Овальный калибр прокатного стана в системе калибров овал-круг

Заявленное полезная модель относится к области металлургии, в частности к прокатному производству, и может быть использована при прокатке круглых профилей на прокатных станах разного типа.
Известен однорадиусный овал в системе калибров овал-круг, представленный в [1, с. 356 рис. v.87a].
Существенным недостатком этой калибровки валков является плохая устойчивость раската, полученного из однорадиусного овала, в круглом калибре. Даже в случае применения пропусков незначительная «свобода» раската приводит к его «сваливанию», что снижает точность размеров круглых профилей и способствует образованию дефектов.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому объекту является двухрадиусный овал в системе калибров овал-круг, представленный в [1, с. 356 рис. v.87б]. Двухрадиусный овал позволяет обеспечить более интенсивную деформацию и устойчивость полосы, а также более чистую поверхность готового проката.
Однако необходимо отметить, что здесь на базе двух дуг окружностей выполнены не только боковые контуры ручья овального калибра, но и его дно. Указанные боковые контуры ручья овального калибра формируют на овальном раскате участки, которые в следующем проходе обжимаются как дном, так и боковыми стенкам ручьев круглого калибра.
Так как овал является симметричным относительно его горизонтальной и вертикальной осей, то рассмотрим его четвертую часть.
На четвертой части овального раската имеется три участка. Первый участок обжимается дном круглого калибра. Второй участок обжимается боковой стенкой ручья круглого калибра. Третий участок, который сформирован дном овального калибра, при прокатке в круглом калибре перемещается в уширение.
В момент захвата овальный раскат в зависимости от предусмотренной вытяжки контактирует с круглым калибром на определенном расстоянии от плоскости выхода металла из очага деформации. Соответственно, вертикальная плоскость, параллельная плоскости выхода металла из очага деформации, проведенная на указанном расстоянии, пересекает поверхность валка в зоне калибра по сложной кривой.
Поэтому выполнить три указанные выше участка овального калибра двумя радиусами, причем таким образом, чтобы соответствующий овальный раскат в момент захвата в круглом калибре обеспечил одновременный контакт по дну и боковым стенкам ручьев круглого калибра, не представляется возможным.
Кроме того, значения радиусов овальных двухрадиусных калибров на практике определяют на базе эмпирических данных. Поэтому в момент захвата не обеспечивается одновременный по периметру круглого калибра контакт с поверхностью овального раската и при незначительном отклонении оси овала от оси калибра возникает крутящий момент в очаге деформации, что снижает устойчивость раската в калибре и приводит к снижению точности размеров и способствует образованию дефектов. Наряду с этим отсутствие в момент захвата одновременного контакта и, соответственно, одновременного обжатия металла по дну и боковым стенкам ручьев круглого калибра не создает условий для всестороннего сжатия прокатываемого металла в указанной зоне, что способствует возникновению опасных для сплошности металла зон, в которых действуют растягивающие напряжения.
Существенные признаки известного овального калибра, совпадающие с признаками предлагаемого овального калибра:
1. Овальный калибр, образованный двумя ручьями и разъемом между
ними.
2. Овальный калибр, выполненный симметрично относительно его горизонтальной и вертикальной осей.
Задачей настоящего технического решения является повышение качества круглых профилей за счет повышения точности их размеров путем улучшения устойчивости овального раската, который в момент захвата одновременно контактирует с дном и боковыми стенками ручьев круглого калибра, и уменьшения количества трещин на поверхности проката путем одновременного обжатия металла по дну и боковым стенкам ручьев круглого калибра в момент захвата и, соответственно, всестороннего сжатия в зоне контакта поверхностных слоев прокатываемого металла, которое исключает опасные для сплошности металла растягивающие напряжения.
0
1
Поставленная задача достигается тем, что боковые контуры каждого ручья овального калибра, расположенные между его разъемом и дном и выполненные двумя сопряженными дугами окружностей, имеют радиусы R - у дуги окружности, примыкающей к дну ручья калибра, и R - у дуги окружности, примыкающей к разъему калибра,
где
0
2
0
(p, q) - координаты центра дуги с радиусом R, мм;
1
1
1
(p, q) - координаты центра дуги с радиусом R, мм;
2
z - заданная по эмпирическим данным из диапазона (3), ширина контакта овального раската с круглым калибром в момент захвата, мм.
