УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧИХ ВАЛКОВ ПОЛОСОВОГО ПРОКАТНОГО СТАНА

Полезная модель относится к области металлургии, конкретно к прокатному производству, и касается устройств для охлаждения рабочих валков полосовых прокатных станов подачей воды на поверхность бочки валков.
Известно устройство для охлаждения рабочих валков полосового прокатного стана, содержащее коллектор с размещенными вдоль его продольной оси плоскофакельными форсунками, оси которых расположены в одной плоскости, осуществляющими равномерную по длине коллектора подачу охладителя на поверхность прокатных валков плоскими струями под острым углом к оси валка [1].
Недостаток данного устройства заключается в том, что оно не может устранить неравномерность тепловых деформаций по длине бочки валков, вызванную несоответствием формы кривых теплового профиля валка и его упругих деформаций.
Тепловой профиль изменяется неравномерно по длине бочки, а форма его существенно отличается от параболической, характерной для упругих деформаций валковой системы: в средней части бочки на ширине, примерно равной 2/3 ширины полосы, тепловая выпуклость остается постоянной, т.е. профиль на этом участке можно считать прямолинейным, а далее выпуклость резко уменьшается вплоть до границ бочки. Из-за разной формы теплового профиля и профиля упругой деформации активная образующая бочки валков при прокатке, определяющая форму межвалковой щели и являющаяся суперпозицией (геометрической суммой) кривых теплового профиля, профиля упругой деформации валков и исходного шлифовочного профиля, имеет характерные выступы, расстояние между которыми на 25÷35% меньше, чем ширина полосы [2]. Эти выступы вызывают повышенные контактные напряжения и увеличенный износ на участках бочки, расположенных в зонах контакта с прикромочными участками полосы (примерно по 1/6 ширины полосы от каждой кромки), по сравнению с остальными участками бочки. Устройство-аналог не может устранить или уменьшить эти повышенные напряжения.
Известно устройство для охлаждения рабочих валков полосового прокатного стана, содержащее коллектор, выполненный в виде трубы с центральным отверстием, ось которого параллельна оси валка, причем в стенке трубы выполнены с заданным шагом отверстия с закрепленными в них форсунками для подачи охладителя (воды) на бочку валка, а коллектор разделен по длине на секции - центральную и промежуточные, для подачи охладителя на рабочую часть бочки валков, контактирующую с полосой, и две крайние, для подачи охладителя на свободные от полосы концевые участки бочки валка, и выполнен с возможностью обеспечения различной пропускной способности форсунок соседних секций [3].
Описанное устройство наиболее близко по своему существу к полезной модели и может быть принято за прототип.
кр
n
n
пр
n
ср
n
Определение количества и длин секций охлаждения в устройстве-прототипе производится из условия обеспечения устойчивого управления тепловой профилировкой валков для основной массы сортамента прокатываемых полос, путем сопоставления профиля валков по длине бочки после термического расширения с формой, которую принимает образующая валка вследствие его прогиба под действием давления металла на валки. В [3] показан, в частности, пример коллектора, разделенного по длине на пять секций. Существенным в этом устройстве является то, что секции изолированы друг от друга поперечными перегородками. В каждую секцию охладитель подается по отдельной трубе. Соответственно каждая такая труба связана с установленными в насосной станции средствами регулирования расхода и давления подаваемого охладителя, определяющими фактическую пропускную способность форсунок данной секции. При этом максимальная пропускная способность форсунок всех секций одинакова. Перегородки между секциями позволяют создавать в каждой секции свой режим давления и поддерживать в каждой секции свой уровень фактической пропускной способности форсунок этой секции. Через форсунки крайних секций охладитель подается на участки бочки за пределами ширины полосы, длина каждой из этих секций L=(L-b)/2, где L - длина бочки валка, b - ширина полосы, преобладающая в сортаменте стана. Промежуточные секции имеют длину L=b/4 и средняя секция: L=b/2.
Такая конструкция коллектора-прототипа позволяет, в отличие от устройства-аналога, изменять тепловой профиль по длине бочки валка и тем самым воздействовать на форму межвалкового зазора. На станах холодной прокатки такие коллекторы в значительной степени устраняют неравномерность контактных напряжений по длине бочки валков и благодаря этому обеспечивают приемлемую плоскостность прокатываемых полос.
Однако на станах горячей прокатки, где рабочие валки изготавливают не из стали, а из более хрупкого чугуна, такие коллекторы использовать нельзя, так как при большой разнице расходов и давлений охладителя, подаваемого через соседние секции коллектора, в участках бочки валка, расположенных напротив границ между соседними секциями коллектора, могут возникать высокие температурные напряжения, вызывающие трещины в бочке и выход валка из строя.
