КЛЕТЬ ПРОКАТНОГО СТАНА ДЛЯ КАЛИБРОВОЧНОГО ИЛИ РЕДУКЦИОННОГО ПРОКАТНОГО СТАНА С НЕСКОЛЬКИМИ ТОЧКАМИ ПРИЛОЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
MILL STAND FOR CALIBRATION OR REDUCING MILL WITH MULTIPLE POINTS OF PRESSURE APPLICATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к клети прокатного стана для калибровочного или редукционного прокатного стана с несколькими валками для труб, изготовленных из стали или других металлов.
Уровень техники
Для калибровки стальных труб или круглых изделий, выполненная с помощью известных из уровня техники калибровочно-редукционных прокатных станов, свойственна овализация наружной поверхности, выражаемая как соотношение между свободным пространством до обрабатываемой заготовки в зоне раствора между соседними валками, обычно данная зона называется зоной раствора, которая обозначена в общем виде как H2, и свободным пространством до обрабатываемой заготовки в зоне основания калибра валка, которая обозначена в общем виде как H1. Это относится ко всем валкам, вне зависимости от количества валков в клети, например, 2, 3 или 4 валка.
В соответствии с уровнем техники угловой сектор валка между зоной основания калибра и зоной раствора равен расстоянию Н(α), которое увеличивается в виде функции зависимости от угла α, причем α представляет собой угол с вершиной, расположенной на оси Y прокатки, и линией B, которая представляет собой сторону угла, проходящую через зону основания валка. На фиг. 1 показан пример четырехвалковой калибровочной клети прокатного стана, известной из уровня техники.
Обычно прокатные станы данного типа имеют несколько клетей, при этом клети расположены последовательно вдоль оси Y прокатки и имеют уменьшающееся сечение калибровки, что гарантирует, что зоны оснований калибров клети на нечетных позициях совпадут с зонами растворов клети на четных позициях, а зоны оснований калибров клети на четных позициях совпадут с зонами растворов клети на нечетных позициях вне зависимости от количества валков в клети.
roll
В общем случае, рабочий сектор каждого валка в градусах равен углу α=360°/NR, где NR - количество валков в клети.
roll
Таким образом, для клетей с 2 валками рабочий сектор будет иметь угол величиной α=360°/2=180°,
roll
для клетей с 3 валками α=360°/3=120°,
roll
для клетей с 4 валками α=360°/4=90° и т.д. по мере увеличения значения NR.
roll
Таким образом, угол смещения между четной и нечетной клетями становится равным β=α/2, т.е.
для клетей с 2 валками β=180°/2=90°,
для клетей с 3 валками β=120°/2=60°,
для клетей с 4 валками β=90°/2=45°.
На фиг. 2 показан пример с проекцией двух последовательно расположенных клетей, известных из уровня техники, на одну плоскость разреза, при этом NR=3, а угловое смещение β=60°.
На фиг. 3 показан квадрант поперечного разреза прокатного валка с участком S поверхности валка в полярной системе координат, а на фиг. 4 показан пример проекции данной поверхности S валка в декартовой системе координат. Следовательно, функция, представляющая собой профиль калибровки Rpass=Н(α), в общем случае является четной функцией и имеет относительный минимум при α=0° и максимум в зоне раствора.
Последняя клеть прокатного стана обычно имеет идеально круглую форму, что позволяет избежать дефектов формы трубы или круглых изделий, которые могут появиться после пропуска труб или круглых изделий через предыдущие клети.
Практические и теоретические способы моделирования прокатки подтвердили, что материал, быстро проскальзывающий в радиальном направлении к центру зон оснований калибров валков каждой клети, слишком далеко проходит в зоны раствора. Эта тенденция становится более заметной при уменьшении количества валков в клети прокатного стана и увеличении соотношения между номинальным диаметром и толщиной стенки трубы. В частности, было выяснено, что после недавнего начала использования четырехвалковых клетей в прокатных станах материал трубы стал продавливаться к центру Y вдоль четырех направлений с углом смещения 90° друг от друга, а также сжиматься в зонах раствора. Данное явление понятно, поскольку угловой сектор между двумя соседними точками приложения давления на окружности имеет меньшую величину, следовательно, материал трубы или круглого изделия становится более управляемым во время его деформации.
