Определение напряжений и деформаций в рабочих валках прокатного стана при получении гладкой стали диаметром 65мм

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Саратовский  государственный технический университет

имени Гагарина Ю. А.»

Кафедра «Технология машиностроения»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Промышленные  технологии и инновации»

на тему

«Определение напряжений и деформаций в рабочих валках прокатного стана при получении гладкой стали диаметром 65мм.»

                                                                        

 

                                                                           Выполнил: студент группы ИНВТ-41

   Ануфриев А.С.

   (Microsoft Office Word 2007)

    Руководитель: Родионов И.В.

   

 

 

 

                                             Саратов 2012

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

Глава 1 Рабочие валки  прокатного стана………………………………………4

1. Основная характеристика валков прокатного стана…………………………..4

1.2 Мероприятия по повышению  качества валков и эффективности  их эксплуатации…………………………………………………………………………8

Глава 2 Определение  напряжений в рабочих валках прокатного стана….14

2.1 Контактные напряжения  в валках………………………………………….14 2.2. Расчет напряжений валков в клети дуо…………………………………........19

2.3. Расчет валков стана  кварто………………………………………………........25

Глава 3 Упругая  деформация валков…………………………………………..30

1.   Деформация валков листовых станов………………………………………..30

3.2  Деформация валков  сортовых станов………………………………………..32

3.3 Характеристика усилий  противоизгиба валков клети кварто………………35

Заключение………………………………………………………………………...38Список литературы……………………………………………………………….39

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Эффективность работы прокатных  станов, качество и себестоимость  выпускаемой продукции в значительной степени зависят от прочности  и жесткости рабочих клетей. Поэтому  при проектировании и эксплуатации прокатных станов необходимо грамотно рассчитывать оборудование рабочих  клетей, а именно рабочие валки. Обычно размеры деталей этого оборудования предварительно определяют конструктивно  по эмпирическим соотношениям,  полученным в результате обобщения опыта прокатного машиностроения,  а затем делают поверочные расчеты на прочность и жесткость, по результатам которых корректируют принятые конструктивно размеры. Валки являются главным элементом прокатной клети,  с  помощью  которого осуществляется обжатие прокатываемой  полосы.  Требования,  предъявляемые к прокатным валкам, разнообразны и касаются не только их  эксплуатации,  но  и процесса  изготовления.   Прокатный   валок работает   при   одновременном воздействии на него усилия прокатки, крутящего момента, температуры в  очаге деформации и т.п. поэтому, одним из  главных  требований  является  высокая износостойкость и термоусталостная  прочность,  обуславливающие  малый   и равномерный износ валков.

Целью данного курсового  проекта является рассмотрение основных методик расчета напряжений и  деформаций в рабочих валках прокатного стана при получении гладкой  стали.

Исходя из поставленной цели, в работе определены следующие задачи:

-рассмотреть основные характеристики валков прокатного стана;

-провести расчет напряжений  валков клети дуо и кварто;

-провести расчет деформаций  в рабочих валках прокатного  стана.

 

 

Глава 1 Рабочие валки  прокатного стана

1.1 Основная характеристика валков прокатного стана

Валки прокатных станов по назначению делят на валки обжимных, заготовочных, сортовых станов и валки листовых станов.

Основные размеры валка: D - рабочий диаметр валка; L - длина бочки валка; d_m - диаметр шейки валка; 1_ш - длина шейки валка.

Для прокатных станов различного назначения практикой установлены следующие  наиболее рациональные соотношения  между длиной бочки и ее диаметром L/D)[33]:

Обжимные станы 2,2… ..2,7

Сортовые станы 1,6… ..2,5

Толстолистовые станы горячей  прокатки 2,2… ..2,8

4-х валковые станы холодной  прокатки 2,0…7,0

12-валковые станы « » 8,0....14,0

20-валковые станы « » 12,0...30,0

Диаметр шейки валков определяют из конструктивных соображений. Рекомендуемые  соотношения между диаметром  шейки и рабочим диаметром  валка d_ш/D) таковы:

Обжимные, заготовочные и сортовые станы 0,55.. ..0,65

Листовые станы горячей прокатки 0,7 0,75

Листовые станы холодной прокатки 0,5 0,6.

При определении диаметра валка  учитывают возможность его последующей  переточки, вызванной износом валка. Число переточек, максимальная суммарная толщина удаляемого слоя после ряда переточек ограничена  и зависит  от материала валка, его конструкции, типа стана и назначение клети, в которой он установлен. Так называемый коэффициент переточек, определяемый как изменяется в пределах от 0,16 до 0,03:

для обжимных станов K = 0,12….0,16;

для сортовых станов K =0,08…… 0,10;

для проволочных станов K = 0,05….0,08;

для тонколистовых K = 0,04….0,06;

для станов холодной прокатки K = 0,03….0,05

Рабочие валки станов холодной прокатки изготовляют из сталей 9Х,9Х2, 9ХФ, 9Х2МФ, 9Х2В, 9Х2СВФ, 60Х2СМФ.

