книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

циклу изменения скорости главного привода за время тірокатки одного рулона. Во время паузы температура поверхности на 20— 40° С ниже, чем при установившейся скорости прокатки. Затем по

320

ки рулона) температура резко падает; иногда в первый момент пос­ ле замедления температура несколько повышается (на 2—3° С) и лишь затем начинает падать. Это явление объясняется прокаткой утолщенного конца полосы или поступлением тепла на поверхность валка из внутренних слоев, прогретых до более высоких темпера­ тур. Кроме того, во время прохождения сварного шва также на­ блюдается повышение температуры на 5—10° С (см. рис. 7.3).

Температура валков при установившейся скорости после пере­ валки сначала постепенно повышается и примерно через 20—60 мин (после прокатки нескольких рулонов) устанавливается на опреде­ ленном уровне. Цикл колебаний при этом также становится ста­ бильным; температура в периоды пауз, скорости нагрева и охлаж­ дения, а также перепад температур по длине бочки поддерживают­ ся на определенном уровне. Это свидетельствует о работе валка в установившемся температурном режиме.

Таким образом, при холодной прокатке даже установившийся' температурный режим валков является нестационарным. На осно­ вании опытных данных установлено, что средняя скорость нагрева на участке разгона двигателя составляет 20—30 град]мин. Сред­ няя скорость охлаждения на участках торможения при автомати­ ческом -отключении подачи эмульсии в паузах между рулонами (или при быстром ручном отключении) 25—35 град/мин; если же эмульсия не отключается в паузах, то 40—60 град/мин. Все это от­ рицательно сказывается на стойкости валков.

Максимальная температура валков при установившейся скоро­ сти находится в интервале от 40—50 до 120—130° С и при прочих равных условиях зависит от марки стали и режима обжатий. Су­ щественное влияние на температуру и ее распределение вдоль боч­ ки валков оказывают количество и температура эмульсии, подавае­ мой на середину и края бочки, профиль и разнотолщинность под­ ката, профилирование валков и другие факторы.

Неравномерность температуры по длине бочки валков при нор­ мальной работе стана находится в следующих пределах: разность температур между серединой и краем бочки — 5—25° С, между пра­ вым и левым краем—-0—5° С, причем последнюю целесообразно свести до минимума, так как при одинаковой температуре левого и правого торцов бочки условия деформации и устойчивость про­ катки значительно улучшаются.

Температура в середине бочки может быть выше или ниже, чем по краям. Максимальной величины эта неравномерность достигает

В результате выполненных исследований установлена следую­ щая важная особенность температурного режима валков, отмечаю­ щаяся при скоростях прокатки 3 л«/сек и'более: несмотря «а то, что в каждый момент времени тепло к валку поступает с одной сторо­ ны, а отводится с другой, температура всех точек наружной поверх-

ности бочки вследствие вращения валка изменяется одновременно, т. е. распределение температуры в валке можно считать симметрич­ ным относительно его оси.

Lg, мм

Рис. 7.4. Распределение температуры по длине бочки валков:

Следует отметить, что каждой марке стали при одинаковых ус­ ловиях охлаждения и режиме обжатий соответствуют вполне опре­

322

лах 50—70° С. При этом распределение температуры валков по кле­ тям находится в соответствии с режимом обжатий (рис. 7.5).

Исследование температуры поверхности валков было проведено в летних и зимних условиях с целью установления влияния темпе­ ратуры окружающей среды на тепловой режим. Из эпюр, показан­ ных на рис. 7.4, видно, что температура валков в летнее время за­ метно выше (на 10—15°С), чем в зимнее. Если это представляется вполне естественным, то заслуживает внимания и тот факт, что на кривых, полученных в зимних условиях, перепад температур по дли­ не бочки больше, чем на кривых, полученных летом. Объясняется это, очевидно, разницей в условиях теплоотдачи от бочки к шейке: шейка валка более чувствительна к изменениям температуры воз­ духа, чем 'бочка, и в зависимости от температуры воздуха в цехе создаются различные условия теплоотдачи, влияющие в первую очередь на температуру краев бочки валка. Указанные закономер­ ности достаточно ярко проявляются на наиболее нагруженных кле­ тях— I I и I I I .

Была установлена качественная зависимость характера распре­ деления температур по длине валка от ширины прокатываемой по­ лосы: чем меньше ширина полосы, тем больше перепад температур по длине бочки валка.

Измерения температуры поверхности валков не только в мо­ мент вывалки, но и через определенные промежутки времени после нее дали возможность проанализировать процесс охлаждения по­ верхностных слоев валка в зависимости от различных факторов. Кинетика охлаждения зависит от температуры окружающей среды (воздуха) : чем выше температура воздуха в цехе, тем меньше тем­ пературный перепад на границе раздела металл — воздух и менее интенсивна теплоотдача.

