Поперечная и продольная разнотолщинность листа

Введем понятие разнотолщинности листа. Оно распространяется на все виды листовой продукции — толстый, тонкий горячекатаный и холоднокатаный лист. Если по ширине или длине листа фактическая толщина в разных точках с номерами / = 1,2, ..., п равна А₍, то абсолютной разноголщинностью в этих точках называют отклонение по абсолютной величине:

где средняя толщина листа

Средняя разнотолщинность листа

Нельзя путать среднюю толщину листа А_ср с номинальной Л и разнотолщинность А — с допуском на толщину 5. Номинальная толщина И служит товарной характеристикой данного листа, лист такой толщины покупает потребитель. Она в общем случае не совпадает со средней толщиной А_ср. ГОСТом определены минусовый (—8) и плюсовый (+8) допуски как допустимые отклонения толщины листа от номинальной. Минусовый допуск почти всегда больше плюсового. В зависимости от толщины и класса точности листа они колеблются от ±0,1 мм (для листов толщиной 4—10 мм по 2-му классу точности) до ±2,5 мм (для листов толщиной > 100 мм по 7-му классу точности). Для наиболее распространенных толстых листов допуск составляет +0,4-0,6 мм. Фактическая толщина прокатанного листа й₍. в любом месте, в том числе в точках с максимальной и минимальной разноголщинностью, должна укладываться в допускаемые отклонения от номинала:

Различают продольную и поперечную разнотолщинность листа. Соответственно, для определения продольной или поперечной разнотолщинности измеряемые точки / располагаются вдоль или поперек листа.

На толстых листах имеют место оба вида разнотолщинности. Они определяют планшетносгь листа. И оба вида разнотолщинности закладываются в основном в поперечных пропусках. В связи с этим более актуальным является вопрос о формировании поперечной разнотолщинности.

На практике поперечную разнотолщинность определяют иначе, потому что измерять толщину в п точках по ширине сложно; измеряют ее только в трех точках — в середине /г_с и на расстоянии 40-60 мм от боковых кромок А_к1 и /г_к2. Последние два показания усредняют и поперечной разноголщинностью считают разность значений среднего по кромкам и в середине листа:

1. Прогиб валков. Если предположить, что рабочие и опорные валки клети кварто строго цилиндрические и в ненагруженном состоянии образуют равный зазор между валками по всей ширине, то после приложения нагрузки в результате упругого изгиба валков щель станет чечевицеобразной (рис. 15.31). Решение задачи о совместном прогибе рабочего и опорного валков при неравномерном распределении нагрузи вдоль валков связано с большими трудностями. В Донниичермете такую задачу решили на ЭВМ для многих действующих толстолистовых станов. Получили, что прогиб / по длине валков (или по ширине полосы) распределяется по сложной кривой. Лишь в первом приближении ее можно заменить параболой.

Поперечная разнотолщинность зависит от следующих основных факторов.

Рис. 15.31. Прогиб валков кварто при прокатке листа

Чтобы компенсировать прогиб валков и выровнять щель по длине валка при прокатке, один рабочий валок профилируют, т. е. делают бочкообразным с профилем, соответствующим эпюре распределения прогиба / Максимальный прогиб по середине валков /_тах и распределение прогиба вдоль образующей зависят от длины валков, ширины прокатываемой полосы, силы прокатки Р и других факторов. При прокатке различных листов на валках с имеющейся профилировкой прогиб компенсируется только при одном наборе этих факторов. При других значениях факторов необходимо вводить корректировку прогиба вал ко 15. Для этого все станы имеют автоматическую систему регулирования изгиба валков. Под подушки опорных и рабочих валков установлены гидронажимные устройства, которые при отклонении силы Р и других технологических параметров от заданных значений дополнительно автоматически изгибают валки, воздействуя на шейки валков. На рис. 15.32 показаны основные схемы регулирования прогиба рабочих и опорных валков. Наиболее рациональной по комплексу показателей признана система регулирования по схеме б, хотя каждая имеет определенные достоинства и недостатки. Некоторые заводы отдают предпочтение схеме а. Автоматические системы дополнительного изгиба валков в процессе прокатки называют также системами противо- изгиба.

2. Температурный профиль валков. При горячей прокатке валки разогреваются за счет контакта с металлом и за счет превращения работы деформации в тепло. Охлаждение валков происходит путем отвода тепла охлаждающей водой и отдачи тепла деталям стана и в окружающую среду. При длительной и стабильной прокатке устанавливается стабильный тепловой перепад по длине валка, который и определяет тепловой профиль валка, точнее, его тепловую выпуклость. Если температура шеек валков всегда близка к 20 °С, то на среднем участке валков, протяженностью примерно 2/3 ширины раската, она устанавливается на уровне 70—85 °С. Измерения и расчеты показывают, что максимальная разница в диаметре валка посередине и на концах находится в пределах 0,08—0,20 мм. При профилировании необходимо учитывать тепловой профиль валка: в каждой точке по длине валка от изгибной составляющей, увеличиваю-

Рис. 15.32. Схемы регулирования профиля валков:

N — сила прогивоизгиба рабочих и опорных валков; Р — сила прокатки

щей диаметр к середине, следует вычесть тепловую составляющую, требующую уменьшения диаметра. Суммарный профиль валка будет достаточно сложным.

