CC BY
12В.В. Сальков
ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»
В.Ю. Рубцов
АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»
О.И. Шевченко
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Нижнетагильский технологический институт (филиал)
Д.И. Кинзин
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ БУРТОВ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
Аннотация. В статье рассматривается методика расчета прочности буртов прокатных валков сортовых станов, основанная на известных формулах сопротивления материалов. Применение этой методики, в отличие от распространенного на практике и предлагаемого в литературе выбора рекомендуемых значений ширины бурта, позволяет определить минимально-допустимую ширину бурта с условием сохранения его прочности. Простора расчетов, в отличие от метода конечных элементов, дает возможность определять ширину бурта сразу на этапе проектирования с учетом варьирования всего комплекса параметров калибровки. На примере калибровки швеллера 30П, используемой на рельсобалоч-ном стане, произведен расчет допустимой ширины прочности буртов по каждому проходу. Согласно полученным результатам, допустимая ширина буртов не прямо пропорциональна глубине вреза калибра, как это упрощенно принимается на практике. Проведен анализ результатов расчетов и практических данных о разрушениях буртов. Применение разработанной методики дает возможность более рационально использовать рабочее пространство валка.
Ключевые слова: условие прочности буртов, прокатный валок, калибр, ручей, калибровка швеллеров.
Введение
Валки всех видов и размеров являются основными рабочим инструментом сортопрокатных станов. На прокатные валки может приходиться до 15% всех расходов по прокатному переделу, а при производстве фасонных профилей большого размера расходы на валки могут доходить до 30% и более [1]. Поэтому задача повышения ресурса прокатных валков является актуальной на пути снижения расходов в прокатном переделе [2].
Важным аспектом, определяющим ресурс валка, является ширина буртов между калибрами и на краю бочки валка, т.к. от этого параметра зависит количество калибров, размещаемых на бочке валка. Поэтому правильное определение минимально-допустимой ширины бурта является важной задачей. Ошибка в определении ширины бурта в большую сторону может привести к сокращению количества калибров на бочке валка, а ошибка в меньшую сторону приведет к поломке бурта, и в случае бурта между калибрами к потере сразу двух калибров. Определение минимально-допустимой ширины бурта актуально даже при производстве сортового проката простой формы (особенно для ребровых калибров с большим врезом в валки), но особую важность эта задача приобретает при производстве фасонных профилей, когда ценность каждого калибра существенно возрастает.
Одним из самых распространенных фасонных профилей проката является швеллер, производство которого характеризуется разнообразием схем калибровок, неравномерностью деформации и температуры по элементам профиля. В зависимости от геометрии готового профиля и схемы калибровки, форма поперечного сечения бурта может варьироваться от
прямоугольной и трапецеидальном, до криволинеинои с несколькими переменными параметрами.
В настоящее время вопрос выбора ширины буртов практически на рассматривается в профессиональной литературе. Практически единственной рекомендацией при выборе ширины бурта является то, что для стальных валков ширина бурта должна быть не менее 0,75 от глубины ручья, а для чугунных валков не менее глубины ручья [3-6]. Ширина крайних буртов должна быть в 1,5-2 раза больше ширины буртов между калибрами, либо определяться конструктивно в зависимости от условий расположения привалковой арматуры.
Однако данные рекомендации были выработаны достаточно давно исходя из практики эксплуатации валков и на сегодняшний день не столь актуальны как раньше, в силу того, что в современной практике прокатного производства для производства валков стали повсеместно использоваться новые высокопрочные легированные чугуны и стали [7-11]. Это дает основания пересмотреть существующие рекомендации по выбору ширины буртов, а также подойти к этому вопросу с более обоснованной в научном плане стороны.
Далее представлена разработка методики определения минимально-допустимой ширины буртов на примере производства швеллера 30П.
Разработка методики расчета прочности буртов
При прокатке фасонных профилей, расположение калибров чаще всего производится с учетом рационального использования рабочей поверхности бочки валка [12, 13]. При определении рациональности использования поверхности валка учитывается количество проходов в каждом калибре, согласно схемы прокатки, определяется наиболее изнашиваемый калибр и далее расчет ресурса валков ведется относительно данного калибра, либо устанавливается дублирующий калибр. Помимо этого, под рациональностью понимают расположение калибров таким образом, когда минимизируется время перемещения металла между проходами. Разрушение бурта приводит к мгновенному выходу валка из работоспособного состояния, поэтому рациональность распределения важна не только из соображений технологичности, но и прочности валка.
