СПОСОБ ПРОКАТКИ РЕЛЬСОВ
METHOD OF ROLLING RAILS

Изобретение относится к области сортовой прокатки и может быть реализовано при производстве железнодорожных рельсов на рельсобалочных станах, оснащенных непрерывно-реверсивной группой, в состав которой входят универсальные четырехвалковые клети.
Сущность изобретения и известных решений, составляющих предшествующий уровень техники, поясняется фигурами, на которых изображено:
- на фиг. 1 - предшествующий уровень техники, схема рельсобалочного стана, включающего черновые реверсивные клети (1.1), непрерывно-реверсивную группу клетей (1.2) и чистовую универсальную клеть (1.3),
- на фиг. 2 - предшествующий уровень техники, схема прокатки рельсов на рельсобалочном стане, включающем две черновые реверсивные клети дуо и непрерывно-реверсивную группу клетей,
- на фиг. 3 - предшествующий уровень техники, схема прокатки рельсов на рельсобалочном стане, включающем одну черновую реверсивную клети дуо и непрерывно-реверсивную группу клетей: I-V - номера клетей; 1-13 номера проходов,
- на фиг. 4 - предшествующий уровень техники, схема очага деформации при прокатке рельса в универсальном калибре,
- на фиг. 5 - схема прокатки рельсов, необходимая для использования калибров с расширяющейся по ходу прокатки шейкой: I-V - номера клетей; 5.1-5.13 номера калибров,
- на фиг. 6 - схема входа поперечного сечения подката в универсальный рельсовый калибр при одинаковой ширине шейки подката и калибра;
- на фиг. 7 - схема входа поперечного сечения подката в универсальный рельсовый калибр при увеличивающейся по ходу прокатки ширине шейки.
Известно значительное количество как компоновок таких прокатных станов (см. источники ниже), так и различных технологических схем прокатки. Но в целом, общая структура такого рельсобалочного стана может быть отражена схемой, показанной на Фиг. 1, где цифрами обозначено: 1.1 - черновые клети (в состав могут входить одна реверсивная клеть или две реверсивных клети или непрерывная черновая группа), 1.2 - непрерывно-реверсивная группа клетей (в состав включают универсальные четырехвалковые и вспомогательные, эджерные клети дуо), 1.3 - чистовая универсальная клеть (трех- или четырехвалковая). При этом чистовая клеть может, как входить в состав непрерывно-реверсивной группы, так и располагаться отдельно.
[Свейковски У., Нерзак Т. Производство рельсов высокого качества с использованием компактных универсальных клетей и технологий Rail Cool. Металлургическое производство и технология (МРТ). Русское издание. 2006, №2. С. 50-56; Свейковски У., Нерзак Т. Производство рельсов с использованием кассетных клетей и современных технологий охлаждения // Черные металлы. 2008, №1. С. 32-36; Матвеев Б.Н. Стан с калибрующей клетью для прокатки высококачественных средне- и крупносортных профилей и рельсов // Производство проката, 2003, №10. С. 47-48; Nigris G., Schroder J. Profile sizing process for high-quality medium / heavy sections and rails / MPT International. 2002, №3. P. 48-54; Зиновьев A.B. Процесс PSP для производства средне- и крупносортных профилей и рельсов // Новости черной металлургии за рубежом. 2003, №2. С. 69-72].
Весь технологический процесс прокатки рельса можно разбить на два этапа: получение рельсового подката в черновых клетях и его дальнейшая прокатка в непрерывно-реверсивной группе клетей и в чистовой клети, например, как показано на Фиг. 2 [Головатенко А.В., Волков К.В., Дорофеев В.В. и др. Развитие технологии прокатки и процессов калибровки железнодорожных рельсов // Производство проката, 2014, №2. С. 25-39]. Данный способ прокатки включает получение чернового рельсового раската в двух черновых реверсивных клетях 2.1 и 2.2, его прокатку в непрерывно-реверсивной группе клетей 2.3-2.5 за три прохода через группу и окончательное формирование готового рельса в чистовой клети 2.6. Особенностью этого способа является то, что в первом проходе через непрерывно-реверсивную группу, для обжатия используют сразу три клети: первую (по главному направлению прокатки) универсальную клеть 2.3, промежуточную клеть дуо 2.4 и вторую универсальную клеть 2.5. А во втором и в третьем проходах задействуют только по одной клети из непрерывной группы (клеть 2.3 во втором проходе и клеть 2.4 в третьем). Чистовой проход производят в трехвалковой универсальной клети 2.6.