3. Износ валков. Поперечный профиль листа во многом определяется характером износа рабочих валков в процессе эксплуатации. На рис. 15.33 приведены заводские данные, полученные на некоторых станах, по исходной профилировке валков и изменению их профиля за одну кампанию работы валков от установки на стан до перевалки на перешлифовку. Видно, что поперечная разнотолщинность имеет место уже при установке валков на стан, что связано с начальной профилировкой валков. По мере износа валков разнотолщинность возрастает. Износ валков зависит от эпюры распределения давления по ширине листа и по длине валков происходит неравномерно. На всех заводах в начале кампании прокатываются широкие, а затем, по мере износа валков, более узкие полосы. Так продлевают срок службы валков до полного их износа. Суммарный износ за всю кампанию по середине бочки валка выше, чем по краям.

Износ рабочих валков вносит основную долю в общую разнотолщинность. Она составляет 0,1—0,5 мм. Чем шире лист и больше длина валков, тем больше поперечная разнотолщинность.

Примерно такой же характер износа наблюдается на опорных валках, хотя их износ значительно меньше. Результаты исследования на многих станах показывают, что за одну кампанию износ опорных валков достигает 0,15—0,30 мм и неравномерность их износа вносит в общую разнотолщинность долю, равную 0,05—0,15 мм.

Износ валков при прокатке учитывается в работе автоматизированной системы дополнительного изгиба валков путем введения соответствующих корректировок в модель в зависимости от количества прокатанного металла или от количества израсходованной энергии с начала кампании. Однако, как видно, сложный характер износа полностью скорректировать изгибом валков не удается.

Рис. 15.33. Профиль после перешлифовки рабочего валка (/), рабочего валка с учетом тепловой выпуклости (2), опорного валка (3) и профиль после износа рабочею (4) и опорного (5) валков на станах 2300 Донецкого металлургического завода (ДМ3) (а), 2800 Коммунарского металлургического завода (б), 2800 ОАО “Северсталь” (в)

4. Профилировка валков. Профилировка валков выполняется не только для того, чтобы устранить или свести к минимуму поперечную разнотол- щинность полосы. Сама по себе поперечная разнотолщинность неопасна, ее стремятся уменьшить только для обеспечения равномерности деформации по ширине полосы и для получения высокой планшегности листа, особенно при прокатке тонких листов (из сортамента толстолистовой продукции). С помощью профилировки валка обеспечивают также устойчивость полосы в валках при прокатке. Желательно также добиться равномерного распределения давления на рабочие и опорные валки по ширине их контакта, чтобы добиться равномерности износа валков. Такой широкий набор требований определяет разные подходы к профилировке валков. Поэтому на разных заводах применяются различные исходные профилировки валков.

Устойчивость полосы в валках — это устойчивое удержание раската точно на середине бочки валков, чтобы сила прокатки поровну распределялась на оба нажимных винта. В противном случае лист будет иметь разную толщину по левой и правой боковым кромкам за счет разной упругой деформации деталей левой и правой подушек. Несимметричное распределение усилий опасно также гем, что полоса при прокатке еще больше смещается от середины в сторону более толстого края и может попасть в станину. Для надежного удержания полосы в валках на середине бочки рабочие валки делают вогнутыми, т. е. с уменьшением диаметра к середине бочки. В этом случае силы нормального давления Р, действующие на полосу, имеют горизонтальную составляющую Р направленную внутрь к оси прокатки, и полоса автоматически всегда смещается на середину бочки (рис. 15.34).

Такая профилировка валков прямо противоположна той, которая рекомендуется для компенсации упругого прогиба валков. В связи с этим на толстолистовых станах применяют самые разнообразные профилировки рабочих и опорных валков, от вогнутых до выпуклых с различной формой профиля образующей. Единого подхода к выбору оптимальной профилировки нет.

Рис. 15.34. Профилировка валков для устойчивости полосы при прокатке

На рис. 15.35 приведены профилировки рабочих и опорных валков, применяемые на некоторых толстолистовых станах. На приведенных рисунках для рабочего валка показана профилировка начальная и скорректированная за счет теплового расширения (тепловая добавка заштрихована). Исследования показали, что для устойчивого удержания полосы рабочие валки должны быть вогнутыми только на крайних участках бочки. Средние же участки можно сделать либо цилиндрическими, либо выпуклыми, что снижает поперечную разнотолщинность листа. Такая профилировка рабочих валков в сочетании с выпуклой профилировкой опорного валка (б, ж, з) позволяет обеспечить практически равномерное распределение межвалкового давления по длине валков и равномерность их износа. Чтобы эта равномерность сохранялась при прокатке дольше, предложено на концах рабочих валков делать скосы длиной / = 0,5(1 — В_тт), где /, — длина бочки валка, В_т{п — минимальная ширина полосы, прокатываемой на стане.