Для определения прочностных характеристик валка требуется определение энергосиловых параметров процесса прокатки и геометрических размеров очага деформации. Важнейшим параметром является площадь контакта металла с боковой поверхностью бурта. Для определения площади контакта достаточными параметрами являются радиус бочки валка и приведенная глубина вреза. В большинстве профилей корреляция значений, при нахождении контактной площади, достаточна для проведения дальнейших расчетов. На примере расчета прочности валка для производства швеллера 30П (рис. 1) были рассмотрены основные геометрические параметры определения площади контакта раската с поверхностью бурта.
Было принято, что площадь контакта металла с буртом можно с достаточной точностью рассматривать как площадь сегмента [14]:
F = 1(Ш-c{R - h)); (1)
l = Rp ; (2)
R - h
p = zarceos-; (3)
R
c = 2y¡h(2R - h) ; (4)
где: F - площадь контакта металла с буртом; R - радиус валка по вершине бурта; h - глубина вреза калибра; l - длина дуги сегмента; p - центральный угол сегмента; c - хорда сегмента.
Рис. 1. Схема приложения усилий на бурт
Полное усилие, оказываемое на бурт, составит:
Р = р¥;
(5)
где: р - среднее нормальное контактное напряжение, которое можно определить по известным методиками [4, 15].
Координату точки приложения силы, действующей на бурт, будем определять по формуле [14]:
с3
У = — + к - Я. 12 ^
Изгибающий момент в критическом сечении: Момент сопротивления бурта:
Миз = РУ .
Ж =
ь 6
Напряжение в критическом сечении бурта составит:
а =
М„
МУ '
а условием прочности бурта является неравенство [5]:
[а]
а <
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
где: [а] - допустимое напряжение на изгиб материала валка, к - коэффициент запаса проч-
ности.
Отсюда ограничение на ширину бурта определяется формулой:
Ь >
1
6Миз к
(11)
Для примера были выполнены расчеты прочности буртов при прокатке швеллера 30П на стане 800 рельсобалочного цеха Нижнетагильского металлургического комбината (рис. 2). Материал валков первой клети, это сталь 60ХН, а второй и третьей - чугун СШХНМ-45. Коэффициент запаса прочности был принят равным пяти. Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Рис. 2. Калибровка швеллера 30П
Таблица 1
Расчет допустимой ширины бурта при калибровке швеллера 30П
Номер калибра I II III IV V VI VII
Радиус бочки по вершине бурта, мм 540 535 477,5 511 473 503 522,5
Глубина вреза калибра, мм 167 151,5 90 124 84 115 112,5
Длина дуги сегмента, мм 872 8254 595 727 572 693 698
Центральный угол сегмента, град 92 88 71 81 69 79 76
Длина хорды, мм 781 746 558 667 538 640 647
Площадь контакта, мм2 90003 77740 34141 56630 30691 50293 49702
Среднее контактное напряжение, МПа 157.9 180.6 231.3 169.5 207.9 171.2 240.7
Сила давления на бурт, кН 14211 14040 7897 9598 6380 8610 11963
Координата точки приложения силы, мм 68 61 36 50 34 46 45
Изгибающий момент бурта, кНм 966 865 289 484 218 402 547
Предел прочности материала валка, МПа 900 900 900 1100 1100 1100 1100
Допустимая ширина бурта, мм 203 196 131 140 105 130 151
Отношение ширины бурта к глубине вреза 1,215 1,294 1,455 1,129 1,25 1,13 1,342
Из полученных результатов видно, что расчетная ширина бурта при калибровке валков для швеллера 30П, варьируется от 105 до 203 мм и зависит от глубины вреза не прямо пропорционально, как принято в литературе, что говорит о необходимость применения расчетного метода для каждого бурта в отдельности. Например, в III калибре при глубине вреза 90 мм, расчетное значение допустимой ширины бурта составило 131 мм, а в V калибре, при глубине вреза 115 мм, расчетное значение допустимой ширины бурта составило 130 мм.
Первоначально при разработке калибровки швеллера 30П ширина буртов составляла от 160 до 180 мм и при опытных прокатках наблюдались разрушения буртов первого калибра. В дальнейшем расчеты минимально допустимой ширины бурта первого калибра показали, что она составляет 203 мм. Увеличение ширины бурта первого калибра до 210 мм позволило предотвратить поломки в дальнейшем.
