„ -1) + а(п, +1)] 1п и,
Им =еХР1--------------------------------
I
(пн-1)(п+п3)-а(п3+1)
ехр< I
I3?-1)1п 7.2057-[7(7-1)+10 +1)] 1,101
(7-1)(8 + 1)-1(1+1)
I
,4551
(13)
где и > 1 - коэффициент интенсивности нарастания (затухания) деформации; коэффициент нарастания деформации в пределах пн пропусков
кН|Л = ехр(1п -1пц,)/(пн -1) = = ехр(!п1,501 - 1п1,0477) / (7 -1) = 1,5974:
коэффициент затухания деформации в пределах /( пропусков
к31.= к^ = 1,0477"' =0,9544;
и коэффициенты вытяжки в пределах Пг пропусков (табл.)
и в.пределах Л., пропусков (см.табл.)
= <11м-
(14)
(15)
(16)
(17)
Черновой (рис.2,6) и все подготовительные (рис.3,а-д), а также пред-чистовой (рис.3,е) и чистовой калибры (рис.3,ж) выполняются закрытыми с чередующимся разъемом по краям полок то сверху, то снизу. Полки, образованные телом двух валков со стороны разъема калибра называют открытыми, а полки, образованные телом одного валка, называют закрытыми.
По условиям работы двутавровых калибров в открытых его полках возможно только обжатие полок раската по толщине, при свободном их уширении, а в закрытых полках наоборот можно предусматривать в основном ребровое обжатие и контроль ширины полок при малом обжатии по толщине, или даже совсем не обжимать по толщине края полок. С достаточной точностью вполне допустимо свободное уширение полок определять нормативно в пределах
Ab - 0,5...2 мм, (18)
а ребровое обжатие закрытых полок тоже определять нормативно в пределах
iSbn =5...20 мм. (19)
л
Заготовка для прокатки балок
Для получения чернового двутаврового раската, кроме чернового калибра, как правило, используют еще один-два закрытых (см.рис.2,а) или реже открытых двутавровых калибра грубой формы, называемых разрезными, в которых из прямоугольной заготовки энергичным обжатием по середине формируется двутавровый раскат.
Ширина прямоугольной заготовки В, определяется сравнительно
просто с учетом ширины стенки в черновом калибре Ьп и уширения Л Л,. в черновом двутавровом и разрезных калибрах, которое можно определять по той же формуле (см.табл.), что и для подготовительных калибров, при этом ширина заготовки
В3 = Вп - ДВП = 130,7 - 5,6 = 125 м м.
Труднее определяется толщина заготовки. Известны различные способы и формулы определения начальной толщины прямоугольной заготовки Н}, из которой в разрезных и черновом калибрах получают" двутавровый черновой раскат. Одной из таких достаточно простых и удовлетворительных можно считать формулу М.С.Мутъева
Н, > bn(0.65 +0.35( (20)
Q.,
где Qn - полная площадь поперечного сечения двутаврового черновою раската(11), а Ьп п - полная толщина чернового раската по краям равная
bnn=bbll+bHn + hn=66 + 66 + 46 = I78MM. <2i)
Таким образом, в рассматриваемом случае толщина заготовки
Н > 178(0,65 +0.35 -—---) = 213 м м. 14188
Иногда толщину прямоугольной заготовки определяют просто нормативно как
нэ>ктзьпп,
(22)
где К13 = 1.2-1,3 - коэффициент толщины заготовки, установленный с учетом опыта прокатки двутавровых балок на разных заводах.
Таблица. Алгоритм кулибропки двутавровмх О;|лок с рспличацнсй к.1 либромки Оалки
МгК» для крупносортного спынм 650
Номер Математическая операция или параметр Реализация операции и номера калиб ров
1 3 4 5 6 7 8 9 конт
Полки верхние / нижние з/о о/з з/о о/з з/о о/з з/о о/з о/з
1 к,,;, И л - 1,0477 1,0477 1,0477 1,0477 1,0477 1,0477 0,954 0,954
2 1,000 1,153 1,207 1,265 1,326 1,389 1.455 1,389 1,326
3 -1 284 312 360 434 549 728 101.1 1471 2043
4 АЬ И АЬр - нормативно -3.6 0.5 -8,5 1 -10 I -10 2 -
5 ДЬМ И АЬ - нормативно 0.4 -6 0,5 -10,5 1 -10 I -2 -
6 АЬ,, 38,4 42 41,5 50 49 59 58 68 66
7 ь.м = Ьн и -ДьяН 38,4 38 44 43,5 54 53 63 62 66
8 н 7,40 7,43 8,67 8,68 11,20 12,33 17,43 21,63 30,95
9 ТСН=Ч/Ь н 7,40 8,2?. 8,18 9,98 10,! 7 13,73 16,05 23,72 30,95
10 *ЧФ„ И ^ёФьп" нормативно 0,100 0,100 0,100 0,100 - - - - 0,364
11 кцт ~ ехР 1 - - - 1,295 1,295 1,295 1,295 1,295
12 1>пп - - - - 0,129 0,168 0,217 0,281 0,364
13 1 = 7 - 7 г ' с в 5,5 5.3 6,6 6.2 8,0 7,4 11,1 12,1 18,9
14 9,3 9,5 10,7 11,2 14.4 17,3 23,7 31,2 43,0
15 т ~т - к и (и 5,5 6,3 6,0 7.8 6,7 9.3 9,2 15,0 18,9
16 9,3 10.1 10,4 12,2 13,7 18,2 22,,9 32,4 43,0
Математическая операция
или параметр 1 2
Стенка и уишрение
17 К 1 - нормативно 0,98 0,98
18 ^стч — ^н сМ-стН 1,078 1,130
19 Ъп ~ М с77-1 ЧсПЛ 768 828
20 1904 2078
21 2078 2375
22 -Ст'й 1,091 1,144
23 160,0 159,2
24 11,9 13,0
25 А 650 650
26 319,0 318,0
27 = И"Р< ^ 18,6 24,4
28 Г 0,3 0,3
29 ^=0,5/^(^,-1)// . 1,8 3,1
30 К-; ~ К, ~ 17,0 21,3
31 0,73 1,44
32 А" - нормативно 1,0 1,0
33 АД = 0,8 1,4
34 Полная ширина полок 4,8 5,2
35 =¿»+^+4 81,6 85,2
Реализация операции и номера калибров
3 4 5 6 7 8 9конт
0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 0,98 1,30
1.183 1,240 1,300 1,36) 1,426 1,361 1,724
936 1107 1374 1785 2430 3465 5973
2375 2845 3568 4697 6475 9349 14188
2845 3568 4697 6475 9349 14188 21205
1,197 1,255 1,316 1,388 1,444 1,518 1,495
157,8 155,5 152,0 146,6 141,4 136,5 130,7
15,0 18,3 23,5 32,0 45,8 68,5 108,5
650 650 650 650 650 800 800
317,5 315,9 313,3 309,0 302,1 365,8 345,7
30,7 39,4 48,2 62,2 78,4 113,9 136,2
0,3 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
5,0 7,8 9,3 15,1 25.4 44,3 67,1
25,7 31,6 38.9 47,1 53,0 69,6 69,1
2,52 3,48 5.36 7,42 9,78 14,60 14,00
1,0 1,0 1,0 0,7 0,5 0,4 0,4
2,5 3,5 5,4 5,2 4,9 5,8 5,6
5,9 7,1 9,0 12,2 17,2 25,4 46,0
91,4 100.6 112,0 124,2 138,2 155,4 178,0
