Прокатный стан и соединительный элемент привода рабочих валков прокатного стана

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к прокатным станам. Цель изобретения - повышение производительности и качества проката путем обеспечения условий для крутильных автоколебаний валков и, кроме того, повышение надежности. В прокатном стане, содержащем рабочую клеть и привод с податливыми соединительными элементами , согласно изобретению регламентирована величина крутильной податливости соединительных элементов в зависимости от диаметра рабочих валков, что позволяет создать при прокатке режим крутильных автоколебаний валков, способствующих снижению усилия прокатки и возможному повышению обжатий, а также повышению качества поверхности металла. Кроме того, усовершенствована конструкция соединительного элемента, в котором чередующиеся вдоль оси вала слои эластичного и твердого материала наклонены к оси вала, что повышает его упругопрочностные характеристики . 2 с.п.ф-лы, 2 табл., 3 ил. (/ С

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 21 В 35/00, 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4818120/27 (22) 24.04.90 (46) 07,06.92. Бюл. ЬЬ 21 (71) Сибирский металлургический институт им. Серго Орджоникидзе (72) H.Н.Федоров, В.Н.Николаевский, Н,Н.Федоров и Д.Д.Голубенко (53) 621.771.2.06-88(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 884763, кл, В 21 В 35/14, 1980.

Авторское свидетельство СССР

N: 707628, кл. В 21 В 11/00, 1977.

Авторское свидетельство СССР

М 1375366, кл. В 21 В 35/14, 1985. (54) ПРОКАТНЫЙ СТАН И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРИВОДА РАБОЧИХ ВАЛКОВ ПРОКАТНОГО СТАНА (57) Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к прокатным станам. Цель изобретения — повышение

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к процессам прокатки, осуществляемым наложением противофазных крутильных автоколебаний на вращение валков.

Известен прокатный стан, содержащий в приводе рабочих валков шпинделя. повышенной податливости, выполненные из нечетного числа равнопрочных полых валов, соединенных последовательно.торцами и расположенных концентрично с зазорами.

Однако конструкция известного шпинделя прокатного стана не. позволяет иметь значительную крутильную податливость, поскольку число равнопрочных полых валов,,5U 1738397 А1 производительности и качества проката путем обеспечения условий для крутильных автоколебаний валков и, кроме того, повышение надежности. В прокатном стане, содержащем рабочую клеть и привод с податливыми соединительными элементами, согласно изобретению регламентирована величина крутильной податливости соединительных элементов в зависимости от диаметра рабочих валков, что позволяет создать при прокатке режим крутильных автоколебаний валков, способствующих снижению усилия прокатки и возможному повышению обжатий, а. также повышению качества поверхности металла, Кроме того, усовершенствована конструкция соединительного элемента, в котором чередующиеся вдоль оси вала слои эластичного и твердого материала наклонены к оси вала, что повышает его упругопрочностные характеристики. 2 с.п.ф-лы. 2 табл., 3 ил, ограничено габаритным диаметром внешнего вала. 6д

Также известен прокатный, стан с виб- Q рационной прокатной клетью, содержащей станины с рабочими валками и подушками, гидравлический вибратор, гидравлический привод и блок сдвига фаз.

Известная прокатная клеть позволяет в процессе прокатки осуществлять одновре. менно возбуждение на рабочих валках крутильных, вертикальных и горизонтальных вынужденных колебаний. При этом генерация крутильных, вертикальных и горизонтальных вынужденных виброколебаний валков обеспечивается. осциляцией возмущений энергии внешних источников, по1738397 средством преобразования в виброимпульсы. Рабочие валки известной клети приводятся во вращение от жесткого привода, обеспечивающего обычную передачу моментй прокатки на рабочие валки непосредственно через индивидуальные шпинделя, которые практически не обладают податливостью к закручиванию, а следовательно, и не позволяют осуществлять процесс прокатки s автовибрационном. режиме. Виброколебания, возбуждаемые под воздействием внешних виброимпульсов, в известной .конструкции являются вынужденными, и имеют установленные характеристики частоты и амплитуды, не зависящие от процесса прокатки, что допускает возможность возникновения диссонанса в отдельные периоды прокатки между собственными автоколебаниями в очаге деформации и .вынужденными. колебаниями вибропривода, что в свою. очередь отрицательно сказывается на производительности процесса прокатки и качестве готового проката.

