книги из ГПНТБ / Шичков А.Н. Температурный режим листопрокатных валков

Состав исследований температурных полей валка с помощью вышеописанной модели заключается в следующем. Эти поля опре-

Рис. 8. Влияние ритма прокатки на характер температурных полей при

Фр = 1

деляли от начального момента времени (т = 0), когда температура по сечению валка равномерна, до наступления стационарного или

квазистационарного режима при разных циклах прокатки Fo0 =

п=т

= ax0/Rl, где т0 = хг + т 2 и Fo = 2 FoOn (F°o — 0,024; 0,039;

П=1

40

0,053; 0,076; 0,073; 0,038; 0,134; 0,118; 0,177; 0,236) и ритмах (срр = = 0,03; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 11,0) прокатки. Во всех случаях рассмот­ рены четыре указанных выше типа граничных условий.

Рис. 9. Влияние ритма прокатки на характер температурных по­ лей при фр = 11

Графики полученных температурных полей представлены на рис. 7— 13. По оси абсцисс этих графиков отложены относительные температуры (от 0 до 1), а по оси ординат — безразмерное время

41

n=rn

в виде критериев Fo и суммарного критерия процесса Fo= 2 Fo0„. /1—1

Каждая кривая на графике характеризует изменение температуры на соответствующем радиусе, причем каждый радиус рх, р2 и т. д.

р г 0,975

р г=0,Э25

р Г -О Щ

р ц=<7,<375

рг 0J55

р s=0,688

р 7=0,ВЬ3

Рв=0,528

р 9=0,427

Р»'

Рис. 10. Влияние теплового режима на характер температурных полей при Fo0 = 0,118 и срр = 0,5

Охлаждение только наружное н в период пауз не отключается

определяет границу одинаковых объемов, на которые разделен цилиндр.

На рис. 7—9 показаны температурные поля при граничных ус­ ловиях, когда внутреннее охлаждение отсутствует, внешнее охлаж­ дение в период пауз не отключается, но при разных ритмах прокатки,

42

•соответствующих крайним значениям фр : срр = 0,09 (машинное время значительно больше времени пауз, рис. 7), срр = 1 (машинное время равно времени пауз, рис. 8) и <рр = 11 (время пауз значи-

Рис. 11. Влияние теплового режима на характер температурных полей при Fo0 = 0,118 и фр = 0,5

В период пауз наружное охлаждение отключается

тельно больше машинного времени, рис. 9). Число Фурье для цикла прокатки во всех случаях принято одинаковым: Fo0 = 0,236.

Из рассмотрения этих рисунков можно видеть существенное влияние ритма прокатки на характер температурных полей.

Если время паузы т 2 мало по сравнению с временем прокатки т1, то температурное поле при наступлении квазистационарного

43

процесса смещается в сторону больших температур 0 = 1 , т. е. средняя температура по сечению возрастает. При противоположном ритме (фр = 11) поле смещается в сторону меньших температур, т. е. прогрев по сечению незначителен.

=0,975 рг =0,925 рз =0,872 р*=0,8!5

Poi o,z рюPs Ps Р? Ре Ps Рч Рз Рг Pi

_____ ___ і0___________= 7 _

Рис. 12. Влияние теплового режима на характер температурных полей при Fo0 = 0,118 и фр = 0,5

Охлаждение комбинированное н в период пауз не отключается

у валка внутреннего охлаждения, но наружное охлаждение в пе­ риод пауз не отключается; на графике рис. 11 те же условия, но с отключением внешнего охлаждения в период пауз; на графиках рис. 12 и 13 показаны температурные поля при наличии внутрен­

44

него и наружного охлаждения, но в одном случае (рис. 12) в период пауз внешнее охлаждение не отключается, а в другом (рис. 13) — отключается. Как видно, эти поля по своему характеру совершенно различны. В единственном из четырех случаев (рис. 11), когда

Рис. 13. Влияние теплового режима на характер температурных полей при Fo0 = 0,118 и фр = 0,5

Охлаждение комбинированное н в период пауз наружное отключается

внутреннее охлаждение отсутствует, а внешнее в период пауз отключается, при любом ритме прокатки и при любом Fo0 поле через определенный период становится неквазистационарным, а практи­ чески стационарным, равномерным по сечению. Это обстоятельство,

45

очевидно, явилось решающим при установлении такого теплового' режима на большинстве современных станов горячей прокатки.

