Несимметричная прокатка

Прокатка в валках равного диаметра и при одинаковых условиях на обоих валках на практике встречается редко. Чаше ведут прокатку в несимметричных очагах, когда физические условия деформации на одном валке отличаются от условий на другом. Можно рассматривать симметричную прокатку как частный случай несимметричной.

Несимметричная прокатка возникает на валках с отличными условиями трения, при разной степени их разогрева, при неодинаковом состоянии контактных поверхностей и т. д. Но наибольший интерес для теории и технологии прокатки представляет такой вариант несимметричной прокатки, когда окружная скорость на одном валке выше, чем на другом. Это возможно либо на валках разного диаметра при их одинаковой угловой скорости, либо на одинаковых валках при рассогласовании их угловых скоростей. Рассогласование скоростей существует на всех прокатных станах, но особенно эффективно используется при прокатке листа, т. е. на низких очагах деформации.

Рассмотрим схему низкого несимметричного очага деформации, когда окружная скорость на верхнем валке больше, чем на нижнем: У_в >У_н (рис. 4.18). Если бы скорости валков совпадали, то нейтральное сечение находилось бы на

Рис. 4.18. Очаг деформации при несимметричной прокатке вертикальной линии СС, расположенной под углом у. При рассогласовании скоростей валков на верхней контактной площадке точка, в которой скорости валков и полосы совпадают, смещается вправо относительно сечения СС в точку В, зона опережения уменьшается. На нижней площадке картина обратная, и зона опережения увеличивается; точка металла, имеющая скорость валков, смещается в противоположную сторону — в точку А. Вместо нейтрального сечения СС в середине очага деформации появляется область АОВЕ, которая по верхнему валку находится в зоне отставания, а по нижнему — в зоне опережения.

Силы трения в зоне отставания направлены по ходу прокатки, а в зоне опережения — в противоположную сторону. Если принять гипотезу плоских сечений, которая тем правомерней, чем ниже очаг деформации, то можно считать, что в зоне АОВЕ силы трения верхнего и нижнего валков уравновешивают друг друга. Это резко меняет характер напряженного состояния металла. На симметричном очаге деформации (см. рис. 4.13) подобный объем металла находился под действием подпирающих контактных напряжений трения, за счет этого нормальные напряжения на контакте вынуждены увеличиваться по степенному закону, достигая наибольших значений вблизи нейтрального сечения СС. При этом сила прокатки, равная площади эпюры контактного давления, также имела высокое значение. На несимметричном очаге деформации в рассматриваемой зоне подпирающие напряжения отсутствуют. В уравнении Кармана отсутствует слагаемое, зависящее от сил трения на контакте. Пик нормальных напряжений срезается, и сила прокатки уменьшается. Такой прием широко применяется при прокатке толстых и тонких листов, особенно эффективен он при холодной прокатке тонких листов, когда давление на валки особенно велико.

С увеличением рассогласования скоростей валков средняя зона АОВЕ увеличивается, и эффект снижения давления на валки возрастает. Кривые давления перемещаются из положения 1 до положения 4 (см. рис. 4.18). Кривая 4 соответствует случаю, когда на верхнем валке весь очаг деформации находится в зоне отставания, и дальнейшее увеличение рассогласования скоростей валков приводит к пробуксовке верхнего валка. При пробуксовке сила прокатки изменяется мало, но количество энергии, подводимой в очаг деформации, возрастает значительно. Она впустую расходуется на контактное трение. При этом момент прокатки резко возрастает на верхнем и снижается на нижнем валке. Моменты на валках могут отличаться в два-пять раз. Следовательно, кривая 4 является предельным случаем. Он реализуется при рассогласовании окружных скоростей валков на 6—12 %. Сила прокатки при этом составляет 50— 70 % от симметричной прокатки.

Исследования показали, что снижение давления на валки при несимметричной прокатке происходит не только за счет изменения схемы напряженного состояния металла, но и за счет изменения сил трения на контактных площадках. По этой причине эффект снижения давления различен при разных скоростях прокатки. Как известно, коэффициент трения при низких скоростях прокатки высок, при повышении скорости он сначала быстро падает и при высоких скоростях практически перестает зависеть от скорости, достигая минимальных значений. Поэтому рассогласование скоростей валков особенно эффективно при низких скоростях прокатки (0,2—5 м/с), применяемых при прокатке листов и лент из специальных марок стали. На высокоскоростных станах эффективность рассогласования скоростей снижается и даже почти исчезает.

Следует напомнить, что с увеличением скорости прокатки смазка лучше нагнетается в очаг деформации, поэтому сила прокатки снижается независимо от рассогласования скоростей. Аналогичным образом влияет на давление качество смазки, применяемой при прокатке. Лучшие смазки обеспечивают низкий коэффициент трения, эго способствует снижению силы прокатки. Но чем лучше смазка, тем меньше эффективность рассогласования скоростей.

Большое влияние на протяженность средней зоны при рассогласовании скоростей оказывает переднее и заднее натяжение полосы. Как известно, при симметричной прокатке применение натяжения снижает общее давление металла на валки, причем наибольший эффект достигается при заднем натяжении полосы. При несимметричной прокатке заднее натяжение сокращает протяженность средней зоны АйВЕ. Это снижает эффект, получаемый от рассогласования скоростей. Наоборот, переднее натяжение расширяет среднюю зону, поэтому эффект ог рассогласования скоростей возрастает. Следовательно, на непрерывном стане для прокатки листа выгодно применять рассогласование скоростей валков в первой клети, когда заднее натяжение отсутствует. Высокое переднее натяжение при этом полезно. Но для второй клети это же натяжение становится задним, поэтому рассогласование скоростей валков во второй клети становится невыгодным. Но заднее натяжение эффективнее, чем переднее, снижает общее давление при симметричной прокатке, поэтому для второй клети рассогласование скоростей делать не следует. В третьей клети вновь полезно рассогласовать скорости валков. Очевидно, чередуя клети непрерывного стана с рассогласованием и без рассогласования скоростей и регулируя переднее и заднее натяжения, можно добиться наилучшего снижения суммарного давления металла на валки.

