( 1 )Донецкий национальный технический университет
Кафедра МОЗЧМ
Тема: исследовать взаимодействие слитка с вертикальными роликами задатчика металла в валки блюминга с целью повышения производительности прокатного стана. Выполнить расчет энергосиловых параметров, разработать кинематическую схему и конструктивное оформление основных узлов задатчика металла в валки блюминга.
Руководитель: доц. Руденко В.И.
Донецк 2002
Данная работа относится к области прокатного производства, а именно к механизмам для принудительной задачи слитка в рабочую клеть обжимных прокатных станов. Тема является очень актуальной, так как позволяет увеличить производительность действующих прокатных станов без существенных изменений в конструкции за счет увеличения обжатия за один проход и, следовательно, уменьшения числа проходов заготовки через рабочую клеть.
Цель работы: разработать механизм для принудительной задачи металла в валки (задатчик) главной клети обжимного стана Макеевского металлургического комбината. Изучить взаимодействие задатчика и слитка. Составить методику расчета задатчиков на примере обжимного стана Макеевского металлургического комбината.
Задачи исследования: определить ускорение слитка и угловое ускорение валков, необходимые для надежного захватывания слитка валками при различных значениях обжатия. Разработать оптимальную конструкцию задатчика с точки зрения противоречия: мощность - габаритные размеры.
Разработано техническое решение идеи авторского свидетельства №452382 М.Кл.В 21 b 39/14 УДК 621.771.22.067(088.8) - конструкция манипулятора-кантователя обжимного прокатного стана со встроенными роликами задатчика металла в валки.
Выведена новая формула, характеризующая взаимодействие слитка с вертикальными роликами задатчика металла в валки.
Обобщены результаты исследований в области интенсификации прокатки с помощью задатчиков металла в валки и сделаны выводы:
повысить обжатие за один проход, не изменяя конструктивные параметры прокатной клети, можно только путем смятия кромок слитка либо при его ударе об валки, либо статической силой, заталкивающей его в валки (в любом случае необходим механизм для задачи слитка);
величина задающей силы зависит от угла захвата, материала слитка, соотношения окружной скорости валков и скорости слитка, коэффициента трения между валками и слитком и от ширины слитка.
Выведена зависимость мощности задатчика от его конструктивных размеров.
С помощью материала, изложенного в работе, можно рассчитать задатчик металла в валки для любого обжимного прокатного стана и для других прокатных станов где это целесообразно. Следовательно увеличить производительность технологической линии.
В работе использовались математические методы исследования.
Для определения условий захвата рассмотрим схему сил, действующих на слиток (раскат) во время соприкосновения его с вращающимися валками прокатной клети (рис.1). На металл со стороны каждого валка будут действовать силы нормальной реакции N и силы трения T. Если не учитывать возникающих во время захвата сил инерции (в связи с их относительной малостью), то для того, чтобы произошел захват металла валками (втягивание металла в зев валков), необходимо чтобы горизонтальные проекции сил T (втягивающие силы) были больше горизонтальных проекций сил N (выталкивающих сил). Т.е. необходимо соблюдение условия:
( 1 )где альфа - угол захвата металла валками (угол между плоскостью, образованной осями вращения валков и плоскостью, проходящей через ось вращения валка и прямую контакта металла с валком в момент соприкосновения последних).Так как Т зависит от N, т.е. T=N*m, где m - коэффициент трения скольжения металла по валку, то, подставляя значение Т в неравенство, ( 1 ) получим:
где бета - угол трения металла о валок.Таким образом, делаем вывод: для того чтобы валки захватили металл, необходимо, чтобы коэффициент трения металла о валок был больше тангенса угла захвата или угол захвата был меньше угла трения.
2. Направления повышения производительности прокатных станов.
В цикле прокатного производства, состоящем, по крайней мере, из обжимных, заготовочных и отделочных звеньев, большой удельный вес по количеству проходов и затрачиваемому времени занимают обжимные проходы. В среднем можно считать, что из 28 - 44 проходов для получения сортового проката, 13 - 17 проходов приходится на блюминг. Это связано с тем, что суммарное обжатие на обжимных проходах наибольшее, а обжатие за один проход ограничивается условиями захвата металла валками. Из этого видно, что решение вопроса о сокращении числа проходов в прокатном цикле целесообразно искать, прежде всего в сокращении обжимных проходов.
Сократить количество проходов можно только путем увеличения обжатия за один проход. Из рисунка 1 видно, что
где R - радиус калибра прокатного валка, D - диаметр калибра валка, альфа - угол захвата. Следовательно, повысить обжатие за один проход можно только путем увеличения диаметра валков или увеличения угла захвата металла валками. Увеличение диаметра валков требует решения ряда вопросов конструктивного и прочностного характера, что приводит к значительным материальным затратам и в конце концов упирается в проблему изготовления клети. Значит, наиболее приемлемым будет решение вопроса увеличения угла захвата. Как было сказано выше, угол захвата должен быть меньше угла трения, в противном случае захват металла валками не произойдет. Однако, как показывает практика, в процессе установившейся прокатки угол захвата может быть значительно больше:
( 2 )где альфа(у), бета(у) - угол захвата и угол трения в установившемся процессе прокатки. Существует несколько методов увеличения углов захвата.