Наиболее близким к предлагаемому соединительному элементу привода рабочих валков по технической сути.и достигаемому эффекту является упругий соединительный шпиндель привода рабочих. валков прокатного стана, содержащий упругий вал из чередующихся слоев твердого и.эластичного материалов, заключенный между ведомым и ведущим фланцами, соединенными стяжной шпилькой вдоль оси вала.

Однако, поскольку между слоями твердого и эластичного материалов упругого вала может иметь место проскальзывание при приложении скручивающего момента, то шпиндель имеет ограниченную величину прочности и ограйиченный диапазон прокатных станок для применения.

Цель изобретения — повышение произ водительности и качества проката за счет . разгрузки энергосилавых параметров в очаге деформации путем обеспечения условий для автоколебательных крутильных перемещений валков.

Поставленная цель достигается тем, что в прокатном стане, содержащем прокатную клеть с рабочими валками, привод с податливыми соединительными элемента-ми, крутильная податливость последних определяется из соотношения е = (6500-102000)6 d»з, где е — суммарная крутильная податливость соединительных элементов.в приводе между рабочими валками, рад/Мн м;

G — модуль упругости второго рода для материала рабочих валков, Мн/м, для стали

G 0,8 10 Мн/м ;

d» — катающий диаметр рабочих валков, м.

Соединительный элемент. привода рабочих валков прокатного стана содержит соединенные стяжными шпильками по

10 периметру ведомый и ведущий фланцы; между которыми заключен упругий вал цилиндрической формы, выполненный из чередующихся вдоль оси вала слоев эластичного и твердого материалов, кото15 рые наклонены к оси вала., В предлагаемой конструкции прокатного стана в качестве основного элемента, определяющего виброхарактеристики стана, является упругозакручиваемый элемент в

20 приводе рабочих валков с крутильной податлйвостью в диапазоне.е =.{6500.102000)6 d» где, например, 6 = 0,8 ° 10

Мн/м, б»- катающий диаметр валков. При отклонении величины крутильной податли25 вости упругозакручиваемых элементов от заданного диапазона, являющегося достаточным для преобразования автоколебаний момента прокатки, крутильные перемещения валков нарушают гармони30 ческий характер осцилляции, и крутильные автоколебания не обеспечивают эффект повышения производительности и.,качества прокатки. При этом в предлагаемом прокатном стане за счет повышения степени свободы к крутильным гармоническим леремещениям валков, обеспечиваемой введением упругих элементов, достигаются условия самовозбуждения крутильных автоколебаний. В отличии m существующих пронедостаточно податливые упруго-соединительные элементы, усиливающих детонацию привода вследствие нарастания амплитуды релаксационных автоколебаний, в предлагаемом прокатном стане вводимые в привод валков упругие элементы обладают крутильной податливостью на несколько порядков выше известных, позволяют полностью исключить релаксационный: характер автоколебаний и обеспечивает самовозбуждение крутильных автоколебаний валков по гармо- .ническому закону с автоматической самс- . подстройкой частоты . и амплитуды колебаний.в резонанс.. Таким образом, ра50

55 бочие валки предлагаемого прокатного стана в совокупности с упругими элементами

Образуют систему:. крутилькых маятников качающейся частоты — СВИП вЂ” генераторы.

Конструкция податливых соединитель-ных элементов предлагаемого прокатного

40 катных станов,. имеющих в приводе

1738397 стана отличается от известных наклонным расположением слоев эластичного и твердого материалов относительно оси.

Благодаря такому конструкционному выполнению существенно повышаются квазиупругие и прочностные свойства, поскольку эластичные слои подвергаются практически только нагрузкам на сжатие.