Наиболее близким способом-аналогом, принятым за прототип, является способ прокатки PSP (Profile sizing process) [Nigris G., Schroder J. Profile sizing process for high-quality medium / heavy sections and rails / MPT International. 2002, №3. P. 48-54; Зиновьев A.B. Процесс PSP для производства средне- и крупносортных профилей и рельсов // Новости черной металлургии за рубежом. 2003, №2. С. 69-72], представленный на схеме Фиг. 3. Способ реализуется на стане, включающем одну черновую рабочую реверсивную клеть I (сечения раскатов, получаемых в ней, на Фиг. 3 затушеваны), непрерывно-реверсивную группу в составе двух универсальных четырехвалковых клетей II и IV, а также расположенной между ними вспомогательной нереверсивной клети III дуо, а также отдельно стоящую или входящую в группу универсальную трехвалковую чистовую клеть V. В черновой клети I в ящичных, тавровых, закрытых и последнем открытом рельсовых калибрах получают черновой рельсовый раскат за 7 проходов. Раскат передают в непрерывно-реверсивную группу клетей и прокатывают в ней за 5 проходов. В способе-прототипе в первом проходе в непрерывно-реверсивной группе используют только вспомогательную клеть III (обе универсальные клети пропускают, валки их разведены). Во втором и четвертом проходах используют только клеть II (вспомогательную клеть III и универсальную клеть IV пропускают). А в третьем и пятом проходах прокатку ведут в универсальной клети II и вспомогательной клети III (пропускают универсальную клеть IV). В последнем, пятом проходе используют, кроме того, чистовой трехвалковый калибр, расположенный в чистовой универсальной клети.
Особенностью использования универсальных клетей при прокатке рельсов является то, что в одной и той же клети, с использованием одних и тех же ручьев, производят несколько проходов, последовательно уменьшая межвалковые зазоры и обеспечивая тем самым необходимое обжатие элементов профиля в каждом проходе. Такой способ использования универсальных клетей имеет ряд преимуществ, связанных, прежде всего с малым количеством необходимых валков и рабочих клетей (как, например, в способе-прототипе, см. Фиг. 3), но есть и недостатки - профиль формируется одними и теми же валками, что отрицательно влияет на процесс формоизменения металла при прокатке. Если в известных способах прокатки рельса используют две универсальных клети (как в способе-аналоге, см. Фиг. 1), то последовательность применения универсальных калибров при многопроходной схеме деформирования в непрерывно-реверсивной группе такова, что в известных способах прокатки рельса приходится применять одинаковые по профилировке валки в обеих универсальных клетях. Это не позволяет использовать в таких калибрах широко распространенный в сортовой прокатке прием стабилизации процесса прокатки (центрирования раската в калибре) за счет последовательного расширения центрального, более тонкого элемента (шейки рельса, стенки балки и швеллера и т.п.)
Одним из основных условий обеспечения высокого качества готовых рельсов, прокатываемых в универсальных клетях, является условие равенства вытяжек по элементам профиля (по головке, по шейке и по подошве) [Головатенко А.В., Волков К.В., Дорофеев В.В. и др. Развитие технологии прокатки и процессов калибровки железнодорожных рельсов // Производство проката, 2014, №2. С. 25-39; Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. Учебное пособие для. вузов. Издание 2-е переработанное и дополненное. М.: Теплотехник, 2010. - 490 с.]. Для выполнения этого условия, учитывая большую разницу в толщинах элементов профиля, необходимо обеспечить существенно различные абсолютные обжатия разных элементов профиля: максимальное обжатие для головки (вертикальным валком) и минимальное обжатие для подошвы (другим вертикальным валком). Разница обжатий приводит к тому, что при обычно применяемых диаметрах прокатных валков и конструкциях рабочих клетей, длина очага деформации металла со стороны неприводного вертикального валка, обжимаемого головку, значительно больше, чем длина очага деформации со стороны приводных горизонтальных валков, обжимающих шейку.
На Фиг. 4, в качестве примера, приведено построение реального рабочего универсального рельсового калибра (поз. 4.2) и контура поперечного сечения задаваемой в него раската (поз. 4.1). Выполнено условие равенства вытяжек элементов профиля в проходе. Для реального соотношения обжатий (8 мм по головке, 4,5 мм по шейке и 3,6 мм по подошве) и диаметров вертикальных и горизонтальных валков (1300 мм - горизонтальные валки, 900 мм - вертикальные валки, см. Фиг. 4, поз. 4.3) определены длины участков контакта металла с валками для разных элементов профиля и валков (длины разных участков очага деформации, см. Фиг. 4): Lг - со стороны головки, обжимается вертикальным валком и боковыми, торцевыми поверхностями горизонтальных валков (84,6 мм), Lш - по шейке, обжимается горизонтальными валками (53,9 мм), Lп - со стороны подошвы, обжимается другим вертикальным валком и боковыми, торцевыми поверхностями горизонтальных валков (57,3 мм). Видно, что длина очага деформации со стороны головки Lг имеет наибольшую длину, а со стороны шейки Lш - наименьшую.