Известные из уровня техники прокатные станы обычно оснащены наборами калибровки для получения овалообразной формы, т.е. они имеют большее соотношение H2/Н1 для тонких труб и меньшее соотношение H2/Н1 - для больших труб, из-за чего приходится использовать большое количество наборов калибровочных валков, которые увеличивают стоимость прокатного стана.
Из документа US 3842635 известна клеть прокатного стана с тремя валками для холодной прокатки труб с помощью дорна. Каждый валок клети имеет два относительных минимума радиусов поверхности валка при угле Ф, образованном линией, проходящей через зону основания калибра валка, и осью прокатки. Такой профиль калибра является предпочтительным в случае валков для редуцирования, после которых обязательно должны быть установлены чистовые валки, полностью изменяющие сечение наружной поверхности трубы, которое имеет сложную, некруглую форму, например, треугольную или шестиугольную. В известном решении не решается проблема получения идеально круглого окончательного сечения трубы.
Попытка создания более круглого окончательного профиля прокатанной трубы в конце цикла обжатия по толщине за счет предотвращения формирования многогранного внутреннего сечения трубы и исключения чрезмерного продвижения в зоны раствора была сделана в патенте EP 1707281, в котором раскрыто решение, содержащее несколько последовательно расположенных клетей прокатного стана с валками, имеющими профиль калибра с различным радиусом, который увеличивается, начиная с минимального радиуса, по линии, проходящей по оси прокатки через зону основания калибра. Радиус увеличивается постепенно или по частям до максимального уровня в растворе. На практике теоретическое место контакта между основанием валка и наружной поверхностью валка находится в основании калибра. В данном решении есть только один относительный минимум радиус поверхности калибра валка. Данный профиль имеет изгиб, постоянно направленный в одну сторону вдоль всего профиля калибра. Данное решение более подходит для труб с большой толщиной стенки, но оно не подходит для прокатки труб с тонкими стенками.
Хотя данные решения позволяют получить окончательные сечения труб высокого качества, они не всегда соответствуют требованиям рынка, в частности это касается прокатываемого материала высшего качества, например, труб и круглых изделий, с минимально возможным количеством редукционных и калибровочных клетей.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является создание клети прокатного стана для труб и круглых изделий, которая позволит получить более равномерную форму прокатанной трубы или круглого изделия и насколько возможно снизить длину линии прокатного стана.
Еще одной целью настоящего изобретения является сохранение уровня качества прокатки, используя клети прокатного стана с меньшим количеством валков и большим соотношением между номинальным диаметром и толщиной стенки трубы.
Эти и другие цели достигаются с помощью клети прокатного стана для труб и круглых изделий, которая в соответствии с п. 1 содержит два или более прокатных валка, определяющих сечение прокатки клети прокатного стана, ось которого совпадает с осью прокатки клети прокатного стана; каждый валок, имеющий соответствующую поверхность прокатки, определяющую прямую линию симметрии, которая проходит по оси прокатки и через центр симметрии соответствующей поверхности, определяя таким образом первую половину и вторую половину соответствующей поверхности; две зоны раствора, имеющие радиальное расстояние, равное значению H2 от оси прокатки, и зону основания калибра, имеющую радиальное расстояние, равное расстоянию H1 от оси прокатки в точке пересечения соответствующей поверхности с соответствующей прямой линией симметрии, в которой для каждого валка на указанной соответствующей поверхности прокатки предусмотрены по меньшей мере три зоны приложения давления, причем первая зона приложения давления расположена по окружности на прямой линии симметрии, вторая зона приложения давления расположена на окружности в первой половине соответствующей поверхности между соответствующей зоной основания калибра и соседней зоной раствора, на угловом расстоянии αR от соответствующей прямой линии симметрии, а третья зона приложения давления расположена на окружности во второй половине соответствующей поверхности между соответствующей зоной основания калибра и соседней зоной раствора на угловом расстоянии αL от соответствующей прямой линии симметрии.
В соответствии с изобретением по любому варианту промежуточные зоны приложения давления между прямой линией симметрии и зоной раствора, число которых может быть различным, всегда расположены после зоны приложения давления, которая находится в основании калибра, то есть где α=0°.
