Способ прокатки железнодорожных рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы
Изобретение относится к области прокатки железнодорожных рельсов. Осуществляют прокатку заготовки в непрерывно-реверсивной группе клетей, состоящей из двух универсальных четырехвалковых и вспомогательной двухвалковой клети между ними, а также в трехвалковой универсальной чистовой клети. Прокатку в клетях непрерывно-реверсивной группы и чистовой клети осуществляют в калибрах с двойным уклоном внутренних граней фланца подошвы. В чистовом калибре расстояние по вертикали от поверхности шейки до точки пересечения этих граней определяется размерами готового профиля, а аналогичное расстояние в калибрах непрерывно-реверсивной группы устанавливают больше, чем в чистовом калибре на величину, которая рассчитывается по математическому выражению, в зависимости от уширения шейки в чистовом калибре, величины углов наклона внутренних граней фланцев подошвы рельса и принимаемого зазора между внутренней гранью фланца раската, примыкающей к торцу рельса, и горизонтальным валком чистовой клети в момент захвата металла валками. В результате улучшается геометрия профиля и уменьшаются поверхностные дефекты рельсов. 9 ил., 1 пр.
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам прокатки рельсов и может быть реализовано при производстве железнодорожных рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы на рельсобалочных станах, оснащенных непрерывно-реверсивной группой клетей и чистовой трехвалковой универсальной клетью.
В целом типовая компоновка современного универсального рельсобалочного стана может быть отражена технологическим процессом прокатки.
Известен способ прокатки рельсов, включающий получение чернового рельсового раската в обжимной дуо-реверсивной клети и дальнейшую его прокатку в непрерывно-реверсивной группе клетей, состоящей из двух универсальных четырехвалковых клетей, расположенной между ними вспомогательной клети дуо и чистовой универсальной трехвалковой клети (Патент 2668626 РФ, МПК В21В 1/08. Способ прокатки рельсов / Михайленко А.М., Шварц Д.Л., опубл. 02.10.2018. Бюл. № 28).
На фиг. 1 представлена схема расположения рабочих клетей типового стана, который состоит из обжимной реверсивной клети дуо I, непрерывно-реверсивной группы клетей, включающей универсальные четырехвалковые реверсивные клети II и IV, вспомогательную (эджерную) клеть дуо III и чистовую универсальную нереверсивную клеть V.
На фиг. 2 показана схема прокатки рельсов в указанных клетях. Черновой раската из реверсивной клети I прокатывают в непрерывно-реверсивной группе клетей (II-IV), а окончательное формирование профиля осуществляют в чистовой трехвалковой клети (V). Первый проход в непрерывно-реверсивной группе клетей производят с использование вспомогательной клети дуо (III) и второй, по главному направлению прокатки, универсальной четырехвалковой клети, второй проход - с использованием двух универсальных четырехвалковых клетей (II и IV) и вспомогательной клети дуо (III) между ними, третий проход - с использованием первой универсальной четырехвалковой (II), вспомогательной (III) и чистовой трехвалковой универсальной (V) клети. При данной схеме прокатки ширину гребней горизонтальных валков универсальных четырехвалковых клетей II и IV формирующих шейку профиля устанавливают больше, чем ширина шейки профиля раската, задаваемого в калибр универсальных четырехвалковых клетей по ходу прокатки. Расширение шейки гребней горизонтальных валков универсальных четырехвалковых клетей производят на ширину, рассчитываемую по математическим выражениям, в зависимости от обжатия шейки в первых универсальных четырехвалковых калибрах этих клетей по ходу прокатки.
Приведенный способ прокатки рельсов позволяет стабилизировать процесс прокатки в первых проходах в валках универсальных четырехвалковых клетей (II и IV) непрерывно-реверсивной группы.
Недостатками приведенного способа являются:
- ограничение числа универсальных четырехвалковых калибров участвующих в формировании профиля в непрерывно-реверсивной группе клетей, что приводит к большей деформации элементов профиля, выработке калибров и нестабильному получению требуемых геометрических размеров профиля;
- по данному способу не предусматривается прокатка рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы.
