CC BY
36
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.771
Э.А. Гарбер, М.А. Тимофеева, Н.Л. Болобанова, В.Ю. Антонов, И.А. Дятлов, С.И. Павлов
ИССЛЕДОВАНИЕ И УСТРАНЕНИЕ СВЕРХНОРМАТИВНОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПРИКРОМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ШИРОКИХ ХОЛОДНОКАТАНЫХ ПОЛОС
На 5-клетевом стане «1700» производства холоднокатаных листов ОАО «Северсталь» исследованы причины появления на листах автомобильного сортамента шириной свыше 1400 мм светлых прикромочных полос с шероховатостью поверхности, превышающей допустимое значение R = 1,9 мкм.
Разработаны, успешно испытаны и внедрены новые профилировки опорных и рабочих валков, которые рассчитаны с помощью компьютерной программы «ANSYS», основанной на методе конечных элементов. В результате внедрения валков с новой профилировкой вненормативная шероховатость на поверхности широких полос устранена.
Автомобильный лист, рабочие и опорные валки, профилировки, шероховатость.
At the 5th stand "1700" of cold-rolled sheets production at joint-stock company "ОАО Severstahl" reasons of showing appearance of bright near-edged strips on automobile assortment sheets with thickness more than 1400 mm. have been investigated The surface roughness of the sheets exceeds the value R^ = 1,9 micron.
New profiles of counter and working rollers were worked out, successfully tested and implemented which were calculated with the help of computer program "ANSYS" based on finite element method. As a result substandard roughness at the surface of wide strips was eliminated.
Аutomobile sheet, working and counter rollers, profiles, roughness.
Организация производства в России легковых автомобилей ведущих зарубежных автопроизводителей («Форд», «Тойота», «Рено», «Фольксваген», «Шкода» и др.) привела к необходимости повышения качества автомобильных листов, выпускаемых отечественными металлургическими предприятиями.
Один из показателей качества холоднокатаных листов, используемых для наружной обшивки легкового автомобиля, - шероховатость поверхности. Ее регламентируют в жестких границах, так как от этого зависят надежность сцепления антикоррозионного покрытия с металлом, привлекательность и эстетичность внешнего вида автомобиля.
Стремление сократить количество сварных швов при изготовлении кузова автомобиля вызвало увеличение спроса на листы шириной свыше 1400 мм.
Чтобы удовлетворить возросшую потребность автопроизводителей в таких листах, на 5-клетевом стане «1700» Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК) ОАО «Северсталь» увеличили объем производства наиболее широких полос (Ь = = 1400... 1550 мм) паспортного сортамента, а также освоили технологию прокатки полос, имеющих ширину от 1560 до 1600 мм, не предусмотренную паспортной характеристикой стана.
Согласно общепринятым рекомендациям [3], [4] и практическим данным [1], максимальная паспортная ширина полос Ьтах, (мм) прокатываемых на широкополосных станах, определяется следующей зависимостью:
Ьтах = ^ - (150. ..200) ,
где Ьр - длина бочки рабочих валков.
Поскольку в сортаменте 5-клетевого стана «1700», как и большинства других широкополосных станов, предусмотрена возможность прокатки полос всего диапазона ширин (от минимальной (900. 1000 мм) до максимальной (1500.1550 мм)), конструкцией стана предусмотрено выполнение бочки опорных валков длиной ¿оп = 1600 мм, т.е. на 100 мм меньше длины бочки рабочих валков.
Однако и при таком соотношении длин бочек рабочего и опорного валков прокатка полос минимальной ширины вызывала затруднения: из-за большого упругого сплющивания в средней части бочек рабочих валков их нерабочие торцевые участки нередко начинали контактировать друг с другом, что приводило к повышенному разогреву и искажениям теплового профиля, вызывавшим появление волнистости в прикромочных участках полос. Исправление волнистости воздействием противоизгиба рабочих валков оказывалось малоэффективным при ширине полос 900.1100 мм, так как края бочек опорных валков препятствовали удалению от полосы торцовых участков бочек рабочих валков. Из-за этих особенностей взаимодействия рабочих валков с полосой и с опорными валками в конце 70-х - начале 80-х годов ХХ в. на краях бочек опорных валков длиной 100120 мм стали выполнять конические скосы. В част-
ности, на 5-клетевом стане «1700» длины участков со скосами бочек опорных валков составляют 100 мм, в результате плотный контакт бочек рабочего и опорного валков происходит на так называемой активной части длины:
4кт = Lon - 2/сК = 1400 мм,
где lCK = 100 мм - длина одного скоса.