В соответствии с изобретением в клети прокатного стана использован принцип уменьшения углового расстояния между двумя последовательными точками приложения давления, расположенными на окружности сечения прокатки, для того, чтобы деформация на поверхности трубы была более равномерной. Наличие менее трех точек приложения давления, как и в известных из уровня техники системах, не позволяет сохранить уровень качества прокатки, поскольку точки приложения давления расположены слишком далеко друг от друга.
Преимущества данной технологии очевидны, поскольку при использовании калибровки данного типа не нужны отдельные калибровочные формы прокатного стана для труб с толстыми стенками и для труб с тонкими стенками, номинальный диаметр калибровочных форм одинаков.
Еще одно преимущество, достигаемое в результате увеличения количества точек приложения давления заключается в том, что обычно из-за неравномерной деформации внутри трубы образуется многоугольная форма с количеством сторон, в два раза превышающим количество точек приложения давления. Таким образом, при использовании прокатных станов с 3 валками в клети и традиционной калибровки трубы будут иметь форму шестиугольника. Образование многоугольной формы внутренней части трубы заметнее при работе с трубами с очень толстыми стенками. Следовательно, чем больше количество сторон многоугольника, тем ближе многоугольник по форме к кругу.
Краткое описание чертежей
Отличительные особенности и преимущества изобретения станут более понятными из подробного описания предпочтительных, но не исключающих вариантов клети прокатного стана, рассмотренных с помощью неограничивающего примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан разрез, расположенный ортогонально оси Y прокатки четырехвалковой клети прокатного стана, известной из уровня техники;
на фиг. 2 показан разрез, расположенный ортогонально оси Y прокатки, в виде клети прокатного стана в нечетном положении (на фоне), при этом клеть прокатного стана, известная из уровня техники, показана в четном положении;
на фиг. 3 показан увеличенный вид в разрезе углового сектора клети прокатного стана, известной из уровня техники;
на фиг. 4 показана кривая проекции поверхности прокатки сектора с фиг. 3 в декартовой системе координат;
на фиг. 5 показан участок кривой проекции поверхности S1 прокатки валка клети прокатного стана в декартовой системе координат в соответствии с первым вариантом изобретения;
на фиг. 6 показан участок кривой проекции поверхности S2 прокатки валка клети прокатного стана в декартовой системе координат в соответствии со вторым вариантом изобретения;
на фиг. 7 показан частичный разрез, расположенный поперек оси Y прокатки по первому варианту трехвалковой клети с поверхностью валков, представляющей собой кривую с фиг. 5 в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 8 показан частичный разрез, расположенный поперек оси Y прокатки по второму варианту трехвалковой клети с поверхностью валков, представляющей собой кривую с фиг. 6 в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 9 показан частичный разрез, расположенный поперек оси Y прокатки по первому варианту четырехвалковой клети с поверхностью валков, представляющей собой кривую с фиг. 5 в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 10 показан частичный разрез, расположенный поперек оси Y прокатки по второму варианту четырехвалковой клети с поверхностью валков, представляющей собой кривую с фиг. 6 в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 11 показан разрез валка четырехвалковой клети с поверхностью прокатки с первым вариантом профиля в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 12 показана половина кривой проекции поверхности S1 прокатки в декартовой системе координат валка с фиг. 11;
на фиг. 13 показан разрез валка четырехвалковой клети с поверхностью прокатки со вторым вариантом профиля в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 14 показана половина кривой проекции поверхности S2 прокатки в декартовой системе координат валка с фиг. 13;
на фиг. 15 показан разрез, расположенный ортогонально оси Y прокатки, в виде клети прокатного стана в четном положении (на фоне), при этом клеть прокатного стана, известная из уровня техники, показана в нечетном положении.
Осуществление изобретения
В соответствии с настоящим изобретением на фиг. 5-8 представлено два варианта клети прокатного стана с тремя валками, имеющими различные формы поверхности прокатки.
Первый вариант клети прокатного стана содержит три абсолютно одинаковых калибровочных валка 10, 20, 30, т.е. NR=3, каждый из них имеет поверхность S1 прокатки. Форма данной поверхности S1 прокатки в соответствии с настоящим изобретением может быть описана с помощью кривой Rpass=Н(α), т.е. с помощью функции зависимости расстояния до оси Y прокатки от угла α, при этом данная функция является четной и имеет три точки 1, 2, 3 относительного минимума NP, расположенные в зонах, определенных следующими значениями угла α соответственно, которые измерены относительно прямой линии В, проходящей по оси Y прокатки через медианную точку поверхности валка 10 таким образом, чтобы образовывать ось симметрии для двух половин поверхности S1, при этом угол α равен 0°:
αL=-(360°/3)/NR+/-5°
α1=0°
αR=-αL.
