Прокатка и калибровка двутавровых балок

Рис. 14.19. Двутавровая балка но ГОСТ 8239-89

Двутавровая балка (рис. 14.19) является одним из основных строительных профилей. Номер балки по ГОСТ 8239—89 соответствует ее высоте И в сантиметрах. Например, балка № 20 имеет высоту 200 мм. По этому ГОСТу выпускаются балки № 10—60. Наименьшая балка имеет размеры И = 100 мм, Ь — 55 мм, 5 =4,5 мм, t = 7,2 мм, а самая крупная № 60 — И =600 мм, Ь = 190 мм, .V = 12,0 мм, 7 = 17,8 мм. Радиусы и уклоны (6—12 %) в ГОСТе указываются для построения калибровки, но на готовом профиле не контролируются. Отклонения по основным размерам определяются номером балки и группой точности профиля. Для мелких балок (до № 14 включительно) допуски по высоте И и ширине при обычной и повышенной точности составляют ±2,0 мм, по толщине стенки 5 и средней толщине полки / допуск при обычной точности составляет —0,7 мм и при повышенной точности —0,4 мм. Для крупных балок допуски на ширину и толщину при повышенной точности сохранены, а при обычной точности они повышены: по /г до ±2,5 мм и по Ь до ±3,0 мм. Крупные балки по толщинам имеют допуск —1,2 мм при обычной и —1,0 мм при повышенной точности. В ГОСТе оговариваются также кривизна профиля (не более 0,2 % длины), притупление углов (до 2,2 мм) и отклонение по массе (+3...—0,5 %). Длина выпускаемых профилей от 4 до 12 м.

Основное предназначение двутавровой балки — работа на изгиб, поэтому ее важнейшей характеристикой является момент сопротивления изгибным нагрузкам и форма балки выбрана по максимальному значению момента сопротивления при минимальной площади поперечного сечения.

Оптимальная форма двутавровой балки достигается при равном распределении металла между стенкой и полками. С ростом отношения высоты к толщине стенки И/с1 экономичность профиля возрастает.

ГОСТом предусмотрены также облегченные балки, имеющие меньшую толщину элементов, маркируемые буквой Л (например, № 20Л). С увеличением ширины полки Ь момент сопротивления балки растет, поэтому предусмотрены широкополочные балки с маркировкой Ш (например, № 20Ш). Растет потребность в облегченных балках, не имеющих уклонов по полкам. Однако с ростом отношений АД/ и А/7 и снижением уклонов резко возрастают трудности прокатки на существующем прокатном оборудовании. ГОСТ 8239—56, скорректированный в 1989 г., разработан с учетом требований как потребителя, так и возможностей прокатного оборудования. По этому ГОСТу основные прочностные параметры отечественных балок находятся на уровне зарубежных или превышают их. ГОСТ 8239—89 регламентирует жесткий минусовый допуск по толщине полок (—6 %), задает ограничение по массе в пределах +3...—5 %, определяет требования по состоянию поверхности балок и пр.

Значительное количество двутавровых балок и других видов проката, входящих в группу фланцевых профилей, производится на линейных рельсобалочных станах (рис. 14.20, см. также рис. 13.6). Такие станы имеются на металлургических комбинатах России (НТМК, ОХМК, КМК, Чусовской завод и др.), на многих украинских заводах (“Азовсталь”, г. Мариуполь, Днепродзержинск, Енакиево и др.). По конструктивным параметрам эти станы в значительной мере устарели и не могут производить крупные (А > 700 мм), а также широкополочные и облегченные (тонкостенные) балки. Большая доля двутавровых балок и других фланцевых профилей приходится на станы последовательного типа — станы 500 КМК и ММК (см. рис. 13.1).

Рассмотрим технологию прокатки и калибровку валков на стане линейного типа. Слиток после прокатки на блюминге 1150 поступает в реверсивную клеть 900 (малый блюминг) и после нескольких пропусков направляется в подготовительные клети трио 800 с общим приводом. Последний чистовой пропуск производится в клети дуо 750 с отдельным приводом. Для прокатки мелких балок № 10—16 применяют следующую калибровку валков.

