СОСТАВНОЙ ПРОКАТНЫЙ ВАЛОК

Полезная модель относится к прокатному производству, а именно к валкам рабочих клетей станов горячей прокатки.
Известен составной прокатный валок, изготовленный методом термической посадки с натягом, содержащий несущую профилированную стальную ось с ограничительным буртом и сопрягаемый с ней по посадке бандаж, при этом образующие посадочных поверхностей оси и бандажа выполнены криволинейными (патент РФ №2191648).
Недостатком этого валка является сложность изготовления посадочных поверхностей его составных частей, в особенности, внутренней поверхности бандажа, которую растачивают, как правило, на карусельных станках. По мере продвижения обрабатывающего инструмента внутрь бандажа из-за снижения его жесткости и действия распорных усилий от контакта с обрабатываемым металлом посадочная поверхность может быть выполнена с отклонениями от заданной геометрии. В результате не удается обеспечить равномерный натяг на протяжении всей сопрягаемой поверхности, что приводит к сползанию бандажа при осевых нагрузках, возникающих в процессе прокатки, относительно несущей оси и выходу валка из строя. В известной конструкции ось валка и бандаж выполнены из стали.
Известно, что высокую прочность и хороший захват металла в клети обеспечивают литые валки из доэвтектойдной стали (содержание углерода 0,45…0,70%), но они быстро изнашиваются. Повысить стойкость стальных валков удается путем легирования металла при выплавке хромом, никелем и молибденом. На некоторых предприятиях подобные валки были заменены на чугунные, типа СШХН - чугунные валки с шаровидным графитом, легированные хромом и никелем. (Вдовин К.Н., Гималетдинов Р.Х., Колокольцев В.М., Цыбров С.В. Прокатные валки: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 543 с.)
Известно, что деформируемый металл в процессе горячей прокатки налипает на чугунный бандаж в значительно меньшей степени, чем на стальной, это связано с тем, что чугунные прокатные валки наряду с более высоким сопротивлением износу, по сравнению со стальными, имеют более низкой коэффициент трения при прокатке. Различие составляет в среднем 15-20%. Основная причина снижения коэффициента трения при применении чугунного бандажа при горячей прокатке заключается в том, что в структуре чугуна большое место занимают составляющие (перлит, ледебурит, цементит, графит), имеющие относительно низкую склонность к адгезионному взаимодействию с собственно металлическими фазами проката (ферритом, аустенитом). В совокупности указанные параметры приводят к значительному снижению расхода валков и повышению качества поверхности готовой продукции. (А.П. Грудев, Ю.В. Зильберг, В.Т. Тилик. Трение и смазки при обработке металлов давлением. Справочник. М.: Металлургия, 1982, с. 312).
Известны составные валки с чугунными бандажами, выполненные методом горячей посадки с дополнительной его фиксацией при помощи шпоночного соединения. Фирма «Явата» (Япония) для универсальных клетей балочного стана бандаж составного валка дополнительно фиксировался двумя парами тангенциальных шпонок. При работе в первый период бандаж из-за повышения температур расширялся, натяг между осью и бандажом исчезал. Крепление бандажа относительно оси при помощи шпонок было исследовано фирмой «Маннесман», которая установила, что разрушение чугунного кольца начинается по дну шпоночного паза в бандаже. В связи с этим, с целью снижения концентрации напряжений от шпоночного паза, предложено в качестве закладных элементов использовать цилиндрические штифты. (Белевский Л.С., Фиркович А.Ю., Судоргин И.В. и др. Составные прокатные валки. Магнитогорск: МГТУ, 2004. с. 206).
Известные конструкции составных прокатных валков позволяют снизить затраты на себестоимость производства проката, а также повысить качество поверхности выпускаемой продукции, однако требует значительных затрат времени и дополнительных механических операций при сборке, разборке и обработке элементов.
