УСТРОЙСТВО, УМЕНЬШАЮЩЕЕ СИЛУ УДАРНЫХ НАГРУЗОК И ИЗНОС ОПОРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРОЕМА СТАНИНЫ ПРОКАТНОЙ КЛЕТИ

Предлагаемая полезная модель относится к черной металлургии, а именно, к прокатному производству, в частности, к защите конструктивных элементов четырехвалковых клетей широкополосных станов с измерением усилий прокатки месдозами, установленными под нижними опорными валками, от ударных нагрузок.
Ударные (динамические) нагрузки можно уменьшить с помощью различных демпфирующих устройств. Известны демфирующие пластины, снижающие динамические нагрузки, выполненные из слоистых материалов с высокой твердостью трения и низкой твердостью поверхностей примыкания к базовым поверхностям силовых деталей (см. Кортс Й., Валь Курран Л. Высокоизносостойкие прецезионные плоские направляющие для прокатных клетей. Черные металлы, август 2000 г., с.27-31). Авторы этого способа защиты от динамических нагрузок не обосновывают выбор величин твердости, типов материала и толщин слоев демфирующих пластин. Кроме того, способ изготовления слоистых пластин очень сложен.
Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом), по мнению авторов, являются износостойкие биметаллические облицовочные планки, защищающие поверхности оборудования прокатных станов от износа под воздействием ударных нагрузок, изготовленные в соответствии со способом, защищенным патентом РФ №2108214 В23К 20/04 от 10.04.1998 г. При этом способе на пластину из пластичного незакаливаемого металла наплавляют защитное покрытие из закаливаемого твердого металла, после чего пластину подвергают термомеханической обработке. Изготовление биметаллических пластин - энергоемкий и трудоемкий процесс, и кроме того авторы не приводят никаких соображений по поводу соотношения величин твердости и толщин слоев.
При захвате полосы на прокатные валки, станины и другие конструктивные элементы прокатных клетей, в том числе на месдозы, действуют ударные нагрузки. Под их воздействием интенсивно изнашиваются опорные поверхности месдоз и станин. Конструктивные элементы прокатных клетей работают в неблагоприятных условиях: вода, пар, окалина, ударные нагрузки и т.д. Так как месдозы изготовлены из более твердого материала, чем станина, то под воздействием неблагоприятных факторов гораздо больше изнашивается опорная поверхность станины. При этом уменьшается площадь пятна контакта между месдозой и опорной поверхностью станины, месдоза испытывает изгибные деформации, и соответственно, увеличивается погрешность измерения усилия прокатки, что в свою очередь приводит к увеличению продольной разнотолщинности прокатываемых полос.
Задача, на решение которой направлено техническое решение, являются: а) уменьшение ударных нагрузок на месдозы; б) уменьшение износа контактных поверхностей месдоз и станин. Техническим результатом является повышение точности измерений усилий прокатки и уменьшение продольной разнотолщинности прокатываемых полос.
Вышеуказанные недостатки исключаются тем, что уменьшение ударных нагрузок на месдозу при захвате полосы валками прокатного стана достигается за счет малых упруго-пластических деформаций монолитной пластины, установленной под месдозу и выполненной из металлического материала определенной толщины и пластичности. Эта пластина играет роль демпфера, который поглощает энергию ударных нагрузок и обеспечивает постоянство площади пятна контакта на нижней опорной поверхности месдозы, тем самым способствуя повышению точности измерения усилий прокатки.
Т
max
Площадь пластины равна площади нижней поверхности месдозы; предел текучести материала пластины σ определяется соотношением , где σ - максимальное удельное напряжение сжатия месдозы при прокатке; толщина пластины  для в i-ой клети определяется следующим соотношением:
, где
gi
k - коэффициент формы головной части полосы перед i-ой клетью, для первой клети чистовой группы и прямого реза равен 1.0, для остальных клетей уменьшается;
i
m - масса верхних рабочих и опорных валков с подушками i-ой клети, тонн,
З
ν- заправочная скорость последней клети чистовой группы, м/с;
i
h - толщина полосы на входе в i-ю клеть, мм;
i+1
h- толщина полосы на выходе из i-ой клети, мм;
З
h- толщина полосы на выходе стана, мм;
Е' - модуль упругости материала пластины, МПа;
Е - модуль упругости материала месдозы, МПа;
h - высота месдозы, мм;
К - модуль жесткости клети, Кн/мм;
i
R - радиус рабочих валков в i-ой клети, м;
i
0i
1i
Δh=h-h - абсолютное обжатие в i-ой клети, мм.
Сопоставительный анализ предложенного технического решения с прототипами показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известных своим исполнением с учетом величин технологических параметров прокатки и конструктивных параметров стана. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию полезной модели «Новизна».
Так как предлагаемая полезная модель может быть использована в промышленности, а эксплуатация опытного образца уже показала положительные результаты, следовательно, данное техническое решение соответствует критерию полезной модели «Промышленная применимость».
Суть предложенного технического решения будет понятна из следующего описания и приложенных к нему оценочных расчетов.
Оценим величину ударных нагрузок на месдозу при захвате полосы. Примем следующие обозначения:
- предел текучести материала пластины;
Е' - модуль упругости материала пластины;
Е - модуль упругости материала месдозы;
i
F - усилие прокатки в i-ой клети;
i
l - длина очага деформации в i-ой клети;
i
τ - время заполнения очага деформации в i-ой клети;
i
m - масса верхних рабочих и опорных валков с подушками i-ой клети.
К - модуль жесткости клети;
При захвате полосы клеть растягивается на величину , на К такую величину поднимаются верхние рабочие и опорные валки с подушками, причем в начале и конце захвата скорость перемещения валков равна нулю. Для простоты примем закон изменения скорости перемещения валков линейным (Фиг.1).
i
Отмечаем, что , т.е. площадь под функцией v(t) на Фиг.1 равна S, тогда ускорение, с которым валки поднимаются вверх при захвате полосы, равно .