Из анализа рассмотренных полей можно сделать еще один весьма важный вывод, что квазистационарный и стационарный ре­ жимы при отсутствии внутреннего охлаждения наступают при сум­ марном критерии Fo = 0,8, а при наличии внутреннего (pj = 0,2) охлаждения — при суммарном критерии Fo = 0,35, т. е. вдвое быстрее и не зависят от ритма прокатки <рр. Внутреннее охлаждение валков существенно улучшает стабилизацию их температурного режима и теплового профиля. Этот вывод можно непосредственно отнести и к валкам станов холодной прокатки, а все остальные вы­ воды могут быть распространены на валки холодной прокатки как предельные случаи (для валков холодной прокатки характерны ритмы Фр < 0,1).

§ 6. Осевое температурное поле валков

При рассмотрении температурного поля валка было сделано допущение, что в осевом направлении тепловой поток отсутствует. Однако исследования по тепловому профилю валков [78] показы­ вают, что допущение справедливо только для области изменения 2= ±0,75 Ы2, где 2 = 0 соответствует среднему сечению валка,

а b — ширине прокатываемой полосы. За пределами этой области наблюдается заметное влияние осевых тепловых потоков. Так как в данной работе сведения об осевом температурном поле будут ин­ тересовать только с точки зрения определения радиальной тепло­ вой выпуклости валков, то достаточно рассмотреть стационарную осесимметричную составляющую этого поля. Принятое допущение основано на следующих положениях:

1. Тепловая радиальная выпуклость валков будет максималь­ ной на стационарном и квазистационариом режимах, ибо при этом средняя температура по сечению валков будет наибольшая.

2. Как показано в главе II, неосесимметричная составляющая температурного поля валка на квазистационариом режиме не дает радиальных деформаций и напряжений.

Дифференциальное уравнение, описывающее в данном случае осесимметричное стационарное температурное поле валка, в без­ размерной форме имеет вид

Граничные условия различаются в зависимости от того, рас­ сматриваются ли, например, валки прокатного или дрессировочного станов. В связи с этим распределение температур целесообразно изучать с помощью метода электротепловой аналогии на электро­ проводной бумаге. Сущность исследования стационарных тем­ пературных полей методом электротепловой аналогии изложена

46

Рис. 14. Принципиальная схема моделирования радиального темпе­ ратурного поля на ЭГДА 9/60

I -

47

в специальной литературе [75, 82, 94]. Для наших исследований использовался интегратор ЭГДА 9/60 с изготовлением модели на электропроводной бумаге и на сетке сопротивлений.

На рис. 14 представлена принципиальная схема подключения модели к интегратору ЭГДА 9/60. Показаны варианты использова­ ния для изготовления модели из электропроводной бумаги и сетки сопротивлений. Сопротивления Rzi и R p[ подсчитывают по соот­ ветствующим формулам из теории электромоделирования.

Рассмотрим раздельно температурные поля при граничных ус­ ловиях, характерных для рабочих валков, охлаждаемых водой или эмульсией и охлаждаемых воздухом (дрессировочные станы).