Помимо указанных конструкций составных валков изготавливают литые сборные валки, состоящие из бандажа, выполненного из чугуна с шаровидным графитом, и оси, выполненной из другого материала (Вдовин К.Н., Гималетдинов Р.Х., Колокольцев В.М., Цыбров С.В. Прокатные валки: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 543 с.). Стоимость подобных валков значительно превышает стоимость составных валков, где существует возможность повторного использования оси валка.
Наиболее близким по технической сущности является составной прокатный валок, содержащий несущую профилированную ось с ограничительным упорным буртом и двумя смежными цилиндрическими участками несущей профилированной оси, смещенными относительно друг друга в противоположных относительно оси валка направлениях, с образованием эксцентриситета. Внутренняя поверхность бандажа выполнена ответной формы поверхности несущей оси и посажена на ось с натягом, (патент РФ №2310530).
Недостатком этого валка является сложность изготовления цилиндрических участков несущей профилированной оси (посадочных поверхностей). Для получения посадочной поверхности с эксцентриситетом требуется дополнительная настройка станка, переустановка изделия в станке со смещением оси. При этом изготовление посадочной поверхности производится минимум за две установки, что приводит к усложнению процесса изготовления и снижению точности. Отклонение величины эксцентриситета на оси и бандаже влечет за собой снижение величины натяга и надежности соединения.
Задачей настоящей полезной модели является упрощение конструкции составных прокатных валков с обеспечением надежности сборки валка при эксплуатации, а также повышение качества поверхности прокатной продукции, в частности рельсовых профилей, и снижение затрат.
1
2
1
2
Задача решается следующим образом. Составной прокатный валок, содержащий несущую профилированную стальную ось, состоящую из цилиндрических участков, и сопряженный с ней по посадке бандаж, с внутренней поверхностью, ответной стальной оси формы и посаженный на стальную ось с натягом, где цилиндрические участки имеют одну продольную ось, совпадающую с осью прокатного валка, и выполнены с различным диаметром, меньший из которых обращен к приводу, при этом диаметры цилиндрических участков находятся в соотношении D/D=(0,95-0,98), а бандаж выполнен из перлитного чугуна с шаровидным графитом, где D, D - диаметры цилиндрических участков несущей профилированной стальной оси соответственно меньший и больший (мм).
Технический результат заключается в получении составного прокатного валка, используя подготовленную несущую профилированную стальную ось и посаженный не нее с натягом бандаж из чугуна с шаровидным графитом, с обеспечением надежной посадки бандажа на стальную ось, исключение осевого смещения и проворачивания бандажа при эксплуатации, упрощение сборки, разборки, механической обработки элементов составного прокатного валка.
Выполнение цилиндрических участков несущей профилированной стальной оси составного прокатного валка на одной продольной оси обеспечивает изготовление стальной оси и бандажа составного валка за одну закладку на обрабатывающих станках, а также равномерную посадку бандажа на стальную ось при сборке.
Выполнение цилиндрических участков несущей стальной оси с различными диаметрами в соотношении D1/D2=(0,95-0,98), где D1 и D2 - диаметры цилиндрических участков стальной оси, соответственно меньший и больший, мм., позволяет получить на несущей стальной оси вертикальную поверхность, выполняющую роль упорного бурта, который воспринимает осевые усилия при прокатке несимметричных профилей, например рельсов, и препятствует смещению бандажа валка относительно оси прокатки. Соотношение D1/D2 определено с учетом величины натяга, равного 0,92/1000 - 1,09/1000 диаметра посадочной поверхности несущей стальной оси, для посадки чугунного бандажа. Уменьшение величины натяга приведет к сползанию или проворачиванию чугунного бандажа при его эксплуатации, а также не позволит ввести ось в бандаж при сборке составного валка. Увеличение величины натяга приведет к разрушению чугунного бандажа в процессе сборки, обработки или при эксплуатации.
При соотношении D1/D2 менее 0,95 снижается общая площадь контакта посадочных поверхностей несущей профилированной стальной оси и чугунного бандажа, в результате чего для сохранения необходимой надежности соединения требуется обеспечить большую величину натяга, что в свою очередь приводит к возникновению повышенных внутренних напряжений и риску разрушения бандажа.