Для реализации эффекта несимметричной прокатки в последние годы предложено несколько оригинальных конструкций прокатных станов. Одной из разновидностей несимметричной прокатки является процесс прокатки- волочения (или ПВ-процесс), разработанный и изученный в Челябинском

Рис. 4.19. Схема ПВ-процесса (прокатки—волочения)

политехническом институте (рис. 4.19). Полоса охватывает два валка одинакового диаметра, вращающихся с разной скоростью, причем соотношение скоростей подчиняется условию

где X — вытяжка полосы.

Процесс возможен, если к концам полосы прикладываются соответствующие силы натяжения Т₀ и Т_х. Валок со скоростью К, является ведущим, а второй валок — ведомым. При таком условии во всех точках на дугах охвата скорости металла и валков совпадают. В самом же очаге деформации (заштрихованном) эти скорости не совпадают. На ведущем валке скорость металла возрастает от значения У_{) до У_{, следовательно, во всех точках контакта скорость металла меньше скорости валков. На ведомом валке скорость металла больше скорости валков также во всех точках контактной площадки. Таким образом, со стороны ведущего валка металл находится полностью в зоне отставания, а на ведомом — полностью в зоне опережения. Соответственно, напряжения контактного трения х направлены в разные стороны, как показано на рисунке.

Силовая картина в очаге деформации будет такой же, как и при несимметричной прокатке. Силы трения т на верхней и нижней контактных площадках взаимно уравновешиваются, поэтому очаг деформации не испытывает продольных подпирающих напряжений. Нормальные контактные напряжения и сила прокатки ниже, чем при обычной прокатке. Чем меньше толщина полосы, тем выше эффект снижения силы прокатки, поэтому ПВ-процесс более всего используется для тонких листов и лент, когда сила прокатки в 1,5—3,0 раза ниже, чем при обычной прокатке.

В рассматриваемом процессе отсутствуют подпирающие напряжения, поэтому он становится нечувствительным к колебанию сил трения на контакте. Он не реагирует также на колебания коэффициента трения в очаге. Толщина полосы по длине остается постоянной при изменении условий трения в очаге деформации, например при изменения свойств смазки или условий ее подачи.

Большое влияние на ПВ-процесс оказывают резервные силы трения, возникающие на дугах охвата полосой верхнего и нижнего валков. За счет них процесс способен сам себя автоматически регулировать. Если по каким-то причинам условие У_{/У₀ = X не выполняется, то на дугах охвата имеется достаточный резерв сил трения, чтобы процесс вернуть в исходное состояние и выполнить это условие. Если случайно увеличится сила натяжения Г, (в небольших пределах), то появится тенденция к проскальзыванию на ведущем валке. Но скольжения не произойдет, так как за счет резервных сил трения на верхнем валке эта тенденция будет погашена. На очаг деформации будет действовать прежнее растягивающее напряжение 7¹,, и вытяжка возвратится к прежнему значению. Одна и та же вытяжка достигается при достаточно широком изменении натяжений Г, и Т₍₎. Отпадает необходимость в очень точной настройке стана.

По той же причине процесс нечувствителен к колебаниям исходной толщины полосы. Если толщина полосы по длине колеблется, то при прокатке утолщенного участка обжатие увеличится. Это вызовет тенденцию к увеличению вытяжки X, но она не увеличится, так как этого не допустят резервные силы трения. Вытяжка и обжатие по длине полосы будут постоянными. После прокатки полоса становится более ровной, чем до прокатки. Это используют для выравнивания толщины листа при прокатке.

Способность к саморегулированию возрастает с уменьшением жесткости клети. Жесткостью клети называется отношение изменения расстоянии между валками при изменении силы прокатки:

На жестких клетях разнотолщинность ведет к большему изменению силы с!Р, чем на мягких. Поэтому быстрее может быть превышен резерв сил трения на дугах охвата, за счет которых осуществляется саморегулирование процесса.

ПВ-процесс имеет ряд недостатков. Вытяжка X ограничена предельно допустимым передним тянущим усилием Т_{, которое не может приближаться по напряжениям о, = Т_{/Е_} к пределу текучести металла о_у| во избежание разрыва полосы (Е_х — площадь поперечного сечения полосы на выходе). Повышенное контактное скольжение в очаге деформации также нежелательно, так как ведет к различным дефектам полосы в виде царапин, при этом валки интенсивно изнашиваются и разогреваются, что также отрицательно влияет на качество полосы.

Несмотря на снижение силы прокатки, для реализации ПВ-процесса требуется больше энергии на одинаковую деформацию, чем при обычной прокатке, гак как значительная часть энергии расходуется на поддержание резервных сил трения на дугах охвата. К ведущему валку подводится гораздо больше энергии, чем к ведомому. Указанные недостатки не позволяют широко внедрить ПВ-процесс в технологию прокатки тонких листов и лент. Однако в мире действует уже много прокатных станов, использующих идею ПВ-прокатки, построено несколько оригинальных конструкций станов, и в этом направлении продолжает появляться много патентов.