СОСТАВНОЙ ПРОКАТНЫЙ ВАЛОК
COMPOSITE MILL ROLL

Изобретение относится к прокатному производству, а именно к валкам рабочих клетей листовых и сортовых станов горячей и холодной прокатки.
Известен составной валок, содержащий ось, бандаж и распорные кольца, у которого посадочная поверхность оси и бандажа расположена под углом к оси вращения валка (Полухин В.П., Полухин П.И., Николаев В.А. Составной рабочий инструмент прокатных станов. М.: Металлургия, 1977. С.31, фиг.7).
Недостатком этого валка является сложность в изготовлении и сборки, а также существенная разнотолщинность бандажа при большой длине бочки валка, которая может привести к его раскатке.
Известна конструкция составного валка, принятая в качестве прототипа, содержащего несущую профилированную ось с буртом и с профилированной внутренней поверхностью бандаж, насаживаемый с натягом с возможностью свободного перемещения его участков меньшего диаметра в нагретом состоянии вдоль несущей оси через участки с большим диаметром по длине к бурту, при этом образующие посадочных поверхностей оси и бандажа выполнены криволинейными (патент России №2191648, МПК B21B 27/03).
Недостатком этого валка является сложность изготовления посадочных поверхностей его составных частей, а также возможность разрушения бандажа в процессе эксплуатации от значительных растягивающих напряжений (более 200 МПа), что вызвано необходимостью создания большого натяга, обеспечивающего надежное сцепление его с несущей осью.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в уменьшении величины натяга и исключении прокручивания бандажа относительно несущей оси.
Эта задача решается следующим образом.
В известном составном прокатном валке, включающем несущую профилированную ось с буртом и сопряженный с ней по посадке бандаж с профилированной внутренней поверхностью, согласно изобретению несущая ось выполнена в виде двух цилиндрических участков равного диаметра, у которых продольная ось примыкающего к бурту участка совпадает с осью вращения валка, а другого наклонена к ней под углом α, определяемым из неравенств
1
t
1
t
где α=arctg(D·T·α-δ)/L(1+T·α);
D - внутренний диаметр цилиндрических участков бандажа;
Т - температура нагрева бандажа;
t
α - коэффициент линейного расширения металла бандажа;
δ≥0 - натяг;
β - максимально возможный угол прохождения несущей оси вдоль бандажа;
1
L - длина примыкающего к бурту цилиндрического участка оси,
2
L - длина наклонного цилиндрического участка, при этом внутренняя поверхность бандажа выполнена ответной формы к оси.
Данное профилирование сопрягаемых поверхностей несущей оси и бандажа исключает их взаимное прокручивание и продольное смещение, при этом соединение бандажа с несущей осью может осуществляться с небольшим натягом, что позволит исключить его разрушение от растягивающих напряжений натяга.
1
2
На фиг.1 изображено предельно возможное состояние несущей оси 1 и бандажа 3 в момент ее прохождения через внутреннее пространство нагретого бандажа 3 при L>L.
1
2
На фиг.2 изображено предельно возможное состояние несущей оси 1 и бандажа 3 в момент ее прохождения через внутреннее пространство нагретого бандажа 3 при L=L.
1
2
На фиг.3 изображено предельно возможное состояние несущей оси 1 и бандажа 3 в момент ее прохождения через внутреннее пространство нагретого бандажа 3 при L<L.
На фиг.4 изображен общий вид составного валка в сборе.
Валок состоит из несущей оси 1, на которой выполнен ограничительный бурт 2 и бандажа 3.
1
2
В исходном (не нагретом) состоянии длина первого цилиндрического участка равна L, а длина другого (наклонного) цилиндрического участка L. После нагрева бандажа до температуры Т, обеспечивающей свободное прохождение участков несущей оси через внутреннее пространство бандажа, геометрические параметры бандажа приобретают следующие значения: длина первого участка становится равной , наклонного .