На фиг.1 представлена кинематическая схема прокатного вибростана с введенными в индивидуальный привод валков упругими элемейтами повышенной крутильной податливости; на фиг.2 — процесс прокатки в . один из периодов крутильных автоколебаний валков, когда угловая скорость верхнего валка. больше,; на фиг.З— устройство резонатора крутильных автоколебаний валков, выполненного иэ упругого вала с дипланированными слоями эластичного и твердого материалов, включенного в тело универсального шпинделя.

Прокатный стан содержит прокатную клеть с рабочими валками 1 и 2, в индивидуальный привод которых введены податливые соединительные элементы 3 и 4, которые обеспечивают необходимую.степень свободы рабочим валка для автоколебательных крутильных перемещений по гармоническому закону.в процессе прокатки. При этом введенные податливые элементы 3 и 4 выполняют функцию разонаторов крутильных автоколебаний.

Элементы 3 и 4 за счет собственной величины крутильной податливости позволяют валкам в процессе прокатки совершать крутильные автоколебания с амплитудой угловых перемещений, обеспечивающих деформацию сдвига верхних, контактирую щих с валком, слоев относительно нижних в диапазоне углов сдвига ) = 7-45О При этом элементы 3 и 4 позволяют ликвидировать жесткую связь по характеристикам между энергосиловыми параметрами процесса прокатки, протекающего в очаге 5 деформации и энергетическими параметрами в приводе 6 прокатного стана(фиг. t). Податливые соединительные элементы выполняются в составе конструкции универсальных шпинделей.

Каждый элемент выполнен из сжатого между фланцами 7 и 8 цилиндрического вала, составленного из чередующихся вдоль оси вращения слоев эластичного 9 и твердого 10 материалов. Фланцы 7 и 8 соединены между собой шарнирно стяжными шпильками 11 с гайками 12 и полусферическими шайбами 13, равномерно распределеняыми по периметру цилиндрического вала, в теле которого имеются сквозные продольные отверстия или.пазы под стяжные шпильки.

Для исключения возможности проскальзывания между упругими и твердыми слоями и повышения прочностных свойств чередующиеся слои эластичного и твердого материалов наклонены к оси вала под углом р-45-90 и имеют депланированные поверхности сопряжения (фиг.5).

Прокатный стан работает следующим образом, 10

При-.задаче заготовки в межвалковый зазор прокатной клети податливые элементы на первом этапе заполнения очага деформации металлом выполняют функцию

15 демпфера, чем облегчают процесс захвата заготовки валками. В дальнейшем при полном заполнении очага деформации металпоае наступает установившийся процесс автовибрационной прокатки, который соперераспределяющимися энергосиловыми параметрами процесса прокатки между валками. Периодическое перераспределение

25 величины момента прокатки на валках обусловлено периодичнЪстью распределения площадей прилипания и скольжения на контактных поверхностях валков, а также периодичностью деформаций сдвига верхних

30 слоев относительно нижних. Податливые элементы при акручивании поглощают энергию автоколебаний моментов прокатки между валками, превращая ее из кинетической в потенциальную, с последующим воз35 вратом в следующий полупериод этой энергии в виде крутильного автоколебания валков с определенной амплитудой. При этом рабочие валки в совокупности с присоединенными податливыми элементами (резонаторами) работают аналогично

40 маятникам, совершая крутильные противо-. фазные перемещения и-одновременно общее однонаправленное вращение по ходу прокатки.

45 Для обеспечения сдвиговых деформаций в заданном диапазоне углов у- 7- 45О необходимо достигнуть определенной вели- . чины смещения слоев в заготовке во взаимно противоположных направлениях (фиг.2)

50: $ h1 С,(1) где S — смещение слоев вдоль оси прокатки, м;

h> — высота раската, выдаваемого из валков, м: с — коэффициент степени сдвиговой де55 формации, С - tg y = щ Р-45О) 0,125-1,0.;

В соответствии со схемой (фиг.2) смещение слоев-3(л1и) обеспечивается в процес20 провождается крутильными автоколебаниями валков, возбуждаемыми периодически

1738397 одного валка относительно другого, определяется суммой

Опол = 01 + 02 (10)

В итоге результирующая величина амп5 литудного значения угла поворота одного. валка относительно другого в обобщенной форме определяется выражением

К1 И1 = (Kt Л1)2+(Л1И1)2 (2) 10 2 й1+ R2

Опол или ц Я+ 2, (3) (Величина обжатия заготовки в условиях асимметричной прокатки определяется из Rt) (1 )2 -+- (С ° ь1 }2 соотношения

R1+ R2 йг -я+в "

Вг

Я1+Йг (4) откуда .