2
k
Максимальное значение z=z, где
2
k
k
Максимальное значение z=z обосновано тем, что выполнение технической задачи настоящего технического решения возможно только в зоне контакта прокатываемого металла с той частью круглого калибра, которая определена дугой окружности с радиусом R. Точка, соответствующая z=z является крайней точкой, лежащей на указанной дуге (фиг. 2).
2
k
Выполнение задачи настоящего технического решения по улучшению устойчивости овального раската и уменьшению количества трещин на поверхности проката обеспечивается требуемой длиной дуги контакта овального раската с круглым калибром при захвате и величиной площади контакта овального раската с круглым калибром в очаге деформации. Эмпирически установлено, что указанное условие реализуется при выполнении условия (3), в котором указано допустимое минимальное значение z=0,75z.
2
u - угол, соответствующий контуру ручья круглого калибра, включающему его донную и боковую части, град;
1
u - угол, разделяющий контуры донной и боковой частей ручья круглого калибра, град (фиг. 1), задается по эмпирическим данным из двойного неравенства (5).
1
1
1
0
1
1
0
0
1
Угол u определяет положение вертикальной линии, на которой лежит точка (z,y), расположенная на боковом контуре ручья овального калибра, и в которой сопряжены дуги окружностей с радиусами R и R (фиг. 1). Дуга овального раската с радиусом R обжимается донной частью ручья круглого калибра. Дуга овального раската с радиусом R обжимается боковой частью ручья круглого калибра. Соотношение длин дуг окружностей с радиусами R и R определяется двойным эмпирическим неравенством (5).
1
1
1
1
0
1
V - обжатие металла в ручье круглого калибра в точке, соответствующей углу u, который разделяет контур ручья круглого калибра на его донную и боковую части (фиг. 1). Значения V и u определяют координаты точки (z, y) на боковом контуре ручья овального калибра, в которой сопряжены дуги окружностей с радиусами R и R. Значение V определяется из условия равенства вытяжки  (при прокатке овального раската в круглом калибре) ее заданному по эмпирическим данным значению;
z
K
S, S - площади сечений овального раската и круглого профиля, соответственно;
S - межвалковый зазор в круглом калибре, мм;
D - диаметр валка по разъему круглого калибра, мм;
R - радиус круглого калибра, мм;
h - глубина ручья круглого калибра, мм;
0
B - ширина круглого калибра, мм;
L - длина очага деформации, мм.
1
t
1
ц
ц
На фиг. 1 показано совмещенное построение контуров круглого и овального калибров и соответствующих раскатов в плоскости yoz. На фиг. 2 показан круглый калибр в плоскости yoz. На фиг. 3 показано сечение валка в зоне круглого калибра и овального раската (в плоскости уох) (сечение выполнено при z=z, D=D+S-2 y, (фиг. 1, 3)). На фиг. 4 показан контур сечения валка в плоскости yoz (здесь 1 - дуга окружности радиуса R с центром в точке (z, y), которая описывает контур ручья круглого калибра). На фиг.5, 6, 7 показаны калибровки для прокатки круглого профиля диаметром 120 мм на крупносортном стане 600. На фиг. 5 показан совмещенный чертеж круглого и овального (с вогнутым дном) калибров и соответствующих раскатов (показано заполнение овального калибра с выпуском по касательной). На фиг. 6 показан совмещенный чертеж круглого и овального (с плоским дном) калибров и соответствующих раскатов (показано заполнение овального калибра без выпуска). На фиг. 7 показан совмещенный чертеж круглого и овального (с выпуклым дном) калибров и соответствующих раскатов (показано заполнение овального калибра без выпуска). На фиг. 8 показан контакт раскатов (полученных в овальных калибрах с вогнутым (а), плоским (б) и выпуклым (в) дном) с круглым калибром в момент захвата.
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
2
2
0
2
2
Предлагаемый овальный калибр образован двумя ручьями в прокатных валках и разъемом между ними. Овальный калибр выполнен симметрично относительно его горизонтальной и вертикальной осей, соответственно рассмотрена его одна четвертая часть (фиг. 1). Боковые контуры каждого ручья овального калибра, расположенные между его разъемом (зазором), равным Т, и дном, выполнены двумя сопряженными в точке с координатами (z, y] дугами окружностей с радиусами R и R. В точке сопряжения с координатами (z, y) дуги окружностей с радиусами R и R имеют общую касательную. Одна часть бокового контура ручья овального калибра, расположенная между его разъемом и точкой с координатами (z, y), выполнена дугой окружности с радиусом R. Другая часть бокового контура ручья овального калибра, расположенная между точками с координатами (z, y) и (z, y) выполнена дугой окружности с радиусом R. Дно овального калибра расположено между точками с координатами (z, y) и (z=B/2,y=0).