Наиболее близким к предлагаемому является способ прокатки рельсов с использованием непрерывно-реверсивной группы клетей и чистовой универсальной клети для окончательного формирования профиля (Патент 2710410 РФ, МПК В21В 1/08. Способ прокатки рельсов / Головатенко А.В., Юнин Г.Н., Дорофеев В.В. и др., опубл. 26.12.2019. Бюл. № 36).
На фиг. 3 представлена схема расположения рабочих клетей рельсобалочного стана, который состоит из обжимной BD1 и черновой BD2 реверсивных клетей дуо, непрерывно-реверсивной группы клетей, включающей универсальные четырехвалковые реверсивные клети UR и UF, вспомогательную (эджерную) клеть дуо Е и чистовую универсальную клеть U0.
На фиг.4 показана схема прокатки рельсов. В дуо-реверсивной клети BD2 получают исходную рельсовую заготовку. Полученный раскат прокатывают в непрерывно-реверсивной группе клетей за три прохода, а окончательное формирование профиля производят в отдельно стоящей чистовой универсальной трехвалковой клети U0. При этом прокатку в непрерывно-реверсивной группе клетей осуществляют по схеме с использованием шести универсальных четырехвалковых калибров, трех вспомогательных двухвалковых калибров и одного чистового универсального трехвалкового калибра.
В предложенном способе в универсальных четырехвалковых калибрах клети UR и UF поверхность головки формируется вертикальным валков, конфигурация ручья, которого соответствует профилю головки рельса, что обеспечивает получение правильной формы и стабильных размеров поверхности головки по всей длине готового рельса в чистовом универсальном трехвалковом калибре, а формирование внешней части подошвы рельса в предчистовом калибре осуществляется вертикальным цилиндрическим валком, что обеспечивает получение внешних граней фланцев подошвы без местных наплывов металла по кромкам, в отличие от формоизменения этих фланцев во вспомогательном двухвалковом калибре эджерной клети, являющимся предчистовым в двух предыдущих способах прокатки рельсов, при этом, уклоны боковых граней горизонтальных валков универсальных четырехвалковых калибров формирующих фланцы подошвы, в том числе и предчистовом, устанавливают как 1,14÷1,30 величины уклона соответствующих боковых граней горизонтальных валков чистового универсального калибра, что позволяет обеспечить уменьшение выработки горизонтальных валков чистовой универсальной клети, повысить выход годного по профилю и прямолинейности рельсов, снизить расходный коэффициент валков.
Отличительной особенностью между рассмотренными способами прокатки рельсов и предлагаемым способом, является то, что рассмотренные способы прокатки предназначены для прокатки железнодорожных рельсов с одинарным уклоном внутренних граней фланцев подошвы, а предлагаемый способ предназначен для прокатки рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы.
Задачей изобретения является получение рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы, а также увеличение ресурса износостойкости чистового универсального калибра.
Поставленная задача решается тем, что в способе прокатки рельсов, включающем получение черновой рельсовой заготовки в дуо-реверсивных клетях, дальнейшую прокатку ее в клетях непрерывно-реверсивной группы и чистовой клети в калибрах с двойным уклоном внутренних граней фланца подошвы, при этом, в чистовом калибре расстояние по вертикали от поверхности шейки до точки пересечения этих граней определяется размерами готового профиля, а аналогичное расстояние в калибрах непрерывно-реверсивной группы устанавливают больше, чем в чистовом калибре на величину, определяемую по выражению:
где ΔZ - увеличение расстояния между шейкой и точкой пересечения внутренних граней фланца подошвы в калибрах непрерывно-реверсивной группы клетей по отношению к чистовому калибру, мм;
ΔВш - уширение шейки в чистовом калибре, мм;
γ - угол наклона внутренней грани фланца примыкающей к торцу подошвы в чистовом калибре, град;
ϕ - угол наклона внутренней грани фланца подошвы примыкающей к поверхности шейки в чистовом калибре, град;
k - принимаемый зазор между внутренней гранью фланца примыкающей к торцу подошвы раската и горизонтальным валком чистовой клети в момент захвата металла валками (0 < k ≤ 0,5), мм.
Технический результат заключается в том, что способ прокатки позволяет получить профиль рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы.