Рис. 15.35. Профилировки опорных (/) и рабочих (2) валков толстолистовых станов:

а- 2250 КМЗ; б- 2300 ДМ3; в- 2800 ОХМК (старая); г - 2800 КМЗ; д—ж - 2800 ОАО “Северсталь” (старая, промежуточная и новая); з— 2800 ОХМК и 3600 завода “Азовсгаль” (новые, предложенные Доннии- черметом)

Чисто вогнутые профилировки валков применяются на ряде старых заводов, однако они нежелательны. При прокатке на таких валках получается чечевицеподобная форма листа с высокой поперечной разнотолщинностью. Чтобы ее снизить, на стане последние пропуски осуществляют практически без обжатий. Эти пропуски называются проглаживающими. При обжатиях, близких к 0, резко снижается прогиб валков, и полоса выравнивается по ширине, разнотолщинность снижается. Однако механические свойства металла снижаются. Из диаграммы рекристаллизации металла (см. рис. 1.11) следует, что при малых обжатиях в районе критических значений получается очень крупное зерно, что губительно для ударных характеристик листа. Кроме того, проглажи- вание полосы требует дополнительного времени, и производительность стана падает.

Таким образом, оптимальная профилировка валков по всем критериям невозможна, каждый завод разрабатывает собственную профилировку на основе своего сортамента листов, особенностей стана, условий прокатки и пр.

Необходимо отметить также, что на толстолистовых станах с помощью профилировки валков можно решать проблему управления шириной листа. Представим себе, что при соответствующей профилировке валков или под действием гидроцилиндров системы изгиба валков в последнем уширительном пропуске получена чечевицеподобная полоса. На станах с длиной бочки валков 4500—5500 мм при прокатке толстых и широких листов (более 4000 мм) можно получить разность толщины в середине и по краям до 2,8—3,8 мм. Если дальше такую полосу прокатывать в чистовой клети, имеющей равномерную щель между валками, то деформация полосы по ширине будет очень неравномерна. Средние по ширине слои будут получать большее обжатие, чем по кромкам. За счет взаимодействия средних и крайних слоев последние будут принудительно вытягиваться в длину и утягиваться по ширине. Опыты показывают, что, повторив таким образом несколько раз такую прокатку в черновой и в чистовой клетях, можно уменьшить ширину широких листов на 20-60 мм.

Меняя усилие противоизгиба в процессе прокатки в последнем уширительном пропуске, можно изменять поперечную разнотолщинность (размеры чечевицы) по длине раската. После разворота полосы и прокатки в продольном направлении мы получим разную утяжку ширины листа по его длине. За счет этого можно приблизить форму листа в плане к прямоугольной. Получается что-то похожее на МАБ-прокатку, но не за счет изменения высоты полосы при прокатке, а за счет изменения формы щели между валками. На существующих толстолистовых станах предлагаемый способ регулирования ширины полосы пока не применяется, он находится в стадии проработки.

5. Сила прокатки. На поперечный профиль листа и его планшетность большое влияние оказывает распределение давления на валки по ширине листа. Оно зависит от исходной профилировки, износа валков, а также от других факторов. Напомним, что на узких очагах максимум давления приходится на середину полосы по ширине. На широких полосах неравномерность давления сосредоточена в прикромочных областях (см. рис. 5.3 и 5.4). Особенно важны рассматриваемые эффекты при прокатке сравнительно тонких листов. Для их снижения пригодны все мероприятия, за счет которых снижается сила прокатки, — повышение температуры прокатки, уменьшение коэффициента трения и т. д. Для этой же цели на толстолистовых станах применяют несимметричную прокатку. Совместные исследования завода “Азовсталь”, Донниичермет, ДПИ и НКМЗ показали, что на толстолистовом стане при прокатке листов 8—14 мм полезно рассогласование скоростей валков стана на 3—4 %. При несимметричной прокатке (см. разд. 4.4) в середине очага деформации, помимо обычных зон опережения и отставания по обоим валкам, появляется зона, в которой по одному валку силы трения соответствуют зоне опережения, а по другому — зоне отставания, т. е. направлены навстречу друг другу. Это приводит к уменьшению удельного давления в центре очага деформации и, следовательно, к общему снижению силы прокатки. Важнее то, что снижение пика давлений в середине очага обеспечивает более равномерное распределение давления по ширине полосы, отчего снижается разнотолщинность, улучшается планшетность листа и уменьшается неравномерность износа валков.