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

Для выяснения уровня тепловых напряжений в зависимости от величины и знака температурного перепада между поверхностью бочки валка и поверхностью осевого канала были проведены рас­ четы по приведенным формулам. Расчеты выполнили для рабочего валка диаметром 500 мм при относительных размерах осевого ка­ нала ^ = r1 /r2 = 0,15; 0,20; 0,24 * в широком диапазоне перепада тем­ ператур (от —100 до +120 град) при помощи ЦВМ.

Рис. 7.21. Распределение тепловых напряжений по сечению валка при температурном перепаде между поверхностями бочки валка и осевого канала +40° С

(а)и —100° С (б). Значение k=0,2

На рис. 7.21 показаны эпюры тепловых напряжений, построен­ ные по результатам расчета. Если принять, что температура по­ верхности осевого канала приближенно равна температуре охлаж­ дающей жидкости, т. е. 20—30° С, то температурный перепад между поверхностью бочки валка и поверхностью осевого канала составит 30—40 град; эпюры напряжений, соответствующих этому случаю, представлены на рис. 7.21, а.

Тангенциальные а< и осевые oz напряжения сжатия локализо­ ваны ближе к поверхности бочки валка, и величина их не превыша­ ет 40 Мн/м2 (400 кГ/см2) (на поверхности бочки). Таким образом,

* Диаметр валка не влияет на результаты расчета, так как в приведенных формулах используется только относительная величина осевого канала.

340

при установившемся режиме тепловые напряжения в рабочих вал­ ках не представляют особой опасности для валков.

Большую опасность для валка представляет быстрая смена ус­ ловий нагрева и охлаждения. В результате нарушений технологи­ ческого процесса может 'произойти значительное увеличение темпе­

маясь, вызывают растягивающие напряжения в поверхностных сло­ ях (см. рис. 7.21, б). Эти напряжения при возобновлении прокатки увеличат эквивалентное напряжение; при этом значительно возрас­ тет вероятность появления отколов рабочей поверхности.

Это еще раз подтверждает целесообразность автоматической отсечки подачи эмульсии при остановках стана; падению темпера­ туры поверхности можно препятствовать также холостым прокру­ чиванием валков в клети.

В период переходного режима, до стабилизации условий тепло­ обмена, происходит сначала рост напряжений во времени, а затем спад их до определенных значений, соответствующих установивше­ муся теплообмену. Этим, вероятно, объясняются отслаивания на валках сразу после завалки в клеть (до стабилизации условий теп­ лообмена). Поэтому следует применять подогрев валков перед завалкой в клеть; это значительно снижает число подобных разру­ шений валков, так как последние почти сразу после начала про­ катки работают в условиях стабильного теплообмена.

Зависимость тепловых напряжений от перепада температур по сечению валка показана на рис. 7.22. Зависимости имеют линейный характер и могут быть использованы для определения тепловых

341

напряжений. Напряжения на поверхности осевого канала более чувствительны к температурным перепадам, чем напряжения на по­ верхности бочки валка.

Для более точной оценки степени опасности тепловых напря­ жений необходимо располагать данными о температурах, возни­ кающих на поверхности валка в момент его соприкосновения с про­ катываемой полосой. Такие данные позволят установить перерас­ пределение напряжений в момент возникновения так называемых локальных тепловых ударов; это может существенно изменить оцен­ ку роли тепловых напряжений в эксплуатационной стойкости рабо­ чих валков.

Д е й с т в у ю щ и е н а п р я ж е н и я в к о н т а к т н ы х з о н а х в а л к о в

Анализ совместного действия механических, остаточных и теп­ ловых напряжений в валках был проведен в работах П. И. П о л у ­ х и н а , Г. Г. Г р и г о р я н а , Ю. Д. Ж е л е з н о в а, В. П. П о л у ­

и 7.24), эпюры остаточных напряжений в зависимости от вида тер­ мической обработки (см. рис. 7.16—7.18), а также эпюры распре­ деления приконтактных напряжений 2 т т а х в зоне контакта рабочего валка с опорным в зависимости от характера их кинематического взаимодействия (рис. 7.25). Эпюры всех напряжений сначала при­ водили к безразмерному виду, а затем, после суммирования (при использовании принципа наложения), пересчитывали с безразмер­ ных диаграмм суммарных напряжений на натурные условия про­ цесса прокатки. Пересчет с модели на натуру был произведен с использованием критериев моделирования. Поскольку тепловые

342

напряжения при установившемся тепловом режиме валков незна­ чительны, их при анализе напряженного состояния не учитывали.

Для определения действующих суммарных напряжений склады­ вали одноименные механические и остаточные напряжения в зоне

деЙСТВИЯ Tmax, т. е.

При этом, как показали эксперименты и расчеты [169], напряже­ ния закалочного и механического происхождения являлись глав­ ными, т. е. Ест* и Е 0 у совпадали по направлению с главными напря­ жениями.

Иными словами, при нахождении суммарного действующего на­ пряжения складывают все наибольшие (алгебраически) и наимень­ шие главные напряжения, затем берут их разность; последняя, если ее вычисляют в виде разности о\—аг, должна быть всегда положи­ тельной.