Выполнение скосов обеспечило возможность качественной прокатки полос минимальной ширины, но привело к тому, что при прокатке полос максимальной ширины (свыше 1400 мм) на поверхности их прикромочных участков, находящихся за пределами зоны плотного контакта рабочих и опорных валков, появились светлые полосы шириной до 100 мм (см. рис. 1). Для листов, используемых в качестве наружных элементов кузова легкового автомобиля, такие полосы являются недопустимым дефектом. Значения нормируемого показателя шероховатости Ra на участках светлых полос оказались равными 2,2... 3,0 мкм, а на остальной поверхности Ra = 1,1...1,5 мкм; в то время как ее предельно допустимая величина, установленная требованиями автопроизводителей, равна Ra max = 1,9 мкм.
Рис. 1. Фотография наружной поверхности рулона холоднокатаной полосы из стали марки 08Ю толщиной 0,7 мм, шириной 1560 мм
Исследования показали, что расстояние между границами левого и правого участков полосы со сверхнормативно й шероховато стью по верхно сти всегда было больше 1400 мм. Это дало основание для вывода о том, что наиболее вероятная причина данного дефекта - меньшая, чем на остальной поверхности бочки, интенсивность износа исходного микрорельефа поверхности рабочих валков из-за пониженного давления на рабочий валок со стороны опорного на участке, где выполнены скосы.
В работе [2] приведены результаты исследований влияния профилировки опорных валков со скосами на плоскостность полос при использовании гидроизгиба рабочих валков; вопросы о влиянии скосов на шероховатость и о ее распределении по ширине прокатываемых полос в литературе ранее не рассматривались.
Для уменьшения сверхнормативной шероховатости поверхности прикромочных участков полос ши-
риной более 1400 мм до допустимых значений Ка £ 1,9 мкм было предложено провести испытания
на 5-клетевом стане «1700» два технических экспе-1
римента .
Первый эксперимент заключался в использовании в 5-й клети стана «1700» для прокатки широких полос автомобильного сортамента специально подготовленных рабочих валков с переменной шероховатостью по длине бочки. Подготовку поверхности таких валков выполнили в 2 этапа: сначала после шлифовки ее обработали по всей длине бочки в установке поверхностного текстурирования до шероховатости Ка = 2 мкм. Затем, заизолировав краевые участки бочки шириной по 150 мм, ее среднюю часть длиной 1400 мм повторно обработали в установке поверхностного текстурирования до шероховатости Ка = 4,2 мкм. Обкатав опытные валки в 5-й клети с приложением рабочих усилий, шероховатость в средней части бочки уменьшили до Ка = 2, 0... 2,2 мкм, одновременно повысив ее твердость и износостойкость.
Металл, прокатанный в опытных рабочих валках, имел шероховатость поверхности в средней части Ка = 1,65 мкм, а в прикромочных участках Ка = = 1,31 мкм, т.е. по всей поверхности значения шероховатости вошли в нормативный диапазон Ка £ 1,9 мкм. Однако внедрение данного мероприятия в производство связано с рядом организационных проблем и дополнительными затратами, поскольку на подготовку рабочих валков с переменной шероховатостью по длине бочки требуются значительные затраты и в 3 раза больше времени, чем на подготовку обычных валков.
Поэтому было разработано и проведено менее затратное мероприятие - изменение профилировок опорных и рабочих валков.
Поскольку причиной сверхнормативной шероховатости полос шириной свыше 1400 мм оказались скосы по краям бочек опорных валков 5-й клети, было решено устранить эту причину - отказаться от выполнения скосов, скомпенсировав их увеличением выпуклости в середине бочки опорных валков, и пересчитать профилировки рабочих валков 5-й клети для всего диапазона ширин и толщин сортамента стана, чтобы сохранить их плоскостность.