0i
1i
З
i
i+1
З
Время заполнения очага деформации , где ν и ν - скорости полосы на входе и выходе очага деформации i-ой клети, причем , , где ν- заправочная скорость последней клети чистовой группы, h- толщина полосы на входе в i-ю клеть, h- толщина полосы на выходе из i-ой клети, h- заданная толщина на выходе стана.
i
i
0i
1i
Длина очага деформации , где R - радиус рабочих валков в i-ой клети, Δh=h-h - абсолютное обжатие в i-ой клети.
gi
gi
max
Ударная нагрузка при захвате полосы i-ой клетью равна , k - коэффициент формы головной части полосы, для первой клети чистовой группы и прямого реза равен 1,0; с увеличением номера клети величина k может уменьшаться на два порядка. Это связано с плавным увеличением толщины полосы на головном участке. Величина ударной нагрузки в i-ой клети составляет  часть от усилия прокатки в этой клети. Энергию ударной нагрузки должна поглотить демпфирующая пластина, причем предел текучести материала пластины должен находиться в интервале , где σ- максимальное удельное напряжение сжатия месдозы, с тем, чтобы верхняя и нижняя поверхности демпфирующей пластины принимали форму нижней поверхности месдозы и опорной поверхности станины.
Энергия упругой деформации, которую накапливает месдоза i-ой клети, выражается следующим образом:
i
, где σ - удельное напряжение сжатия в месдозе и пластине в момент захвата полосы, V - объем месдозы.
Соответственно, для демпфирующей пластины:
, где V' - объем пластины.
i
Отношение этих энергий должно равняться р:
.
С учетом того, что площади основания пластины и месдозы равны, получаем выражение для толщины демпфирующей пластины в i-ой клети:
,
где h - высота месдозы,  - толщина пластины в i-ой клети.
Пример расчета толщины демпфирующей пластины для клетей №6 и №11 стана горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК».
max
T
5
5
Для чистовой группы стана горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК» максимальное удельное напряжение сжатия месдозы σ=111 МПa. В качестве материала для демпфирующей пластины выбираем медь; предел текучести ненаклепанной меди σ=74 МПа, а модуль упругости E'=1,1·10 МПа. Модуль упругости материала месдозы (сталь) E=2,2·10 МПа, высота месдозы h=180 мм. Модуль жесткости клети К=500 т/мм. Прокатывается полоса с толщиной за 12-й клетью, равной 2 мм, при этом толщина подката 34 мм, абсолютное обжатие в 6-й клети 10 мм. Радиус рабочих валков клети №6 R=450 мм; масса верхних рабочего и опорного валков составляет 90 т. Заправочная скорость при прокатке полосы на толщину 2 мм составляет 10 м/с; усилие прокатки 2000 т.
; ;
; ;
; ;
; ;
.
Для клети №11.
; ;
; ;
; ;
; ;
.
Результаты применения демпфирующих пластин для клетей чистовой группы стана горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК».
В Таблице 1 приведены данные о величине стандартного отклонения усилия прокатки в клети №6 (первой клети чистовой группы) НШСГП 2000 ОАО «НЛМК» за три месяца до и после установки под месдозы этой клети медных пластин.
Величина стандартного отклонения усилия прокатки в клети №6
Таблица 1
Стандартное отклонение усилия прокатки, т
Месяц№ клети
Январь 2011
Февраль 2011
Март 2011
Среднее за 3 мес. до установки
Апрель 2011
Май 2011
Июнь 2011
Среднее за 3 мес. после установки
Клеть№6
35,56
30,63
31,22
32,47
18,21
13,30
9,62
13,71
С 11 июня 2012 г. (после капитального ремонта стана 2000) на всех клетях установлены медные пластины. Сравнительные данные по величинам стандартного отклонения усилий прокатки по полосам за 6 месяцев 2012 г. представлены в Таблице 2.
Величина стандартного отклонения усилия прокатки в клетях №6-12
Таблица 2
Стандартное отклонение усилия прокатки, т
Месяц№ клети
Март 2012
Апрель 2012
Май 2012
Среднее за 3 мес.
Июнь 2012
Июль 2012
Август 2012
Среднее за 3 мес.
Клеть 6
16,03
15,36
12,42
14,60
15,15
11,37
11,86
12,79
Клеть 7
33,56
28,04
32,63
31,41
22,45
20,33
19,13
20,64
Клеть 8
39,18
40,85
35,17
38,40
14,46
13,44
14,57
14,16
Клеть 9
32,06
33,19
29,77
31,67
21,48
19,45
20,73
20,53
Клеть 10
28,93
26,32
26,81
27,35
16,53
18,49
15,47
16,83
Клеть 11
27,73
26,94
30,51
28,39
20,04
19,12
17,88
19,01
Клеть 12
15,90
17,25
19,62
17,59
12,96
13,07
11,27
12,43
Сравнительный анализ показывает, что величина стандартного отклонения усилия прокатки в клетях чистовой группы после установки демпфирующих медных пластин уменьшилась в 1.5-2.5 раз.
Использование демпфирующих медных пластин во всех клетях стабилизирует процесс измерения усилий прокатки и создает условия для более эффективной работы САРТ, что положительно отражается на величине процента попадания толщины в 2/3 допуска EN 10051 (Фиг.3).
Как видно, установка медных демпфирующих пластин положительно сказалось на точности попадания толщины в допуски EN 10051.
Отсюда можно сделать вывод, что задачи, на решение которых направлено техническое решение - выполняется, при этом достигается получение вышеуказанного технического результата.