Сопрягаемая внутренняя поверхность бандажа 3 выполнена ответной формы, т.е. в виде двух цилиндрических поверхностей диаметром D каждая, при этом продольная ось цилиндрической поверхности, примыкающей к ограничительному бурту, совпадает с осью вращения валка, а другой цилиндрической поверхности наклонена к оси вращения валка под углом α, определяемым из неравенств 1…3
1
t
1
t
где α=arctg(D·T·α-δ)/L(1+T·α);
D - внутренний диаметр цилиндрических участков бандажа;
Т - температура нагрева бандажа;
t
α - коэффициент линейного расширения металла бандажа;
δ≥0 - натяг;
β - максимально возможный угол прохождения несущей оси вдоль бандажа;
1
L - длина примыкающего к бурту цилиндрического участка оси,
2
L - длина наклонного цилиндрического участка, при этом внутренняя поверхность бандажа выполнена ответной формы к оси.
При α=0 вся посадочная поверхность несущей оси будет цилиндрической, что не позволит исключить осевое смещение и прокручивание бандажа относительно несущей оси.
При α>β невозможна сборка валка, поскольку несущая ось не сможет пройти через внутреннее пространство бандажа.
1
2
Вывод неравенства (1) при L>L выполнен следующим образом.
На фиг.1 изображен предельный (возможный) момент прохождения (при сборке валка) несущей оси 1 через внутреннее пространство бандажа 3, нагретого до температуры Т.
Из рассмотрения фиг.1 следует, что ∠dne=∠abc,
∠abc+β=180°,
1
2
∠dne+β+β=180°.
1
2
Отсюда β=β+β.
Высота mn в Δ dne, т.е. изменения внутреннего диаметра бандажа D при его нагреве до температуры Т с учетом натяга δ, примут следующее выражение:
t
mn=D·Т·α-δ.
2
Сторона ne=bc, a bc=L/cosβ.
2
2
1/2
2
2
1/2
2
2
1/2
2
t
В Δ mne сторона me=(ne-mn)=(bc-mn)=((L/cosβ)-(D·T·α-δ)).
1
t
2
t
2
2
1/2
В Δ dne отрезок dm=de-me=L(1+T·α)-((L/cosβ)-(D·T·α-δ)).
1
В Δ mne отношение mn/me=tgβ, отсюда
1
t
2
t
2
2
1/2
β=arctg(D·T·α-δ)/((L/cosβ)-(D·T·α-δ)).
2
В Δ mnd отношение mn/dm=tgβ, отсюда
2
t
1
t
2
t
2
2
1/2
β=arctg(D·T·α-δ)/(L(1+T·α)-((L/cosβ)-(D·T·α-δ))).
t
2
t
t
1
t
2
t
2
2
1/2
2
2
1/2
Таким образом, искомый угол β=arctg(D·T·α-δ)/((L/cosβ)-(D·T·α-δ))+arctg(D·T·α-δ)/(L(1+T·α)-((L/cos β)-(D·T·α-δ))).
1
2
Вывод неравенства (2) при L=L выполнен следующим образом.
На фиг.2 изображен предельный (возможный) момент прохождения (при сборке валка) несущей оси 1 через внутреннее пространство бандажа 3 нагретого до температуры Т.
Из рассмотрения фиг.2 следует, что ∠dne= ∠abc,
∠abc+β=180°.
∠dne+2β=180°.
1
Отсюда β=2β.
Высота mn в Δ dne, т.е. изменения внутреннего диаметра бандажа D при его нагреве до температуры Т с учетом натяга δ, примут следующее выражение:
t
mn=D·Т·α-δ.
1
1
1
t
В равностороннем Δ dne сторона de=L(1+T·α), а отрезок dm=0,5de=0,5 L(1+T·α).
1
1
t
1
t
В Δ mnd отношение mn/dm=tgβ, отсюда β=arctg2(D·T·α-δ)/L(1+T·α).
t
1
t
Таким образом, искомый угол β=2arctg2(D·T·α-δ)/L(1+T·α).
1
2
Вывод неравенства (3) при L<L выполнен следующим образом.
На фиг.3 изображен предельный (возможный) момент прохождения (при сборке валка) несущей оси 1 через внутреннее пространство бандажа 3, нагретого до температуры Т.
Сторона cd в Δ acd, т.е. изменения внутреннего диаметра бандажа D при его нагреве до температуры Т с учетом натяга δ, примут следующее выражение:
t
cd=D·Т·α-δ.
2
Сторона ab=cf=L/cosβ.
В Δ bce отношение be/се=tgβ, отсюда β=arctgbe/ce.
1
2
1
ae=abcosα=Lcosα/cosβ.