Как видно из схемы (фиг.2), центральный угол <В101Е1 равный <01, опирается на дугу Л lg:t(BtEt) и представляет собой величину амплитуды угла поворота одного валка относительно другого, необходимую для 35 осуществления автовибрационного процес- са прокатки (Я1 + Р2 } R1 где е — суммарная величина крутильной податливости соединительных элементов индивидуального привода рабочих валков

40 прокатного стана, рад/ Н м; е1, е2 — крутильные податливости соединительных элементов в приводе верхнего и нижнего валков, рад/Н м:

Q t, Q2 — значения амплитуды крутиль1 1»

45 ных автоколебаний каждого из валков, рад;

Qri© — величина суммарного амплитудного угла поворота одного валка относительно другого при автоколебаниях, рад;

Т р. — момент прокатки, H м;

50 Rt, Вг — катающие радиусы рабочих валков, м; ь

h1 — высота раската, выдаваемого .из валков, и;

Ьh- обжатие заготовки в валках. м;55 С вЂ” коэффициент сдвиговой деформации, соответствующий углам сдвига у = 745 пр C Оь125-10.

В1 Е1 . R1 се обжатия заготовки со стороны верхнего валка на величину 21(К1Л1) при перемещении точки К1 в точку И1. Величина амплитудного приращения длины дуги — Ь19(К1И1) определяется из геометрии прямоугольного треугольника К1Л1И1 по выражению где Zt — величина обжатия заготовки верхним рабочим валком, м;

Rt, R2 — радиусы верхнего и нижнего валков, м;

Л h — полное обжатие заготовки за проход, м Ьh Zt + 4 гь (6)

Для нижнего валка величина амплитуды угла поворота может быть выражена аналогично

Рри противофазных крутильных автоколебаниях обоих вайМов чеобходимый по амплитуде угол поворота каждого валка определяется аналогично обжатиям

01 -(С11 R2)/(Rt+ R2): (8)

Q2 (Qã Rt)/(Rt+ R2). (9)

Величина. полного крутильного автоколебания, выраженная в угле поворота ()

Для обеспечения заданной величины амплитуды углов поворота валков при крутильных автоколебаниях в процессе прокатки величина необходимой крутильной податливости соединительных элементов в индивидуальном приводе валков должна определяться отношением угла поворота валков к моменту прокатки е = — =е1+ег =(Q)+QJ }/тпр =

Gnoë

Тлр 1 Rt+R2 " 1/т.,(12) 1738397

В случае прокатки заготовок в валках одинакового диаметра выражение(12) упрощается и величина крутильной податливости соединительных элементов привода прокатного стана определяется соотношением пол

Тпр

R» Tnp (13) ок Тпр. где R» — катающий радиус рабочих валков, м;

d» — катающий диаметр, м, При использовании предлагаемого прецесса автовибрационной прокатки с введением податливых соединительных элементов в привод рабочих валков на обжимной клети блюминга, необходимая величина крутильной податливости для обеспечения сдвиговой деформации в диапазоне. углов у - 5-450, определяется для каждого из пропусков по формуле (13).

В табл.1 приведены необходимая по величине крутйльная податливость. соединительных элементов для каждого из 11 пропускав при прокатке слитков кипящей стали 650 610/760 690 мм в блюм 320 320 мм.

Как видно из табл.1, величина необходимой крутильной податливости упругих элементов в приводе рабочих валков имеет максимальное значение в первом пропуске на гладкой бочке d» = 1070 мм и минимальное в десятом пропуске в калибре М 2 бкз =

1015 мм, в итоге е 0,078;1,044 рад/МН м.