Такое значительное различие в абсолютных обжатиях элементов профиля (8/4,5=1.78) при прокатке рельса в универсальном калибре и соответствующее различие в длинах очагов деформации (84,6/53,8=1,57) имеет ряд отрицательных последствий, основные из которых следующие.
1) При задаче раската в универсальный рельсовый калибр, первый контакт металла происходит с неприводным вертикальным валком со стороны головки, что ухудшает условия захвата полосы валками.
2) В процессе прокатки, с задней стороны очага деформации имеется некомпенсированная часть дуги контакта профиля с вертикальным валком со стороны головки. Это приводит к изгибу заднего конца полосы при прокатке и может привести к образованию дефектов и искажению готового профиля [Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. Учебное пособие для вузов. Издание 2-е переработанное и дополненное. М.: Теплотехник, 2010. - 490 с.].
3) Первоначальный контакт сечения прокатываемой полосы только с вертикальным валком приводит к смещению сечения относительно симметричного по шейке положения в сторону подошвы, до достижения контакта металла или с торцевой поверхностью горизонтальных валков со стороны головки или с вертикальным валком, обжимающим подошву (зависит от соотношения обжатий по шейке и по подошве). Такое смещение может увеличить обжатие по головке по сравнению с запланированным (эффект раздавливания головки, отмеченный в [Головатенко А.В., Волков К.В., Дорофеев В.В. и др. Развитие технологии прокатки и процессов калибровки железнодорожных рельсов // Производство проката, 2014, №2. С. 25-39]), повышенному износу торцевых поверхностей горизонтальных валков, а так же к образованию дефектов типа плен и закатов в месте стыковки шейки и головки.
Изложенное позволяет сформулировать техническую проблему: имеющая место разность длин очагов деформации по элементам рельсового профиля приводит к затруднениям входа полосы в калибр, а также к изгибу заднего конца полосы, что в свою очередь приводит к искажению формы профиля на отдельных участках прокатываемой полосы, образованию дефектов, а также к повышенному расходу электроэнергии и дополнительному износу прокатных валков.
Указанная техническая проблема решается за счет выравнивания длин очагов деформации элементов рельсового профиля при прокатке в универсальных калибрах, достигаемое за счет:
- последовательного расширения гребней горизонтальных валков на определенную величину 5
- и назначения определенных, взаимосвязанных обжатий по элементам профиля.
Такое конструирование калибров позволит:
- повысить надежность захвата полосы валками универсальной клети, что повлияет на увеличение реальной производительности стана за счет уменьшения количества задержек и повысит температуру конца прокатки;
- устранить изгиб заднего конца полосы в процессе ее прокатки в универсальном калибре, что в свою очередь уменьшит вероятность искажения готового профиля и повысит точность его размеров, уменьшит вероятность образования поверхностных дефектов прокатного происхождения и снизит затраты электроэнергии и расход валков на прокатку.
Заявляемый способ прокатки рельсов включает:
- получение промежуточного рельсового раската в черновых реверсивных клетях дуо,
- его прокатку в непрерывно-реверсивной группе клетей в составе двух универсальных четырехвалковых и вспомогательной двухвалковой клети между ними
- и завершение прокатки в чистовой трехвалковой универсальной клети.
От прототипа изобретение отличается тем, что:
- прокатка в непрерывно-реверсивной группе клетей производится за три прохода,
в первом из которых используют вспомогательную и вторую универсальную клети,
во втором - две универсальные и вспомогательную клети,
а в третьем - первую универсальную, вспомогательную и чистовую клети,
- и при этом по ходу прокатки в каждом универсальном калибре ширину гребней горизонтальных валков, формирующих шейку профиля, устанавливают больше, чем ширина шейки профиля раската, задаваемого в этот калибр, на величину δ, определяемую по выражению
гг
пп
- а величины обжатий головки ΔВ и подошвы ΔВ профиля со стороны вертикальных валков определяют, соответственно, соотношениями
и
где ΔS - обжатие шейки рельса в этом калибре;
ш
S - толщина шейки рельсового профиля в этом калибре;
г
В - среднее значение ширины головки рельса в этом калибре;
п
В - среднее значение ширины подошвы рельса в этом калибре;
г
ш
R и R - радиусы, соответственно, вертикального валка со стороны головки и горизонтального валка по ширине шейки.