С т а н ы , о х л а ж д а е м ы е в о д о й и л и э м у л ь ­

си е й . К ним относятся станы горячей и холодной прокатки ли­ стов. На среднем по длине бочки участке (см. рис. 14), соответствую­ щем ширине полосы Ь, имеет место контактный теплообмен между валком и прокатываемым металлом, а на крайних участках, соот­ ветствующим свободным от полосы концам бочки валка, происходит теплообмен с охлаждающей жидкостью (водой, эмульсией). На участках шейки длиной /п происходит теплообмен с подшипником. Теплообменом с воздухом на торце бочки у поверхности осевого отверстия и на участках шейки, свободных от подшипников, можно пренебречь, поскольку интенсивность теплообмена с охлаждающей жидкостью примерно в 100 раз больше интенсивности теплообмена

сокружающей средой.

Указанные граничные условия относятся к случаю равномерного охлаждения валков в пределах ширины полосы, что соответствует режиму работы тонколистовых станов горячей прокатки. На ста­ нах холодной прокатки, в связи с применением секционного охлаж­ дения по длине бочки, фактические граничные условия могут от­ личаться от расчетных, в зависимости от конкретных особенностей тонкой настройки вальцовщиками системы охлаждения стана на заданный режим прокатки.

Сформулируем описанные граничные условия в виде количест­ венных соотношений.

На участках, соответствующих свободным концам бочки, дли­ ной (L—Ь)/2 задан коэффициент теплоотдачи к охлаждающей жидкости, имеющей относительную температуру Ѳж 0.

На модели валка величине Ѳ эквивалентен относительный по­ тенциал электрического поля U. На среднем участке модели Іх длиной тЫ2 (где т — масштаб модели относительно натуры) тем­

пературе ¥ = 1 эквивалентен потенциал U = 1. На крайних уча-

стках 13 длиной т—-— задано электрическое сопротивление, эк­

вивалентное тепловому сопротивлению на границе валок — охлаж­

48

торых подсчитывается по формуле [34]

(1.84)

где а г — коэффициент теплоотдачи от валка к охлаждающей жид­ кости, Вт/(м2-К).

На участках шейки, находящихся в контакте с подшипником, температура, как правило, составляет 35—45°, что соответствует диапазону температур охлаждающей жидкости. Тепловое сопро­ тивление между шейкой валка и подшипникам по сравнению с теп­ ловым сопротивлением на границе валок — эмульсия пренебре­ жимо мало.

В связи с этим, к модели на длине Іп подается потенциал U = О без дополнительных сопротивлений. Исследования влияния гранич­ ных условий показали, что если вообще пренебречь теплообменом в подшипниках (не подавать на шейки никакого потенциала), то отличия распределения температуры по сечению от рассматривае­ мого случая в пределах длины бочки 'будут пренебрежимо малы. Это свидетельствует о том, что в условиях жидкостного охлаждения решающую роль играет теплоотвод на краях бочки /3 длиной

(L— b)/2.

На внутренней поверхности валка /2 подается потенциал и г 0, эквивалентный относительной температуре Ѳх.

ной (L—Ь)/2 происходит теплообмен с окружающей средой при тем­ пературе Ѳв. Электрическое сопротивление на этих участках экви­ валентно тепловому сопротивлению валок — воздух и рассчиты­ вается также по формуле (1.84).

Поскольку теплообмен с воздухом играет решающую роль в фор­ мировании температурного поля валка дрессировочного стана, его необходимо учитывать и на участках шейки, свободных от под­ шипников, и на торцах.

Ширину полосок h, эквивалентных тепловому внешнему сопро­ тивлению в осевом направлении, подсчитывают по формуле [34]

Подшипники валков дрессировочных станов находятся в худших условиях по сравнению с подшипниками валков, охлаждаемых жид­ костью, так как усиленный отвод тепла с концов при жидкостном охлаждении снимает и температуру шеек, предотвращая нагрев подшипников. На дрессировочных станах такого теплоотвода нет, поэтому там наблюдаются случаи, когда из-за разогрева подшипни­ ков температура шеек становится более высокой, чем температура бочек, в результате чего края бочки дополнительно нагреваются. Учитывая это, при реализации граничных условий величине Ѳ„