2
2
1/2
2
2
1/2
2
2
1
2
1
Сторона be=(ab-ae)=((L/cosβ)-(Lcosα/cosβ))=Lsinα/cosβ.
2
1
1
t
Сторона ce=ae-ac=Lcosα/cosβ-L(1+T·α).
2
1
2
1
1
t
Таким образом, угол β=arctgLsinα/(Lcosα-L(1+T·α)cosβ).
1
1
t
1
t
В Δ acd отношение cd/ас=tgα, отсюда α=arctgcd/ac=arctg(D·T·α-δ)/L(1+T·α).
Расположенный под углом α участок несущей оси (фиг.4) препятствует прокручиванию бандажа относительно оси даже при небольшом натяге. Кроме того, он исключает продольное смещение бандажа относительно несущей оси.
Пример 1.
1
2
Требуется изготовить составной прокатный валок с габаритами бочки 1600×2000 для прокатной клети стана 2000 горячей прокатки. В качестве исходной заготовки для несущей оси выбирают отработанный валок, позволяющий выточить из него ось с буртом, состоящую из двух цилиндрических участков номинальным диаметром 1200 мм каждый. Длину примыкающего к бурту участка L принимают равной 1300 мм, тогда длина наклонного цилиндрического участка L составит 700 мм.
Заготовку для бандажа изготавливают из стали 90ХФ методом отливки в кокиль, а заготовку для несущей оси из стали 50Х методом ковки из слитка.
t
-5
-1
Коэффициент линейного расширения металла бандажа α для этой стали составляет 1,4·10 °C. Расчетная температура нагрева бандажа под посадку на ось при сборке составного валка 350°С. Для обеспечения передачи крутящего натяга от оси к бандажу при данных размерах несущей оси и традиционном способе ее выполнения потребовался бы натяг не менее 1,2 мм. Однако величину натяга выбирают 0,3 мм.
1
2
Максимально возможный угол наклона продольной оси второго цилиндрического участка определяют из уравнения (4) при L>L:
Уравнение (1) является трансцендентным и решается методом итераций (т.е. последовательных приближений).
Для определения угла β в первом приближении задают угол β=2°.
После подстановки вышеуказанных значений параметров в уравнение (4) получают β=1,07°.
Во втором приближении задают угол β=1°.
После подстановки вышеуказанных значений параметров в уравнение (4) получают β=1,07°.
Таким образом, после двух итераций с высокой степенью сходимости определен угол β.
Для обеспечения свободного прохождения оси вдоль внутреннего пространства нагретого до температуры 350°С бандажа угол наклона оси второго цилиндрического участка к оси вращения валка α принимают равным 1°, что удовлетворяет неравенству (1): 0<α<1,07° и позволит осуществить сборку валка.
На этапе обработки внутренней посадочной поверхности бандажа сначала растачивают первый участок бандажа, примыкающий к ограничительному бурту, до диаметра 1200 мм на длине 1000 мм, а после изменения угла наклона режущего инструмента растачивают второй участок бандажа, ось которого составляет с осью вращения валка угол 1°, до такого же диаметра.
На этапе токарной обработке несущей оси производят сначала съем металла с участка, примыкающего к ограничительному бурту, до диаметра 1200,3 мм на длине 1000 мм. Затем производят перецентровку оси валка таким образом, чтобы угол наклона оси второго участка к оси вращения валка составил 1°. После этого второй участок несущей оси обтачивают до диаметра 1200,3 мм. Асимметрично выполненный наклонный участок несущей оси исключает прокручивание, а также продольное смещение бандажа относительно несущей оси даже при малом натяге.
Для обеспечения правильности монтажа сходственные участки несущей оси и бандажа предварительно метят, например, термостойкой краской. Бандаж нагревают в камерной печи до температуры 350°С, при этом внутренние диаметры (смежных) цилиндрических участков бандажа увеличиваются до 1205,88 мм и позволяют свободно переместить вдоль внутреннего пространства бандажа несущую ось при сборке валка.
После извлечения бандажа из печи его устанавливают в специальное приспособление на торец в вертикальное положение и надежно фиксируют от опрокидывания. Несущую ось, подвешенную с торца буртом вверх, с помощью крана подводят к нагретому бандажу, добиваясь совмещения меток несущей оси и бандажа, и заводят ее внутрь бандажа до упора в ограничительный бурт. В процессе остывания на воздухе до окружающей температуры цеха выбирается зазор между несущей осью и бандажом, при этом бандаж с натягом 0,3 мм облегает несущую ось.