Таким образом, для решения указанной технической проблемы предлагается применить два мероприятия:
1) использовать калибровку валков, отличающуюся переменной, увеличивающейся по ходу прокатки шириной шейки,
2) применить специальную последовательность использования клетей, входящих в непрерывно-реверсивную группу. Именно специальная последовательность применения клетей дает возможность использовать калибровку этих клетей с изменяющейся шириной шейки профиля.
Заявляемый способ реализуется на рельсобалочном стане, типовая схема которого показана на Фиг. 3, включающем в свой состав обжимную реверсивную клеть дуо I, непрерывно-реверсивную группу клетей в составе двух универсальных II (УК1), IV (УК2) и вспомогательной клети дуо III (ВК), а также чистовую универсальную клеть V (УКЗ).
Предлагаемая последовательность применения клетей, входящих в непрерывно-реверсивную группу, показана на Фиг. 5. В черновой клети I (или группе черновых клетей) прокатывают профиль чернового рельса с использованием специальной калибровки валков с зауженной шейкой профиля (калибры 5.1-5.5) и передают его в непрерывно-реверсивную группу. Здесь прокатка производится за три прохода. Прокатку в первом проходе (как и в способе-прототипе, см. Фиг. 3) начинают в двухвалковом калибре вспомогательной клети III (калибр 5.6), что позволяет обеспечить максимальную точность и симметричность чернового профиля. Далее используют вторую (по главному направлению прокатки) универсальную четырехвалковую клеть IV (калибр 5.7). Первую универсальную клеть II в первом проходе через группу не используют, валки ее разводят. Во втором реверсном проходе применяют все три клети непрерывной группы (калибры 5.8-5.10). В третьем проходе -используют первую универсальную клеть II (калибр 5.11), вспомогательную клеть III (калибр 5.12) и чистовую трехвалковую клеть V (калибр 5.13). Вторую универсальную клеть IV в третьем проходе не используют, валки ее разведены. Чистовая трехвалковая универсальная клеть V может, как входить в состав непрерывной группы, так и располагаться отдельно. Именно такая последовательность применения клетей позволяет использовать максимальное количество клетей при минимальном количестве проходов через группу и, одновременно, дает возможность использовать валки с разными калибрами в универсальных четырехвалковых клетях.
Идею увеличения ширины шейки рельсового профиля по ходу прокатки и ее преимущества можно прокомментировать при помощи Фиг. 6 и Фиг. 7, где показано взаимное положение поперечного сечения валков универсального рельсового калибра и поперечного сечения входящего в него раската при совпадении центральных осей шеек раската и калибра. На Фиг. 6 показано взаимное положение валков и сечения входящего в них раската при одинаковой ширине шейки раската и калибра. Видно, что при дальнейшем продвижении по очагу деформации, под воздействием вертикального валка обжимающего головку, и при отсутствии поддержки другими валками, поперечное сечение раската начнет смещаться от центрального положения в сторону подошвы, приводя к искажению формы профиля. На Фиг. 7 показан момент первого контакта сечения раската и валков при условии, что шейка калибра шире, чем шейка задаваемого в калибр раската. Видно, что при правильном подборе величины расширения шейки, можно обеспечить условия, при которых, начиная с самого первого момента контакта, горизонтальные валки будут "поддерживать" поперечное сечение раската и препятствовать его смещению, устраняя тем самым указанные выше отрицательные последствия.
Проведенное математическое моделирование процесса прокатки рельса в универсальном калибре с использованием упрощенной модели, показало, что для обеспечения одновременности захвата сечения раската вертикальным валком со стороны головки и торцевыми поверхностями горизонтальных валков, ширина гребней горизонтальных валков, формирующих шейку профиля, должна быть больше чем ширина шейки профиля раската, задаваемого в этот калибр (соответствует ширине гребня, формирующего шейку в предыдущем калибре) на определенную величину "Q, которую можно рассчитать по выражению
где ΔS - обжатие шейки рельса в рассматриваемом калибре;
ш
S - толщина шейки рельсового профиля в рассматриваемом калибре;
г
В - среднее значение ширины головки рельса в рассматриваемом калибре;
п
В - среднее значение ширины подошвы рельса в рассматриваемом калибре;
г
ш
R и R - радиусы, соответственно, вертикального валка со стороны головки и горизонтального валка по ширине шейки.
гг
При таком расширении шейки, часть обжатия головки и подошвы в горизонтальном направлении осуществляется за счет уклонов торцевых поверхностей горизонтальных валков, поэтому, для обеспечения условий равенства вытяжки элементов профиля, величину обжатий головки ΔB со стороны вертикального валка следует определять из соотношения
ПП
а величину обжатий подошвы ΔB профиля вертикальным валком - по выражению
Величины, входящие в правую часть выражений (2) и (3), совпадают с одноименными величинами, входящими в выражение (1).