1
Данные значения изображены в виде проекции в декартовой системе координат вдоль оси с фиг. 5, при этом показана только половина поверхности S1 валка 10, вторая половина идентична данной кривой и симметрична относительно оси ординат при α=α=0°.
По крайней мере три точки относительного минимума NP должны принадлежать плоскости поверхности валка для достижения преимуществ настоящего изобретения. Переводя данное условие на математический язык, необходимо, чтобы производная функции R(α)/α поменяла знак 6 раз на всем профиле. Очевидно, что описание, относящееся к валку 10, также относится к другим валкам 20, 30 клети прокатного стана.
Клеть прокатного стана по второму варианту содержит три валка 11, 21, 31, каждый из которых имеет поверхность S2 прокатки. Поскольку в данном случае существует пять точек минимума (NP=5), то будет пять зон 1′, 2′, 3′, 22′, 33′ приложения давления к прокатываемой трубе или круглому изделию для каждого валка. Это означает, что производная функции R(α)/α поменяет знак 10 раз на всем профиле. В данных зонах, которые могут в идеальном случае можно принять за точки, хотя они являются поверхностями контакта, находятся относительные минимумы кривой Rpass, расположенные на окружности в зонах поверхности S2, которые соответствуют следующим значениям угла:
αLL=-(360°*2/NR)/5+/-5°
αL=-(360°/NR)/5+/-5°
α1=0
αR=-αL
αRR=-αLL
Данные значения отмечены на проекции кривой с фиг. 6 в декартовой системе координат только для половины поверхности S2, вторая половина является идентичной и поэтому не показана.
Обобщая данная формула при количестве точек NP минимума на поверхности S2 прокатки для каждого валка более пяти, т.е. для случаев, в которых производная функции R(α)/α поменяет знак более 10 раз на всем профиле, получается:
α1=-[360°*(NP-1)/2]*(1/NR)*(1/NP)
α2=α1+(360°/NR)/NP
α3=α2+(360°/NR)/NP,
а для общего числа K
αK=α(K-1)+(360°/NR)/NP.
Возможные изменения положения центра тяжести каждой зоны приложения давления на +/-5° не были отражены в общей формуле для упрощения, центр тяжести каждой зоны соответствует идеальной точке, представляющей собой всю зону, при этом такая точка на схематических чертежах изображает номинальное положение каждой зоны. В любом случае следует понимать, что смещение соответствующего центра тяжести зон минимумов на +/-5° возможно, если учесть фактическое расстояние между двумя соседними зонами минимума.
Обобщая все вышесказанное, зоны приложения давления номинально будут существовать, т.е. при отсутствии изменений на угол, выходящий за пределы от +5° до -5°, в следующих комбинациях, изображенных на фиг. 7, 8, 9, 10.
На фиг. 7 с трехвалковой клетью, в которой каждый валок имеет три зоны 1, 2, 3 приложения давления, расположенные под углами α=-40°, 0°, 40° относительно прямой линии симметрии B.
На фиг. 8 с трехвалковой клетью, в которой каждый валок 11, 21, 31 имеет пять зон 1′, 2′, 22′, 3′, 33′ приложения давления, расположенных под углами α=-48°, -24°, 0°; 24°, 48° относительно прямой линии симметрии B.
На фиг. 9 с четырехвалковой клетью 40, 50, 60, в которой каждый валок имеет три зоны 1″, 2″, 3″ приложения давления, расположенные под углами α=-30°, 0°, 30° относительно прямой линии симметрии B.
На фиг. 10 с четырехвалковой клетью 41, 51, 61, в которой каждый валок имеет пять зон 1′″, 2″′, 3″′, 22″′, 33″′ приложения давления, расположенных под углами α=-36°, -18°, 0°, 18°, 36°, 30° относительно прямой линии симметрии B.
На фиг. 9 и 10, на которых клеть имеет NR=4, четвертый валок не показан, но он имеет форму, полностью симметричную верхнему валку, как показано с помощью ссылочных позиций 40 и 41 соответственно.