В обжимной клети (рис. 14.21) первым из фасонных следует разрезной калибр, назначение которого — обжать прямоугольную заготовку в середине сечения по ширине и подготовить ее для последующего формирования стенки и полок профиля. В данной калибровке прокатывается широкополочная балка, поэтому применено два разрезных открытых калибра / и //. Далее следуют два

Рис. 14.20. Схема расположения клетей линейного рельсобалочного стана: I — 2-валковая реверсивная клеть 900 (малый блюминг); 2— черновые клети трио 800 (с общим приводом); 3— чистовая нереверсивная клеть дуо 750

Рис. 14.21. Калибровка валков клети 900 для прокатки балки № 16

закрытых калибра /// и IV, заканчивающих перераспределение металла для формирования полок и стенки в последующей чистовой линии клетей. Открытые калибры обеспечивают меньший врез в валки, более высокое обжатие, чем закрытые, хотя в закрытых достигается большая точность и нет опасности образования заусенца по разъему калибра. В подготовительных клетях трио (черновой и предчистовой) и чистовой клети дуо (рис. 14.22) нарезаны так называемые балочные калибры. Средний валок имеет отдельный врез для верхнего и нижнего калибров. Видно, что калибры 8н 9 нарезаны дважды с тем, чтобы продлить кампанию валков при износе калибров.

На рис. 14.23 приведен более точный чертеж балочных калибров для прокатки этой балки. По такой же схеме ведется прокатка балок № 12 и 14 на последовательном стане 550 (см. рис. 13.1).

В балочных закрытых калибрах боковые и внутренние грани полки имеют выпуск от 1—2 % в чистовом до 5—8 % в первом балочном калибрах (наклон к вертикали под углом от 0,5 до 3—5°). Эти уклоны необходимы для устранения окова валков при прокатке и для возможности переточки валков при износе. По такой калибровке невозможно прокатать балку без уклонов и не могут быть получены параллельные полки профиля.

Рис. 14.22. Калибровка валков клетей трио 800 (черновой и предчистовой)

и чистовой 750

Рис. 14.23. Балочные калибры для прокатки балки № 16

Рассмотрим калибровку валков клети 900 и чистовой линии клетей для прокатки более крупных балок (№ 60 — рис. 14.24). Калибровка чистовых клетей почти ничем не отличается от ранее приведенной. Калибровка же черновой клети 900 принципиально отличается. Разрезные калибры (открытые) вынесены на блюминг 1150, и в клеть 900 поступает уже фасонная заготовка. Формирование ее до четвертого прохода продолжается по системе открытых калибров, поэтому возможны наплывы вблизи разъема. Эти наплывы, а также неровности грани полок устраняются в ребровых проходах 5 и 6 (на рисунках нумерация калибров и проходов дана по ходу прокатки).

В обеих приведенных калибровках в балочных калибрах применяются небольшие выпуски по полкам профиля. Наличие выпусков приводит к тому, что на готовом профиле полки непараллельны. Их выправляют и делают параллельными на правильной машине после охлаждения профиля.

Малые выпуски не обеспечивают интенсивную деформацию металла по полкам, так как они формируются только за счет бокового обжатия. При прокатке широкополочных и тонкостенных профилей это существенное ограничение. Чтобы прокатывать такие балки, необходимо увеличить выпуск по стенкам до 10—12 % и за счет этого увеличить обжатие по полкам. При этом стенку профиля изгибают (рис. 14.25). Появляется возможность выполнить угол 90° между полкой и стенкой, и на правильной машине правке будет подвергаться только стенка. Еще более интенсивная деформация полок достигается при наклонном расположении калибров в валках (рис. 14.26). При этом можно сократить число балочных калибров, увеличить температуру про-

Рис. 14.24. Калибровка балки № 60: а — клеть 900; б— клети 800 и 750

катки металла в последних пропусках, прокатать балку с уменьшенными уклонами. Однако силы Р_х, Р₂ и Р₃ (показаны на первом калибре) не уравновешены, и их равнодействующая по верхнему валку сдвигает валок при прокатке вправо. Аналогично равнодействующая /?2 сил Р₄, Р₅, Р₆ сдвигает нижний валок влево. Необходимо применять замки, но и в этом случае из-за износа замков толщина полок в процессе прокатки постепенно изменяется. Прокатка в наклонных калибрах применяется редко.