Механические свойства валков регламентированы. Для особо ответственных работ  применяют валки из твердых сплавов. Их обычно изготавливают составными - металлокерамический бандаж и цельная  стальная ось Опорные валки изготовляют  цельно коваными, литыми и бандажированными. При бандажировании применяют прессовые  посадки. Например, наименьший натяг  составляет 0,48мм, а максимальный - 0,6мм для посадочного размера в 880мм [86]. Опорные валки изготовляют из сталей марок 9Х2, 9ХФ, 65ХМ, 65ХНМ. Бандажи составных валков изготовляют из стали 9Х, 9ХФ, 75ХМ, 9Х2В, 9Х2Ф. Для многовалковых станов бандажи и сами валки изготавливают из инструментальных сталей 45ХНВ, 45ХНМ, для менее нагруженных станов валки изготовляют из сталей 40ХНМА, 55Х, 55ХГ, и 70. Оси изготовляют из сталей марок 55Х, 50ХГ, 60ХН, 70 и др.

Чугунные валки в зависимости  от твердости условно делят на мягкие (30- 40HSD), полутвердые (40-60HSD) и твердые (60-80HSD).

Чугунные валки высокой твердости  получают литьем в кокиль, поскольку  при литье в металлические  формы на поверхности отливок  образуется отбеленный слой с твердостью 55-75HSD. Такие валки широко применяют на листопрокатных станах и чистовых клетях сортовых и проволочных станах. Толщина отбеленного слоя определяет стойкость валка, т.е. допустимое число переточек. Желательно, чтобы толщина отбеленного слоя была оптимальной и не превосходила величины, определяемой коэффициентом переточки, так как это может привести к понижению прочности валка на изгиб. Практически толщина отбеленного слоя составляет 1560мм.

Чугунные валки с твердым  отбеленным слоем хуже захватывают  металл, чем стальные (ввиду меньшего коэффициента трения), поэтому их нельзя применять там, где требуются  обжатия в условиях естественного  захвата.

Для снижения остаточных напряжений чугунные валки после изготовления подвергают естественному (не менее 3-х  месяцев) или искусственному старению (низкотемпературный отжиг при550-650⁰С).

Стальные валки (ГОСТ35541-79) изготавливают  литьем или ковкой. Кованые валки - более высокого качества, но обходятся  дороже вследствие длительного цикла  изготовления.

В последнее время для изготовления литых стальных и чугунных валков используется метод центробежного  литья. Отливка, полученная таким образом, имеет плотную мелкозернистую структуру  рабочего слоя, а для сердцевины обычно используется чугун или сталь. Кроме того, центробежным способом литья можно получить любую заданную глубину (до 100мм) рабочего слоя из высокопрочной стали.

Износ валков главным образом зависит  от их твердости, а повышение твердости, как правило, снижает вязкость материала, делает его хрупким. Совокупность необходимых  свойств валков для различных  станов достигается подбором соответствующих  материалов, а также термообработкой, бандажированием, упрочнением и  т. д.

Рабочие валки многовалковых станов, а также валки проволочных  станов изготавливают из сверхтвердых керамических материалов на основе карбида  вольфрама с добавкой кобальта. Износостойкость  таких валков в 30-50 раз выше, чем  обычных цельнокованых стальных валков из легированных сталей. Кроме  того, на таких валках можно получить наивысший класс шероховатости  прокатываемой ленты.[1,стр 12]

Например, на Урале твердосплавные валки дискового типа эксплуатируются  на проволочных станах. Вот их характеристика: максимальный диаметр 215мм, масса 35кг, материал 8ТС-15 на основе карбида вольфрама и кобальтоникелевой связки ; механические свойства: предел прочности = 2850 МПа, твердость 87 НRА, модуль Юнга E = 5,8105 МПа, плотность у = 14 г/см³.

Окончательные свойства валкам придают  термообработкой. Применяют все  виды термообработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск и др. При изготовлении чугунных валков применение термической  обработки весьма ограничено.

Для предотвращения снижения стойкости  валков после перешлифовки их подвергают низкотемпературному (130-170⁰С) отпуску.

Для восстановления и упрочнения валков применяют дуговую наплавку проволочными электродами из высокопрочной стали (типа 18ГСА, 3Х2В8) под слоем флюса.

При износе валка на 2-6 мм производится шлифовка или переточка.

Шероховатость поверхности валков определяет шероховатость поверхности  проката, равно как и шероховатость  полосы вследствие их взаимодействия влияет на состояние поверхности  валка.[1,стр 47]

ГОСТ 9045 - 80 регламентирует качество поверхности  холоднокатаных листов . Европейским  стандартом Е № 49 установлена шероховатость: = 0,6мкм. для глянцевой поверхности; = 0,8 - 1,6 для матовой поверхности; > 1,6 мкм для шероховатой поверхности.