1. Применение заостренных концов раската. Это позволяет осуществлять захват при обычных значениях углов захвата, а установившуюся прокатку вести с повышенными углами захвата. Однако заострение концов практически невозможно, поэтому этот способ может быть применим лишь в лабораторных исследованиях.
2. Увеличения коэффициента трения между валками и раскатом путем подсыпания в момент захвата абразивного материала (песок, окалина). От этого способа следует отказаться, так как он ухудшает качество прокатываемой продукции.
3. Применение насечки, наварки, накатки на валках, некруглой формы валков. Метод позволяет увеличить угол захвата на несколько градусов, но не реализует возможность увеличения угла захвата на 20 - 50%, что следует из формулы ( 2 ).
4. Применение принудительной задачи металла в валки (рис.2). Метод основан на приложении к заготовке дополнительной заталкивающей силы Q, действующей, пока не произойдет захват металла валками. Максимальное значение заталкивающей силы:
где R - радиус валка; b - ширина полосы; p - удельное давление раската на валок.
5. Применение удара раската о валки. При ударе о валки на металле образуются кромки смятия, выполняя, в некоторой степени, условие указанное в первом способе увеличения угла захвата и тем самым облегчающие захват. При этом угол смятия определяется по формуле:
где Vп - скорость проката; G - вес проката; g - ускорение свободного падения; p - сопротивление деформации; fз - коэффициент трения при захвате. Как видно из формулы увеличение угла захвата уменьшает угол смятия кромок, следовательно, нужно одновременно увеличивать скорость металла.
Анализируя методы увеличения угла захвата, делаем вывод, что целесообразнее всего использовать комбинацию двух методов: удара раската о валки и принудительное заталкивание раската. Для чего необходимо использовать дополнительный механизм - задатчик металла в валки.
3. Анализ существующих конструкций для принудительной задачи металла в валки.
Известно не много конструкций механизмов для принудительной задачи металла в валки. А применительно к блюмингам их вообще нет.
В статье А.П. Чекмарева, П.В. Фирсова была приведена машина для задачи лабораторных образцов в валки прокатной клети. Машина представляла собой пневматическое устройство в виде большого пневмоцилиндра и могла задавать заготовки размером 80 х 40 мм. Пневмоцилиндр крепился к раме, которая в свою очередь крепилась на плитовину стана. Учитывая эти условия, данный механизм не может быть использован в качестве задатчика металла в обжимных прокатных станах, так как не стыкуется с рабочим рольгангом стана и обладает недостаточной мощностью.
Известен механизм похожего типа, как рассматривался выше. Он также состоит из цилиндра, толкающего каретку через увеличивающий скорость полиспаст. Каретка упирается в металл и задает его в валки прокатной клети. Все детали механизма крепятся на станине, расположенной ниже оси движения металла. Следовательно, реализовать механизм в условиях обжимного прокатного стана, предполагающего наличие рабочего рольганга невозможно.
Машина, представленная в описании изобретения №969347 М.Кл. В 21 В 39/00 УДК 621.77.067(088.8), состоит из привода и узла двух горизонтальных роликов 1, между которыми движется раскат 2 (рис.3). Реализация такой конструкции требует решения вопросов размещения ее в взаимоувязке с рольгангом и манипулятором. Но это невозможно, так как верхний ролик окажется на пути движения манипулятора. Кроме того, конструкция роликов не позволяет работать с блюмами.
Существует механизм для задачи металла в валки, представляющий собой два рычага, соединенные шарниром и крепящиеся к линейкам манипулятора также шарнирно. В месте перелома рычагов прикреплен зуб, который во время раздвижения линеек упирается в раскат и тем самым задает его в калибры валков. Схема проста, но не обеспечивает необходимого усилия задачи и относительно сложна в управлении.
Основой для расчетов является механизм, представленный в описании изобретения №452382 М.Кл.В 21 b 39/14 УДК 621.771.22.067(088.8), схема которого представлена на рисунке 6. Механизм для принудительной задачи металла в валки (задатчик металла в валки) выполняется встроенным в линейки манипулятора 3 и состоит из групп роликов 2, соединенных с линейками манипулятора. Ролики выполняются приводными от фланцевых электродвигателей 5. С целью предохранения роликов от поломки при правке раската линейками, ролики выполнены утапливаемыми в тело линейки и снабжены амортизаторами 4.
Принцип действия задатчика металла в валки:
при зажатии раската между линейками манипулятора, приводятся во вращение вертикальные ролики задатчика и раскат, с определённой силой, задается в валки прокатной клети. Сила задачи раската зависит от силы прижатия роликов к нему линейками манипулятора.
Работа прокатного стана с использованием задатчика металла в валки.
