CC BY
116
УДК 621.771.073.9
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ РАБОЧИХ ВАЛКОВ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ А.А. Астахов, И.П. Мазур
Для сокращения парка прокатных валков их необходимо перешлифовывать в горячем состоянии. Для этого нужно учитывать тепловое расширение валков. Разработана твердотельная модель, позволяющая прогнозировать тепловой профиль валка после рабочей кампании. Модель используется для создания алгоритма формирования профиля 8-образных валков при шлифовании в горячем состоянии, обеспечивающего минимальное отклонение профиля в холодном состоянии от требуемого
Ключевые слова: горячая прокатка, профиль валков, моделирование теплового состояния
В настоящее время к металлопродукции предъявляют все большие требования по качеству проката. Основным критерием качества полос и листов является плоскостность, которая обеспечивается системой автоматического управления профилем и плоскостностью полосы (PFC).
В алгоритмах PFC используется профилировка рабочих валков, которая задается в зависимости от программы прокатки и шлифуется между монтажными партиями. Темп перевалок определяется количеством прокатанного металла за рабочую кампанию, как правило, 2-2,5 тыс. тонн металла, а при прокатке труднодеформируемых марок сталей 1-1,5 тыс. тонн, что во временном эквиваленте составляет от 3-х до 6-и часов. Необходимость поддержания непрерывности работы стана горячей прокатки требует наличия не менее 7ми комплектов рабочих валков клетей чистовой группы, находящихся в разное время на различных стадиях эксплуатации и подготовки к работе. Значительную часть времени между вывалкой и завалкой в клеть, валок находится на складе для выравнивания температуры по длине бочки (рис. 1). Сократить парк рабочих валков можно за счет их переточки в горячем состоянии, минуя стадию остывания. Для этого необходимо учитывать тепловое расширение, возникающее вследствие контакта валка с нагретой полосой, после каждой рабочей кампании.
Астахов Александр Анатолиевич - ЛГТУ, магистрант, тел. 8-904-696-44-19, e-mail: emiUcroff@maiLru Мазур Игорь Петрович - ЛГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: mazur_ip@mail.ru
i 1 "1----------------------------------Т-----------------------------------Т------------------------------------7----------------------------------------1-----------------------------------1------------------------------------1
1 2 3 4 5 0
Рис. 1. Цикл эксплуатации рабочего валка: 1 - рабочая кампания; 2 - вывалка; 3 -демонтаж валковых опор; 4 - выравнивание температуры; 5 - сборка валковых опор; 6 -завалка в клеть
На современных станах горячей прокатки в клетях, оборудованных осевой сдвижкой, валки имеют 8-образную профилировку, которая при переточке на шлифовальном станке задается в виде коэффициентов полинома п-й степени. Коэффициенты являются функциями межвалкового зазора, величины осевой сдвижки, длины бочки валка и т.д. Для учета влияния теплового профиля на исходный профиль валка необходимо определить
корректирующие коэффициенты, которые в дальнейшем нужно занести в память шлифовального станка. Эти коэффициенты должны выражать зависимость тепловой выпуклости валка из-за контакта с нагретым металлом.
В настоящее время перешлифовка рабочих валков ведется по методике определения коэффициентов полинома 8-образных
профилировок [1]. Так, 8-образные профилировки валков, описываемые
полиномом 3-й степени, представлены в виде кривых
уе(х) = ахх + а2х2 +а3х3, (1)
где х - координата по длине бочки валка от стороны перевалки к приводной стороне с началом координат на краю бочки валка; а{ -коэффициент полинома. Верхняя образующая нижнего валка развернута относительно нижней образующей верхнего на 180°.
При перешлифовке 8-образных валков в горячем состоянии применяется корректировка профилировки с учетом температуры. Для этого величины коэффициентов а! и а2 в полиноме профиля валка увеличивают на /V/ = 21<аМс //. (2)
и Да, = 2КаАіс / її ^
соответственно, а коэффициент а3 уменьшают на
Ла3 - 211аЫс / Ь3, (4)
где Я - радиус бочки валка; Ь - длина бочки валка; «—коэффициент линейного температурного расширения материала валка; А/ — разность поверхностной температуры в
середине и полусуммы температур на краях бочки валка, округляемая до величины, кратной 10 °С.
Данная методика не позволяет дать точной оценки тепловой выпуклости валка, так как измерение температуры проводят всего по 3-м точкам, к тому же имеет место округление разности температур, что приводит к снижению точности полученного результата. На рис. 2 представлено сравнение реального профиля валка в горячем и холодном состоянии с прогнозируемым профилем по существующей методике. Кроме того, тепловой профиль далеко не всегда изменяется по известному закону, и его наложение происходит на сложную полиномиальную форму профиля валка, поэтому оценку необходимо проводить хотя бы по 5-7 точкам измерения температуры, а также учитывать среднюю ширину прокатанных за кампанию полос.
Координатапо длине бочки валка, мм
Реальный в горячем состоянии ---Прогнозируемый по существующей
Требуемый вхолодном состоянии --Прогнозируемый по существующей
методике (вхолодном СОСТОЯНИИ'
Рис. 2. Сравнение прогнозируемого профиля валка с требуемым
Для оценки тепловой выпуклости валков после перевалки на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК» были проведены исследования кампании рабочих валков. Получены данные о профилях и температурах горячих валков после вывалки из клети, профилях и температурах тех же остывших валков. Профили валка в горячем и холодном состоянии измерялись на станке «Herkules». Тепловой профиль валка определялся путем вычитания значений профиля холодного валка из значений профиля горячего в каждой точке измерений.