В то же время полированные валки  имеют шероховатость  не более 0,32 мкм, шлифованные 0,63 мкм. Насеченные - от 2,5 до 4,5 мкм.

Класс чистоты поверхности рабочих  и опорных валков находится в  прямой зависимости от класса чистоты  поверхности проката и не должен быть выше 2 - 3 классов. В противном  случае класс чистоты рабочих  валков при прокатке в первые 20-30мин снизится и будет только на 1 - 2 класса выше чистоты проката. Следовательно, если класс чистоты поверхности рабочих валков 10 - 11, то у опорных он составляет 9 - 10, а шероховатость проката должна в этом случае соответствовать 8  9 классу [3,стр 107].

Аналогичные требования к соотношению  твердости опорного и рабочего валков. При максимальной твердости рабочих валков (100-105 НЖ) твердость опорных рекомендуется обеспечивать в пределах 70-89HSD.

1.2 Мероприятия по повышению качества валков и эффективности их эксплуатации

Повышение производительности прокатных  станов и качество производимой ими  продукции во многом зависят от качества изготовления и служебных свойств  прокатных валков. Расход валков на 1 т прокатной продукции на различных  заводах различен и изменяется в  широком диапазоне: от 0,05 до 25 кг/т. Проблемы повышения качества валков и, в первую очередь, их стойкости постоянно возрастает в условиях внедрения в прокатное производство станов непрерывной и бесконечной прокатки, реализующих поточные методы массового производства.

 В связи с этим разработка мероприятий по повышению эксплуатационной стойкости и долговечности валков требует комплексного подхода к процессу их изготовления, позволяющего найти рациональное сочетание твердости поверхности бочки, глубины закаленного слоя валков, их напряженного состояния, а также всестороннего изучения условий эксплуатации валков. Эти мероприятия условно делят на три группы[19]:

1— связанные с изготовлением валков и их материалом;

2— связанные с технологией прокатки и процессом эксплуатации валков;

3— связанные с восстановлением валков и улучшением их конструкции.

К мероприятиям первой группы следует отнести улучшение качества металла путем дегазации и рафинирования жидкой стали (вакуумирование, электрошлаковый переплав и др.); при этом особое внимание следует обращать на чистоту металла валков и прежде всего на содержание серы и фосфора ( не более 0,005-0,010%).

Для стальных кованых валков технология ковки слитков должна обеспечивать качественную проработку структуры  металла, способствующую разрушению первичной  карбидной сетки и измельчению  зерна, а также уменьшению анизотропии  и улучшению механических свойств  по сечению валка.

Термическая обработка поковок  включает улучшение (отжиг с отпуском), а после механической обработки  — закалку с отпуском. В последние  годы, изготовители валков в основном проводят закалку при индукционном нагреве ТПЧ, но иногда применяют и объемную. Хотя этот способ и малопроизводителен. При закалке валков диаметром более 200 мм необходимо двухстороннее охлаждение — снаружи и через осевое отверстие. Затем проводят низкотемпературный отпуск.

. Выбор рационального способа  закалки, режимов нагрева и  охлаждение валков обеспечивает  более «плавный» переход от "активного"  закаленного слоя к исходному  материалу внутренних слоев; способствует  повышению контактноусталостной прочности закаленного слоя, конструкционной прочности и долговечности валков.[4,стр 55]

Кованые стальные валки дорогостоящие, поэтому во многих случаях они  могут быть заменены стальными валками, изготовленных центробежным литьем, особенно из заэвтектоидных марок сталей. Более высокого качество чугунных валков достигают также при изготовлении их методом центробежного литья. Последние модификации чугунных валков конкурируют со стальными валками. Так, например, за рубежом при прокатке толстого листа часто применяют высокохромистые центробежно-литые чугунные валки с содержанием хрома 16—20 %. Серьезную конкуренцию монолитным валкам составляют бандажированные валки.

К мероприятиям второй группы относят  те, которые связаны с технологией  прокатки и эксплуатацией валков. В процессе прокатки валки работают в условиях сложного напряженного состояния, вызванного совместным действием остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления, включая термообработку, и напряжений вызванных действием  внешних нагрузок и воздействий. Последние возникают в процессе эксплуатации валков и, следовательно, на них можно воздействовать.

Изгибные напряжения воспринимаются, главным образом опорными валками, а стойкость рабочих валков определяют контактные напряжения, которые имеют максимальное значение на поверхности контакта рабочего и опорного валков, так как при одинаковом усилии площадь их контакта значительно меньше площади касания рабочего валка с прокатываемым металлом в зоне деформации. Кроме того, на контактные напряжения могут дополнительно накладываться температурные.