Расстояние по вертикали от поверхности шейки до точки пересечения внутренних граней фланца подошвы в чистовом калибре определяется размерами готового профиля, а увеличение этого расстояния по вертикали в калибрах непрерывно-реверсивной группы клетей по отношению к чистовому калибру на величину ΔZ позволяет осуществлять деформацию внутренней грани фланца, примыкающей к торцу подошвы, в чистовом универсальном калибре позже, чем деформацию грани подошвы, примыкающей к поверхности шейки, что уменьшает абсолютное обжатие этой грани, по сравнению с гранью, примыкающей к шейке, а, следовательно, и выработку валков чистовой клети.
Ниже представлены варианты момента захвата раската в чистовом калибре при различных величинах k:
- при k < 0 мм захват и деформация грани фланца подошвы в чистовом калибре горизонтальными валками первоначально будет осуществляться по грани, примыкающей к торцу подошвы, что приводит к сдиранию металла и образовании закатов на этой грани, быстрой выработки горизонтальных валков;
- при k = 0 мм захват и деформация граней подошвы в чистовом калибре будет осуществляться одновременно по обеим внутренним граням фланца подошвы и внутренней грани головки рельсового раската. В этом случае абсолютное обжатие внутренних граней фланца подошвы раската будет одинаковым, а относительное обжатие грани прилегающей к торцу подошвы будет значительно больше. Это увеличит их выработку относительно грани прилегающей к шейке, что будет являться определяющим фактором ресурса износостойкости чистового универсального калибра;
- при k > 0 мм захват и деформация граней фланцев подошвы в чистовом калибре первоначально будет осуществляться по грани, примыкающей к поверхности шейки, что уменьшает величину деформации грани, примыкающей к торцу подошвы, по сравнению с гранью, примыкающей к шейке, что обеспечивает равномерную выработку горизонтальных валков чистовой клети, сокращает технологические простои на настройку стана и зачистку прокатных валков, повышает выход годного по профилю, снижает расходный коэффициент валков;
- при k > 0,5 мм обжатие грани фланца примыкающей к торцу подошвы будет недостаточным или отсутствовать, что может привести к невыполнению требуемой геометрии профиля из-за значительной утяжки этого элемента.
Анализ заявляемого технического решения показывает, что предлагаемый способ прокатки рельсов позволяет осуществлять прокатку рельсов с двойными уклонами внутренних граней подошвы с уменьшенными обжатиями грани фланца подошвы примыкающей к торцу в чистовом универсальном трехвалковом калибре и повысить его стойкость.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к устанавливаемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения, поэтому они обеспечивают техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Суть изобретения поясняется схемами на фиг. 5-9.
На фиг. 5 изображены последние два калибра (предчистовой и чистовой) по различным схемам прокатки железнодорожных рельсов, на станах с непрерывно-реверсивной группой клетей, в которых:
- предчистовым является двухвалковый калибр, чистовым - трехвалковый универсальный калибр с раскрытием посередине головки рельса (фиг. 5 «а»);
- предчистовым является четырехвалковый калибр, чистовым - трехвалковый универсальный калибр (фиг. 5 «б»).
На фиг. 6 приведены этапы процесса захвата элементов раската в чистовом трехвалковом калибре при одинаковых уклонах внутренних граней фланцев подошвы в чистовом и предчистовом калибрах, при уширении шейки в чистовом калибре ΔВш = Вш - В'ш и одинаковом расстоянии между шейкой и точкой пересечения внутренних граней фланцев подошвы в чистовом (Z) и предчистовом (Z') калибрах (Z=Z'). Сплошной линией показан контур чистового универсального трехвалкового калибра, а штриховой линией показан контур задаваемого профиля из предчистового калибра (универсального четырехвалкового или двухвалкового калибра).
На фиг. 6 «а» показан первый этап захвата, где соприкосновение раската с горизонтальными валками происходит по внутренней грани фланца примыкающей к торцу подошвы и внутренней грани головки рельса, на фиг. 6 «б» показан второй этап, когда происходит соприкосновение раската с внутренней гранью фланца примыкающей к шейке профиля. Между первым и вторым этапом процесса прокатки осуществляется отгиб, и частичная деформация внутренней грани фланца примыкающей к торцу подошвы на величину k, что приводит к быстрой выработке горизонтальных валков по этой грани и образованию закатов на фланцах подошвы профиля. Подставляя в выражение (1) значение ΔZ = 0 мм определяем, что величина k < 0 мм.