1
Дно ручья овального калибра проектируется по эмпирическим данным. Например, у овального калибра с вогнутым (фиг. 1, 5), плоским (фиг. 6) и выпуклым (фиг. 7) дном контуры бокового участка и дна могут сопрягаться дугой окружности с радиусом r.
0
0
0
0
1
0
У овального калибра с выпуклым и вогнутым дном в его контуре может быть предусмотрена дуга окружности с радиусом r (фиг. 1), (фиг. 5, r=150 мм), (фиг. 7, r=100 мм), имеющая координаты центра (z=B/2-r, y=0). Дуги окружностей с радиусами r и r могут быть сопряженными между собой или могут быть сопряженными отрезком прямой линии.
0
1
Формулы для расчета радиусов R и R дуг окружностей, которые образовали боковые контуры каждого ручья овального калибра, получены следующим образом.
На первом этапе выполнен расчет координат точек искомого контура сечения поверхности валка в зоне круглого калибра (фиг. 1) плоскостью yoz, которая расположена на расстоянии L от плоскости выхода раската из очага деформации круглого калибра (фиг. 3).
Для этого найдена поверхность вращения (относительно оси валка, имеющего диаметр D) дуги окружности 1 (фиг. 4), имеющей радиус R, с центром в точке  которая описывает контур ручья круглого калибра.
Из уравнения окружности  находим уравнение дуги 1 (фиг. 4)
вр
Чтобы получить уравнение поверхности, образованной вращением дуги 1 вокруг оси валка, нужно в уравнение (11) вместо y подставить выражение для радиуса вращения R произвольной точки кривой, которое имеет вид
В результате этой подстановки получим
где X, Y, Z - координаты точки на поверхности вращения дуги 1.
Возведя обе части уравнения (13) в квадрат и выполнив замену переменных  получим уравнение поверхности вращения кривой 1
На фиг. 4 показано положение сечения поверхности круглого калибра после указанной замены переменных.
k
k
k
0
1
2
2
k
0
1
0
1
0
1
Указанные точки искомого контура сечения поверхности валка в зоне круглого калибра найдены используя уравнение (14) в диапазоне 0<z<z (фиг. 1). Точка с координатами (z, y) - это точка сопряжения касательной, проведенной из точки скелета круглого калибра (определяющей его ширину) к дуге окружности с радиусом R (фиг. 2). На фиг. 1, 5-7 часть указанного (искомого) контура совпадает с дугами окружностей с радиусами R и R, а другая его часть выходит за пределы точки с координатами (z, y), что показано отрезком соответствующей кривой, которая заканчивается при z=z. На фиг. 5: R=63,9 мм, R=59,7 мм; на фиг. 6: R=64,0 мм, R=59,6 мм; на фиг. 7: R=64,1 мм, R=60,8 мм.
2
1
2
0
1
3
1
Ширина боковой части ручья овального калибра, расположенной между его разъемом и дном, определяется координатой z (фиг. 1), которая задается из диапазона (3) на базе эмпирических данных. Угол u задается из диапазона (5) на базе эмпирических данных. Угол u определяется по формуле (4). По формулам (2) - координаты z, z, z (фиг. 1). Затем по формуле (6) (фиг. 1) определяется координата y.
1
1
При известных значениях координат z и y формула для расчета L - длины очага деформации (фиг. 3) определяется из уравнения (14) и имеет вид (8).
2
3
0
Далее, используя уравнение поверхности (14), определены формулы (7), (9), (10) для расчета координат y, y, y.
Точки с указанными координатами лежат на искомом контуре сечения поверхности валка в зоне круглого калибра.
0
0
0
0
0
1
1
2
2
1
1
1
3
3
1
1
1
1
0
1
Радиус R (1) и координаты центра дуги (p, q) находим из условия прохождения ее через три точки с координатами (z, y), (z, y), (z, y). Радиус R (1) и координаты центра дуги (p, q) находим из условия прохождения ее через две точки с координатами (z, y) и (z, y), а также условия общей касательной в точке (z, y) для дуг с радиусами R и R.