Задача полезной модели - исключить резкие перепады расходов и давлений охладителя на границах секций коллектора, обеспечив более плавный теплообмен валка с охладителем по длине бочки, сохранив при этом возможность задавать форму кривой теплового профиля валка, чтобы приблизить эту форму к форме упругой деформации валка и тем самым улучшить поперечный профиль и плоскостность горячекатаных полос.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для охлаждения рабочих валков полосового прокатного стана, содержащем коллектор, выполненный в виде трубы с центральным отверстием, ось которого параллельна оси валка, причем в стенке трубы выполнены с заданным шагом отверстия с закрепленными в них форсунками для подачи охладителя (воды) на бочку валка, а коллектор разделен по длине на секции - центральную и промежуточные, для подачи охладителя на рабочую часть бочки валков, контактирующую с полосой, и две крайние, для подачи охладителя на свободные от полосы концевые участки бочки валка, и выполнен с возможностью обеспечения различной пропускной способности форсунок соседних секций, согласно полезной модели, центральное отверстие трубы коллектора выполнено сквозным по всей длине рабочей части коллектора, коллектор выполнен с общей трубой для подвода охладителя, в различных секциях установлены форсунки различной максимальной пропускной способности, длина центральной секции коллектора равна 0,64÷0,68 длины рабочей части бочки валка, при этом в промежуточных секциях установлены форсунки с максимальной пропускной способностью, на 20÷30% превышающей максимальную пропускную способность форсунок центральной секции, а в крайних секциях установлены форсунки, максимальная пропускная способность которых на 30÷40% меньше, чем у форсунок центральной секции.
Сущность полезной модели заключается в следующем. В известном устройстве в каждой секции коллектора установлены форсунки одинаковой максимальной пропускной способности, а благодаря наличию разделительных перегородок между секциями и раздельному подводу охладителя к секциям, в каждой секции поддерживается свой режим подачи охладителя к форсункам, т.е. свое давление и свой расход охладителя, за счет чего обеспечивается различная по секциям фактическая пропускная способность форсунок и различная интенсивность охлаждения. Эта же особенность известной конструкции коллектора может приводить и к негативному эффекту: при некоторых условиях возможно возникновение резкого перепада давлений охладителя на границах секций. В устройстве, согласно полезной модели, наличие сквозного по всей длине центрального отверстия коллектора и общего подвода к нему охладителя выравнивает давление внутри коллектора по всей его длине, исключая тем самым перепады давления на границах секций, а возможность различной интенсивности охлаждения в разных зонах по длине бочки валка обеспечивается за счет различной максимальной (а значит, и фактической) пропускной способности форсунок различных секций коллектора. Это позволяет устранить указанный негативный эффект, а вместе с ним и высокие температурные напряжения в металле валка, вызывающие трещины и преждевременный выход валка из строя.
Полезная модель поясняется на конкретном примере и иллюстрируется чертежами, где: на фиг.1 показана общая схема устройства, вид спереди, на фиг.2 - вид сбоку, с торца валка, на фиг.3 - кривые теплового и упругого профиля валка.
Устройство содержит выполненный в виде трубы с осевым отверстием коллектор 1, нерегулируемые форсунки 2, установленные на коллекторе с шагом S, среднюю часть коллектора с центральной секцией 3, промежуточными секциями 4, крайними секциями 5, при этом в каждой из секций коллектора установлены форсунки с максимальной пропускной способностью, отличной от максимальной пропускной способности форсунок соседних секций, рабочий валок 6, имеющий длину бочки L, с центральной зоной 7 протяженностью, равной 2/3 ширины В той полосы в сортаменте стана, которая составляет преобладающую часть сортамента (ширина именно этой полосы определяет длину рабочей части бочки валка), промежуточными зонами 8 общей длиной, равной В/3, и двумя крайними зонами 9, расположенными на нерабочих участках бочки длиной (L-В)/2 каждая, где L - общая длина бочки валка.
Каждая форсунка имеет заданную максимальную пропускную способность, которая определяется площадью и формой выпускного отверстия и для каждой форсунки сохраняет постоянное значение. Однако фактическая пропускная способность каждой форсунки зависит от режима подачи охладителя к ней и может при изменении этого режима также меняться.
На фиг.3 показаны также тепловой профиль 10 валка при прокатке полосы шириной В, профиль 11 упругой деформации валка, условная парабола 12, симметричная относительно профиля 11 (ось симметрии - ось валка).
Тепловой профиль 10 валка 6 имеет специфическую форму, отличную от формы условной параболы 12, вершина которой в точке а совпадает с точкой симметрии профиля 10, находящейся в середине бочки валка, а концы совпадают с крайними точками b и с, находящимися на краях бочки. А именно: тепловой профиль 10 имеет в средней части бочки прямолинейную форму, которая при приближении к концам рабочего участка бочки (примерно на расстояниях по 1/3 ширины В) сменяется криволинейной формой, с резко уменьшающейся выпуклостью. Для сравнения на фиг.1 показан исходный шлифовочный профиль 13 цилиндрической формы.