Полученные значения крутильной податливости соединительных элементов привода рабочих валков блюминга сопоставимы с крутильной податливостью как универсальных шпинделей, так и самим рабочим валком. Однако длина рабочих валков определяется числом и формой врезных калибров, и поэтому крутильная податливость рабочих валков может существенно изменяться при постоянстве катающих диаметров, Длина универсальных шпинделей также может иметь существенные различия.

Поэтому в качестве эталона для выделения крутильной податливости соединительных элементов наиболее целесообразно считать .стальное цилиндрическое тело, имеющее диаметр и длину, равными катающему диаметру рабочего валка. Для цилиндрического тела длиной, равной диаметру, крутильная податливость определяется по выражению

С Ь 100 к ец 1, О ° 1р (..01. 4 G d»

5 (14) где ец — крутильная податливость (эталона) стального цилиндра длиной и диаметром, равными катающему диаметру валка, рад/MH е — длина стального цилиндра;

6 — модуль второго рода, для стали G08 10 MH/м;

d» — катающий диаметр рабочего валK8, M.

В соответствии с формулой(14) крутильнвя податливость цилиндрического сталь„ного тела с диаметром и длиной, равными, d»-1;07мсоставляетец-1,02 10 рад/МНм(15)

20 а для цилиндрического стального тела с диаметром и длиной равными d» - 1,015 м ец - 1,195 10 рад/МН м. (16)

Сопоставляя крутильную податливость стального цилиндрического тела (эталона) с

25 диаметром и длиной, равными катающему диаметру рабочего валка, с величиной крутильной податливости соединительных элементов привода валков прокатного стана, соответствующих табл 1,. крутил ьная подат30 ливость последних определяется соотношением. е = (650-10200) ец. (17)

Заменяя величину крутильной. податливости стального цилиндрического тела (эта35 лона) выражением в соответствии с формулой (14), окончательное выражение крутильной податливости соединительных эталонов (резонаторов) прокатного стана . примет вид е = (6500-102000)G (d») (19) где е — суммарная крутильная податливость соединительных элементов индивидуального привода рабочих валков, рад/МН м;

G модульупругости стали второго рода

45 G-0,8 10 МН/м;

d» — катающий диаметр рабочих валков прокатного стана, м.

При внедрении предлагаемого процесса прокатка на блюминге благодаря само50 возбуждению крутильных автоколебаний. рабочих валков. прокатной клети обеспечивается периодический сдвиг верхних слоев деформируемой заготовки относительно нижних в направлении оси прокатки. что, в

55 свою очередь, позволяет осуществлять процесс прокатки при относительно меньших энергетических затратах с наименьшим сопротивлением пластической деформации за счет разгрузки очага по энергосиловым параметрам. Податливые элементы индивиду1738397

Таблиаа t

J,О Для It ° 7, С 0,125

Для / 45а, С 1

h<, и

Опыт хааа ю рад. Рад, ИК ы

i,07

l,Î7

l,о7

1,07

1, 064

1,181

1,352.

