Исследование напряжений в очагах деформации и оценка износа валков универсальных клетей при прокатке широкополочных балок

УДК 621.74

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ОЧАГАХ ДЕФОРМАЦИИ И ОЦЕНКА ИЗНОСА ВАЛКОВ УНИВЕРСАЛЬНЫХ КЛЕТЕЙ ПРИ ПРОКАТКЕ ШИРОКОПОЛОЧНЫХ БАЛОК

Лехов О С., Туев М.Ю.

Российский государственный профессионально-педагогический университет, Екатеринбург, Россия

Аннотация. Рассмотрены особенности износа валков универсальных клетей при прокатке широкополочных балок. Проведено исследование напряжённо-деформированного состояния металла в двух зонах очага деформации при формировании стенки и полки балки. Результаты расчёта процесса прокатки представлены в виде эпюр распределения нормальных и касательных напряжений по дугам захвата и ширине очага деформации балки с горизонтальными и вертикальными валками. Приведены эпюры распределения разности скоростей металла балки и точек торцевой поверхности горизонтального валка в зоне их контакта. Определены причины и закономерности распределения нормальных и касательных напряжений в двух зонах очага деформации при прокатке широкополочной балки. Приведены результаты экспериментального исследования износа горизонтальных бандажированных валков универсально-балочного стана при прокатке широкополочных балок.

Ключевые слова: универсальная клеть, широкополочная балка, очаг деформации, бандажированный валок, нормальные и касательные напряжения, износ, скорость металла.

Введение

В результате интенсификации процесса прокатки, расширения сортамента широкополочных балок, использования непрерывнолитой заготовки и повышения требования к качеству строительных профилей основным условием эффективности универсально-балочного стана является улучшение качества валков и увеличение их стойкости. Особенности изнашивания валков в универсально-балочных станов состоит в том, что профиль проката формируется в двух зонах очага деформации: стенка балки - в горизонтальных валках, а полка - в горизонтальных и вертикальных валках. В очаге деформации происходит значительное рассогласование скоростей скольжения металла балки относительно торцевой цилиндрической поверхности бочки горизонтального валка, что приводит к неравномерному износу валков. Горизонтальные валки выходят из строя в основном из-за неравномерного износа их торцевых поверхностей. Известно [1-6], что качество прокатных валков в значительной мере определяет качество проката - требуемые потребительские его характеристики (точность размеров, качество поверхности) и конкурентоспособность. В связи с этим важно определить напряжённо-деформированное состояние металла в очагах деформации при прокатке широ-

кополочной балки в клетях универсально-балочного стана, что позволит определить течение металла, уровень нормальных и касательных напряжений и рассогласование скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка, а следовательно, прогнозировать износ валков.

Методы исследования

Моделирование выполнялось в объёмной постановке с использованием программного продукта [7]. Упор сделан на определе-

ние напряжённо-деформированного состояния и закономерности течения металла, возникающего в очаге деформации при прокатке балки 30Ш в горизонтальных и вертикальных валках универсальных клетей балочного стана Нижнетагильского металлургического комбината. Рассматривалась прокатка двутавровой заготовки длиной 30 м из стали 09Г2. Диаметры вертикальных и горизонтальных валков приняты равными 1500 и 1000 мм соответственно.

Принимаем, что вертикальные валки изготовлены из стали 60ХН. Горизонтальные валки являются бандажированными. Бандаж состоит из двух слоёв. Материал наружного бандажа -сталь 150ХНМ, внутреннего бандажа - сталь 100ХНМ. Двухслойный бандаж насажен на ось из стали 60ХН [1].

Материал балки в очаге деформации испы-

тывает упругопластические деформации, которые достигают конечных значений. Поскольку их уровень высок, то при описании модели материала балки в очаге деформации учтена не только физическая, но и геометрическая нелинейность. Для валков принимаем, что материал, из которого они изготовлены, подвержен только упругим деформациям и напряжениям, починяющимся закону Гука. В очагах деформации валков с балкой принимаем закон сухого трения Кулона.

Итак, при исследовании напряжённо-деформированного состояния двутавровой балки и валков при прокатке будем также пренебрегать инерционными и массовыми силами, деформируемый материал балки считать несжимаемым и изотропно упрочняющимся, а материал валков - подчиняющимся закону Гука. При записи уравнений состояния будем использовать случай простого нагружения.