При соотношении D1/D2 более 0,98 увеличится удельное осевое давление, возникающее в процессе прокатки несимметричных профилей, например, рельсов, на образованный упорный бурт, что приведет к его деформации или разрушению и, как следствие, смещению бандажа.
Расположение цилиндрического участка несущей профилированной стальной оси меньшего диаметра D1 со стороны привода обеспечивает восприятие максимальных осевых усилий прокатки на бурт, образованный при переходе участка меньшего диаметра D1 стальной оси в участок с большим диаметром D2 и фиксацию бандажа относительно оси прокатки.
Изготовление бандажа из чугуна с шаровидным графитом позволяет повысить качество прокатных изделий. Выбор в качестве материала бандажа чугуна с шаровидной формой графита обусловлен тем, что такие валки имеют высокую стойкость при работе в условиях переменных нагрузок, а шаровидная форма графита обеспечивает высокую эксплуатационную стойкость и прочность (Вдовин К.Н., Гималетдинов Р.Х., Колокольцев В.М., Цыбров С.В. Прокатные валки: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 543 с.).
Полезная модель поясняется чертежом, где на Фиг. представлен общий вид составного прокатного валка.
Несущая профилированная стальная ось 1 выполняется из двух цилиндрических участков различных диаметров D1 и D2 с единой продольной осью, 2 - бандаж из чугуна с шаровидным графитом. Роль упорного бурта выполняет вертикальная поверхность 3, образованная за счет разности диаметров цилиндрических участков стальной оси 1.
Реализация предлагаемой полезной модели осуществляется следующим образом.
После снятия с несущей профилированной стальной оси составного валка отработанный бандаж отгружается в лом, а сама стальная ось валка проходит обработку на токарном станке. При этом на стальной оси выполняется посадочные поверхности в виде двух участков различного диаметра, при этом диаметр D1 составляет (570-582) мм, D2 - (583-595) мм, соотношение диаметров составляет D1/D2=(0,95-0,98). После чего проводится контрольный замер диаметров посадочных поверхностей стальной оси. Далее новый чугунный бандаж обрабатывается на токарно-карусельном станке, при этом на внутренней поверхности бандажа выполняется участки ответные стальной оси с учетом величины натяга, равного 0,92/1000 - 1,09/1000 посадочного диаметра. После этого бандаж транспортируется в нагревательную печь для нагрева. Нагрев продолжительностью 16 часов осуществляется в автоматическом режиме до конечной температуры 300°С При нагреве чугунного бандажа до меньших температур, до 200-250°С не обеспечивается необходимый уровень температурного расширения и затрудняется ввод оси в бандаж. При нагреве чугунного бандажа до температур 400-450°С увеличивается перепад температур по сечению бандажа при его нагреве, а также во время охлаждения вместе с осью после сборки. При этом скорость охлаждения, изменение геометрических размеров чугунного бандажа и стальной оси различны. В связи с этим существует риск разрушения бандажа от воздействия растягивающих напряжений. После нагрева осуществляется автоматическая выдержка бандажа в печи при постоянной температуре в течении 6 часов для минимизации градиента температур по сечению бандажа. Далее осуществляется процедура сборки составного валка - подготовленная стальная ось вставляется в разогретый чугунный бандаж до контакта с упорным буртом, проходит замедленное охлаждение собранного составного валка в печи в течение 48 часов до температуры 60°С. После этого собранный составной валок извлекается из печи, и охлаждается на воздухе до температуры, допускающей его механическую обработку - нарезку калибров.
Предлагаемая полезная модель применима на чистовых клетях универсальных рельсобалочных станов, и позволяет отказаться от покупки цельнолитых чугунных валков, заменить их составными валками с чугунными бандажами, тем самым снизить удельные затраты на прокатные валки с 0,410 кг/т до 0,153 кг/т за счет повторного многократного использования стальных осей составных валков, а также повысить качество поверхности прокатываемых профилей, в частности рельсов.