На рис. 7.26—7.28 представлены построенные на основании рас­ четов А. К. Т е р е ш к о кривые изменения действующих напряже­ ний по глубине валка. Значения напряжений даны в относительных

343

На каждом из представленных графиков семейство кривых 22tmax СОСТОИТ из трех кривых: кривая 1 получена для валка, за­ каленного с индукционного нагрева с низким подогревом сердце-

Напряжения (полос)

-12 -IB . -20 -24- -28 -32 -36

объемно-закаленного валка.

Рассмотрим влияние соотношения переднего и заднего натяже­ ний и вида термической обработки на напряженное состояние по радиусу валка. Из данных, представленных на рис. 7.26, видно, что

344

Рис. 7.27. Суммарные действующие напряжения при раз­ личных коэффициентах внешнего трения и способах закал­ ки (см. пояснения в тексте) :

Рис. 7.28. Суммарные действующие напряжения при различных способах термической обработки и кинемати­ ческих условиях по контакту валок — валок по радиусу рабочего валка (см. пояснения в тексте) :

а — с проскальзыванием; б — без проскальзывания

2tmax механического происхождения, но залегают значительно глубже — на глубине 0,8 от длины дуги захвата.

Суммарное же значение Е2тШ ах от действия напряжений, ха­ рактерных для объемной закалки, и напряжений механического происхождения ниже 2Tmax. При этом они сохраняют достаточно высокий уровень на глубине, равной длине дуги захвата.

При значительном превышении переднего натяжения над зад­ ним резко уменьшается действующее напряжение с учетом остаточ­ ных, характерных для объемной закалки. В этом случае отношение максимальных скалывающих напряжений механического происхож-

^ м ех

дения к действующим составляет . т а х - = 3, 3' а Э Т 0 ж е отношение

с учетом остаточных напряжений при обработке ТПЧ без подогре­ ва больше единицы. Аналогичное явление наблюдается в случае,

когда а 3 > а п .

Следовательно, объемно-закаленные валки следует в началь­ ных периодах эксплуатации . использовать на клетях, где процесс прокатки характеризуется подобным соотношением переднего и заднего натяжений. Как правило, таким условиям соответствует первая клеть непрерывных станов. В этом случае принятый мар­ шрут перестановки валков по клетям (от последней к первой) яв­ ляется оправданным.

Влияние внешнего трения (рис. 7.27, а, б) при изменении его относительного показателя по нормальному давлению / с р в преде­ лах от 0,3 до 0,15 незначительно. Очевидно, роль остаточных напря­ жений независимо от способа закалки более резко сказывается при малых отношениях ß/a, когда зона затрудненной деформации име­ ет величину менее 0,2/. В этом случае целесообразно выполнять условие а п = 1,20з, так как могут появиться растягивающие напря­ жения. Это может резко повысить уровень Одейсгз по сравнению с

о мех

^1 т а х *

При анализе напряженного состояния при проскальзывании

на напряженное состояние в валках, закаленных ТПЧ без подо­ грева.

Из сказанного следует, что чем ниже уровень напряжений ме­ ханического происхождения, тем большую роль в формировании высоких значений а д е й с т в играют остаточные напряжения. Особенно это заметно при анализе напряженного состояния с учетом оста­ точных напряжений, характерных для объемной закалки и закалки с подогревом. Отсюда следует важный вывод: валки, закаленные этими способами, необходимо в начальном периоде эксплуатации использовать в клетях, где уровень механических напряжений не­ значителен. В этом случае валки будут находиться в более благо­ приятном состоянии, поскольку механические напряжения не будут оказывать резкого воздействия на перераспределение напряжений за счет распада остаточного аустенита [169].

346

Как правило, такими условиями отличаются дрессировочные клети. Статистический анализ показал, что при нагружении валков предварительно в дрессировочной клети до (10—12)•106 тонноциклов их стойкость при дальнейшем использовании на непрерыв­ ных станах возрастает в 2 раза.

В процессе одного цикла каждая точка поверхностной зоны ра­ бочего валка нагружается напряжениями различной интенсивнос­

определяются путем суммирования напряжений, вызванных воздей­

проблем:

а) проблема выявления пределов усталости при асимметричном

347

величина постоянная, не зависящая от показателя асимметрии цикла. При этом ширина петли гистерезиса пропорциональна мак­ симальному напряжению цикла. Отсюда вытекает следующая за­ висимость между средним напряжением и амплитудой несиммет­ ричного цикла:

цикле.

Рассмотрим, какое воздействие оказывают составляющие сум­ марных действующих напряжений на циклическую прочность. Для

Без учета остаточных напряжений среднее напряжение за полу­ цикл (положения IV—/—// на рис. 7.30) равно m/2, а за другой

348

полуцикл (положения / / — / / / — I V ) равно у/2. Среднее напряжение за весь цикл будет равно т у . Остаточные напряжения, будучи

одинаковыми на протяжении всего времени цикла, лишь уменьша­ ют или увеличивают среднее напряжение.

Поэтому в общем случае при совместном действии механичес­ ких и остаточных напряжений среднее напряжение цикла равно

Поскольку величины m я у всегда положительны, становится очевидным, что знак остаточных напряжений играет весьма важ­ ную роль в усталостной прочности валка.

При нестационарных условиях теплообмена приходится учиты­

349