Для разработки твердотельной модели рабочего валка, а также моделирования его теплового состояния использовалась CAD/CAE-система SolidWorks. В качестве прототипа для создания модели являлся валок клети с осевой сдвижкой непрерывного широкополосного стана горячей прокатки 2000 с диаметром 820 мм и длиной бочки 2300 мм.
Для исследования теплового состояния в качестве начальных условий задавалось исходное температурное поле валка перед завалкой в клеть. Изменяющиеся условия теплообмена задавались при помощи переменных граничных условий, которые отражают взаимодействие валка с окружающей средой, а именно контакт с нагретой полосой, конвективное охлаждение на воздухе и под водяными струями системы охлаждения валков. Таким образом, один оборот валка представлен в виде участков, где действуют неизменные граничные условия (рис. 3) [2].
После вывалки и подготовки к шлифованию граничные условия по всей поверхности одинаковы и характеризуются конвективным охлаждением на воздухе. По результатам теплового расчета формировался тепловой профиль валка. При расчёте учтена зависимость коэффициента теплопроводности материала ролика X от температуры Т, в виде кусочно-линейной функции [3].
Для реализации задания переменных граничных условий было необходимо определить:
- время одного оборота валка;
- время контакта валка с нагретой полосой, окружающим воздухом и охлаждающей водой;
- общее число оборотов валка за рабочую кампанию.
Определение этих условий занимает много вычислительного времени, поэтому для сокращения продолжительности расчетов и упрощения процесса задания граничных условий осуществлялось объединение полос в размерные группы по средней ширине. Для
этого определяли среднюю ширину в
размерной группе
5 =]/у'—’ (5)
" 1 &В,
где С1 — доля полос в группе шириной В .
Время одного оборота валка Г0
принималось равным времени прокатки всей полосы. Время контакта валка с каждой из зон во время прокатки { - й полосы
360 1
где к - число зон контакта (рис. 3); (рк, к= 2-6
угол контакта валка с каждой из зон, а угол
контакта полосы с валком (р = (X.
Время контакта валка с каждой из зон во время прокатки всей размерной группы
п
г,=2Х- ,7)
1=1
где у - номер размерной группы.
Средняя по размерной группе температура полос
і "
т =-Ут
(8)
где Т — температура каждой полосы в
размерной группе.
Результаты задания граничных условий представлены в таблице.
Рис. 3. Схема теплообмена в системе «полоса-валок»
Таблица 1
Граничные условия на поверхности валка
Номер зоны Центральный угол Граничные условия
Обозначение Величина, град Среда Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) Температура среды, °С
1 а полоса 5000 Т 3
2 (р2 110 воздух 15 ¿возд
3 <Ръ 35 вода 500 ¿вод
4 % 85 воздух 15 ¿возд
5 <Рь 35 вода 500 ¿вод
6 (Рб 75 воздух 15 ¿возд
7 <Рп 20 - (рх вода 500 $вод
и
Разработанная модель обладает достаточной точностью для прогнозирования теплового состояния рабочего валка после заданной рабочей кампании, что дает возможность заменить сбор опытных данных результатами моделирования. В качестве примера работоспособности модели на рис. 4 приведено сравнение прогнозируемого распределения температуры по длине бочки валка с измеренной температурой после вывалки из клети.
£ Координата по длине бочки валка, мм
Рис. 4. Сравнение прогнозируемой и измеренной температуры по длине бочки валка
Модель используется для разработки алгоритма формирования профиля 8-образных валков при шлифовании в горячем состоянии. Рассчитанный на модели тепловой профиль валка накладывается на исходную станочную профилировку валка, тем самым получается профиль в горячем состоянии. Далее осуществляется подбор корректирующих коэффициентов полинома таким образом, чтобы отклонение профиля валка после остывания было минимальным. Это позволит шлифовать валки в горячем состоянии и приведет к сокращению парка рабочих валков, а также к повышению точности регулирования профиля прокатываемых полос.
Литература
1. Способ подготовки рабочих валков клетей с
осевой сдвижкой: пат. 2370330 Рос. Федерация: МПК В21В28/02, Бельский С.М. ; патентообладатель ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». - №
2008109309/02 ; заявл. 11.03.2008 ; опубл. 20.10.2009. - 7 с.
2. Мазур И.П. Развитие теории и совершенствование технологии производства листового проката на литейнопрокатных комплексах : дис. док. тех. наук (05.16.05 -обработка металлов давлением) / И.П. Мазур ; науч. консультант С.Л. Коцарь. - Липецк: ЛГТУ, 2003. - 316 с.
3. Журавлёв В. И., Николаева О. И.
Машиностроительные стали: Справочник. 3-е изд.
перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981. - 391 с.
Липецкий государственный технический университет
DEVELOPMENT OF A MODEL FOR RESEARCH OF A THERMAL CONDITION OF THE WORKING ROLLS OF THE HOT ROLLING MILLS A.A. Astakhov, I.P. Mazur
To reduce the park of working rolls they need to be grinding in hot condition. This requires taking into account the thermal expansion of the rolls. Developed a solid model which allows predicting the thermal profile of a roll after a labour campaign. The model is used to create an algorithm for the formation of a S-shaped profile rolls grinding operation in hot condition, the minimum deviation profile in a cold condition of the required.
Key words: hot rolling, roll profile, modelling the thermal state of the rolls