На профиль 11 упругой деформации накладывается выпуклость теплового профиля 10, в результате формируется окончательный профиль бочки валка, т.е. его активная образующая 14, представляющая собой суперпозицию кривых 10 и 11. Именно по активной образующей 14 валок контактирует с прокатываемой полосой.
Активная образующая 14 имеет пять зон, отличающихся интенсивностью контактных напряжений. В промежуточных зонах 8 из-за выпуклых участков на образующей 14 контактные напряжения более высокие, чем в центральной зоне 7, что приводит к повышенному износу бочки в этих зонах. В крайних зонах 9 на активной образующей 14 имеются впадины, которые также могут приводить к искажению поперечного профиля прокатываемых полос, если их ширина больше В, или если полоса движется со смещением от середины бочки валков.
3
2
В устройстве центральное отверстие трубы коллектора выполнено сквозным на всей длине рабочей части коллектора, т.е. в нем отсутствуют изолирующие перегородки между секциями. Коллектор снабжен трубой 15 для общего подвода охладителя к нему. Секции содержат группы форсунок, имеющих разные (в разных группах) максимально возможные пропускные способности и обеспечивающих разную плотность облива (количество охлаждающей жидкости, подаваемой в единицу времени на единицу площади, м/чм): форсунки с наибольшей пропускной способностью находятся в промежуточных секциях 4 коллектора 1, напротив зон 8, форсунки с наименьшей пропускной способностью - в крайних секциях 5, напротив нерабочих зон 9 валка 6. Распределение групп форсунок разной максимально возможной пропускной способности по длине коллектора обосновано интенсивностью контактных напряжений в очаге деформации.
Длина средней части трубы коллектора, занимаемая центральной секцией 3, соответствует средней зоне валка 7, где форма его активной образующей 14 не изменяется заметно, вообще говоря, как установлено расчетами по математической модели и подтверждено экспериментами, составляет для разных случаев 0,64÷0,68 длины бочки валка, а в данном примере длина этой зоны составляет 2/3 длины рабочей части бочки валка (или ширины полосы). Длины промежуточных секций 4 равны 1/6 (а в сумме 1/3) ширины полосы, что соответствует участкам 8 активной образующей 14 валка, на которых ее форма претерпевает наибольшие изменения.
Таким образом, выбор длин секций коллектора, расположенных напротив рабочей части бочки валка, имеющей длину, равную ширине полосы В, соответствует длинам участков активной образующей 13 валка, имеющих разную неравномерность профиля. Это создает возможность более эффективной, чем в устройстве-прототипе (где длина центральной секции коллектора равна В/2, а промежуточных - по B/4), регулировки профиля валка.
Выполнение центрального отверстия трубы коллектора сквозным по всей длине создает возможность подачи охладителя во все секции через единый подвод. Это позволяет исключить случаи, когда в соседних секциях расходы резко отличаются, так как при отсутствии изолирующих перегородок резкие скачки давлений на границах секций не возникают. Различная фактическая пропускная способность форсунок секций и, как следствие, обеспечение различной интенсивности охлаждения по секциям достигается за счет установки в разных секциях, как сказано выше, форсунок различной максимальной пропускной способности. Следствие такого решения - исключение растрескиваний и поломок чугунных рабочих валков станов горячей прокатки. Максимальная высота выступов активной образующей 14 в зонах 8, согласно данным [3, 4, 5], составляет 0,02÷0,05 мм (методика расчета изложена в литературе [4, 5]). Чтобы исключить эти выступы, необходимо дополнительно охладить эти участки бочки, увеличением расхода охладителя. Тепловая выпуклость определяется с помощью формулы [5, с.181-182]:
р
р
где D, ΔD - соответственно диаметр и тепловая деформация рабочего валка, мм;
л
α - коэффициент линейного расширения материала валков;
р1
t - средняя по сечению температура рабочего валка в промежуточных зонах при одинаковой по длине бочки плотности облива, °С;
р2
t - средняя по сечению температура рабочего валка в промежуточных зонах при увеличенной (максимальной) плотности облива.
Из формулы (1) уменьшение температуры, которое необходимо обеспечить в зонах 8 за счет более интенсивного охлаждения, равно:
С помощью выражения (2) легко определить, что для изменения радиальных тепловых деформаций валка на 0,02÷0,05 мм требуется уменьшение средней температуры на 2÷5°С.
Для такого уменьшения температуры требуется увеличить пропускную способность форсунок на 20÷30%. Это подтверждают расчеты с помощью математической модели теплового режима валков, результаты которых приведены в таблице 1.
