Кинематические условия продольной прокатки

Таблица 3.1

№ п/п	условия прокатки	валки	коэффициент трения	угол захвата, град.
материал	состояние поверхности
	холодная прокатка со смазкой	сталь	шлифован.	0,07…0,18	4…10
	горячая прокатка листов	сталь, чугун	шлифован.	0,27…0,36	15…20
	горячая прокатка сорта	сталь, чугун	из-под резца	0,40…0,45	22…24
	горячая прокатка полупродукта	сталь	с насечкой	0,48…0,67	26…34

В зависимости от положения полосы в очаге деформации различают три стадии прокатки: захват металла валками, установившийся процесс и выброс металла из валков.

Первая стадия начинается с момента захвата металла, продолжается в процессе заполнения очага деформации и заканчивается, как только передний конец полосы выйдет за пределы плоскости выхода металла из валков. Это неустановившаяся стадия, поскольку в процессе заполнения очага деформации происходит изменение практически всех параметров процесса прокатки.

Вторая стадия – установившийся процесс прокатки, начинается с момента образования переднего конца некоторой длины за плоскостью выхода металла из валков и длится до момента приближения заднего конца полосы непосредственно к плоскости входа металла в валки. В этой стадии значения всех параметров прокатки выдерживаются примерно на одном уровне.

Третья стадия начинается с момента приближения заднего конца полосы непосредственно к плоскости входа металла в валки, длится в течение освобождения очага деформации и заканчивается, как только задний конец полосы пересечет плоскость выхода металла из валков. Как и первая, это неустановившаяся стадия процесса прокатки.

Посмотрим, как изменяется соотношение сил, действующих на полосу, при переходе от неустановившегося к установившемуся процессу прокатки.

По мере продвижения материала вглубь очага деформации точка приложения нормальной силы будет передвигаться по направлению к плоскости выхода и при достижении установившегося процесса нормальная сила займет положение под углом j к линии центров валков (рис.3.11).

Тогда условие захвата металла в установившемся процессе будет . Если принять, что нормальные напряжения равномерно распределяются по длине очага деформации, то нормальная сила будет делить угол захвата пополам, т.е. .

Следовательно, в установившемся процессе условие захвата металла валками будет иметь вид: или .

Отсюда следует весьма важный с практической точки зрения вывод. Наиболее трудным в смысле осуществления захвата металла валками является начальный период прокатки. Если же он состоялся, то в условиях установившегося процесса появляется возможность примерно двукратно увеличить угол захвата и соответственно обжатие.

Зависимость коэффициента трения от условий прокатки.

1. При прокатке в стальных валках коэффициент трения на 15…20% больше, чем при прокатке в чугунных.

2. Чем больше шероховатость поверхности валков и/или полосы, тем выше коэффициент трения (см. табл.3.1).

3. С повышением содержания углерода в стали коэффициент трения снижается. При прокатке легированных сталей он в 1,2…1,6 раза больше, чем при прокатке углеродистых сталей.

4. В зависимости от температуры прокатки коэффициент трения вначале увеличивается, достигая максимума при 500…800^oC. Затем, при дальнейшем увеличении температуры он снижается (рис.3.12). Полагают, что основное влияние на коэффициент трения оказывает не собственно температура, а окалина на поверхности полосы. Образующийся при нагреве окисный слой, как абразив, способствует увеличению коэффициент трения. При повышенных температурах он размягчается и начинает действовать как смазка.

5. С увеличением скорости прокатки коэффициент трения снижается. По данным Таффеля особенно интенсивно он снижается в интервале скоростей 2…3 м/сек (рис.3.13).

6. При увеличении контактных напряжений коэффициент трения проявляет тенденцию к увеличению.

7. применение смазки способствует снижению коэффициента трения (см. табл.3.1).

Предложено множество формул для определения коэффициента трения. Одной из наиболее ранних и достаточно удачных является формула экелунда:

f = 1,05 – 0,0005t, где t – температура прокатки.

Она получена экспериментальным путем при прокатке стали с содержанием углерода 0,15% при t ³ 700^oC в стальных валках. Формулы многих других авторов структурно не отличаются от формулы Экелунда – изменяются лишь значения свободного члена и множителя при температуре.

Наиболее удачно усовершенствовали формулу Экелунда Бахтинов и Штернов, введя в нее три дополнительных коэффициента:

f = К₁ × К₂ × К₃ (1,05 – 0,0005t),

где К₁ - учитывает материал валков. Для стальных он равен единице, для чугунных – 0,8;

К₂ - учитывает скорость прокатки. При V £ 1 м/сек. он равен единице и плавно снижается до 0,4 при V £ 16 м/сек.;

К₃ - учитывает материал прокатываемой полосы. Для углеродистой стали он равен единице, для легированных – 1,2…1,6.