При перепаде температуры по длине бочки в пределах 5—7° С происходит сравнительно равномерное охлаждение всей поверхно­ сти. Этот перепад сохраняется постоянным вплоть до полного охлаждения края бочки валка. В том случае, когда температурный перепад превышает указанный, в начальный период охлаждения валка происходит более интенсивное охлаждение середины бочки. Разность температур между серединой и краями бочки довольно быстро достигает величины 5—7° С, после чего продолжается срав­ нительно равномерное охлаждение всей ее поверхности. При мень­ ших значениях температурного перепада наблюдается обратная ка-ртина: вначале более интенсивно охлаждается край бочки, пере­ пад температур вновь устанавливается в указанных пределах, пос­ ле чего скорость охлаждения всей поверхности валка постоянна.

Следует отметить, что в большинстве случаев перепад темпера­ тур выше 5—7° С, поэтому процесс охлаждения бочки валка проис­ ходит одновременно с выравниванием температурной кривой, т. е., другими словами, середина бочки остывает несколько быстрее, чем края (рис. 7.6). Наличие осевого канала в валке практически не ускоряет охлаждения последнего (рис. 7.7). Почти вся теплоотдача совершается через поверхность бочки, а не через поверхность осе-

t

вого канала, так как сами поверхности отличаются по площадям и, кроме того, теплоотдача с поверхности положительной кривизны всегда больше, чем с отрицательной.

Описанные методы измерения температур в валках холодной прокатки не дают ответ на вопрос о температуре валка в очаге де-

Рнс. 7.6. Распределение температуры по поверхности валка в зависимости от времени охлаждения

формации и о мгновенных температурах, развиваемых в различных участках валков в процессе эксплуатации. Этому вопросу посвяще­ ны работы, выполняемые в настоящее время Московским институ­ том стали и сплавов.

Приведенные исследования, а также работы (196, 197] позволили установить отсутствие пропорциональности между тепловой выпук­ лостью и температурой поверхности валка. Такая инерционность теплового профиля при охлаждении валка, в основном с поверхно­ сти бочки, снижает эффективность и сужает диапазон возможного регулирования профиля валков в процессе прокатки за счет изме­ нения количества подаваемой на валки эмульсии.

Очевидно, можно повысить эффективность охладителя, которая исчерпывается при поверхностном способе охлаждения. Так, опыты

324

по определению влияния дополнительного охлаждения через осевой канал показали возросшую эффективность охладителя. Исследова­ ния * проводили на 3-клетевом непрерывном стане холодной про­ катки при диаметре рабочих валков 520 и длине бочки 812 мм. Вал­ ки объемно-закаленные с одинаковой исходной твердостью поверх­ ности бочки. Условия эксплуатации валков с комбинированным и поверхностным охлаждением были совершенно одинаковыми. Опыт­ ные валки охлаждали с поверхности эмульсией, внутри — водой. Эксперименты показали, что температура бочки валков при комби­ нированном охлаждении на 50° С ниже температуры бочки валков, работающих только с наружным охлаждением.

Результаты экспериментов сведены в табл. 7.5. Видно, что стой­ кость валков с комбинированным охлаждением на 12% выше сред­ ней стойкости валков с поверхностным охлаждением. У валков при

тах объемной задачи теплопроводности для сеток с равномерным

Э. A. Г a p б e p. Автореферат диссертации. M . , 1965.

325

+ ( І 7 + 2 ^ ) П + 1 ' Л Л * + ^ ( П " / + 1 - Л * + 7 ' І ' у - 1 ' / ' * ) +

Для определения тепловой выпуклости валков и температурного стационарного поля нередко применяют метод электрических ана­ логий. При этом поле электрического потенциала в электропровод­ ной бумаге (пластине) при подаче напряжения к ее торцам ана­ логично температурному полю в теплопроводной пластине с адиа­ батическими поверхностями при задании температур на торцах, если обеспечено подобие граничных условий и подобие распределе­ ния коэффициентов электротемпературопроводности [169].

ных полей в прокатных валках. Задание граничных условий и изме­ рение потенциалов электрического поля производили на серийном аналоговом интеграторе ЭГДА-9/60. С помощью компенсационной схемы моста постоянного тока на поверхности модели щупом оты­ скивали линии равных потенциалов, соответствующие линиям изо­ терм в реальном валке.

Моделирование проводили при задании граничных условий, оп­ ределенных промышленным экспериментом. На основании резуль­ татов моделирования температурное изменение по радиусу опреде­ ляли по формуле

измерения последних. Это подтверждает удовлетворительную точ­ ность моделирования распределения температур на электроинтегра­ торе ЭГДА-9/60.

Типовые стационарные поля в осевых сечениях рабочего и опор­ ного валков стана 2500, определенные методом моделирования, по­ казаны на рис. 7.8 и 7.9. Видно, что распределение температур в опорном валке резко отличается от распределения температур в ра­ бочем за счет влияния подшипников жидкостного трения.