Для определения возможности практической реализации указанного мероприятия необходимо было установить, можно ли в рабочей клети с выпуклыми опорными валками, не имеющими скосов, качественно прокатать самые узкие и тонкие полосы сортамента стана (шириной 990-1015 мм, толщиной 0,28 мм) без соприкосновения краев бочек верхнего и нижнего рабочих валков, исключив при этом дефекты неплоскостности и обеспечив требуемую поперечную разнотолщинность.
Для ответа на этот вопрос было проведено компьютерное моделирование упругих деформаций и
1 В испытаниях участвовали С.В. Жиленко, И.Н. Щелкунов, Д.Е. Сергеев, С.Л. Евтух, В.Ю. Комисаров, В.В. Кузнецов, Д.Л. Шалаевский.
профилировок рабочих и опорных валков 5-й клети при прокатке полос указанного профилеразмера с использованием программы "ANSYS", основанной на методе конечных элементов.
Валковый узел 5-й клети представили в виде сеточной модели (рис. 2), со всеми размерами, взятыми из конструкторской документации.
Рис. 2. Сеточная модель валкового узла с размерами конечных элементов 50 мм
Рис. 3. Схема валкового узла в контакте с прокатываемой полосой в деформированном состоянии: 1, 2 - бочки опорного и рабочего валков; 3 - активная образующая рабочего валка; 4 - полоса; ¿оп, Ьр - длины бочек опорного и рабочего валков; кс, ккр толщина полосы в середине и у боковой кромки; уь - расстояние от торца бочки рабочего валка до оси прокатки
К модели рабочего валка приложили силу прокатки Р в виде погонной нагрузки, распределенной по ширине полосы. Значение Р взяли из реального режима прокатки, параметры которого представлены в табл. 1.
Таблица 1
Режим прокатки полосы размерами 0,28 х 1015 мм, сталь 08пс
Номер Ui, hi - 1, hi, Ni - 1, Ni, Pi,
клети м/с мм мм кН кН МН
1 3,29 1,820 1,170 124,8 165,1 0,048 10,45
2 5,78 1,170 0,727 165,1 113,8 0,0223 7,68
3 9,26 0,727 0,452 113,8 79,8 0,0185 6,47
4 14,46 0,452 0,291 79,8 54,2 0,0151 6,43
5 14,73 0,291 0,280 54,2 9,9 0,028 11,30
П р и м е ч а н и е . и,- - скорость прокатки; к, _ 1, к, - толщина полосы на входе в клеть и выходе из нее; М1 _ 1, М, - натяжения полосы перед и за клетью; т - коэффициент трения; Р1 - усилие прокатки.
У модели опорного валка зафиксировали сечения шеек, соответствующие сечениям подшипников, в
Р
которых действуют опорные реакции Я1 = К2 = —.
Шейкам модели рабочего валка, которые в реальной клети вместе с подшипниками и подушками свободно перемещаются в вертикальном направлении, обеспечили возможность такого же перемещения.
Это дало возможность определить с помощью сеточной модели координаты активной образующей рабочего валка, контактирующей с полосой в вертикальной плоскости, проходящей через оси валков (рис. 3).
Шлифовочную выпуклость опорного валка (разность диаметров в середине и у края бочки) варьировали в реальном диапазоне, предварительно установленном с учетом практического опыта: ЛОопшл = 0,3...0,6 мм. Шлифовочные выпуклости
рабочих валков определяли моделированием упругих деформаций валкового узла с помощью программы "ANSYS" для каждого варианта ЛД,пшл, исходя из
требования, чтобы при прокатке одновременно выполнялись два условия:
1. Исключение контакта краев бочек верхнего и нижнего рабочих валков (рис. 3):
^ - У, < ^, 2 L 2
(1)
где к зад = 0,28 мм - заданная номинальная толщина полосы.
2. Поперечная разнотолщинность полосы не должна превышать допускаемого значения, которое для листов автомобильного сортамента составляет 2 % от номинальной толщины:
Shnon = hc - ккр £ 0,02йзад
(2)
Рассчитанные по условиям (1), (2) шлифовочные выпуклости рабочих валков корректировали при прокатке, чтобы исключить появление неплоскостности на полосе, так как условие (2) не учитывает поперечную разнотолщинность горячекатаного подката.
Окончательные значения шлифовочных выпуклостей принимали с учетом возможности частичной компенсации разности между фактической и требуемой выпуклостями по условию плоскостности с помощью системы гидроизгиба рабочих валков.