3
Высота овального калибра G (фиг. 1) зависит от его выпуска, который назначается по эмпирическим данным. Если овальный калибр проектируется без выпуска, то его высота равна G=2 y.
Ширина овального калибра В (фиг. 1) (соответственно, и ширина овального подката) задается по эмпирическим данным с учетом величины уширения металла δ (фиг. 1) при прокатке в круглом калибре. При этом незаполнение круглого калибра равно
2
В зависимости от диаметра круглого профиля, ширины бокового участка овального калибра, определяемой координатой z, уширения металла δ и заданной вытяжки в круглом калибре μ овальный калибр проектируют с вогнутым, плоским или выпуклым дном (фиг. 5-7).
z
k
После проектирования круглого и овального калибров выполняется расчет площадей раскатов и вытяжки μ=S/S в круглом калибре.
z
k
0
1
Контур овального калибра и, соответственно, овального раската проектируются с учетом заданной по эмпирическим данным вытяжки. При этом выполняется несколько итерационных циклов расчетов. На первом цикле обжатие V принимается, например, V -1 мм. Так, если вытяжка μ=S/S (соответствующая полученному контуру овального калибра) окажется, например, меньше заданной величины, то значение величины V (фиг. 1), входящей в формулу (6), увеличивается с некоторым шагом, если больше, то уменьшается. При переходе от увеличения к уменьшению и наоборот, шаг делится пополам (то есть используется метод половинного деления). С учетом измененных значений V каждый раз проектируется скорректированный контур овального калибра. В итоге находятся значения: V (фиг. 1) и, соответственно, L - длина очага деформации (фиг. 3), а также радиусы R и R (фиг. 1), при которых площадь сечения овального подката соответствует наперед заданной вытяжке с требуемой точностью.
Рассмотрим процесс прокатки в круглом калибре овального раската, полученного из предлагаемого овального калибра (фиг. 1).
2
2
Боковые контуры ручьев овального калибра формируют боковые контуры овального раската (фиг. 1, 5-7). Поэтому боковые контуры овального раската при 0≤z≤Z совпадают с контуром сечения в плоскости yoz поверхности валка в зоне круглого калибра, которое расположено на расстоянии L, показанном на фиг. 3, от плоскости выхода металла из очага деформации. Причем длина очага деформации является величиной постоянной по ширине очага деформации. Этим обеспечивается одновременный контакт овального раската по дну и боковым стенкам ручьев круглого калибра при 0≤z≤Z фиг. 1, 8).
Одновременный контакт овального раската по дну и боковым стенкам ручьев круглого калибра в момент захвата улучшает устойчивость полосы, что повышает точность размеров прокатываемых круглых профилей. Также одновременное обжатие металла по дну и боковым стенкам ручьев круглого калибра в момент захвата и, соответственно, и одновременное всестороннее сжатие металла в зоне контакта поверхностных слоев овального подката исключает опасные для сплошности металла растягивающие напряжения, что уменьшает количество трещин на поверхности проката. Примеры конкретного выполнения.
Разработаны три овальных калибра (с вогнутым, плоским и выпуклым дном) для прокатки круглого профиля диаметром 120 мм на крупносортном стане 600 (фиг.5, 6, 7).
Исходная информация:
D=600 мм - диаметр валка по разъему круглого калибра;
R=60,75 - радиус круглого калибра;
h=57 мм - глубина ручья круглого калибра;
0
В=122,5 мм - ширина круглого калибра;
S=7,5 мм - межвалковый зазор в круглом калибре;
μ=1,22 заданная вытяжка в круглом калибре.
Пример расчета:
2
k
2
k
2
k
2
k
4. Z - ширина контакта овального раската с круглым калибром в момент захвата определена в диапазоне 0,75 z≤z≤z. Максимальное значение z=z=59,505 мм. Минимальное значение z=0,75z=44,629 мм.