Рис. 14.25. Балочный профиль с изогнутой стенкой

Необходимо рассмотреть основные особенности деформации металла в балочных калибрах. В литературе по калибровке принята терминология для обозначения элементов балочного профиля. Стенка профиля называется также шейкой. По полке профиля принято различать два фланца. Один из них полностью прокатывается в одном валке и называется закрытым. Второй фланец при прокатке формируется обоими валками и называется открытым. В процессе заполнения очага деформации оба фланца и стенка профиля деформируются по- разному (рис. 14.27).

Можно выделить несколько стадий деформации профиля. В сечении 1—1 происходит касание бывшего открытого фланца профиля внешней стороны нижнего калибра. Происходит изгиб этого фланца профиля и заполнение закрытого фланца калибра. В положении 11-11 в контакт с верхним валком вступает бывший закрытый фланец профиля, происходит окончательная отгибка обоих фланцев. К сечению III—III закрытый фланец калибра практически полностью заполняется, и активная стадия деформации закрытого фланца заканчивается. На этой же стадии в верхнем валке происходит также деформация открытого фланца профиля. Важно отметить, что деформация обоих фланцев происходит за счет бокового обжатия, поэтому большие вытяжки фланцев невозможны. Стенка профиля еще не вступает в контакт с валками. За счет взаимодействия

Рис. 14.26. Прокатка балок в наклонных калибрах

Рис. 14.27. Процесс заполнения очага деформации в балочном калибре

с фланцами она принудительно вытягивается и испытывает утяжку по толщине. В свою очередь, фланцы должны испытывать вынужденное уширение, происходит их наращивание. Наращиванию длины закрытого фланца мешают силы трения. Преодолевая их, металл неохотно течет в сторону закрытого фланца. Большая часть смещаемого объема металла устремляется в сторону открытого фланца, длина этого фланца наращивается интенсивно. К сечению IV— IVэтот процесс протекает еще более выраженно, так как деформация закрытого фланца уже прекратилась. В сечении V—Vв контакт с валками вступает стенка профиля. Получая прямое обжатие, стенка деформируется более интенсивно, чем фланцы. Вплоть до сечения выхода VI—VI вытяжка стенки больше, чем фланцев. В результате их взаимодействия металл из фланцев перетекает в стенку, оба фланца сокращают свою длину. Таким образом, характер деформации в балочном калибре очень сложен, с неоднократным перетеканием металла из одной части профиля в другую.

Видно также, что почти на всех этапах деформации металла в балочном калибре имеется возможность немного увеличить длину стенки профиля за счет ее растяжения. Таким образом, ширина балочного калибра определяется не уширением металла, а растяжением стенки. Поэтому уширение в нем не рассчитывают, а назначают в соответствии с некоторыми рекомендациями.

На описанную картину накладывается гак называемый скоростной фактор деформации в балочном калибре. Впервые он описан и рассчитан на конкретной балке № 24 (рис. 14.28) проф. В.Е. Грум-Гржимайло в книге “Прокатка и калибровка” (1933).

Как видно, в разных частях профиля катающие диаметры валков различны, различаются также окружные скорости валков (V = пЯп/30). Скорость валков по стенке примем за 100 %. Вся полоса выходит из валков с одинаковой скоростью — скоростью стенки (100 %). Скорость валков по закрытому фланцу меньше (для балки № 24 она составляет 88 %), следовательно, металл закрытого фланца проскальзывает относительно валков, дополнительно вытягиваясь,

Рис. 14.28. Анализ скоростного фактора при прокатке в балочном калибре

чтобы иметь скорость остальной полосы. Происходит его утяжка, которая реализуется через уменьшение длины закрытого фланца. Открытый фланец находится в иных условиях. Скорость верхнего валка на конце открытого фланца выше средней (114 %), а нижнего — ниже средней (88 %). В целом открытый фланец находится примерно под таким же скоростным воздействием, что и стенка.

