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 конструкции четырехвалковых клетей широкополосных станов с измерением усилий прокатки месдозами, установленными под нижними опорными валками. Задачами, 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. 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. Площадь пластины равна площади нижней поверхности месдозы; предел текучести материала пластины Т определяется соотношением , где max - максимальное удельное напряжение сжатия месдозы при прокатке; толщина пластины для в i-ой клети определяется следующим соотношением:
, где
kgi - коэффициент формы головной части полосы перед i-ой клетью, для первой клети чистовой группы и прямого реза равен 1.0, для остальных клетей уменьшается;
mi - масса верхних рабочих и опорных валков с подушками i-ой клети, тонн;
З - заправочная скорость последней клети чистовой группы, м/с;
hi - толщина полосы на входе в i-ю клеть, мм;
hi+1 - толщина полосы на выходе из i-ой клети, мм;
hЗ - толщина полосы на выходе стана, мм;
Е' - модуль упругости материала пластины, МПa;
Е - модуль упругости материала месдозы, МПа;
h - высота месдозы, мм;
К - модуль жесткости клети, Кн/мм;
Ri - радиус рабочих валков в i-ой клети, м;
hi=h0i-h1i - абсолютное обжатие в i-ой клети, мм.
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.
Площадь пластины равна площади нижней поверхности месдозы; предел текучести материала пластины Т определяется соотношением , где max - максимальное удельное напряжение сжатия месдозы при прокатке; толщина пластины для в i-ой клети определяется следующим соотношением:
, где
kgi - коэффициент формы головной части полосы перед i-ой клетью, для первой клети чистовой группы и прямого реза равен 1.0, для остальных клетей уменьшается;
mi - масса верхних рабочих и опорных валков с подушками i-ой клети, тонн,
З - заправочная скорость последней клети чистовой группы, м/с;
hi - толщина полосы на входе в i-ю клеть, мм;
hi+1 - толщина полосы на выходе из i-ой клети, мм;
hЗ - 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;
Ri - радиус рабочих валков в i-ой клети, м;
hi=h0i-h1i - 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;
F i - усилие прокатки в i-ой клети;
l i - длина очага деформации в i-ой клети;
i - время заполнения очага деформации в i-ой клети;
mi - 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).
Отмечаем, что , т.е. площадь под функцией v(t) на Фиг.1 равна Si , тогда ускорение, с которым валки поднимаются вверх при захвате полосы, равно .
Время заполнения очага деформации , где 0i и 1i - скорости полосы на входе и выходе очага деформации i-ой клети, причем , , где З - заправочная скорость последней клети чистовой группы, hi - толщина полосы на входе в i-ю клеть, hi+1 - толщина полосы на выходе из i-ой клети, h З - заданная толщина на выходе стана.
Длина очага деформации , где Ri - радиус рабочих валков в i-ой клети, hi=h0i-h1i - абсолютное обжатие в i-ой клети.
Ударная нагрузка при захвате полосы i-ой клетью равна , kgi - коэффициент формы головной части полосы, для первой клети чистовой группы и прямого реза равен 1,0; с увеличением номера клети величина kgi 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 max - 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:
, где i - удельное напряжение сжатия в месдозе и пластине в момент захвата полосы, V - объем месдозы.
Соответственно, для демпфирующей пластины:
, где V' - объем пластины.
Отношение этих энергий должно равняться рi:
.
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».
Для чистовой группы стана горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК» максимальное удельное напряжение сжатия месдозы max=111 МПa. В качестве материала для демпфирующей пластины выбираем медь; предел текучести ненаклепанной меди T=74 МПа, а модуль упругости E'=1,1·10 5 МПа. Модуль упругости материала месдозы (сталь) E=2,2·10 5 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 |
Клеть6 | 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.
1. Устройство для уменьшения силы ударных нагрузок и износа опорных поверхностей проема станины прокатных клетей широкополосных станов, выполненное в виде пластины из металлического материала, установленной между сопряженными опорными поверхностями проема станины и месдозы, отличающееся тем, что площадь пластины равна площади нижней поверхности месдозы, при этом пластина изготовлена из пластичного металлического материала с пределом текучести T, определяемым соотношением
,
где max - максимальное удельное напряжение сжатия месдозы при прокатке.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина пластины , устанавливаемой в i-й клети стана, определяется следующим соотношением:
где kgi - коэффициент формы головной части полосы перед i-й клетью, равный 1,0 для первой клети чистовой группы и прямого реза, с уменьшением по клетям;
mi - масса верхних рабочих и опорных валков с подушками i-й клети, т;
vз - заправочная скорость последней клети чистовой группы, м/с;
hi - толщина полосы на входе в i-ю клеть, мм;
hi+1 - толщина полосы на выходе из i-й клети, мм;
hз - толщина полосы на выходе стана, мм;
E' - модуль упругости материала пластины, МПа;
E - модуль упругости материала месдозы, МПа;
h - высота месдозы, мм;
K - модуль жесткости клети, Кн/мм;
Ri - радиус рабочих валков в i-й клети, м;
hi=h0i-h1i - абсолютное обжатие в i-й клети, мм.