На фиг. 7 показан процесс захвата раската горизонтальными валками чистового калибра одновременно по обеим внутренним граням фланца подошвы и внутренней грани головки рельса. В этом случае увеличение расстояния между шейкой и точкой пересечения внутренних граней фланца подошвы ΔZ в предчистовом калибре по сравнению с чистовым определяется по выражению (1) при условии k = 0 мм. При таком условии захвата раската горизонтальными валками, абсолютное обжатие внутренних граней фланца подошвы рельса будет одинаковым, а относительное обжатие грани прилегающей к торцу подошвы рельса будет больше, что увеличит их выработку относительно грани прилегающей к шейке, что и будет являться определяющим ресурса износостойкости чистового калибра.
На фиг. 8 показан процесс захвата раската горизонтальными валками чистового калибра по внутренней грани фланца подошвы, примыкающей к шейке и внутренней грани головки рельса. Зазор между внутренней гранью фланца примыкающей к торцу подошвы раската в момент контакта с горизонтальными валками чистового калибра выбирается в пределах 0 < k ≤ 0,5 мм.
Процесс прокатки железнодорожных рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы, на рельсопрокатных станах оснащенных непрерывно-реверсивной группой клетей, состоящей из двух универсальных четырехвалковых клетей, расположенной между ними вспомогательной клети дуо и трехвалковой универсальной чистовой клети, включающий прокатку в реверсивных клетях дуо черновой рельсовой заготовки и дальнейшую прокатку ее в непрерывно-реверсивной группе клетей, включающий прокатку предчистового профиля в двухвалковых или универсальных четырехвалковых рельсовых калибрах, а чистового - в универсальном трехвалковом калибре, с окончательным формированием шейки и головки профиля в ручьях горизонтальных валков, а подошвы - в трехвалковом участке калибра, при принятии расстояния между точкой пересечения внутренних граней фланцев подошвы в предчистовом калибре и поверхностью шейки больше чем в чистовом калибре на величину ΔZ, определяемую по выявленной зависимости (1), позволяет обеспечить уменьшение выработки горизонтальных валков чистовой универсальной трехвалковой клети, сократить технологические простои на настройку стана и зачистку прокатных валков, повысить выход годного по профилю, снизить расходный коэффициент валков, а также получить железнодорожные рельсы с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы рельса необходимой геометрии и качества.
Пример реализации способа
Предложенный способ прокатки рельсов реализован на универсальном рельсобалочном стане АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» при производстве железнодорожных рельсов типа 60Е1 согласно Европейского стандарта EN 13674-1:2011+А1:2017.
Профиль данного рельса (фиг.9) имеет двойные уклоны внутренних граней фланцев подошвы. Уклон грани фланца, примыкающей к шейке профиля, равен 1:2,75 (тангенс угла наклона к горизонтали равен 0,36), уклон грани фланца, примыкающей к торцу подошвы рельса, равен 1:14 (тангенс угла наклона к горизонтали равен 0,07), уклон внутренней грани головки равен уклону грани фланца, примыкающей к шейке профиля (тангенс угла наклона к горизонтали равен 0,36), а расстояние от точки пересечения внутренних граней фланца подошвы до прямолинейной поверхности шейки составляет 41,86 мм.
Рельсовую сталь, разлитую на МНЛЗ в заготовку сечением 300×365 мм, прокатывали в дуо-реверсивных клетях BD1 и BD2 за 10 пропусков в черновой рельсовый профиль. Полученный раскат передавался в непрерывно-реверсивную группу клетей и прокатывался за три прохода, где в первом и втором проходах профиль формируется последовательно в универсальном четырехвалковом, вспомогательном двухвалковом, универсальном четырехвалковом калибрах, а третий проход осуществлялся по схеме включающей формирование профиля в следующей последовательности: четырехвалковый универсальный калибр - двухвалковый вспомогательный калибр - предчистовой четырехвалковый универсальный калибр - чистовой универсальный трехвалковый калибр в отдельно стоящей клети U0.
Для расчета ΔZ расстояние от точки пересечения внутренних граней фланцев подошвы до поверхности шейки с учетом линейного расширения в чистовом калибре составляет Z = 42,49 мм (фиг. 5).