Выводы
Разработанная методика расчета минимально-допустимой ширины буртов позволяет более равномерно распределить нагрузку по буртам валка и, соответственно, предотвратить поломки буртов и более рационально использовать бочку валка, что повышает ресурс валков. В отличие от метода конечных элементов, используемого в ряде программных комплексов автоматизированного проектирования, данный метод позволяет получать результаты практически моментально, что дает возможность использовать его сразу на этапе проектирования калибровки.
Библиографический список
- Kinzin D.I., Levandovskiy S.A. Management of rolls handling facilities of long products shop // Kalibrovochnoe Byuro, 2019. № 14. P. 5-10. URL: http://passdesign.ru/namber14.
- Вагнер Д. Контроль качества при производстве валков с использованием SCADA-системы // Черные металлы, 2017. № 4. С. 58-60.
- Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. М.: Металлургия, 1962. 496 с.
- Калибровка прокатных валков: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / В.К. Смирнов, В.А. Шилов, Ю.В. Инатович. М.: Федеральное агентство по образованию, Уральский гос. технический ун-т - УПИ, 2008. 490 с.
- Королев А.А. Конструкция и расчёт машин и механизмов прокатных станов. М.: Металлургия, 1985. 376 c.
Клесников А.Г., Яковлев Р.А. Конструкция и расчет прокатных валков. М: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2007. 67с. Fukushima S. High-accuracy Profile Prediction Model for Mixed Scheduled Rolling of High Tensile Strength and Mild Steel in Hot Strip Finishing Mill / Suguhiro Sukushima at al. // Nipon steel & sumitomo metal technical report, 2016. № 111. P.3—11.
Nilsson M. Microstructural, mechanical and tribological characterization of roll materials for the finishing stands of the hot strip mill for steel rolling // Wear, 2013. № 307. P.209—217. Ganesh D. Shinde, Laukik P. Raut. An Optimal Design Approach for Adamite Hot Rolling Mill Roll // International Journal of Advance Engineering and Research Development, 2015. № 2. Vol. 2. P. 161—169.
Guo X.P., Zhou S. Investigation of Strength and Dynamic Characteristics for the Rolling Mill // Advanced Materials Research, 2013. Vol. 706—708. P. 1405—1408.
Новые графитизированные HSS-материалы для валков чистовых клетей / Х. Цыбил [и др.] // Черные металлы, 2016. № 5 (1013). С. 47—50.
Кинзин Д.И., Завьялов К.А., Назаров Д.В. САПР калибровки валков как инструмент повышения качества сортового проката // Сталь, 2009. № 3. С. 81—82. Исаевич Л.А., Иваницкий Д.М., Сидоренко М.И. Прочностной расчет бандажированно-го валка для асимметричной прокатки // Литье и металлургия, 2016. № 3 (84). С. 105—110.
Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. 8 издание, Т. 1. М.: Машиностроение, 2001. 920 с.
Бердиев Д.М. Определение контактных напряжений при прокатке / Д.М. Бердиев [и др.] // В сборнике: Техника и технологии машиностроения материалы VI международной конференции, 2017. С. 15—19.
- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•
V.V. Salkov
PJSC VSMPO-AVISMA Corporation V.Yu. Rubtsov EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant
O.I. Shevchenko
Nizhny Tagil Institute of Technology (branch) UrFU
D.I. Kinzin
Nosov Magnitogorsk State Technical University METHOD FOR CALCULATION OF THE STRENGTH OF ROLL COLLARS
Abstract. The article discusses a method for calculating the strength of the roll collars for section mills, based on known formulas for the resistance of materials. The use of this technique, in contrast to the choice of recommended collar widths, which is common in practice and proposed in the literature, makes it possible to determine the minimum allowable collar width with the condition of maintaining its strength. The scope of calculations, in contrast to the finite element method, makes it possible to determine the width of the shoulder immediately at the design stage, taking into account the variation of the entire complex of roll pass design parameters. On the example of the calibration of a 30P channel used on a rail and beam mill, the calculation of the allowable width of the strength of the collars for each pass was made. According to the results obtained, the allowable width of the collars is not directly proportional to the depth of the groove, as is simply accepted in practice. The analysis of the results of calculations and practical data on the destruction of collars was carried out. The application of the developed technique makes it possible to more rationally use the working space of the roll.
Keywords: collar strength condition, rolling roll, calibre, groove, channel pass design.
