РАБОЧИЙ ВАЛОК ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ
WORKING ROLL FOR COLD ROLLING

Изобретение относится к рабочим валкам станов холодной прокатки полос.
н
н
т
т
В настоящее время при холодной прокатке полос наблюдается неравномерное распределение продольных напряжений по ширине полосы. По данным работы [1] растягивающие напряжения (σ) на кромочных участках в 1,5-2,0 раза больше чем в средней части полосы. Значительная величина растягивающих напряжений (σ=0,5-0,6σ, где σ - предел текучести материала полосы) при наличии макро- и микродефектов на кромках приводит в большинстве случаев к разрушению металла и обрыву полосы, что в свою очередь вызывает аварийную остановку и простои стана для замены поврежденных прокатных валков.
Известен прокатный валок, включающий бочку с микрорельефом рабочей поверхности, выполненным в виде множества ориентированных относительно образующей бочки канавок. Причем канавки ориентированы по окружности. Микрорельеф бочки имеет шероховатость в направлении длины валка, в 3 раза большую чем в направлении окружности. Ориентированные по окружности канавки непрерывны [2].
Недостатком известного решения является одинаковая ориентация канавок по длине рабочей зоны бочки валка, что не позволяет снизить микрошероховатость и величину коэффициента трения на кромочных участках полосы по сравнению со средним участком. В результате коэффициент вытяжки и продольные растягивающие напряжения на кромочных участках по сравнению с серединой полосы не уменьшаются, а значит невелируется эффективность по количеству обрывов полос при прокатке.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является валок для холодной прокатки полос, который включает бочку с микрорельефом рабочей поверхности, выполненным в виде ориентированных относительно образующей бочки канавок. Канавки на поверхности крайних и средних участков ориентированы в разных направлениях относительно образующей бочки. Причем канавки по длине бочки валка нанесены с изменением от параллельного до перпендикулярного относительно оси валка по направлению к средней части рабочей зоны валка. Ширина канавок краевых участков составляет 0,02-0,05 диаметра бочки [3].
Недостатком данного решения является низкая его эффективность из-за наличия в очаге деформации факторов, по-разному влияющих на величину продольных напряжений в прокатываемой полосе. Так параллельное относительно образующей бочки расположение канавок на крайних участках рабочей зоны валка увеличивает захват смазки в очаге деформации, что приводит к снижению коэффициента трения и увеличению коэффициента вытяжки. В тоже время расположение выступов канавок валка в поперечном относительно очага деформации направлении будет препятствовать течению металла в очаге деформации за счет увеличения сдвигающих касательных напряжений в очаге деформации, что приводит к увеличению коэффициента трения, а значит к уменьшению величины вытяжки на кромочном участке и к повышению величины продольных растягивающих напряжений на кромке полосы. Кроме того, по экспериментальным данным [1] максимум продольных растягивающих напряжений располагается на участке шириной до 100 мм от кромки, тогда как в прототипе [3] заявленная ширина краевых участков равна 12-15 мм.
Задачей заявляемого устройства является снижение растягивающих напряжений по ширине полосы, что позволяет снизить порывы полос, а следовательно, снизить расход металла и повысить производительность прокатного стана.
Поставленная задача решается за счет того, что валок стана холодной прокатки полос содержит бочку с нанесенным на ее поверхность микрорельефом в виде микрошероховатости.
Согласно изобретению величина микрошероховатости на краевых участках бочки, составляющих 0,17-0,27 диаметра бочки валка, равна 0,1-0,22 величины микрошероховатости средней части бочки.
Изобретение осуществляется следующим образом.
a
a
a
a
a
a
В условиях цеха холодной прокатки прокатный валок подвергают шлифовке на вальцешлифовальном станке. После обработки шлифовальным кругом поверхность бочки по всей длине имеет микрошероховатость R=0,8-1,2 мкм. При прокатке низкоуглеродистой стали рабочим валкам придают более высокую микрошероховатость R=5,5-7,0 мкм. Шероховатость наносят путем дробеструйной обработки поверхности. Валки насекают для улучшения захвата полосы и для предотвращения схватывания соседних витков, смотанной в рулон полосы, при последующем низкотемпературном отпуске. После дробеструйной обработки краевые участки валка, закрытые трафаретом, останутся шлифованными с шероховатостью R=0,8-1,2 мкм (фиг. 1, позиция 1), а на незащищенном участке получают микрошероховатость поверхности R=5,5-7,0 мкм (фиг. 1, позиция 2). Если соотнести предельные величины меньшей шероховатости (R=0,8-1,2) к предельным величинам большей шероховатости (R=5,5-7,0), соответственно получим величину отношения (0,1-0,22),
a
a
a
ср
Эффективность предлагаемой величины отношения микрошероховатостей определяется изменением величины коэффициента внешнего трения. Так по данным А.П. Грудева [4] при уменьшении высоты шероховатости с R≈5,5 мкм до R≈1,0 мкм (R - параметр шероховатости по ГОСТу 2783-73) коэффициент трения снижается примерно в два раза. Это в свою очередь приводит к уменьшению среднего нормального контактного напряжения (Р) и величины усилия прокатки (P). В процессе прокатки толщина полосы (h) на выходе из валков характеризуется уравнением Головина-Симса:
где S - межвалковый раствор;
P - усилие прокатки;
к
M - жесткость клети.