В соответствии с принятыми допущениями и исходными данными рассчитаны значения сопротивления пластической деформации для стенки и полки балки, модуля упругости металла и коэффициента трения [1].

На рис. 1 в системе координат XYZ представлена расчётная схема очага деформации при прокатке двутавровой балки. Валки на рис. 1 не изображены. Цифрой I отмечена область контакта очага деформации балки с горизонтальным валком. Цифрой II отмечена область контакта очага деформации балки с вертикальным валком. Цифрой III отмечена часть поверхности контакта балки с торцевой поверхностью горизонтального валка. Для удобства представления результатов расчёта на поверхностях I, II, III изображена равномерная сетка линий.

Конечно-элементная модель балки и валков формировалась из трёхмерных 20 и узловых твёр-

дотельных элементов 80ЬГО186 [1]. На поверхностях контакта валков с балкой размещены контактные элементы ТАРОЕ170 и С0ША174 [7]. Это элементы контакта типа «поверхность в поверхность» позволяют учесть большие деформации, переменность контактного взаимодействия (смыкания-размыкания) и Кулоново трение.

30

29 Ч 28

4 27

24 - 23

\ч13

ч 12 11

X

Результаты расчёта процесса прокатки представлены в виде эпюр распределения нормальных и касательных напряжений по дугам захвата и ширине очага деформации балки с горизонтальными и вертикальными валками. Также приведены эпюры распределения разности скоростей металла балки и точек торцевой поверхности горизонтального валка в зоне их контакта в направлении оси прокатки (ОХ).

Результаты расчёта этих параметров для прохода 3 в клети ГУК 1 приведены на рис. 2-5. Максимальные значения нормальных и касательных напряжений в очагах деформации балки с вертикальными и горизонтальными валками для прохода 5 в клети ГУК 1 и для прохода 7 в клети ГУК 2 даны в таблице.

Рис. 1. Расчётная схема очага деформации при прокатке двутавровой балки

Рис. 2. Эпюра контактных нормальных (а) и касательных напряжений (б) по дуге захвата 11 и ширине очага деформации балки с горизонтальным валком. Расположениелиний 1, 6-13 смотри на рис. 1. Прокатка балки 30Ш в ГУК1 (проход 3). Температура прокатки 1040°С

—14 А 15 х 16 ж 17 «18 —I—19 —•— 20 - 21 —♦—22

а

б

Рис. 3. Эпюра контактных нормальных (а) и касательных напряжений (б) по дуге захвата 12 и ширине очага деформации балки с вертикальным валком. Расположение линий 14-22 смотри на рис. 1. Прокатка балки 30Ш в ГУК1 (проход 3). Температура прокатки 1040°С

а

б

Рис. 4. Эпюра контактных нормальных (а) и касательных напряжений (б) в зоне контакта металла

с торцевой поверхностью горизонтального валка (на длине дуги захвата 12). Расположение линий 23-31 смотри на рис. 1. Прокатка балки 30Ш в ГУК1 (проход 3). Температура прокатки 1040°С

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВДАВЛЕНИЕМ

ДУ, М/С

Направление прокатки

Рис. 5. Эпюры распределения разности скоростей металла и точекторцевой поверхности горизонтального валка в зоне контакта в направлении оси прокатки (ОХ). Расположение линий 23-32 смотри на рис. 1. Прокатка балки 30Ш в ГУК1 (проход 3). Температура прокатки 1040°С

Анализ расчётных данных показывает, что в очаге деформации двутавровой заготовки в горизонтальных и вертикальных валках универсальной клети реализуется благоприятная с позиции качества проката схема напряжённого состояния с преобладанием высоких сжимающих напряжений (см. таблицу). Например, нормальные напряжения в очаге деформации горизонтальных валков ах при изменении температуры балки от 1040 до 700°С

возрастает от 610 до 862 МПа, а нормальные напряжения на контактной поверхности вертикального валка о2 изменяются от 514 до 913 МПа. Высокие сжимающие напряжения имеют место в очаге деформации двутавровой заготовки и в направлении других осей координат. Такая схема напряжённого состояния в очаге деформации заготовки в универсальной клети будет способствовать интенсивной проработке литого металла по всему

сечению балки с завариванием несплошностей и пор, предотвратит раскрытие поверхностных трещин, т.е. позволит получить балки высокого качества. Износ торцевой поверхности горизонтального валка, определяющий качество балок, зависит от величины касательных напряжений в зоне контакта боковой поверхности горизонтального валка с полкой балки.