Значения HL или HLL и HR или HRR предпочтительно, но не обязательно равны значению H1 основания калибра.
На фиг. 11 и 12 соответственно показан валок 10, соответствующий данному варианту реализации, с валками, имеющими три зоны приложения давления, NP=3, при этом HR≠H1. Аналогичным образом соотношение HL≠H1 применимо к другой половине поверхности валка с тремя точками приложения давления.
Таким образом, например, в данном варианте предусмотрено всего 9 точек приложения давления на каждой клети, расположенных под углом 40° друг к другу, в номинальном положении для клетей с NR=3 (см. фиг. 7). В зоне, соответствующей зоне раствора или раствору H2, значение Rpass будет выше, чем для двух точек приложения давления, расположенных на угловых расстояниях αL и αR от этого раствора. Данный вариант воплощения изображен на фиг. 12.
Аналогичным образом для четырехвалковых клетей предусмотрено всего 12 зон приложения давления, расположенных под углом 30° друг к другу, с учетом их номинального положения. В зонах, соответствующих зонам раствора или раствору H2, значение Rpass выше, чем для точек приложения давления, расположенных на угловых расстояниях αL и αR от этого раствора.
Для варианта, представленного на фиг. 13 и 14, на которых показан валок 11 с пятью зонами приложения давления, NP=5, значения HL≠HLL≠H1 относятся для одной половины поверхности каждого валка, при этом аналогичным образом для другой половины поверхности валка мы имеем HR≠HRR≠H1.
При различных взаимных расположениях, описанных выше для разных значений количества зон NP приложения давления и количества валков NR, для клети в любом положении зоны приложения давления следующей клети автоматически располагаются в промежуточных положениях относительно положений предыдущей клети, что позволяет получить нужное уменьшение диаметра.
На фиг. 15 показан разрез прокатного стана, проходящий через клеть прокатного стана. Например, клеть в четном положении расположена на переднем плане, а вторая клеть прокатного стана в нечетном положении клети - на фоне. В данном варианте клеть прокатного стана s имеет NR=4 валка и NP=3 точки приложения давления для каждого валка. Ссылочной позицией 80 обозначены зоны приложения давления к прокатываемому материалу нечетной клети, при этом в четном положении находится зона клети без приложения давления. Ссылочной позицией 90, напротив, обозначены зоны, в которых клеть в нечетном положении не прикладывает давление к прокатываемому материалу, при этом зоны приложения давления клети находятся в четном положении. Концепция, представленная на фигуре, может быть расширена аналогичным образом для всех валков прокатных станов с нужными значениями количества валков NR и количества зон NP приложения давления.
Овальность материала, прокатываемого с помощью профилей валков в соответствии с настоящим изобретением, меньше похожа на форму, получаемую с помощью традиционной калибровки с одной точкой приложения давления. Прочность сечения обрабатываемого материала и равномерность прокатываемого материала вдоль оси позволяет выполнить уменьшение в радиальном направлении в зонах, не контактирующих с валком. На практике нельзя получить такие резкие изменения выпуклости материала. Подразумевается, что зоны контакта между валками и прокатываемым материалом в направлении угла α будут чередоваться, это предотвратит попадание материала трубы или круглого изделия в зоны раствора, которое могло бы привести к образованию заметных следов на наружной поверхности прокатываемого материала.
Преимущество калибровки с помощью прокатного стана, содержащего клеть, соответствующую настоящему изобретению, заключается в том, что труба остается менее овальной, поскольку материал продавливается практически в радиальном направлении в большом количестве точек, равномерно распределенных по периметру калибруемого сечения, при этом в зонах между двумя соседними точками приложения давления материал продавливается к центру, следовательно, он не проходит далеко в форму профиля калибровки, и в любом случае это предотвращает его продвижение в зоны раствора между двумя соседними валками, что предотвращает последующее образование дефектов поверхности.
Это позволяет сделать калибровку одинаковой для изделий с толстыми и тонкими стенками, в частности для варианта клети с четырьмя валками на клети, при этом расстояние между двумя точками приложения давления ограничено 30° при NP=3.
Во всех описанных выше вариантах реализации клеть для окончательной калибровки до идеально круглой формы, установленная в конце линии прокатного стана, также содержит клети прокатного стана, соответствующие настоящему изобретению.