Пример 2.
Требуется изготовить составной прокатный валок с габаритами бочки 1350×1200 для прокатных клетей стана 1200 холодной прокатки. В качестве исходной заготовки для несущей оси выбирают отработанный валок, позволяющий выточить из него ось с буртом, состоящую из двух цилиндрических участков одинаковым диаметром 1000 мм. Длину первого участка, примыкающего к бурту, принимают равной 600 мм, тогда длина второго цилиндрического участка составит 600 мм. Заготовку для бандажа изготавливают из стали 90ХФ методом отливки в кокиль.
t
-5
-1
Коэффициент линейного расширения металла бандажа α для этой стали составляет 1,4·10 °С. Расчетная температура нагрева бандажа под посадку на ось при сборке составного валка 350°С. Для обеспечения передачи крутящего натяга от оси к бандажу при данных размерах несущей оси и традиционном способе ее выполнения потребовался бы натяг не менее 1,0 мм. Однако величину натяга выбирают равной 0,3 мм.
1
2
Максимально возможный угол наклона продольной оси второго цилиндрического участка определяют из уравнения (5) при L=L:
После подстановки вышеуказанных значений параметров в уравнение (5) получают β=1,75°.
Для обеспечения свободного прохождения оси вдоль внутреннего пространства нагретого до температуры 350°С бандажа угол наклона оси второго цилиндрического участка к оси вращения валка α принимают равным 1,5°, что удовлетворяет неравенству (2): 0<α<1,75° и позволит осуществить сборку составного валка.
Механообработку несущей оси и бандажа, сборку составного валка осуществляют аналогичным образом, как и в примере 1.
Пример 3.
Требуется изготовить составной прокатный валок с габаритами бочки 900×690 для прокатных клетей стана 630 холодной прокатки. В качестве исходной заготовки для несущей оси выбирают отработанный валок, позволяющий выточить из него несущую ось с буртом, состоящую из двух цилиндрических участков номинальным диаметром 600 мм. Длину примыкающего к бурту цилиндрического участка принимают равной 300 мм, тогда длина второго цилиндрического участка составит 390 мм. Заготовку для бандажа изготавливают из стали 90ХФ методом отливки в кокиль.
t
-5
-1
Коэффициент линейного расширения металла бандажа α для этой стали составляет 1,4·10 °С. Расчетная температура нагрева бандажа под посадку на ось при сборке составного валка 350°С. Для обеспечения передачи крутящего натяга от оси к бандажу при данных размерах несущей оси и традиционном способе ее выполнения потребовался бы натяг не менее 0,6 мм. Однако натяг выбирают равным 0,2 мм.
1
2
Максимально возможный угол наклона продольной оси второго цилиндрического участка определяют из уравнения (6) при L<L
1
t
1
t
где α=arctg(D·T·α-δ)/L(1+T·α).
Уравнение 6 является трансцендентным и решается методом итераций, т.е. последовательных приближений.
Для определения угла β в первом приближении задают угол β=2°.
После подстановки вышеуказанных значений параметров в уравнение (6) получают β=2,29°.
Во втором приближении задают угол β=3°.
После подстановки вышеуказанных значений параметров в уравнение (6) получают β=2,28°.
Таким образом, после двух итераций с высокой степенью сходимости определен угол β.
Для обеспечения свободного прохождения оси вдоль внутреннего пространства нагретого до температуры 350°С бандажа угол наклона оси второго цилиндрического участка к оси вращения валка α принимают равным 2°, что удовлетворяет неравенству (3): 0<α<2,28° и позволит осуществить сборку составного валка.
Механообработку несущей оси и бандажа, сборку составного валка осуществляют аналогичным образом, как и в примере 1.
Предложенная конструкция позволит повысить технологичность изготовления составных частей валка, увеличить срок эксплуатации составного валка за счет исключения прокручивания бандажа относительно несущей оси и его разрушения в процессе эксплуатации от значительных растягивающих напряжений натяга. Уменьшение толщины бандажа позволит обеспечить более равномерный его нагрев под закалку и снизить разброс значений твердости бочки валка вдоль ее образующей и по толщине закаленного слоя.