1,273

0,098

2 0,050

3 0,047

4 0,047

0,592

О ° 542

0,495

0,448

Кантоака

0,649

0,564

0,477

0,411

Кантраяа

0,388

0,306

Кантоака

1,02

1,ог

1,02

1,02

1,28

1,11

0,939

0,808

0,85» а,730

0,639

0,603 0,141 б 0,085.о,о87

В 0,066

0,211

0,161

0,145

0,120

1,499

1,520

1,469

1,340

0,141

0,106

0,099

0,089

0,516

0,429 о,о86

О,078

1,490

1,417

0,128

0,lii

О, 769

0,608.9 О 087

10 0,082

1, 015

l,015

1,.468 0,677

11 о ° 133 о,461

0,153 . 0,104

1,015

0>317 ального привода рабочих валков позволяет обжимаемому в межввлковом зазоре металлу самому выбирать оптимальный режим преодоления межвалкового зазора при периодическом прилипании к валку с меньшей скоростью и отслаивании на выходе от валка с большей скоростью. Выдаваемый из валков раскат при этом совершает волнообразные движения в режиме автоколебаний валков, что снижает проскальзывание металла по контактным поверхностям с валками.и соответственно повышается качество поверхности раската при уменьшении количества поверхностных дефектов. Кроме того, сдвиговые деформации. возбуждаемые в очаге крутильными автоколебаниями валков, улучшают качество структуры готового проката, обеспечивая диспергирование. .В табл.2 дается оценка ожидаемого эффекта повышения производительности от использования предлагаемого прокатного стана при использовании податливых элементов в приводе рабочих валков клети блюминга на примере первого и десятого пропусков в соответствии с режимами про.катки.

Как видно из таблиц, в первом и десятом пропусках раската через межвалковый зазор при минимальной е- 0,078 рад/МН м и максимальной е - 1,044 рад/МН м крутильной податливости соединительных элементов в приводе валков. соответствующих регламентируемому диапазону е - 6500102000/G d < может достигаться эффект повышения производительности на 8-14 .

Учитывая, что полный цикл прокатки сляба в заготовки 3а одиннадцать пропусков составляет примерно 50 с, можно определить экономию во времени при 10;ь-ном повышении производительности прокатной кле-. ти блюминга МКМ, которая Л t 5 с.

Учитывая, что полный цикл производства в

5. обжимном цехе, начиная с посадки слитков в нагревательные колодцы и кончая готовой продукцией. составляет примерно два с половиной — три часа.

Формула изобретения

10 1. Прокатный стан, содержащий прокат- ную клеть с рабочими валками,. привод с податливыми соединительными элементами, отличающийся тем, что. с целью повышения производительности и качества

15 проката путем обеспечения условий для крутильных автоколебаний валков, крутильная податливость соединительных элементов равна е -(6500-102000)/6 б к, 20 где е — суммарная крутильная податливость соединительных элементов s приводе между рабочими валками, рад/Мн м;

6 — модуль упругости второго рода для материала рабочих валков, МН м;:

25 бк — катающий диаметр рабочих валков, м.

2. Соединительный элемент привода рабочих валков прокатного стана, содержащий соединенные стяжными шпильками по

30 периметру ведомой и ведущий фланцы, . между которыми заключен упругий вал цилиндрической формы, выйолненный из чередующихся .вдоль оси вала .слоев эластичного и жесткого материалов, о т л и35 ч a e шийся тем, что, с целью повышения надежности за счет повышения его упругопрочностных свойств..чередующиеся слои наклонены к оси вала.

1,113 1,044 0,167 О 156

1014 0 i 859 . 0135 0114

0,9гб 0,685 О,и» 0,09г

0,839 0,659 0,114 О,089

1738397

Таблица 2

« е, рад/NH ° м о, м

Ь1, м

h), м

«1»

25

««««««

«««

- угол сдвига слоев в раскате, град; ..

- коэффициент сдвиговой деформации, С = 0,125-1,0;

- крутильная податливость соединительных элементов в индивидуальном приводе рабочих валков,,рад/ИН м;

- высота заготовки, м;

- абсолютное обжатие, и;

- высота раската, м;

" относительная величина обжатия; коэффициент ожидаемого повышения производительности предлагаемого прокатного стана в сравнении с известным блюмингом с жестким приводом валков.

Примечание. с С е

ho ь

П

1, 73 1, 100 (108000) G d

1,0 1,044 (102000)G d

0,466 0,343 (29000)G 1

0,125 0,078 (6500)G d

0,05 0,04,(3300)G d

Положительный эффект не зарегистрирован

0,69 0,098 0,529 О, 142 14

0,649 0,085 0,564 0,131 10

0,388 0,082 0,306 0 211 8

Положительный эффект не зарегистрирован

1738397

1738397 о

Составитель Н. Федоров

Техред М.Моргентал Корректор М. Шароши

Редактор О. Головач

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул..Гагарина, 101

Заказ 1955 Тираж .. .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4!5