Существует ряд методов экспериментального определения коэффициента трения. По одному из них - методу максимального угла захвата, - вычисляют величину обжатия при максимальном угле свободного захвата и по ней определяют его значение по формуле . Полученное значение a (в радианах) приравнивают коэффициенту трения.

4.1. Опережение и отставание.

Если измерить скорость полосы на входе и выходе из валков (соответственно V _н и V_h) и сопоставить ее с окружной скоростью валков V _в (рис.4.1.), то окажется, что они связанны неравенством V_н < V _в < V_h, т.е. задний конец отстает, а передний опережает валки. Эти явления – входа полосы в валки со скоростью, меньшей окружной скорости валков, называют отставанием (S_н), а выхода полосы из валков со скоростью, выше окружной скорости валков – опережением (S_h). Какова их природа? При продольной прокатке валки сообщают полосе переносную скорость V _в. Кроме того, в процессе обжатия большая часть металла в соответствии с законом наименьшего сопротивления будет смещаться против хода прокатки с некоторой скоростью V¢, а меньшая часть – по ходу прокатки со скоростью V¢¢. И тогда скорость задней части полосы будет (V _в - V ¢), а передней (V _в + V¢¢), что и приводит к упомянутому выше неравенству.

Таким образом, опережение образуется за счет смещения частиц металла в направлении прокатки, а отставание - за счет смещения частиц металла против направления прокатки.

С практической точки зрения более важно знать величину S_h, поскольку она непосредственно связана с V_h, а это есть не что иное, как скорость прокатки – один из важнейших параметров продольной прокатки.

Поэтому в дальнейшем будем рассматривать в основном опережение.

Посмотрим, как будет изменяться скорость металла и валков по длине очага деформации. Горизонтальная проекция окружной скорости валков в любой точке очага деформации будет V _в × cosj, где угол j - текущий центральный угол очага деформации, изменяющийся от a до нуля. Тогда горизонтальная проекция окружной скорости валков в плоскости входа будет , а в плоскости выхода - V _в (рис.4.2.).

Скорость металла в очаге деформации будет изменяться от V_н на входе до V_h – на выходе металла из валков. Характер этого изменения определяется, исходя из закона постоянства объема. Через плоскость входа в единицу времени пройдет F_н × V_н металла, а через плоскость выхода – F_k V_h, где F_н и F_к площадь поперечного сечения полосы на входе и выходе из валков, соответственно. Поскольку F_н × V_н = F_k V_h, то . Аналогично можно определить скорость течения металла в любом сечении очага деформации.

Из неравенства V _н < V _в < V_h следует, что в очаге деформации существует такое сечение, где скорость металла и валков совпадает. Это вертикальное сечение называют нейтральным или критическим, а соответствующий ей центральный угол – нейтральным или критическим углом g. Зона от a до g называется зоной отставания, а от g до нуля – зоной опережения (рис. 4.2.).

Таким образом, в зоне отставания валки опережают металл, а в зоне опережения, наоборот, металл опережает валки. Поэтому силы трения в зоне отставания совпадают с направлением прокатки, а в зоне опережения – противонаправлены.

Опережение можно определить по разности скоростей полосы и валков, отнесенной к скорости валков (обычно выражают в процентах):

, %.

Но более удобно выражать S_h через величину пути, пройденного полосой (l_h) и валками (l_в) в единицу времени: , %.

Значение l_n и l_в легко определить, например, методом керновых отпечатков (рис.4.3.).

Для определения S_h предложено немало формул. Более употребительными являются формула Финка:

и формула Головина-Дрездена: .

Последняя, по сути, является упрощенной формулой Финка.

Для вычисления опережения по этим формулам необходимо знать величину g. Для ее определения И.М.Павлов предложил формулу .

Каковы предельные значения g? При a = 0 и g = 0. При естественном начальном захвате a = b, а . Это его максимальное значение. При a = 2b угол g = 0. При этом и S_h = 0. То есть, в последнем случае на всем протяжении очага деформации имеет место только одна зона – зона отставания, валки буксуют по полосе, процесс прокатки прекращается.

Отчего зависит опережение?

1. При увеличении диаметра валков и опережение увеличивается.

2. При увеличении толщины полосы опережение уменьшается.

3. При увеличении обжатия опережение вначале увеличивается, а затем, достигнув максимума, уменьшается. Это, кстати, следует и из зависимости g от a.

4. При увеличении коэффициента трения и опережение увеличивается. Поэтому все факторы, которые влияют на коэффициент трения, в таком же направлении влияют и на опережение.

Рассматривая скоростные условия прокатки, следует отметить, что кроме скорости прокатки в теории прокатки широко используют понятие скорости деформации. Она зависит от скорости прокатки, но в отличие от нее учитывает еще параметры очага деформации и относительное обжатие.