В конечном итоге под действием перетекания металла в калибре и скоростного фактора длина закрытого фланца при прокатке уменьшается, а длина открытого фланца увеличивается. Чтобы увеличить длину обоих фланцев профиля, необходимо чередовать разъемы валков и положение открытых и закрытых фланцев. Это наблюдается во всех приведенных выше калибровках.

Но, очевидно, возможности наращивания длины фланцев в балочных калибрах ограничены и прокатка широкополочных балок затруднена. Прокатка широкополочных и облегченных балок, не имеющих уклонов полок, стала возможной после строительства станов с универсальными клетями. На рис. 13.4 приведена схема расположения оборудования среднесортно-балочного стана 450, в сортамент которого входят балки до № 18 включительно. Из схемы расположения клетей и калибровки валков стана (рис. 14.29) видно, что в черновой группе клетей применяется новый метод прокатки в балочных калибрах с нечередуюшимися разъемами, повышенными уклонами и резким выпрямлением уклонов в вертикальных клетях перед задачей в следующую пару балочных калибров с противоположным направлением уклонов. Такая калибровка выполнена в Уральском политехническом университете и запатентована. В чистовой группе клетей применяются балочные и универсальные калибры, позволяющие прокатывать тонкие и длинные фланцы профиля без уклонов у основания.

Рис. 14.29. Схема расположения клетей и калибровка валков непрерывного среднесортно-балочного стана 450:

1— горизонтальные клети черновой группы; 2— комбинированные клети черновой группы; 3 — комбинированные клети чистовой группы; 4 — универсальные балочные клети

Идея применения универсальных клетей на рельсобалочных станах оказалась очень продуктивной, и большинство существующих рельсобалочных станов линейного типа (см. рис. 14.20) реконструировано. После реконструкции либо чистовая нереверсивная клеть дуо превращена в универсальную, либо после нее установлена дополнительная универсальная клеть.

После строительства на НТМК уникального универсального балочного стана (УБС) были решены проблемы с производством крупных балок № 70—100 и более. До появления этого стана столь крупные балки в России сваривали из трех листов. В сортамент стана входят балки нормальные, широкополочные и колонные от № 20 до 100.

В состав стана (рис. 14.30, а) входит самый крупный в стране блюминг 1500 (не показан на рисунке), заготовочная реверсивная клеть дуо /, две вспомогательные горизонтальные 2-валковые клети 2 и 5 и три универсальные 4-валковые клети, включая чистовую 6.

В заготовочной клети предусмотрено несколько вариантов калибровки валков (рис. 14.30, б). Для крупных балок используется фасонная заготовка, полученная с блюминга, и прокатка осуществляется по калибровке А. Прокатка ведется в открытых балочных калибрах II и III с большими уклонами. После нескольких таких пропусков могут осуществляться ребровые пропуски в осадочном калибре /для контроля размеров раската (рис. 14.31).

Рис. 14.30. Схема расположения клетей (а) и калибровка валков универсального балочного стана (УБС) (6):

I — заготовочная клеть дуо реверсивная (А, В, С, й — варианты калибровки ее валков); 2, 5— вспомогательные клети дуо; 3, 4, 6— универсальные клети

Рис. 14.31. Конструкция калибров заготовочной клети УБС для прокатки крупных балок:

а — открытый калибр блюминга; б— осадочный (ребровой) калибр заготовочной клети; в — открытый калибр заготовочной клети

Самые мелкие балки прокатывают по схеме D (см. рис. 14,30,6) в закрытых балочных калибрах / и Я с корректировкой размеров по высоте в открытом калибре III.

В чистовой группе УБС основная деформация металла происходит в универсальных клетях, а горизонтальные вспомогательные клети дуо осуществляют контроль размеров профиля по высоте полок.