Значения максимальных (контактных) нормальных и касательных напряжений в очагах деформации балки с вертикальным и горизонтальным валками

* Положительные значения соответствуют зоне отставания, а отрицательные значения - зоне опережения в очаге деформации.

Величина этих напряжений существенно зависит от разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального волка в зоне контакта и от температуры металла. Так, например, при снижении температуры металла с 1040 до 700°С величина касательных напряжений изменяется от 84 до 197 МПа, а нормальные напряжения о2 при этом возрастают от 544 до 1028 МПа.

Графики изменения разности скоростей металла балки и точек торцевой поверхности горизонтального валка вдоль очага деформации 12 показана на рис. 5. Наибольшая разность скоростей, равная 2,1 м/с, имеет место в наиболее удалённых от оси прокатки точках контакта полки двутавра с боковой поверхностью горизонтального валка. Графики (см. рис. 4) с учётом графиков (см. рис. 5) позволяет оценивать зависимость касательных напряжений от разности скоростей металла балки и точек торцевой поверхности горизонтального валка. Из этих графиков следует, что нет пропорциональной зависимости касательных напряжений от разности скоростей, однако при этом по высоте полки касательные

напряжения распределяются неравномерно и изменяются в диапазоне 25-100 МПа. Причём наибольшее значение касательных напряжений наблюдается в точках контакта торцевой поверхности горизонтального валка с полкой двутавра, расположенных вблизи стенки двутавра.

Опыт эксплуатации валков на универсально-балочном стане НТМК показал, что горизонтальные валки выходят из строя в основном из-за износа их торцевых поверхностей, неравномерность которого увеличивается по мере удаления от цилиндрической поверхности валка. Для изучения характера износа рабочих поверхностей бандажи-рованных горизонтальных валков проведено специальное исследование [1]. Замеры износа валков проводились во второй универсальной клети при прокатке балки 30К. Замеры износа горизонтальных валков проводились после того, как на универсально-балочном стане было прокатано 3120 т балок 30К. Характер износа горизонтального валка в ГУК 2 показан на рис. 6.

Рис. 6. Характер износа валков второй универсальной клети УБС НТМК

Наибольший износ торцевой поверхности валка, равный 1,27 мм, наблюдается на расстоянии 0,65 длины полки двутавра от цилиндрической поверхности бочки валка. Это в какой-то степени подтверждает результаты теоретического исследования, поскольку в этой области величина касательных напряжений достигает 100МПа, а разность скоростей металла балки и точек торцевой поверхности горизонтального валка в зоне контакта равна 1,5 м/с, что способствует высокому износу торцевой поверхности горизонтального валка.

Номер варианта расчета Клеть Номер прохода Нормальные и касательные напряжения в зоне контакта балки с валками Тм, "С

горизонтальным горизонтальным (боковая поверхность) вертикальным

СТх | Гху Ог I кх Ог I кх

МПа

1 ГУК1 3 610 114* 544 84 514 119* 1040

-98 -104 -95

2 5 627 118 550 86 528 122 980

-101 -107 -98

3 ГУК2 7 540 92 640 101 573 108 900

-93 -124 -102

4 648 110 770 120 688 130 800

-112 -150 -118

5 862 143 1028 161 913 171 700

-150 -197 -162

Заключение

Проведено исследование напряжённо-деформированного состояния металла в двух зонах очага деформации и оценка износа горизонтальных валков при прокатке широкополочных балок на универсально-балочном стане. Установлено, что в зонах очага деформации двутавровой заготовки реалезуется благоприятная с позиции качества проката схема напряжённого состояния с преобладанием высоких сжимающих напряжений. Износ торцевой поверхности горизонтального валка существенно зависит от разности скоростей металла и точек торцевой поверхности горизонтального валка в зоне контакта и от температуры металла. Экспериментальным путём определены закономерности и величина износа торцевой поверхности горизонтального валка.