При раслете нестационарных температурных полей удалось установить, что в случае образования навара при холодной прокат­

326

При исследовании возможностей интенсификации охлаждения установлено, что охлаждение трефа опорного валка горячей про­ катки существенно не влияет на распределение температур в боч-

1617/â20*23,S 2730 33 36 За 4/

гспттташММ

Рис. 7.8. Стационарное температурное поле (°С) в осевом сечении рабочего валка стана 2500, определенное с использованием мето­ да ЭГДА

ке. Кроме того, уменьшение температуры охлаждающей жидкости также малоэффективно.

При установлении рассмотренных закономерностей В. Н. 3 а в е - р ю х о й в дополнение к известным аналитическим выражениям ин­ тенсивности теплопередачи от полосы и тепловыделений в подшип-

25 30 J4 35 36 35 34 30 25 2018.15 /4 12 1110

Рис. 7.9. Стационарное температурное поле (°С) в осевом сечении опорного валка стана 2500, определенное с использованием мето­ да ЭГДА

Рис. 7.10. Нестационарное температурное поле в радиальном сечении рабочего валка через 2 сек после застревания полосы (или образования на­ вара), определенное путем цифрового моделирова­ ния

никах предложены абстрактно-математические модели других ис­ точников тепла [169].

Согласно современным представлениям о закономерностях ме­

выражается работой рассеяния энергии упругих циклических де­ формаций за цикл нагружения Q% = sxxm (sx — путь), определяемой амплитудой изменения максимального касательного напряжения т, постоянными st, m, долей тепловыделений в общем количестве рас­ сеиваемой энергии [кэ в выражении (7.3.4) обозначают механиче­ ский эквивалент тепла, о/ — угловую скорость].

Высокие скорости холодной прокатки, степенная зависимость <7тр.вН от т и соизмеримость действующих напряжений с пределами текучести делают необходимым учет этой составляющей теплового баланса.

Интенсивность тепловыделений вследствие трения в контакте ва­ лок— полоса

Тепловыделение при перекатывании приводного рабочего и не­ приводного опорного валков обусловлено трением скольжения с ка­ чением на контакте и внутренним трением их материалов. Интен­ сивность тепловыделения от трения скольжения по контакту ва­ лок— валок (по данным В. Н. З а в е р ю х и )

зависит от среднего коэффициента трения по нормальному давле­ нию / т р , погонного давления q, скорости вращения валков ѵ, обоб­ щенных механических показателей А и В материала валков, при­

го цилиндра по абсолютно упругому полупространству.

Результаты исследований и расчетные методы, приведенные вы­ ше, могут быть использованы для уточненных решений задач об определении интенсивности источников тепловыделения по контак­ ту валок— валок и валок — полоса.

328

Существенное влияние указанных источников на неравномер­ ность температурного поля было подтверждено на модели опорного валка с вращающимся бандажом. Была получена асимметричная картина изохром от температурных напряжений в радиальном сече­ нии неподвижной оси валка, возникающих вследствие тепловыделе­

термического происхождения. После снятия давления обнаружили

1700

Д В А Б Г £

• О

420 \172\172\172\172\172

Рис. 7.11. Расположение датчиков для измерения температуры по объему валка:

картину изохром термического происхождения, которая затем ис­ чезла по мере выравнивания температурного поля.

Рассмотренные выше работы представляют большой практиче­ ский интерес. Однако авторы этих работ ограничивались, как пра­ вило, выяснением значений температуры на поверхности бочки. Ис­ тинная картина температурных полей по объему валка, особенно при нестационарном режиме, исследовалась приближенно с исполь­ зованием целого ряда допущений.

Между тем наличие данных о температурных полях в валке, а также о колебаниях теплового профиля в зависимости от условий теплообмена (скорости прокатки, интенсивности подачи эмульсии, продолжительности пауз и пр.) позволяет более обоснованно учи­ тывать роль тепловых напряжений в явлении усталости поверхно­ стных слоев материала валков и обеспечивать наиболее рациональ­ ный режим охлаждения. Очевидно, что характер температурных полей чувствителен к настройке стана. Поэтому возникает необхо­ димость более тонкого регулирования охлаждения валков, чтобы исключить возможность даже кратковременного появления растя­ гивающих напряжений в приконтактных зонах.

На непрерывном четырехклетевом стане 1700 холодной прокатки Ждановского металлургического завода им. Ильича было исследо- Еано распределение температуры в рабочем валке в процессе про­ катки [200]. Для этой цели был изготовлен валок из стали 9Х2МФ (500X1700 мм), имеющий помимо осевого канала радиальные от­ верстия диаметром 8 мм (рис. 7.11). Твердость поверхности бочки

329