3
2
3
2
Из таблицы 1 видно, что увеличение пропускной способности форсунок на 20% относится к диапазону плотностей облива 150÷200 м/чм, на 30% - 200÷250 м/чм. При увеличении пропускной способности форсунок меньше, чем на 20%, снижение температуры будет меньше, чем на 2°С, а при увеличении пропускной способности форсунок больше, чем на 30%, снижение температуры будет больше 5°С, т.е. стабилизация теплового профиля будет менее эффективной.
Исходя из этих соображений, в разных секциях установлены форсунки с соответствующими характеристиками максимальной пропускной способности.
Таблица 1
Давление в форсунках: 13 бар
Плотность облива нормативная, м<sup>3</sup>/чм<sup>2</sup>
150
175
200
Плотность облива увеличенная, м<sup>3</sup>/чм<sup>2</sup>
200
225
250
Уменьшение температуры валка, °С
6,15
4,05
1,03
Давление в форсунках: 15 бар
Плотность облива нормативная, м<sup>3</sup>/чм<sup>2</sup>
150
175
200
Плотность облива увеличенная, м<sup>3</sup>/чм<sup>2</sup>
200
225
250
Уменьшение температуры валка, °С
5,41
3,58
2,05
Указанная в отличительных признаках полезной модели пониженная пропускная способность в крайних секциях 5 коллектора вызвана тем, что вогнутости в крайних зонах 9 активной образующей 14 валка (фиг.1) имеют максимальную глубину, превышающую примерно на 30÷40% максимальную высоту выпуклостей в соседних зонах 8. Следовательно, у форсунок крайних секций 5 коллектора максимальная (а значит, при одинаковом расходе и давлении подводимого охладителя - и фактическая) пропускная способность должна быть меньше на 30÷40%, чем у форсунок центральной секции 3, т.к. крайние зоны 9 бочки валка необходимо охлаждать с меньшей интенсивностью, чтобы поддерживать необходимую форму кривой 14 в этих зонах.
Следовательно, технический результат полезной модели достигается.
Учитывая, что на одних валках могут прокатываться полосы разной ширины, длины зон 7, 8, 9 рабочего участка бочки валка принимают, исходя из ширины, которую имеют полосы, составляющие максимальный процент в сортаменте стана. Для указанных полос обеспечивается максимальная равномерность деформаций по ширине полосы, а для полос другой ширины отклонения от равномерности будут меньшими, чем в устройстве-прототипе.
В качестве примера рассмотрим коллектор рабочей клети чистовой группы широкополосного стана 2000, состоящий из пяти секций с различными форсунками. Наиболее часто на стане прокатывают полосы шириной В=1280 мм. Поэтому в центральной секции 3 коллектора длиной 2B/3=850 мм расположено 18 форсунок с максимальной пропускной способностью 25 л/мин каждая, в промежуточных секциях 4 длиной по В/6=200 мм - по 4 форсунки с максимальной пропускной способностью 32 л/мин каждая, в крайних секциях 5 длиной по 200 мм - по 4 форсунки с максимальной пропускной способностью 16 л/мин каждая. Суммируя длины всех секций, получаем общую длину коллектора, равную 1650 мм. Длина коллектора меньше длины бочки за счет сокращения длины крайних секций 5. Оптимизация длины коллектора выполнена с целью сокращения расхода охладителя на нерабочих участках бочки. Шаг всех форсунок - 50 мм. Максимальная пропускная способность форсунок центральной группы меньше максимальной пропускной способности форсунок промежуточных групп на 28% и больше пропускной способности форсунок крайних групп на 36%. Соответствующим образом соотносятся (при одинаковом расходе и давлении подаваемого к форсункам охладителя) и фактические пропускные способности форсунок разных секций.
Исследования температуры валков, охлаждаемых данным коллектором, показали, что в участках бочки, находящихся напротив границ между секциями коллектора, температура изменяется плавно, резкие перепады ее отсутствуют, что обеспечивает сохранность чугунных валков, предотвращая их поломки. В этом заключается технический результат изобретения.
Литература
1. Авторское свидетельство №471912, МКИ В21В 27/10, 1975.
2. Совершенствование теплового процесса листовой прокатки. Третьяков А.В., Гарбер Э.А., Шичков А.Н., Грачев А.В. М., «Металлургия», 1973 г., с.239-242.
3. Технический прогресс систем охлаждения прокатных станов. Гарбер Э.А., Гончарский А.А., Шаравин М.П. М., «Металлургия», 1991 г., с.206-209.
4. Теория прокатки. Справочник. А.И.Целиков, А.Д.Томленов, В.И.Зюзин и др. М., «Металлургия», 1982, 335 с.
5. Теория продольной прокатки. Целиков А.И., Никитин Г.С., Рокотян С.Е. М., «Металлургия», 1980 г. - 320 с.