Список литературы

1. КомратовЮ. С., Лехов. О. С Совершенствование производства проката в условиях НТМК // Банк культурной информации, 2002. 384 с.

2. Комратов Ю. С., Лехов О.С. Реконструкция и развитие сталеплавильно-прокатного комплекса. Екатеринбург: Аква-пресс, 2001. 136 с.

3. Комратов Ю. С., Николаев В. А., Стариков В. В. Повышение стойкости валков универсально-балочных станов // Металлург. 1994. № 2. С. 30-32.

4. Комратов Ю. С., Лехов О. С. Повышение стойкости бандажи-рованных валков универсально-балочного стана // Сталь. 2007. №11 , С. 106-108.

5. Комратов Ю. С., Лехов О. С. О повышении стойкости банда-жированных валков универсально-балочного стана // Производство проката. 2007. №10. С. 42-45.

6. Комратов Ю. С., Лехов О. С. Современный подход к реконструкции литейно-прокатного комплекса для производства широкополочных балок // Производство проката. 2009. №3. С.9-12.

7. ANSYS/ Structural Analysis Guide. Rel.6.0. http//www.cadfern.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

STUDY OF STRESSES IN DEFORMATION AREAS

AND EVALUATION OF WEAR OF ROLLS OF UNIVERSAL STANDS,

WHEN ROLLING WIDE-FLANGE BEAMS

Lekhov Oleg Stepanovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Russian State Vocational Pedagogical University, Yekaterinburg, Russia. Phone: +7 343 341 79 40.

Tuev Mikhail Yurievich - Associate Professor, Russian State Vocational Pedagogical University, Yekaterinburg, Russia. Phone: +7 343 370 24 93.

Abstract. This paper examines special features of wear of rolls of universal stands, when rolling wide-flange beams. A stress and strain state of metal in two deformation zones, when shaping beam walls and flanges was studied. The results of calculating a rolling process are represented in diagrams of the distribution of normal and tangential stresses along arcs of contact and width of a beam deformation zone with horizontal and edging rolls. The paper contains diagrams of the distribution of a difference in speeds of metal of beams and points of a butt end of a horizontal roll in a zone of their contact. Reasons and laws governing the distribution of normal and tangential stresses in two deformation zones, when rolling wide-flange beams, were determined. Results of an experimental study of wear of horizontal composite rolls of a universal beam mill, when rolling wide-flange beams, are given.

Keywords: Universal stand, wide-flange beam, deformation zone, composite roll, normal and tangential stresses, wear, speed of metal.

References

Komratov Yu. S., Lekhov O. S. Improving rolling at NTMK. Bank kul'turnojinformatsii. [Bank of cultural information]. 2002, 384 p. Komratov Yu. S., Lekhov O. S. Rekonstruktsiya i razvitie staleplavi'no-prokatnogo kompleksa. [Reconstruction and development of a steelmaking and rolling complex]. Yekaterinburg: Ak-va-press, 2001, 136 p.

Komratov Yu. S., Nikolaev V. A., Starikov V. V. Increase in the durability of rolls of universal beam mills. Metallurg. [Metallurgist]. 1994, no. 2, pp. 30-32.

Komratov Yu. S., Lekhov O. S. Increase in the durability of composite rolls of a universal beam mill. Stal'. [Steel]. 2007, no. 11, pp. 106-108.

Komratov Yu. S., Lekhov O. S. On an increase in the durability of composite rolls of a universal beam mill. Proizvodstvo prokata. [Rolling facilities]. 2007, no. 10, pp. 42-45. Komratov Yu. S., Lekhov O. S. A contemporary approach to reconstruction of a compact strip production complex for wide-flange beams. Proizvodstvo prokata. [Rolling facilities]. 2009, no. 3, pp.9-12. ANSYS/ Structural Analysis Guide. Rel.6.0. http//www.cadfern.ru

Лехов O.C., Туев М.Ю. Исследование напряжений в очагах деформации и оценка износа валков универсальных клетей при прокатке широкополочных балок // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №2. С. 37-44.

Lekhov O.S., Tuev M.Yu. Study of stresses in deformation areas and evaluation of wear of rolls of universal stands, when rolling wide-flange beams. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 2, pp. 37-44.