А.И. Целиков предложил следующую формулу для ее определения: , сек^-1.

Скорость деформации изменяется в широких пределах – от 0,1 сек^-1 на обжимных станах до 1000 сек^-1 на современных проволочно-мелкосортных станах.

4.2.Уширение при продольной прокатке.

При продольной прокатке происходит уменьшение высоты полосы, а смещенный объем металла может перемещаться в двух направлениях – в продольном (в длину) и в поперечном (в ширину). При этом количество металла, смещаемого в том или ином направлениях, определяется законом наименьшего сопротивления.

Смещение металла в поперечном направлении называется уширением.

Напомним, что наиболее употребляемыми показателями уширения являются: абсолютное уширение , мм, коэффициент уширения и показатель уширения .

Различают три вида уширения: свободное (естественное), ограниченное (стесненное) и вынужденное.

Свободным называется уширение, когда поперечному течению металла ничто не препятствует, кроме сил контактного трения.

Ограниченное уширение имеет место, когда поперечное течение металла встречает какое-либо противодействие (например, создаваемое боковыми стенками калибра или вертикальными валками).

Вынужденное уширение обычно является следствием неравномерного обжатия полосы по ширине, когда вытяжке более обжимаемых участков полосы препятствуют менее обжимаемые, и металл вынужденно смещается в поперечном направлении.

Уширение является одним из основных параметров прокатки, поскольку оно непосредственно влияет на точность, а, следовательно, и на качество проката, особенно сортового. Если толщину профиля можно достаточно точно выдержать путем регулирования зазора между валками, то точность профиля по ширине всецело зависит от уширения. Тем более, что допускаемые отклонения по ширине составляют десятые и даже сотые доли миллиметра, а уширение – миллиметры. Между тем, получить аналитическую зависимость, которая бы функционально отражала влияние различных факторов на уширение, чрезвычайно сложно из-за их многочисленности. Поэтому определение уширения является не столько предметом инженерного расчета, сколько опыта и интуиции калибровщика.

До настоящего времени для практических расчетов используют главным образом эмпирические зависимости, основным достоинством которых является их простота.

Одна из первых зависимостей была предложена жезом, согласно которой величина уширения определяется абсолютным обжатием, а влияние остальных факторов учитывается показателем уширения: . Для различных условий прокатки К изменяется в пределах от 0,35 до 0,48. Однако, как показали более поздние исследования, коэффициент К в значительной степени сам зависит от обжатия, и при может достигать значений 2,5. Тем не менее, при умеренных обжатиях формула Жеза может давать приемлемые результаты.

Более удачной является формула Зибеля-Петрова: , или . Здесь уширение поставлено в зависимость от относительного обжатия и протяженности очага деформации, а К = 0,35…0,45.

Наиболее совершенной является формула Чекмарева:

,

где К – показатель вида уширения: при свободном уширении он равен единице, при стесненном – 0,6…0,8;

n – степенной показатель. Для узкого очага деформации, когда , он равен единице, для широкого при - двум.

Зависимость уширения от условий прокатки.

1. При увеличении обжатия и диаметра валков уширение возрастает.

2. Дробность деформации способствует уменьшению уширения.

3. При увеличении ширины полосы уширение уменьшается. Поэтому при прокатке широких полос им вообще пренебрегают.

4. Увеличение коэффициента трения способствует росту уширения. Все факторы, влияющие на коэффициент трения, в таком же направлении влияют на уширение.

5. Повышение содержания углерода в стали приводит к уменьшению уширения. Уширение легированных сталей в 1,1…1,6 раза больше, нежели углеродистых.

При анализе зависимости уширения от различных факторов необходимо руководствоваться следующим. Металл в очаге деформации находится в условиях трехосной схемы сжатия: - главное сжимающее напряжение, - среднее главное напряжение и - продольное главное напряжение. При заданном значении течение металла в продольном или поперечном направлениях зависит от соотношения и . Все, что способствует относительному увеличению , приводит к увеличению поперечной деформации, и наоборот.

Вследствие влияния контактных сил трения и ряда других факторов ширина полосы имеет переменное значение по высоте (бочкообразный или вогнутый контур поперечного сечения). Поэтому в ряде случаев необходимо определять среднюю (приведенную) ширину.

Она равна площади поперечного сечения полосы, деленной на ее толщину, то есть, . Соответственно, приведенное уширение будет .

При продольной прокатке уширение может быть позитивным или негативным явлением. В большинстве случаев уширение нежелательно, так как требует непроизводительных затрат рабочего времени и энергии. Но иногда из узкой заготовки необходимо получить широкую полосу. В этом случае уширение выполняет полезную функцию.