В результате для промышленных испытаний приняли значение шлифовочных выпуклостей опорных
валков, не имеющих скосов, АОшл оп = 0,6 мм, а
шлифовочные выпуклости рабочих валков выполнили в соответствии с табл. 2.
Таблица 2
Шлифовочные выпуклости рабочих валков, в зависимости от ширины полосы и межперевалочной кампании валков, АВшл р , мм
Ширина полосы, мм Менее 1100 1100-1280 Свыше 1280
Начало кампании опорных валков + 0,1 - 0,05 - 0,1
Конец кампании опорных валков + 0,2 + 0,2 + 0,2
Как видно из табл. 2, при прокатке полос шириной более 1100 мм в начале кампании опорных валков без скосов требуются рабочие валки с вогнутой профилировкой. По мере износа опорных валков вогнутость уменьшают и в конце их кампании используют рабочие валки с выпуклостью 0,2 мм.
Промышленные испытания новых профилировок и их влияния на шероховатость холоднокатаных полос производили в 5-й клети 5-клетевого стана «1700» в течение трех месяцев - с ноября 2010 г. по январь 2011 г. За этот период в клети отработали 4 межперевалочные кампании опорных валков. Наработка за кампанию, в зависимости от качества материала валков и сложности сортамента, составила от 30 до 50 тыс. т. В конце кампании первоначальная выпуклость бочек опорных валков уменьшалась за счет их износа до 0-0,15 мм.
Основные результаты испытаний выпуклых опорных валков без скосов по краям бочки состояли в следующем.
1. Вненормативная шероховатость с показателем
Ra > 1,9 мкм на поверхности прикромочных участков полос шириной более 1400 мм исчезла сразу же после установки в 5-ю клеть опорных валков с новой профилировкой. От начала и до конца кампании опорных валков показатель Ra по всей ширине полос находился в диапазоне 1,5... 1,8 мкм, разница значений Ra в средней части и вблизи кромок не превышала 0,2.0,23 мкм, светлые полосы в прикромочных участках исчезли, т. е. широкие листы автомобильного сортамента стали полностью удовлетворять по шероховатости техническим условиям автомобильных заводов.
2. Увеличение отсортировки металла по неплоскостности и другим дефектам в период испытаний не наблюдалось, в том числе - при производстве листов минимальной толщины (до 0,28 мм) и ширины (990. 1015 мм).
На основании результатов промышленных испытаний выпуклые профилировки опорных валков без скосов на 5-й клети 5-клетевого стана «1700» и измененные выпуклости (вогнутости) рабочих валков были приняты к постоянному использованию в производстве.
Литература
1. Беняковский, М.А. Справочник. В 3 кн. Кн. 3. Технология прокатного производства / М.А. Беняковский, К.Н. Богоявленский, А.И. Виткин и др. - М., 1991.
2. Мазур, В. Л. Управление качеством тонколистового проката / В.Л. Мазур, А.М. Сарьян, И.Ю. Приходько, А.И. Яценко. - Киев, 1997.
3. Третьяков, А.В. Расчет и исследование прокатных валков / А.В. Третьяков, Э.А. Гарбер, Г.Г. Давлетбаев. -М., 1976.
4. Целиков, А.И. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3 т. Т. 3. Машины и агрегаты для производства и отделки проката: учеб. для вузов / А.И. Целиков, П.И. Полухин, В.М. Гребеник и др. - М., 1981.
УДК 517.958:621.74.047
З.К. Кабаков, Д.И. Бородин, И.Ю. Мазина
АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ПЛОСКОЙ ЗАГОТОВКИ НА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА
В статье приводится постановка и аналитическое решение двумерной задачи затвердевания плоской заготовки на горизонтальной установке непрерывной разливки.
Задача затвердевания, двумерная задача Стефана, аналитическое решение, непрерывное литье.
The article considers the statement and the analytical solution of a two-dimensional problem of flat blank solidification on a horizontal continuous-casting machine.
Solidification problem, Stefan two-dimensional problem, analytical solution, continuous casting.
Необходимым условием успешного развития лю- дернизация используемых в производстве техноло-бого металлургического предприятия является мо- гий и технического оснащения, а также внедрение