После выхода раската из валков оператор зажимает его между линейками манипулятора, при необходимости производя правку. При правке ролики вместе с цапфами 6 утапливаются в линейки, что предохраняет их от поломки. Затем включаются ролики задатчика одновременно с включением рабочего рольганга 1. Раскат разгоняется и с определённой скоростью ударяется о вращающиеся прокатные валки. При этом в местах контакта раската с валками образуются площадки смятия, облегчающие захват раската валками. Ролики задатчика продолжают вращаться, создавая силу принудительной задачи, пока валки не захватят раскат. Сила принудительной задачи регулируется оператором путем "сдвигания - раздвигания" линеек манипулятора, и ограничивается жесткостью пружин амортизаторов цапф вертикальных роликов задатчика.
4. Теоретические исследования по определению усилия задачи металла в валки при прокатке.
Осуществление принудительной задачи металла в валки возможно при различных относительных скоростях валков (имеется в виду горизонтальная проекция окружной скорости валков в точке соприкосновения металла с валками). Если скорость задаваемого металла меньше горизонтальной проекции окружной скорости валков, то в этом случае на контактных поверхностях возникают касательные силы трения, направленные по ходу прокатки и, следовательно, помогающие захвату металла валками. Если же скорость задаваемого металла больше горизонтальной проекции окружной скорости валков, то касательные силы трения будут направлены против хода прокатки, и они будут препятствовать захвату металла валками, т.е. увеличивать необходимое усилие заталкивания металла в валки. В случае совпадения скоростей учет касательных сил трения при рассмотрении условий захвата можно отбросить, однако такой случай может являться редким частным случаем, требующем выбора строго определенной скорости задачи металла в валки при определенном числе оборотов валков.
1-й случай. Скорость принудительной задачи металла меньше горизонтальной проекции окружной скорости валков:
Для осуществления захвата металла валками, с учетом придания металлу необходимого ускорения, необходимо создание такого смятия передних кромок, при котором равнодействующая радиального давления пройдет под углом к плоскости осей валков, меньшим угла трения. Рассматривая равновесие горизонтальных проекций сил, действующих на раскат и, выполняя математические преобразования с некоторыми упрощениями, получим формулу для определения максимальной силы принудительной задачи в первом случае:
Таким образом, нарастание усилия задачи будет происходить до того момента, пока передняя грань раската не займет положение, соответствующее углу трения, после чего будет происходить уменьшение усилия задачи, которое станет равным нулю, когда передняя грань займет положение, соответствующее углу
2-й случай. Скорость принудительной задачи металла больше горизонтальной проекции окружной скорости валков:
В этом случае касательные силы трения на контактной поверхности будут направлены в сторону, противоположную направлению прокатки. Возникающие при этом силы трения будут препятствовать продвижению металла в зеве валков. Для захвата раската валками в этом случае необходимо создание такого давления металла на валки, которое было бы достаточно для преодоления усилия деформации раската, сил трения металла о валки и инерционных сил раската. Формула для определения максимальной силы принудительной задачи имеет вид:
Такой случай прокатки можно уподобить выжиманию металла через очко, образованное двумя неподвижно закрепленными параллельно друг другу цилиндрами, со скоростью, равной разности скоростей подачи металла и горизонтальной составляющей окружной скорости вращающихся валков.
3-й случай. В частном случае возможно такое соотношение скоростей, когда скорость подачи металла будет равна горизонтальной проекции окружной скорости валков. В этом случае вся сила нажатия на полосу идет на преодоление отталкивающих сил и работу трения от смещения частиц металла относительно поверхности валков при деформации. Сила принудительной задачи для данного случая определяется по формуле:
Таким образом, приходим к выводу, что принудительная задача металла в валки целесообразна только при условии, что скорость задаваемого металла меньше горизонтальной проекции окружной скорости прокатных валков.
5. Исследование взаимодействия слитка с вертикальными роликами задатчика. Определение энергосиловых параметров привода вертикальных роликов.
6. Разработка кинематической схемы задатчика металла в валки и расчет основных элементов задатчика.
7. Оптимизация геометрических параметров узла ролика.
8. Расчет режима обжатий с применением принудительной задачи металла в валки.
9. Расчет экономической эффективности при использовании задатчика металла в валки.
Получена формула, характеризующая взаимодействие металла и роликов механизма для принудительной задачи металла в валки блюминга, на основании которой разработана конструкция этого механизма и рассчитана оптимальная мощность привода его. Применение задатчика металла в валки на примере обжимного прокатного стана макеевского металлургического комбината, позволит сократить количество прходов слитка через главную рабочую клеть стана на две единицы, то есть с 13-ти на 9 проходов. Следовательно увеличить производительность прокатного стана.
1. Королев А.А. Механическое оборудование прокатных и трубных цехов.М.:Металлургия, 1987.
2. Целиков А.И. Машины и агрегаты металлургических заводов. М.: Металлургия, 1981.
3. Королев А.А. Конструкция и расчет машин и механизмов прокатных станов. М.: Металлургия, 1985.