Если принять жесткость клети и межвалковый раствор в процессе прокатки полосы постоянными, видим, что толщина полосы определяется усилием прокатки. Усилие прокатки, как было отмечено ранее, является величиной, зависящей от коэффициента трения [5]. Изменяя величину коэффициента трения, можно влиять на межвалковый раствор и толщину выходящей из валков полосы.
н
При уменьшении толщины полосы на кромочных участках полосы увеличивается вытяжка на этих участках и снижается величина продольных растягивающих напряжений (σ) на кромках по сравнению с напряжениями средней части полосы.
в
Как было указано выше по данным работы [1], максимум продольных растягивающих напряжений располагается на участке полосы шириной до 100 мм от кромки. Поэтому принимаем ширину кромочных участков полосы, на которых необходимо снизить растягивающие напряжения B=100 мм. Привязывая эту величину к используемым на станах холодной прокатки диаметрам рабочих валков (D=400-600 мм), получаем предельные величины отношения B/D=0,17-0,25, т.е. длину рабочей зоны валка с меньшей микрошероховатостью поверхности.
в
σ
a
a
a
Работоспособность валкового комплекта проверена на лабораторном стане с диаметром валков D=120 мм и длиной бочки L=150 мм. Микрошероховатость поверхности в первой серии опытов по всей длине бочки составила R≈6,0 мкм (существующая технология прокатки, опытные образцы №1, 2, 3). Во второй серии прокатку производили по предлагаемой технологии в валках с неравномерным микропрофилем бочки: - на краевых участках величина микрошеороховатости составила по R≈1,0 мкм, а в средней части R≈6,0 мкм (предлагаемая технология, образцы №4, 5, 6).
На стане прокатывали по три полосы с исходной толщиной H=3,0 мм; шириной B=130 мм; длиной l=300 мм и величиной обжатия Δh: 0,3 мм; 0,5 мм; 0,8 мм.
Hкр
Hср
В качестве смазки использовали эмульсию «Эмульсола Т» с концентрацией 2-3%. Перед прокаткой на кромки L(y≈5 мм) и в середине L(y≈65 мм) ширины полосы наносили керновые отметки с расстоянием между ними 150 мм.
Полосу прокатывали с окружной скоростью вращения валков V≈0,3 м/с. После прокатки измеряли новые расстояния между керновыми отметками на полосе.
кр
ср
ср
н
кр
hкр
Hкр
ср
hcp
Hср
ср
ср
кр.
ср
н
ср
hкр
hср
По данным измерений рассчитывали коэффициенты вытяжек на кромке µ и в середине µ ширины полосы, относительную разницу вытяжек Δµ/µ на кромке и в середине ширины полосы и возможную разницу величин растягивающих продольных напряжений Δσ на кромке и в середине ширины полосы: µ=L/L; µ=L/L; Δµ/µ=(µ-µ)/µ; Δσ=ЕΔµ/µ, где Е - модуль упругости Юнга; L; L - расстояние между отметками после прокатки полосы соответственно на кромке и в середине.
a
Из опытных и расчетных данных (см. таблицу) следует, что в насеченных валках с микрошероховатостью по всей длине бочки по R≈6,0 мкм (существующая технология) коэффициент вытяжки на кромке оказывается меньше, чем в средней части ширины полосы (см. таблицу, образцы №1, 2, 3). В результате этого на кромках полосы возникают продольные растягивающие напряжения, которые в нашем опыте на 20-58 МПа превышают напряжения растяжения в середине ширины.
При прокатке полос в валках с неравномерной микрошероховатостью поверхности (предлагаемая технология), см. таблицу, образцы №4,5,6) во всех случаях коэффициент вытяжки на кромках выше чем в середине, что обусловлено уменьшением коэффициента трения на этом участке и увеличением вследствие этого обжатия полосы. Превышение вытяжки на кромках по сравнению с серединой приводит к снижению напряжений растяжения на 67-90 МПа и к уменьшению вероятности обрыва  полосы при прокатке, а значит к снижению простоев стана и расходу прокатных валков.
Источники информации
1. В.А. Николаев, О.Н. Зотов, Б.Н. Задко. Распределение удельных напряжений в полосе при холодной прокатке // Известия вузов. Черная металлургия. - 1977. - №3. С. 88-89.
2. Патент США №3613319, кл. B21B 27/2, 1972.
3. Авторское свидетельство СССР №839633, кл. B21B 27/02, 1981.
4. Грудев А.П. Внешнее трение при прокатке. М.: Металлургия, 1973.
5. Теория прокатки. Справочник. А.И Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин, А.В. Третьяков, Г.С. Никитин . Изд-во Металлургия, 1982. - 333 с.