2
На базе эмпирических данных принято z=53,133 мм. Таким образом, будет спроектирован овальный калибр с вогнутым дном.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
6. u - угол, разделяющий контуры донной и боковой частей ручья круглого калибра определен в диапазоне 0,4u≤u≤10,7u. Максимальное значение u=0,7⋅u=42,52 град. Минимальное значение u=0,4⋅u=24,3 град. На базе эмпирических данных принято u=40 град.
z
k
Используя исходные и расчетные данные выполняется проектирование круглого и овального калибров, а затем выполняется расчет площадей раскатов и вытяжки μ=S/S в круглом калибре.
Контур овального калибра и, соответственно, овального раската проектируются с учетом заданной по эмпирическим данным вытяжки (в нашем случае вытяжка задана равной μ=1,22). При этом выполняется несколько итерационных циклов расчетов.
z
k
На первом цикле обжатие V принимается, например, V=1 мм. Так, если при этом вытяжка μ=S/S (соответствующая полученному контуру овального калибра) окажется, например, меньше заданной величины (1,22), то значение величины V (фиг. 1), входящей в формулу (6), увеличивается с некоторым шагом, если больше, то уменьшается. При переходе от увеличения к уменьшению и наоборот, шаг делится пополам (то есть используется метод половинного деления). С учетом измененных значений V каждый раз проектируется скорректированный контур овального калибра.
0
1
В итоге находятся значения: V (фиг. 1) и, соответственно, L - длина очага деформации (фиг. 3), а также радиусы R и R (фиг. 1), при которых площадь сечения овального раската соответствует заданной вытяжке с требуемой наперед заданной точностью. Для овального калибра с вогнутым дном (фиг. 5) значение V получено равным 13,614.
0
1
Полученные путем ручных расчетов значения R и R соответствуют величинам, представленным на фигуре 5.
k
2
k
Аналогично выполняются расчеты овальных калибров с плоским и выпуклым дном. Для этого необходимо принять другие значения ширины контакта овального раската с круглым калибром в момент захвата в диапазоне 0,75 z≤z≤z. Результаты расчетов трех овальных калибра (с вогнутым, плоским и выпуклым дном) для прокатки круглого профиля диаметром 120 мм на крупносортном стане 600 (фиг. 5, 6, 7).
K
2
S=11599,4 мм - площадь раската, полученного в круглом калибре;
z
2
S=14151,3 мм - площадь раскатов, полученных в овальных калибрах;
2
z - ширина контакта овального раската с круглым калибром в момент захвата:
2
z=53,133 мм - для овального калибра с вогнутым дном;
2
z=55,28 мм - для овального калибра с плоским дном;
2
z=57,086 мм - для овального калибра с выпуклым дном;
V - константа, определенная из условия равенства вытяжки  ее заданному значению (μ=1,22):
V=13,614 мм - для овального калибра с вогнутым дном (фиг. 5);
V=12,988 мм - для овального калибра с плоским дном (фиг. 6);
V=12,589 мм - для овального калибра с выпуклым дном (фиг. 7).
Длина очага деформации, показанная на фиг. 3:
L=82,573 мм - для овального калибра с вогнутым дном;
L=80,700 мм - для овального калибра с плоским дном;
L=79,482 мм - для овального калибра с выпуклым дном.
0
1
Радиусы R и R и другие размеры показаны на фиг. 5-7.
0
0
1
1
2
2
3
3
0
1
0
0
1
1
2
2
3
3
0
1
В точках с координатами: (z, y); (z, y,); (z, y); (z, y) дуги окружностей с радиусами R и R точно описывают контур сечения поверхности валка в зоне круглого калибра на расстоянии L, указанном на фиг. 3. Ошибка при описании указанного контура между точками с координатами (z, y); (z, y,); (z, y); (z, y) дугами окружностей с радиусами R и R в представленных примерах составила 0,001-0,05 мм.
На фиг. 8 показан контакт раскатов (полученных в овальных калибрах с вогнутым (а), плоским (б) и выпуклым (в) дном) с круглым калибром в момент захвата. Наибольшая протяженность контакта овального раската с круглым калибром в момент захвата, обеспечивающая одновременное обжатие и, соответственно, всестороннее сжатие в зоне контакта поверхностных слоев прокатываемого металла, а также устойчивость полосы, получена на фиг. 8в.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прокатка и калибровка. Том I (Справочник). Б.М. Илюкович, Н.Е. Нехаев, С.Е. Меркурьев / Под ред. Б.М. Илюковича. Днепропетровск: РВА «Днiпро-ВАЛ», 2002. - 506 с.