Расчет формоизменения металла при прокатке в универсальных четырехвалковых и трехвалковых рельсовых калибрах производили по методике в основу, которой положено условие равенства коэффициентов вытяжек шейки, головки и подошвы (λш = λг = λп), что обеспечивает равномерную деформацию по всем элементам профиля (Головатенко А.В., Волков К.В., Дорофеев В.В. и др. Развитие технологии прокатки и процессов калибровки железнодорожных рельсов // Производство проката. 2014. № 2. С. 25-39) и (Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. Учебное пособие для вузов. Издание 2-е переработанное и дополненное. М.: Теплотехника. 2010. - 490 с.).
Обеспечение контакта прокатываемого раската одновременно по головке и шейке в универсальном калибре в процессе захвата с целью уменьшения искажения готового профиля, повышения точности его размеров, уменьшения образования поверхностных дефектов прокатного происхождения и расхода валков на прокатку решается за счет выравнивания длин очагов деформации этих элементов профиля и достигается путем расширения шейки профиля в калибре относительно ширины профиля раската, задаваемого в этот калибр на определенную величину и назначения определенных, взаимосвязанных обжатий по элементам профиля.
Для обеспечения одновременного контакта прокатываемого раската из предчистового калибра по головке и шейке в трехвалковом универсальном калибре, в котором головка и шейка формируется в ручьях горизонтальных валков, необходимо рассчитать величину уширения шейки в трехвалковом универсальном калибре (ΔВш) (Патент 2668626 РФ, МПК В21В 1/08. Способ прокатки рельсов / Михайленко A.M., Шварц Д.Л. № 2017115538; заявл. 02.05.2017; опубл. 02.10.2018. Бюл. № 28).
Величина уширения шейки в чистовом калибре, согласно расчета равна ΔВш = 2,06 мм.
Уклон внутренней грани фланца подошвы, примыкающей к торцу подошвы рельса (tgγ = 0,07), а уклон внутренней грани фланца подошвы, примыкающей к поверхности шейки рельса (tgϕ = 0,36) (фиг. 5).
Увеличение расстояния между шейкой и точкой пересечения внутренних граней фланцев подошвы в предчистовом калибре по отношению к чистовому рассчитываем по выражению (1), принимая величину k, равную 0,5
Расстояние от точки пересечения внутренних граней фланцев подошвы до поверхности шейки в предчистовом калибре составляет Z' = Z + ΔZ = 42,49+3,09 = 45,58 мм.
Заявленный способ прокатки рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы позволяет:
- получить профиль рельсов с двойными уклонами внутренних граней фланцев подошвы с качественной геометрией профиля;
- уменьшить выработку горизонтальных валков чистовой универсальной трехвалковой клети, что повышает стойкость валков и сокращает простои стана на зачистку валков.
Способ прокатки рельсов, включающий получение черновой рельсовой заготовки в дуо-реверсивных клетях, дальнейшую прокатку ее в клетях непрерывно-реверсивной группы, состоящей из двух универсальных четырехвалковых, вспомогательной двухвалковой клети, расположенной между ними, и универсальной трехвалковой чистовой клети, отличающийся тем, что прокатку в клетях непрерывно-реверсивной группы и чистовой клети осуществляют в калибрах с двойным уклоном внутренних граней фланца подошвы, при этом в чистовом калибре расстояние по вертикали от поверхности шейки до точки пересечения этих граней определяется размерами готового профиля, а аналогичное расстояние в калибрах непрерывно-реверсивной группы устанавливают больше, чем в чистовом калибре на величину, определяемую по выражению:
где ΔZ - увеличение расстояния между шейкой и точкой пересечения внутренних граней фланца подошвы в калибрах непрерывно-реверсивной группы клетей по отношению к чистовому калибру, мм;
ΔВш - уширение шейки в чистовом калибре, мм;
γ - угол наклона внутренней грани фланца примыкающей к торцу подошвы в чистовом калибре, град;
ϕ - угол наклона внутренней грани фланца подошвы примыкающей к поверхности шейки в чистовом калибре, град;
k - принимаемый зазор между внутренней гранью фланца примыкающий к торцу подошвы раската и горизонтальным валком чистовой клети в момент захвата металла валками (0 < k ≤ 0,5), мм.
